PL179644B1

PL179644B1 - Sposób i uklad do odzyskiwania pary kriogenicznej PL PL PL PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL179644B1
Application number: PL96313342A
Authority: PL
Inventors: Ron C Lee; Michael D Heil; Michael T Downey; Michael J Barrasso
Original assignee: Boc Group Inc; The Boc Groupinc
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 2000-10-31
Also published as: PL313342A1; KR960034957A; TR199600214A2; DE69615071D1; DE69615071T2; CN1081320C; JP3880653B2; EP0733390A3; CA2168832A1; US5533338A; AU693998B2; AU4804296A; CN1139196A; KR100186953B1; NZ280938A; EP0733390B1; EP0733390A2; MY112747A; JPH08271142A; ZA961565B

Abstract

przez skraplanie z zastosowaniem posredniej wymiany ciepla miedzy strumieniem gazu a czynnikiem chlodniczym, znamienny tym, ze przeprowadza sie posrednia wymiane ciepla miedzy stru mieniem gazu a strumieniem czynnika chlodniczego w wezownicy (30; 32) skraplacza (16; 22) i wytwarza sie strumien gazu ochlo dzonego i ogrzany strumien czynnika chlodniczego, nastepnie przeprowadza sie dodatkowa posrednia wymiane ciepla w oszczed nym wymienniku ciepla (18), miedzy co najmniej czescia ogrzane go strumienia czynnika chlodniczego a ochlodzonym strumieniem gazu i tworzy sie ochlodzony strumien czynnika chlodniczego z ogrzanego strumienia czynnika chlodniczego, a ponadto wytwarza sie strumien czynnika chlodniczego przez polaczenie strumienia kriogenicznego z co najmniej czescia, ochlodzonego strumienia czynnika chlodniczego, za pomoca strumienicy (58) 1 1 Uklad d o odzyskiwania pary kriogenicznej, dla usuwania na dajacych sie d o skraplania oparów zawartych w strumieniu g az u , zawierajacy co najmniej jeden skraplacz z posrednia wymiana ciepla ze strumienia gazu d o strumienia czynnika chlodniczego dla skrople nia nadajacych sie d o skraplania oparów z tego strumienia gazu i utworzenia ochlodzonego strumienia gazu oraz ogrzanego strumienia czynnika chlodniczego, znamienny tym, ze oszczedny wymiennik ciepla (18) dodatkowej wymiany ciepla miedzy co najmniej czescia ogrzanego strumienia czynnika chlodniczego a strumieniem ochlo dzonego gazu, wytwarzajacy ochlodzony strum ien czynnika chlodni czego z ogrzanego strumienia czynnika chlodniczego, jest dolaczony d o co najmniej jednego skraplacza (1 6 , 2 2), który to co najmniej jeden skraplacz (16, 22) jest polaczony ze strumienica (58) laczaca strum ien kriogeniczny z co najmniej czescia ochlodzonego strumienia czynni ka chlodniczego i wytwarzajaca strum ien czynnika chlodniczego oraz cyrkulacje w ukladzie. FIG. 1 R Z E C Z PO SPO L IT A POLSKA ( 1 2 ) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgloszenia: 313342 Urzad Patentowy (22) Data zgloszenia: 19.03.1996 Rzeczypospolitej Polskiej PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do odzyskiwania pary kriogenicznej, w których nadające się do skraplania opary usuwa się ze strumienia gazu przez skraplanie, zwłaszcza sposób i aparatura, w których chłodzenie dla skraplania jest zapewnione przez kriogeniczny czynnik chłodniczy, a chłodzenie wprowadzone do strumienia gazu przez kriogeniczny czynnik chłodniczy jest przynajmniej częściowo odzyskiwane.

Znane ze stanu techniki rozwiązania stanowią układy odzyskiwania pary kriogenicznej, dla usuwania nadających się do skraplania oparów zawartych w strumieniu gazu. Przykładem takiego rozwiązania jest układ przedstawiony w opisie patentowym nr U. S. 5 291 751, w którym nadające się do skraplania opary zawarte w strumieniu gazu zostają usunięte ze strumienia gazu w układzie rozgałęźnym. W tym układzie rozgałęźnym strumień gazu najpierw przechodzi przez przynajmniej jeden stopień mechanicznego chłodzenia i następnie kierowany jest do dwustopniowego układu chłodzenia kriogenicznego posiadającego kriogeniczny wymiennik ciepła dla skroplenia nadających się do skraplania oparów ze strumienia gazu. Dwa stopnie chłodzenia kriogenicznego pracują w przesunięciu fazowym tak, że gdy jeden z wymienników ciepła jest całkowicie wypełniony zestalonymi skroplinami, praca przełączona zostaje na drugi wymiennik ciepła i odwrotnie, żeby pozwolić każdemu z wymienników ciepła pracować jako skraplacz, podczas gdy przeciwległy wymiennik ciepła jest rozmrażany.

W opisie patentowym nr U.S. 3 967 938 przedstawiono układ odzyskiwania pary kriogenicznej przeznaczony do skraplania oparów benzyny ze zbiornika benzyny, w którym jako czynnik chłodniczy stosuje się propan.

Inny przykład znanego układu do odzyskiwania pary kriogenicznej przedstawiony jest w opisie patentowym nr U.S. 5 291 738, w którym strumień gazu przechodzi przez chłodnicę mechaniczną, oszczędny wymiennik ciepła, główny skraplacz, który jest chłodzony

Π9 644 obiegiem płynnego azotu oraz eliminator mgły. Ciepło odbierane ze strumienia gazu przez obieg azotu jest co najmniej częściowo odzyskiwane w oszczędnym wymienniku ciepła, gdzie ciepło jest wymieniane pośrednio pomiędzy strumieniem gazu, gdy wchodzi on do systemu, a strumieniem gazu przed opuszczeniem układu. Główny skraplacz jest rozmrażany przez recyrkulację części strumienia gazu po ogrzaniu przez ogrzewacz. Ponieważ rozmrażanie wymaga wstrzymania pracy układu, dla zapewnienia pracy ciągłej, pracować musiałby inny identyczny układ. W opisie patentowym nr U.S. 5 291 738 w przeciwieństwie do uprzednio wspomnianych patentów stwierdzono, że chłodzenie nie jest wprowadzane do strumienia gazu i jeżeli ten strumień gazu nie jest recyrkulowany, to chłodzenie jest tracone. Jednakże, skoro chłodzenie jest odzyskiwane w kierunku przeciwnym do przepływu skraplacza, to może się pojawiać zamrożenie skroplin zanim skraplacze spowodują blokadę systemu.

Sposób odzyskiwania pary kriogenicznej, w którym usuwa się nadające się do skraplania opary zawarte w strumieniu gazu przez skraplanie z zastosowaniem pośredniej wymiany ciepła między strumieniem gazu a czynnikiem chłodniczym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przeprowadza się pośrednią wymianę ciepła między strumieniem gazu a strumieniem czynnika chłodniczego w wężownicy skraplacza i wytwarza się strumień gazu ochłodzonego i ogrzany strumień czynnika chłodniczego, następnie przeprowadza się dodatkową pośrednią wymianę ciepła w oszczędnym wymienniku ciepła, między co najmniej częścią ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego a ochłodzonym strumieniem gazu i tworzy się ochłodzony strumień czynnika chłodniczego z ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, a ponadto wytwarza się strumień czynnika chłodniczego przez połączenie strumienia kriogenicznego z co najmniej częścią ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego, za pomocą strumienicy.

Korzystnym jest, że pośrednią wymianę ciepła przeprowadza się między strumieniem gazu a strumieniem czynnika chłodniczego w dwóch skraplaczach, przy czym zamraża się przynajmniej część skroplin w każdym z dwóch skraplaczy, które steruje się tak, że gdy jeden z nich uczestniczy w procesie pośredniej wymiany ciepła, to drugi jest z procesu wyłączony i w tym czasie rozmrażany, a ponadto strumień gazu kieruje się do jednego z dwóch skraplaczy, przy czym przeprowadza się pośrednią wymianę ciepła między strumieniem gazu a strumieniem czynnika chłodniczego.

Każdy z dwóch skraplaczy rozmraża się przez wprowadzenie przynajmniej części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego do jednego z dwóch skraplaczy, gdy jest on w stanie wyłączenia z pracy w procesie.

Przed wprowadzeniem ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego do każdego z dwóch skraplaczy, przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego ogrzewa się w ogrzewaczu.

Przed wykorzystaniem każdego ze skraplaczy znajdującego się w stanie wyłączenia z procesu pośredniej wymiany ciepła, strumień czynnika chłodniczego dzieli się na dwie części, które kolejno wprowadza się do obu skraplaczy, wstępnie chłodzi się te skraplacze, gdy są w stanie wyłączonym z procesu pośredniej wymiany ciepła i wytwarza się dwa częściowo ogrzane strumienie czynnika chłodniczego z dwóch części strumienia czynnika chłodniczego po przejściu przez oba skraplacze, następnie dwa częściowe ogrzane strumienie czynnika chłodniczego łączy się i tworzy się połączony strumień ogrzanego czynnika chłodniczego, przy czym przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego stosuje się do pośredniej wymiany ciepła w oszczędnym wymienniku ciepła z ochłodzonym strumieniem gazu, który tworzy się z połączonego ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego.

Korzystnym jest, że każdy z dwóch skraplaczy rozmraża się przez wprowadzenie części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, gdy jest on wyłączony z procesu i wytwarza się dodatkowo ochłodzony strumień czynnika chłodniczego, ponadto strumień czynnika chłodniczego wytwarza się przez łączenie ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego z co najmniej częścią ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego i strumienia kriogenicznego w strumienicy, a z przynajmniej pozostałej części ogrzanego strumienia czynnika

179 644 chłodniczego tworzy się przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego i przeprowadza się pośrednią wymianę ciepła do ochłodzonego strumienia gazu, w oszczędnym wymienniku ciepła, a następnie część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego mającą masowe natężenie przepływu takie samo jak strumień kriogeniczny usuwa się z procesu poprzez ciśnieniowy zawór nadmiarowy.

Przed wprowadzeniem części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego do każdego z dwóch skraplaczy, część tę ogrzewa się w ogrzewaczu.

Wspomnianą pozostałą część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego dzieli się na dwie części, a jedna z tych dwóch części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego zawiera tę część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, która ma masowe natężenie przepływu takie samo jak strumień kriogeniczny, przy czym druga z tych dwóch części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego zawiera przynajmniej pozostałą część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego i stosuje się ją do przeprowadzenia pośredniej wymiany ciepła ze strumieniem gazu.

Przed wykorzystaniem każdego ze skraplaczy w stanie włączonym do procesu, strumień czynnika chłodniczego dzieli się na dwie części, które wprowadza się do dwóch skraplaczy i wstępnie chłodzi się każdy z tych dwóch skraplaczy, znajdujący się w stanie wyłączonym z procesu, przy czym tworzy się dwa częściowe strumienie ogrzanego czynnika chłodniczego z tych dwóch części strumienia czynnika chłodniczego po przejściu przez dwa skraplacze, następnie dwa częściowe ogrzane strumienie czynnika chłodniczego łączy się i tworzy się połączony ogrzany strumień czynnika chłodniczego, przy czym przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego stosuje się do pośredniej wymiany ciepła w oszczędnym wymienniku ciepła, z ochłodzonym strumieniem gazu, który tworzy się z połączonego ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego.

Strumień kriogeniczny odparowuje się przez połączenie z ochłodzonym strumieniem czynnika chłodniczego.

Układ do odzyskiwania pary kriogenicznej, dla usuwania nadających się do skraplania oparów zawartych w strumieniu gazu, zawierający co najmniej jeden skraplacz z pośrednią wymianą ciepła ze strumienia gazu do strumienia czynnika chłodniczego dla skroplenia nadających się do skraplania oparów z tego strumienia gazu i utworzenia ochłodzonego strumienia gazu oraz ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że oszczędny wymiennik ciepła dodatkowej wymiany ciepła między co najmniej częścią ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego a strumieniem ochłodzonego gazu, wytwarzający ochłodzony strumień czynnika chłodniczego z ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, jest dołączony do co najmniej jednego skraplacza, który to co najmniej jeden skraplacz jest połączony ze strumienicą łączącą strumień kriogeniczny z co najmniej częścią ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego i wytwarzającą strumień czynnika chłodniczego oraz cyrkulację w układzie.

Korzystnym jest, że układ zawiera dwa skraplacze zamrażające skropliny z co najmniej części nadających się do skraplania oparów, przy czym strumienicą jest połączona z każdym z dwóch skraplaczy przez nawrotny obwód przepływu, przy czym jeden z dwóch skraplaczy znajduje się w stanie włączenia do pracy z pośrednią wymianą ciepła, a drugi ze skraplaczy będący w stanie wyłączenia z pracy jest rozmrażany, a ponadto oszczędny wymiennik ciepła poprzez skraplacze jest połączony z wlotem strumienia gazu, poprzez tor przepływu rozgałęźnego.

Nawrotny obwód przepływu jest połączony z ogrzewaczem dodatkowo ogrzewającym część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego przed jego wprowadzeniem do każdego z dwóch skraplaczy.

Nawrotny obwód przepływu jest zaopatrzony w zawory dzielące strumień czynnika chłodniczego na dwie części i jednocześnie wprowadzające te dwie części strumienia czynnika chłodniczego do dwóch skraplaczy dla ich wstępnego ochłodzenia przed użyciem po włączeniu do stanu pracy.

Nawrotny obwód przepływu jest skonfigurowany tak, że każdy z dwóch skraplaczy znajdujący się w stanie wyłączenia z pracy jest połączony ze strumienicą tak, że ogrzany

179 644 strumień czynnika chłodniczego płynie przez te dwa skraplacze i jest przetwarzany na ochłodzony strumień czynnika chłodniczego.

Nawrotny obwód przepływu jest połączony z ciśnieniowym zaworem nadmiarowym upuszczającym pozostałą część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego posiadającego masowe natężenie przepływu takie samo jak strumień kriogeniczny, przy czym ten ciśnieniowy zawór nadmiarowy jest również połączony z oszczędnym wymiennikiem ciepła.

Strumienica ma wloty, wysoko-ciśnieniowy i nisko-ciśnieniowy, połączone z komorą mieszającą zakończoną wysoko-ciśnieniowym wylotem strumienia czynnika chłodniczego.

Strumienica ma wloty, wysoko-ciśnieniowy i nisko-ciśnieniowy, połączone z komorą mieszającą który to wlot wysoko-ciśnieniowy jest odbierającym strumień kriogeniczny gdy układ pracuje, a wlot nisko-ciśnieniowy jest połączony z oszczędnym wymiennikiem ciepła i nawrotnym obwodem przepływu dla odbioru ochłodzonego czynnika chłodniczego, a ponadto strumienica ma również wylot wysoko-ciśnieniowy połączony z nawrotnym obwodem przepływu dla doprowadzenia strumienia czynnika chłodniczego.

Korzystnym jest, że układ dodatkowo jest zaopatrzony w recyrkulacyjny wymiennik ciepła pośrednio przenoszący dodatkowe ciepło z ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego do strumienia kriogenicznego w stanie ciekłym.

Rozwiązanie według wynalazku odnosi się do takiego sposobu i układu, w których dwa skraplacze pracują w przesunięciu fazowym tak, że jeden ze skraplaczy jest w stanie włączonym i pracuje dla skraplania pary ze strumienia gazu, podczas gdy drugi skraplacz jest wyłączony z pracy i jest rozmrażany przed włączeniem w pracę układu.

Rozwiązanie według wynalazku stanowi układ odzyskiwania pary kriogenicznej, w którym chłodzenie przetwarzanego gazu jest co najmniej częściowo odzyskiwane w taki sposób, że układ jest zdolny zgodnie z przeznaczeniem do pracy ciągłej, bez podwajania kompletnego układu do odzyskiwania pary kriogenicznej, a w którym pojawiające się zamrożenia skroplin w skraplaczach użytych w układzie są ograniczone.

Rozwiązanie według wynalazku jest bardzo przydatne do zastosowania w budowie układów do odzyskiwania pary kriogenicznej stosujących wielokrotne skraplacze o pracy ciągłej,,ponieważ chłodzenie odzyskiwane jest raczej w strumieniu czynnika chłodniczego niż w przetwarzanym strumieniu gazu. Ponadto, ponieważ chłodzenie jest odzyskiwane za skraplaczami, to odzyskiwane jest w strumieniu czynnika chłodniczego i nie ma wtedy możliwości przedwczesnego zamrożenia skroplin pojawiających się przed skraplaczami.

Przedmiot wynalazku objaśniony zostanie w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu do odzyskiwania pary kriogenicznej, a fig. 2 przedstawia schemat drugiego przykładu układu do odzyskiwania pary kriogenicznej według wynalazku.

Na figurze 1 przedstawiono układ 1 do odzyskiwania pary kriogenicznej, przeznaczony do usuwania ze strumienia gazu nadających się do skraplania oparów. Strumień gazu może być wstępnie ochłodzony za pomocą chłodziarki mechanicznej albo innego urządzenia chłodniczego, czego nie zilustrowano na rysunku. Na przykład chłodzenie można uzyskać przez zastosowanie zimnego gazowego czynnika chłodniczego w układzie 1 do odzyskiwania pary kriogenicznej.

Strumień gazu przed poddaniem obróbce w układzie 1 zawiera nadające się do skraplania opary. Nie poddany obróbce strumień gazu wpływa do układu 1 przez wlot 10 i może następnie przepływać dwoma dowolnymi drogami przepływu 12 lub 14, stanowiącymi tor przepływu rozgałęźnego. Na drodze przepływu 12 strumień gazu przepływa przez skraplacz 16 i przez oszczędny wymiennik ciepła 18. Nadające się do skraplania opary usuwa się ze strumienia gazu w skraplaczu 16, a uzyskane ochłodzenie strumienia gazu w skraplaczu 16 zostaje co najmniej częściowo odzyskane w oszczędnym wymienniku ciepła 18. Jeżeli nadające się do skraplania opary usuwane są ze strumienia gazu w skraplaczu 16, to szacunkowo przyjmuje się, że odzyskana może być tylko część chłodzenia. Strumień gazu poddany usuwaniu nadających się do skraplania oparów jest wyprowadzony z układu 1 przez wylot 20.

179 644

W zależności od rodzaju zastosowanego strumienia gazu, szacuje się, że część lub nawet całość nadających się do skraplania oparów wytworzy stan zamrożenia w skraplaczach 16 i 22. W wielu zastosowaniach większa część nadających się do skraplania oparów skrapla się w postaci cieczy. Dlatego też skraplacze 16 i 22 powinny być zaopatrzone w układ odprowadzania cieczy. Cel zostanie osiągnięty wtedy, kiedy każdy z dwóch skraplaczy 16 i 22 zostanie rozmrożony dla dalszego prowadzenia procesu. Dwie alternatywne drogi przepływu 12, 14, stanowiące tor przepływu rozgałęźnego, pozwalają na ciągłe działanie układu, przez dopuszczenie jednego z dwóch skraplaczy 16 i 22 do uczestniczenia w procesie, podczas gdy drugi z tych skraplaczy 16 i 22 jest poza procesem i jest rozmrażany. Po rozmrożeniu jednego z dwóch skraplaczy 16 i 22, poprzednio pozostający poza procesem skraplacz zostaje uruchomiony dla włączenia w stan pracy, podczas gdy skraplacz poprzednio pracujący zostaje z pracy wyłączony i rozmrożony.

Przepływ przez tor przepływu rozgałęźnego z dwoma drogami przepływu 12 i 14 jest sterowany przez dwupołożeniowe zawory regulowane 24 i 26. Kiedy pierwszy zawór 24 jest otwarty, a drugi zawór 26 zamknięty, to strumień gazu płynie pierwszą drogą przepływu 12. Kiedy drugi zawór 26 jest otwarty, a pierwszy zawór 24 zamknięty, to strumień gazu płynie drugą drogą przepływu 14. Zawory 24 i 26 są korzystnie uruchamiane zdalnie przez układ sterowania automatycznego, taki jak programowany sterownik cyfrowy lub analogowy. Możliwe jest również sterowanie ręczne, bez wyposażenia automatycznego. Jeżeli nie jest to przeciwwskazane, to wszystkie wymienione zawory są podobnymi zaworami dwupołożeniowymi, z wyjątkiem przypadków, gdzie powinny być zastosowane zawory zwrotne do sterowania kierunkiem przepływu.

Skraplanie nadających się do skraplania oparów, zarówno w jednym jak i w drugim ze skraplaczy 16, 22, jest dokonywane przez strumień czynnika chłodniczego, który przepływa przez nawrotny obwód przepływu obejmujący wlot 28 i układ zaworów 34, 36, 40, 42, 44, 46, 54, 56, wprowadzający czynnik chłodniczy do wężownicy 30 skraplacza 16, a następnie do wężownicy 32 skraplacza 22 i na odwrót. Gdy pierwszy skraplacz 16 bierze udział w procesie, zawór 34 jest otwarty, a zawór 36 jest zamknięty, żeby zapewnić przepływ strumienia czynnika chłodniczego przez wężownicę 30 skraplacza 16 i aby stał się on ogrzanym strumieniem czynnika chłodniczego. Zawory zwrotne 40, 42, 44 i 46 działają zgodnie tak, żeby zapewnić przepływ części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego od skraplacza 16 przez zawór zwrotny 46 i podgrzewacz 48 o konwencjonalnej konstrukcji, zawór zwrotny 44 i następnie przez wężownicę 32 skraplacza 22. Skraplacz 22 nie bierze udziału w procesie i ogrzany czynnik chłodniczy przystępuje do odmrażania skraplacza 22. Zawór 50 jest otwarty i kieruje pozostałą część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego do oszczędnego skraplacza 18, a ciśnieniowy zawór nadmiarowy 52 powoduje wypuszczenie drugiej pozostałej części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego z układu 1. Zawór 54 jest zamknięty, gdy zawór 56 jest otwarty, żeby skierować część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego po jego przejściu przez wężownicę 32 skraplacza 22 do strumienicy 58, w celu odzyskania chłodzenia.

Po rozmrożeniu skraplacza 22, dla ciągłości procesu, rozmrożeniu poddąje się też skraplacz 16, przy czym zawór 34 jest wtedy zamknięty, a zawór 36 otwarty, żeby zapewnić zmianę kierunku przepływu strumienia czynnika chłodniczego i przepływ przez wężownicę 32 skraplacza 22, aby stał się ogrzanym strumieniem czynnika chłodniczego. Z tego względu część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego płynie od skraplacza 22 przez zawór zwrotny 42, ogrzewacz 48, zawór zwrotny 40 i wężownicę 30 skraplacza 16. Skraplacz 16 tym sposobem zostaje wyłączony z pracy i zostaje rozmrożony przez ogrzany czynnik chłodniczy, a skraplacz 22 zostaje włączony do pracy, żeby skroplić nadające się do skraplania opary ze strumienia gazu. Następnie zawór 50 zostaje otwarty jak już wspomniano, a ciśnieniowy zawór nadmiarowy 52 działa jako otwór wentylacyjny. Zawór 54 zostaje teraz otwarty, a zawór 56 zamknięty, żeby skierować część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego po jego przejściu przez wężownicę 30 skraplacza 16 do strumienicy 58.

W przedstawionym przykładzie wykonania tylko część ogrzanego strumienia chłodniczego wykorzystywana jest do rozmrażania. Pozostała część ogrzanego strumienia czynnika

179 644 chłodniczego, nie biorąca udziału w obsłudze rozmrażania, płynie przez zawór 50, który jest wówczas otwarty. Podobna pozostała część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, która płynie przez zawór 50, płynie też przez wężownicę 57 w oszczędnym wymienniku ciepła 18, gdzie jest ochładzana dla odzyskania części chłodzenia przekazanej strumieniowi gazu przy przejęciu strumienia czynnika chłodniczego przez skraplacze 16 lub 22. Część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, po przejściu przez wężownicę 57 oszczędnego wymiennika ciepła 18, staje się ochłodzonym strumieniem czynnika chłodniczego. Druga pozostała część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego znajduje ujście przez ciśnieniowy zawór nadmiarowy 52, który sprawia, że masowe natężenie przepływu ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego jest równe masowemu natężeniu przepływu płynnego kriogenu wchodzącego do układu 1 do odzyskiwania pary kriogenicznej.

Jak już stwierdzono, gdy zawór 34 jest otwarty, zawór 54 zamknięty, a zawór 56 otwarty, to część czynnika chłodniczego, która przeszła przez wężownicę 32 skraplacza 22 w jego cyklu rozmrażania, ulega zmieszaniu z ochłodzonym strumieniem czynnika chłodniczego, który został ochłodzony w oszczędnym wymienniku ciepła 18. Ponieważ część strumienia czynnika chłodniczego została ochłodzona podczas rozmrażania, można wyobrazić sobie drugi i dalsze ochłodzone strumienie czynnika chłodniczego, z których chłodzenie dla oszczędności ponownie może być wprowadzane do obiegu. Gdy zawór 36 jest otwarty, a zawór 56 zamknięty, pozwala to drugiemu i dalszym ochłodzonym strumieniom czynnika chłodniczego powstałym z tej części czynnika chłodniczego, która przeszła przez wężownicę 30 skraplacza 16, mieszać się z ochłodzonym strumieniem czynnika chłodniczego. Powstała mieszanina łączy się z dopływającym strumieniem kriogenicznym i tworzy się strumień czynnika chłodniczego wprowadzonego przez wlot 28 opisanego nawrotnego obwodu przepływu 34, 36, 40, 42, 44, 46, 54, 56.

Można zauważyć, że zawór 50 może być zaworem o charakterystyce liniowej, w miejsce regulowanego zaworu dwupołożeniowego. W tym przypadku zamknięcie zaworu 50 spowoduje to, że bardziej ogrzany czynnik chłodniczy będzie raczej używany dla celów rozmrażania, niż do odzyskiwania chłodzenia w oszczędnym wymienniku ciepła 18. Zawory 54 i 56 mogą być zaworami o charakterystyce liniowej, które regulują utrzymywanie równowagi przepływu ogrzanego czynnika chłodniczego między skraplaczami 16 i 22 a oszczędnym wymiennikiem ciepła 18.

Przed przełączeniem skraplaczy 16 lub 22 na udział w pracy lub wyłączenie z pracy, oba zawory 34 i 36 mogą być otwarte, a oba zawory 54 i 56 mogą być zamknięte. To spowoduje, że strumień czynnika chłodniczego będzie podzielony na dwie części. Jeżeli na przykład skraplacz 16 bierze udział w procesie, a skraplacz 22 jest z niego wyłączony, to część wchodząca do skraplacza 16 dalej bierze udział w skraplaniu. Część strumienia czynnika chłodniczego wchodząca do skraplacza 22 jest wstępnie chłodzona, a rozmrażanie skraplacza 22 zostaje właśnie zakończone. Dwie części strumienia czynnika chłodniczego mające przejść przez dwa skraplacze 16 i 22 tworzą dwa częściowe ogrzane strumienie czynnika chłodniczego przepływające przez zawory zwrotne 46 i 42, później się łączą i tworzą połączony strumień ogrzanego czynnika chłodniczego, który zostaje częściowo ponownie wprowadzony do oszczędnego wymiennika ciepła 18 przez zawór 50, który w tym celu jest otwarty, a częściowo znajdzie ujście przez ciśnieniowy zawór nadmiarowy 52.

Połączenie mieszaniny ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego z częścią ogrzanego strumienia chłodzenia wykorzystane jest do rozmrażania skraplaczy 16 i 22, a uzupełnianie dopływu płynnego kriogenu dokonywane jest przez strumienicę 58. Strumienica 58 powoduje także obieg czynnika chłodniczego, jak to już opisano. Strumienica 58 posiada nisko-ciśnieniowy wlot 60 mieszaniny ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego i części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego. Przez wysoko-ciśnieniowy wlot 62 jest wprowadzany strumień kriogeniczny. Strumień płynnego, sprężonego kriogenu wpływa do układu 1 do odzyskiwania pary kriogenicznej, przez zawór zwrotny 63. Do dopływającego płynnego sprężonego kriogenu może być dodana entalpia podczas przepływu przez recyrkulacyjny wymiennik ciepła 64, który służy do pośredniej wymiany ciepła miedzy strumieniem płynnego kriogenu dochodzącego z ciśnieniowego zaworu zwrotnego 63 i

179 644 ochłodzonym strumieniem czynnika chłodniczego wypływającego z oszczędnego wymiennika ciepła 18. Wynikiem takiej wymiany ciepła jest to, że strumień kriogeniczny wpływający wysoko-ciśnieniowym wlotem 62 jest albo płynem albo gazem, lub też może posiadać stan dwupostaciowy. Wzrost entalpii powoduje wzmożenie pracy cyrkulacyjnej wywołanej przez wpływający płynny kriogen. Strumienica 58 posiada komorę mieszającą 66, do której strumień kriogeniczny jest wtryskiwany przez zwężkę Venturiego. Stwarza to w komorze mieszającej 66 obszar niskiego ciśnienia, żeby zmusić mieszaninę ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego i ogrzanych strumieni czynnika chłodniczego do połączenia się w strumień kriogeniczny. Po odzyskaniu ciśnienia przy przepływie przez odcinek dyfuzora 68 strumienicy 58 wynikowy strumień czynnika chłodniczego jest wprowadzony do wlotu 28 nawrotnego obwodu przepływu 34, 36, 40, 42, 44, 46, 54, 56. Strumienica 58 może byćzastąpiona innym urządzeniem podobnym do zwężki Venturiego, w którym strumień kriogeniczny stanowi płyn pobudzający do wytworzenia obszaru niskiego ciśnienia, pociągający ciągle chłodzone strumienie czynnika chłodniczego.

Strumienica 58 może być także zastąpiona lub też tylko uzupełniona przez pompę obiegową i trójnik rurowy stanowiący komorę mieszającą. Przewaga strumienicy 58 nad pompą polega na prostocie obsługi i braku zużycia energii z zewnątrz, czego wymaga pompa. Ponadto, pompa działa dostarczając układowi 1 znacznego wkładu ciepła.

Zgodnie z wynalazkiem można stosować wiele różnych przykładów wykonania. Na przykład zastosowany w przedstawionym przykładzie ogrzewacz 48 może być niepotrzebny. Również każdy strumień ogrzanego czynnika chłodniczego może przepływać przez skraplacz, żeby go rozmrozić, a następnie przepływać do oszczędnego wymiennika ciepła 18. W każdym przykładzie wykonania upuszczanie czynnika chłodniczego może następować albo przeciwnie, albo zgodnie z kierunkiem przepływu oszczędnego wymiennika ciepła 18.

Jak przedstawiono na fig. 2, układ 2 do odzyskiwania pary kriogenicznej, nie zawiera ogrzewacza i zaworów zwrotnych. W układzie 2 możliwy jest brak wstępnego chłodzenia i recyrkulacji dalej chłodzonego strumienia czynnika chłodniczego. Operowanie zaworami 54· i 56 sprawia, że każdy ogrzany strumień czynnika chłodniczego po wykorzystaniu go do rozmrażania, jest wysłany w kierunku oszczędnego wymiennika ciepła 18. Część przepływu ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego jest upuszczana przez ciśnieniowy zawór nadmiarowy 52a usytuowany między skraplaczami 16 i 22. Upuszczanie może następować albo przeciwnie, albo zgodnie z kierunkiem przepływu oszczędnego wymiennika ciepła 18. Będzie to mniej korzystne niż w przypadku przedstawionego umieszczenia ciśnieniowego zaworu nadmiarowego 52a. Przedstawiany wynalazek obejmuje również możliwy przykład wykonania, gdzie występuje jeden skraplacz. Taki możliwy przykład wykonania wymaga podwojenia układu, co pozwala na działanie ciągłe.

W każdym przykładzie wykonania według wynalazku, bardziej pożądanym jest, żeby strumień czynnika chłodniczego składał się głównie z pary przez całkowite odparowanie wpływającego strumienia odzyskanego płynnego kriogenu i żeby odparowanie nie następowało w żadnym ze skraplaczy 16 i 22. Użycie odzyskanej pary strumienia czynnika chłodniczego pozwala, że krzywe chłodzenia i ogrzewania czynnika chłodniczego są między sobą ściślej dobrane i w skraplaczach 16 i 22 znajduje się gaz procesowy. Taki dobór powoduje skuteczność w działaniu urządzenia, którą tłumaczy się lepszą skutecznością skraplania niż w dotychczas stosowanych układach, w których dopływający płynny kriogen paruje w parownikach. Ten rodzaj działania możliwy w rozwiązaniu według wynalazku, jest jeszcze jedną jego zaletą, w porównaniu z dotychczas znanymi i stosowanymi rozwiązaniami.

179 644

FIG. 2

179 644

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób odzyskiwania pary kriogenicznej, w którym usuwa się nadające się do skraplania opary zawarte w strumieniu gazu przez skraplanie z zastosowaniem pośredniej wymiany ciepła między strumieniem gazu a czynnikiem chłodniczym, znamienny tym, że przeprowadza się pośrednią wymianę ciepła między strumieniem gazu a strumieniem czynnika chłodniczego w wężownicy (30; 32) skraplacza (16; 22) i wytwarza się strumień gazu ochłodzonego i ogrzany strumień czynnika chłodniczego, następnie przeprowadza się dodatkową pośrednią wymianę ciepła w oszczędnym wymienniku ciepła (18), między co najmniej częścią ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego a ochłodzonym strumieniem gazu i tworzy się ochłodzony strumień czynnika chłodniczego z ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, a ponadto wytwarza się strumień czynnika chłodniczego przez połączenie strumienia kriogenicznego z co najmniej częścią ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego, za pomocą strumienicy (58).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pośrednią wymianę ciepła przeprowadza się między strumieniem gazu a strumieniem czynnika chłodniczego w dwóch skraplaczach (16, 22), przy czym zamraża się przynajmniej część skropłin w każdym z dwóch skraplaczy (16, 22), które steruje się tak, że gdy jeden z nich uczestniczy w procesie pośredniej wymiany ciepła, to drugi jest z procesu wyłączony i w tym czasie rozmrażany, a ponadto strumień gazu kieruje się do jednego z dwóch skraplaczy (16, 22), przy czym przeprowadza się pośrednią wymianę ciepła między strumieniem gazu a strumieniem czynnika chłodniczego.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że każdy z dwóch skraplaczy (16, 22) rozmraża się przez wprowadzenie przynajmniej części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego do jednego z dwóch skraplaczy (16, 22), gdy jest on w stanie wyłączenia z pracy w procesie.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że przed wprowadzeniem ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego do każdego z dwóch skraplaczy (16, 22), przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego ogrzewa się w ogrzewaczu (48).
5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że przed wykorzystaniem każdego ze skraplaczy (16, 22) znajdującego się w stanie wyłączenia z procesu pośredniej wymiany ciepła, strumień czynnika chłodniczego dzieli się na dwie części, które kolejno wprowadza się do obu skraplaczy (16, 22), wstępnie chłodzi się te skraplacze (16, 22), gdy są w stanie wyłączonym z procesu pośredniej wymiany ciepła i wytwarza się dwa częściowo ogrzane strumienie czynnika chłodniczego z dwóch części strumienia czynnika chłodniczego po przejściu przez oba skraplacze (16, 22), następnie dwa częściowe ogrzane strumienie czynnika chłodniczego łączy się i tworzy się połączony strumień ogrzanego czynnika chłodniczego, przy czym przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego stosuje się do pośredniej wymiany ciepła w oszczędnym wymienniku ciepła (18) z ochłodzonym strumieniem gazu, który tworzy się z połączonego ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego.
6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że każdy z dwóch skraplaczy (16, 22) rozmraża się przez wprowadzenie części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, gdy jest on wyłączony z procesu i wytwarza się dodatkowo ochłodzony strumień czynnika chłodniczego, ponadto strumień czynnika chłodniczego wytwarza się przez łączenie ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego z co najmniej częścią ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego i strumienia kriogenicznego w strumienicy (58), a z przynajmniej pozostałej części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego tworzy się przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego i przeprowadza się pośrednią wymianę ciepła do ochłodzonego strumienia gazu, w oszczędnym wymienniku ciepła (18), a następ-

179 644 nie część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego mającą masowe natężenie przepływu takie samo jak strumień kriogeniczny usuwa się z procesu poprzez ciśnieniowy zawór nadmiarowy (52).
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przed wprowadzeniem części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego do każdego z dwóch skraplaczy (16, 22), część tę ogrzewa się w ogrzewaczu (48).
8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że pozostałą część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego dzieli się na dwie części, a jedna z tych dwóch części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego zawiera tę część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, która ma masowe natężenie przepływu takie samo jak strumień kriogeniczny, przy czym druga z tych dwóch części ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego zawiera przynajmniej pozostałą część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego i stosuje się ją do przeprowadzenia pośredniej wymiany ciepła ze strumieniem gazu.
9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przed wykorzystaniem każdego ze skraplaczy (16, 22) w stanie włączonym do procesu, strumień czynnika chłodniczego dzieli się na dwie części, które wprowadza się do dwóch skraplaczy (16, 22) i wstępnie chłodzi się każdy z tych dwóch skraplaczy (16, 22), znajdujący się w stanie wyłączonym z procesu, przy czym tworzy się dwa częściowe strumienie ogrzanego czynnika chłodniczego z tych dwóch części strumienia czynnika chłodniczego po przejściu przez dwa skraplacze, następnie dwa częściowe ogrzane strumienie czynnika chłodniczego łączy się i tworzy się połączony ogrzany strumień czynnika chłodniczego, przy czym przynajmniej część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego stosuje się do pośredniej wymiany ciepła w oszczędnym wymienniku ciepła (18), z ochłodzonym strumieniem gazu, który tworzy się z połączonego ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień kriogeniczny odparowuje się przez połączenie z ochłodzonym strumieniem czynnika chłodniczego.
11. Układ do odzyskiwania pary kriogenicznej, dla usuwania nadających się do skraplania oparów zawartych w strumieniu gazu, zawierający co najmniej jeden skraplacz z pośrednią wymianą ciepła ze strumienia gazu do strumienia czynnika chłodniczego dla skroplenia nadających się do skraplania oparów z tego strumienia gazu i utworzenia ochłodzonego strumienia gazu oraz ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, znamienny tym, że oszczędny wymiennik ciepła (18) dodatkowej wymiany ciepła między co najmniej częścią ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego a strumieniem ochłodzonego gazu, wytwarzający ochłodzony strumień czynnika chłodniczego z ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego, jest dołączony do co najmniej jednego skraplacza (16, 22), który to co najmniej jeden skraplacz (16, 22) jest połączony ze strumienicą (58) łączącą strumień kriogeniczny z co najmniej częścią ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego i wytwarzającą strumień czynnika chłodniczego oraz cyrkulację w układzie.
12. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że zawiera dwa skraplacze (16, 22) zamrażające skropliny z co najmniej części nadających się do skraplania oparów, przy czym strumienicą (18) jest połączona z każdym z dwóch skraplaczy (16, 22) przez nawrotny obwód przepływu (28, 34, 36, 40, 44, 46, 42, 54, 56), przy czym jeden z dwóch skraplaczy (16, 22) znajduje się w stanie włączenia do pracy z pośrednią wymianą ciepła, a drugi ze skraplaczy’ będący w stanie wyłączenia z pracy jest,rozmrażany, a ponadto oszczędny wymiennik ciepła (18) poprzez skraplacze (16, 22) jest połączony z wlotem (10) strumienia gazu, poprzez tor przepływu rozgałęźnego (12,14).
13. Układ według zastrz. 12, znamienny tym, że nawrotny obwód przepływu (28, 34, 36, 40, 44, 46, 42, 54, 56) jest połączony z ogrzewaczem (48) dodatkowo ogrzewającym część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego przed jego wprowadzeniem do każdego z dwóch skraplaczy (16, 22).
14. Układ według zastrz. 12, znamienny tym, że nawrotny obwód przepływu (28, 34, 36, 40, 44, 46, 42, 54, 56) ma zawory (34, 36, 54, 56) dzielące strumień czynnika chłodniczego na dwie części i jednocześnie wprowadzające te dwie części strumienia czynnika

179 644 chłodniczego do dwóch skraplaczy (16, 22) dla ich wstępnego ochłodzenia przed użyciem po włączeniu do stanu pracy.
15. Układ według zastrz. 12, znamienny tym, że nawrotny obwód przepływu (28, 34, 36, 40, 44, 46, 42, 54, 56) jest skonfigurowany tak, że każdy z dwóch skraplaczy (16, 22) znajdujący się w stanie wyłączenia z pracy jest połączony ze strumienicą (58) tak, że ogrzany strumień czynnika chłodniczego płynie przez te dwa skraplacze (16, 22) i jest przetwarzany na ochłodzony strumień czynnika chłodniczego.
16. Układ według zastrz. 15, znamienny tym, że nawrotny obwód przepływu (28, 34, 36, 40, 44, 46, 42, 54, 56) jest połączony z ciśnieniowym zaworem nadmiarowym (52) upuszczającym pozostałą część ogrzanego strumienia czynnika chłodniczego posiadającego masowe natężenie przepływu takie samo jak strumień kriogeniczny, przy czym ten ciśnieniowy zawór nadmiarowy (52) jest również połączony z oszczędnym wymiennikiem ciepła (18).
17. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że strumienicą (58) ma wloty wysokociśnieniowy i nisko-ciśnieniowy (62, 60) połączone z komorą mieszającą (66) zakończoną wysoko-ciśnieniowym wylotem (68) strumienia czynnika chłodniczego.
18. Układ według zastrz. 16, znamienny tym, że strumienicą (58) ma wloty wysokociśnieniowy i nisko-ciśnieniowy (62, 60) połączone z komorą mieszającą (66), który to wlot wysoko-ciśnieniowy (62) jest odbierającym strumień kriogeniczny gdy układ pracuje, a wlot nisko-ciśnieniowy (60) jest połączony z oszczędnym wymiennikiem ciepła (18) i nawrotnym obwodem przepływu (28, 34, 36, 40, 44, 46, 42, 54, 56) dla odbioru ochłodzonego czynnika chłodniczego, a ponadto strumienicą (58) ma również wylot wysoko-ciśnieniowy (68) połączony z nawrotnym obwodem przepływu (28, 34, 36, 40, 44, 46, 42, 54, 56) dla doprowadzenia strumienia czynnika chłodniczego.
19. Układ według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że dodatkowo jest zaopatrzony w recyrkulacyjny wymiennik ciepła (64) pośrednio przenoszący dodatkowe ciepło z ochłodzonego strumienia czynnika chłodniczego do strumienia kriogenicznego w stanie ciekłym. * * *