RU2151981C1 - Cryogenic system for air liquefaction - Google Patents

Cryogenic system for air liquefaction Download PDF

Info

Publication number
RU2151981C1
RU2151981C1 RU99110165A RU99110165A RU2151981C1 RU 2151981 C1 RU2151981 C1 RU 2151981C1 RU 99110165 A RU99110165 A RU 99110165A RU 99110165 A RU99110165 A RU 99110165A RU 2151981 C1 RU2151981 C1 RU 2151981C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
air
expansion
cryogenic
machine
heat exchanger
Prior art date
Application number
RU99110165A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Н.Г. Кириллов
Original Assignee
Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского filed Critical Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority to RU99110165A priority Critical patent/RU2151981C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2151981C1 publication Critical patent/RU2151981C1/en

Links

Abstract

FIELD: cryogenic equipment for air liquefaction. SUBSTANCE: air liquefaction cycle includes the following processes: compression of primary air in the compressor, air cleaning, precooling in the heat exchanger, separation of air into two flows, expansion of the first flow in an expansion machine with generation of useful power in the electric generator, throttle expansion of the second flow with subsequent partial condensation, joining of the non-condensed part of air of the second flow with the first flow, their preheating with pressure rise in the heat exchanger, expansion in the turbine with generation of useful power, liquefaction in the condenser of the cryogenic stirling machine and feeding of liquefied air through the Dewar flask to the vessel for liquid air by means of the high-pressure pump. Transition of gaseous air to the liquid phase in the evaporator of the refrigerating machine builds up the necessary pressure differential in the gaseous air line. EFFECT: enhanced system efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники по ожижению воздуха и криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга. The invention relates to the field of cryogenic air liquefaction techniques and cryogenic refrigeration machines operating on the reverse Stirling cycle.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа. (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. Учеб. для хим.-технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986. - стр. 307). Known technical solutions of gas turbines, in which the energy of compressed gas during expansion is converted into work simultaneously with a decrease in gas temperature. (Chechetkin A.V., Zanemonets N.A. Heat engineering. Textbook for chemical and technical special universities. - M.: Higher school, 1986. - p. 307).

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288). Known technical solutions for the gasification of liquefied gases before distributing them to consumers using high pressure pumps (Questions of deep cooling. / Collection of articles edited by prof. MP Malkov /. Ed .: "Foreign Literature", M., 1961 , p. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202). A device of the Dewar vessel for liquid nitrogen with vacuum-powder insulation is known (Sokolov E.Ya., Brodyansky V.M. Energy fundamentals of heat transformation and cooling processes. Textbook for universities. - 2nd ed., - M.: Energoizdat 1981, p. 202).

Известно, что в области криогенных температур (60-160 K) наиболее высокоэффективным циклом является обратный цикл Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками применяемыми для сжижения газов. (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186). Однако существующие в настоящее время криогенные машины Стирлинга имеют невысокую производительность. It is known that in the region of cryogenic temperatures (60–160 K), the reverse Stirling cycle is the most highly efficient cycle. The efficiency of cryogenic Stirling machines is almost 2 times higher compared to other plants used for gas liquefaction. (IP Usyukin. Installations, machines and apparatuses of cryogenic equipment. M: Light and food industry, 1982, p. 185-186). However, the currently existing cryogenic Stirling machines have low productivity.

Известна схема ожижения воздуха по циклу Клода с большой производительностью, включающего в себя линию подачи первичного воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменинк, расширительную машину, дроссельный вентиль, емкость с жидким воздухом, линию подачи несконденсировавшегося воздуха, соединяющую емкость с жидким воздухом и компрессор. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер. , 1962, стр. 21-22). Однако цикл Клода имеет невысокий КПД и коэффициент ожижения, в результате чего ожижается только часть воздуха, сжатого компрессором, а оставшаяся часть газообразного воздуха вновь подается в компрессор. A known scheme for air liquefaction in a Claude cycle with high productivity, including a primary air supply line, a compressor, a purifier, a counterflow heat exchanger, an expansion machine, a throttle valve, a container with liquid air, a non-condensed air supply line connecting the container with liquid air and a compressor. (RB Scott. The technique of low temperatures. Translation under the editorship of prof. MP Malkov. M: Publishing House of Foreign Literature, 1962, p. 21-22). However, the Claude cycle has a low efficiency and liquefaction coefficient, as a result of which only part of the air compressed by the compressor liquefies, and the remaining part of the gaseous air is again supplied to the compressor.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД системы по ожижению воздуха и увеличению коэффициента ожижения до 100%. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the efficiency of the liquefaction system and increase the liquefaction coefficient to 100%.

Для достижения этого технического результата криогенная система для ожижения воздуха, включающая в себя линию подачи воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменник, расширительную машину, дроссельный вентиль, емкость с жидким воздухом снабжена криогенной машиной Стирлинга с рабочим телом - гелием и замкнутым контуром конденсации воздуха, соединяющим емкость жидкого воздуха с конденсатором холодильной машины и состоящим из линии газообразного воздуха с заборным устройством в газосодержащей части емкости, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу и линии ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, а в случае необходимости в состав системы может быть параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга. To achieve this technical result, a cryogenic system for liquefying air, which includes an air supply line, a compressor, a purifier, a counterflow heat exchanger, an expansion machine, a throttle valve, a container with liquid air, is equipped with a cryogenic Stirling machine with a working fluid - helium and a closed air condensation circuit, connecting the liquid air tank with the condenser of the refrigeration machine and consisting of a line of gaseous air with a suction device in the gas-containing part of the tank, expansion turbine with an electric generator on one shaft and the liquefied air line with a Dewar vessel, high pressure pump and the check valve, the gaseous air line passes through a counterflow heat exchanger and, if necessary, the system may include several parallel cryogenic Stirling machines.

Введение в состав криогенной системы для ожижения воздуха расширительной турбины с электрогенератором на одном валу и линии ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления, и обратным клапаном, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, а в случае необходимости в состав системы может быть параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга, а также
введение в состав криогенной системы для ожижения воздуха криогенной машины Стирлинга с рабочим телом - гелием и замкнутого контура конденсации воздуха с расширительной турбиной, соединяющим емкость жидкого воздуха с конденсатором холодильной машины позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности доожижения оставшейся части газообразного воздуха, после его расширения в дроссельном вентиле, в конденсаторе высокоэффективной криогенной машины Стирлинга, а также снижение энергопотребления системы в целом за счет использования расширительных машин с получением в ней полезной энергии.
The introduction of an expansion turbine with an electric generator on one shaft and a liquefied air line with a Dewar vessel, a high pressure pump, and a check valve into the cryogenic system for liquefying air, while the gaseous air line passes through a counterflow heat exchanger, and, if necessary, the system can be several cryogenic Stirling machines are included in parallel, as well as
the introduction of the cryogenic system for liquefying the air of a cryogenic Stirling machine with a working fluid - helium and a closed loop of air condensation with an expansion turbine connecting the liquid air capacity to the condenser of the refrigeration machine allows to obtain a new property, which consists in the possibility of post-expansion of the remaining part of gaseous air after its expansion in the throttle valve, in the capacitor of the highly efficient cryogenic Stirling machine, as well as reducing the energy consumption of the system as a whole due to the use of IAOD expansion machines to produce useful energy in it.

На чертеже изображена криогенная система для ожижения воздуха. The drawing shows a cryogenic system for liquefying air.

Цикл по ожижению воздуха включает в себя следующие процессы: сжатие воздуха в компрессоре, очистка воздуха, предварительное охлаждение в противоточном теплообменнике, разделение воздуха на два потока, расширение первого потока воздуха в расширительной машине с получением полезной энергии, дроссельное расширение второго потока с последующей частичной конденсацией воздуха (эффект Джоуля-Томсона) и сливом в емкость с жидким воздухом, соединение несконденсировавшейся части воздуха второго потока с первым потоком, их подогрев с повышением давления, расширение в расширительной турбине с получением полезной энергии, ожижение в конденсаторе криогенной машины Стирлинга и подача ожиженного воздуха в емкость для жидкого воздуха. The air liquefaction cycle includes the following processes: air compression in the compressor, air purification, pre-cooling in a counterflow heat exchanger, separation of air into two flows, expansion of the first air stream in an expansion machine to produce useful energy, throttle expansion of the second stream followed by partial condensation air (Joule-Thomson effect) and discharge into a container with liquid air, the connection of the non-condensed part of the air of the second stream with the first stream, their heating with increasing pressure expansion in an expansion turbine to produce useful energy, cryogenic liquefaction in the condenser of the Stirling machine and the supply of liquefied air to the liquid air tank.

В состав криогенной системы для ожижения воздуха входит линия подачи воздуха 1, компрессор 2, очиститель воздуха 3, противоточный теплообменник 4, расширительная машина, например турбина 5 с электрогенератором 6, дроссельный вентиль 7, емкость с жидким воздухом 8, криогенная холодильная машина Стирлинга 9, замкнутый контур конденсации воздуха, соединяющий емкость с жидким воздухом 9 с конденсатором (не показан) холодильной машины Стирлинга 9. Замкнутый контур конденсации воздуха состоит из линии газообразного воздуха 10 с заборным устройством 11 в газосодержащей части емкости 8, расширительной турбины 12, расположенной на одном валу с электрогенератором 13 и линии ожиженного воздуха 14 с сосудом Дьюара 15, насосом высокого давления 16 и обратным клапаном 17. The cryogenic system for liquefying air includes an air supply line 1, a compressor 2, an air purifier 3, a counterflow heat exchanger 4, an expansion machine, for example, a turbine 5 with an electric generator 6, a throttle valve 7, a container with liquid air 8, a cryogenic Stirling refrigeration machine 9, a closed loop of air condensation connecting the tank with liquid air 9 with a condenser (not shown) of the Stirling machine 9. A closed loop of condensation of air consists of a line of gaseous air 10 with a intake device 11 in the gas-containing part of the tank 8, the expansion turbine 12, located on the same shaft with the electric generator 13 and the liquefied air line 14 with the Dewar vessel 15, high pressure pump 16 and check valve 17.

Криогенная система для ожижения воздуха работает следующим образом. A cryogenic system for liquefying air works as follows.

Первичный воздух по линии подачи 1 поступает в компрессор 2, где сжимается до высокого давления и поступает в очиститель 3 для очистки от примесей. Затем предварительно охлаждается в противоточном теплообменнике 4 за счет теплообмена с холодным воздухом и разделяется на два потока. Первый поток воздуха подается в турбину 5, где расширяется с получением полезной энергии в электрогенераторе 6, а второй поток, проходя через дроссельный вентиль 7, частично конденсируется и сливается в емкость 8. Оставшаяся часть несконденсировавшегося холодного воздуха второго потока по линии газообразного воздуха 10 через заборное устройство 11 соединяется с воздухом первого потока и поступает сначала в противоточный теплообменник 4, где охлаждает первичный воздух, при этом сам нагревается с увеличением давления, а затем поступает в расширительную турбину 12, проходя через которую расширяется, охлаждается и поступает в конденсатор (не показан) холодильной машины Стирлинга 9, где происходит его конденсация. Расширение воздуха в турбине 12 позволяет получить электроэнергию в электрогенераторе 13, расположенном на одном валу с турбиной 12. Переход газообразного воздуха в жидкую фазу в конденсаторе холодильной машины 9 создает необходимый перепад давлений в линии 10 перед турбиной 12. Затем ожиженный оставшийся воздух по линии 14 сливается в сосуд Дьюара 15 и насосом высокого давления 16 через обратный клапан 17 подается в емкость 8 в виде жидкости. The primary air through the supply line 1 enters the compressor 2, where it is compressed to high pressure and enters the purifier 3 for cleaning impurities. Then it is pre-cooled in a counterflow heat exchanger 4 due to heat exchange with cold air and is divided into two streams. The first air stream is supplied to the turbine 5, where it expands to produce useful energy in the electric generator 6, and the second stream, passing through the throttle valve 7, partially condenses and merges into the tank 8. The remaining part of the non-condensed cold air of the second stream through the gaseous air line 10 through the intake the device 11 is connected to the air of the first stream and first enters the counterflow heat exchanger 4, where it cools the primary air, while it heats up with increasing pressure, and then enters iritelnuyu turbine 12, passing through which it expanded, cooled and enters the condenser (not shown) of the Stirling chiller 9, where it is condensation. The expansion of air in the turbine 12 allows you to receive electricity in an electric generator 13 located on the same shaft with the turbine 12. The transition of gaseous air into the liquid phase in the condenser of the chiller 9 creates the necessary pressure difference in line 10 in front of the turbine 12. Then the liquefied remaining air is discharged through line 14 in the Dewar vessel 15 and the high pressure pump 16 through the check valve 17 is fed into the tank 8 in the form of a liquid.

Источники информации
1. Чечеткин А. В., Занемонец Н.А. Теплотехника. Учеб. для хим.-технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986. - стр. 307.
Sources of information
1. Chechetkin A. V., Zanemonets N. A. Heat engineering. Textbook for chemical technol. specialist. universities. - M .: Higher. school, 1986. - p. 307.

2. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287-288. 2. Issues of deep cooling. / Sat articles edited by prof. M.P. Malkova. Publisher: "Foreign Literature". M., 1961, p. 287-288.

3. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981, стр.202. 3. Sokolov E. Ya., Brodyansky V. M. Energy fundamentals of heat transformation and cooling processes. Textbook manual for universities. - 2nd ed. - M.: Energoizdat, 1981, p. 202.

4. Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186. 4. Usyukin I.P. Installations, machines and apparatuses of cryogenic equipment. M .: Light and food industry, 1982, pp. 185-186.

5. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 35. 5. Issues of deep cooling. / Sat articles edited by prof. M.P. Malkova. Publisher: "Foreign Literature". M., 1961, p. 35.

6. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 21-22, - прототип. 6. R. B. Scott. Technique of low temperatures. Translation Ed. prof. M.P. Malkova. M .: Publishing. foreign letter., 1962, p. 21-22, - prototype.

Claims (1)

Криогенная система для ожижения воздуха, включающая в себя линию подачи воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменник, расширительную машину, дроссельный вентиль, емкость с жидким воздухом, отличающаяся тем, что снабжена криогенной машиной Стирлинга с рабочим телом-гелием и замкнутым контуром конденсации воздуха, соединяющим емкость жидкого воздуха с конденсатором холодильной машины и состоящим из линии газообразного воздуха с заборным устройством в газосодержащей части емкости, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу, и линии ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, причем система снабжена по меньшей мере одной криогенной машиной Стирлинга. A cryogenic system for liquefying air, which includes an air supply line, a compressor, a purifier, a counterflow heat exchanger, an expansion machine, a throttle valve, a container with liquid air, characterized in that it is equipped with a cryogenic Stirling machine with a working fluid-helium and a closed air condensation circuit, connecting the tank of liquid air with the condenser of the refrigeration machine and consisting of a line of gaseous air with a suction device in the gas-containing part of the tank, an expansion turbine with an electric generator one shaft, and a liquefied air line with a Dewar vessel, a high pressure pump and a check valve, while the gaseous air line passes through a counterflow heat exchanger, and the system is equipped with at least one cryogenic Stirling machine.
RU99110165A 1999-05-19 1999-05-19 Cryogenic system for air liquefaction RU2151981C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99110165A RU2151981C1 (en) 1999-05-19 1999-05-19 Cryogenic system for air liquefaction

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99110165A RU2151981C1 (en) 1999-05-19 1999-05-19 Cryogenic system for air liquefaction

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2151981C1 true RU2151981C1 (en) 2000-06-27

Family

ID=20219839

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99110165A RU2151981C1 (en) 1999-05-19 1999-05-19 Cryogenic system for air liquefaction

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2151981C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8729142B2 (en) 2009-02-27 2014-05-20 Japan Oil, Gas And Metals National Corporation Method for recovering hydrocarbon compounds and a hydrocarbon recovery apparatus from a gaseous by-product

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СКОТТ Р.Б. Техника низких температур. -М. изд-во иностранной литературы, 1962, с. 19. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8729142B2 (en) 2009-02-27 2014-05-20 Japan Oil, Gas And Metals National Corporation Method for recovering hydrocarbon compounds and a hydrocarbon recovery apparatus from a gaseous by-product
US9513051B2 (en) 2009-02-27 2016-12-06 Japan Oil, Gas And Metals National Corporation Method for recovering hydrocarbon compounds and a hydrocarbon recovery apparatus from a gaseous by-product

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6694774B1 (en) Gas liquefaction method using natural gas and mixed gas refrigeration
CN101743430B (en) Boil-off gas treatment process and system
CN100510574C (en) Cryogenic liquefying refrigerating method and system
AU637141B2 (en) Process for refrigerating, corresponding refrigerating cycle and their application to the distillation of air
KR100636562B1 (en) Plant for liquefying natural gas
CN1820163B (en) Power cycle with liquefied natural gas regasification
US6324867B1 (en) Process and system for liquefying natural gas
CN102334001B (en) Liquefaction method and system
US6105389A (en) Method and device for liquefying a natural gas without phase separation of the coolant mixtures
US7552598B2 (en) Process for sub-cooling an LNG stream obtained by cooling by means of a first refrigeration cycle, and associated installation
US7469556B2 (en) Natural gas liquefaction system
US4169361A (en) Method of and apparatus for the generation of cold
US20020148225A1 (en) Energy conversion system
MX2013014870A (en) Process for liquefaction of natural gas.
WO2021043182A1 (en) Air separation apparatus and method using lng cold energy
JP2015501410A (en) Multiple nitrogen expansion process for LNG production
BRPI0921562B1 (en) production process and installation of a sub-cooled liquefied natural gas stream from a natural gas load stream
RU2568697C2 (en) Liquefaction of fraction enriched with hydrocarbons
US3735601A (en) Low temperature refrigeration system
US6170290B1 (en) Refrigeration process and plant using a thermal cycle of a fluid having a low boiling point
CN209279430U (en) A kind of refrigeration equipment producing liquefied natural gas
RU2137067C1 (en) Natural gas liquefaction plant
RU2151981C1 (en) Cryogenic system for air liquefaction
US3914949A (en) Method and apparatus for liquefying gases
CN111819264A (en) Cooling system