RU2234646C2 - Free-piston expansion engine - Google Patents
Free-piston expansion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234646C2 RU2234646C2 RU2001128810/06A RU2001128810A RU2234646C2 RU 2234646 C2 RU2234646 C2 RU 2234646C2 RU 2001128810/06 A RU2001128810/06 A RU 2001128810/06A RU 2001128810 A RU2001128810 A RU 2001128810A RU 2234646 C2 RU2234646 C2 RU 2234646C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- piston
- working cylinder
- expansion
- separator
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 63
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 abstract description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
- F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
- F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
- F25J1/0035—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
- F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
- F25J1/004—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by flash gas recovery
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0201—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using only internal refrigeration means, i.e. without external refrigeration
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
- F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
- F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к поршневым расширительным машинам, а именно к свободнопоршневым детандерам, и может быть использовано в криогенных системах для сжижения газов, в частности, для получения из природного и нефтяного газа сжиженного природного газа (СПГ) - углеводородной жидкости, состоящей в основном из метана.The invention relates to piston expansion machines, in particular to free-piston expanders, and can be used in cryogenic systems for liquefying gases, in particular, for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural and petroleum gas, a hydrocarbon liquid consisting mainly of methane.
Предпочтительной областью применения изобретения является получение СПГ на газораспределительных станциях (ГРС), где осуществляют отбор природного газа из магистрального газопровода в низконапорную газовую сеть потребителя.The preferred field of application of the invention is the production of LNG at gas distribution stations (GDS), where they carry out the selection of natural gas from the main gas pipeline to the low-pressure gas network of the consumer.
Известны поршневые детандеры с кривошипно-шатунным механизмом движения поршня, содержащие рабочий цилиндр с движущимся в нем поршнем и систему принудительного газораспределения, представляющую собой впускной и выпускной клапаны с механическим приводом, связанным с основным приводом поршня [1].Known piston expanders with a crank mechanism for moving the piston, containing a working cylinder with a piston moving in it and a forced gas distribution system, which is an inlet and outlet valve with a mechanical actuator associated with the main piston drive [1].
Существенными недостатками известных детандеров являются высокая конструктивная сложность, значительные масса и габариты и низкая эксплуатационная надежность, обусловленная большим количеством подвижных элементов привода поршня и газораспределительного устройства. Кроме того, использование данных детандеров в криогенных системах в качестве генераторов холода требует применения значительного количества дополнительного оборудования: теплообменников и регенераторов для рекуперации холода газа, расширяемого в цилиндре детандера; дегидратора сырьевого газа; сепаратора для отделения из охлажденного сырьевого газа жидкости. Это приводит к повышенному расходу энергии на компенсацию потерь холода в окружающую среду. Все это снижает КПД известных детандеров.Significant disadvantages of the known expanders are the high structural complexity, significant weight and dimensions and low operational reliability due to the large number of movable elements of the piston drive and the gas distribution device. In addition, the use of these expanders in cryogenic systems as cold generators requires the use of a significant amount of additional equipment: heat exchangers and regenerators for the recovery of cold gas expanding in the expander cylinder; feed gas dehydrator; a separator for separating liquid from the cooled feed gas. This leads to increased energy consumption to compensate for the loss of cold in the environment. All this reduces the efficiency of known expanders.
В криогенной технике для получения низких температур путем расширения сжатого газа известно применение более перспективных свободнопоршневых (или безвальных) детандеров, например вертикальный свободнопоршневой детандер Кларка, используемый в установке сжижения гелия [2]. Детандер содержит корпус с выпускными окнами и впускным и выпускным клапанами, установленный в корпусе поршень. Прямой ход поршня производится под действием расширяющегося в детандере газа, обратный ход - расширением газа из мертвого объема. Преимущество свободнопоршневого детандера в простоте конструкции, значительно меньших массе и габаритах, а также в том, что у него только одна движущаяся деталь.In cryogenic technology, to obtain low temperatures by expanding compressed gas, it is known to use more promising free-piston (or shaftless) expanders, for example, Clark’s vertical free-piston expander used in a helium liquefaction plant [2]. The expander comprises a housing with outlet windows and inlet and outlet valves, a piston mounted in the housing. The forward stroke of the piston is performed under the action of the gas expanding in the expander, the reverse stroke is carried out by expanding the gas from the dead volume. The advantage of the free-piston expander is its simplicity of design, much smaller mass and dimensions, and also that it has only one moving part.
Недостатком известного детандера является значительный объем мертвого пространства, обусловленный необходимостью обеспечения обратного движения поршня, а также отсутствие регенерации холода в самом детандере, значительные потери холода во внешнюю среду, что приводит к снижению его КПД.A disadvantage of the known expander is a significant amount of dead space, due to the need to ensure the reverse movement of the piston, as well as the lack of cold regeneration in the expander itself, significant loss of cold to the external environment, which reduces its efficiency.
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является свободнопоршневой детандер для криогенных систем, содержащий рабочий цилиндр с окнами для впуска и выпуска газа, размещенные внутри цилиндра поршень с каналами для газа, установленный внутри поршня регенератор и газораспределительное устройство в виде золотника [3]. Использование явления регенеративного теплообмена в известном детандере повышает его КПД, т.к. снижает потери холода в окружающую среду.The closest to the claimed combination of essential features and the achieved result is a free piston expander for cryogenic systems, containing a working cylinder with windows for gas inlet and outlet, a piston with gas channels placed inside the cylinder, a regenerator and a gas distribution device installed inside the piston [3 ]. The use of the phenomenon of regenerative heat transfer in the known expander increases its efficiency, because reduces cold loss to the environment.
Однако КПД известного свободнопоршневого детандера еще недостаточно высок. Это обусловливается расположением регенератора на пути прямого хода поршня, что не обеспечивает снижение температуры расширяемого газа до температуры его сжижения. Известный детандер также требует применения дополнительного оборудования для получения сжиженного газа.However, the efficiency of the well-known free-piston expander is still not high enough. This is due to the location of the regenerator on the direct piston path, which does not reduce the temperature of the expanding gas to its liquefaction temperature. Known expander also requires the use of additional equipment for producing liquefied gas.
Задачей заявляемого изобретения является повышение КПД детандера за счет снижения потерь холода в окружающую среду, уменьшения объема мертвого пространства.The task of the invention is to increase the efficiency of the expander by reducing losses of cold in the environment, reducing the amount of dead space.
Поставленная задача решается за счет того, что свободнопоршневой детандер, включающий рабочий цилиндр с окнами для впуска и выпуска газа, размещенный внутри рабочего цилиндра поршень, разделяющий его на расширительную и компрессорную полости, регенератор и газораспределительное устройство в виде золотниковой пары, согласно заявляемому изобретению дополнительно содержит газожидкостный сепаратор, который снабжен центробежными завихрителями и установлен на регенераторе, расположенном в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра, имеющего со стороны компрессорной полости всасывающий и нагнетательный клапаны, подключенные к магистралям подачи и сброса управляющего газа, при этом поршень выполнен в виде стакана с донышком в верхней его части, внутренний диаметр и высота которого обеспечивают скользящую посадку поршня на сепаратор в нижней мертвой точке.The problem is solved due to the fact that the free-piston expander comprising a working cylinder with windows for gas inlet and outlet, a piston placed inside the working cylinder, dividing it into expansion and compressor cavities, a regenerator and a gas distribution device in the form of a spool pair, according to the claimed invention further comprises gas-liquid separator, which is equipped with centrifugal swirlers and is mounted on a regenerator located in the dead space of the expansion cavity of the cylinder with the suction and discharge valves connected to the supply and discharge lines of the control gas, on the compressor side, the piston is made in the form of a cup with a bottom in its upper part, the inner diameter and height of which provide a sliding landing of the piston on the separator in the lower dead point.
Новым в заявляемом свободнопоршиевом детандере является:New in the claimed freestanding expander is:
- наличие газожидкостного сепаратора, установленного в рабочем цилиндре детандера на регенераторе и снабженного центробежными завихрителями;- the presence of a gas-liquid separator installed in the working cylinder of the expander on the regenerator and equipped with centrifugal swirlers;
- размещение регенератора в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра;- placement of the regenerator in the dead space of the expansion cavity of the working cylinder;
- наличие впускного и выпускного клапанов, установленных в рабочем цилиндре со стороны компрессорной полости и подключенных к магистралям подачи и сброса управляющего газа;- the presence of inlet and outlet valves installed in the working cylinder from the side of the compressor cavity and connected to the supply and discharge lines of the control gas;
- выполнение поршня в виде стакана с донышком в верхней его части, внутренний диаметр и высота которого обеспечивают скользящую посадку поршня на сепаратор в нижней мертвой точке.- the implementation of the piston in the form of a glass with a bottom in its upper part, the inner diameter and height of which provide a sliding landing of the piston on the separator at bottom dead center.
Известно размещение регенератора в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра поршневого детандера [4]. В заявляемом изобретении данный признак применен по своему известному назначению с получением ожидаемого технического результата: обеспечения регенеративного теплообмена поступающего в рабочий цилиндр детандера газа с выходящим расширенным охлажденным потоком для снижения температуры входящей порции газа до начала его расширения. Это позволяет достичь криогенных температур при расширении газа и получить частично ожиженный поток газа непосредственно в детандере.Known placement of the regenerator in the dead space of the expansion cavity of the working cylinder of the piston expander [4]. In the claimed invention, this feature is used for its well-known purpose with the expected technical result: providing regenerative heat exchange of the gas entering the expander’s working cylinder with an expanded expanded cooled stream to lower the temperature of the incoming gas portion before it begins to expand. This makes it possible to achieve cryogenic temperatures during gas expansion and to obtain a partially liquefied gas stream directly in the expander.
Известен поршневой детандер с установленными в его рабочем цилиндре со стороны компрессорной полости клапанами, соединенными с магистралями подачи и сброса управляющего газа [5]. Использование данного признака в заявляемом детандере позволяет снизить объем мертвого пространства в компрессорной полости рабочего цилиндра детандера.Known piston expander installed in its working cylinder from the side of the compressor cavity valves connected to the supply and discharge of the control gas [5]. The use of this feature in the inventive expander can reduce the amount of dead space in the compressor cavity of the working cylinder of the expander.
В процессе патентно-информационного поиска с целью выявления релевантных источников информации не были обнаружены сведения о детандерах, содержащих установленный в рабочем цилиндре газожидкостный сепаратор, снабженный центробежными завихрителями. Также не были обнаружены сведения, касающиеся выполнения поршня в виде стакана, внутренние размеры которого соответствуют размерам газожидкостного сепаратора и обеспечивают его скользящую посадку на сепаратор в нижней мертвой точке. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию “изобретательский уровень”.In the process of patent information search in order to identify relevant sources of information, information was not found on expanders containing a gas-liquid separator installed in the working cylinder, equipped with centrifugal swirlers. Also, information was not found regarding the implementation of the piston in the form of a cup, the internal dimensions of which correspond to the dimensions of the gas-liquid separator and provide its sliding fit on the separator at bottom dead center. This allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".
Технический результат, получаемый от установки непосредственно в рабочем цилиндре детандера газожидкостного сепаратора, состоит в снижении потерь холода во внешнюю среду. Наличие в газожидкостном сепараторе центробежных завихрителей позволяет при малых размерах сепаратора обеспечить эффективное отделение жидкой фазы охлажденного в детандере газа.The technical result obtained from the installation directly in the working cylinder of the expander of a gas-liquid separator is to reduce the loss of cold in the external environment. The presence of centrifugal swirlers in the gas-liquid separator allows for the small size of the separator to ensure effective separation of the liquid phase of the gas cooled in the expander.
Технический результат, получаемый за счет выполнения поршня в виде стакана с донышком в верхней части и выбора его внутренних размеров, исходя из условия обеспечения его скользящей посадки на сепаратор в нижней мертвой точке, состоит в снижении до минимума объема мертвого пространства расширительной полости детандера, а также уменьшении его массы.The technical result obtained by making the piston in the form of a cup with a bottom in the upper part and selecting its internal dimensions, based on the condition of ensuring its sliding fit on the separator at the bottom dead center, consists in minimizing the dead volume of the expander expansion cavity, and decrease in its mass.
На чертеже представлен общий вид свободнопоршневого детандера.The drawing shows a General view of the free piston expander.
Детандер содержит рабочий цилиндр 1 с окнами впуска 2 и выпуска 3 рабочего газа, к которому крепятся фланцы трубопроводов сжатого 4 и расширенного 5 рабочего газа. В нижней части рабочего цилиндра 1 размещено газораспределительное устройство в виде золотниковой пары, включающее стакан 6, поршень 7, имеющий форму катушки, и трубопровод 8 подачи и отвода пилотного газа. В стакане 6 выполнены поперечные прорези, сообщающие газораспределительное устройство с центральным вертикальным каналом 9. В мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра 1 установлен регенератор 10, полость которого заполнена насадкой, обладающей повышенной удельной поверхностью порядка 3 тыс.м2/м3, например спирали-стаканчики из проволоки с диаметром 0,3-0,8 мм. На регенераторе 10 установлен газожидкостной сепаратор 11 инерционного типа с завихрителями, снабженный патрубком 12 отвода сжиженного газа. В крышке рабочего цилиндра размещены всасывающий 13 и нагнетательный 14 клапаны, сообщающиеся соответственно с магистралями подачи 15 и сброса 16 управляющего газа. Внутри цилиндра 1 размещен легкий поршень 17, выполненный в виде стакана таким образом, что при нахождении поршня в нижней мертвой точке радиальные и линейные зазоры между поршнем 17 сепаратором 11 не превышают 1-2 мм, что обеспечивает скользящую посадку поршня на сепаратор. Поршень 17 может свободно перемещаться внутри цилиндра 1 в зависимости от перепада давлений в расширительной и компрессорной полостях.The expander contains a working cylinder 1 with windows of the inlet 2 and the outlet 3 of the working gas, to which the flanges of the compressed 4 and extended 5 working gas pipelines are attached. In the lower part of the working cylinder 1, there is a gas distribution device in the form of a spool pair, including a cup 6, a piston 7 having the shape of a coil, and a pipeline 8 for supplying and discharging the pilot gas. In the glass 6 there are transverse slots communicating a gas distribution device with a central vertical channel 9. In the dead space of the expansion cavity of the working cylinder 1, a regenerator 10 is installed, the cavity of which is filled with a nozzle having an increased specific surface of the order of 3 thousand m 2 / m 3 , for example cups of wire with a diameter of 0.3-0.8 mm On the regenerator 10, a gas-liquid separator 11 of inertial type with swirls is installed, equipped with a nozzle 12 for the discharge of liquefied gas. The suction 13 and pressure 14 valves are located in the cover of the working cylinder, respectively communicating with the supply lines 15 and discharge 16 of the control gas. Inside the cylinder 1, a light piston 17 is placed, made in the form of a cup so that when the piston is at bottom dead center, the radial and linear gaps between the piston 17 of the separator 11 do not exceed 1-2 mm, which ensures a sliding fit of the piston on the separator. The piston 17 can move freely inside the cylinder 1, depending on the differential pressure in the expansion and compressor cavities.
Детандер работает следующим образом.The expander works as follows.
Путем подачи по трубопроводу 8 пилотного газа под поршень 7 газораспределительного устройства и его отвода осуществляют последовательно впуск сжатого рабочего газа в детандер и выпуск расширенного рабочего газа. При подаче пилотного газа под поршень 7 газораспределительного устройства открывается окно 2 впуска и производится впуск сжатого рабочего газа из трубопровода 4. Через поперечные прорези стакана 6 газораспределительного устройства сжатый рабочий газ поступает в центральный вертикальный канал 9 и далее через регенератор 10 в расширительнную полость рабочего цилиндра 1, где происходит его резкое расширение и вследствие этого охлаждение. При этом расширение рабочего газа начинается уже в регенераторе 10, где он одновременно охлаждается вследствие рекуперативного теплообмена с насадкой, охлажденной обратным потоком расширенного газа в предыдущем цикле. При расширении газ совершает работу по передвижению поршня 17 в верхнюю мертвую точку и выталкиванию находящегося над поршнем 17 (в компрессорной полости рабочего цилиндра 1) управляющего газа через нагнетательный клапан 14 в магистраль 16 сброса управляющего газа. Холод, эквивалентный затраченной энергии, а также холод эффекта Джоуля-Томсона вызывают частичную конденсацию рабочего газа. При достижении поршнем 17 верхней мертвой точки производится подача в компрессорную полость рабочего цилиндра 1 управляющего газа из магистрали 15 через всасывающий клапан 13 под давлением, превышающим давление в расширительной полости рабочего цилиндра. Вследствие этого поршень 17 движется к нижней мертвой точке, вытесняя расширенный и охлажденный рабочий газ через центральный канал 9 в окно 3 выпуска и трубопровод 5 расширенного рабочего газа. При движении обратного потока расширенного, охлажденного и частично сжиженного рабочего газа через сепаратор 11 отделяется жидкая фаза, полученную в сепараторе жидкость отводят через патрубок 12, а холод расширенного газа рекуперируют в регенераторе 10.By supplying the pilot gas through the pipeline 8 under the piston 7 of the gas distribution device and its removal, the compressed working gas is sequentially introduced into the expander and the expanded working gas is released. When pilot gas is supplied under the piston 7 of the gas distribution device, the inlet window 2 opens and compressed working gas is admitted from the pipeline 4. Through the transverse slots of the gas distribution device cup 6, the compressed working gas enters the central vertical channel 9 and then through the regenerator 10 into the expansion cavity of the working cylinder 1 where it undergoes a sharp expansion and, as a result, cooling. In this case, the expansion of the working gas begins already in the regenerator 10, where it is simultaneously cooled due to regenerative heat exchange with a nozzle cooled by the reverse flow of expanded gas in the previous cycle. When expanding, the gas performs the work of moving the piston 17 to the top dead center and pushing the control gas located above the piston 17 (in the compressor cavity of the working cylinder 1) through the discharge valve 14 into the control gas discharge line 16. The cold equivalent to the energy expended, as well as the cold of the Joule-Thomson effect, cause partial condensation of the working gas. When the piston 17 reaches the top dead center, the control gas is supplied to the compressor cavity of the working cylinder 1 from the line 15 through the suction valve 13 under a pressure exceeding the pressure in the expansion cavity of the working cylinder. As a result, the piston 17 moves to bottom dead center, displacing the expanded and cooled working gas through the central channel 9 into the exhaust window 3 and the expanded working gas pipe 5. During the reverse flow of the expanded, cooled and partially liquefied working gas through the separator 11, the liquid phase is separated, the liquid obtained in the separator is discharged through the pipe 12, and the cold of the expanded gas is recovered in the regenerator 10.
Изготовлен опытный образец свободнопоршневого детандера, предназначенного для получения сжиженного природного газа (метана) на ГРС. Производительность его по сжатому газу составляет 2 000 нм3/час; количество вырабатываемого СПГ - 150 кг/час.A prototype of a free-piston expander designed to produce liquefied natural gas (methane) at gas distribution stations was manufactured. Its compressed gas productivity is 2,000 nm 3 / h; the amount of LNG produced is 150 kg / h.
Испытания опытного образца показали, что применение предлагаемого детандера для получения сжиженного природного газа позволит повысить коэффициент сжижения (количество вырабатываемого СПГ) за счет повышения КПД устройства, а также сократить объемы строительно-монтажных работ при создании установок сжижения газа.Tests of the prototype showed that the use of the proposed expander to produce liquefied natural gas will increase the liquefaction coefficient (the amount of LNG produced) by increasing the efficiency of the device, as well as reduce the volume of construction and installation work when creating gas liquefaction plants.
Источники информацииSources of information
1. А.М.Архаров. Низкотемпературные газовые машины (криогенераторы). М., “Машиностроение”, 1969 г., стр.184.1. A.M. Arkharov. Low temperature gas machines (cryogenerators). M., “Mechanical Engineering”, 1969, p. 184.
2. А.М.Архаров. Криогенные поршневые детандеры. М., “Машиностроение”, 1974 г., стр.167, 168, 197.2. A.M. Arkharov. Cryogenic piston expanders. M., “Engineering”, 1974, p. 167, 168, 197.
3. Авт. св. СССР №322572, МПК F 25 B 9/00, опубл. 30.11.71, Б.И. №36 (прототип).3. Auth. St. USSR No. 322572, IPC F 25 B 9/00, publ. 11/30/71, B.I. No. 36 (prototype).
4. А.М.Архаров. Низкотемпературные газовые машины (криогенераторы). М., “Машиностроение”, 1969 г., стр.8.4. A.M. Arkharov. Low temperature gas machines (cryogenerators). M., “Mechanical Engineering”, 1969, p. 8.
5. Авт. св. СССР №638810, МПК F 25 B 9/00, опубл. 25.12.78, Б.И. №47.5. Auth. St. USSR No. 638810, IPC F 25 B 9/00, publ. 12/25/78, B.I. No. 47.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001128810/06A RU2234646C2 (en) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | Free-piston expansion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001128810/06A RU2234646C2 (en) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | Free-piston expansion engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001128810A RU2001128810A (en) | 2003-06-20 |
| RU2234646C2 true RU2234646C2 (en) | 2004-08-20 |
Family
ID=33412139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001128810/06A RU2234646C2 (en) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | Free-piston expansion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2234646C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT201700122573A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-04-27 | Graf S P A | PLANT FOR GAS LIQUEFATION, PARTICULARLY GAS GAS |
| IT201800009221A1 (en) * | 2018-10-05 | 2020-04-05 | Graf Spa | SERVICE STATION FOR MEANS OF TRANSPORT |
| RU2787677C2 (en) * | 2017-10-27 | 2023-01-11 | Граф Индастриз С.П.А. | Gas liquefaction installation, in particular for network gas |
-
2001
- 2001-10-25 RU RU2001128810/06A patent/RU2234646C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT201700122573A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-04-27 | Graf S P A | PLANT FOR GAS LIQUEFATION, PARTICULARLY GAS GAS |
| WO2019082096A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | Graf S.P.A. | Plant for the liquefaction of gas, particularly network gas |
| RU2787677C2 (en) * | 2017-10-27 | 2023-01-11 | Граф Индастриз С.П.А. | Gas liquefaction installation, in particular for network gas |
| IT201800009221A1 (en) * | 2018-10-05 | 2020-04-05 | Graf Spa | SERVICE STATION FOR MEANS OF TRANSPORT |
| WO2020070683A1 (en) * | 2018-10-05 | 2020-04-09 | Graf S.P.A. | Filling station for means of transport |
| RU2806126C2 (en) * | 2018-10-05 | 2023-10-26 | Граф Индастриз С.П.А. | Fuel station for vehicles |
| RU2814992C1 (en) * | 2023-01-31 | 2024-03-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ" | Method for obtaining mechanical energy from action of gas pressure and piston expander for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100498170C (en) | Low pressure NGL plant configurations | |
| US2906101A (en) | Fluid expansion refrigeration method and apparatus | |
| KR101820560B1 (en) | Process for liquefaction of natural gas | |
| CN103249914A (en) | Gas balanced cryogenic expansion engine | |
| US6694768B2 (en) | Non-frost deep-freezing gas dehydrator | |
| CN102959352A (en) | Separation of carbon dioxide and hydrogen | |
| US20190063791A1 (en) | Cryogenic refrigeration device | |
| CN106461320A (en) | Liquefied natural gas facility employing an optimized mixed refrigerant system | |
| CN102721263A (en) | System and method for separating air by utilizing cryogenic cooling technology | |
| AU2023237164A1 (en) | Liquefaction system | |
| US5099650A (en) | Cryogenic refrigeration apparatus | |
| RU2234646C2 (en) | Free-piston expansion engine | |
| US5414997A (en) | Thermal lag machine | |
| CN210623013U (en) | Multi-cylinder piston type expansion-compressor | |
| CN102721223B (en) | Novel refrigerating machine | |
| RU2309342C1 (en) | Hydrogen liquefying method with use of helium refrigeration cycle and apparatus for performing the same | |
| CN111140209A (en) | Offshore oil production platform associated gas recovery unit | |
| CN1091239C (en) | High and low temperature switching valve type impulse pipe expander refrigeration liquefying flow path and device | |
| CN106091460B (en) | Pressure differential formula expanding machine for Cryo Refrigerator | |
| CN102853589B (en) | Refrigeration machine and circulation thereof | |
| RU2104449C1 (en) | Gas liquefaction unit | |
| JPH0240454Y2 (en) | ||
| RU2003124343A (en) | METHOD FOR PRODUCING LIQUEFIED NATURAL GAS | |
| WO2021182996A1 (en) | Method for liquefying gas and apparatus for implementing same | |
| Walker et al. | Gifford-McMahon, Solvay, and Postle Cryocoolers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051026 |