RU2282116C2 - Method and device for gaseous helium cooling and purification - Google Patents

Method and device for gaseous helium cooling and purification Download PDF

Info

Publication number
RU2282116C2
RU2282116C2 RU2004111528/06A RU2004111528A RU2282116C2 RU 2282116 C2 RU2282116 C2 RU 2282116C2 RU 2004111528/06 A RU2004111528/06 A RU 2004111528/06A RU 2004111528 A RU2004111528 A RU 2004111528A RU 2282116 C2 RU2282116 C2 RU 2282116C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
helium
cooling
cryostats
liquid nitrogen
cryostat
Prior art date
Application number
RU2004111528/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004111528A (en
Inventor
Владимир Николаевич Климов (RU)
Владимир Николаевич Климов
Виктор Павлович Сборец (RU)
Виктор Павлович Сборец
Жан Рахманович Рахманов (RU)
Жан Рахманович Рахманов
Андрей Александрович Курочкин (RU)
Андрей Александрович Курочкин
Анатолий Матвеевич Павливкер (RU)
Анатолий Матвеевич Павливкер
Олег Максимович Попов (RU)
Олег Максимович Попов
Владимир Алексеевич Мартынов (RU)
Владимир Алексеевич Мартынов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П. Бармина"
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П. Бармина" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П. Бармина"
Priority to RU2004111528/06A priority Critical patent/RU2282116C2/en
Publication of RU2004111528A publication Critical patent/RU2004111528A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2282116C2 publication Critical patent/RU2282116C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

FIELD: cryogenic equipment, arrangements for separating or purifying gases or liquids.
SUBSTANCE: method involves filling cryostats with liquid nitrogen and supplying gaseous helium into the cryostats for following helium cooling, filtering and cleaning of impurities generated during helium cooling; preliminarily cooling gaseous helium by two reverse flows, namely cold helium flow and nitrogen vapor flow; finally cooling gaseous helium to temperature of not more than -150°C in boiling liquid nitrogen bed; filtering and cleaning helium flow; heating gaseous helium to temperature of not more than -60°C by direct gaseous helium flow; heating gaseous helium flow in heater if necessary. All operations are carried out under pressure control at cryostat inlet and outlet. If pressure difference exceeds 1 MPa liquid nitrogen supply is stopped and gaseous helium flow is directed to another cryostat. Then the disabled cryostat is heated by supplying heated low-pressure nitrogen to the cryostat or all cryostats are heated simultaneously by supplying heated low-pressure nitrogen to the cryostats after gaseous helium flow purification operation termination.
EFFECT: increased efficiency.
2 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к криогенной технике, а точнее к охлаждению и очистке газов, в частности, газообразного гелия от различного рода примесей, и может найти широкое применение в ракетно-космической технике, в атомной, химической, металлургической и в других отраслях промышленности.The present invention relates to cryogenic technology, and more specifically to the cooling and purification of gases, in particular gaseous helium from various kinds of impurities, and can find wide application in space rocket technology, in the nuclear, chemical, metallurgical and other industries.

Известны способ и устройство для охлаждения и очистки газов, согласно описанию изобретения RU 1780390, кл. F 25 B 43/02, 1989 г.A known method and device for cooling and purifying gases, according to the description of the invention RU 1780390, class. F 25 B 43/02, 1989

Известный способ заключается в подаче газа, охлаждении и очистке его в криостатах. Устройство, осуществляющее известный способ, состоит из линии подачи газа, корпуса с размещенными в нем стаканом и двухзаходным змеевиком, датчиками уровня и датчиками температур.A known method is to supply gas, cooling and purifying it in cryostats. A device that implements the known method consists of a gas supply line, a housing with a glass and a two-way coil placed in it, level sensors and temperature sensors.

Однако данные способ и устройство для охлаждения и очистки газов не обеспечивают охлаждение и очистку газообразного гелия с параметрами, необходимыми для решения данной технической задачи.However, these method and apparatus for cooling and purifying gases do not provide cooling and purification of gaseous helium with the parameters necessary to solve this technical problem.

Известны также способ и устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия согласно описанию изобретения по патенту US 3415069, F 25 J 3/08, 1968 г.Also known is a method and apparatus for cooling and purifying gaseous helium according to the description of the invention according to the patent US 3415069, F 25 J 3/08, 1968.

Известный способ заключается в подаче газообразного гелия, охлаждении, фильтрации, очистки от примесей и последующем подогреве. Устройство, осуществляющее известный способ, состоит из трубопроводов, электронагревателя, криостатов, содержащих фильтры, змеевики, а также датчики уровня и датчики температур.The known method consists in the supply of gaseous helium, cooling, filtering, purification from impurities and subsequent heating. A device implementing the known method consists of pipelines, an electric heater, cryostats containing filters, coils, as well as level sensors and temperature sensors.

Указанные способ и устройство являются наиболее близкими к заявляемому техническому решению.The specified method and device are closest to the claimed technical solution.

Однако известные способ и устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия не обеспечивают охлаждение и очистку газообразного гелия с параметрами, необходимыми для решения данной технической задачи, заключающейся в охлаждении газообразного гелия в криостате до температуры не выше минус 150°С, очистке от вымороженных твердых примесей, образовавшихся в процессе охлаждения, нагреве за счет рекуперативного теплообмена до температуры не ниже минус 60°С и последующем нагреве его в электронагревателе до заданной температуры.However, the known method and device for cooling and purification of gaseous helium does not provide cooling and purification of gaseous helium with the parameters necessary to solve this technical problem, which consists in cooling gaseous helium in a cryostat to a temperature of no higher than minus 150 ° C, removing frozen solid impurities, formed during cooling, heating due to regenerative heat transfer to a temperature not lower than minus 60 ° С and its subsequent heating in an electric heater to a predetermined temperature.

Задачей данного изобретения является охлаждение и очистка газообразного гелия с указанными параметрами для последующего использования в различных отраслях промышленности.The objective of the invention is the cooling and purification of gaseous helium with the indicated parameters for subsequent use in various industries.

Требуемый технический результат достигается тем, что в способе охлаждения и очистки газообразного гелия, включающем залив жидкого азота в криостаты, подачу в них газообразного гелия для последовательного охлаждения, фильтрации, очистки от примесей, образовавшихся в процессе охлаждения, предварительно охлаждают поступающий газообразный гелий за счет двух обратных потоков - охлажденного гелия и паров азота, далее доохлаждают газообразный гелий до температуры не выше минус 150°С в кипящем жидком азоте, и после фильтрации и очистки нагревают до температуры не ниже минус 60°С за счет прямого потока газообразного гелия, а при необходимости осуществляют подогрев в электронагревателе, при этом контролируют давления на входе и выходе из криостата, и при их перепаде более чем на 1 МПа прекращают подачу жидкого азота в криостат и одновременно переключают подачу газообразного гелия на другой криостат, затем путем подачи подогретого азота низкого давления производят отогрев отключенного криостата или после окончания процесса охлаждения и очистки газообразного гелия отогрев всех криостатов одновременно также путем подачи азота низкого давления.The required technical result is achieved in that in a method for cooling and purifying gaseous helium, including pouring liquid nitrogen into cryostats, supplying helium gas to them for sequential cooling, filtration, and purification of impurities formed during the cooling process, the incoming helium gas is pre-cooled by two return flows - cooled helium and nitrogen vapors, then cool down gaseous helium to a temperature of no higher than minus 150 ° C in boiling liquid nitrogen, and after filtering and cleaning the heating t to a temperature not lower than minus 60 ° C due to a direct flow of gaseous helium, and if necessary, they are heated in an electric heater, while the pressure at the inlet and outlet of the cryostat is controlled, and when they drop by more than 1 MPa, the flow of liquid nitrogen to the cryostat is stopped and simultaneously switch the supply of gaseous helium to another cryostat, then by supplying heated low-pressure nitrogen, the disconnected cryostat is heated, or after the cooling and purification of gaseous helium is completed, all Riostats at the same time also by supply of low pressure nitrogen.

Для осуществления данного способа охлаждения и очистки газообразного гелия предложено устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия, включающее трубопроводы, электронагреватель, криостаты, содержащие фильтры, расположенные в сосудах с жидким азотом змеевики, а также датчики уровня и датчики температуры; электронагреватель снабжен не менее, чем тремя змеевиками, два из которых соединены соответственно с криостатами, а третий - с каждым из криостатов, содержащих трехпоточный теплообменник и трубопровод подачи подогретого азота, причем трехпоточный теплообменник выполнен в виде обечайки с отверстиями, сердечником, закрепленным в ней, днищами с патрубками и двух групп винтовых змеевиков - прямого и обратного потоков, смонтированных вокруг сердечника, жестко соединенных с патрубками и сообщающих, соответственно, трубопровод подачи газообразного гелия со змеевиком, а змеевик с соответствующим змеевиком электронагревателя посредством фильтра и трубопровода выхода охлажденного гелия, при этом сосуд с жидким азотом сообщен с атмосферой, а трубопровод подачи подогретого азота расположен между стенками сосуда с жидким азотом и криостата и соединяет третий змеевик электронагревателя с днищем сосуда с жидким азотом.To implement this method of cooling and purifying gaseous helium, a device for cooling and purifying gaseous helium is proposed, including pipelines, an electric heater, cryostats containing filters located in vessels with liquid nitrogen, coils, as well as level sensors and temperature sensors; the electric heater is equipped with at least three coils, two of which are connected respectively to cryostats, and the third to each of the cryostats containing a three-line heat exchanger and a heated nitrogen supply pipe, and the three-line heat exchanger is made in the form of a shell with holes, a core fixed in it, bottoms with nozzles and two groups of screw coils - direct and reverse flows mounted around the core, rigidly connected to the nozzles and communicating, respectively, the gas supply pipe of helium with a coil, and a coil with a corresponding coil of an electric heater through a filter and a cooled helium outlet pipe, while the vessel with liquid nitrogen is connected to the atmosphere, and the heated nitrogen supply pipe is located between the walls of the vessel with liquid nitrogen and a cryostat and connects the third heater coil with the bottom vessels with liquid nitrogen.

Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что предварительно охлаждают поступающий газообразный гелий за счет двух обратных потоков - охлажденного гелия и паров азота, далее доохлаждают газообразный гелий до температуры не выше минус 150°С в кипящем жидком азоте, и после фильтрации и очистки нагревают до температуры не ниже минус 60°С за счет прямого потока газообразного гелия, а при необходимости осуществляют подогрев в электронагревателе, при этом контролируют давления на входе и выходе из криостата, и при их перепаде более чем на 1 МПа прекращают подачу жидкого азота в криостат и одновременно переключают подачу газообразного гелия на другой криостат, затем путем подачи подогретого азота низкого давления производят отогрев отключенного криостата или после окончания процесса охлаждения и очистки газообразного гелия отогрев всех криостатов одновременно также путем подачи подогретого азота низкого давления. Кроме того, устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия включает электронагреватель, снабженный не менее, чем тремя змеевиками, два из которых соединены, соответственно, с криостатами, а третий - с каждым из криостатов, содержащим трехпоточный теплообменник и трубопровод подачи подогретого азота, причем трехпоточный теплообменник выполнен в виде обечайки с отверстиями, сердечником, закрепленным в ней, днищами с патрубками и двух групп винтовых змеевиков - прямого и обратного потоков, смонтированных вокруг сердечника, жестко соединенных с патрубками и сообщающих, соответственно, трубопровод подачи газообразного гелия со змеевиком, а змеевик с соответствующим змеевиком электронагревателя посредством фильтра и трубопровода выхода охлажденного гелия, при этом сосуд с жидким азотом сообщен с атмосферой, а трубопровод подачи подогретого азота, расположенный между стенками сосуда с жидким азотом и криостата, соединяет третий змеевик электронагревателя с днищем сосуда с жидким азотом.Distinctive features from the prototype are that they pre-cool the incoming helium gas due to two reverse flows — chilled helium and nitrogen vapor, then further cool the helium gas to a temperature of no higher than minus 150 ° C in boiling liquid nitrogen, and heat it up to filtration temperatures not lower than minus 60 ° C due to the direct flow of gaseous helium, and if necessary, they are heated in an electric heater, while the pressure at the inlet and outlet of the cryostat is controlled, and if they drop more than by 1 MPa, the flow of liquid nitrogen to the cryostat is stopped and the flow of helium gas to another cryostat is simultaneously switched off, then, by supplying heated low-pressure nitrogen, the disconnected cryostat is heated or, after the cooling and purification of helium gas is completed, all cryostats are heated simultaneously by feeding heated low nitrogen pressure. In addition, the device for cooling and purification of gaseous helium includes an electric heater equipped with at least three coils, two of which are connected, respectively, with cryostats, and the third with each of the cryostats, which contains a three-flow heat exchanger and a heated nitrogen supply pipe, and three-flow the heat exchanger is made in the form of a shell with holes, a core fixed in it, bottoms with nozzles and two groups of screw coils - forward and reverse flows mounted around the core, rigidly connected to the nozzles and communicating, respectively, the helium gas supply pipe with the coil, and the coil with the corresponding electric heater coil through the filter and the cooled helium outlet pipe, while the vessel with liquid nitrogen is connected to the atmosphere, and the heated nitrogen supply pipe located between the walls of the vessel with liquid nitrogen and cryostat, connects the third coil of the electric heater to the bottom of the vessel with liquid nitrogen.

Авторам не известны технические решения с существенными признаками, приведенными в отличительной части формулы изобретения.The authors are not aware of technical solutions with the essential features given in the characterizing part of the claims.

Устройство, осуществляющее предлагаемый способ, поясняется чертежами, изображенными на фиг.1, 2, где на фиг.1 изображен общий вид устройства, на фиг.2 - трехпоточный теплообменник.The device implementing the proposed method is illustrated by the drawings depicted in figures 1, 2, where figure 1 shows a General view of the device, figure 2 - three-flow heat exchanger.

Устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия состоит из трубопроводов подачи газообразного гелия 1 (фиг.1), трубопровода выхода охлажденного гелия 2, трубопровода подачи жидкого азота 3 и трубопровода слива жидкого азота 4, криостатов 5, 6, содержащих расположенные в сосудах с жидким азотом 7 (на фиг.1 криостаты расположены симметрично относительно электронагревателя, поз. которого приведена ниже) змеевики 8, датчиков уровня 9 и датчиков температуры 10 и снабжено электронагревателем 11, выполненным не менее, чем с тремя змеевиками, два из которых 12, 13 соединены соответственно с криостатами 5, 6, а третий 14 - с обоими криостатами 5, 6. Каждый из криостатов снабжен трехпоточным теплообменником 15, фильтром 16 и трубопроводом подачи подогретого азота 17. Трехпоточный теплообменник 15 выполнен в виде обечайки 18 (фиг.2) с отверстиями 19, сердечником 20, закрепленным в обечайке 18, днищами 21, 22 с патрубками соответственно 23, 24, 25 и 26, 27, образующими межтрубное пространство 28, а также двух групп винтовых змеевиков - прямого 29 и обратного 30 потоков (на фиг.2 показаны оси одной из трубок каждой группы кольцевых змеевиков и их расположение в межтрубном пространстве), смонтированных вокруг сердечника 20, жестко соединенных с патрубками 23, 24, 26, 27 и сообщающих соответственно трубопровод подачи газообразного гелия 1 (фиг.1) со змеевиком 8, а змеевик 8 с соответствующим змеевиком (для криостата 5 змеевик 12, а для криостата 6 змеевик 13) электронагревателя 11 посредством фильтра 16 и трубопровода выхода охлажденного гелия 2. Сосуд с жидким азотом 7 сообщается с атмосферой посредством межтрубного пространства 28 и патрубка отвода паров жидкого азота 25, а трубопровод подачи подогретого азота 17 расположен между стенками сосуда с жидким азотом 7 и криостатом 5(6) и соединяет третий змеевик 14 электронагревателя 11 с днищем сосуда с жидким азотом 7.A device for cooling and purification of gaseous helium consists of pipelines for supplying gaseous helium 1 (Fig. 1), a piping for leaving chilled helium 2, a piping for supplying liquid nitrogen 3 and a piping for discharging liquid nitrogen 4, cryostats 5, 6 containing located in vessels with liquid nitrogen 7 (in FIG. 1, the cryostats are located symmetrically relative to the electric heater, the pos. Of which is given below), there are two coils 8, level sensors 9 and temperature sensors 10 and is equipped with an electric heater 11 made of at least three coils of which 12, 13 are connected respectively to cryostats 5, 6, and the third 14 to both cryostats 5, 6. Each of the cryostats is equipped with a three-flow heat exchanger 15, a filter 16 and a heated nitrogen supply pipe 17. The three-flow heat exchanger 15 is made in the form of a shell 18 ( figure 2) with holes 19, the core 20, mounted in the shell 18, the bottoms 21, 22 with pipes 23, 24, 25 and 26, 27, respectively, forming the annular space 28, as well as two groups of helical coils - direct 29 and reverse 30 flows (figure 2 shows the axis of one of the tubes of each group s annular coils and their location in the annulus) mounted around the core 20, rigidly connected to the nozzles 23, 24, 26, 27 and respectively communicating the supply pipeline of gaseous helium 1 (Fig. 1) with a coil 8, and a coil 8 with a corresponding coil (for a cryostat 5 a coil 12, and for a cryostat 6 a coil 13) of an electric heater 11 by means of a filter 16 and a chilled helium 2 outlet pipe. A vessel with liquid nitrogen 7 communicates with the atmosphere through the annulus 28 and a pipe for removing liquid nitrogen 25, and the heated nitrogen supply pipe 17 is located between the walls of the vessel with liquid nitrogen 7 and the cryostat 5 (6) and connects the third coil 14 of the electric heater 11 with the bottom of the vessel with liquid nitrogen 7.

Пример реализации предложенных способа и устройства для охлаждения и очистки газообразного гелия рассмотрим при получении технического гелия, необходимого для ракетно-космической техники.An example of the implementation of the proposed method and device for cooling and purification of gaseous helium will be considered upon receipt of technical helium necessary for space rocket technology.

Для этого необходимо произвести очистку гелия от вымороженных твердых примесей, масла, влаги и других вредных примесей, для чего производят его охлаждение в криостатах, где происходит вымораживание вредных примесей и их выпадение на фильтрующих элементах. Предварительно в сосуд 7 криостатов 5, 6 заливают по трубопроводам 3, жидкий азот с температурой порядка минус 196°С, при этом контролируют уровень наполнения его посредством датчика уровня 9 и затем по трубопроводу 1 подают газообразный гелий в криостаты 5, 6, где он поступает в трехпоточный теплообменник 15 одного из криостатов, например, 5, в котором начинается его охлаждение за счет нагрева двух обратных потоков - охлажденного гелия и паров жидкого азота, далее доохлаждают газообразный гелий в змеевике 8, расположенном в сосуде с кипящим жидким азотом 7, до температуры не выше минус 150°С, обеспечивающей вымораживание вредных примесей, которые задерживаются на фильтрующих элементах фильтра 16. После очистки от примесей охлажденный гелий, вновь пройдя через трехпоточный теплообменник 15, нагревается до температуры не ниже минус 60°С за счет охлаждения прямого потока газообразного гелия и по трубопроводу 2 поступает в электронагреватель 11, снабженный змеевиками 12, 13, для последующего нагрева до заданной температуры (минус 45°С±5°С). При температуре охлажденного гелия на выходе из криостата не ниже минус 45°С±5°С подогрев в электронагревателе не производится. Температура охлаждения газообразного гелия (не выше минус 150°С) выбрана с учетом температур замерзания вредных примесей, находящихся в газообразном гелии и осаждающихся на фильтрующих элементах, а температура на выходе из криостата (не ниже минус 45°С±15°С) определена расчетом, подтвержденным экспериментальным путем при проведении испытаний криостатов.To do this, it is necessary to purify helium from frozen solid impurities, oil, moisture and other harmful impurities, for which it is cooled in cryostats, where harmful impurities are frozen and deposited on the filter elements. First, in the vessel 7 of cryostats 5, 6 is poured through pipelines 3, liquid nitrogen with a temperature of the order of minus 196 ° C, while the level of filling is controlled by a level sensor 9 and then gaseous helium is fed through the pipe 1 to cryostats 5, 6, where it enters into a three-flow heat exchanger 15 of one of the cryostats, for example, 5, in which it begins to be cooled by heating two return flows - cooled helium and liquid nitrogen vapor, then gaseous helium is cooled in a coil 8 located in a vessel with boiling liquid nitrogen 7, to a temperature of no higher than minus 150 ° C, which ensures freezing of harmful impurities that are trapped on the filter elements of the filter 16. After cleaning the impurities, the cooled helium, again passing through a three-flow heat exchanger 15, is heated to a temperature of at least minus 60 ° C due to cooling the direct flow of gaseous helium and through the pipe 2 enters the electric heater 11, equipped with coils 12, 13, for subsequent heating to a predetermined temperature (minus 45 ° C ± 5 ° C). At a temperature of cooled helium at the exit from the cryostat not lower than minus 45 ° С ± 5 ° С, heating in the electric heater is not performed. The cooling temperature of gaseous helium (not higher than minus 150 ° C) is selected taking into account the freezing temperatures of harmful impurities that are in gaseous helium and deposited on the filter elements, and the temperature at the exit from the cryostat (not lower than minus 45 ° C ± 15 ° C) is determined by calculation confirmed experimentally when testing cryostats.

Температура нагрева в электронагревателе регламентирована температурой работоспособности резинотехнических изделий, применяемых для уплотнения бортовых разъемных соединений, не ниже минус 50°С. Контроль температуры гелия на выходе из криостатов и электронагревателя осуществляется посредством датчиков температуры 10. При перепаде давления на входе и выходе из криостата 5 более, чем на 1 МПа, происходит его отключение (прекращение подачи жидкого азота) и одновременное переключение подачи газообразного гелия на другой криостат 6, который подключается к работе по непосредственной выдаче газообразного гелия потребителю. Заполнение газообразным гелием одновременно нескольких криостатов необходимо для обеспечения непрерывной подачи очищенного гелия потребителю при дальнейшей непригодности к работе одного из них (перепад давления на входе и выходе из криостата более 1 МПа). В случае необходимости оперативной подготовки отключенного криостата к дальнейшей работе производят его отогрев (при достаточном времени работы другого криостата в заданном цикле отогрев всех криостатов одновременно проводят по окончании работ по обеспечению потребителя охлажденным и очищенным гелием), для чего осуществляют слив оставшегося жидкого азота по трубопроводу 4, непосредственно отогрев путем подачи подогретого азота низкого давления (0,1 МПа) по змеевику 14 электронагревателя 11 в трубопровод подачи подогретого азота 17, расположенного между стенками сосуда с жидким азотом 7 и криостатом 5(6), и затем в днище сосуда с жидким азотом 7. Далее рассмотрим работу трехпоточного теплообменника 15 (фиг.2), выполненного в виде обечайки 18 с отверстиями 19, сердечником 20, закрепленным в ней, днищами 21, 22 с патрубками 23, 24, 25, 26, 27, образующими межтрубное пространство 28, и двух групп винтовых змеевиков - прямого 29 и обратного 30 потоков, смонтированных вокруг сердечника 20 и жестко соединенных, соответственно, с патрубками 23, 27 и 24, 26.The heating temperature in the electric heater is regulated by the operability temperature of rubber products used to seal onboard detachable joints, not lower than minus 50 ° С. The temperature of helium at the outlet of the cryostats and the electric heater is controlled by temperature sensors 10. When the pressure drop at the inlet and outlet of the cryostat 5 is more than 1 MPa, it is switched off (liquid nitrogen is cut off) and the gaseous helium is switched off to another cryostat 6, which is connected to the work on the direct issuance of gaseous helium to the consumer. Filling with gaseous helium at the same time several cryostats is necessary to ensure continuous supply of purified helium to the consumer with the further unsuitability of one of them to work (pressure drop at the inlet and outlet of the cryostat is more than 1 MPa). If it is necessary to quickly prepare a disconnected cryostat for further work, it is heated (if there is enough time for another cryostat to work in a given cycle, all cryostats are heated simultaneously at the end of work to provide the consumer with cooled and purified helium), for which the remaining liquid nitrogen is drained through pipeline 4 directly heated by supplying low-pressure heated nitrogen (0.1 MPa) via a coil 14 of electric heater 11 to the heated nitrogen supply pipe 17, laid between the walls of the vessel with liquid nitrogen 7 and a cryostat 5 (6), and then in the bottom of the vessel with liquid nitrogen 7. Next, we consider the operation of a three-flow heat exchanger 15 (figure 2), made in the form of a shell 18 with holes 19, a core 20 fixed in it, with bottoms 21, 22 with nozzles 23, 24, 25, 26, 27, forming the annular space 28, and two groups of helical coils - direct 29 and reverse 30 flows mounted around the core 20 and rigidly connected, respectively, to the nozzles 23 , 27 and 24, 26.

Газообразный гелий, подающийся в трехпоточный теплообменник 15, через патрубок 23 поступает в группу кольцевых змеевиков прямого потока 29, в которых начинается предварительное охлаждение гелия за счет нагрева охлажденного гелия обратного потока 30 и паров жидкого азота, проходящих снизу вверх из сосуда с жидким азотом 7 через отверстия 19 обечайки 18 в межтрубное пространство 28 и отводящихся через патрубок 25. Предварительно охлажденный гелий из группы винтовых змеевиков прямого потока 29 через патрубок 27 поступает непосредственно в змеевик для дальнейшего охлаждения. Охлажденный гелий из змеевика через фильтр и патрубок 26 поступает в другую группу винтовых змеевиков обратного потока 30, где начинается его предварительный нагрев за счет теплообмена с газообразным ("теплым") гелием, поступающим для охлаждения и проходящим по группе кольцевых змеевиков прямого потока 29, смонтированных параллельно группе кольцевых змеевиков обратного потока 30, и через патрубок 24 частично нагретый гелий выходит из трехпоточного теплообменника. Таким образом, в трехпоточном теплообменнике происходит движение трех потоков: поступающего газообразного гелия по первой группе винтовых змеевиков прямого потока 29 сверху вниз, выходящего охлажденного гелия по другой группе змеевиков обратного потока 30 снизу вверх и паров жидкого азота в межтрубном пространстве 28 также снизу вверх.Helium gas fed into the three-flow heat exchanger 15, through the pipe 23 enters the group of ring coils of the direct flow 29, in which the preliminary cooling of helium begins by heating the cooled helium backflow 30 and liquid nitrogen vapors passing from bottom to top from the vessel with liquid nitrogen 7 through holes 19 of the shell 18 into the annulus 28 and discharged through the pipe 25. Pre-cooled helium from the group of direct-flow screw coils 29 through the pipe 27 enters directly into the coil d For further cooling. Cooled helium from the coil through the filter and nozzle 26 enters another group of helical coils of the reverse flow 30, where it begins to preheat due to heat exchange with gaseous ("warm") helium supplied for cooling and passing through the group of ring coils of direct flow 29 mounted parallel to the group of ring coils of the return flow 30, and through the pipe 24 partially heated helium leaves the three-flow heat exchanger. Thus, in a three-threaded heat exchanger, there are three flows: incoming helium gas along the first group of helical coils of the direct flow 29 from top to bottom, leaving cooled helium along the other group of coils of the reverse flow 30 from the bottom up and vapor of liquid nitrogen in the annulus 28 also from the bottom up.

Преимущество заявленных способа и устройства для охлаждения и очистки газообразного гелия заключается в том, что до начала подачи гелия потребителю происходит его очистка от вымороженных твердых примесей путем охлаждения до температуры не выше минус 150°С, фильтрация и нагрев до температуры не ниже минус 60°С за счет рекуперативного теплообмена и при необходимости последующий нагрев до заданной температуры в интервале минус 45°С±5°С.The advantage of the claimed method and device for cooling and purification of gaseous helium is that prior to the supply of helium to the consumer, it is cleaned of frozen solid impurities by cooling to a temperature not exceeding minus 150 ° C, filtering and heating to a temperature not lower than minus 60 ° C due to recuperative heat transfer and, if necessary, subsequent heating to a predetermined temperature in the range of minus 45 ° C ± 5 ° C.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия позволяют не только обеспечить потребителя гелием высокой степени очистки, но и, отличаясь компактностью, обеспечивают экономию электроэнергии.Thus, the proposed method and device for cooling and purification of gaseous helium allows not only to provide the consumer with helium of a high degree of purification, but also, being compact, provide energy savings.

В настоящее время способ и устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия прошли заводские испытания и в дальнейшем предполагается их использование в различных отраслях промышленности, в частности, в системах обеспечения сжатыми газами на ракетно-космическом комплексе космодрома "Плесецк".At present, the method and device for cooling and purifying gaseous helium has undergone factory tests and their further use is supposed to be used in various industries, in particular, in compressed gas supply systems at the Plesetsk space launch complex.

Claims (2)

1. Способ охлаждения и очистки газообразного гелия, включающий залив жидкого азота в криостаты, подачу в них газообразного гелия для последовательного охлаждения, фильтрации, очистки от примесей, образовавшихся в процессе охлаждения, отличающийся тем, что предварительно охлаждают поступающий газообразный гелий за счет двух обратных потоков: охлажденного гелия и паров азота, далее доохлаждают газообразный гелий до температуры не выше минус 150°С в кипящем жидком азоте и после фильтрации и очистки нагревают до температуры не ниже минус 60°С за счет прямого потока газообразного гелия, а при необходимости осуществляют подогрев в электронагревателе, при этом контролируют давление на входе и выходе из криостата и при их перепаде более чем на 1 МПа прекращают подачу жидкого азота в криостат и одновременно переключают подачу газообразного гелия на другой криостат, затем путем подачи подогретого азота низкого давления производят отогрев отключенного криостата или после окончания процесса охлаждения и очистки газообразного гелия отогрев всех криостатов одновременно также путем подачи подогретого азота низкого давления.1. The method of cooling and purification of gaseous helium, including pouring liquid nitrogen into cryostats, supplying gaseous helium to them for sequential cooling, filtration, and purification of impurities formed during the cooling process, characterized in that the incoming helium gas is pre-cooled by two reverse flows : cooled helium and nitrogen vapors, then helium gas is further cooled to a temperature of no higher than minus 150 ° C in boiling liquid nitrogen and, after filtration and purification, it is heated to a temperature of at least minus 60 ° C due to the direct flow of gaseous helium, and if necessary, heating is carried out in an electric heater, while the pressure at the inlet and outlet of the cryostat is controlled and, when they differ by more than 1 MPa, the flow of liquid nitrogen to the cryostat is stopped and the flow of helium gas to another cryostat is switched off, then, by feeding heated low-pressure nitrogen, the disconnected cryostat is heated, or after cooling and purification of gaseous helium is completed, heating all cryostats at the same time also supplying the warmed low pressure nitrogen. 2. Устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия, включающее трубопроводы, электронагреватель, криостаты, содержащие фильтры, расположенные в сосудах с жидким азотом змеевики, а также датчики уровня и датчики температуры, отличающееся тем, что электронагреватель снабжен не менее чем тремя змеевиками, два из которых соединены соответственно с криостатами, а третий - с каждым из криостатов, содержащих трехпоточный теплообменник и трубопровод подачи подогретого азота, причем трехпоточный теплообменник выполнен в виде обечайки с отверстиями, сердечником, закрепленным в ней, днищами с патрубками и двух групп винтовых змеевиков прямого и обратного потоков, смонтированных вокруг сердечника, жестко соединенных с патрубками и сообщающих соответственно трубопровод подачи газообразного гелия со змеевиком, а змеевик с соответствующим змеевиком электронагревателя посредством фильтра и трубопровода выхода охлажденного гелия, при этом сосуд с жидким азотом сообщен с атмосферой, а трубопровод подачи подогретого азота расположен между стенками сосуда с жидким азотом и криостата и соединяет третий змеевик электронагревателя с днищем сосуда с жидким азотом.2. A device for cooling and purifying gaseous helium, including pipelines, an electric heater, cryostats containing filters located in vessels with liquid nitrogen coils, as well as level sensors and temperature sensors, characterized in that the electric heater is equipped with at least three coils, two of which are connected respectively to cryostats, and the third to each of the cryostats containing a three-line heat exchanger and a heated nitrogen supply pipe, and the three-line heat exchanger is made in the form of a shell with holes, a core fixed in it, bottoms with nozzles and two groups of direct and reverse flow helical coils mounted around the core, rigidly connected to the nozzles and respectively communicating the helium gas supply pipe with the coil, and the coil with the corresponding electric coil of the heater through the filter and the outlet pipe cooled helium, while the vessel with liquid nitrogen is in communication with the atmosphere, and the pipeline for supplying heated nitrogen is located between the walls of the vessel with liquid nitrogen and iostata and connects the third coils of the electric heater to the bottom of the container with liquid nitrogen.
RU2004111528/06A 2004-04-15 2004-04-15 Method and device for gaseous helium cooling and purification RU2282116C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004111528/06A RU2282116C2 (en) 2004-04-15 2004-04-15 Method and device for gaseous helium cooling and purification

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004111528/06A RU2282116C2 (en) 2004-04-15 2004-04-15 Method and device for gaseous helium cooling and purification

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004111528A RU2004111528A (en) 2005-10-10
RU2282116C2 true RU2282116C2 (en) 2006-08-20

Family

ID=35850883

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004111528/06A RU2282116C2 (en) 2004-04-15 2004-04-15 Method and device for gaseous helium cooling and purification

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2282116C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2464694C2 (en) * 2010-11-30 2012-10-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Solar combined concentrating power plant
RU2466490C2 (en) * 2010-11-30 2012-11-10 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Solar photoelectric module with concentrator
RU2466489C2 (en) * 2010-11-30 2012-11-10 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Solar multifunctional highly concentrating power plant
RU2477429C2 (en) * 2010-10-08 2013-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") Gaseous helium cooling and cleaning device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477429C2 (en) * 2010-10-08 2013-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") Gaseous helium cooling and cleaning device
RU2464694C2 (en) * 2010-11-30 2012-10-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Solar combined concentrating power plant
RU2466490C2 (en) * 2010-11-30 2012-11-10 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Solar photoelectric module with concentrator
RU2466489C2 (en) * 2010-11-30 2012-11-10 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Solar multifunctional highly concentrating power plant

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004111528A (en) 2005-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104105540B (en) The feedway of fluid carbon dioxide and supply method
JP2005525279A (en) Ammonia vapor generation
US2496380A (en) Gas purifying method and apparatus
US8511113B2 (en) Process for the separation of CO2 from a gaseous feed stream
WO2012142672A1 (en) A plant and method for recovering sulphur hexafluoride for reuse
RU2282116C2 (en) Method and device for gaseous helium cooling and purification
JP2004085192A (en) Method and apparatus for producing purified liquid
US5327735A (en) Refrigerant reclaiming and recycling system with evaporator chill bath
EP1980810A1 (en) Method for cleaning and separating a krypton-xenon mixture by rectification and a plant for carrying out said method
US20110120185A1 (en) Methods for producing sterile cryogenic fluids
US7048777B2 (en) Method and apparatus for removing waxy materials from a gas stream
US4319900A (en) Liquefactor
CN209010307U (en) A kind of purifier
EP3456810B1 (en) Plant and process for biogas upgrading
RU2143940C1 (en) Sublimation apparatus
JP2020116545A (en) Low-temperature refining device and operation method of low-temperature refining device
US10113793B2 (en) Cryocooler-based gas scrubber
RU2204771C2 (en) Gas liquefying process
JPH0579715A (en) Helium refining device
RU73720U1 (en) DEVICE FOR COOLING AND CLEANING GAS HELIUM
RU2138316C1 (en) Sublimation still
CN208071610U (en) A kind of de- heavy kettle recovery system of camphor production
JP2003336965A (en) Carbon dioxide gas cryogenic separating method and device using lng cold
NL2010791C2 (en) Energy saving method and apparatus for removing harmful compounds from a gas mixture.
CN215481147U (en) Cover-type annealing furnace protective gas recovery system

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20110908

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120416

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20130727

PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200416

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20210302