RU2511805C2

RU2511805C2 - Cryogenic liquid heating method

Info

Publication number: RU2511805C2
Application number: RU2012103583/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Черниченко; Виталий Романович Рубинский; Павел Анатольевич Солженикин; Евгений Игоревич Бокарев
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2014-04-10
Also published as: RU2012103583A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used for evaporation of media that are in a liquid state. The invention proposes a cryogenic liquid heating method consisting in passage of liquid through heat exchange elements with heat supply to them. A cryogenic liquid evaporator housing is made in the form of at least two two-layered covers, internal and external ones, so that an annular cavity for passage of heating heat carrier is formed. Each cover is made so that it consists of two shells rigidly attached to each other, between which channels for passage of a cryogenic component are formed, and which are combined into headers. Cryogenic liquid is supplied to an inner cavity of the internal cover from the header and discharged through a connection pipe installed in the central part of the internal cover. Cryogenic liquid is supplied to the inner cavity of the external cover from the header located on a convergent part of the external cover; at that, it is supplied so that filled channels are uniformly alternated with empty ones; with that, cryogenic liquid is passed through the whole cover; then, it is turned in the initial part of the cylindrical cover and returned to an outlet header located in the convergent part through the rest part of the channels.

EFFECT: simpler design, smaller dimensions and lower weight.

5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в криогенной технике для испарения газообразных сред, находящихся в жидком состоянии, в ракетно-космической технике и в народном хозяйстве, например, для газификации сжиженных газов и их смесей.The invention relates to the field of heat engineering and can be used in cryogenic technology for the vaporization of gaseous media in a liquid state, in space rocket technology and in the national economy, for example, for gasification of liquefied gases and mixtures thereof.

Для решения перспективных технических задач возникает необходимость в испарителе-газификаторе с развитой поверхностью нагрева, компактного, простого по конструкции, малой массы, для относительно больших расходов, более 10 кг/с, испаряемого теплоносителя и работоспособного при высоких давлениях, более 10 МПа.To solve promising technical problems, there is a need for an evaporator-gasifier with a developed heating surface, compact, simple in design, low weight, for relatively large flows, more than 10 kg / s, the evaporated coolant and operable at high pressures, more than 10 MPa.

Известен испаритель криогенной жидкости (далее испаритель), содержащий корпус с расположенными в нем концентрично перегородками, змеевик с криогенным продуктом, выполненный из двух частей, одна из которых расположена между корпусом и перегородкой, а другая - между перегородками, электронагреватели, расположенные в центральной части корпуса. Пространство между корпусом и наружной перегородкой заполнено водой, образующей ледяной экран (Авторское свидетельство СССР №932094, МПК F17C 9/02, 1982).Known evaporator of cryogenic liquid (hereinafter the evaporator), comprising a housing with concentric partitions located therein, a coil with a cryogenic product made of two parts, one of which is located between the housing and the partition, and the other between the partitions, electric heaters located in the central part of the housing . The space between the case and the outer partition is filled with water forming an ice screen (USSR Author's Certificate No. 932094, IPC F17C 9/02, 1982).

Основными недостатками данного испарителя являются:The main disadvantages of this evaporator are:

- использование воды в устройстве усложняет конструкцию, ограничивает выбор максимальных величин температуры и давления теплоносителя, что в свою очередь приводит к ограничению максимальной тепловой мощности, увеличению общей массы конструкции и увеличению времени выхода устройства на режим и, кроме того, накладывает дополнительные требования по соблюдению герметичности корпуса, а также к чистоте применяемой воды, кроме этого электронагреватели имеют ограниченный срок службы и их наличие приводит к необходимости иметь источник электропитания к ним с аппаратурой управления.- the use of water in the device complicates the design, limits the choice of the maximum values of temperature and pressure of the coolant, which in turn leads to a limitation of the maximum thermal power, an increase in the total mass of the structure and an increase in the time the device goes into operation and, in addition, imposes additional requirements for maintaining tightness housing, as well as the purity of the water used, in addition, electric heaters have a limited service life and their presence leads to the need to have an electric source ropitaniya them with control equipment.

Известен испаритель криогенной жидкости, содержащий корпус, в котором расположены теплообменные элементы, нагреватель, при этом корпус выполнен в виде двухслойных цилиндрических оболочек, образующих кольцевую полость для прохода греющего теплоносителя, каждая из оболочек состоит из двух жестко соединенных между собой цилиндров, между которыми образованы каналы, объединенные в коллекторы для подвода и отвода криогенного продукта, при этом на входе в кольцевую полость закреплена крышка, в которой установлены смесительные элементы и воспламеняющее устройство, а на выходе закреплен газовод (патент РФ №2347972, МПК F17C 9/02, 10.07.2007 - прототип).Known evaporator of cryogenic liquid containing a housing in which heat exchange elements, a heater are located, while the housing is made in the form of two-layer cylindrical shells forming an annular cavity for passage of the heating fluid, each of the shells consists of two cylinders rigidly interconnected, between which channels are formed combined into collectors for supplying and discharging a cryogenic product, while at the entrance to the annular cavity a lid is fixed, in which mixing elements and plamenyayuschee device, and the output is fixed gazovod (RF patent №2347972, IPC F17C 9/02, 10.07.2007 - a prototype).

Испаритель работает следующим образом.The evaporator operates as follows.

Испаряемая среда, например криогенная жидкость, подается двумя потоками по подводящим трубам в коллекторы и по каналам внутренней оболочки и наружной оболочки поступает, постепенно испаряясь, к коллекторам, из которых отводится по отводящим трубопроводам в сторону потребителя.Evaporated medium, for example cryogenic liquid, is supplied in two streams through the supply pipes to the collectors and through the channels of the inner shell and the outer shell flows, gradually evaporating, to the collectors, from which it is discharged through the discharge pipes to the consumer side.

Течение испаряемой среды может осуществляться как «по потоку», так и «противотоком» по отношению к движению греющей среды.The flow of the evaporated medium can be carried out both “downstream” and “counterflow” with respect to the movement of the heating medium.

Греющая среда - теплоноситель - продукты сгорания какого-либо горючего, например керосина, спирта, природного газа и т.д., температура которых может достигать от 900К до 2200К (регулируется соотношением расходов компонентов топлива) и лимитируется только свойствами применяемых материалов, движется от огневой стенки крышки в сторону газовода, по пути отдавая тепло испаряемой среде, протекающей по каналам оболочек.Heating medium - heat carrier - products of the combustion of any fuel, for example kerosene, alcohol, natural gas, etc., the temperature of which can reach from 900K to 2200K (regulated by the ratio of fuel components) and is limited only by the properties of the materials used, it moves from the fire the walls of the lid towards the gas duct, giving off heat along the evaporated medium flowing along the channels of the shells along the way.

Подготовка компонентов топлива к процессу горения: перемешивание, распыл - осуществляется смесительными элементами, а для воспламенения смеси служит воспламеняющее устройство.Preparation of fuel components for the combustion process: mixing, spraying is carried out by mixing elements, and an ignition device is used to ignite the mixture.

Недостатками данного испарителя является значительная сложность конструкции и сборки, а также значительные габариты и вес, обусловленные принятой компоновкой элементов конструкции испарителя.The disadvantages of this evaporator is the significant complexity of the design and assembly, as well as the significant dimensions and weight due to the adopted layout of the structural elements of the evaporator.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, улучшение технических характеристик и расширение функциональных возможностей испарителя.The objective of the invention is to remedy these disadvantages, improve technical characteristics and expand the functionality of the evaporator.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предложенном способе подогрева криогенной жидкости, заключающийся в пропускании жидкости через теплообменные элементы с подведением к ним тепла, согласно изобретению корпус испарителя криогенной жидкости выполняют в виде, как минимум, двух двухслойных оболочек, наружной и внутренней, с образованием кольцевой полости для прохода греющего теплоносителя, причем каждую из оболочек выполняют состоящей из двух жестко соединенных между собой обечаек, между которыми образуют каналы для прохода криогенного компонента, которые объединяют в коллекторы, при этом на входе в кольцевую полость закрепляют крышку, в которой устанавливают смесительные элементы и воспламеняющее устройство, а на выходе размещают газовод, при этом оболочки корпуса выполняют профилированными с цилиндрической частью и сужающейся частью в виде конфузора, предпочтительно конической, с образованием кольцевой полости с каналами для прохода криогенного компонента между указанными частями, при этом ребра, образующие каналы для прохода криогенного компонента во внутренней оболочке, выполняют на внутренней поверхности цилиндрической части наружной обечайки, а на сужающейся части обечайки указанные ребра выполняют на внешней поверхности внутренней сужающейся части обечайки, причем внутри конической части, предпочтительно в ее центральной зоне, устанавливают патрубок, который соединяют с полостью внутренней оболочки, а коллекторы подвода и отвода криогенного компонента во внутреннюю полость наружной оболочки располагают на упомянутой сужающейся части наружной оболочки, при этом криогенную жидкость подают во внутреннюю полость внутренней оболочки из коллектора, а отводят - через патрубок, установленный в центральной части внутренней оболочки, при этом во внутреннюю полость наружной оболочки криогенную жидкость подают из коллектора, расположенного на сужающейся части наружной оболочки, причем подают таким образом, что заполненные каналы равномерно чередуются с незаполненными, пропускают криогенную жидкость через всю оболочку, затем разворачивают в начальной части цилиндрической оболочки и возвращают к выходному коллектору, расположенному в сужающейся части, через оставшуюся часть каналов.The problem is achieved due to the fact that in the proposed method of heating the cryogenic liquid, which consists in passing the liquid through the heat exchange elements with the addition of heat to them, according to the invention, the cryogenic liquid evaporator body is made in the form of at least two two-layer shells, external and internal, with the formation of an annular cavity for the passage of the heating fluid, and each of the shells is made up of two shells rigidly interconnected, between which form channels for an ode to the cryogenic component, which is combined into collectors, at the same time, a cover is fixed at the entrance to the annular cavity, in which mixing elements and an igniting device are installed, and a gas duct is placed at the outlet, while the shells of the housing are formed with a cylindrical part and a tapering part in the form of a confuser, preferably conical, with the formation of an annular cavity with channels for passage of the cryogenic component between these parts, while the ribs forming channels for the passage of the cryogenic component that in the inner shell, perform on the inner surface of the cylindrical part of the outer shell, and on the tapering part of the shell these ribs are performed on the outer surface of the inner tapering part of the shell, and inside the conical part, preferably in its central zone, a pipe is installed that is connected to the cavity of the inner shell and the collectors for supplying and discharging the cryogenic component into the inner cavity of the outer shell are located on said tapering part of the outer shell, while This liquid is fed into the inner cavity of the inner shell from the collector, and drained through a pipe installed in the central part of the inner shell, while the cryogenic liquid is fed into the inner cavity of the outer shell from the collector located on the tapering part of the outer shell, and served in such a way that filled channels evenly alternate with unfilled, pass a cryogenic liquid through the entire shell, then deploy in the initial part of the cylindrical shell and return to the output to the lector located in the tapering part, through the remainder of the channels.

В варианте применения смесительные элементы выполнят в виде двухкаскадных форсунок, что позволяет проводить генерацию греющего теплоносителя в диапазоне температур от 900К до 2200К.In an application, the mixing elements are made in the form of two-stage nozzles, which allows the generation of a heating coolant in the temperature range from 900K to 2200K.

В варианте применения внутренние цилиндры, со стороны греющего теплоносителя, выполняют из материала с повышенной теплопроводностью, что позволяет повысить величины коэффициента теплоотдачи от греющего теплоносителя к испаряемой среде.In an embodiment, the internal cylinders, from the heating medium side, are made of a material with increased thermal conductivity, which allows to increase the values of the heat transfer coefficient from the heating medium to the evaporated medium.

В варианте применения в патрубке газовода устанавливают подвижную опору.In an application, a movable support is installed in the gas pipe.

В варианте применения на корпус и газовод наносят теплоизоляция, что позволяет уменьшить потери тепла в окружающее пространство.In an application, thermal insulation is applied to the housing and the gas duct, thereby reducing heat loss to the surrounding space.

В варианте применения коллектор подвода одного из компонентов топлива к смесительным элементам размещают внутри корпуса испарителя, что позволяет уменьшить диаметральные размеры корпуса.In an application, the collector for supplying one of the fuel components to the mixing elements is placed inside the evaporator body, which allows to reduce the diametrical dimensions of the body.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез испарителя, на фиг.2 - поперечный разрез А-А цилиндрической части тракта внутренней оболочки, на фиг.3 - поперечный разрез Б-Б конической части тракта внутренней оболочки, на фиг.4 - разрез смесительной головки в варианте исполнения. На фиг.2 и 3 знаком «+» показано движение криогенной жидкости по направлению к смесительной головке, а знаком «+» - от нее.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a longitudinal section of the evaporator, Fig. 2 is a transverse section aa of the cylindrical part of the inner shell tract, Fig. 3 is a transverse section bb of the conical part of the inner shell tract, in fig. 4 is a sectional view of a mixing head in an embodiment. In figures 2 and 3, the “+” sign shows the movement of the cryogenic liquid towards the mixing head, and the “+” sign - from it.

Предложенный способ может быть реализован при помощи испарителя криогенной жидкости, содержащего корпус 1, который выполнен в виде двух двухслойных оболочек 2 и 3, образующих кольцевую полость 4 для прохода греющего теплоносителя. Каждая из оболочек 2 и 3 состоит из двух жестко соединенных между собой обечаек 5, 6 и 7, 8 соответственно.The proposed method can be implemented using a cryogenic liquid evaporator containing a housing 1, which is made in the form of two two-layer shells 2 and 3, forming an annular cavity 4 for the passage of the heating fluid. Each of the shells 2 and 3 consists of two shells 5, 6 and 7, 8 rigidly connected to each other, respectively.

Обечайки 5, 6 и 7 ,8 корпуса 1 выполнены профилированными и содержат цилиндрические части 9, 10 и 11, 12 и сужающиеся части 13, 14 и 15, 16 соответственно.The shells 5, 6 and 7, 8 of the housing 1 are made profiled and contain cylindrical parts 9, 10 and 11, 12 and tapering parts 13, 14 and 15, 16, respectively.

В каждой оболочке 2 и 3 выполнены каналы 17 и 18 соответственно.In each shell 2 and 3 channels 17 and 18 are made, respectively.

Каналы 17 на цилиндрической части 10 оболочки 2 выполнены на внутренней поверхности обечайки 6, а на сужающейся части 13 оболочки 2 - на наружной поверхности указанной части. Между собой обечайки 5, 6 и 13,14 соединены по вершинам ребер, образующим пазы.The channels 17 on the cylindrical part 10 of the shell 2 are made on the inner surface of the shell 6, and on the tapering part 13 of the shell 2 on the outer surface of the specified part. The shells 5, 6, and 13.14 are interconnected along the vertices of the ribs forming grooves.

Каналы 17 внутренней оболочки 2 соединяются с коллекторами подвода 19 и отвода 20. Каналы 18 наружной оболочки 3 соединяются с коллекторами подвода 21 и отвода 22. На входе в кольцевую полость 4 закреплена крышка 23, в которой установлены смесительные элементы 24 и воспламеняющее устройство 25. На выходе из кольцевой полости 4 установлен газовод 26.The channels 17 of the inner shell 2 are connected to the collectors of the inlet 19 and the outlet 20. The channels 18 of the outer shell 3 are connected to the collectors of the inlet 21 and the outlet 22. At the entrance to the annular cavity 4 a cover 23 is fixed, in which the mixing elements 24 and the ignition device 25 are mounted. the outlet of the annular cavity 4 is installed gas duct 26.

Внутри газовода 26 установлена опора 27 с возможностью скольжения по внутренней цилиндрической части газовода при нагреве или охлаждении различных составных частей конструкции.Inside the gas duct 26, a support 27 is mounted with the possibility of sliding along the inner cylindrical part of the gas duct when heating or cooling the various components of the structure.

На наружной поверхности корпуса 1 установлен коллектор 28 для подвода одного из компонентов топлива к смесительным элементам 24.A collector 28 is mounted on the outer surface of the housing 1 for supplying one of the fuel components to the mixing elements 24.

Предложенный способ может быть реализован при помощи указанного испарителя следующим образом.The proposed method can be implemented using the specified evaporator as follows.

Испаряемую среду, например криогенную жидкость, подают двумя потоками по подводящим трубам в коллекторы 19, 21. Криогенная жидкость по каналам 17 внутренней оболочки 2 и каналам 18 наружной оболочки 3 поступает, постепенно испаряясь, к коллекторам 20, 21, из которых ее отводят по отводящим трубопроводам в сторону потребителя.An evaporated medium, for example a cryogenic liquid, is supplied in two streams through the supply pipes to the collectors 19, 21. The cryogenic liquid flows through the channels 17 of the inner shell 2 and the channels 18 of the outer shell 3, gradually evaporating, to the collectors 20, 21, from which it is discharged through the discharge pipelines towards the consumer.

Греющая среда - теплоноситель - продукты сгорания какого-либо топлива, например керосина, спирта, природного газа и т.д., температура которых может достигать от 900К до 2200К. Указанную температуру регулируют соотношением расходов компонентов топлива и лимитируют только свойствами применяемых материалов. Продукты сгорания компонентов топлива движутся от огневой стенки крышки 23 в сторону газовода 26, по пути отдавая тепло испаряемой среде, протекающей по каналам 17 и 18 оболочек 2 и 3 соответственно.Heating medium - heat carrier - products of combustion of any fuel, for example kerosene, alcohol, natural gas, etc., the temperature of which can reach from 900K to 2200K. The specified temperature is regulated by the ratio of the flow of fuel components and limited only by the properties of the materials used. The combustion products of the fuel components move from the fire wall of the cover 23 towards the gas duct 26, giving off heat to the evaporated medium flowing through the channels 17 and 18 of the shells 2 and 3, respectively.

Перемешивание и распыл осуществляют смесительными элементами 24, а для воспламенения смеси - устройством 25.Mixing and spraying is carried out by the mixing elements 24, and for ignition of the mixture by the device 25.

В варианте исполнения коллектор 28 для подвода одного из компонентов топлива к смесительным элементам 24 устанавливают на внутренней поверхности корпуса 1.In an embodiment, a manifold 28 for supplying one of the fuel components to the mixing elements 24 is installed on the inner surface of the housing 1.

Использование предлагаемого изобретения позволит улучшить массово-габаритные характеристики испарителя, упростить его конструкцию и сборку, использовать испаряемую среду, например природный газ, в качестве компонентов топлива при генерации греющего теплоносителя, расширить функциональные возможности испарителя за счет дополнительного использования располагаемого тепла греющего теплоносителя, например для работы привода турбогенератора или нагрева какой-либо дополнительной среды.The use of the present invention will improve the mass-dimensional characteristics of the evaporator, simplify its design and assembly, use an evaporated medium, such as natural gas, as fuel components in the generation of heating coolant, expand the functionality of the evaporator by additionally using the available heat of the heating coolant, for example, for work drive a turbogenerator or heating any additional medium.

Claims

1. The method of heating a cryogenic liquid, which consists in passing the liquid through heat exchange elements with the addition of heat to them, characterized in that the cryogenic liquid evaporator body is made in the form of at least two two-layer shells, external and internal, with the formation of an annular cavity for the passage of heating coolant, and each of the shells is made up of two shells rigidly interconnected, between which form channels for the passage of the cryogenic component, which are combined into a collector s, at the same time, at the entrance to the annular cavity, a cover is fixed in which the mixing elements and the ignition device are installed, and a gas duct is placed at the outlet, while the shell of the housing is formed with a cylindrical part and a tapering part in the form of a confuser, preferably conical, with the formation of an annular with channels for the passage of the cryogenic component between these parts, while the ribs forming the channels for the passage of the cryogenic component in the inner shell are performed on the inner surface the spine of the cylindrical part of the outer shell, and on the tapering part of the shell these ribs are performed on the outer surface of the inner tapering part of the shell, and inside the conical part, preferably in its central zone, a pipe is installed that is connected to the cavity of the inner shell, and the collectors for supplying and removing the cryogenic component in the inner cavity of the outer shell is located on the aforementioned tapering part of the outer shell, while the cryogenic liquid is fed into the inner cavity of the inner shell glasses from the collector, and diverted through a pipe installed in the central part of the inner shell, while cryogenic liquid is supplied to the inner cavity of the outer shell from the collector located on the tapering part of the outer shell, and served so that the filled channels are evenly alternated with unfilled, cryogenic fluid is passed through the entire shell, then deployed in the initial part of the cylindrical shell, and returned to the outlet manifold located in the tapering part, through the remaining Yusya part of the channels.

2. The heating method according to claim 1, characterized in that the mixing elements are in the form of two-stage nozzles.

3. The heating method according to claim 1, characterized in that the inner cylinders are made of a material with high thermal conductivity.

4. The heating method according to claim 1, characterized in that a movable support is installed in the gas pipe.

5. The heating method according to claim 1, characterized in that the collector for supplying one of the fuel components to the mixing elements is placed inside the evaporator body.