RU2622580C2

RU2622580C2 - Cooling system of cascade refrigerating plant

Info

Publication number: RU2622580C2
Application number: RU2015145151A
Authority: RU
Inventors: Андрей Георгиевич Шкляев; Владимир Алексеевич Коробицин
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-06-16
Also published as: RU2015145151A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: cooling system of the cascade refrigerating system contains the housing with two heat exchangers placed in it, the main and additional with the vortex cooler, having the low-pressure gas outlet. The low pressure gas outlet is connected to the inlet into the annular space of the additional heat exchanger. The additional heat exchanger tube cross-sectional area and the low-pressure gas outlet cross-sectional area are the same.

EFFECT: cooling efficiency is increased by providing its completeness between the direct gas flow and the cooled backflow flowing towards it.

1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к газовой промышленности, и может быть использовано для охлаждения любых газов.The invention relates to cryogenic technology, in particular to the gas industry, and can be used to cool any gases.

Известны установки для охлаждения газов, конструктивные и технологические особенности которых обобщены в монографии «Энциклопедия газовой промышленности» (Энциклопедия газовой промышленности МАО, «Квант», 4-е издание, 1994 г., стр. 452-461).There are known installations for gas cooling, the design and technological features of which are summarized in the monograph "Encyclopedia of the gas industry" (Encyclopedia of the gas industry MAO, "Quantum", 4th edition, 1994, p. 452-461).

Недостатком таких разработок является их сложность, дороговизна и большие эксплуатационные расходы.The disadvantage of such developments is their complexity, high cost and high operating costs.

Известны такие установки на основе использования вихревых охладителей в качестве генераторов холода, например «Способ сжижения газа и устройство для его осуществления» (Патент RU 2044973, кл. F25J 1/00), а также установки компонентного разделения газового потока путем последовательного и ступенчатого его расширения в вихревых охладителях, например «Установка сжижения и компонентного разделения газового потока» (Патент RU 2103623, кл. F25J 1/00).Such installations are known based on the use of vortex coolers as cold generators, for example, “A method for liquefying gas and a device for its implementation” (Patent RU 2044973, class F25J 1/00), as well as installations for component separation of a gas stream by sequential and stepwise expansion in vortex coolers, for example "Installation of liquefaction and component separation of the gas stream" (Patent RU 2103623, CL F25J 1/00).

Недостатком этих конструкций является нестабильность их работы и необходимость применения высокого давления (более 4,0 МПа).The disadvantage of these designs is the instability of their work and the need for high pressure (more than 4.0 MPa).

Известен охлаждающий комплекс «Аппарат по сжижению газа» (Патент RU 2193740, кл. F25J 1/00), в котором заявителям удалось снизить величину давления до 3,5 МПа за счет коллектирования отводов охлажденного потока вихревых охладителей, однако, в целом, упомянутое улучшение достигается за счет значительного усложнения конструкции, при этом сохраняется существенный недостаток - неполнота охлаждения.The known cooling complex "Gas liquefaction apparatus" (Patent RU 2193740, class F25J 1/00), in which the applicants were able to reduce the pressure to 3.5 MPa due to the collection of taps of the cooled stream of vortex coolers, however, in general, the mentioned improvement achieved due to a significant complication of the design, while maintaining a significant drawback - incomplete cooling.

В наиболее близком по технической сущности изобретении «Установка сжижения» (Патент RU 2103620, кл. F25J 1/00), принятом в качестве прототипа, вводится независимое расширение каждого из двух разделяемых потоков вихревого охладителя в своем свободном объеме.In the invention closest in technical essence to “Liquefaction Plant” (Patent RU 2103620, class F25J 1/00), adopted as a prototype, an independent expansion of each of the two shared vortex cooler flows in its free volume is introduced.

Недостатком известной установки является малая эффективность теплообмена потока газа низкого давления, выходящего из вихревого охладителя, с встречно движущимся внутри трубок потоком газа высокого давления. При этом требуется высокое давление газа, не менее 4,0 МПа.A disadvantage of the known installation is the low heat exchange efficiency of the low-pressure gas stream exiting the vortex cooler with the high-pressure gas flow counter-moving inside the tubes. This requires a high gas pressure of at least 4.0 MPa.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности охлаждения за счет обеспечения ее полноты между прямым потоком газа (газа условно высокого давления) и движущимся ему навстречу охлажденным обратным потоком (условно низкого давления).The technical result of the claimed invention is to increase the cooling efficiency by ensuring its completeness between the direct gas flow (gas of relatively high pressure) and the cooled back flow (relatively low pressure) moving towards it.

Указанный технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в охлаждающем комплексе каскадной холодильной установки, содержащей корпус с размещенными в нем двумя теплообменниками с вихревым охладителем, имеющим отвод газа низкого давления, и теплообменником, в соответствии с заявленным изобретением отвод газа низкого давления соединен с трубкой входа в межтрубное пространство второго теплообменника, а площадь сечения трубки теплообменника и площадь сечения отвода газа низкого давления одинакова.The specified technical result in the claimed invention is achieved by the fact that in the cooling complex of a cascade refrigeration unit comprising a housing with two heat exchangers with a vortex cooler having a low pressure gas outlet and a heat exchanger, in accordance with the claimed invention, the low pressure gas outlet is connected to the tube the entrance to the annular space of the second heat exchanger, and the cross-sectional area of the heat exchanger tube and the cross-sectional area of the low pressure gas outlet are the same.

В лабораторных условиях в качестве источника давления был применен пылесос марки FC9064/2 Red фирмы Филипс, в составе которого используется двухступенчатый центробежный вентилятор с частотным регулированием вращения ротора приводного электрического двигателя, способный (вентилятор) создавать давление в 0,5 атм (Акт «Испытание вентилятора пылесоса марки FC9064/2 Red фирмы Филипс на предельное давление. 24 октября 2014 г., лаборатория физики конденсированного состояния при отделе физике твердого тела НИИ Физики при СПбГУ, Старый Петергоф, Ульяновская ул., д. 1).In laboratory conditions, a Philips FC9064 / 2 Red vacuum cleaner was used as a pressure source, which uses a two-stage centrifugal fan with frequency regulation of the rotation of the rotor of the drive electric motor, capable of (fan) creating a pressure of 0.5 atm (Act “Fan test Philips FC9064 / 2 Red vacuum cleaner for extreme pressure October 24, 2014, condensed matter laboratory at the Department of Solid State Physics Research Institute of Physics at St. Petersburg State University, Old Peterhof, Ulyanovskaya st., 1).

Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема заявленного охлаждающего комплекса каскадной холодильной установки.The essence of the claimed invention is illustrated in FIG. 1, which shows a diagram of the claimed cooling complex cascade refrigeration unit.

В корпусе 1, заполненном изоляцией, расположен теплообменник 2 с трубками прямого потока 3, внутри которых проходит осушенный газ, условно высокого давления, на выходе из теплообменника 2 имеется трубка выхода прямого потока 5.In the casing 1, filled with insulation, there is a heat exchanger 2 with direct flow tubes 3, inside of which dried gas of relatively high pressure passes, at the outlet of the heat exchanger 2 there is a direct flow exit tube 5.

Трубка выхода прямого потока 5 разветвляется на трубку входа прямого потока 4 во второй теплообменник 6 и трубку входа прямого потока в завихритель вихревого охладителя 7. На выходе из завихрителя 8 вихревого охладителя имеется трубка 9 выхода охлажденного осевого потока условно низкого давления. На выходе прямого потока из второго теплообменника имеется трубка выхода прямого потока условно высокого давления 6.The direct flow outlet tube 5 branches into a direct flow inlet tube 4 into the second heat exchanger 6 and the direct flow inlet tube into the swirl cooler swirl 7. At the outlet of the swirl cooler swirl 8, there is a conditionally low pressure cooled axial flow outlet tube 9. At the output of the direct flow from the second heat exchanger there is a pipe for the output of the direct flow of relatively high pressure 6.

Площадь сечения трубки выхода прямого потока из второго теплообменника 6 и площадь сечения трубки выхода осевого потока условно низкого давления из завихрителя равны.The cross-sectional area of the direct-flow exit pipe from the second heat exchanger 6 and the cross-sectional area of the axial-flow exit pipe of the conditionally low pressure from the swirl are equal.

На выходе обратного охлажденного потока из первого теплообменника 2 установлен эжектор 16 для доведения доли охлажденного потока по трубке 15 условно низкого давления до 25-30% от всего потока газа.At the outlet of the return cooled stream from the first heat exchanger 2, an ejector 16 is installed to bring the fraction of the cooled stream through the conditionally low pressure pipe 15 to 25-30% of the total gas stream.

И, наконец, трубка выхода охлажденного обратного потока 9 условно низкого давления соединена с трубкой входа в межтрубное пространство второго теплообменника 12 (с аналогичными первому теплообменнику трубками и охладителями 11-14).And, finally, the outlet pipe of the cooled conditionally low pressure return flow 9 is connected to the inlet pipe of the second heat exchanger 12 (with tubes and coolers 11-14 similar to the first heat exchanger).

Заявленное изобретение апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.The claimed invention was tested in laboratory conditions of St. Petersburg State University in real time.

Примеры конкретной реализации приведены ниже.Examples of specific implementation are given below.

Пример 1.Example 1

На лабораторном макете проверена эффективность работы заявленного изобретения на основе эффекта Ранка-Хилша при сверхнизком давлении экспансивным методом вихревого завихрителя при сверхнизком давлении в 0,015 МПа (A.M. Архаров и др. «Криогенные системы», Москва, изд. «Машиностроение», 1988 г., стр. 155). При этом наименование «сверхнизкое давление» предусматривается как давление, располагающееся ниже границы наименования «низкое давление», в соответствии с указанным эффектом Ранка-Хилша и общепринятого в технике разграничения применяемых давлений, как указано в таблице:The laboratory mock-up verified the effectiveness of the claimed invention based on the Rank-Hills effect at ultra-low pressure by the expansive vortex swirl method at ultra-low pressure of 0.015 MPa (AM Arkharov et al. "Cryogenic Systems", Moscow, publishing house "Engineering", 1988, p. 155). In this case, the name "ultra-low pressure" is provided as pressure located below the border of the name "low pressure", in accordance with the specified Rank-Hills effect and the generally accepted in the technique of differentiating applied pressures, as indicated in the table:

Вихревой эффект охлаждения (эффект Ранка-Хилша) проявляется при давлениях на входе в вихревую трубу при долях атмосферы. Применение сверхнизкого давления в холодильном цикле позволяет использовать в качестве источника холодопроизводильности достаточно простой осевой вентилятор вместо дорогих и небезопасных в эксплуатации компрессоров. Было обнаружено среднее понижение температуры газа при выходе осевого потока из завихрителя по сравнению со стабилизированной температурой газа на входе в завихритель в 4 К.The vortex cooling effect (Rank-Hills effect) manifests itself at pressures at the inlet of the vortex tube at atmospheric fractions. The use of ultra-low pressure in the refrigeration cycle allows using a fairly simple axial fan as a source of cooling capacity instead of expensive and unsafe compressors in operation. An average decrease in gas temperature was detected at the exit of the axial flow from the swirl compared to the stabilized gas temperature at the inlet of the swirl at 4 K.

Пример 2.Example 2

На лабораторном макете с помощью Трубки Пито-Прандтля было проанализировано и сопоставлено количество газа прямого потока условно высокого давления, во втором теплообменнике с количеством газа обратного охлажденного потока условно низкого давления, во втором теплообменнике, с количеством газа обратного охлажденного потока условно низкого давления во втором теплообменнике (при включенном эжекторе). Эти количества газа при их сопоставлении оказались одинаковы.Using a Pitot-Prandtl Tube, a laboratory model was used to analyze and compare the amount of gas of a conditionally high pressure direct flow in the second heat exchanger, the amount of gas of a conditionally low pressure back cooled flow, in the second heat exchanger, and the amount of gas of a conditionally low pressure back flow in a second heat exchanger (with the ejector on). When compared, these quantities of gas turned out to be the same.

Пример 3.Example 3

Апробация была проведена с целью обоснования достижения указанного выше технического результата. Известен основной и наиболее значимый недостаток вихревого охладителя, в котором наиболее низкая температура осевого потока газа условно низкого давления, достигается, когда доля этого потока составляет 25-30% от всего потока газа, поступающего в охладитель. Остальная (периферическая) часть в количестве 75-70% от всего потока нагревается. Таким образом, примерно, только четвертая часть от всего потока выходит из вихревого охладителя охлажденной, а три четверти от всего потока выходят нагретыми.Testing was carried out in order to justify the achievement of the above technical result. The main and most significant drawback of the vortex cooler is known, in which the lowest temperature of the axial gas flow of conditionally low pressure is achieved when the proportion of this flow is 25-30% of the total gas flow entering the cooler. The rest (peripheral) part in the amount of 75-70% of the total flow is heated. Thus, approximately only a quarter of the total flow leaves the chilled vortex cooler, and three quarters of the entire flow come out heated.

Проведенные результаты апробации подтвердили заявленный технический результат: повышение эффективности охлаждения за счет обеспечения ее полноты между прямым потоком газа (газа условно высокого давления) и движущимся ему навстречу охлажденным обратным потоком (условно низкого давления), а также снижения сложности и трудоемкости устройства.The results of testing confirmed the claimed technical result: increasing the cooling efficiency by ensuring its completeness between the direct gas flow (gas of relatively high pressure) and the cooled back flow (relatively low pressure) moving towards it, as well as reducing the complexity and complexity of the device.

Claims

The cooling complex of the cascade refrigeration unit, comprising a housing with two heat exchangers located in it, the main and additional with a vortex cooler having a low pressure gas outlet, characterized in that the low pressure gas outlet is connected to the inlet to the annulus of the additional heat exchanger, and the cross-sectional area of the tube is additional the heat exchanger and the cross-sectional area of the low pressure gas outlet are the same.