Способ охлаждения газа и пульсационный охладитель газа для его реализации

 

Способ охлаждения газа включает периодическое поочередное соединение каждой из набора пульсационных трубок с источником газа высокого давления. Далее отсекают объем трубы, вытесняют газ в ресивер с расширением и охлаждением, выпускают газ из ресивера с расширением и охлаждением и отводят с одновременным отсечением трубы и с обратным сжатием остаточного газа. При этом газу организуют переток между ресиверами пульсационных труб, работающих в противофазе. Пульсационный охладитель газа содержит корпус с камерами высокого и низкого давления, пучок пульсационных труб, ресивер и рекуперативный теплообменник. В золотнике газораспределителя поочередно расположены впускные и выпускные каналы. Количество труб в пучке кратно количеству каналов золотника. Каналы размещены с постоянным окружным шагом. Ресиверы труб соединены между собой попарно магистралями с концевыми конфузорно-диффузорными участками, обращенными широкой частью к ресиверам, и дросселем. Использование изобретения позволит повысить адиабатический КПД. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к холодильной технике и технологии.

Известен способ охлаждения газа, включающий периодическое поочередное соединение каждой из набора пульсационных труб с источником газа высокого давления посредством золотника, отсечение объема пульсационной трубы с вытеснением газа в ресивер с расширением и охлаждением, соединение пульсационной трубы с системой диффузоров для выпуска газа из ресивера с расширением и охлаждением и отвод холодного газа низкого давления с одновременным отсечением объема пульсационной трубы обратным сжатием остаточного газа (патент RU 2052179, кл. F 25 B 9/02, 1996).

Известен пульсационный охладитель газа, содержащий корпус с камерами высокого и низкого давления, пучок пульсационных труб постоянного объема с разделенными конфузорно-диффузорным каналом "холодной" и "горячей" зонами, подключенные к "горячей" зоне через газодинамический обратный клапан тупиковый ресивер и рекуперативный теплообменник, и подключенный к "холодной" зоне газораспределитель с поочередно расположенными в золотнике впускными каналами, сообщенными с камерой высокого давления корпуса, и выпускными каналами, выполненными в виде криволинейных диффузоров, направленных от входа в торце золотника к выходу по касательной к его периферийной поверхности, сообщенными с камерой низкого давления корпуса, выполненной в виде диффузора (там же).

Недостатком известных способа и устройства является низкий адиабатический КПД вследствие резкого торможения и разогрева газа, происходящих в тупиковом ресивере.

Техническим результатом группы изобретений является повышение адиабатического КПД.

Этот результат достигается тем, что в способе охлаждения газа, включающем периодическое поочередное соединение каждой из набора пульсационных труб с источником газа высокого давления посредством золотника, отсечение объема пульсационной трубы с вытеснением газа в ресивер с расширением и охлаждением, соединение пульсационной трубы с системой диффузоров для выпуска газа из ресивера с расширением и охлаждением и отвод холодного газа низкого давления с одновременным отсечением объема пульсационной трубы с обратным сжатием остаточного газа, согласно изобретению газу организуют переток между ресиверами пульсационных труб, работающих в противофазе.

Тот же результат достигается тем, что в пульсационном охладителе газа, содержащем корпус с камерами высокого и низкого давления, пучок пульсационных труб постоянного объема с разделенными конфузорно-диффузорным каналом "холодной" и "горячей" зонами, подключенные к "горячей" зоне через газодинамический обратный клапан ресивер и рекуперативный теплообменник, и подключенный к "холодной" зоне газораспределитель с поочередно расположенными в золотнике впускными каналами, сообщенными с камерой высокого давления корпуса, и выпускными каналами, выполненными в виде криволинейных диффузоров, направленных от входа в торце золотника к выходу по касательной к его периферийной поверхности, сообщенными с камерой низкого давления корпуса, выполненной в виде диффузора, согласно изобретению количество труб в пучке выполнено кратным количеству каналов золотника газораспределителя, эти каналы размещены с постоянным окружным шагом, а ресиверы труб, размещенных в пучке со смещением, равным окружному шагу каналов золотника газораспределителя, соединены между собой попарно магистралями с концевыми конфузорно-диффузорными участками, обращенными широкой частью к ресиверам, и дросселем.

В предпочтительном варианте охладитель имеет следующие геометрические соотношения для труб постоянного объема: отношение диаметра D рабочего участка трубы к диаметру d разгонного участка трубы в пределах 1,2 < D/d < 2; (I) отношение длины L рабочего участка к диаметру в пределах 20 < L/D < 36; (II) отношение длины 1 разгонного участка к длине рабочего участка в пределах 0,8 < 1/L < 1,5; (III) отношение объема V_рс ресивера к объему V_тр рабочего участка трубы в пределах 9 < V_рс/V_тр < 15; (IV) углы раскрытия конусов конфузорно-диффузорных участков α₁; α₂; α₃ в пределах 4-8^o.

В другом предпочтительном варианте золотник газораспределителя и корпус выполнены, по меньшей мере, с одной парой соосных кольцевого выступа и кольцевой впадины, совмещенных с образованием ходового зазора.

На фиг. 1 показан общий вид пульсационного охладителя газа для реализации способа; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.

Пульсационный охладитель газа содержит корпус 1 с камерами 2 и 3 высокого и низкого давления, размещенный в нем газораспределитель, состоящий из опор 4 и 5 и установленного в них с возможностью вращения золотника 6. Корпус 1 имеет патрубки 7 и 8 подачи газа под давлением и отвода холодного газа низкого давления соответственно. В крышке 9 корпуса 1 выполнены приемные отверстия 10 пульсационных труб 11, которые крепятся к фланцу 12. В золотнике 6 размещены сопла 13, соединенные каналом 14 с камерой 2, а также каналы 15, соединенные через криволинейные диффузоры 16 с камерой 3, выполненной в виде диффузора. Каждая пульсационная труба 11 состоит из рабочего участка 17, представляющего собой "холодную" зону, разгонного участка 18, представляющего собой "горячую" зону, конфузорно-диффузорных каналов 19 и 20 и ресивера 21. Конфузорно-диффузорный канал 20 имеет обратный газодинамический клапан 22. Количество труб 11 выполнено кратным количеству каналов 13 и 15 золотника 6. Каналы 13 и 15 размещены в золотнике 6 поочередно с постоянным окружным шагом Р. Ресиверы 21 труб 11, размещенных со смещением Р, соединены между собой попарно магистралями 23 с концевыми конфузорно-диффузорными участками 24, обращенными широкими частями к ресиверам 21, и с дросселем 25. В предпочтительном варианте охладитель имеет геометрические параметры (I)-(IV) и углы раскрытия конусов каналов 19, 20 и клапана 22 в пределах 4-8^o. В другом предпочтительном варианте (фиг. 1 и 3) золотник 6 и корпус 1 выполнены, по меньшей мере, с одной (показано с одной) парой соосных кольцевого выступа 26 и кольцевой впадины 27, совмещенных с образованием ходового зазора.

В предложенном устройстве способ реализуется следующим образом.

При вращении от привода (не показан) в опорах 4 и 5 золотника 6 газ высокого давления, подаваемый по патрубку 7 в камеру 2 через канал 14 и сопла 13, поступает поочередно в приемные отверстия 10 пульсационных труб 11. При последующем отсечении трубы 11 от камер 2 и 3 корпуса 1 газ проходит последовательно по ее участкам и каналам 17, 19, 18 и 20 и с расширением и охлаждением поступает в ресивер 21, вытесняя из него остаточный газ по магистрали 23 в смежный ресивер 21, работающий в противофазе. При перемещении золотника 6 на дугу P происходит совмещение отверстия 10 трубы 11 с каналом 15 и криволинейным диффузором 16. За счет остаточного давления в ресивере 21, обеспечиваемого наличием дросселя 25 в магистрали 23, газ из ресивера 21 с расширением и охлаждением проходит через трубу 11, криволинейный диффузор 16 и выполненную в виде диффузора камеру 3 корпуса 1, из которой отводится по патрубку 8. Одновременно из смежного ресивера 21 трубы 11, работающей в противофазе, под действием газа высокого давления через магистраль 23 и дроссель 25 происходит частичное вытеснение сжимаемого остаточного газа, что обеспечивает частичный отвод тепла сжатия, предотвращает резкое торможение газа в заполняемом ресивере 21, снижает в нем давление и, таким образом, повышает адиабатический КПД устройства. Далее происходит повторное отсечение объема трубы 11 с обратным сжатием остаточного газа, после чего цикл работы трубы 11 повторяется. Наличие парных выступов 26 и впадин 27 обеспечивает лабиринтное уплотнение подвижного соединения золотника 6 и корпуса 1 и препятствует радиальному перетеканию газа из каналов 14 в каналы 15 золотника 6, что дополнительно повышает КПД устройства.

Опытным путем установлено, что соблюдение описанных выше геометрических параметров устройства обеспечивает его наиболее эффективную работу. При этом адиабатический КПД предлагаемых способа и устройства составляет 60-65%, а для наиболее близкого аналога 45-55%.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения газа, включающий периодическое поочередное соединение каждой из набора пульсационных труб с источником газа высокого давления посредством золотника, отсечение объема пульсационной трубы с вытеснением газа в ресивер с расширением и охлаждением, соединение пульсационной трубы с системой диффузоров для выпуска газа из ресивера с расширением и охлаждением и отвод холодного газа низкого давления с одновременным отсечением объема пульсационной трубы с обратным сжатием остаточного газа, отличающийся тем, что газу организуют перетек между ресиверами пульсационных труб, работающих в противофазе.

2. Пульсационный охладитель газа, содержащий корпус с камерами высокого и низкого давления, пучок пульсационных труб постоянного объема с разделенными конфузорно-диффузорным каналом "холодной" и "горячей" зонами, подключенные к "горячей" зоне через газодинамический обратный клапан ресивер и рекуперативный теплообменник, и подключенный к "холодной" зоне газораспределитель с поочередно расположенными в золотнике впускными каналами, сообщенными с камерой высокого давления корпуса, и выпускными каналами, выполненными в виде криволинейных диффузоров, направленных от входа в торце золотника к выходу по касательной к его периферийной поверхности, сообщенными с камерой низкого давления корпуса, выполненной в виде диффузора, отличающийся тем, что количество труб в пучке выполнено кратным количеству каналов золотника газораспределителя, эти каналы размещены с постоянным окружным шагом, а ресиверы труб, размещенных в пучке со смещением, равным окружному шагу каналов золотника газораспределителя, соединены между собой попарно магистралями с концевыми конфузорно-диффузорными участками, обращенными широкой частью к ресиверам, и дросселем.

3. Охладитель по п.2, отличающийся тем, что он имеет следующие геометрические соотношения для труб постоянного объема: отношение диаметра D рабочего участка трубы к диаметру d разгонного участка трубы в пределах 1,2<D/d<2; отношение длины L рабочего участка к диаметру в пределах 20<L/D<36; отношение длины l разгонного участка к длине рабочего участка в пределах 0,8<l/L<1,5; отношение объема V_pc ресивера к объему V_тp рабочего участка трубы в пределах 9<V/V_тр<15; углы раскрытия конусов конфузорно-диффузорных участков α₁; α₂; α₃ в пределах 4-8^o.

4. Охладитель по п.2, отличающийся тем, что золотник газораспределителя и корпус выполнены по меньшей мере с одной парой соосных кольцевого выступа и кольцевой впадины, совмещенных с образованием ходового зазора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3