Способ охлаждения газа

Изобретение относится к холодильной технике. Способ охлаждения газа включает периодическое возбуждение волны сжатия в рабочей камере, заполненной остаточным газом под давлением Р_ос, путем ввода в рабочую камеру порции газа под высоким давлением. По окончании фазы сжатия находившегося в рабочей камере остаточного газа подачу газа под высоким давлением прекращают и осуществляют выпуск нагретого остаточного газа из рабочей камеры в первую дополнительную камеру, заполненную газом под давлением, в 2-7 раз меньшим Р_ос. По завершении перепуска всего нагретого остаточного газа рабочую камеру изолируют от первой дополнительной камеры и осуществляют адиабатическое расширение оставшегося в рабочей камере газа с последующим выталкиванием охлажденной порции газа в линию отвода газа низкого давления путем соединения рабочей камеры со второй дополнительной камерой, давление газа в которой в 1,5-2,0 раза превышает Р_ос. Изобретение позволяет уменьшить энергозатраты при охлаждении газа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к холодильной технике.

Из уровня техники известен способ охлаждения газа, согласно которому в заполненной остаточным газом камере трубчатой формы и постоянного объема периодически возбуждают волну сжатия путем ввода в камеру со стороны одного из ее торцов порции газа под высоким давлением, при этом одновременно осуществляют отвод тепла от зоны камеры, расположенной со стороны ее противоположного торца, а после окончания фазы сжатия находившегося в камере остаточного газа осуществляют адиабатическое расширение находящегося в камере газа с одновременным выталкиванием охлажденной порции газа из камеры в линию отвода газа низкого давления (см. патент US-А-№3237231, 1961).

Недостаток описанного выше способа охлаждения газа заключается в том, что он не обеспечивает высокой эффективности охлаждения газа вследствие неполного отвода тепла, выделившегося в результате взаимодействия находящегося в камере остаточного газа с волной сжатия.

Известен также способ охлаждения газа, взятый в качестве прототипа и включающий периодическое возбуждение волны сжатия в заполненной остаточным газом камере трубчатой формы и постоянного объема путем ввода в камеру, со стороны ее первого торца, порции газа под высоким давлением, по окончании фазы сжатия находившегося в камере остаточного газа подачу в камеру газа под высоким давлением прекращают и осуществляют выпуск из камеры, со стороны ее второго торца, в ресивер нагретого в результате сжатия остаточного газа с одновременным отводом от него тепла сжатия, а после проталкивания всего сжатого и нагретого остаточного газа из камеры в ресивер объем камеры, со стороны ее второго торца, изолируют от ресивера, осуществляют адиабатическое расширение оставшегося в камере газа путем соединения камеры со стороны ее первого торца с линией отвода газа низкого давления с последующим выталкиванием охлажденной порции газа из камеры в линию отвода газа низкого давления путем соединения объема камеры, со стороны ее второго торца, с ресивером (см. авторское свидетельство SU-А-№553414, 1977).

По эффективности охлаждения способ охлаждения газа, взятый в качестве прототипа, превосходит способ, описанный выше. Недостаток прототипа заключается в том, что его использование сопряжено с большими энергозатратами, обусловленными необходимостью обеспечения интенсивного отвода тепла сжатия от проталкиваемого в ресивер сжатого остаточного газа.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по снижению энергозатрат при осуществлении способа охлаждения газа.

Поставленная задача решена тем, что в способе охлаждения газа, включающем периодическое возбуждение волны сжатия в заполненной остаточным газом рабочей камере трубчатой формы путем ввода в рабочую камеру, со стороны ее первого торца, порции газа под высоким давлением, по окончании фазы сжатия находившегося в рабочей камере остаточного газа подачу в нее газа под высоким давлением прекращают и осуществляют выпуск из рабочей камеры, со стороны ее второго торца, в первую дополнительную камеру нагретого в результате сжатия остаточного газа, а по завершении перепуска всего сжатого и нагретого остаточного газа в первую дополнительную камеру рабочую камеру от нее изолируют и осуществляют адиабатическое расширение оставшегося в рабочей камере газа путем соединения рабочей камеры, со стороны ее первого торца, с линией отвода газа низкого давления с последующим выталкиванием охлажденной порции газа из рабочей камеры в линию отвода газа низкого давления, согласно изобретению перед впуском нагретого остаточного газа в первую дополнительную камеру в ней устанавливают давление, в 2÷7 раз меньшее начального давления остаточного газа в рабочей камере, путем откачки избыточного газа в буферную емкость, а выталкивание охлажденной порции газа из рабочей камеры в линию отвода газа низкого давления осуществляют путем соединения рабочей камеры, со стороны ее второго торца, со второй дополнительной камерой, в которой предварительно создают давление, в 1,5-2,0 раза превышающее начальное давление остаточного газа в рабочей камере, объем V_к в которой выбирают согласно соотношению V_к=(0,5÷1,10)·V, где V - объем второй дополнительной камеры.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что вторую дополнительную камеру периодически заполняют газом до давления, в 1,5÷2,0 раза превышающего начальное давление остаточного газа в рабочей камере, путем подачи в нее газа из буферной емкости.

Преимущество предложенного способа охлаждения газа перед известным, взятым в качестве прототипа, заключается в том, что за счет выпуска нагретого остаточного газа в первую дополнительную камеру, давление газа в которой в 2÷7 раз меньше начального давления остаточного газа в рабочей камере, обеспечивается (за счет выхлопа) быстрое охлаждение нагретого остаточного газа без внешнего теплообмена. В результате отпадает необходимость в использовании энергоемких теплообменников, а затраты энергии сводятся лишь к периодической откачке из первой дополнительной камеры периодически поступающих в нее из рабочей камеры небольших порций нагретого газа. Иными словами, уменьшаются энергозатраты при охлаждении газа. Что касается периодического заполнения второй дополнительной камера газом до давления, в 1,5÷2,0 раза превышающего начальное давление остаточного газа в рабочей камере, объем V_к которой выбирают согласно соотношению V_к=(0,5÷1,0)·V, где V - объем второй дополнительной камеры, то это обеспечивает (при соединении рабочей камеры, со стороны ее второго торца, со второй дополнительной камерой) не только выталкивание охлажденной порции газа из рабочей камеры в линию отвода газа низкого давления с помощью газа, имеющего температуру, не превышающую температуры окружающей среды, но и возврат системы (после отсечения рабочей камеры от линии отвода газа низкого давления) в исходное состояние, а именно с заданным начальным давлением остаточного газа в рабочей камере.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения ожидаемого технического результата с помощью указанной выше совокупности существенных признаков.

На чертеже схематично изображено устройство для осуществления предложенного способа охлаждения газа.

Устройство содержит рабочую камеру 1 трубчатой формы, первую дополнительную камеру 2, вторую дополнительную камеру 3, буферную емкость 4, линию 5 подвода газа высокого давления и линию 6 отвода газа низкого давления.

Рабочая камера 1 со стороны ее первого ("холодного") торца соединена: с линией 5 подвода газа высокого давления через впускной управляемый клапан 7 и с линией 6 отвода газа низкого давления через выпускной управляемый клапан 8. Рабочая камера 1 со стороны ее второго ("горячего") торца соединена через управляемые клапаны 9.1 и 9.2 соответственно с первой 2 и второй 3 дополнительными камерами. Первая дополнительная камера 2 посредством линии, содержащей откачное устройство 10 и управляемый клапан 10.1., соединена с буферной емкостью 4, а вторая дополнительная камера (в предпочтительном варианте осуществления способа) посредством линии, содержащей нагнетающее устройство) 11 и управляемый клапан 11.1 соединена также с буферной емкостью 4. Средства, обеспечивающие контроль давления газа в дополнительных камерах 2 и 3, на чертеже не показаны. Линия 12 подачи газа во вторую дополнительную камеру 3 из линии 5 показана на чертеже штриховой линией. Объем V_к рабочей камеры 1 и объем V второй дополнительной камеры связаны соотношением V_к=(0,5÷1)·V.

Способ охлаждения газа осуществляется следующим образом. В исходном состоянии впускной управляемый клапан 7, выпускной управляемый клапан 8, а также управляемые клапаны 9.1, 9.2, 10.1 и 11.1 находятся в закрытом положении. Объем рабочей камеры 1 заполнен остаточным газом под начальным давлением Р_ос, первая дополнительная камера 2 заполнена газом под давлением, которое в (2÷7) раз меньше Р_ос, а вторая дополнительная камера 3 заполнена газом под давлением (1,5÷2,0)Р_ос.

В рабочей камере 1 возбуждают распространяющуюся в продольном направлении волну сжатия путем ввода в заполненную остаточным газом рабочую камеру 1 со стороны ее первого торца порции газа под высоким давлением. Для этого открывают установленный на линии 5 подвода газа высокого давления впускной управляемый клапан 7, и газ под давлением (не менее чем в четыре раза превышающим Р_ос) поступает в рабочую камеру 1 со стороны ее первого ("холодного") торца. Процесс заполнения рабочей камеры 1 газом под высоким давлением сопровождается одновременным сжатием и нагревом остаточного газа, находившегося в рабочей камере 1. По окончании фазы сжатия находившегося в исходном состоянии в рабочей камере 1 остаточного газа впускной управляемый клапан 7 переводят в закрытое положение (в результате прекращается подача газа под высоким давлением рабочую камеру 1), а управляемый клапан 9.1 открывают. Происходит выпуск из рабочей камеры 1 (со стороны ее второго "горячего" торца) в первую дополнительную камеру 2 нагретого (в результате сжатия) остаточного газа. Поскольку давление газа в первой дополнительной камере 2 в (2÷7) раз меньше Р_ос, то в результате выхлопа происходит быстрое охлаждение поступившей в нее порции нагретого остаточного газа без внешнего теплообмена. Указанный выше диапазон давлений газа в первой дополнительной камере 2 установлен экспериментально, причем при давлениях, больших 0,5 P_ос, возрастают потери в процессе впуска газа в объем постоянной величины с давлением газа, близким к P_ос, а при давлениях, меньших (1/7)·P_ос, - возрастают потери из-за неполноты расширения газа в процессе выхлопа. По завершении перепуска всего сжатого нагретого остаточного газа из рабочей камеры 1 в первую дополнительную камеру 2 управляемый клапан 9.1 переводят в закрытое положение (иными словами, рабочую камеру 1 изолируют, со стороны ее второго торца, от первой дополнительной камеры 2), а выпускной управляемый клапан 8 открывают. В результате осуществляется адиабатическое расширение оставшегося в рабочей камере 1 газа за счет соединения рабочей камеры 1 с линией 6 отвода газа низкого давления. При этом происходит охлаждение газа, находящегося в рабочей камере 1. В конце этого процесса температура газа, находящегося в рабочей камере 1, достигает наименьшего значения за цикл. Далее осуществляют выталкивание охлажденной порции газа из рабочей камеры 1 в линию 6 отвода газа низкого давления. Для этого открывают управляемый клапан 9.2, и газ из второй дополнительной камеры 3 начинает поступать в рабочую камеру 1, что приводит к выталкиванию порции охлажденного газа в линию 6 отвода газа низкого давления. После этого выпускной управляемый клапан 6 закрывают, а управляемый клапан 9.2 остается в открытом положении. В результате в системе (рабочая камера 1 и вторая дополнительная камера 3) устанавливается исходное давление Р_ос остаточного газа. После чего клапан 9.2 закрывают и осуществляют (после открытия управляемого клапана 11.1) с помощью нагнетающего устройства 11 заполнение объема V второй дополнительной камеры 3 газом из буферной емкости 4 до давления, в (1,5÷2,0) раза превышающего Р_ос. После чего управляемый клапан 11.1 закрывают. Заполнение второй дополнительной камеры 3 может быть осуществлено также по линии 12, связанной с линией 5 подачи газа высокого давления. Здесь необходимо отметить, что после закрытия управляемого клапана 9.1 с помощью откачного устройства 10 осуществляют откачку (при открытом управляемом клапане 10.1) из первой дополнительной камера 2 избыточного количества газа в буферную емкость 4. После достижения требуемого давления (в диапазоне от 2 до 7 раз меньшем Р_ос) откачное устройство 10 отключают, а управляемый клапан 10.1 закрывают. Далее описанный выше цикл периодически повторяется.

Изобретение может быть использовано в различных отраслях, например, в сельском хозяйстве, медицине, торговле, в системах кондиционирования и в газовой промышленности.

1. Способ охлаждения газа, включающий периодическое возбуждение волны сжатия в заполненной остаточным газом рабочей камере трубчатой формы путем ввода в рабочую камеру со стороны ее первого торца порции газа под высоким давлением, по окончании фазы сжатия находившегося в рабочей камере остаточного газа подачу в нее газа под высоким давлением прекращают и осуществляют выпуск из рабочей камеры со стороны ее второго торца в первую дополнительную камеру нагретого в результате сжатия остаточного газа, а по завершении перепуска всего сжатого и нагретого остаточного газа в первую дополнительную камеру рабочую камеру от нее изолируют и осуществляют адиабатическое расширение оставшегося в рабочей камере газа путем соединения рабочей камеры со стороны ее первого торца с линией отвода газа низкого давления с последующим выталкиванием охлажденной порции газа из рабочей камеры в линию отвода газа низкого давления, отличающийся тем, что перед впуском нагретого остаточного газа в первую дополнительную камеру в ней устанавливают давление, в 2-7 раз меньшее начального давления остаточного газа в рабочей камере, путем откачки избыточного газа в буферную емкость, а выталкивание охлажденной порции газа из рабочей камеры в линию отвода газа низкого давления осуществляют путем соединения рабочей камеры со стороны ее второго торца со второй дополнительной камерой, в которой предварительно создают давление, в 1,5-2,0 раза превышающее начальное давление остаточного газа в рабочей камере, объем V_к которой выбирают согласно соотношению V_к=(0,5÷1,0)·V, где V - объем второй дополнительной камеры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторую дополнительную камеру периодически заполняют газом до давления, в 1,5-2,0 раза превышающего начальное давление остаточного газа в рабочей камера путем подачи в нее газа из буферной емкости.