Результат интеллектуальной деятельности: Способ регазификации жидкости и установка для регазификации жидкости

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для испарения жидкостей, преимущественно криогенных, в том числе для газификации сжиженного природного газа (СПГ) и сжиженных углеводородных газов (СУГ), а также в ракетно-космической технике и в системах заправки природным газом транспортных средств.

Известен испаритель сжиженного углеводородного газа (патент РФ №2594833, МПК F17C 9/02, опубл. 20.08.2016), содержащий корпус, состоящий из наружной и внутренней стенок. В выходной части корпус выполнен глухим, дополнительный теплообменник, расположенный на оси корпуса и состоящий из трех жестко соединенных между собой цилиндрических оболочек, образующих кольцевые полости для прохода сжиженного углеводородного газа, смесительную головку, расположенную во входной части корпуса и включающую в себя втулки, равномерно расположенные по окружности, огневое и наружное днище, топливный коллектор с форсунками, расположенными равномерно по окружности, запальное устройство, расположенное на боковой поверхности корпуса. В выходной части дополнительного теплообменника установлена дымовая труба. Данный испаритель сжиженного углеводородного газа не обеспечивает устойчивую работу в режиме переменой производительности вследствие возникновения кризисных явлений в щелевых каналах теплообменников и возникновения кризиса теплоотдачи.

Известен испаритель криогенной жидкости (патент РФ №2347972, МПК F17C 9/02, опубл. 27.02.2009), содержащий корпус, выполненный 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 коллекторы для отвода криогенного продукта, при этом на входе в кольцевую полость закреплена крышка, в которой установлены смесительные элементы и воспламенительное устройство, а на выходе закреплен газовод. Данный испаритель криогенной жидкости содержит теплообменники, каналы которых образованы двухслойными цилиндрическими оболочками и при нагреве жидкости и ее испарение в потоке будут возникать кризисные явления, сопровождающиеся кавитацией и неустойчивыми режимами течения парожидкостной среды при изменении нагрузки.

Известен способ подогрева криогенной жидкости (патент №2511805, МПК F17C 9/02, опубликовано: 10.04.2014), принятый за прототип предлагаемого способа, заключающийся в пропускании жидкости через теплообменные элементы с подведением к ним тепла. Корпус испарителя криогенной жидкости выполняют в виде, как минимум, двух двухслойных оболочек, наружной и внутренней, с образованием кольцевой полости для прохода греющего теплоносителя. Каждую из оболочек выполняют состоящей из двух жестко соединенных между собой обечаек, между которыми образуют каналы для прохода криогенного компонента, которые объединяют в коллекторы. Криогенную жидкость подают во внутреннюю полость внутренней оболочки из коллектора, а отводят через патрубок, установленный в центральной части внутренней оболочки. 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, при этом 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. Данный способ подогрева криогенной жидкости предполагает нагрев и испарение жидкости в едином теплообменов контуре, что будет сопровождаться неустойчивыми режимами течения, пульсациями давления и кавитацией, особенно в режимах переменных нагрузок.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании эффективного способа и устройства для регазификации жидкостей, в том числе криогенных, расширения функциональных возможностей способа и установки регазификации жидкостей, возможности работы в нестационарных условиях и повышения надежности работы установки за счет исключения явлений кавитации и кризиса теплообмена в гидравлических трактах теплообменников.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении надежности и экономичности процесса газификации жидкостей, преимущественно криогенных и обеспечения устойчивой работы теплообменника без кавитации в его гидравлическом тракте.

Технический результат достигается тем, что в способе регазификации жидкости, включающем пропускание жидкости через теплообменники с подведением к ним тепла и испарение жидкости, новым является то, что перед нагревом повышают давление жидкости и осуществляют ее предварительный нагрев в теплообменнике - подогревателе до температуры не более температуры насыщения, затем направляют жидкость в дроссельный канал, в котором реализуют критическое истечение с образованием двухфазного парожидкостного потока, который нагревают в теплообменнике-испарителе, а на выходе получают газовый поток.

Жидкость перед подачей в теплообменник-подогреватель и в дроссельный канал подвергают закрутке.

Двухфазный поток перед подачей в теплообменник-испаритель подвергают закрутке.

Технический результат достигается тем, что в установке для регазификации жидкости, включающей теплообменник-испаритель с подведением к нему тепла для получения газового потока, новым является то что, установка дополнительно снабжена последовательно установленными перед теплообменником-испарителем: насосом для подачи испаряемой жидкости, теплообменником-подогревателем с датчиками давления и температуры, дроссельным устройством с датчиками давления.

Перед теплообменником-подогревателем и дроссельным устройством установлены завихрители, а перед теплообменником-испарителем установлено закручивающее устройство.

Сущность способа регазификации жидкости заключается в следующем: забор жидкости из емкости и подача ее с повышением давления в теплообменник-подогреватель; закрутка потока жидкости, поступающей в теплообменник-подогреватель с помощью завихрителя; подвод энергии к потоку жидкости в теплообменнике-подогревателе и нагрев ее до температуры не превышающей температуру насыщения, которая соответствует давлению жидкости на выходе из теплообменника подогревателя, закрутка потока и подача его в дроссельное устройство; адиабатное расширение, жидкости в дроссельном устройстве с образованием двухфазного потока; закрутка двухфазного потока и подача его в теплообменник-испаритель; подвод энергии к двухфазному потоку до испарения жидкой фазы и нагрев газового потока до заданной температуры, что приводит к повышению надежности и экономичности процесса газификации криогенных жидкостей и устойчивой работы теплообменников без кавитации в его гидравлическом тракте.

На фигуре представлена технологическая схема установки для регазификации жидкости.

Установка для регазификации жидкости содержит емкость 1, магистраль заправки 2, насос 3, датчик расхода 4, датчик давления (Р₁) 5, датчик температуры (Т₁) 6, завихритель 7; теплообменник-подогреватель 8, датчик температуры (Т₂) 9, датчик давления (Р₂) 10, дроссельное устройство 11, датчик давления (Р₃) 12, закручивающее устройство 13, теплообменник-испаритель 14, датчик давления (P_B) 15, датчик температуры (T_B) 16, клапан предохранительный 17, датчик давления (Р₀) 18, датчик температуры (Т₀) 19, магистраль выхода 20, запорные вентили (В₁, В₂, В₃, В₄, В₅).

Установка, реализующая способ, (фиг. 1), включает емкость 1 для жидкости, подлежащей регазификации. Емкость 1 оснащена магистралью заправки 2 с запорным вентилем В₂, клапаном предохранительным 17. В гидравлическом контуре установки, соединяющей емкость 1 с магистралью выхода 20, последовательно установлены запорные вентили B₁ и В₃, насос 3, датчик расхода 4, завихритель 7, теплообменник-подогреватель 8, дроссельное устройство 11, закручивающее устройство 13, теплообменник-испаритель 14.

Для измерения и регистрации параметров рабочего тела процесса регазификации жидкости гидравлический контур установки оснащен датчиками давления и температуры: датчиком давления (Р₀) 18 и датчиком температуры (Т₀) 19 для измерения параметров жидкости в емкости 1; датчиком давления (Р₁) 5 и датчиком температуры (Т₁) 6 для измерения параметров потока жидкости на входе в теплообменник-подогреватель 8; датчиком давления (Р₂) 10 и датчиком температуры (Т₂) 9 для измерения параметров жидкости на выходе из теплообменника-подогревателя 8; датчиком давления (Р₃) 12 для измерения давления на выходе из дроссельного устройства 11; датчиком давления (P_B) 15 и датчик температуры (T_B) 16 для измерения параметров газового потока после теплообменника-испарителя в магистрали выхода 20.

В качестве завихрителя 7 и закручивающего устройства 13 могут быть использованы лопаточные или шнековые завихрители. В качестве дроссельного устройства 11 могут использоваться каналы переменного сечения, например, сопла Лаваля или иные устройства, в которых реализуется течение жидкости с отрицательным градиентом давления. В качестве теплообменников 8 и 14 могут быть использованы рекуперативные теплообменники и прочие теплообменники, в которых подвод энергии к потоку осуществляется в форме тепла или иными способами: электрическим, механическим и другими способами.

Согласно технологической схеме, представленной на фигуре, реализация способа регазификации жидкости осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии в емкости 1 находится жидкость с температурой Т₀ и давлением Р₀. Вентиль В₂ и В₄ находятся в положении «закрыто», остальные вентили (В₁, В₃, В₅) находятся в положении «открыто». Вентиль В₄ предназначен для дренажа рабочего тела из гидравлического тракта установки при ее обслуживании (консервация, ремонт и т.п.).

Жидкость, подлежащая регазификации, забирается из емкости 1 с помощью насоса 3 и под давлением Р₁, большем Р₀, и температурой Т₁ поступает в первый завихритель 7, в котором поток жидкости закручивается и далее поступает в теплообменник-подогреватель 8. Закрутка потока осуществляется с целью интенсификации процесса теплоотдачи в гидравлическом тракте теплообменника-подогревателя 8. В теплообменнике-подогревателе 8 жидкость нагревается до температуры Т₂, не превышающей температуру насыщения жидкости T_S, соответствующую давлению Р₂ на выходе из теплообменника подогревателя 8, Т₂≤T_S(P₂). Величина теплового потока Q_ТП, обеспечивающая нагрев жидкости в теплообменнике подогревателе до температуры Т₂, определяется выражением Q_ТП=G⋅c_ж⋅(T₂-T₁), где G - массовый расход жидкости измеряемый датчиком расхода 4, с_ж - средняя массовая теплоемкость жидкости в интервале температур T₁…T₂. Из теплообменника-подогревателя 8 поток жидкости направляется во второй завихритель 7 и далее в дроссельное устройство 11, где реализуется критический режим течения жидкости с отрицательным градиентом давления и образованием в гидравлическом тракте двухфазного потока. Условием образования двухфазного потока является понижение давления от Р₂ - на входе в дроссельное устройство 11, до Р₃ - на его выходе, величина которого не должна превышать давление насыщения P_S, соответствующее температуре жидкости. Величина давления Р₃ определяется условием: Р₃<P_S(T₂), где P_S(T₂) - давление насыщенных паров жидкости при температуре Т₂. Реализация критического режима течения определяется условием (Р₃/Р₂)≤β_кр, где β_кр - критический перепад давлений равный β_кр=0,5…0,55 (Накорчевский А.И., Гулый С.И. Уточнение наступления критических режимов при истечении вскипающих жидкостей. // Пром. теплотехника, 1992, N 4, с. 73-76). При критическом перепаде давлений и выполнении условия Р₃<P_S(T₂) в тракте дроссельного устройства 11 происходит зарождение и развитие паровой фазы и капельный поток жидкости превращается в двухфазный парожидкостный поток (Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. - М.: Энергоиздат, 1981. стр. 391-393;). После дроссельного устройства 11 двухфазный поток поступает в закручивающее устройство 13, установленное непосредственно на входе в теплообменник-испаритель 14. В теплообменнике-испарителе 14 происходит испарение жидкой фазы двухфазного потока и нагрев газового потока до температуры T_B, которая контролируется датчиком температуры 16, установленным в магистрали выхода 20. Для испарения жидкой фазы и нагрева потока до температуры T_B в теплообменнике-испарителе 14 к двухфазной среде подводится тепловой поток Q_ТИ, величина которого определяется выражением Q_ТИ=G(1-x)r+G⋅c_п[T_B-T_S(P₃)], где r - скрытая теплота парообразования жидкости, х - массовое паросодержание двухфазного потока на входе в теплообменник-испаритель 14, с_п - теплоемкость пара, T_S(P₃) - температура насыщенных паров жидкости, соответствующая давлению Р₃. Массовое паросодержание двухфазного потока х, для случая адиабатного процесса в дроссельном устройстве 11, может быть рассчитано на основании свойств адитивности из условия изоэнтропного процесса течения вскипающей жидкости в дроссельном устройстве (см. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат 1983, стр. 170-171).

Закрутка потока жидкости, поступающего в теплообменник-подогреватель 14 способствует интенсификации процесса теплоотдачи за счет перемешивания потока. Закрутка потока жидкости, поступающего в дроссельное устройство 11, способствует выравниванию полей концентрации фаз в двухфазном потоке и интенсификации процесса парообразования, за счет дробления капель и увеличения их поверхности. Закрутка двухфазного потока, поступающего в теплообменник-испаритель 14, способствует дрейфу жидкой фазы к его стенкам и приводит к интенсификации теплоотдачи от стенок теплообменника 14 к потоку.

Предлагаемый способ регазификации сжиженного природного газа или иной жидкости позволяет регулировать производительность G и температуру газа поступающего в магистраль выхода 20. Регулирование производительности обеспечивается насосом 3 и изменением площади проходного сечения дроссельного устройства 11, в качестве которого может быть использован канал переменного сечения. Температура Т₂ на выходе из теплообменника-подогревателя 8 обеспечивается заданием величины теплового потока Q_ТП, подводимого к жидкости в тракте теплообменника 8. Температура газа T_B в магистрали выхода 20 обеспечивается заданием величины теплового потока Q_ТИ, подводимого к двухфазной среде в теплообменнике-испарителе 14.

Таким образом, образование паровой фазы из капельной жидкости осуществляется поэтапно следующим образом: повышение давления жидкости и ее нагрев без образования паровой фазы; дросселирование (адиабатное расширение) жидкости с образованием двухфазного потока; подвод тепла к двухфазному потоку до испарения жидкой фазы, дополнительная закрутка как потока жидкости, так и двухфазного потока, что приводит к интенсификации тепло и массообменных процессов, предотвращению кавитации в гидравлических трактах теплообменных аппаратах.