Меню

Как охладить трубу с газом

Охлаждение газа

ОХЛАЖДЕНИЕ ГАЗА (а. gas соoling; н. Gasabkohlung; Gaskohlung; ф. refroidissement du gaz; и. refrigeracion de gas, enfriamiento de gas) — понижение температуры перекачиваемого газа на газовых сборных пунктах и компрессорных станциях магистральных газопроводов, подземных хранилищ газа, газоперерабатывающих заводах.

Охлаждение газа производят между ступенями сжатия компрессорных агрегатов и на выходе из компрессорной станции. Межступенчатые холодильники для охлаждения газа обеспечивают определённую температуру газа на входе в последующую ступень компримирования, массовая производительность которой будет тем выше, чем ниже температура всасываемого газа.

Энергия, необходимая для охлаждения газа, зависит от количества отводимого от газа тепла и способа охлаждения. Охлаждение газа производят до температуры, превышающей на 10-15 К температуру атмосферного воздуха, с помощью теплообменных агрегатов водяного или воздушного охлаждения газа или до температуры 271 К с целью ограничения теплового воздействия в районах прокладки трубопровода в многолетнемёрзлых грунтах с помощью аппаратов воздушного охлаждения газа (ABO), холодильных установок, рекуперативной системы охлаждения газа, а также системы охлаждения газа с дополнительным сжатием перед ABO и турбодентандером после ABO.

Для охлаждения газа до положительных температур в качестве охлаждающего теплоносителя могут использоваться вода и воздух. Применение воздушного охлаждения резко сокращает потребление воды, исключает обмерзание и разрушение градирен при низкой температуре окружающей среды, уменьшает загрязнение теплообменной аппаратуры (рис. 2).

Реклама

Схемы внешней трубопроводной обвязки систем охлаждения газа с ABO бывают параллельные, параллельно-последовательные и комбинированные, в которых наряду с ABO используются рекуперативные теплообменники обычного типа. Совместная эксплуатация ABO и холодильных установок экономически целесообразна при разности температур на выходе из ABO и воздуха на входе в ABO более 12-15 К. При охлаждении газа до температур ниже нуля применяются парокомпрессионные и абсорбционные холодильные установки. При рекуперативной системе охлаждения газа из магистрального газопровода очищенный от механических примесей в пылеуловителях транспортируемый газ поступает вначале в рекуперативные теплообменники, где подогревается газом обратного потока, и после этого направляется на сжатие в нагнетателях. После сжатия газ охлаждается в ABO, затем поступает в рекуперативные теплообменники, охлаждается и подаётся в газопровод. Использование рекуперативной системы охлаждения газа ограничено в период пуска или остановки газопровода, т.к. уровень и интенсивность охлаждения газа зависят от пропускной способности газопровода. Целесообразно устанавливать станции охлаждения газа с холодильными машинами через 2-3 станции, на которых предусмотрена рекуперативная система охлаждения газа.

В системах охлаждения газа с дополнительным сжатием газа перед ABO транспортируемый газ после сжатия в основных нагнетателях поступает в 2 ступени дополнительного сжатия и далее через ABO в турбодетандер, после чего охлаждённый до необходимой температуры газ направляется в магистральный газопровод.

Круглогодичное охлаждение газа обеспечивает ограничение теплового воздействия газопроводов на окружающую среду, улучшает условия работы противокоррозионной изоляции, повышает надёжность, эффективность работы магистрального газопровода. Выбор уровня охлаждения газа на компрессорных станциях определяется комплексом гидравлических и тепловых режимов работы газопровода, компрессорных станций и станций охлаждения газа с учётом теплового взаимодействия трубопроводов с грунтом.

Источник

Способ охлаждения газа

Использование: для получения холода в установках сбора, подготовки и переработки углеводородных газов. Сущность изобретения: перед ударным заполнением газом полузамкнутых емкостей газом создают вихревое течение газа с горячим и холодным потоками. Горячий поток газа подают в полузамкнутые емкости, а холодный поток вихревого течения смешивают с газом, поступающим из расширительной камеры. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для получения холода в установках сбора, подготовки и переработки углеводородных газов.

Известен способ охлаждения газа в вихревой трубе (авт. свид. СССР N 392295 кл. F 25 B 9/02, 1971), включающей сопловую камеру, диафрагму для вывода холодного потока, диффузор для вывода горячего потока и осевой сопловой ввод дополнительного потока, например, для рециркуляции газа, причем сопловой ввод может быть выполнен в виде усеченного конуса.

Недостатком таких способов является повышенные потери напора газа при их смещении, что снижает термодинамическую эффективность трубы, так как векторы скорости осевого и дополнительного потоков в этих трубах перпендикулярны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ охлаждения газа в вихревых трубах ( авт. свид. N 582441 кл. F 25 B 9/02, 1977), включающий закручивание исходного газового потока с последующим разделением на горячий и холодный газовые потоки.

В данном способе вихревая труба содержит сопловую камеру, диафрагму холодного потока, горячий конец, диффузор с улиткой и крышкой, конус соплового ввода дополнительного потока и трубку подвода дополнительного потока. Для повышения термодинамической эффективности вихревой трубы конус соплового ввода дополнительного потока снабжен прорезями, расположенными вдоль его образующих и направленные в сторону закрутки основного потока в сопловой камере.

Основным недостатком описанного способа охлаждения газа является неполное использование энергии газового потока.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения газа за счет эжекционного смешивания исходного газа, повышение давления и его расширения.

Цель достигается тем, что в способе охлаждения газа, включающий закручивание исходного газового потока с последующим разделением на горячий и холодный газовые потоки, подачу горячего потока в пульсационный аппарат для ударного заполнения полузамкнутых полостей и выпуска его в расширительную камеру с получением холодильного эффекта, полученный при этом охлажденный газовый поток смешивают с холодным газовым потоком после разделения, а также тем, что смешивание охлажденного потока из расширительной камеры и холодного потока после разделения производят посредством эжектирования одного другим.

Перед подачей исходного газа создание вихревого течения с горячим и холодным потоками и подача горячего потока исходного газа в полузамкнутые полости позволяют в процессе ударного заполнения последних сжать горячий газ. В процессе сжатия горячий газ дополнительно нагревается, в результате чего увеличивается количество тепла, передаваемого от сжатого газа через стенки полузамкнутых полостей внешней среде, уменьшается энтальпия сжатого газа, и как следствие уменьшается температура расширяемого газа, т.е. повышается эффективность охлаждения газа.

Читайте также:  Труба 4 энергоблока чаэс

Смешение холодного потока исходного газа с газом из расширительной камеры приводит к расширению холодного потока исходного газа от своего давления до давления газа из расширительной камеры с получением холодильного эффекта, снижению температуры получаемой смеси, т.е. к повышению эффективности охлаждения газа.

Производство процесса смешения газа из расширительной камеры и холодного потока исходного газа путем эжектирования одного другим позволяет утилизировать кинетическую энергию эжектирующего газа, повысить давление получаемой смеси, снизить затраты энергии, выраженные величиной разности давлений на входе и выходе пульсационного аппарата, и как следствие повысить эффективность охлаждения газа.

Способ охлаждения газа реализуется в аппарате, фронтальный разрез которого представлен на чертеже. Способ охлаждения газа в аппарате осуществляется следующим образом.

Исходный газ с давлением 12,0 МПа и температурой 308 К подают в аппарат. В завихрителе 9 исходный газ приобретает вихревое движение и попадает в энергоразделительную камеру 10, где он делится на горячий и холодный потоки. Горячий поток с температурой 350 К поочередно ударно заполняет полузамкнутые емкости 4, где газ сжимается и температура повышается до 500 К. Тепло от стенок полузамкнутых полостей 4 отводится конвекцией окружающей среды, имея температуру 313 К. Газ сбрасывается в расширительную камеру 8 при давлении 3 МПа, где расширяется и охлаждается до температуры 250 К. Холодный поток с температурой 270 280 К и давлении 5,0 МПа движется сначала спутно потоку горячему, а затем в противоположном направлении вдоль эжекторного патрубка 11 и отводится. Холодный поток эжектирует газ из расширительной камеры 8, поднимая давление до 3,3 МПа. Холодный поток расширяется и охлаждается, и полученная газовая смесь имеет температуру 245 К.

Пример. Исходный газ с давлением 12,0 МПа и температурой 308 К поступает через патрубок 2 в корпус 1. Затем исходный газ через тангенциальные щелевые отверстия 14 поступает в завихритель 9, при этом сообщает последнему момент вращения. Вихрь исходного газа из завихрителя 9 попадает через отверстия 13 в энергоразделительную камеру 10, в которой исходный газ приобретает вихревое течение и разделяется на горячий и холодный потоки. Горячий поток вихревого течения, показанный белыми стрелками, стекает по периферии энергоразделительной камеры 10 в газораспределительное устройство 6. Горячий поток имеет температуру 350 К. Холодный поток занимает внутреннюю часть энергоразделительной камеры 10 показан черными стрелками. Холодный поток с температурой порядка 270 280 К движется по сложной траектории: вначале спутно горячему потоку, затем он меняет направление движения на противоположное и, двигаясь вдоль эжекционного патрубка 11, через отверстие 12 поступает в патрубок 3, отводящий газ. Горячий поток через сопла 7 поочередно ударно заполняют полузамкнутые полости 4. При ударном заполнении полузамкнутых полостей 4 горячий газ сжимается, в результате чего температура его повышается до 500 К. Нагретый газ передает свое тепло стенкам полузамкнутых полостей 4. Тепло отводится от полузамкнутых полостей 4 конвекцией окружающей среды, имеющей температуру 313 К. По мере вращения газораспределительного устройства 6 сопла 7 отводятся от заполненных полузамкнутых полостей 4, и из последних газ сбрасывается в расширительную камеру 8, в которой величина давления 3,0 МПа. В расширительной камере 8 сбрасываемый газ расширяется и при этом охлаждается до температуры 250 К. Затем газ через эжекционный патрубок 11 покидает расширительную камеру 8. Холодный поток исходного газа с температурой 270 280 К и давлением 5,0 МПа эжектирует газ из расширительной камеры 8. В процессе эжекции холодный поток исходного газа передает свою энергию газу из расширительной камеры 8, поднимая его давление до величины 3,3 МПа. При этом холодный поток исходного газа расширяется и охлаждается, поэтому полученная в результате процесса эжекции газовая смесь имеет температуру 245 К.

В связи с тем, что перед подачей исходного газа создается в завихрителе 9 и энергоразделительной камере 10 вихревое течение с горячим и холодным потоками и горячий поток подается в полузамкнутые полости 4, в последних в процессе их ударного заполнения горячий газ сжимается и дополнительно нагревается, в результате чего увеличивается количество тепла, передаваемого внешней среде, и уменьшается энтальпия сжатого газа и достигается низкая температура охлаждения газа при его расширении в расширительной камере 8.

Смешение холодного потока исходного газа с газом из расширительной камеры 8 приводит к расширению первого и получению более низкой температуры газовой смеси 245 К, чем температура 280 К, полученная в прототипе в аналогичных условиях.

Эжекционное смешение холодного потока исходного газа с газом из расширительной камеры 8 повышает давление охлажденного газа до 3,3 МПа и снижает затраты энергии на входе и выходе пульсационного аппарата по сравнению с прототипом на 0,3 МПа, и как следствие повышает эффективность охлаждения газа.

1. Способ охлаждения газа, включающий закручивание исходного газового потока с последующим разделением на горячий и холодный газовые потоки, отличающийся тем, что после разделения горячий поток подают в пульсационный аппарат для ударного заполнения полузамкнутых полостей и выпуска его в расширительную камеру, полученный при этом охлажденный газовый поток смешивают с холодным газовым потоком после разделения.

Читайте также:  Первая труба наполняет его

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание охлажденного потока из расширительной камеры и холодного потока после разделения производят посредством эжектирования одного другим.

Источник

Способы охлаждения

Содержание

В любом природном процессе осуществляется непрерывный переход теплоты от тел с высокой температурой к телам с низкой температурой, т. е. происходит естественное охлаждение, при котором конечная температура охлаждаемого тела зависит от температуры охлаждающего тела. Количество теплоты, которое может поглотить охлаждающее тело, определяет его охлаждающий эффект , или количество произведенного холода. Так, количество производимого холода 1 кг водного льда равно теплоте его плавления при О °С, т. е. 335 кДж/кг. Охлаждающими телами в естественных условиях являются воздух, вода и лед.

При естественном охлаждении температуру ниже температуры окружающей среды получить нельзя. Чтобы температура тела стала ниже температуры естественных источников холода, применяют искусственные способы охлаждения, основой которых являются следующие физические процессы: изменение агрегатного состояния (фазовые превращения), сопровождающиеся поглощением теплоты (плавление, парообразование, сублимация, растворение соли); расширение сжатого газа с получением внешней работы; дросселирование (эффект Джоуля- Томпсона); вихревой эффект (эффект Ранка — Хильша); термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье); десорбция газов.

Охлаждение при изменении агрегатного состояния тел

Изменение агрегатного состояния тела (плавление, кипение, сублимация) сопровождается поглощением значительного количества теплоты, расходуемой на внутреннюю работу по преодолению сил сцепления между молекулами. На практике для получения охлаждающего эффекта используют вещества (водный лед, аммиак, хладагенты R12, R22, R502, углекислоту и т. д.), у которых процессы плавления, кипения и сублимации протекают при низкой температуре при нормальном атмосферном давлении.

Фазовые превращения при изменении агрегатного состояния тел (плавление, кипение, сублимация) происходят при постоянных температурах и давлении, зависящих от физических свойств тел и условий перехода из одного состояния в другое.

Плавление — переход тела из твердого состояния в жидкое при подводе к нему необходимого количества теплоты. Плавление водного льда широко используют для охлаждения тела температурой выше О °C. Смешивание раздробленного льда или снега с солью снижает температуру таяния смеси.

Наибольшее применение в холодильной технике получили смеси хлористого натрия (NaCl) и хлористого кальция (СаС12) со льдом. В зависимости от процентного содержания солей в смесях их температура плавления может быть снижена соответственно до — 21,2 и — 55 °С.

Температура плавления определяется давлением и в период перехода тела из твердого состояния в жидкое остается постоянной. Количество теплоты qп, кДж, поглощенное 1 кг твердого тела при переходе его в жидкое состояние, называется теплотой плавления. e Теплота плавления льдосоляной смеси при снижении температуры плавления уменьшается. Так, теплота плавления чистого водного льда 335 кДж/кг, а смеси 28 %-й поваренной соли и льда 222 кДж/кг.

Кипение — процесс интенсивного образования пара во всей массе жидкости при ее нагревании. В отличие от кипения образование пара при испарении происходит только с поверхности жидкости. Количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, чтобы при постоянном давлении превратить ее в сухой насыщенный пар, называется удельной теплотой парообразования r, кДж/кг.

Процесс кипения происходит при определенной для данного давления температуре жидкости, называемой температурой кипения и равной температуре насыщения. Температура кипения любой жидкости остается неизменной в течение всего времени кипения.

При увеличении давления температура кипения повышается, а теплота парообразования уменьшается. Состояние вещества, в котором температуры перехода изо льда в жидкость и из жидкости в пар становятся равными, называется критическим. Теплота парообразования при критической температуре равна нулю. При температуре выше критической переход пара в жидкость невозможен.

При уменьшении давления температура кипения снижается. Например, вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C. Если же в емкости с водой снизить давление до 0,001 МПа, то вода закипит при 4 °C. Хладагент R22 при давлении 0,1 МПа кипит при температуре — 40,8 °С, с уменьшением давления до 0,06 МПа температура кипения снизится до — 50 °C. Если емкость с хладагентом R22 поместить в помещение и соединить с атмосферой, то жидкость в емкости будет кипеть при температуре — 40,8 °С. Так как температура в помещении выше температуры кипения жидкости, то теплота преобразования будет отводиться от воздуха помещения, охлаждая его. Образовавшиеся при кипении пары будут выходить в атмосферу.

Охлаждающий эффект может быть получен за счет интенсивного испарения воды, теплота парообразования которой при 0°С равна 2500 кДж/кг. Испарительное охлаждение водой применяют при относительно высокой температуре кипения хладагента. Температура кипения и плавления хладагента изменяется соответственно с изменением давления.

Сублимация (возгонка) — процесс перехода тела из твердого состояния непосредственно в парообразное. Количество теплоты, поглощаемое 1 кг твердого тела при постоянной температуре перехода его в парообразное состояние, называется удельной теплотой сублимации q c, кДж/кг. Водный лед в атмосферных условиях сублимирует при температуре ниже 0 °C.

Углекислота в тройной точке имеет температуру — 56,6 °С и давление 0,52 МПа. Температура сублимации твердой углекислоты при атмосферном давлении -78,9 °C. Теплота сублимации q c равна сумме теплоты плавления q п и парообразования r , вследствие чего процесс дает больший холодильный эффект.

Для получения низких температур используют жидкости с низкой температурой кипения при нормальном атмосферном давлении, это -сжиженные воздух (температура кипения — 192 °C), кислород (- 183 °С) и азот(- 196 °C).

Способы охлаждения, основанные на использовании фазовых превращений веществ, возможны только при неограниченном запасе охлаждающих тел. Непрерывное получение холода при использовании одного и того же количества охлаждающего вещества возможно, если после получения холодильного эффекта оно возвращается в начальное состояние. Это осуществляется с помощью холодильных машин.

Читайте также:  Воронки для дождевых труб

Охлаждение при расширении газов

Процесс адиабатного расширения сжатого газа сопровождается снижением температуры. Связь между давлением и температурой для идеального газа в адиабатном процессе выражается соотношением T2/T1=(p2/p1) (k-1)/k , где к — показатель адиабаты.

В адиабатном процессе расширения теплообмен с окружающей средой отсутствует, поэтому вся внутренняя энергия полностью преобразуется в механическую работу.

При расширении реального газа затрачивается дополнительная работа на преодоление внутренних сил притяжения его молекул и выполнение внешней работы.

Если воздух, сжатый до 9,5 МПа при t1 = 20 °С, адиабатно расширяется до 0,1 МПа, то при k = 1,4 его конечная температура

Или t2 = 79,6 – (-273) = — 193,4 °C.

Охлаждение с помощью дросселирования

Дросселированием называется снижение давления жидкости или газа при проходе через любое суженное отверстие (диафрагму, клапан). При быстром снижении давления внешняя работа не совершается и теплообмена с внешней средой практически не происходит. Энтальпия в этом процессе не изменяется, а энтропия возрастает из-за расхода внутренней энергии потока на преодоление трения, что указывает на необратимость процесса.

За суженным отверстием в зависимости от свойств и состояния реального газа внутренняя энергия может быть больше или меньше либо равной внутренней энергии до суженного отверстия. В зависимости от характера изменения внутренней энергии конечная температура реального газа может быть выше, равна или ниже начальной.

Изменение температуры вещества при дросселировании называется эффектом Джоуля — Томпсона , его применяют в технике глубокого охлаждения реальных газов.

Дросселирование жидкости сопровождается значительным снижением температуры. Это вызвано тем, что при дросселировании жидкости (особенно насыщенной) происходит парообразование в результате превращения работы сил трения в теплоту и передачи ее жидкости. При этом увеличивается объем и совершается большая работа по преодолению сил взаимного притяжения молекул. Если теплообмен с окружающей средой отсутствует, работа по преодолению сил притяжения будет сопровождаться уменьшением внутренней энергии, а следовательно, и температуры парожидкостной смеси. Процесс дросселирования жидкости широко используется для получения умеренно низких температур.

Вихревой эффект охлаждения

Охлаждение воздуха этим способом (эффект Ранка-Хильша) осуществляется с помощью вихревой трубы (рис. 1.1). Поток воздуха, предварительно сжатого, при температуре окружающей среды поступает в сопло 3 трубы 2 где, завихрясь, разделяется на два потока -холодный и горячий. Через диафрагму 4 воздух выходит охлажденный, а через дроссель 1 по периферии трубы — горячий.

Воздушный поток, вышедший из сопла по касательной к внутренней поверхности трубы, образует свободный вихрь, угловая скорость которого велика около оси и уменьшается по мере удаления от нее. При движении к дроссельному клапану 1 угловая скорость между слоями потока выравнивается вследствие трения между ними (скорость внутренних слоев снижается, внешний — возрастает), при этом кинетическая энергия внутренних слоев передается периферийным слоям. В результате наружные слои воздуха оказываются более нагретыми, внутренние — холодными.

В вихревой камере температурное расслоение воздуха происходит значительно быстрее, чем установка термического равновесия. При давлении воздуха 0,3- 0,5 МПа образуется холодный поток с температурой (- 10)-(- 50) °С и горячий с температурой 100-130 °С.

Получение охлаждающего эффекта с помощью вихревой трубы связано с большим расходом энергии. Вихревую трубу целесообразно применять в лабораторных и производственных условиях для периодического получения небольшого количества холода и теплоты.

Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении электрического тока через цепь, составленную из разнородных полупроводников, в местах контактов (спаев) выделяется или поглощается теплота.

На рис. 1.2 изображен термоэлемент, состоящий из двух различных полупроводниковых элементов с электронной (-) и дырочной (+) проводимостью. Материалом полупроводников служат соединения висмута, сурьмы, селена с добавлением присадок. Широко распространены сплавы висмута, селена, теллура (с электронной проводимостью) и висмута, теллура, свинца (с дырочной проводимостью).

Термоэлементы объединяют последовательно в батареи с помощью медных пластин 1, которые образуют спаи. К электронному полупроводнику 2 подключен плюс источника питания, к дырочному 3 — минус. При прохождении по термоэлементу постоянного тока температура, верхнего спая понизится до tx и холодный спай будет поглощать теплоту Q от охлаждаемой среды. На нижнем спае температура повысится до tг, при этом горячий спай будет отдавать теплоту QK окружающей среде. Перепад температур между горячими и холодными спаями достигает 60 °C.

Термоэлектрическое охлаждение применяют в холодильных шкафах, кондиционерах и т. д. Холодопроизводительность выпускаемых батарей термоэлементов не превышает 50-100 Вт.

Охлаждающий эффект методом десорбции получают следующим образом. Сначала происходит адсорбция гелия активированным углем: процесс сопровождается выделением теплоты. При адсорбции в емкости поддерживается возможно низкая температура, т. е. емкость охлаждается. После насыщения угля гелием емкость изолируется. Затем гелий откачивают из емкости. При десорбции гелия из угля температура в емкости быстро снижается. Так, в одном из опытов 15 г активированного угля адсорбировали 8 л газообразного гелия при — 260 °С и давлении 0,13 МПа. При десорбции гелия из угля была получена температура ниже — 269 °С. Охлаждение газов методом десорбции применяют в основном в лабораторной практике для получения температуры, близкой к абсолютному нулю.

В рыбной промышленности из рассмотренных выше способов охлаждения применяют охлаждение при изменении агрегатного состояния тел (плавление, кипение) и охлаждение с помощью дросселирования.

Литература

Судовые холодильные машины и установки (Петров Ю.С.) 1991 г.

Источник

Adblock
detector