Устройство и способ охлаждения и/или низкотемпературного сжижения - RU2669993C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству и способу низкотемпературного сжижения/охлаждения.

В частности, настоящее изобретение может относиться к способу и устройству для сжижения и способу и устройству для заморозки, работающих на гелии.

Более конкретно настоящее изобретение относится к устройству для низкотемпературного сжижения и/или охлаждения рабочей текучей среды, содержащей гелий или состоящей из чистого гелия, устройство содержит рабочий контур, снабженный компрессорной станцией и холодильной камерой, компрессорная станция содержит одну или несколько ступеней сжатия, на каждой из которых используется один или несколько компрессоров, содержащих рабочее колесо компрессора, закрепленное на шпинделе, установленном так, что он может вращаться на подшипниках, шпиндель каждого компрессора приводится во вращательное движение выходным валом двигателя посредством зубчатой передачи, расположенной в механическом корпусе, содержащем смазочное масло.

В холодильниках или ожижителях, работающих при низкой температуре (например, ниже 80 K, в частности в диапазоне от 80 K до 4 K), как правило, используется рабочая текучая среда (например, гелий или смесь, содержащая гелий), проходящая рабочий цикл, который включает сжатие, возможно расширение, охлаждение и нагрев. В этих устройствах обычно требуется несколько ступеней для сжатия рабочего газа. На каждой ступени сжатия применяется одно или несколько рабочих колес компрессора. Например, в этих устройствах применяются компрессоры центробежного типа.

В компрессорных станциях, которые сжимают гелий (или смесь, содержащую гелий), требуется большое количество ступеней сжатия для компенсации низкого коэффициента сжатия каждой ступени (см., например, документ FR 2919716 A1).

В частности, каждый вал компрессора также должен вращаться с относительно высокой скоростью, чтобы обеспечивать высокую степень сжатия.

Общая эффективность многоступенчатого компрессора зависит от ряда критериев, и в частности от:

- эффективности рабочих колес и улиток компрессора (для увеличения коэффициента сжатия),

- эффективности межступепчатого охлаждения (для ограничения падения давления в системе),

- механических потерь (в частности, вызванных трением между движущимися частями).

Утечки рабочего газа в компрессорной станции на стыке между вращающимися частями и неподвижными частями неизбежны. В частности, когда рабочим газом является гелий, на подшипниках, поддерживающих валы рабочих колес компрессора, возникают относительно существенные утечки газа. Для ограничения этих потерь относительно дорогого рабочего газа обычной практикой является ограничение утечки на каждом подшипнике каждой ступени сжатия с помощью таких компонентов как уплотнения, которые образуют лабиринты, препятствующие утечкам газа, масляные уплотнения, плавающие кольцевые уплотнения, газонепроницаемые уплотнения и т.п.

Помимо того, что эти устройства увеличивают стоимость установки, эти известные системы не всегда применимы для технологии охладителя/ожижителя.

Кроме того, масло, имеющееся в механизме компрессорной станции, не должно загрязнять рабочий газ (путем смешивания с гелием или путем внесения влаги и/или легких углеводородов). В особенности такие включения, внесенные в рабочий контур, при криогенных температурах несут опасность закупорки и повреждения оборудования.

Таким образом, такие устройства могут необязательно содержать системы рекуперации для возврата потенциальных утечек гелия, как описано, например, в документе FR 2953913 A1. Согласно этому документу для сбора утечек гелия может быть введен буферный газ.

Для обеспечения герметичности гелиевого центробежного компрессора, следовательно, применяется технология, которая включает изолирование частей, содержащих смазочное масло, с помощью буферного газа (азота). Буферизация газообразным гелием предусмотрена для того, чтобы избегать любых утечек азота в рабочий газ (гелий).

Эта технология обеспечивает преимущества, но является источником существенных затрат, поскольку эту уплотняющую систему необходимо устанавливать на каждой ступени компрессора.

Целью настоящего изобретения является устранение всех или некоторых недостатков предыдущего уровня техники, которые перечислены ранее в данном документе.

Для этого устройство согласно настоящему изобретению, в других отношениях соответствующее общему его определению в вышеописанной вводной части, по существу отличается тем, что внутренний объем механического корпуса содержит газовую среду, состоящую из газовой смеси, имеющей среднюю молярную массу, которая меньше, чем молярная масса воздуха.

Кроме того, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут включать один или несколько следующих признаков:

- газовая среда внутри механического корпуса имеет молярную долю гелия, которая больше, чем (молярная) доля гелия в воздухе,

- газовая среда внутри механического корпуса имеет молярную долю гелия, составляющую от 5% до 100%,

- газовая среда внутри механического корпуса имеет преобладающую молярную долю гелия,

- газовая среда внутри механического корпуса содержит гелий и по меньшей мере один из следующих газов: азот, аргон, один или несколько компонентов рабочей текучей среды,

- устройство содержит элемент для введения буферного газа по меньшей мере на одном подшипнике компрессора или компрессоров для образования газового барьера, направляющего утекающую рабочую текучую среду из рабочего контура к области сбора, причем по меньшей мере часть области сбора содержит механический корпус, что означает, что буферный газ, содержащий восстановленный утекший гелий, подается во внутренний объем механического корпуса,

- устройство содержит элемент для очистки внутренней среды корпуса двигателя, соединенный с указанным корпусом двигателя посредством первой трубки для отвода смеси газа и масла из корпуса, и второй трубки для возврата очищенного масла, очистительный элемент содержит выпускной патрубок для рекуперации рабочего газа, рекуперированного во время очистки,

- устройство содержит элемент для сжатия смеси, отведенной по отводящей трубке, для подачи на элемент очистки смеси, сжатой до определенного давления,

- элемент для сжатия смеси газа и масла из внутренней среды корпуса содержит смазываемый маслом механизм, масло которого идентично или того же типа, что и смазочное масло механического корпуса, причем элемент очистки является общим для обоих и предназначен для очистки смазочного масла механического корпуса, так и масла элемента для сжатия смеси, отведенной по отводящей трубке,

- по меньшей мере некоторые из компрессоров компрессорной станции представляют собой компрессоры центробежного типа,

- буферный газ содержит по меньшей мере одно из следующего: гелий, азот, один или несколько компонентов рабочей текучей среды,

- механический корпус является герметичным,

- элемент сжатия, который сжимает смесь газа и масла из внутренней среды корпуса, содержит компрессор типа винтового компрессора с принудительной смазкой,

- в рабочем контуре рабочий газ проходит через цикл, последовательно включающий: сжатие рабочей текучей среды в компрессорной станции, охлаждение и возможно расширение рабочей текучей среды в холодильной камере, и нагрев рабочей текучей среды для ее возврата в компрессорную станцию.

Настоящее изобретение также относится к способу для низкотемпературного сжижения и/или охлаждения рабочей текучей среды, в частности, рабочей текучей среды, содержащей гелий или состоящей из чистого гелия, с помощью холодильника/ожижителя, содержащего рабочий контур, снабженный компрессорной станцией и холодильной камерой, причем в холодильнике/ожижителе рабочий газ в рабочем контуре проходит через цикл, последовательно включающий: сжатие рабочей текучей среды в компрессорной станции, охлаждение в холодильной камере, и нагрев рабочей текучей среды для ее возврата в компрессорную станцию, причем компрессорная станция содержит одну или несколько ступеней сжатия, на каждой из которых применяется один или несколько компрессоров, содержащих рабочее колесо компрессора, закрепленное на шпинделе, установленном так, что он может вращаться на подшипниках, шпиндель каждого компрессора приводится во вращательное движение выходным валом двигателя посредством зубчатой передачи, расположенной в механическом корпусе, содержащем смазочное масло, причем осуществляется контроль газовой среды во внутреннем объеме механического корпуса для обеспечения содержания газовой смеси, средняя молярная масса которой меньше, чем молярная масса воздуха.

Согласно другим возможным характерным признакам:

- способ включает этап введения буферного газа по меньшей мере на одном подшипнике компрессора или компрессоров для образования газового барьера, направляющего утекающую рабочую текучую среду из рабочего контура к области сбора, причем во внутренний объем корпуса подается смесь буферного газа и собранного утекшего гелия,

- способ включает этап очистки внутренней среды корпуса для разделения рабочего газа и масла и повторного введения очищенного масла в корпус,

- способ включает этап сжатия смеси газа и масла среды перед этапом очистки,

- на этапе сжатия смеси газа и масла из внутренней среды корпуса применяют смазываемый маслом механизм, масло которого идентично или обладает теми же свойствами, что и смазочное масло механического корпуса, этап очистки внутренней среды механического корпуса является общим с этапом очистки масла элемента сжатия, который сжимает смесь перед этапом очистки.

Настоящее изобретение также может относиться к любому альтернативному устройству или способу, содержащим любое сочетание признаков, описанных выше или ниже.

Дополнительные особенности и преимущества станут ясны по прочтении описания, представленного ниже в данном документе, которое дано со ссылкой на графические материалы, на которых:

- фиг. 1 - схематический и частичный вид, на котором показаны структура и работа одного иллюстративного варианта осуществления устройства заморозки и/или сжижения согласно настоящему изобретению,

- фиг. 2 - схематический и частичный вид в продольном сечении, на котором показан один пример рабочего колеса компрессора, установленного на подшипниках, содержащий приводной механизм согласно настоящему изобретению,

- фиг. 3 - схематический и частичный вид спереди одного торца механизма, представленного на фиг. 3, на котором показан принцип приведения в действие двигателем нескольких шпинделей компрессора,

- фиг. 4 - схематический и частичный вид, на котором показаны структура и работа деталей другого иллюстративного варианта осуществления устройства заморозки и/или сжижения согласно настоящему изобретению, представляющий очистку газа устройства, содержащего смазочное масло.

Устройство охлаждения и/или сжижения, частично и схематически представленное на фиг. 1, функционирует при сверхнизких температурах, например, в диапазоне от 4 K до 80 K. Это устройство предпочтительно содержит рабочий газ, содержащий гелий или состоящий из чистого гелия. Устройство 1 обычно содержит рабочий контур, снабженный компрессорной станцией 2 и холодильной камерой 3.

В рабочем контуре 18 рабочий газ проходит через цикл, последовательно включающий: сжатие рабочей текучей среды в компрессорной станции 2, охлаждение (и возможно расширение) рабочей текучей среды в холодильной камере 3, и нагрев рабочей текучей среды так, чтобы ее можно было вернуть в компрессорную станцию 2.

Компрессорная станция 2 содержит одну или несколько ступеней сжатия, на каждой из которых используется один или несколько компрессоров 12.

Как схематически представлено на фиг. 2, каждое рабочее колесо 12 компрессора скреплено со шпинделем 25, установленным для вращения на подшипниках 5. Уплотнение 17 расположено преимущественно на одном конце шпинделя 25.

Шпиндель 25 каждого компрессора 12 обычно приводится во вращение выходным валом 6 двигателя 4 посредством зубчатой передачи 7 (преимущественно системы увеличения частоты вращения), расположенной в механическом корпусе 8.

Как можно видеть на фиг. 3, выходной вал 6 двигателя может приводить в действие несколько шпинделей 25 компрессора 12 от по меньшей мере одного зубчатого колеса 7.

Механический корпус 8 замкнут и содержит маслянистую среду и, например, ванну 9 смазочного масла, приводимую в действие механическими подвижными частями.

Согласно одному преимущественному признаку, внутренний объем механического корпуса 8 содержит газовую среду, состоящую из газовой смеси, имеющей среднюю молярную массу, которая меньше, чем молярная масса воздуха. Это означает, что вместо обеспечения в этом корпусе 8 среды из воздуха или из азота, осуществляется обеспечения внутренней среды, которая должна иметь молярную массу, которая меньше, чем у воздуха или азота. Например, внутренний объем корпуса содержит определенную долю гелия.

Предпочтительно газовая среда внутри механического корпуса 8 содержит гелий и, возможно, по меньшей мере один из следующих газов: азот, аргон, один или несколько компонентов рабочей текучей среды. Газовая среда внутри механического корпуса 8, например, содержит молярную долю гелия, которая больше, чем доля гелия в воздухе. Предпочтительно газовая среда внутреннего объема механического корпуса 8 содержит преобладающую молярную долю гелия, возможно дополненную по меньшей мере одним из следующего: азота, аргона, воздуха, одного или нескольких компонентов рабочей текучей среды.

Эта газовая среда дает возможность значительно сократить вклад механических потерь компрессора и, следовательно, повысить эффективность устройства. В частности, трение между движущимися частями (шпинделями, зубчатыми колесами, зубчатыми передачами и т.п.) уменьшается в среде из газа, имеющего относительно меньшую молярную массу. Чем выше частота вращения, с которой двигаются механические движущиеся части, тем больше это уменьшение трения.

Для поддержания этой среды в корпусе 8 может быть предусмотрен источник газа с малой молярной массой. Для контроля этой среды и, при необходимости, регулирования ее состава могут быть предусмотрены один или несколько датчиков.

Следовательно, предпочтительно механический корпус 8 является герметичным.

Как представлено на фиг. 1 и 2, устройство 1 может необязательно содержать элемент 10 для введения буферного газа по меньшей мере на одном подшипнике 5 компрессора или компрессоров 12, чтобы образовывать газовый барьер, направляющий утекающую рабочую текучую среду, поступающую из рабочего контура, к области сбора.

Кроме того, преимущественно, и хотя это не является необходимым, смесь буферного газа и восстановленного рабочего газа может быть использована для подачи внутрь механического корпуса 8 (для образования среды с малой молярной массой).

Действительно, в таком случае, если в рабочем газе уже имеется гелий, преимуществом будет использовать этот же газообразный гелий в качестве буферного газа и/или позволить гелию или рабочему газу «протекать» в корпус 8 (как схематически было представлено стрелками на фиг. 2).

Напротив, другие уплотнительные системы на шпинделе 25 могут быть проще, чем решения, предложенные на предыдущем уровне техники. Таким образом, общие затраты на производство компрессора могут быть сокращены.

Предпочтительно гелий, отправленный таким образом в механический корпус 8, необходимо рекуперировать, поскольку его потеря сократит экономическое преимущество настоящего решения.

Для достижения этого указанный гелий, перемещаемый в механический корпус 8, предпочтительно рекуперируют и обрабатывают. Таким образом, может быть установлена первая система отделения масла для ограничения количества масла, которое будет уходить из корпуса 8 компрессора 12. Восстановленный гелий может содержать примеси воздуха, если механический корпус 8 недостаточно герметизирован относительно внешней среды.

Следовательно, необходимо обеспечить максимально возможную герметичность механического корпуса 8 (в частности, содержащего механизм увеличения частоты вращения) относительно внешней среды, чтобы избежать чрезмерных потерь гелия во внешнюю среду.

Как схематически представлено на фиг. 1, следовательно, также предпочтительно обеспечить систему 11 очистки для очистки восстановленного гелия (линия 16), чтобы отделять остаточное масло и также очищать этот гелий от других загрязнений (например: воздуха, воды и т.п.), чтобы его можно было рекуперировать, и возможно вводить повторно (линия 14) указанный гелий в рабочий цикл.

Обычно управление маслом 9 в этом механическом корпусе также осуществляется с помощью системы, расположенной снаружи относительно него, с резервуаром, насосом и инжекционными и регулирующими клапанами.

Для масляного контура, находящегося в контакте с гелием, также будет требоваться ограничение потерь гелия во внешнюю среду.

Система 11 очистки предпочтительно будет содержать обычный элемент механической фильтрации, коагулятор и/или элемент адсорбирующего типа, позволяющий удалять пары и капли масла, присутствующие в гелии.

Как представлено в примере на фиг. 3, по первой отводящей трубке 16 смесь газа и масла извлекается из корпуса 8 в очистительный элемент 111. Очистительный элемент 111, представленный на фиг. 3, может содержать или состоять из «коагулятора», обеспечивающего возможность ограничения количества масла, которое уходит из корпуса в жидкой форме, прямым возвратом через линию 13. Другой выпускной патрубок 14 очистительного элемента 111 может содержать поток, который все же требует обработки в отношении паров и/или других загрязнений.

Если этот элемент 111 выполняет всю задачу по очистке, очищенное масло может быть возвращено в механический корпус 8 через вторую, возвратную, трубку 13. Гелий, восстановленный во время очистки, отправляют, например, в рабочий контур.

Как представлено на фиг. 4, может быть необходимо сжимать этот гелий, смешанный с маслом, извлеченным посредством отводящей трубки 16, перед обработкой (очисткой). С этой целью перед очистительным элементом 11 может быть предусмотрен рекуперационный компрессор 15.

Согласно одному преимущественному конкретному признаку, если этот рекуперационный компрессор 15 представляет собой компрессор масляного типа, то одно и то же масло (или химически совместимое масло) применяют для механических корпусов 8 компрессоров 12 компрессорной станции 2 и для рекуперационного компрессора 15. Если этот рекуперационный компрессор 15 представляет собой винтовой компрессор с принудительной смазкой, для обеспечения лучшего окончательного разделения масла и гелия необходимо определенное масло. Например, может быть использовано масло синтетического типа с низким давлением насыщенного пара.

Очистительный элемент 11, таким образом, может быть общим для двух компрессорных систем (компрессоров 12 станции 2 и рекуперационного компрессора 15).

Это обеспечивает возможность стандартизации и сокращения общих затрат на устройство.

Таким образом, устройство и способ делают возможным упрощение конструкции подшипников 5. Затраты на устройство 1 и его же работу становятся ниже. Производительность приводного механизма компрессора в механическом корпусе 8 заметно повышается.

Реферат

Изобретение относится к устройству для охлаждения и/или сжижения при низкой температуре рабочей текучей среды, содержащей гелий или состоящей из чистого гелия. Устройство (1) содержит рабочий контур, снабженный компрессорной станцией (2) и холодильной камерой (3). Компрессорная станция (2) содержит одну или несколько ступеней сжатия, на каждой из которых используется один или несколько компрессоров, которые содержат компрессорное колесо (12), жестко соединенное со шпинделем (25), который установлен с возможностью вращения на подшипниках (5). Шпиндель (25) каждого компрессора (12) приводится во вращение выходным валом (6) двигателя (4) с помощью зубчатой передачи (7), расположенной в механическом корпусе (8), который содержит смазочное масло (9). Указанное устройство отличается тем, что внутреннее пространство механического корпуса (8) содержит газовую среду, состоящую из газовой смеси, имеющей среднюю молярную массу, которая меньше, чем молярная масса воздуха. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула