[發(fā)明專利]一種超音速高壓節(jié)流冷凝裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610024746.5
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN105498270B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張日葵;曹先偉;傅潔
• 申請（專利權(quán)）人: 南京北大工道創(chuàng)新有限公司;北京大學(xué)南京創(chuàng)新研究院
• 主分類號(hào): B01D5/00
• 分類號(hào): B01D5/00
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司32206
• 代理人: 杜靜靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種冷卻裝置，具體涉及一種超音速高壓節(jié)流冷凝裝置，屬于冷凝裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為一種潔凈、優(yōu)質(zhì)能源，天然氣在全球能源結(jié)構(gòu)中的地位越來越突出。天然氣液化和分離是石油化工生產(chǎn)的重要技術(shù)領(lǐng)域。基于氣體可壓縮原理的超音速高壓低溫節(jié)流冷凝技術(shù)是目前一項(xiàng)制備液化天然氣的新型技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的換熱冷卻技術(shù)來說，超音速高壓低溫節(jié)流冷凝技術(shù)具有顯著的成本低、能耗低、效率高等優(yōu)勢，目前已在石油化工領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，此外在空調(diào)等制冷行業(yè)也有應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)中的冷凝裝置的主要缺陷在于，當(dāng)進(jìn)出口壓力偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，超音速氣體通常會(huì)在擴(kuò)張段處形成正激波現(xiàn)象。正激波是一種很強(qiáng)的物理間斷面。跨過激波面，氣體壓力、密度、溫度急劇增大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和熱。因此，激波現(xiàn)象將破壞分離段內(nèi)的低溫、低壓環(huán)境，導(dǎo)致已經(jīng)析出的液滴重新?lián)]發(fā)成氣體，從而顯著降低超音速節(jié)流冷凝效果和液體分離效果。本領(lǐng)域的技術(shù)人員一種想解決該問題，但是該一直沒有理想的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述激波導(dǎo)致的能量損失問題，本發(fā)明提供了一種超音速高壓節(jié)流冷凝裝置，該裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、緊湊，成本較低，并且可以顯著降低冷凝裝置擴(kuò)張段內(nèi)的激波強(qiáng)度及其由此產(chǎn)生的能量損失，從而顯著提高節(jié)流冷凝效果和液體析出效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種超音速高壓節(jié)流冷凝裝置，其特征在于，所述高壓節(jié)流冷凝裝置從入口到出口依次包括入口段、拉法爾噴管段、整流分離段以及出口段，所述拉法爾噴管段內(nèi)設(shè)置有中間結(jié)構(gòu)體。該中間結(jié)構(gòu)體，可以將高壓高速氣流經(jīng)過拉法爾噴管擴(kuò)張段時(shí)普遍存在的正激波轉(zhuǎn)變?yōu)樾奔げǎ瑥亩蠓档驮搮^(qū)域內(nèi)氣流的壓力、密度和溫度增幅，也即降低激波所導(dǎo)致的動(dòng)能損失和熵增，提高擴(kuò)張段和分離段內(nèi)的液體冷凝量及整個(gè)高壓節(jié)流裝置的冷凝效率。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述中間結(jié)構(gòu)體為楔形或紡錘形或者錐形結(jié)構(gòu)體，針對(duì)不同的管道，采用不同的形狀，其中平面楔形適用于矩形管道；錐形和紡錘形結(jié)構(gòu)體適用于軸對(duì)稱管道。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述出口段內(nèi)設(shè)置有環(huán)形裝置103。設(shè)置環(huán)形裝置主要是為了加速液體析出進(jìn)程，設(shè)置環(huán)形裝置后，使得冷卻裝置變成雙層結(jié)構(gòu)，即：外側(cè)環(huán)形腔室或管道OO₁，用于快速導(dǎo)出凝結(jié)的液體；軸對(duì)稱內(nèi)管道OO₂，用于輸出剩余氣體。一般地，冷凝液體體積遠(yuǎn)小于剩余氣體體積（二者密度相差10³量級(jí)），因此，外側(cè)管道OO₁的橫截面積遠(yuǎn)小于內(nèi)管道OO₂。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述拉法爾噴管段由亞音速收縮段和超音速 膨脹段組成，其中亞音速收縮段管道橫截面逐漸縮小，超音速 膨脹段管道橫截面逐漸增大。在亞音速段，由于管道橫截面不斷縮小，因此注入的氣體被壓縮、速度增大，直至在管道喉部T處氣體速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲辉诔羲俣蜹QS，管道橫截面增大，氣體急劇膨脹，壓力勢能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此氣體速度進(jìn)一步增大至超音速狀態(tài)，氣體密度、壓力和溫度急速下降，部分氣體冷凝成液體并從混合氣中析出。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述入口段為圓柱型管道或者腔室，用于容納上游輸入的高壓氣流。入口段上設(shè)置有入口端面，所述出口段上設(shè)置出口端面，所述入口端面、出口端面采用高強(qiáng)度鋼或者合金材料。入口端面101與外部高壓氣罐或高壓管道相連，為冷凝裝置提供穩(wěn)定的高壓氣流；出口端面102與低壓容器或管道相連，用于接收節(jié)流冷凝后的低壓低溫氣體和冷凝后的液體。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述拉法爾噴管喉部T的半徑為R_t，其中R_t=2~15cm，所述中間結(jié)構(gòu)體201頂點(diǎn)至拉法爾噴管喉部T的距離a的范圍為0.1R_t<a<2R_t。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述環(huán)形裝置采用高強(qiáng)度鋼或者合金材料。經(jīng)濟(jì)耐用，使用時(shí)間長。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：1）該技術(shù)方案整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，緊湊；2）該技術(shù)方案利用在高壓節(jié)流裝置拉法爾噴管擴(kuò)展段內(nèi)的中間結(jié)構(gòu)體，可以將節(jié)流冷凝時(shí)在拉法爾噴管擴(kuò)張段內(nèi)普遍存在的正激波轉(zhuǎn)化為斜激波，從而大幅降低氣流經(jīng)過激波時(shí)的壓力、密度和溫度增幅，也即降低激波所導(dǎo)致的動(dòng)能損失和熵增，提高擴(kuò)張段TQS和分離段SO內(nèi)的液體冷凝量和冷凝效率；3）該技術(shù)方案中所述的入口端面、出口端面以及環(huán)形裝置等一般采用高強(qiáng)度鋼或合金材料制造，經(jīng)濟(jì)耐用，實(shí)用時(shí)間長。

附圖說明