Очиститель воздуха турбодетандерной холодильной машины

Авторы патента:

Полезная модель относится к холодильной технике и может быть использована в различных технологических процессах, требующих охлаждения объектов до низких температур с помощью турбодетандерной холодильной машины. Техническим результатом полезной модели является обеспечение бесперебойной работы ВХМ при низких технологических температурах порядка 100-170 К за счет надежной очистки рабочего тела (воздуха) от влаги и углекислого газа. Очиститель выполнен по принципу «молекулярного сита» в виде двух заполненных цеолитом очистительных емкостей с переключающим устройством, посредством которого каждая из очистительных емкостей поочередно либо подключена к входу теплообменника и служит рабочей очистительной емкостью, либо отключена от источника сжатого воздуха и находится на регенерации. Для обеспечения качественной очистки выход очистителя (вход теплообменника ВХМ) оборудован измерителем-термогигрометром, настроенным на заданную точку росы, электрический выход которого соединен с контроллером, вырабатывающим управляющие сигналы на переключающее устройство и запорную арматуру. Каждая очистительная емкость посредством дополнительных воздушных магистралей соединена с источниками горячего и сухого холодного воздуха. При достижении точки росы контроллер имеет возможность отключать отработанную вторую очистительную емкость от источника сжатого газа и включать в работу первую очистительную емкость, одновременно включая продувку второй очистительной емкости горячим воздухом от магистрали горячего воздуха для регенерации цеолита. Затем контроллер включает продувку второй очистительной емкости холодным воздухом для охлаждения цеолита. Суммарное время нагрева и охлаждения цеолита второй очистительной емкости меньше, чем время, за которое цеолит первой очистительной емкости теряет свои очищающие свойства. 3 з.п.ф., 1 илл., 5 лит.ист.

Известно, что осушку воздуха как рабочего тела воздушной холодильной машины (ВХМ) осуществляют, как правило, в регенераторах. В традиционной схеме ВХМ используют два регенератора для того, чтобы прямой поток влажного воздуха из атмосферы всегда шел через охлажденный и осушенный регенератор, а "обратный" через другой регенератор, осушая и охлаждая его, т.е. подготавливая для прямого потока. При охлаждении до 80°C и ниже влага выпадает на холодной насадке регенератора, а затем либо выбрасывается в атмосферу, либо удаляется из отстойника (использовано, например, в ВХМ по авторскому свидетельству СССР N 1776942, кл. F25B 11/00, 1990 г. ). Очищенный сжатый атмосферный воздух подают на турбодетандер для охлаждения. Затем цикл повторяется.

Для повышения надежности и эффективности технологического процесса применяют различные технические решения, например регенераторы дополнительно соединяют между собой противоположными концами (см. пат. РФ 2097663, МПК F25B 9/00, опубликовано: 27.11.1997).

Однако, «обратный» поток воздуха не может вынести всю влагу, образовавшуюся после прохождения прямого потока, из регенератора, сделать его совершенно сухим, так как при прохождении по длине регенератора параметры воздуха (температура, давление) непрерывно меняются.

Используют также силикагельную сушку влажного воздуха, для чего воздух продувают через емкость, заполненную силикагелем (SiO₂ - окись кремния). Силикагель адсорбирует влагу, предотвращая ее замерзание в арматуре и детандере. Периодически силикагель извлекают из корпуса емкости и прокаливают при температуре 120-130 C, и вновь используют в осушителе, либо заменяют свежим (см. Зайцев В.П. Холодильная техника. ГИТЛ, 1962, стр. 197).

Вместе с тем для очистки и осушки воздуха все чаще используют комплексную цеолитную чистку на т.н. «молекулярных ситах». Известен способ осушки газов на цеолите (см. пат. РФ 2030199, B01D 53/02, опубликовано: 10.03.1995). Сущность изобретения: заключается в способе осушки газов, включающим адсорбцию влаги гранулированным цеолитом NaA с последующей регенерацией насыщенного цеолита продувкой нагретым газом, в котором используют цеолит с насыпной плотностью 0,650-0,750 г/см³ и объемом вторичных пор 0,220-0,250 см³/г, при этом адсорбцию ведут при 40-60°C, а регенерацию цеолита при 280-310°C. Принято за прототип.

Недостатком известного устройства является то, что, согласно изобретению, в адсорбере по этому способу получают воздух с высокой точкой росы порядка 70°C, кроме того, в устройстве не предусмотрено регулирование и контроль качества воздуха, подаваемого в систему ВХМ, и не обеспечена непрерывность процесса осушки при регенерации цеолита.

Необходимо охладить адсорбер до рабочей температуры турбодетандера, иначе возможен проскок CO₂, который может привести к нарастанию сухого льда в теплообменнике и забивку арматуры турбодетандера (Глухов В.А. Специальный цеолит КА-СО для эффективной осушки диоксида углерода / В.А. Глухов, Д.А. Глухов // Техн. газы. - 2009. - 4. - С. 70-72; Глухов А.В. Опыт применения синтетических цеолитов NaX для очистки воздуха от паров воды и диоксида углерода. Ярославль, РеалСорб, 2010).

Ввиду работы оборудования при низких температурах, воздух (рабочее тело ВХМ) должен быть тщательно очищен, чтобы обеспечить отсутствие ледяных отложений. Очистка сжатого воздуха заключается в удалении из него углекислоты и влаги до заданной точки росы, чтобы обеспечить непрерывную работу ВХМ при рабочих температурах холодильника до 120 К и ниже.

Поставленная задача решается тем, что очиститель воздуха, соединенный входом с источником сжатого воздуха, а выходом через полость теплообменника с турбодетандерным агрегатом, имеет следующую конструкцию. Очиститель выполнен по принципу «молекулярного сита» в виде двух заполненных цеолитом очистительных емкостей с переключающим устройством, посредством которого каждая из очистительных емкостей поочередно либо подключена к входу теплообменника и служит рабочей очистительной емкостью, либо отключена от источника сжатого воздуха и находится на регенерации. При периодической регенерации очистительной емкости закрывается элемент запорной арматуры, осуществляющий подачу сжатого воздуха, а сама емкость сообщается с атмосферой. Для обеспечения качественной очистки выход очистителя воздуха (он же вход теплообменника ВХМ) оборудован измерителем-термогигрометром, настроенным на заданную точку росы, электрический выход которого соединен с контроллером, вырабатывающим управляющие сигналы на переключающее устройство и элементы запорной арматуры.

Каждая очистительная емкость посредством дополнительных воздушных магистралей с соответствующей запорной арматурой соединена с источниками горячего воздуха и сухого холодного воздуха, магистраль горячего воздуха служит для продувки и регенерации цеолита, магистраль холодного воздуха - для охлаждения цеолита после регенерации.

Заявленный очиститель воздуха может иметь различные воплощения. В частных случаях потребителя холода ниже 170 К точку росы выбирают в диапазоне 200±3 К, что гарантирует адсорбцию углекислого газа без образования сухого льда в узлах оборудования ВХМ. Для качественной регенерации, ввиду значительной массы цеолита в очистителе, температуру регенерирующего воздуха обеспечивают в диапазоне 390 - 410°С.Для этого дополнительная магистраль горячего воздуха оборудована нагревателем, нагревающим воздух до требуемой температуры. Часть обратного потока отработанного воздуха, использованного в холодильнике ВХМ, может быть использована не только для предварительного захолаживания прямого потока, но и для охлаждения цеолита после термической регенерации.

Для непрерывной и бесперебойной работы ВХМ дополнительная магистраль холодного воздуха подсоединена к магистрали отработанного воздуха холодильной машины в точке с давлением, достаточным для продувки регенерируемой очистительной емкости холодным воздухом.

Заявленное устройство иллюстрируется схемой фиг. 1. Светлым цветом на схеме изображены открытые в данный момент исполнительные элементы запорной арматуры, темным цветом - закрытые. Цифрами на схеме обозначены: 1 - источник сжатого воздуха; 2 и 3 -очистительные емкости; 4 - переключающее устройство; 5 - теплообменник ВХМ; 6 - турбодетандерный агрегат ВХМ; 7 - потребитель холода; 8 - измеритель-термогигрометр; 9 - контроллер, управляющий переключающим устройством и запорной арматурой; 10 - магистраль горячего воздуха; 11 -нагреватель; 12 - магистраль сухого холодного воздуха; 13, 14 - исполнительные элементы запорной арматуры для продувки регенерируемой емкости.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Предлагаемый очиститель работает по принципу «молекулярное сито» на цеолите NaX, например, марки ТУ 38.10281-88. Цеолит NaX характеризуется хорошей динамической адсорбционной емкостью по CO2, а его рабочий цикл достигает 10-12 час, увеличиваясь для мелкодисперсных сортов цеолита.

Измеритель-термогигрометр 8 контролирует качество сжатого воздуха, поступающего в турбодетандер 6 ВХМ, не допуская обледенения рабочих узлов устройства. Продолжительность режима очистки каждой из очистительных емкостей регулируется устройством контроля качества воздуха, например, измерителем-термогигрометром «ИВА-6Б», измеряющим точку росы (см. руководство по эксплуатации ЦАРЯ 7.772.001РЭ). Для ведения технологического процесса достаточно установить массовый расход воздуха, обеспечивающий осушение воздуха до точки росы около 200 К. При этом нет необходимости отдельно контролировать содержание CO₂, поскольку при точке росы вблизи 200 К гарантированно обеспечивается сорбционная способность цеолита по углекислоте и отсутствие проскоков углекислого газа в турбодетандер.

Периодическая регенерация цеолита осуществляется путем продувки слоя цеолита сжатым воздухом, нагретым до температуры 390 - 410°C. Контроллер 9 запрограммирован на получение сигнала от измерителя-термогигрометра 8, т.е. на заданную точку росы. При достижении заданной точки росы он отключает отработанную очистительную емкость 3 от источника сжатого воздуха 1 (темный элемент на схеме), сообщает ее с атмосферой (светлый элемент на схеме), включает исполнительный элемент запорной арматуры 13 для продувки очистительной емкости 3 горячим воздухом. Одновременно переключающее устройство 4 по команде контроллера 9 включает в работу очистительную емкость 2. После завершения процесса регенерации контроллер включает исполнительный элемент запорной арматуры 14 для продувки очистительной емкости 3 холодным воздухом и охлаждения цеолита. Суммарное время процессов нагрева и охлаждения цеолита очистительной емкости 3 меньше, чем время, за которое цеолит очистительной емкости 2 теряет свои очищающие свойства. При регенерации в течение 2 часов цеолит нагревается до 230-260°C, затем следует охлаждение в течение примерно 4 час отработанным холодным воздухом, и примерно через 6 часов очистительная емкость 3 снова готова к работе. Работа второй очистительной емкости аналогична. Это гарантирует непрерывную работу заявленного очистителя воздуха и холодильной машины в целом.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение надежной бесперебойной работы воздушной холодильной машины при низких технологических температурах порядка 100-170 К.

1. Очиститель воздуха турбодетандерной холодильной машины, имеющий переключающее устройство и запорную арматуру, соединенный входом с источником сжатого воздуха, а выходом через полость теплообменника с турбодетандерным агрегатом, включающий две заполненные цеолитом NaX очистительные емкости с переключающим устройством, посредством которого каждая из очистительных емкостей поочередно либо подключена к источнику сжатого воздуха и к входу теплообменника и служит рабочей очистительной емкостью, либо отключена от источника сжатого воздуха и находится на регенерации, отличающийся тем, что вход теплообменника оборудован измерителем-термогигрометром, настроенным на заданную точку росы, электрический выход которого соединен с контроллером, вырабатывающим управляющие сигналы на переключающее устройство и исполнительные элементы запорной арматуры, при этом каждая очистительная емкость посредством дополнительных воздушных магистралей с элементами запорной арматуры соединена с источником горячего воздуха для продувки и регенерации цеолита и с источником сухого холодного воздуха для охлаждения цеолита после регенерации.

2. Очиститель воздуха по п. 1, отличающийся тем, что измеритель-термогигрометр настроен на точку росы 200±3 К.

3. Очиститель воздуха по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная воздушная магистраль горячего воздуха подсоединена к источнику сжатого воздуха холодильной машины и оборудована нагревателем, обеспечивающим температуру регенерирующего воздуха в диапазоне 390-410°C.

4. Очиститель воздуха по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная магистраль холодного воздуха подсоединена к магистрали отработанного воздуха холодильной машины в точке с давлением, достаточным для продувки регенерируемой очистительной емкости холодным воздухом.