Метод сжижения газа и устройство его реализации

007998 Изобретение относится к методам и установке сжижения газа, может применяться в промышленности, энергетике, транспорте, в научных испытаниях и в других сферах. Известен метод сжижения газа, согласно которому газ подвергается воздействию центробежной силы, превышающей атмосферное давление, а после появления в области оси вращения предвакуумной разреженности центробежная сила убавляется до степени уравновешивания с давлением наружной окружающей среды, наполненной тем же газом, и одновременно производится принудительное удаление жидкого газа, образовавшегося в области оси вращения [1]. В известном методе после образовния предвакуумной разреженности противодавление, созданное центробежной силой в результате вращения камеры, уравновешивают с давлением вторгающегося газа, в результате которого не обеспечивается результативный поток в камеру подлежащего охлаждению газа, следовательно, производительность - низкая. А также не обеспечивается непрерывность процесса самовакуумирования в результате процесса охлаждения после появления предвакуумной разряженности в области оси вращения камеры. В процессе вторжения газа в камеру из-за образующейся рзности давлений между внешней средой и камерой не формируется та сила, которая смогла бы производить полезную работу как для вращательного, так и для поступательного движения. Отсутствует рекуперативный теплообмен. Задачей изобретения относительно метода является обеспечение непрерывности процесса, увеличение производительности, уменьшение энергопотребления, получение полезной механической работы. Суть предлагаемого метода следующая: центробежную силу убавляют до такой величины, когда перед входом центробежной камеры противодавление, вызванное центробежной силой, ниже давления вторгающегося газа, и параллельно непрерывной работе камеры применяют принудительное вакуумирование, вторгающийся в камеру газ охлаждают рекуперативным теплообменом, а полученный жидкий газ вводят в рекуперативный теплообмен вместе с новыми патоками газа, вторгающегося в центробежную камеру, преобразуя жидкий газ в сжатый газ. Известно устройство сжижения газа, которое состоит из центробежной камеры, составленной из двух параллельных дисков и расположенных между ними радиальных лопаток, привода, регулятора скорости, всасывающего насоса и накопителя жидкого газа [1]. Устройство имеет низкую производительность, большие энергозатраты, не представляет из себя машины, выполняющей вращательные или поступательные движения в газовой среде. Высокие обороты вентилятора центробежной камеры. Задачей изобретения относительно устройства является повышение производительности, понижение энергозатрат, уменьшение размеров лопаток вентилятора центробежной вихревой камеры, а также превращение устройства в машину, выполняющую вращательные или поступательные движения в газовой среде. Суть предложенного устройства заключается в том, что вихревая центробежная камера установлена соосно в барабанном корпусе, который имеет входные отверстия для газа и возможность вращения, при этом входные отверстия имеют регулирующие поток газа клапаны, вакуумный насос, который постоянно производит принудительное вакуумирование в центробежной камере, к накопителю жидкого газа соединены баростойкие сосуды со своими клапанами. Установка имеет также рекуперативное теплообменное газотурбинное устройство, расположенное по наружному периметру центробежной камеры, присоединенное к теплообменнику, камере и барабану. В другом случае барабан неподвижно прикреплен к другому, также неподвижному наружному корпусу, имеющему произвольную конфигурацию, на поверхность которого выведены входные отверстия барабана со своими регулирующими клапанами. В газотурбинной установке сжатый газ выполняет механическую работу, пуская в ход центробежную камеру и частично извергаясь наружу из реактивных сопел, вызывает реактивное движение. В обеих случаях центробежная вихревая камера может иметь любую пространственную ориентировку, а также соответствующую форму и положение лопаток вентилятора. Суть предлагаемого метода и осуществляющей его установки раскрывается на фиг. 1, 2, 3, 4. На фиг. 1 изображен внешний вид установки, на фиг. 2 - вертикальный разрез; на фиг. 3 - разрез АА вихревой центробежной камеры; на фиг. 4 - установка как аппарат поступательного, так и вращательного движения. Установка состоит из внешнего барабана (1) с расположенными на нем входными отверстиями для газа (2) со свомими клапанами (3), регулирующими паток газа, соосно барабану (1) установлена центробежная камера сжижения газа (4), состоящая из конусообразных параллельных дисков (5) и расположенных между ними радиальных лопаток (6), редуктора (7). Соосно внутреннему диску расположен патрубок (9) со своим термоизоляционным слоем (8), который посредством затвора (10) связан с регулирующими клапанами (12) вакуумного насоса (11) и накопителями жидкого газа (13), откуда жидкий газ перемещается по трубопроводу (14) через затворы (15) в баростойкие сосуды (16), а потом по трубопроводу (17) к теплообменнику (18), газотурбинной установке (19) и реактивным соплам (20). По варианту реализации фиг. 4 барабан (1) неподвижно присоединяется к неподвижной оси вращения (9), вокруг которой вращается только центробежная вихревая камера (4), устройство полностью охвачено неподвижным кожухом (21) произвольной конфигурации, на наружную поверхность которой выведены входные трубы (22) внутреннего барабана (1) со своими регулирующими клапанами (3).-1 007998 Ниже приведен пример работы предлагаемого устройства. В фазе запуска в закрытом состоянии регулирующих клапанов (3) входных отверстий (2) барабана(1) газ в вихревой центробежной рабочей камере (4) подвергается воздействию центробежной силы, превышающей давление наружной окружающей среды, что добиваются, вращая штормовую центробежную камеру (4). Вращения центробежной камеры вызывают воздействие центробежной силы на частицы газа внутри ее и вытесняют их из камеры, создавая предвакуумную разреженность. В течение рабочей фазы соединяется насос (11), образующий принудительный вакуум, открывается клапан (10) и клапаны (3), регулирующие вход газа. Начинается вторжение газа в центробежную рабочую камеру (4). В процессе вторжения сила, сформированная за счет разницы давлений наружной окружающей среды и камеры, создаст вращающий момент относительно барабана (1), который через редуктор (7) переходит к центробежной камере (4). Конденсированное вещество в центральной части камеры всасывается термоизолированной трубой (9) через вакуумный насос (11), создавая принудительное вакуумирование, и направляется в комплект сосудов Дюара (13), которые работают поочередно. Когда один из них заполняется, существует еще один другой, который опорожняется, а остальные - в режиме ожидания. Сжижаемое вещество непрерывным потоком переносится через трубопровод (14) и клапаны (15) в комплект баростойких сосудов (16), которые тоже работают поочередно, наполняются и опорожняются посредством взаимно согласованной работы систем клапанов (15). Когда один из сосудов заполняется,другой опорожняется, а остальные - в режиме ожидания. Под воздействием высокого давления в закрытых баростойких сосудах жидкое вещество течет по трубопроводу (17) к рекуперативному теплообменнику, расположенному на внешнем контуре вихревой центробежной камеры. Здесь жидкий газ воспроизводится как сжатый газ и через газотурбинную систему (19) частично вращает вихревую центробежную камеру (4) и отчасти извергается наружу из реактивных сопел (20) или же участвует в очередной циркуляции. В рабочем варианте на фиг. 4 изображена принципиальня схема действия устройства, выполнявшего поступательное движение, имеющего внешний неподвижный кожух с произвольной конфигурацией. В этом случае неподвижный барабан (1) присоединен к другому, также неподвижному кожуху с произвольной конфигурацией (21), на поверхность которой выведены входные отверстия (22) внутреннего барабана (1) со своими регулирующими клапанами (3). Если один из клапанов открыт, когда другие закрыты, тогда все устройство вступает в поступательное движение в этом направлении. Предлагаемый метод реализуется следующим образом. В течение пусковой фазы при закрытых регулирующих клапанах входных отверстий газ в центробежной рабочей камере подвергается воздействию центробежной силы, превышающей давление наружной окружающей среды, что достигается вращением вихревой центробежной камеры. Вращения центробежной камеры вызывают влияние центробежной силы на частицы газа в ней и вытесняют их из камеры,создавая предвакуумную разреженность. В рабочей фазе открываются клапаны охлаждающего агента, текущего из баростойких сосудов к теплообменнику. Проходя через теплообменник, охлаждющий агент отбирает теплоту воздуха, находящегося в барабане, соосно расположенном в герметически закрытой камере. Охлаждющий агент преобразуется в сжатый газ, способный выполнять наружную механическую работу, а находящийся в барабане и внедряющийся в процессе дальнейшей работы газ охлаждается и по касательной к направлению вращения камеры направляется в центробежную камеру. Следовательно они входят в поле центробежных сил, имея относительно низкую температуру и малый энергоспрос вращения. Включается насос, создающий принудительный вакуум в центре камеры, открывается клапан удаления жидкого газа, клапаны,регулирующие вход газа в камеру и, опуская лопатки вентилятора камеры, держат противодавление центробежной силы на более низком уровне, чем давление наружной окружающей среды. В другом варианте реализации для увеличения разницы между давлениями полностью загруженной рабочей камеры, наружной окружающей среды и барабана газ из барабана принудительно направляется в вихревую рабочую камеру. В результате разницы Р 0-P1=P между давлением наружной окружающей среды Р 0 и давлением барабана P1 газ вначале подвергается изобарному расширению и, действуя на входные отверстия силой F=PS, пытается заставить барабан вращаться вокруг оси вращения, влияя на него вращательным моментом М=(Р 0-P1)SR,где S - площдь сечения отверстия;R - расстояние геометрического центра отверстия от оси вращения. М=PSR вращательный момент передается на вращательную центробежную рабочую камеру, но очевидно, что он недостаточен для вращения камеры. Нехватка механической энергии для работы устройства дополняется за счет работы газотурбиновой установки. После выполнения механической работы изобарного расширения для вращения барабана под стабильным давлением Р 0 окружающей среды и далее после подвергания рекуперативному теплообмену сжижаемый газ впускается или принудительно вводится в центробежную рабочую камеру по направлению лопаток вентилятора, имея при этом некоторую кинетическую энергию вращения и низкую темпе-2 007998 ратуру. В камере частицы газа под воздействием лопаток начинают вращательное движение, подвергаясь влиянию центробежной силы, вследствие чего препятствуется их движение к центру камеры. Вторгнутые в камеру по причине разницы между давлениями периферийной части и центра камеры частицы газа из-за взаимных ударов расширяются к центру, подвергаясь препятствующему влиянию центробежной силы. В системе вычислений лопатки ось X направим к центру камеры параллельно лопатке, ось Y - по касательной перпендикулярно лопатке, а ось Z параллельно лопатке по высоте камеры. Из составляющих Vx, Vy и Vz скорости частиц Vx - после каждого межмолекулярного удара уменьшается под влиянием центробежной препятствующей силы на среднюю длину свободного пробега, но в результате следующего взаимодействия приобретает компонент -Vx и снова расходует его. Каждая молекула, движущаяся вместе с воздушным потоком к центру камеры, подвергается множеству ударов и в периоде между ударами теряет компонент-Vx своей скорости и следовательно 1/3 часть своей кинетической энергии. Частицы газа, движущиеся от периферии к центру камеры, расходуя среднюю кинетическую энергию движения на преодоление центробежной силы камеры, охлаждаются и в центральной части камеры происходит их конденсация, при этом непрерывно продолжается процесс самовакуумирования. А сжиженное вещество через всасывающий насос принудительно удаляется в накопители жидкого газа. Здесь вещество переохлаждают, а потом перемещают в баростойкие сосуды. Из баростойких сосудов сжиженный газ в качестве охлаждающего агента по трубопроводу течет в теплообменник, где, подвергаясь рекуперативному теплообмену, преобразуется в сжатый газ, спосбный выполнять наружную механическую работу. В другом варианте реализации неподвижный барабан прикреплен к неподвижному наружному кожуху с произвольной конфигурацией, на поверхность которого выведены входные трубы внутреннего барабана со своими регулирующими клапанами. Если один из клапанов открыт, когда другие закрыты,то устройство пускается в поступательное движение в этом направлении. Вычисления показывают, что при температуре воздуха 0 С и радиусе камеры 0,4 м требуемое число оборотов камеры в фазе запуска составляют 8000 об./мин, при рабочей фазе - 7000 об./мин. На расстоянии 0,05 м от оси вращения камеры средняя кинетическая энергия молекулы воздуха будет соответствовать температуре Т=10 К (-260 С). В этой стадии расход энергии установки обусловлен энергией, необходимой для сохранения равномерных вращений камеры, которая равняется внутренней энергии сжижаемого газа плюс энергия, расходованная насосом. При превращении устройства в аппарат, выполняющий поступательное движение, неподвижный барабан прикреплен к неподвижному наружному кожуху с произвольной конфигурацией, на поверхность которого выведены входные трубы внутреннего барабана со своими регулирующими клапанами. Если один из клапанов открыт, когда другие закрыты, тогда весь прибор пускается в поступательное движение в этом направлении. Источник информации[1] Патент РА 1061, 18.12.2001 г. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Метод сжижения газа, согласно которому в центробежной камере газ подвергается воздействию центробежной силы, превышающей атмосферное давление, после образования в области оси вращения предвакуумной разреженности, центробежную силу уменьшают и одновременно производят принудительное удаление образовавшегося в области оси вращения жидкого газа, отличается тем, что центробежная сила уменьшается до такой величины, при которой противодавление центробежной силы на входе в центробежную камеру ниже, чем давление вторгающегося газа и, параллельно непрерывной работе камеры, применяют принудительное вакуумирование, вторгающийся в камеру газ охлаждают рекуперативным теплообменом, а полученный жидкий газ вводят в рекуперативный теплообмен с новыми потоками газа, вторгающегося в центробежную камеру, преобразуя жидкий газ в сжатый газ, а потом удаляют из барабана. 2. Устройство сжижения газа, которое имеет центробежную камеру, состоящую из двух соосных дисков и радиальных лопаток между ними, к нижнему диску соосно прикреплен термоизоляционный выходной патрубок, который с помощью клапана связан с всасывающим насосом, вызывающим принудительное вакуумирование, и с накопителем жидкого газа, взаимосвязанный с центробежной камерой редуктор передачи вращений, отличается тем, что центробежная камера соосно установлена в кожухе барабанного типа, имеющего входные отверстия и возможность вращения, притом входные отверстия имеют регулирующие поток газа клапаны, к накопителю жидкого газа соединены баростойкие сосуды со своими клапанами, рекуперативный теплообменник, расположенный по периметру центробежной камеры, газотурбинную установку, присоединенную к теплообменнику, камере и барабану. 3. Устройство по п.2, отличается тем, что барабан неподвижно прикреплен в неподвижном наружном кожухе произвольной конфигурации, на поверхность которого выведены входные отверстия барабана со своими регулирующими клапанами.