[发明专利]一种超音速高压节流冷凝装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，具体涉及一种超音速高压节流冷凝装置，属于冷凝装置技术领域。

背景技术

作为一种洁净、优质能源，天然气在全球能源结构中的地位越来越突出。天然气液化和分离是石油化工生产的重要技术领域。基于气体可压缩原理的超音速高压低温节流冷凝技术是目前一项制备液化天然气的新型技术。相对于传统的换热冷却技术来说，超音速高压低温节流冷凝技术具有显著的成本低、能耗低、效率高等优势，目前已在石油化工领域具有重要应用，此外在空调等制冷行业也有应用。现有技术中的冷凝装置的主要缺陷在于，当进出口压力偏离设计状态时，超音速气体通常会在扩张段处形成正激波现象。正激波是一种很强的物理间断面。跨过激波面，气体压力、密度、温度急剧增大，动能转化为内能和热。因此，激波现象将破坏分离段内的低温、低压环境，导致已经析出的液滴重新挥发成气体，从而显著降低超音速节流冷凝效果和液体分离效果。本领域的技术人员一种想解决该问题，但是该一直没有理想的技术方案。

发明内容

针对上述激波导致的能量损失问题，本发明提供了一种超音速高压节流冷凝装置，该装置整体结构设计巧妙、紧凑，成本较低，并且可以显著降低冷凝装置扩张段内的激波强度及其由此产生的能量损失，从而显著提高节流冷凝效果和液体析出效率。

为了实现上述技术目标，本发明的技术方案如下：一种超音速高压节流冷凝装置，其特征在于，所述高压节流冷凝装置从入口到出口依次包括入口段、拉法尔喷管段、整流分离段以及出口段，所述拉法尔喷管段内设置有中间结构体。该中间结构体，可以将高压高速气流经过拉法尔喷管扩张段时普遍存在的正激波转变为斜激波，从而大幅降低该区域内气流的压力、密度和温度增幅，也即降低激波所导致的动能损失和熵增，提高扩张段和分离段内的液体冷凝量及整个高压节流装置的冷凝效率。

作为本发明的一种改进，所述中间结构体为楔形或纺锤形或者锥形结构体，针对不同的管道，采用不同的形状，其中平面楔形适用于矩形管道；锥形和纺锤形结构体适用于轴对称管道。

作为本发明的一种改进，所述出口段内设置有环形装置103。设置环形装置主要是为了加速液体析出进程，设置环形装置后，使得冷却装置变成双层结构，即：外侧环形腔室或管道OO₁，用于快速导出凝结的液体；轴对称内管道OO₂，用于输出剩余气体。一般地，冷凝液体体积远小于剩余气体体积（二者密度相差10³量级），因此，外侧管道OO₁的横截面积远小于内管道OO₂。

作为本发明的一种改进，所述拉法尔喷管段由亚音速收缩段和超音速 膨胀段组成，其中亚音速收缩段管道横截面逐渐缩小，超音速 膨胀段管道横截面逐渐增大。在亚音速段，由于管道横截面不断缩小，因此注入的气体被压缩、速度增大，直至在管道喉部T处气体速度达到当地音速；在超音速段TQS，管道横截面增大，气体急剧膨胀，压力势能和内能转化为动能，因此气体速度进一步增大至超音速状态，气体密度、压力和温度急速下降，部分气体冷凝成液体并从混合气中析出。

作为本发明的一种改进，所述入口段为圆柱型管道或者腔室，用于容纳上游输入的高压气流。入口段上设置有入口端面，所述出口段上设置出口端面，所述入口端面、出口端面采用高强度钢或者合金材料。入口端面101与外部高压气罐或高压管道相连，为冷凝装置提供稳定的高压气流；出口端面102与低压容器或管道相连，用于接收节流冷凝后的低压低温气体和冷凝后的液体。

作为本发明的一种改进，所述拉法尔喷管喉部T的半径为R_t，其中R_t=2~15cm，所述中间结构体201顶点至拉法尔喷管喉部T的距离a的范围为0.1R_t<a<2R_t。

作为本发明的一种改进，所述环形装置采用高强度钢或者合金材料。经济耐用，使用时间长。

相对于现有技术，本发明的优点如下：1）该技术方案整体结构设计巧妙，紧凑；2）该技术方案利用在高压节流装置拉法尔喷管扩展段内的中间结构体，可以将节流冷凝时在拉法尔喷管扩张段内普遍存在的正激波转化为斜激波，从而大幅降低气流经过激波时的压力、密度和温度增幅，也即降低激波所导致的动能损失和熵增，提高扩张段TQS和分离段SO内的液体冷凝量和冷凝效率；3）该技术方案中所述的入口端面、出口端面以及环形装置等一般采用高强度钢或合金材料制造，经济耐用，实用时间长。

附图说明