一種超音速高壓節(jié)流冷凝裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]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)】
[0002]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?；跉怏w可壓縮原理的超音速高壓低溫節(jié)流冷凝技術(shù)是目前一項制備液化天然氣的新型技術(shù)。相對于傳統(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?，F(xiàn)有技術(shù)中的冷凝裝置的主要缺陷在于，當進出口壓力偏離設(shè)計狀態(tài)時，超音速氣體通常會在擴張段處形成正激波現(xiàn)象。正激波是一種很強的物理間斷面。跨過激波面，氣體壓力、密度、溫度急劇增大，動能轉(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】

[0003]針對上述激波導(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)計巧妙、緊湊，成本較低，并且可以顯著降低冷凝裝置擴張段內(nèi)的激波強度及其由此產(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。
[0004]為了實現(xiàn)上述技術(shù)目標，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)過拉法爾噴管擴張段時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)致的動能損失和熵增，提高擴張段和分離段內(nèi)的液體冷凝量及整個高壓節(jié)流裝置的冷凝效率。
[0005]作為本發(fā)明的一種改進，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)體適用于軸對稱管道。
[0006]作為本發(fā)明的一種改進，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;軸對稱內(nèi)管道002，用于輸出剩余氣體。一般地，冷凝液體體積遠小于剩余氣體體積(二者密度相差13量級)，因此，外側(cè)管道。(^的橫截面積遠小于內(nèi)管道002。
[0007]作為本發(fā)明的一種改進，所述拉法爾噴管段由亞音速收縮段和超因素膨脹段組成，其中亞音速收縮段管道橫截面逐漸縮小，超因素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處氣體速度達到當?shù)匾羲?在超音速段TQS，管道橫截面增大，氣體急劇膨脹，壓力勢能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，因此氣體速度進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。
[0008]作為本發(fā)明的一種改進，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。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進，所述拉法爾噴管喉部T的半徑為Rt，其中Rt=2?15cm，所述中間結(jié)構(gòu)體201頂點至拉法爾噴管喉部T的距離a的范圍為0.lRt〈a〈2Rt。
[0010]作為本發(fā)明的一種改進，所述環(huán)形裝置采用高強度鋼或者合金材料。經(jīng)濟耐用，使用時間長。
[0011]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點如下:I)該技術(shù)方案整體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，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展段內(nèi)的中間結(jié)構(gòu)體，可以將節(jié)流冷凝時在拉法爾噴管擴張段內(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)過激波時的壓力、密度和溫度增幅，也即降低激波所導(dǎo)致的動能損失和熵增，提高擴張段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度鋼或合金材料制造，經(jīng)濟耐用，實用時間長。
【附圖說明】
[0012]圖1為高壓節(jié)流冷凝裝置剖視圖；
圖2為擴張段內(nèi)的激波形態(tài)示意圖；
圖3為氣體壓力P、溫度T隨流道位置(J-T-Q-S)的變化曲線；
圖4為氣體速度(馬赫數(shù)M)隨流道位置(J-T-Q-S )的變化曲線；
圖5為中間結(jié)構(gòu)體幾種形狀結(jié)構(gòu)示意圖；其:(a)平面楔形、(b)錐形、(C)紡錘形、
圖中:1、整個節(jié)流冷凝裝置，101、入口端面，102、出口端面，103、環(huán)形裝置，IJ、入口段，JTQS、拉法爾噴管段，SO、整流分離段，OO1出口段，201、中間結(jié)構(gòu)體。
【具體實施方式】
[0013]為了加深對本發(fā)明的認識和理解，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步闡述本發(fā)明。
[0014]實施例1:參見圖2、圖3，一種超音速高壓節(jié)流冷凝裝置，所述高壓節(jié)流冷凝裝置從入口到出口依次包括入口段IJ、拉法爾噴管段JTQS、整流分離段SO以及出口段OO1，所述拉法爾噴管段JTQS內(nèi)設(shè)置有中間結(jié)構(gòu)體201。該中間結(jié)構(gòu)體，可以將高壓高速氣流經(jīng)過拉法爾噴管擴張段時普遍存在的正激波轉(zhuǎn)變?yōu)樾奔げ?，從而大幅降低該區(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)致的動能損失和熵增，提高擴張段和分離段內(nèi)的液體冷凝量及整個高壓節(jié)流裝置的冷凝效率。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101，所述出口段上設(shè)置出口端面102，所述入口端面101、出口端面102采用高強度鋼或者合金材料。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。
[0015]實施例2:參見圖2、圖3，作為本發(fā)明的一種改進，所述中間結(jié)構(gòu)體201為楔形或紡錘形或者錐形結(jié)構(gòu)體，針對不同的管道，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)體適用于軸對稱管道。
[0016]實施例3:參見圖2、圖3，作為本發(fā)明的一種改進，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;軸對稱內(nèi)管道002，用于輸出剩余氣體。一般地，冷凝液體體積遠小于剩余氣體體積(二者密度相差13量級)，因此，夕卜側(cè)管道。(^的橫截面積遠小于內(nèi)管道002。，所述拉法爾噴管段由亞音速收縮段和超因素膨脹段組成，其中亞音速收縮段