CN102597670B - 氦回收设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于无损失回收氦的设备，该设备能够将氦连续地供应给需要所述元素用于制冷的装置，或当不需要对其进行分配时用于存储所述元素。

Description

氦回收设备
技术领域
本发明涉及一种气体回收设备，也称为“气体液化设备”；更具体地涉及模块化气体回收设备，适用于有效的气体供应、回收和存储以实现闭合系统内的零损失。
背景技术
虽然氦（He）是宇宙中含量第二最丰富的元素，但在地球上它是稀有的并且提取起来很困难。氦以气态形式作为天然放射性蜕变（radioactivedisintegration）的副产物在地下被发现。通过分离方法将He与在天然气井中发现的其它气体分离。
气相He通常在高压下在容器中被运送，当处于液相时，则在或接近大气压下在绝热容器中（称为适合储存He的“杜瓦瓶”（Dewars））运送。液体形式的He通常是通过高功率的工业液化设备得到的，本文提到如“等级XL”的液化器，其生产的液化的He的量>1000l/h，且需要>1000kW的功率，这些等级XL设备通常产生约1l/h/kW的液化效率，在这些等级XL的液化器中，氦气经历一个或多个循环的热动力学过程，然后将气体冷却直至它达到它的液化温度。这些液化设备的技术可追溯到上个世纪，并且可以称之为“Collins技术”，有鉴于US专利2,458,894、3,415,077、和3,438,220，每一个都是SamuelC.Collins发表的。此外，鉴于上述等级XL的液化器，本文可能会涉及其它各种液化等级。例如，等级L的液化器是指那些生产（速率）大于100l/h的液化器；而等级M的液化器是指那些生产（速率）大于20l/h的液化器。所有这些大规模液化器通常可以实现约10l/d/kW输入功率的液化效率。
He气的科学应用和工业应用是巨大的。对于处于气相的情况，环境温度下He对焊接是有用的、并且作为使气囊漂浮的一种手段。此外，处于液相的情况，在环境压力下，He通常是冷的，是或接近-269°C，因此常用于医学装置和科学装置等的制冷。因此，He被认为是一种宝贵资源，将关注投向提高氦气的回收再利用，尤其是能可忽略损失地或无损失地实现的回收再利用。
现代的回收设备中，通常处理He气经过多个阶段，即阶段1：回收；阶段2：在压力下存储；阶段3：纯化；阶段4：液化；以及阶段5：分配。这些现代设备为人所知的是在上面提到的每一个阶段中都会产生损失。此外，即使在一个或几个阶段的损失非常小，但是累积到一起，总损失是显著的，每次循环常常超过10%。此外，无论某个特殊设备的液体消耗速率如何，只要它的液化速率通常不能针对消耗进行调节和调适，这些设备都需要复杂的装置来存储体积巨大的高压气体。最后，在不能调节液化速率的能力的情况下，以超过消耗的体积生产该液化的氦，这需要使用非常大的存储杜瓦瓶，并且由此需要较小的运输杜瓦瓶来将液体分配给该液态气体的最终端用户。
随着能够实现低于液态氦的温度的封闭式循环制冷器的出现，例如那些基于吉福德-麦克马洪（GM）（GiffordMcMahon）和脉冲管技术的（制冷器），具有较低液化速率和较低维护需求的液化器已经被开发。在这样的液化器中，待液化的气体不经历任何复杂的热力学循环，而是通过与低温制冷器的不同阶段进行对流和直接热交换进行冷凝，并且随后存储在杜瓦瓶中。然而，基于GM或脉冲管技术已经开发出这样的He回收设备，适合产生与上述等级XL液化设备相当的液化效率；即1l/h/kW。
在试图解决针对单个医学或科学仪器的问题方面，已经开发出了结合了封闭式循环制冷器以用于将由该医学或科学仪器蒸发的He收集并再冷凝的多种液化系统。
然而，这些系统中每个仪器使用一个制冷器，因此未充分利用制冷器的能力。然而，对于其中直接安装制冷器在技术上不可行的安装而言，这些封闭式循环制冷器系统未能解决这个问题。此外，当大量的仪器需要制冷时，关于相应数量的制冷器的购置和维护成本也使这种解决方案成为问题。
因此，人们也迫切并非常关注气体回收和净化设备，尤其是基于封闭式循环制冷器技术的氦气回收以及净化设备。利用这些设备，在泄漏检测过程中用作示踪气体，或用作冷却介质的氦气可以潜在地被回收并被再利用，经数次循环无损失，从而以减少对新鲜氦气的需求。此外，对于需要加压氦气的过程而言，氦的回收也将带来经济优势。
发明内容
本发明描述了一种封闭式循环高效率自动化的氦回收设备。该高效率氦回收设备适合于计算机化控制，并适合在液化模式和备用模式之间转换，而且还适合收集、再液化、以及在大量医学仪器或其它设备之间重新分配回收的氦。由于He气是在封闭系统内的几个仪器之间使用的，先将其回收并随后液化，然后再引入到该设备中，这样，在封闭系统内，有限的氦供应持续地循环，没有损失，从而降低供应新鲜氦气方面的成本。
该氦回收设备覆盖了在0升/小时（以备用模式运行时）至大于10l/h（以液化模式运行）之间的液化范围。在这点上，该氦回收设备的产出与现有技术中“等级M”设备的液化速率相当。另外地，该氦回收设备的性能效率是至少4升/天/kW，几乎达到了等级L设备相关的生产量和性能属性，但具有简单的操作和维护过程。
在一个实施方式中，该回收设备具有五个模块，其中，模块及其相关功能包括：
-一个回收模块，从一个或多个使用氦的仪器收集并存储氦；
-一个气体收集和存储模块，适合在大气压力下在气囊或容器中[再次，文字上地]收集气体，通过一个或多个过滤器过滤该气体，通过免清扫压缩机（compresorsinpurgas）压缩气体至大于2巴的绝对压力，以及在压缩机输出压力下将气体存储在气体存储容器中；
-一个纯化模块，经由例如封闭式循环的净化器，该纯化模块使得能够去除杂质，例如水蒸气和空气；
-一个液化模块，借助于基于封闭式循环的制冷器，该液化模块适合于改变液化速率来最接近地适应气体回收速率，并且因此与所连接的装置的液化气体的消耗量相适应；
-两个氦（气）分配管理模块，一个放置在存储模块的出口处以及一个在纯化模块的出口处。
利用适合对杜瓦瓶中的蒸汽压力提供精确调节的电子控制，实现了氦回收设备内氦气液化过程中的最大效率。每个压力值“P”（在氦回收设备中，在该压力下进行液化）具有其相应的液化速率“Tl”（以l/h表示），而“Tl”是“P”的递增函数。
氦回收设备适合于调节氦气的液化速率，因此将蒸发的气体的存储时间延迟降至最低，并且因此减少了回收的气体获得的杂质。在存储气体液化之前，它的体积也被降至最低，这简化了设备。此外，该液化器使得能够将所生产的液体永久地存储在其自身的绝热杜瓦瓶中，在这个过程中，系统以备用模式运行，具有0l/h的液化速率以及0%的损失，从而提供液化的氦的备用液（reserve），以用于它的立即使用。
该氦回收设备可以通过增加液化单元的数量而按比例缩放，这产生了一个简化的过程。此外，由于封闭式循环制冷器的可用功率持续增加，所以该设备中每个液化单元就需要较少的制冷器。
附图说明
为了补充本说明并有助于更好地理解本发明，根据其优选配置的一个实例，本文中以非穷尽方式提供作为这种说明的一个整体部分的一幅图，以下将详细说明本发明：
图1-示出了氦回收设备和它的元件以及它们之间相互关系的示意图。
具体实施方式
如图1所示，下文描述了氦回收设备（1）的一种优选实施方式。
如图1中所示，该氦回收设备（1）包括五个模块：一个回收模块（2）、一个气体收集和存储模块（3）、一个纯化模块（4）、一个液化模块（5）、以及两个分配模块（6）。
在该回收模块（2）中，借助于后部压力控制模块（8）控制装置（7）的压力在装置（7）的最大和最小压力条件之间，从一个或多个科学或医学装置（7）组成的组中回收氦气，使得这样的装置（7）独立于其他的模块（3、4、5、6）并且确保无损失地回收。该后部压力控制模块（8）包括电子压力传感器以及安全阀和截止阀（shut-offvalve），从而在该装置（7）中发生过量的和无法预料的蒸发的情况下排空过量氦气。
一旦通过后部压力控制模块（8）进行回收，该装置（7）的氦气行进至气体收集和存储模块（3），在那里它被收集到具有特别适合于设备（1）要求的体积的气囊或大气压存储容器（9）中。
容器（9）（或其他回收装置）配备有满或空传感器（full-or-emptysensor）以及安全测量装置，以确保适当的填充即，“正确的装载”，并且避免对设备（1）的任何损害，以及允许通过可在CPU（100）内编程的设备控制软件对它进行管理。
该氦气然后通过某些过滤器（10）以及压缩机（11），从而在压缩机（11）的输出压力大于2巴下存储在具有由该设备的需要所确定体积的压缩气体存储装置（12）中。
气囊或存储容器（9）、无油压缩机（11）、过滤器（10）、压缩机以及压缩气体存储装置（12）一起形成该存储模块（3）的回收管线。取决于回收设备（1）的尺寸（通过蒸发气体的升数来确定），多个回收管线（Llineasderecuperación）可能是必要的。
从一个或多个回收管线进入的气体的分配和流量是通过气体分配和管理模块（6）来调节的，该管理模块由回收设备控制软件CPU（100）来控制，以安排氦气至一个或多个净化器（13）的路线。此外，回收的氦中的污染物可以利用气体分析仪（15）监控，而且经由外部存储容器（17）可以向该系统中添加气态的氦。
在压力低于2巴下，在将存储的氦气液化之前，有必要去除可能通过净化器（13）保留的所有杂质。净化器（13）可以基于一个或多个阶段的封闭式循环制冷器技术，具有的基础温度<30K。在液化器（14）的供应压力下，该氦气循环通过净化器的每个阶段，从而在净化器的冷却阶段，冷凝了污染物并将其从氦气中除去。取决于该液化设备（1）的等级，超过一个净化器（13）。
来自这P个净化器（13）的纯化的氦气通过第二气体分配和管理模块（26）进行分配，包括一个或多个流量控制阀、安全阀和截止阀，共同地（24），通过回收设备的CPU（100）控制软件来控制，以安排氦气至一个或多个净化器（14）的路线。该第二气体分配和管理模块（26）也用于在最佳压力下，供应气态氦至一个或多个液化器（14）以达到所需的液化速率。离开净化器（13）的氦气可以通过气体分析仪（25）来检测其中任何残留污染物。通过第二气体分配和管理模块（26），纯化的氦气之后流入一个或多个液化器（14）并在其中液化。液化器（14）的数量，N，可以按照该氦回收设备（1）的液化速率来选择，其中每一个液化器可以具有多个封闭式循环制冷器，M，单独地设置于N个液化器中。该液化器（14）可以包括真空绝热容器或杜瓦瓶、至少一个液化压缩器和至少一个具有一个或多个冷却阶段封的封闭式循环制冷器。此外，该液化器还可以包括用于调节进入杜瓦瓶中的进气的电子压力调节器；适用于测量进入到杜瓦瓶中的进气的质量流量计；气体体积累加器；适用于测量绝热杜瓦瓶内部压力的压力传感器；安排在封闭式循环制冷器每一个阶段的温度计；由液化气体水平控制器控制的适用于确定液化气体水平的传感器；排列在绝热杜瓦瓶内的安全阀；用来排除Taconis振荡的设备；以及适用于提取液化气体的液化气体传递栓。假设每个液化器都是同样地建立的，那么以l/h表示的最大液化速率将是(Tl)max=N·M·Tl，其中Tl是一个液化器的液化速率。液化器（14）（氦气在其中液化并存储）的体积，类似地，可以适合氦回收设备（1）的所需尺及液化速率。
利用三个液化器（14），达到等级M的液化速率，每一个具有三个在第二阶段执行1.5W的双级制冷器（double-stagerefrigerator），并且具有这样的优点，即该设备（1）能够在（在备用模式下）从0I/L上升至最大速率（T1）max的任何速率下，以及在根据回收的氦气的速率进行调节的性能下进行液化。在消除所有损失方面，这是一个关键特征。
改变液化速率的能力使得氦回收设备适合于该回收速率（在系统内，氦以此速率回收），并且从而适合于氦气消耗装置（7）对液态氮的消耗速率。这将液化氦的存储时间以及在它液化之前存储的氦气体积降至最低。
设备（1）能够以备用模式操作，在该模式中没有外部氦供应到该液化器（14）的保温瓶或杜瓦瓶中，相应于液化速率为0l/h以及0%损失，并且因此维持液体氦存储以用于直接使用。该设备的作用是使液化器杜瓦瓶（14）中的基于热损失的蒸发的氦再冷凝，将其压力保持在两个固定值，最小压力Pmin和最大压力Pmax之间。一旦液化器杜瓦瓶（14）充满了液氦，控制软件就会自动地停止氦流入到该液化器杜瓦瓶（14）中，同时来自该液化器的制冷器压缩机继续工作，以使得与液氦平衡的蒸汽部分在该液化器的杜瓦瓶（14）内部被液化，同时其压力下降。当压力降低到Pmin值时，该控制软件关闭该制冷器压缩机，并且停止该蒸汽冷凝过程。此后，由于寄存（registered）在该液化器（14）杜瓦瓶中的热损失，液氦开始蒸发，这立即引起压力逐渐地增加。当液化器杜瓦瓶（14）中的压力达到Pmax值时，控制软件启动该制冷器的压缩机并且由此重新开始冷凝该液化器杜瓦瓶（14）内部的蒸汽，再次将压力降低到Pmin值，并且重复上述过程，直至做出决定终止该备用模式，并且从该液化器的杜瓦瓶（14）中提取液氦并将其分配至装置（7）。
提供电子控制和全自动计算机控制软件以这样的方式来控制该回收设备（1），即仅需要一个操作人员就能够完成由液化器的制冷器（14）的制造厂商推荐的转移以及维护操作。在另一个实施方式中，计算机控制软件在CPU内编程并且适用于控制下列中的每一个：回收模块（2）、加压的存储模块（3）、纯化模块（4）、液化模块（5）、以及与一个或多个预编程的设置相应的第一和第二分配模块。在另一个实施方式中，计算机控制软件适用于控制下列中的每一个：回收模块（2）、加压的存储模块（3）、纯化模块（4）、液化模块（5）、以及在备用模式下，在液化模块内实现零液化的第一和第二分配模块。此外，当在备用模式下，液化模块适用于提供与杜瓦瓶内氦气的蒸发速率相等的液化速率。

Claims (17)

1.一种用于从使用液氦的装置中回收氦的氦回收设备，所述回收设备包括：
-回收模块，连接于所述使用液氦的装置，所述回收模块适于从所述使用液氦的装置中回收气相氦，并且适于借助于后部压力控制模块控制所述使用液氦的装置的压力在所述使用液氦的装置的最大和最小压力条件之间，使得这样的装置独立于其他的模块并且确保无损失地回收；
-加压的存储模块，连接于所述回收模块，所述存储模块适于过滤、压缩、和存储所述回收模块的所述回收的气相氦；
-纯化模块，连接于所述存储模块，所述纯化模块包括适于通过在T＜30K进行冷凝，从所述回收的气相氦中除去杂质的一个或多个封闭式循环制冷器，以形成大量纯化的气相氦；
-第一分配管理模块，包括第一分配装置，所述第一分配管理模块设置在所述存储模块和所述纯化模块之间并且适于调节在它们之间的气相氦流；
-液化模块，包括一个或多个液化器，每个液化器包括一个或多个封闭式循环制冷器，所述液化模块适于使用所述一个或多个制冷器将所述纯化的气相氦液化成液相氦；
-第二分配管理模块，包括第二分配装置，所述第二分配管理模块设置在所述纯化模块和所述液化模块之间并且适于调节在它们之间的气体流；以及
-气体存储罐，用于存储氦气，所述气体存储罐与所述存储模块平行设置，适于存储纯化的氦气并将所述纯化的氦气提供给所述第一和第二分配管理模块。
2.根据权利要求1所述的回收设备，其中，所述加压的存储模块包括至少一个大气压存储容器和与所述至少一个大气压存储容器相连设置的至少一个过滤器。
3.根据权利要求2所述的回收设备，其中，所述加压的存储模块还包括至少一个压缩机，用于压缩接收自所述至少一个过滤器的气体，和至少一个压缩气体存储容器，用于存储接收自所述至少一个压缩机的压缩气体。
4.根据权利要求2所述的回收设备，其中，所述大气压存储容器是气囊。
5.根据权利要求1所述的回收设备，其中，所述纯化模块的所述封闭式循环制冷器包括一个或多个冷却阶段。
6.根据权利要求1所述的回收设备，其中，所述液化模块包括至少一个液化器，所述液化器包括杜瓦瓶、和包括一个或多个冷却阶段的至少一个封闭式循环制冷器。
7.根据权利要求1所述的回收设备，还包括具有计算机化控制软件的可在其中编程的CPU，根据一个或多个预编程设置，所述计算机化控制软件适于控制下列中的每一个：所述回收模块；所述加压的存储模块；所述纯化模块；所述液化模块；和所述第一和第二分配管理模块。
8.根据权利要求7所述的回收设备，其中，根据备用模式，所述计算机化控制软件适于控制下列中的每一个：所述回收模块；所述加压的存储模块；所述纯化模块；所述液化模块；和所述第一和第二分配管理模块，以实现在液化模式内的零液化。
9.根据权利要求6所述的回收设备，其中，所述液化模块适于提供等于在所述杜瓦瓶内氦气汽化速率的液化速率。
10.根据权利要求1所述的氦气回收设备，其中，所述液化模块适于提供等于所述使用氦的装置的使用速率的液化速率。
11.根据权利要求1所述的氦气回收设备，其中，所述第一分配管理模块还包括第一气体分析仪。
12.根据权利要求1所述的氦气回收设备，其中，所述第二分配管理模块还包括第二气体分析仪。
13.根据权利要求1所述的回收设备，适于在具有液化速率为10升/小时的液化模式和具有液化速率为0升/小时的备用模式之间连续运行。
14.根据权利要求1所述的回收设备，适于在其中再利用氦气。
15.一种用于从使用氦气的装置中回收和液化氦气的方法，包括：
在回收模块中，从一个或多个使用氦气的装置中回收气体；
在加压的存储模块中，过滤、压缩、并存储所述气体；
经由纯化模块的一个或多个制冷器，从所述气体中除去杂质；
使用液化模块液化所述气体，所述液化模块包括至少一个杜瓦瓶和设置在其中的制冷器；以及
将所述液化的气体存储在液化模块的杜瓦瓶中；
其中，所述液化以与回收速率匹配的液化速率进行，在所述回收速率下从所述使用氦气的装置中回收气体。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述液化模式下，利用CPU动态地控制所述液化，用于使所述液化速率与所述回收速率相匹配。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述液化模式下，利用所述CPU动态地控制所述液化，用于调节制冷器的冷却功率以匹配杜瓦瓶的热的热负荷，以在备用模式下实行零液化速率。
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