CN102840705A - 一种深冷混合工质节流制冷系统 - Google Patents
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Abstract
一种深冷混合工质节流制冷系统，其包括同一压缩机驱动的制冷回路及外输制冷剂回路；压缩机出口与冷却换热器相连，冷却换热器出口分别与制冷回路和外输制冷剂回路相连；制冷回路包括依次相连的第一分配阀、回热换热器的第一高温通道、第一节流阀、回热换热器的低温通道，然后与压缩机入口相连；外输制冷剂回路包括依次相连的第二分配阀、回热换热器的第二高温通道、第二节流阀、用户换热器，用户换热器的出口与制冷回路的低压管道相连，并一同连接至压缩机的入口；回热换热器为1台回热换热器或2～5台回热换热器组成的多级回热换热器组；可实现低温冷量较远距离输运；无需载冷剂，避免了载冷剂循环泵带来的可靠性等问题；系统简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种深冷混合工质节流制冷系统，尤其涉及一种可提供外输制冷量的低温制冷系统。
背景技术
混合工质节流制冷技术最早提出于20世纪30年代，由于其在80K直至230K温区的制冷中有着优良的性能，逐渐发展为应用于这一广泛温区的主要的制冷方式。尤其20世纪70年代以来，深冷混合工质节流技术被越来越多的应用于天然气液化中，使得该技术得到了迅速发展。除液化天然之外，深冷混合工质节流技术还可以应用于某些特殊用途的冷却要求，如大型氢、氦制冷（液化）系统的预冷，或为其它大型系统提供低温预冷等等。
目前针对这种低温预冷的需求，主要解决方式有三种，一种是驱动其他流体实现制冷系统与被冷却对象进行冷量传递的载冷技术。在混合制冷剂循环中得到冷却的载冷剂，被泵送到被冷却对象处，起到冷量输送作用。这种方式应用于深冷温区的预冷时，一是输送泵低温下运行的密封问题不好解决，二是深冷温区下多数流体凝固或粘度增大，难以选择合适的载冷剂。
第二种方式是应用液氮蒸发所释放的冷量做预冷，这种方式一是液氮的消耗量比较大，二是在所需预冷温度和液氮温度不匹配的时候，预冷系统不可逆损失比较大，经济上很不合算，另外还有液氮的运输，保存等诸多方面的问题。
还有一种解决方式是近年来发展的双混合工质制冷系统。其主要特点是利用两组压缩机，分别驱动两个独立的混合工质制冷系统，使其中一个制冷系统冷却另一个制冷系统形成复叠制冷来产生低温冷量。例如CN 1330760A提供了一种双混合工质天然气液化技术，该液化系统中通过采用高沸点混合工质的预冷级将低温级及原料气冷却至某一中间温度，然后由低温级继续提供冷量使天然气液化。另外的方案还有CN101120218A以及本申请人曾提出的CN1330760A，预冷级通过多股流换热器将冷量传递给低温级，再将低温级节流以获得低温冷量供给固定温度负荷或分布式负荷应用。以上技术的共同点是预冷及低温系统分别采用独立循环，在多股流换热器中传递预冷冷量。这种方式所共有的缺点是系统结构复杂、机组多、控制难度高、可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的深冷混合工质节流制冷系统，该系统解决了现有技术中存在的系统流程部件多，操作复杂，以及难以寻找合适载冷剂等问题。
本发明技术方案如下：
本发明提供的深冷混合工质节流制冷系统，其包括：同一压缩机驱动的制冷回路及外输制冷剂回路；其特征在于：压缩机CU出口与冷却换热器AC相连，冷却换热器AC出口分二路分别与所述制冷回路和所述外输制冷剂回路相连；
所述制冷回路包括由管路依次相连的第一分配阀DV1、回热换热器HX的第一高温通道、第一节流阀RV1和回热换热器HX的低温通道，然后与压缩机CU入口相连；
所述外输制冷剂回路包括由管路依次相连的第二分配阀DV2、回热换热器HX的第二高温通道、第二节流阀RV2和用户换热器UHX，用户换热器UHX的出口与制冷回路的低压管道相连，并一同连接至压缩机CU入口；
所述的回热换热器HX为1台回热换热器或2～5台回热换热器组成的多级回热换热器组。
当回热换热器（HX）为2～5台回热换热器组成的多级回热换热器组，外输制冷剂回路中的用户换热器UHX出口与制冷回路的低压管道的连接点为外输制冷剂回路的外输制冷剂与制冷回路的循环制冷剂的混合点，该混合点位于所述多级回热换热器组中任意一个回热换热器的低温通道出口，该混合点的循外输制冷剂与循环制冷剂在混合点温度相同或接近。外输制冷剂与循环制冷剂的混合点可为1～5个，各混合点前的外输制冷剂管路上分别设置截止阀，通过开启相应的截止阀，选择外输制冷剂与制冷循环制冷剂的混合点。
所述外输制冷剂回路中的外输制冷剂流量与全部制冷剂循环流量的比值≤20％。
所述的深冷混合工质为氮气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷中的两种或两种以上组分组成的混合制冷工质。
所述的制冷回路的低压管道为制冷回路中的第一节流阀RV1与压缩机CU入口之间的管路及处于其间的回热换热器HX的低温通道。
所述的外输制冷剂循环可采用一次节流循环、带有分离器的分离循环或内复叠循环，这些均属于本行业普通技术人员应知。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，不需要载冷剂循环因而可简化系统结构；易于冷量的较远距离输运；可通过返回点的位置设置以实现与用户分布温度热负荷良好匹配；制冷剂在室温端分离，易实现系统的稳定运行。
附图说明
图1是本发明的实施例1的结构（流程）示意图；
图2是本发明的实施例2的结构（流程）示意图，其中，回热换热器组包含两台回热换热器，外输制冷剂与制冷循环制冷剂混合点位于第2回热换热器的低温通道出口。
图3是本发明的实施例3的结构（流程）示意图，其中，回热换热器组包含3台回热换热器，在第1台及第2台回热换热器间设置一个气液分离器；外输制冷剂与制冷循环制冷剂混合点可通过调整阀门来改变。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进行进一步说明本发明：
实施例1
本实施例1的深冷混合工质节流制冷系统为用户换热器UHX提供-170℃～0℃的分布负荷冷量。混合制冷剂采用氮气、甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷的混合物（任意比）。混合制冷剂在压缩机CU中压缩至2.0MPa，经过冷凝器AC后冷却至20℃，然后分成两股流体：其中经过第一分配阀DV1的制冷剂（约占全部制冷剂流量的90％）作为循环制冷剂进入制冷回路，在回热换热器HX的第一高温通道中被冷却至-170℃，然后经过第一节流阀RV1节流至0.3MPa，进入回热换热器HX的低温通道，为两个高温通道的流体提供冷量；流经第二分配阀DV2的制冷剂（约占全部制冷剂流量的10％）作为外输制冷剂进入外输制冷剂回路，在回热换热器HX的第二高温通道中被冷却至-170℃后进入用户换热器UHX，为用户换热器UHX提供分布式冷负荷的同时被加热至0℃，然后在回热换热器HX的低温通道出口处与循环制冷剂混合，一同进入压缩机CU入口。
整个系统采用单压缩机循环，系统流程简单，可靠性高，可实现低温冷量的远距离输送；制冷剂在室温端分离，可保证外输制冷剂的流量及成分稳定；可为用户换热器提供大温度跨度的分布负荷冷量。
实施例2
本实施例2的深冷混合工质节流制冷系统为用户换热器UHX提供-170℃～-120℃的分布负荷冷量。其与实施例1中的系统不同之处在于，由于用户所需的分布式负荷温度跨度较小，回热换热器选用两个回热换热器（第一回热换热器HX1及第二回热换热器HX2）组成换热器组的形式。通过设计，使得第一回热换热器HX1的冷端温度与第二回热换热器HX2的热端温度在-120±5℃范围内，外输制冷剂与制冷循环制冷剂混合位置位于第二回热换热器HX2的低温出口；这样，从用户换热器UHX出来的-120℃外输制冷剂与制冷循环制冷剂混合时的混合温差较小，可以避免大温差混合带来的有效能损失，提高系统效率。
系统其它部分与实施例1相同。
实施例3
本实施例3的深冷混合工质节流制冷系统为用户换热器UHX提供三个不同温区（-170℃～-120℃、-170℃～-70℃和-170℃～0℃）的分布负荷冷量。其与实施例1中的系统不同之处在于：
1）回热换热器组包含三个回热换热器（第一回热换热器HX1、第二回热换热器HX2和第三回热换热器HX3）；
2）外输制冷剂回路采用带分离器的一次节流循环；
3）系统共包含三个外输制冷剂与制冷循环制冷剂的混合点（A、B、C），可根据用户换热器UHX的需求，通过截止阀（第一截止阀HV1、第二截止阀HV2和第三截止阀HV3）的调节选择其中的一个。
本实施例3中第一回热换热器HX1冷端温度与第二回热换热器HX2热端温度为-70℃±5℃，第二回热换热器HX2冷端温度与第三回热换热器HX3热端温度为-120℃±5℃；第一回热换热器HX1及第二回热换热器HX2之间设有一个平衡闪蒸式气液分离器SP1，外输制冷剂从第一回热换热器HX1的第二高温出口出来后进入气液分离器SP1的入口，在其中分离成气液两相，其气相部分（主要成分为氮气、甲烷和乙烷的混合气）从分离器第一出口出来后进入第二回热换热器HX2的第二高温入口；液相部分（主要成为丙烷和异丁烷）从分离器第二出口出来后经过第三节流阀RV3节流至0.3MPa后与从第二回热换热器HX2低温出口出来的制冷循环制冷剂混合，一同进入第一回热换热器HX1低温入口。
本实施例3中外输制冷剂与循环制冷剂回路混合的三个混合点（混合点A、混合点B和混合点C）分别位于三个回热换热器（第一回热换热器HX1、第二回热换热器HX2和第三回热换热器HX3）的低温出口处，并在混合前的外输制冷剂管路上分别设置截止阀（HV1、HV2、HV3）。根据不同的用户换热器（UHX）出口温度（-120℃、-70℃和0℃）可以通过开启相应的截止阀（第一截止阀HV1、第二截止阀HV2和第三截止阀HV3）选择外输制冷剂与制冷循环制冷剂的混合点（混合点A、混合点B或混合点C），以实现较小的混合温差。
系统其它部分与实施例1相同。
本实施例3中增加的气液分离器起到的作用是：将外输制冷剂内的高沸点工质在进入用户换热器之前分离出来，减小了用户换热器UHX容积过大或者传输管路过长而造成的对混合制冷剂系统循环浓度的影响。
Claims (7)
1.一种深冷混合工质节流制冷系统，其包括：同一压缩机驱动的制冷回路及外输制冷剂回路；其特征在于：压缩机（CU）出口与冷却换热器（AC）相连，冷却换热器（AC）出口分二路分别与所述制冷回路和所述外输制冷剂回路相连；
所述制冷回路包括由管路依次相连的第一分配阀（DV1）、回热换热器（HX）的第一高温通道、第一节流阀（RV1）和回热换热器（HX）的低温通道，然后与压缩机（CU）入口相连；
所述外输制冷剂回路包括由管路依次相连的第二分配阀（DV2）、回热换热器（HX）的第二高温通道、第二节流阀（RV2）和用户换热器（UHX），用户换热器（UHX）的出口与制冷回路的低压管道相连，并一同连接至压缩机（CU）入口；
所述的回热换热器（HX）为1台回热换热器或2～5台回热换热器组成的多级回热换热器组。
2.按照权利要求1所述的深冷混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述的回热换热器（HX）为2～5台回热换热器组成的多级回热换热器组，外输制冷剂回路中的用户换热器（UHX）出口与制冷回路的低压管道的连接点为外输制冷剂回路的外输制冷剂与制冷回路的循环制冷剂的混合点，该混合点位于所述多级回热换热器组中任意一个回热换热器的低温通道出口，该混合点的循外输制冷剂与循环制冷剂在混合点温度相同或接近。
3.按照权利要求2所述的深冷混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述外输制冷剂与循环制冷剂的混合点为1～5个，各混合点前的外输制冷剂管路上分别设置截止阀，通过开启相应的截止阀，选择外输制冷剂与制冷循环制冷剂的混合点。
4.按权利要求1所述的深冷混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述外输制冷剂回路中的外输制冷剂流量与全部制冷剂循环流量的比值≤20％。
5.按权利要求1所述的深冷混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述的深冷混合工质为氮气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷中的两种或两种以上组分组成的混合制冷工质。
6.按权利要求1所述的深冷混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述的制冷回路的低压管道为制冷回路中的第一节流阀（RV1）与压缩机（CU）入口之间的管路及处于其间的回热换热器（HX）的低温通道。
7.按照权利要求1所述的深冷混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述的外输制冷剂循环采用一次节流循环、带有分离器的分离循环或内复叠循环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |