CN103206800B - 径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

一种径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法，能在气波膨胀制冷的同时，直接利用高压气体的有效能量对制冷后的气体进行升压，并通过冷量交换获得低温中压的制冷气体，大大提高了其可用品质。本发明开发气波膨胀制冷所伴随的压缩能力，将高压气能量转换成珍贵的压力能。不仅不多消耗能量，还能减少膨胀和压缩过程中的热交换，其制冷温度更低。还巧妙利用离心压差，使低压气能自行回流而不必另加驱流风机。本发明使高压气体的压力能得到充分的利用和转化，更适合于利用高压气井的天然气压力能制冷，脱水净化和凝析其中的重组分，以及用于工业废气的压力能利用、低温深冷等技术领域。

Description

径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法

技术领域

本发明轴流式自增压气波制冷装置及其制冷方法，属于气体膨胀制冷技术领域。

背景技术

气体膨胀制冷是一种常用的制冷工艺技术。提高膨胀制冷效率，在能源短缺的今天，具有重要的经济效益和社会效益。膨胀制冷的常用设备有透平膨胀机、热分离机、气波制冷机以及节流阀等。其中，气波制冷机械的结构简单、转速低、制冷效率较高。大连理工大学研制发明的“气波制冷机”、“多级气波制冷机”、“外循环耗散式气波制冷机”等，均已获得国家专利。

然而，气波制冷机与透平膨胀机相比，不能转化输出轴功是其不足。透平可以带动同轴的压缩机，使低压冷气通过回压缩和冷交换，达到中等的压力，具有更大的价值。而热分离机和气波制冷机无此能力，其输出制冷气的压力较低，高压气的有效能量没能充分利用。

波转子机械，能够同时实现动态膨胀和压缩，实现两股流体的压力交换。但通常波转子不考虑膨胀制冷的效率，也不对膨胀后的低压气进行回流压缩，因此也不能产生中压的制冷气。

发明内容

本发明的目的是，获得一种能自行提高制冷气压力的自增压式气波制冷方法与装置，使高压气体的压力能量得到充分的利用，获得中等压力的制冷气体而提高效益。

本发明所采取的创新技术解决方案为：

1．破除以往气波制冷循环，制冷气直接排走使用的惯例，而是将制冷气引入到冷交换器的冷程中放出冷量，回温后，再回流压缩，升高其压力后，再返回到冷交换器的热程中，重新获得低温冷量。

2．创新巧妙地利用气波制冷机在制冷过程中所伴随的压缩能力，将回温后的低压气升压。以往在气波制冷机中，高压气膨胀制冷时，动态压缩滞留气或循环气，由滞留气或循环气将高压气能量以热的形式传递散出。本发明创造性地将回温后的低压冷气重新导入气波制冷机中，作为被压缩的对象，直接地利用高压气体的有效能量来使其升压，将高压气能量转换成珍贵的压力能，而不是难以利用的低温热能。

3．回温后的低压气被压缩后，温度会上升，故设置冷却器取走压缩的热量，使其再经过冷交换器后，温度能趋于它从气波制冷机出来时的低温。

4．本发明中使用新型的气波制冷机，同时具有高压气膨胀气波制冷、和低压气返回机中，通过气波压缩升压的两项功能，因此称其为气波膨胀—压缩机。该机采用创新的径流式波转子结构，内圆周和外圆周处各有一对气体进、出口，其外圆周的一对为高压气进口、和它膨胀制冷后的低温低压气出口；内圆周的一对为回温低压气进口、和它被压缩后的中压气出口。

5．上述径流式波转子结构的气波膨胀—压缩机，具有多条径向的转动槽道，在离心力作用下，转动槽道外圆周开口处的流体压力大于内圆周开口处。设计将膨胀后的低压冷气，从各转动槽道的外圆周开口导出，换冷后再从回温低压气进口进入气波膨胀—压缩机内，从各转动槽道的内圆周开口流回转动槽道中进行压缩，即巧妙地利用离心力产生的压差，作为克服冷交换器阻力、自行回流的推动力，如此能够省去驱流风机或压气机，使装置简化。

本发明的巧妙与成功之处，在于将转动槽道内吸收和耗散高压气体能量的滞留气或循环气，换成了低压冷交换气，即低压制冷气通过冷交换器，将冷量先交换出，回温后作为吸收高压气体能量的载气，通过动态绝热压缩，将高压气能量的大部分，吸收转换成自身的压力能，即实现了压力能的自交换。然后，再通过冷交换器将冷量重新取回，形成中压冷气，大大提高了其可用品质：如能更多地凝析出其中的重组分，和适于远距离输送。而对于高压气体来说，不仅没有多消耗丝毫的能量，而且由于吸收它能量的低压冷交换气，比原滞留气或循环气具有较低的温度，故能减少过程的热交换，高压气膨胀后的温度会更低。这增压和更低温两者的效果，均提高了整个制冷过程的热力学效率，即高压气体的压力能量得到了充分的利用和转化。

本发明的有益效果是：

获得一种低转速、结构相对简单、可带液运行，能充分高效利用高压气体压力能的新型径流式自增压气波制冷方法与装置。本发明径流式自增压气波制冷方法与装置，适合用于各种带压气体的膨胀制冷。如直接利用高压气井的天然气压力能制冷，脱水净化和凝析其中的重组分，是其最实用的用途。此外，在工业废气的压力能利用、低温深冷等技术领域，也具有非常的价值。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1是本发明径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法，其各个部件的连接关系流程图。

图2是本发明径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法中，创新径流式波转子结构的气波膨胀—压缩机简图。

图3是径流式波转子结构的气波膨胀—压缩机内，径流方向的转动槽道19的排布、和各股气体进出口的俯视方位图。

图4是径流式波转子结构的气波膨胀—压缩机内，外圆周毂、扇形封挡体上的各个气体喷口、导入和导出口的俯视方位图。

图1中，1-低温低压气出口，2-高压气阀，3-高压气入口，4-中压气出口，5-气波膨胀—压缩机，6-冷却器，7-回温低压气入口，8-冷交换器，9-冷气阀。

图2、图3和图4中，10-高压气缓冲腔，11-高压气喷口，12-外圆周毂，13-压缩气导出口，14-扇形封挡体，15-低压气导入口，16-低压气入口缓冲腔，17- 低压冷气导出口，18冷气缓冲腔，19-转动槽道，20-机壳，21-转轴，22-转动盘。

具体实施方式

本发明径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法，其一种典型的实施方式描述如下，但不只局限于此种实施方式：

参见图1，径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法，是由高压气阀2，气波膨胀—压缩机5，冷却器6，冷交换器8，冷气阀9所组成的单元系统；其气波膨胀—压缩机5的外圆周处具有高压气入口3、低温低压气出口1，内圆周处有回温低压气入口7、中压气出口4共4个进、出气口。参见图2，气波膨胀—压缩机5的内部有一个转动盘22，盘内有多条径向辐射排列、周边封闭、内外两端部开口的转动槽道19；固定的外圆周毂12上，开有两个气体径向通口，弧长短的是高压气喷口11，另一弧长长的是低压冷气导出口17；固定的扇形封挡体14上，也开有一个径向通口—压缩气导出口13，扇形封挡体14的外部圆弧空缺处，形成轴向开口的低压气导入口15。

高压气从气波膨胀—压缩机5的高压气入口3进入，通过其外圆周毂12上的高压气喷口11，依次地短时脉冲射入与高压气喷口11瞬间对齐开口的各条转动槽道19中，通过气波的作用，将能量传递给转动槽道19内的低压气体，低压气被压缩、升温升压成中压气，通过气波膨胀—压缩机5的扇形封挡体14上的压缩气导出口13、从中压气出口4流出；中压气出了气波膨胀—压缩机5之后，先进入冷却器6中冷却，放出在被压缩时获得的热量，冷却之后再进到冷交换器(8)的热程中放热降温，产生中等压力而不是低压的冷气输出。而在转动槽道19内膨胀做功后的高压气体变成低温低压气，经气波膨胀—压缩机5的外圆周毂12上的低压冷气导出口17、从低温低压气出口1流出；然后，低温低压气直接进到冷交换器8的冷程中，将冷量交换给从冷却器6中出来的中压气，使其变成装置输出的制冷气。而从冷交换器8热程中出来的已回温的低压气，还要进到气波膨胀—压缩机5的回温低压气入口7，通过扇形封挡体14外部圆弧空缺处的低压气导入口15，从转动槽道19的内端开口进到槽道中，被从外端开口脉冲射入的高压气流压缩而获得增压，再经扇形封挡体14上的压缩气导出口13、从中压气出口4流出。

本发明径流式自增压气波制冷装置所对应的制冷方法的基本特征为，其气体流程围绕着气波膨胀—压缩机5，巧妙构建了回流气波压缩和冷交换这两个关键的作用过程：一是气体两次进、出气波膨胀—压缩机5，在第二次进、出即回流过程实现了气波压缩；二是在第二次进入气波膨胀—压缩机3之前，和第二次流出气波膨胀—压缩机5之后，都进到冷交换器8中进行换热。回流气波压缩过程直接回收利用机中气波的能量，使气波膨胀—压缩机5自行将制冷后的气体重新升压；而冷交换过程能使气体获得常温后再压缩而提高效率，之后又重获低温；在保证制冷温度降的前提下，该方法使制冷装置进、出口总的压力降大为减小。

本发明径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法，其中的气波膨胀—压缩机5为创新的径流式波转子结构，位于转动盘22内部的多条转动槽道19，每条都是径向排列、周边封闭、只有两端开口的流道，其两端开口边界的圆周面，即转动盘22的内和外圆周面，距离固定的扇形封挡体14的外圆弧面，和外圆周毂12的内圆周面，均留有满足不擦碰转动的很小间隙。外圆周毂12上径向开通的高压气喷口11、低压冷气导出口17，和扇形封挡体14上径向开通的压缩气导出口13、低压气导入口15的各个中心，到转动盘22轴心的连线，沿着圆周方向，都呈一定的错位角度排布，使各个入、出口与每一条转动槽道19的两端开口，总是错时地相连通、或者被毂的圆周面隔断，以实现如下过程：高压气从外圆周毂12的高压气喷口11进入转动槽道19中膨胀，经过槽道的旋转延时连通，再从该外毂的低压冷气导出口17返流出；经过冷交换器8的换冷回温，再从扇形封挡体14外部圆弧空缺处的低压气导入口15 ，进入转动槽道19，被后续的入槽道射流压缩后，最终从压缩气导出口13流出，这样几个按一定时间差，错时流动循环的顺序过程。

本发明径流式自增压气波制冷装置，其气波膨胀—压缩机5内，高压气喷口11、和低压冷气导出口17的各中心，到转动盘22轴心的二条连线，沿着转动盘22的转向，错开的圆周夹角α1为10～300°；高压气喷口11、和压缩气导出口13的各中心，到转动盘22轴心的二条连线，沿着转动盘22的转向，错开的夹角α2为0～270°；压缩气导出口13、和低压气导入口15的各中心，到转动盘22轴心的二条连线，沿着转动盘22的转向，错开的圆周夹角α3 为45～315°。

本发明径流式自增压气波制冷装置，其气波膨胀—压缩机5内，外圆周毂12上的高压气喷口11，其开口的圆周弧段长度，对应于机器轴心的夹角β1为1～45°，低压冷气导出口17，其开口的圆周弧段长度，对应于轴心的夹角β2为2～180°；扇形封挡体14上的压缩气导出口13，其开口的圆周弧段长度，对应于轴心的夹角β3为1～60°，低压气导入口15，其开口的圆周弧段长度，对应于轴心的夹角β4为3～330°。

本发明径流式自增压气波制冷装置及其制冷方法，其中的冷交换器8为逆流换热型，并具有较小的换热温差。

Claims (6)

1.一种径流式自增压气波制冷装置，其特征在于：该装置包括高压气阀(2)，气波膨胀—压缩机(5)，冷却器(6)，冷交换器(8)和冷气阀(9)；其中气波膨胀—压缩机(5)的外圆周处有高压气入口(3)、低温低压气出口(1)，内圆周处有回温低压气入口(7)、中压气出口(4)；气波膨胀—压缩机(5)的内部有转动盘(22)，盘内有多条径向辐射排列、周边封闭、内外两端部开口的转动槽道(19)；固定的外圆周毂(12)上，开有两个气体径向通口，弧长短的是高压气喷口(11)，另一弧长长的是低压冷气导出口(17)；固定的扇形封挡体(14)上，也开有一个径向通口--，即压缩气导出口(13)，扇形封挡体(14)的外部圆弧空缺处，形成轴向开口的低压气导入口(15)；高压气从气波膨胀—压缩机(5)的高压气入口(3)进入，通过其外圆周毂(12)上的高压气喷口(11)，依次地短时脉冲射入与高压气喷口(11)瞬间对齐开口的各条转动槽道(19)中，通过气波的作用，将能量传递给转动槽道(19)内的低压气体，低压气被压缩、升温升压成中压气，通过气波膨胀—压缩机(5)的扇形封挡体(14)上的压缩气导出口(13)从中压气出口(4)流出；中压气出了气波膨胀—压缩机(5)之后，先进入冷却器(6)中冷却，放出在被压缩时获得的热量，冷却之后再进到冷交换器(8)的热程中放热降温，产生中等压力而不是低压的冷气输出；而在转动槽道(19)内膨胀做功后的高压气体变成低温低压气，经气波膨胀—压缩机(5)的外圆周毂(12)上的低压冷气导出口(17)流出；然后，低温低压气直接进到冷交换器(8)的冷程中，将冷量交换给从冷却器(6)中出来的中压气，使其变成装置输出的制冷气；而从冷交换器(8)热程中出来的已回温的低压气，还要进到气波膨胀—压缩机(5)的回温低压气入口(7)，通过扇形封挡体(14)外部圆弧空缺处的低压气导入口(15)，从转动槽道(19)的内端开口进到槽道中，被从外端口脉冲射入的高压气流压缩而获得增压，再经扇形封挡体(14)上的压缩气导出口(13)后，从中压气出口(4)流出；

2.如权利要求1所述的径流式自增压气波制冷装置，其特征在于，位于转动盘(22)内部的多条转动槽道(19)，每条都是径向排列、周边封闭、只有两端开口的流道，槽道两端开口边界的圆周面，即转动盘(22)的内圆周面距离固定的扇形封挡体(14) 的外圆弧面留有满足不擦碰转动的间隙；且转动盘(22)的外圆周面距离外圆周毂(12)的内圆周面留有满足不擦碰转动的间隙；外圆周毂(12)上径向开通的高压气喷口(11)、低压冷气导出口(17)、扇形封挡体(14)上径向开通的压缩气导出口(13)和低压气导入口(15)的各个中心到转动盘(22)轴心的连线，沿着圆周方向都呈错位角度排布，使各个入、出口与每一条转动槽道(19)的两端开口，总是错时地相连通或者被左右端板的端面隔断，以实现高压气按时间差依次流入流出转动槽道(19)。

3.如权利要求1所述的径流式自增压气波制冷装置，其特征在于，气波膨胀—压缩机(5)内，高压气喷口(11)的中心和低压冷气导出口(17)的中心到转动盘(22)轴心的二条连线，沿着转动盘(22)的转向，错开的圆周夹角α1为10～300°；高压气喷口(11)、和压缩气导出口(13)的各中心，到转动盘(22)轴心的二条连线，沿着转动盘(22)的转向，错开的夹角α2为0＜α2≤270°；压缩气导出口(13)的中心和低压气导入口(15)的中心到转动盘(22)轴心的二条连线，沿着转动盘(22)的转向错开的圆周夹角α3 为45～315°。

4.如权利要求1所述的径流式自增压气波制冷装置，其特征在于，气波膨胀—压缩机(5)内，外圆周毂(12)上的高压气喷口(11)，其开口的圆周弧段长度，对应于机器轴心的夹角β1为1～45°，低压冷气导出口(17)，其开口的圆周弧段长度，对应于轴心的夹角β2为2～180°；扇形封挡体(14)上的压缩气导出口(13)，其开口的圆周弧段长度，对应于轴心的夹角β3为1～60°，低压气导入口(15)，其开口的圆周弧段长度，对应于轴心的夹角β4为3～330°。

5.如权利要求1所述的径流式自增压气波制冷装置，其特征在于，冷交换器(8)为逆流换热型。

6.权利要求1-5任一所述的一种径流式自增压气波制冷装置的制冷方法，其特征在于：气体流程围绕着气波膨胀—压缩机(5)，构建了回流气波压缩和冷交换两个过程：一是气体两次进、出气波膨胀—压缩机(5)，二是在第二次进入气波膨胀—压缩机(5)之前和第二次流出气波膨胀—压缩机(5)之后，都进到冷交换器(8)中进行换热；回流气波压缩过程直接回收利用机中气波的能量，使气波膨胀—压缩机(5)自行将制冷后的气体重新升压。