CN104792113B - 氦液化器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种氦液化器，其包括制冷机及内纯化器，内纯化器从制冷机引入冷源氦气，内纯化器包括一级、二级、三级换热器、气液分离器，冷源氦气引入三级换热器并流经二级换热器，一级换热器和制冷机相连接。内纯化器还包括连接于一级换热器和二级换热器之间、且顺流布置的四级换热器，冷源氦气流经过二级换热器后与回热氦气在四级换热器中进行换热。所述氦液化器可有效地提高工作稳定性。本发明另外提供所述氦液化器的控制方法。

Description

氦液化器及其控制方法
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种氦液化器及其控制方法。
背景技术
在氦液化器中，为了维持系统的稳定连续运行，需要为氦液化器持续地提供氦气，以保证氦气不断被液化来生产液氦。但是，如果提供的氦气纯度不够，将会导致其他杂质气体进入氦液化器，在低温下固化，并冻结在换热器表面，从而将增加换热器的热阻，降低换热性能；严重时，还会阻塞制冷机系统，造成氦流不畅通，使氦制冷循环受阻；甚至对高速运转的透平膨胀机也会造成点蚀破坏。对此，要求不纯氦气在进入氦液化器前，其含有的杂质气体(如氮气和氧气)被纯化器分离去除，从而满足氦液化器的纯度要求。
对于氦气纯化，可根据纯化器置于氦液化器冷箱内或者氦液化器冷箱外而分为外纯化与内纯化；还可根据纯化原理的不同分为低温吸附纯化、低温冷冻纯化以及低温吸附纯化和低温冷冻纯化两种方法的结合。随着现有氦液化器对自动化程度要求很高，相应的纯化器也要求容易实现自动化，为此，现有的大型氦液化器均采用了低温冷冻纯化的内纯化，即内纯化器。
现有的氦液化器及其内纯化器流程示意图如图1所示，氦液化主流程采用逆布雷顿循环和焦耳-汤姆逊节流实现氦液化。氦液化主流程的换热器连接形式为换热器A、换热器B、换热器C、换热器D、换热器E、换热器F顺序连接。而对于内纯化器，则由氦液化主流程末级换热器(换热器F)前抽出一股冷氦气，作为内纯化器的冷源。该冷源氦气依次逆流流过内纯化器中的三级换热器3、二级换热器2、一级换热器1，最终回到主液化流程低压管线。污氦气作为热流体，依次流过内纯化器中的一级换热器1、二级换热器2、三级换热器3，被逆流冷源氦气和纯化后的回流氦气冷却。污氦气中的杂质气体在纯化器一级换热器1内被部分冷却为液体，在气液分离器中分离；剩余的杂质气体在纯化器二级换热器2内被完全冻结去除。
研究表明，现有的这种内纯化器中，当污氦气的纯度(污氦气中氦气所占的摩尔百分比)高时，需要的冷源氦气流量低，主流程的液化量高；当污氦气的纯度低时，则需要的冷源氦气流量大大升高，主流程液化量也迅速降低。以液化量为每小时40L的氦液化器为例，当污氦气纯度为99％时，每小时可以产生50.6升液氦，当污氦气纯度90％时，每小时只能产生36L液氦。所以，现有氦液化器对污氦气的纯度都有限制，一般为纯度不低于90％。
同时，现有氦液化器中的内纯化器在污氦气纯度低时，进入内纯化器一级换热器1的冷源氦气与回流氦气的温度会大大降低，使内纯化器一级换热器1内部容易出现结霜甚至冻堵的现象，进而影响氦液化器的工作稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种不受内纯化器中污氦气纯度影响，可有效地提高工作稳定性的氦液化器及其控制方法。
一种氦液化器，其包括制冷机及内纯化器，所述内纯化器从所述制冷机引入冷源氦气，所述内纯化器包括一级换热器、二级换热器、和所述二级换热器相连接的三级换热器及连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间的气液分离器，所述冷源氦气引入所述三级换热器并流经所述二级换热器，所述一级换热器和所述制冷机相连接。所述内纯化器还包括连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间、且顺流布置的四级换热器，所述冷源氦气流经过所述二级换热器后与回热氦气在所述四级换热器中进行换热。
本发明一较佳实施方式中，所述四级换热器为两股流换热器。
本发明一较佳实施方式中，所述一级换热器、所述二级换热器均为多股流换热器，所述三级换热器为两股流换热器。
本发明一较佳实施方式中，所述内纯化器还包括含有污氦气的污氦气源，所述污氦气源连接至所述一级换热器，所述污氦气中的杂质气体在所述一级换热器中被部分冷却为液体，且在所述气液分离器中分离，所述污氦气中剩余的杂质气体在所述二级换热器中被完全冻结去除。
本发明一较佳实施方式中，所述一级换热器和所述制冷机相连接的管路中设置有冷源氦气节流阀。
本发明一较佳实施方式中，所述一级换热器为四股流换热器，其和所述气液分离器通过管线相连接，所述气液分离器中的杂质气液混合物逆流流入所述一级换热器，换热后形成的气体经由杂质截止阀排入大气。
本发明一较佳实施方式中，所述管线中设置有用于对所述管线中的杂质气液混合物进行减压的杂质节流阀。
一种氦液化器，其包括制冷机及内纯化器，所述内纯化器从所述制冷机引入冷源氦气，所述内纯化器包括一级换热器、二级换热器、和所述二级换热器相连接的三级换热器及连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间的气液分离器，所述冷源氦气引入所述三级换热器并流经所述二级换热器，所述一级换热器和所述制冷机相连接，且连接管路中设置有冷源氦气节流阀。所述内纯化器还包括具有两股流的四级换热器及含有污氦气的污氦气源；所述四级换热器连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间、且顺流布置，所述冷源氦气流经过所述二级换热器后与回热氦气在所述四级换热器中进行换热；所述污氦气源和所述一级换热器相连接，所述污氦气中的杂质气体在所述一级换热器中被部分冷却为液体，且在所述气液分离器中分离，所述污氦气中剩余的杂质气体在所述二级换热器中被完全冻结去除；所述一级换热器为四股流换热器，其和所述气液分离器通过管线相连接，所述气液分离器中的杂质气液混合物逆流流入所述一级换热器，换热后形成的气体经由杂质截止阀排入大气；所述管线中设置有用于对所述管线中的杂质气液混合物进行减压的杂质节流阀。
本发明一较佳实施方式中，所述二级换热器为三股流换热器。
本发明另外提供所述氦液化器的控制方法，其包括如下步骤：
S101、关闭所述杂质节流阀和所述杂质截止阀；
S103、控制所述内纯化器开始工作；
S105、当所述气液分离器内的液体到达设定液位时，开启所述杂质截止阀；
S107、调节设置于所述一级换热器通向所述制冷机的管路中的冷源氦气节流阀及所述杂质节流阀，使冷源氦气流量减小至设定值，杂质流量升高至设定值，此时所述内纯化器正常工作。
相较于现有技术，本发明提供的氦液化器采用改进的内纯化器，可以使氦液化主流程中液化量不受内纯化器中污氦气纯度的影响，保持工作状态的稳定，获得较高的效率。同时，所述氦液化器可以使其中的内纯化器所允许的污氦气纯度不受限制，且不需要任何额外的冷量输入。另外，所述氦液化器可以使进入其中内纯化器的一级换热器的冷源氦气和回热氦气温度均匀且保持较高的温度，从而可以有效地解决内纯化器中的一级换热器结霜冻堵的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为现有技术的氦液化器及其内纯化器流程示意图；
图2为本发明较佳实施例提供的氦液化器及其内纯化器流程示意图；
图3为图2所示氦液化器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图2，本发明第一实施例提供一种氦液化器10，其包括制冷机100及内纯化器200，所述内纯化器200从所述制冷机100引入冷源氦气，所述内纯化器200包括一级换热器210、二级换热器220、三级换热器230、四级换热器240、气液分离器250及污氦气源260。
所述一级换热器210和所述制冷机100相连接，所述二级换热器220和所述三级换热器230相连接，所述四级换热器240及所述气液分离器250均连接于所述一级换热器210和所述二级换热器220之间，所述四级换热器240为两股流换热器，其顺流布置于所述一级换热器210和所述二级换热器220之间。
本实施例中，所述一级换热器210和所述制冷机100相连接的管路(高压管线)中设置有冷源氦气节流阀212。
所述冷源氦气引入所述三级换热器230并依次流经所述二级换热器220、所述四级换热器240及所述一级换热器210，然后流回所述制冷机100，并流至其中的压缩机(图未标示)。在流动过程中，所述冷源氦气流经过所述二级换热器220后与回热氦气在所述四级换热器中进行换热，即所述二级换热器220排出的冷源氦气与回热氦气在所述四级换热器240中进行换热。
本实施例中，所述一级换热器210、所述二级换热器220均为多股流换热器，所述三级换热器230为两股流换热器，具体地，所述一级换热器210为四股流换热器，所述二级换热器220为三股流换热器。
所述气液分离器250和所述一级换热器210通过管线(图未标示)相连接，所述气液分离器250中的杂质气液混合物逆流流入所述一级换热器210进行换热，换热后形成的气体经由杂质截止阀214排入大气。本实施例中，所述管线中设置有杂质节流阀252，所述杂质节流阀252用于对所述管线中的杂质气液混合物进行减压。
所述污氦气源260和所述一级换热器210相连接，所述污氦气源260含有污氦气，所述污氦气中的杂质气体在所述一级换热器210中被部分冷却为液体，且在所述气液分离器250中分离，其后所述污氦气中剩余的杂质气体在所述二级换热器220中被完全冻结去除。
可以理解的是，所述内纯化器200中，一级换热器210和二级换热器220之间增设顺流布置的四级换热器240(两股流换热器)，可以使二级换热器220排出的冷源氦气与回热氦气在所述四级换热器240中进行换热，从而可以使其进入一级换热器210时温度保持均匀。同时，一级换热器210采用四股流换热器，将气液分离器250中的杂质液体引出，流经杂质节流阀252减压，并将减压后的杂质气液混合物逆流流入一级换热器210进行换热，换热后的杂质气体流经杂质截止阀214，并排入大气。由此，可以取消现有内纯化器中将杂质液体排向制冷机(主流程)中液氮通道的管线。
请参阅图3，本发明第二实施例提供所述氦液化器10的控制方法，其包括如下步骤：
S101、关闭所述杂质节流阀252和所述杂质截止阀214。
S103、控制所述内纯化器200开始工作。
此时，所述内纯化器200中，冷源氦气依次逆流流过所述三级换热器230、二级换热器220、四级换热器240及一级换热器210，最终回到制冷机100中(主液化流程)的低压管线(图未标示)。所述污氦气源260中的污氦气作为热流体，流过所述内纯化器200中的一级换热器210，在所述一级换热器210内被部分冷却为液体，并在所述气液分离器250内分离；然后部分纯化的氦气继续流到所述二级换热器220，在所述二级换热器220内，剩余的杂质气体被完全冷冻去除；其后完全纯化的氦气流道所述三级换热器230；最后依次流过所述二级换热器220、所述四级换热器240及所述一级换热器210，并经过冷源氦气节流阀212返回制冷机100中(主液化流程)的高压管线(图未标示)中。
S105、当所述气液分离器250内的液体到达设定液位时，开启所述杂质截止阀214。
S107、调节设置于所述一级换热器210通向所述制冷机100的管路中的冷源氦气节流阀212及所述杂质节流阀252，使冷源氦气流量减小至设定值，杂质流量升高至设定值，此时所述内纯化器200正常工作。
相较于现有技术，本发明提供的氦液化器10采用改进的内纯化器200，可以使氦液化主流程中液化量不受内纯化器200中污氦气纯度的影响，保持工作状态的稳定，获得较高的效率。同时，所述氦液化器10可以使其中的内纯化器200所允许的污氦气纯度不受限制，且不需要任何额外的冷量输入。另外，所述氦液化器10可以使进入其中内纯化器200的一级换热器210的冷源氦气和回热氦气温度均匀且保持较高的温度，从而可以有效地解决内纯化器200中的一级换热器210结霜冻堵的问题。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种氦液化器，其包括制冷机及内纯化器，所述内纯化器从所述制冷机引入冷源氦气，所述内纯化器包括一级换热器、二级换热器、和所述二级换热器相连接的三级换热器及连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间的气液分离器，所述冷源氦气引入所述三级换热器并流经所述二级换热器，所述一级换热器和所述制冷机相连接，其特征在于，所述内纯化器还包括连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间、且顺流布置的四级换热器，所述冷源氦气流经过所述二级换热器后与回热氦气在所述四级换热器中进行换热。
2.如权利要求1所述的氦液化器，其特征在于，所述四级换热器为两股流换热器。
3.如权利要求1所述的氦液化器，其特征在于，所述一级换热器、所述二级换热器均为多股流换热器，所述三级换热器为两股流换热器。
4.如权利要求1所述的氦液化器，其特征在于，所述内纯化器还包括含有污氦气的污氦气源，所述污氦气源连接至所述一级换热器，所述污氦气中的杂质气体在所述一级换热器中被部分冷却为液体，且在所述气液分离器中分离，所述污氦气中剩余的杂质气体在所述二级换热器中被完全冻结去除。
5.如权利要求1所述的氦液化器，其特征在于，所述一级换热器和所述制冷机相连接的管路中设置有冷源氦气节流阀。
6.如权利要求1所述的氦液化器，其特征在于，所述一级换热器为四股流换热器，其和所述气液分离器通过管线相连接，所述气液分离器中的杂质气液混合物逆流流入所述一级换热器，换热后形成的气体经由杂质截止阀排入大气。
7.如权利要求6所述的氦液化器，其特征在于，所述管线中设置有用于对所述管线中的杂质气液混合物进行减压的杂质节流阀。
8.一种氦液化器，其包括制冷机及内纯化器，所述内纯化器从所述制冷机引入冷源氦气，所述内纯化器包括一级换热器、二级换热器、和所述二级换热器相连接的三级换热器及连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间的气液分离器，所述冷源氦气引入所述三级换热器并流经所述二级换热器，所述一级换热器和所述制冷机相连接，且连接管路中设置有冷源氦气节流阀，其特征在于，所述内纯化器还包括具有两股流的四级换热器及含有污氦气的污氦气源；所述四级换热器连接于所述一级换热器和所述二级换热器之间、且顺流布置，所述冷源氦气流经过所述二级换热器后与回热氦气在所述四级换热器中进行换热；所述污氦气源和所述一级换热器相连接，所述污氦气中的杂质气体在所述一级换热器中被部分冷却为液体，且在所述气液分离器中分离，所述污氦气中剩余的杂质气体在所述二级换热器中被完全冻结去除；所述一级换热器为四股流换热器，其和所述气液分离器通过管线相连接，所述气液分离器中的杂质气液混合物逆流流入所述一级换热器，换热后形成的气体经由杂质截止阀排入大气；所述管线中设置有用于对所述管线中的杂质气液混合物进行减压的杂质节流阀。
9.如权利要求8所述的氦液化器，其特征在于，所述二级换热器为三股流换热器。
10.如权利要求9所述的氦液化器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、关闭所述杂质节流阀和所述杂质截止阀；
S103、控制所述内纯化器开始工作；
S105、当所述气液分离器内的液体到达设定液位时，开启所述杂质截止阀；
S107、调节设置于所述一级换热器通向所述制冷机的管路中的冷源氦气节流阀及所述杂质节流阀，使冷源氦气流量减小至设定值，杂质流量升高至设定值，此时所述内纯化器正常工作。
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