CN104884878B - 制冷和/或液化装置以及对应的方法 - Google Patents

制冷和/或液化装置以及对应的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104884878B
CN104884878B CN201380069164.3A CN201380069164A CN104884878B CN 104884878 B CN104884878 B CN 104884878B CN 201380069164 A CN201380069164 A CN 201380069164A CN 104884878 B CN104884878 B CN 104884878B
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat exchanger
working gas
heat
exchanger
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201380069164.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104884878A (zh
Inventor
J-M·伯恩哈特
F·杜兰德
V·埃卢安
P·巴亚霍克斯
G·弗拉维安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Publication of CN104884878A publication Critical patent/CN104884878A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104884878B publication Critical patent/CN104884878B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0275—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines adapted for special use of the liquefaction unit, e.g. portable or transportable devices
    • F25J1/0276—Laboratory or other miniature devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F25J1/0065—Helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F25J1/0268—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer using a dedicated refrigeration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/42—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/904—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by liquid or gaseous cryogen in an open loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/912—Liquefaction cycle of a low-boiling (feed) gas in a cryocooler, i.e. in a closed-loop refrigerator

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

一种包括用于工作气体的、形式为环路的工作回路的制冷装置，其相继包括：压缩站(1)、冷箱(2)、用于经冷却的工作气体与使用物(10)之间进行热交换的系统(14)、用于离开压缩站(2)的工作气体的附加预冷却的系统，该系统包括辅助低温流体容积(3)，冷箱(2)包括工作气体的第一冷却级，该第一冷却级包括在压缩站(1)的出口处既串联连接又并联连接至工作回路的第一热交换器(5)和第二热交换器(15)，第一冷却级还包括与辅助流体选择性地进行热交换的第三热交换器(25)，所述装置的特征在于，第三热交换器(25)与第一交换器(5)和第二热交换器(15)既串联连接又并联连接，工作回路包括回收管道(125)，该回收管道安装有至少一个阀(225)并将第三热交换器(25)的出口连接至第二热交换器(15)。

Description

制冷和/或液化装置以及对应的方法
技术领域
本发明涉及一种制冷和/或液化装置以及对应的方法。
本发明更具体地涉及一种用于包含氦气或由纯氦气组成的工作气体的制冷和/或液化的装置，该装置包括用于工作气体的、形式为环路的工作回路并且相继包括：
-配备有至少一个压缩机的工作气体压缩站，
-冷箱，该冷箱用于冷却工作气体并且包括串联布置的多个热交换器和用于使工作气体膨胀的至少一个部件，
-用于经冷却的工作气体与使用物之间的热交换的系统，
-使已从热交换系统通过的工作气体返回到压缩站的至少一个返回管道，该返回管道包括用于将工作气体加温的至少一个交换器，该装置还包括用于在压缩站的出口处预冷却工作气体的附加系统，该预冷却系统包括诸如液氮的辅助低温流体的一个容积/容器，该容积经由至少一个热交换器与工作回路连接，以便选择性地将冷能(制冷量/负大卡，frigorie)从辅助流体转移到工作气体，该冷箱包括第一工作气体冷却级，该第一工作气体冷却级包括在压缩站的出口处既串联连接又并联连接至工作回路的第一和第二热交换器，也就是说离开压缩站的工作气体能被选择性地容许进入第一和/或第二热交换器，第一冷却级还包括选择性地与辅助流体进行热交换的第三热交换器。
本发明尤其涉及氦制冷器/液化器，该氦制冷器/液化器产生极低的温度(例如在氦的情形中为4.5K)以便连续冷却使用物，例如超导电缆或等离子体生成装置(“TOKAMAK”)的构件。制冷/液化装置尤其是指冷却且在合适的情况下液化摩尔质量低的气体如氦气的极低温度(深冷温度)的制冷装置和/或液化装置。
背景技术
使用物被冷却意思是指使用物需要从较高的起始温度(例如300K或以上)下降至确定的低的标称工作温度(例如80K左右)。制冷/液化装置通常不适合于这种冷却。
有时，当在很长的时间(几十天)内将重型构件(例如超导磁体)从环境温度冷却到80K时，(向使用物给送和从使用物返回的)较热和较冷的氦流以对流方式从共同的交换器通过。不过，为使该装置正确工作，有必要限制这些氦流之间的温差(例如限制在40K到50K之间的最大温差)。
为此，该装置包括在该冷却期间供给冷能的辅助预冷却系统。
如尤其在文章(U.Wagner的“用于氦制冷循环中的液氮预冷却的方案(Solutionsfor liquid nitrogen pre-cooling in helium refrigeration cycles)”，CERN-2000)所说明的，该预冷却系统通常包括经由至少一个热交换器向工作气体供给冷能的液氮(处于例如80K的恒温下)的容积。
但是，这些已知的预冷却系统确实存在制约因素或缺点。
因而，有必要将处于80K下的氦与(处于环境温度下或处于它从待冷却的使用物返回时的温度下的)较热的氦混合。
为了限制液氮的消耗，还有必要随着使用物逐渐冷却而从自待冷却的使用物返回的氦中回收冷能。这些与温差和性能有关的制约因素需要根据各种工况(冷却、正常工作)而有所不同的热交换器技术。
因而，在正常工作期间(除冷却阶段以外)，交换器需要具有很高的性能(即低压降)并且不应面临显著的温差。适合于这种正常工作的热交换器包括铝钎焊板翅式热交换器。该类型的交换器通常可以耐受对流流体之间在50K以上的温差。
在重型使用物的冷却期间，交换器中所需的热交换性能不是很高，但却保持较高。相比而言，温差(由于处于恒温下的液氮)变得较大(大于50K)。
当回路和交换器中的氦温度依然较高时，压降远远大于正常工作中所需的压降。
用于解决这些问题的已有方案使得位于通向冷箱的入口处的主交换器是必需的，所述冷箱提供氦与氮之间的热交换。其它方案允许根据流体(氦或氮)的性质来将该主交换器分成利用不同热交换器技术制造的若干独立的部段。
这些方案并未提供针对上述问题的令人满意的方案，因为该装置既不适合于正常工作也不适合于冷却阶段。
发明内容
本发明的一个目的是减轻上文中公开的现有技术的缺点的全部或一部分。
为此，根据本发明的装置在按照其在以上背景技术中给出的一般定义的其它方面的基本特征在于，第三热交换器与第一和第二热交换器既串联连接又并联连接，也就是说离开第一和/或第二热交换器的工作气体被选择性地容许进入第三热交换器，该工作回路包括回收管道，该回收管道装配有至少一个阀且其将第三热交换器的出口与第二热交换器连接以便选择性地允许冷能从离开第三热交换器的工作气体向第二热交换器的转移。
此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个以下特征：
-在第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器之中的至少一者是铝制板翅式交换器，
-第三热交换器是至少部分地浸在辅助流体的容积中的热交换器，
-第三热交换器是远离所述容积并经由包括至少一个给送管道的线路而被选择性地给送辅助流体的交换器，
-该装置包括一管道，该管道用于排出气化的辅助气体、将所述容积的上端经由第二热交换器中的通路与远程回收系统连接以便选择性地将冷能从气化的气态辅助流体转移到工作气体，
-在第三热交换器的出口处，该工作回路包括被分为两个并置管路的限制部分，所述两个管路的其中一个构成回收管道，所述部分包括阀组以确保这两个并置管路之间的选择性分配，
-在经过第三热交换器之后，回收管道向下游与冷箱的工作回路连接以继续冷却工作气体，
-第一和第二热交换器经由管道和阀的网络在压缩站的出口处与工作回路既串联连接又并联连接，所述管道和阀形成两个热交换器之间的并联连接和串联连接和绕开第一热交换器的旁通管路，
-所述容积经由与辅助流体源连接并配备有阀的传送管道被选择性地给送辅助流体，
-所述第一热交换器属于在处于不同相应温度下的不同工作气体流之间进行热交换的类型，并且包括被给送离开压缩站的所谓的热高压工作气体的第一通路、与第一通路对流并由返回管道给送所谓的冷低压工作气体的第二通路和与第一通路对流并经由使尚未从热交换系统通过的来自冷箱的工作气体返回的工作回路返回管道被给送所谓的中压工作气体的第三通路，
-所述第二热交换器属于在工作气体与辅助气体之间进行热交换的类型并且包括被给送来自第一热交换器和/或直接来自冷箱的工作气体的第一通路、与第一通路对流并经由排出管道被给送气化的辅助气体的第二通路、经由回收管道被给送工作气体的第三通路，
-第一和第二热交换器的工作流体出口和绕开第一热交换器的旁通管路经由管道和阀的网络与第三交换器的工作流体入口并联连接，以使得第三热交换器接收选择性地仅来自第一热交换器的工作流体和/或仅来自第二热交换器的工作流体和/或已从第一热交换器通过继而从第二热交换器通过的工作流体。
本发明还涉及一种使用根据上述或下述特征中的任何一个特征的用于工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物的方法，其中经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在120K到400K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过在第一热交换器中、继而在第二热交换器中、继而在第三热交换器中的热交换来冷却，离开第三交换器的经冷却的工作气体被允许至少部分地向上游重新进入第二热交换器中，并在第二热交换器中移交冷能。
此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个以下特征：
-经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在50K到200K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过在第一热交换器中、继而在第二热交换器中、继而在第三热交换器中的热交换来冷却，离开第三交换器的经冷却的工作气体向工作回路的下游被引至冷箱中而不向上游经由第二热交换器返回，
-经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在90K到400K之间的初始温度的使用物的步骤，在该预冷却步骤之后，当使用物达到在50K到90K之间的温度时，该方法继而包括连续冷却使用物的步骤，在该步骤中将离开压缩站的工作气体分成分别通过第一热交换器中和第二热交换器中的热交换而被冷却的两个部分，这两个气体部分然后在第三热交换器中重新组合并冷却，离开第三热交换器的经冷却的工作气体向工作回路的下游被引至冷箱中而不向上游经由第二热交换器返回，
-该方法包括回收气化的辅助流体的至少一部分的步骤和在第二热交换器中将冷能从该气化的辅助流体转移到工作气体的步骤。
本发明还可涉及包括上述或下述特征的任何组合的任何替代装置或方法。
附图说明
通过阅读下文参考附图给出的描述，其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1示出了简化的示意局部视图，其示出了用于冷却使用部件的液化/制冷装置的结构，
-图2示意性地和部分地示出了用于冷却使用部件的液化/制冷装置的结构和运行的第一示例，
-图3示意性地和部分地示出了根据第二实施例的液化/制冷装置的冷箱的细节，
-图4至6分别以各种不同的工作构型示出了图3的细节。
具体实施方式
如图1所示，设备100通常可包括制冷/液化装置，该制冷/液化装置包括使氦经受工作循环以便制冷的工作回路。制冷装置2的工作回路包括配备有压缩氦的至少一个压缩机5且优选多个压缩机的压缩站1。
在离开压缩站1时，氦进入冷箱2用以冷却氦。冷箱2包括与氦进行热交换以便冷却氦的若干热交换器5。此外，冷箱2包括一个或多个涡轮机7以使经压缩的氦膨胀。作为优选，冷箱2采用布雷顿式热力循环或任何其它合适的循环工作。至少一部分氦在离开冷箱2时液化并进入到设计成提供液氦与待冷却的使用物10之间的选择性热交换的热交换系统14中。使用物10包括例如使用超导磁体获得的磁场发生器和/或一个或多个低温冷凝泵送单元或任何其它需要极低温冷却的部件。
如在图1中示意性地示出的，该装置还以本身已知的方式包括用于在压缩站2的出口处预冷却工作气体的附加预冷却系统。该预冷却系统包括诸如液氮的辅助低温流体的容积3。容积3经由至少一个热交换器与工作回路连接，以便选择性地将冷能从辅助流体转移到工作气体。
例如，容积3可经由连接至辅助流体源(未示出)并装配有阀23(参看图3)的传送管道13而被给送辅助流体。
在图2的更详细的示例中，压缩站1包括两个串联的压缩机11、12，这两个压缩机限定例如用于氦的三个压力水平。如示意性地表示的，压缩站2还可包括氦净化部件8。
在压缩站1的出口处，氦被允许进入冷箱2，该氦在冷箱2中通过与若干交换器5进行热交换而被冷却并在冷箱2中经涡轮机7而膨胀。
在冷箱2中液化的氦可被储存在设置有交换器144的储器14中，交换器144用于与待冷却的使用物10(例如配备有泵的回路)进行热交换。用于氦与使用物10之间的热交换的该系统14可包括任何其它合适的结构。
已从热交换系统14通过的低压氦经由返回管道9返回压缩站1，以便重新开始工作循环。在该返回期间，较冷的氦向热交换器5移交冷能并因而冷却在到达使用物10之前沿反方向冷却和膨胀的较热的氦。
如所示出的，该工作回路可包括使尚未从热交换系统14通过的氦从冷箱2返回到压缩站1的返回管道19。
如在图2中可见的，该装置包括预冷却系统，该预冷却系统包括处于例如80K温度下的诸如液氮的辅助低温流体的容积13。
冷箱2包括一旦氦离开压缩站1就接收氦的第一氦冷却级。
该第一冷却级包括在压缩站1的出口处既串联连接又并联连接至工作回路的第一热交换器5和第二热交换器15。也就是说，离开压缩站2的工作气体可被选择性地容许进入第一热交换器5和/或第二热交换器15。
第一热交换器5例如属于在不同相应温度下的不同氦流之间存在热交换的类型。第一交换器5可包括被给送直接离开压缩站1的所谓的热高压工作气体的第一通路6、与第一通路对流并由返回管道9给送所谓的冷低压的工作气体的第二通路、和与第一通路对流并经由返回管道19给送所谓的中压工作气体的第三通路。
第二热交换器15属于在工作气体与辅助气体之间进行热交换的类型，并且包括例如被给送来自第一热交换器5和/或直接来自冷箱2的工作气体的第一通路16、与第一通路对流并用于气化的辅助气体的第二通路和经由回收管道125被给送工作气体的第三通路。
如图3的示例中所示，第一热交换器5和第二热交换器15可经由管道6、16、26、36和阀116、126、136的网络在压缩站1的出口处既串联连接又并联连接至工作回路，从而形成：
-两个热交换器5、15之间的并联连接，
-两个热交换器5、15之间的串联连接，和
-绕开第一热交换器5的旁通管路。
第一冷却级还包括第三热交换器25。该第三热交换器25与第一热交换器5和第二热交换器15既串联连接又并联连接。也就是说，离开第一热交换器5和/或第二热交换器15的工作气体被选择性地容许进入第三热交换器25。如图3中更详细地所示，这通过将第三热交换器25的流体入口与分别属于第一热交换器5和第二热交换器15的两个流体出口连接来实现。
如图1所示，工作回路包括回收管道125，该回收管道选择性地将第三热交换器25的出口与第二热交换器15连接，以便选择性地允许冷能从离开第三热交换器25的工作气体向第二热交换器15的转移。
例如，在第三热交换器25的氦出口处，该工作回路包括分为两个并置管路的限制部分，所述两个管路的其中一个构成回收管道125。该回路部分可包括阀组45、44以确保氦在两个并置管路(参看图3)之间的选择性分配。
此外，在经过第三热交换器25之后，回收管道125向下游与冷箱2的工作回路连接以便继续冷却工作气体。
第三热交换器25被选择性地给送辅助流体(例如氮)。例如，第三热交换器25是远离容积3并经由包括至少一个给送管道13的回路而被选择性地给送辅助流体的交换器。这允许选择性地将冷能从辅助流体转移到第三热交换器25中的氦。
如图2中可见的，该装置优选包括用于气化的辅助气体的排出管道225，该排出管道将容积3的上端经由第二热交换器15中的通路与远程回收系统连接。这允许冷能从气化的气态辅助流体选择性地转移到从第二热交换器15通过的工作气体。
图3示出了该装置的第一冷却级的实施例的一种替代形式。图3的实施例的形式与图2的不同之处仅在于第三热交换器25这次浸在辅助流体的容积中。
图4至6是可相继用于该装置的一个可行工作示例中的三个不同的构型。
在冷却使用物的第一阶段(该阶段在图4中示出)，来自压缩站1的氦相继在第一热交换器5、第二热交换器15和第三热交换器25中依次被冷却(阀116和126关闭，阀136打开)。此外，在第三热交换器25的出口处，经冷却的氦经由回收管道125返回，以从第二热交换器15通过(阀45和44打开)。
处于约80K的温度下的辅助流体(氮)被允许循环通过第二热交换器25(它在例如约270K的温度下从第二热交换器中再度出现)。
这可对应于冷却最初处于300K的温度下的使用物的操作的开始。在该第一阶段期间，氦的温度可以是：
-在第一热交换器5的出口处约等于300K，
-在第二热交换器15的出口处约等于110K，
-在第三热交换器25的出口处约等于80K，
-在第一冷却级的下游4处约等于154K。
冷却具有200K的温度的使用物的第二阶段可包括与图4相同的构型。
在该第二阶段期间，氦的温度可以是：
-在第一热交换器5的出口处约等于200K，
-在第二热交换器15的出口处约等于110K，
-在第三热交换器25的出口处约等于80K，
-在第一冷却级的下游4处约等于154K。
在该第二阶段中，处于约80K的温度下的辅助流体(氮)被允许循环通过第二热交换器15并在例如约190K的温度下从第二热交换器中再度出现。
冷却具有140K的温度的使用物的第三阶段可包括与图4相同的构型。
在该第三阶段期间，氦的温度可以是：
-在第一热交换器5的出口处约等于140K，
-在第二热交换器15的出口处约等于115K，
-在第三热交换器25的出口处约等于80K，
-在第一冷却级的下游4处约等于96K。
在该第三阶段中，处于约80K的温度下的辅助流体(氮)被允许循环通过第二热交换器15并在例如约140K的温度下从第二热交换器中再度出现。
冷却具有120K的温度的使用物的第四阶段可包括与图4的构型不同的构型，其不同之处仅在于离开第三热交换器25的氦未循环通过第二热交换器15(阀45关闭)。
在该第四阶段期间，氦的温度可以是：
-在第一热交换器5的出口处约等于120K，
-在第二热交换器15的出口处约等于115K，
-在第三热交换器25的出口处约等于80K，
-在第一冷却级的下游4处约等于80K。
在该第四阶段中，处于约80K的温度下的辅助流体(氮)被允许循环通过第二热交换器15并在例如约120K的温度下从第二热交换器中其再度出现。
最后，在该预冷却过程之后，当使用物已达到其低的标称工作温度(例如80K)时，该装置可采取图6所示的第五工作阶段。
该第五工作阶段——称为“标称”或正常(即稳定)工作——与图5的构型的不同之处仅在于来自压缩站1的氦在第一热交换器5与第二热交换器15之间分配(阀116和126关闭，而阀136打开)。
在该第五阶段期间，氦的温度可以是：
-在进入第三热交换器25之前约等于86K，
-在第三热交换器25的出口处约等于80K。
在该第五阶段中，处于约80K的温度下的辅助流体(氮)被允许循环通过第二热交换器15并在例如约300K的温度下从第二热交换器中再度出现。
上文所述的架构因而使得能采用与制冷器/液化器的正常(标称)工作所需的设备量相同的设备量将重型构件从较热温度(例如400K)冷却到较低温度(例如80K)。
事实上，三个热交换器5、15和25有利地可以是相同类型的热交换器，例如铝制板翅式交换器。这使得能使用紧凑的交换器5、15、25并且对于装置的所有工作模式(冷却或正常工作)都有效。
该架构尤其使得能相比已知系统缩小第一热交换器5的尺寸。具体地，该第一热交换器5仅接受氦(而非氮)。此外，可通过将该氦的一部分分配到第二热交换器15而部分地减小(来自压缩站1的)的高压氦的流量。
此外，较热和较冷的氦流未充分平衡，也就是说冷流引起收缩的增加，即冷流体与热流体之间沿交换器的最小温差的增大和LMTD的增大(即热交换器5的算术平均温差的增大)。具体地，由冷流提供的冷能成比例地大于待从热流中提取的热能。冷流因此经受较少的加温，因此增大了热交换器5的LMTD。
在正常工作中，第一交换器5和第二交换器15并行工作(图6)。在冷却期间，与之相比，这两个交换器5、15串联工作。
这种布置使得能由于通过回收管道125转移到第二交换器15中的氦而减小第二热交换器15处的温差。
来自回收管道125的氦被加温，从而向第二热交换器15移交冷能并然后与冷箱中沿下游方向离开的较冷的氦流混合。
该装置提供了众多优于现有技术的优点。
因而，该装置尤其使得能针对制冷器的正常工作指定第一交换器5、第二交换器15和第三交换器25，并且这些交换器因而可由铝制板翅式交换器组成。
此外，该装置允许根据工作模式调节氦的温度的简单和有效的方式。

Claims (13)

1.一种用于包含氦气或由纯氦气组成的工作气体的制冷和/或液化的装置，所述装置包括用于所述工作气体的、形式为环路的工作回路并且相继包括：
-配备有至少一个压缩机(11，12)的工作气体压缩站(1)，
-冷箱(2)，所述冷箱用于冷却所述工作气体并且包括串联设置的多个热交换器和用于使所述工作气体膨胀的至少一个部件(7)，
-用于经冷却的工作气体与使用物(10)之间的热交换系统(14)，
-至少一个返回管道(9)，所述返回管道使已从热交换系统(14)通过的工作气体返回至所述压缩站(1)，所述返回管道(9)包括用于将所述工作气体加温的至少一个交换器，所述装置还包括用于在所述压缩站(1)的出口处预冷却所述工作气体的附加系统，所述预冷却系统包括辅助低温流体的容积(3)，所述容积(3)经由至少一个热交换器与所述工作回路连接以便选择性地将冷能从辅助流体转移到工作气体，所述冷箱(2)包括第一工作气体冷却级，该第一工作气体冷却级包括在所述压缩站(1)的出口处既串联连接又并联连接至所述工作回路的第一热交换器(5)和第二热交换器(15)，也就是说，离开所述压缩站(1)的工作气体能被选择性地容许进入所述第一热交换器(5)和/或所述第二热交换器(15)，所述第一工作气体冷却级还包括选择性地与所述辅助流体进行热交换的第三热交换器(25)，
所述装置的特征在于，所述第三热交换器(25)与所述第一热交换器(5)和所述第二热交换器(15)既串联连接又并联连接，也就是说，离开所述第一热交换器(5)和/或所述第二热交换器(15)的气体被选择性地容许进入所述第三热交换器(25)，并且所述工作回路包括回收管道(125)，所述回收管道安装有至少一个阀(45)且将所述第三热交换器(25)的出口与所述第二热交换器(15)连接以便选择性地允许冷能从离开所述第三热交换器(25)的所述工作气体向所述第二热交换器(15)的转移。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述第一热交换器(5)、所述第二热交换器(15)和所述第三热交换器(25)之中的至少一者是铝制板翅式交换器。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第三热交换器(25)是至少部分地浸在所述辅助流体的容积(3)中的热交换器。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第三热交换器(25)是远离所述容积(3)并经由包括至少一个给送管道(13)的线路被选择性地给送辅助流体的交换器。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于排出气化的辅助气体的管道(225)，所述管道将所述容积(3)的上端经由所述第二热交换器(15)中的通路与远程回收系统连接，以便选择性地将冷能从气化的气态辅助流体转移到工作气体。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述第三热交换器(25)的出口处，所述工作回路包括被分为两个并置管路的限制部分，所述两个管路的其中一个构成所述回收管道(125)，所述部分包括阀组(45，44)以确保两个并置管路之间的选择性分配。
7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在经过所述第三热交换器(25)之后，所述回收管道(125)向下游与所述冷箱(2)的工作回路连接以继续冷却所述工作气体。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助低温流体为液氮。
9.一种使用如权利要求1至8中任一项所述的用于包含氦气或由纯氦气组成的工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物(10)的方法，其中，经由所述热交换系统(14)来冷却所述使用物(10)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括预冷却具有在120K到400K之间的初始温度的所述使用物(10)的步骤，在该步骤中通过在所述第一热交换器(5)中、继而在所述第二热交换器(15)中、继而在所述第三热交换器(25)中的热交换来冷却离开所述压缩站(1)的所述工作气体，并且离开所述第三热交换器(25)的经冷却的工作气体的至少一部分被允许向上游重新进入所述第二热交换器(15)中，并在第二热交换器中移交冷能。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述方法包括预冷却具有在50K到200K之间的初始温度的所述使用物(10)步骤，在该步骤中通过在所述第一热交换器(5)中、继而在所述第二热交换器(15)中、继而在所述第三热交换器(25)中的热交换来冷却离开所述压缩站(1)的工作气体，离开所述第三热交换器(25)的经冷却的工作气体向所述工作回路的下游被引至所述冷箱(2)中而不向上游经由所述第二热交换器(15)返回。
12.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述方法包括预冷却具有在90K到400K之间的初始温度的所述使用物(10)的步骤，并且在所述预冷却步骤之后，当所述使用物达到在50K到90K之间的温度时，所述方法继而包括连续冷却所述使用物(10)的步骤，在该步骤中将离开所述压缩站(1)的所述工作气体分成分别通过所述第一热交换器(5)中和所述第二热交换器(15)中的热交换而被冷却的两个部分，这两个气体部分然后在所述第三热交换器(25)中重新组合并冷却，并且离开所述第三热交换器(25)的经冷却的工作气体向所述工作回路的下游被引至所述冷箱(2)中而不向上游经由所述第二热交换器(15)返回。
13.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述方法包括回收气化的辅助流体的至少一部分的步骤和在所述第二热交换器(15)中将冷能从该气化的辅助流体转移到工作气体的步骤。
CN201380069164.3A 2013-01-03 2013-11-08 制冷和/或液化装置以及对应的方法 Active CN104884878B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1350018 2013-01-03
FR1350018A FR3000541B1 (fr) 2013-01-03 2013-01-03 Dispositif de refrigeration et/ou de liquefaction et procede correspondant
PCT/FR2013/052686 WO2014106697A1 (fr) 2013-01-03 2013-11-08 Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction et procédé correspondant

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104884878A CN104884878A (zh) 2015-09-02
CN104884878B true CN104884878B (zh) 2017-08-11

Family

ID=48083308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380069164.3A Active CN104884878B (zh) 2013-01-03 2013-11-08 制冷和/或液化装置以及对应的方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10520225B2 (zh)
EP (1) EP2941602B1 (zh)
JP (1) JP6284950B2 (zh)
KR (1) KR102124677B1 (zh)
CN (1) CN104884878B (zh)
FR (1) FR3000541B1 (zh)
WO (1) WO2014106697A1 (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3162871A1 (en) 2015-10-27 2017-05-03 Linde Aktiengesellschaft Hydrogen-neon mixture refrigeration cycle for large-scale hydrogen cooling and liquefaction
CN106949655B (zh) * 2017-03-16 2019-03-05 中国科学院理化技术研究所 一种氦低温系统
FR3066585B1 (fr) * 2017-05-22 2020-01-24 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Dispositif et procede d'epuration d'un melange de gaz
FR3067947B1 (fr) * 2017-06-21 2019-07-19 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Dispositif et procede de purification cryogenique et engin comprenant un dispositif de purification
FR3099820B1 (fr) * 2019-08-05 2022-11-04 Air Liquide Dispositif et installation de réfrigération
CN110608581B (zh) * 2019-08-22 2021-05-14 北京中科富海低温科技有限公司 一种内纯化器和氦液化器
CN112304141A (zh) * 2020-09-22 2021-02-02 蓝箭航天空间科技股份有限公司 液氧/液甲烷与液氮的换热器系统及换热方法
FR3129201B1 (fr) * 2021-11-16 2024-01-19 Air Liquide Système de pompage cryogénique et intégration innovante pour la cryogénie Sub Kelvin inférieure à 1,5K

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08222429A (ja) * 1995-02-13 1996-08-30 Hitachi Ltd 極低温装置
JPH09113052A (ja) * 1995-10-16 1997-05-02 Hitachi Ltd 冷凍装置
JP2003194428A (ja) * 2001-12-28 2003-07-09 Sumitomo Heavy Ind Ltd 冷却装置
CN1459356A (zh) * 2002-05-20 2003-12-03 东海旅客铁道株式会社 极低温冷冻装置
CN1503891A (zh) * 2001-04-20 2004-06-09 Һ������������·������ú��о��ľ� 一种特别是用于光纤的低压低温冷却装置和方法
WO2009024705A2 (fr) * 2007-08-03 2009-02-26 L'Air Liquide Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude Procédé de réfrigération d'un fluide, par exemple d'hélium, destiné à alimenter un consommateur de fluide, ainsi qu'à une installation correspondante
CN102812310A (zh) * 2010-03-12 2012-12-05 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 用于脉冲负荷制冷的方法和设备

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL125897C (zh) * 1964-04-29
GB1358169A (en) * 1970-10-19 1974-06-26 Cryogenic Technology Inc Method and apparatus for liquefying helium by isentropic expansion
US4267701A (en) * 1979-11-09 1981-05-19 Helix Technology Corporation Helium liquefaction plant
US4346563A (en) * 1981-05-15 1982-08-31 Cvi Incorporated Super critical helium refrigeration process and apparatus
JPS60165597A (ja) 1984-02-09 1985-08-28 株式会社東芝 原子力発電所の暖房システム
JPS62102812A (ja) 1985-10-30 1987-05-13 Hitachi Ltd 吸着器切替え方法
JPS6332258A (ja) 1986-07-25 1988-02-10 株式会社日立製作所 極低温冷凍装置
JPS6338863A (ja) 1986-08-04 1988-02-19 株式会社神戸製鋼所 低温液化ガス液化・冷凍装置
JPS63194163A (ja) 1987-02-06 1988-08-11 株式会社日立製作所 極低温冷凍装置
JPH07117309B2 (ja) 1987-11-13 1995-12-18 日本原子力研究所 極低温液化冷凍装置の補助寒冷源制御方法
JPH01244254A (ja) 1988-03-25 1989-09-28 Japan Atom Energy Res Inst 極低温冷凍装置の補助寒冷源制御方法
JPH0436552A (ja) 1990-06-01 1992-02-06 Hitachi Ltd 低温吸着筒を有する冷凍機
JPH04273953A (ja) 1991-02-28 1992-09-30 Kobe Steel Ltd 液化冷凍装置
JPH0579715A (ja) 1991-09-20 1993-03-30 Hitachi Ltd ヘリウム精製装置
JPH06123508A (ja) 1992-10-07 1994-05-06 Japan Atom Energy Res Inst 冷凍装置
JP3755696B2 (ja) 1997-10-21 2006-03-15 アイシン精機株式会社 床暖房装置付き空気調和機
JP3925355B2 (ja) * 2002-08-27 2007-06-06 松下電工株式会社 暖房装置
JP3972783B2 (ja) 2002-09-26 2007-09-05 アイシン精機株式会社 車両エンジンの冷却装置
JP2005273487A (ja) 2004-03-23 2005-10-06 Toyoda Gosei Co Ltd 外気導入用エアダクトの補強構造
US7278280B1 (en) * 2005-03-10 2007-10-09 Jefferson Science Associates, Llc Helium process cycle
US7409834B1 (en) * 2005-03-10 2008-08-12 Jefferson Science Associates Llc Helium process cycle
JP2007051565A (ja) 2005-08-16 2007-03-01 Toshiba Corp 温水過熱温度制御装置および熱併給発電プラント
FR2958025A1 (fr) * 2010-03-23 2011-09-30 Air Liquide Procede et installation de refrigeration en charge pulsee

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08222429A (ja) * 1995-02-13 1996-08-30 Hitachi Ltd 極低温装置
JPH09113052A (ja) * 1995-10-16 1997-05-02 Hitachi Ltd 冷凍装置
CN1503891A (zh) * 2001-04-20 2004-06-09 Һ������������·������ú��о��ľ� 一种特别是用于光纤的低压低温冷却装置和方法
JP2003194428A (ja) * 2001-12-28 2003-07-09 Sumitomo Heavy Ind Ltd 冷却装置
CN1459356A (zh) * 2002-05-20 2003-12-03 东海旅客铁道株式会社 极低温冷冻装置
WO2009024705A2 (fr) * 2007-08-03 2009-02-26 L'Air Liquide Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude Procédé de réfrigération d'un fluide, par exemple d'hélium, destiné à alimenter un consommateur de fluide, ainsi qu'à une installation correspondante
CN102812310A (zh) * 2010-03-12 2012-12-05 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 用于脉冲负荷制冷的方法和设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN104884878A (zh) 2015-09-02
FR3000541B1 (fr) 2015-01-23
KR102124677B1 (ko) 2020-06-23
US20150345834A1 (en) 2015-12-03
WO2014106697A1 (fr) 2014-07-10
JP2016504558A (ja) 2016-02-12
EP2941602B1 (fr) 2017-04-19
FR3000541A1 (fr) 2014-07-04
JP6284950B2 (ja) 2018-02-28
KR20150103020A (ko) 2015-09-09
US10520225B2 (en) 2019-12-31
EP2941602A1 (fr) 2015-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104884878B (zh) 制冷和/或液化装置以及对应的方法
CN104520660B (zh) 用于天然气液化的系统和方法
CN103591767B (zh) 液化方法和系统
JP4938452B2 (ja) 複数の膨張機を備えたハイブリッドガス液化サイクル
WO2013135037A1 (zh) 采用单一混合工质制冷液化天然气的方法和装置
US20200041201A1 (en) Refrigeration and/or liquefaction device, and associated method
US20160003528A1 (en) Station for reducing gas pressure and liquefying gas
CN115451647B (zh) 一种集成液化空气储能系统的氢液化系统
KR100991859B1 (ko) 유체 냉각 시스템 및 이를 이용한 유체 냉각 방법
CN103827600B (zh) 制冷方法和装置
EP2649387A1 (en) Refrigeration circuit
JP2023531232A (ja) 水素冷却のための設備及び方法
US6170290B1 (en) Refrigeration process and plant using a thermal cycle of a fluid having a low boiling point
CN105934641A (zh) 制冷方法、以及相应的蓄冷盒及低温设备
CN115789511B (zh) 一种液氢冷能梯级利用系统和方法
RU2258186C1 (ru) Способ сжижения природного газа
CN113606864B (zh) 一种适应产气量波动的bog再液化系统及其工作方法
US20240102728A1 (en) Installation and process for production of a cryogenic fluid
KR20240122526A (ko) 대형 수소 액화 시스템을 위한 방법
JPS63187066A (ja) 極低温冷凍装置
JPH04369356A (ja) 極低温冷凍装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant