CN106595114B - 斜流再增压膨胀制冷装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体膨胀制冷技术领域，涉及一种斜流再增压膨胀制冷装置与方法。本发明克服了传统气波制冷机压力能变成热能的热力学缺陷，将双开口压力交换气波机作为膨胀机与压缩机构成制冷流程，利用双开口振荡管压力交换特性在双开口振荡管槽道内对制冷原料气进行一次压缩增压，直接高效回收利用高压制冷气压力能，从而降低后续压缩机的功耗，提高系统制冷效率。本发明双开口振荡管槽道采用旋转半径变化的斜通道设计，利用转股旋转离心力将振荡管槽道内的冷凝液滴从冷端口甩出，进一步提高了制冷效率。本发明可以广泛应用于低温冷气源供给、天然气低温脱水、石油气轻烃回收等领域。
Description
技术领域
本发明属于气体膨胀制冷技术领域，涉及一种斜流再增压膨胀制冷装置与方法。
背景技术
气波膨胀制冷技术具有结构简单，带液运行能力强等特点，在轻烃回收，天然气低温处理等领域应用具有较大优势。目前气波制冷装置及技术从结构上大体可分成两类，一类是固定式单开口振荡管结构，通过气波能量交换，将高压气体的膨胀功转换成振荡管内滞流气体的热能再通过管壁及腔室散发，如专利气波制冷机89213744.4、共容腔散热式气波制冷机CN201010107516、引流平衡型顶装内嵌式气波制冷机CN201410061539、一种接触式密封倒置型气波制冷机CN201410119687等。另一类是旋转式双开口振荡管结构，由脉冲高压射流的气波，将双开口振荡管槽道中的气体压缩出制冷机，然后在制冷机的外部进行能量的耗散，或者是将回温低压气体返回双开口振荡管中回收压力能被压缩到中压，再在换热器中进行低、中压气体的冷、热量交换，变成中压冷气输出，如专利外循环耗散式气波制冷机CN200810011257.1、轴流式自增压气波制冷装置以及制冷方法CN201310076628、径流式自增压气波制冷装置以及制冷方法CN201310078579等。
第一类固定式单开口振荡管式气波制冷机是将膨胀功转换成热能通过管壁进行耗散，压力能没有回收，能量利用率不高。第二类外循环耗散式气波制冷机同样将膨胀功变成了热能，通过外部换热器耗散。而轴流式自增压气波制冷装置，其能量的有效回收程度取决于外部换热器的效率，需要相当大的换热面积，故导致流动阻力的增大，不仅耗用设备材料，也消耗压力能。
除此以外，单开口振荡管和双开口振荡管槽道内存在气体冷凝组分液排液不净问题，严重影响气波制冷的效率。目前，双开口振荡管内排液问题仍未解决。
发明内容
本发明获得一种借助双开口振荡管自身进行压力交换增压，直接回收高压气体压力能的斜流再增压膨胀制冷装置与方法。它是将与制冷气压力相差不多的新鲜来气，先引入双开口振荡管中，接受来自高压气膨胀能量的气波压缩增压后，返出再由外部的压缩机进一步增压到高压，然后作为气波制冷的高压气源，在双开口振荡管的另一端进入槽道膨胀做功而制冷。如此在双开口振荡管内部通过压力交换的方式，直接回收利用了高压气的压力能，而不是将其转换成低品位或无用的热能而白白耗散。
利用转鼓倾斜槽道设计，解决了双开口振荡管槽道的排液问题，使制冷效率得到进一步的提升。
本发明的技术方案：
一种斜流再增压膨胀制冷装置与方法，具体如下：
1.随着双开口振荡管的旋转，新鲜原料来气依靠气波机内部引风装置，通过振荡管右侧引气腔被引入振荡管槽道，同时推动振荡管槽道内冷气向左端固定的冷气出口排气；双开口振荡管继续旋转，该槽道左端口对位到左端固定的高压气喷嘴出口，槽道左开口接受高压射流，动态压缩之前从右端口进入槽道内的新鲜原料气，使之升压和升温，高压射流气则因不定常膨胀做功而被制冷；随双开口振荡管的继续旋转，槽道右端口和左端口又相继对位右端面固定的中压气出口，和左端面固定的制冷器出口，将压缩后的中压气、和膨胀做功后低压制冷气依次排出槽道。随着双开口振荡管不断旋转，在其圆周排列的各个槽道中依次重复上述过程，在双开口振荡管各个槽道内顺序完成高压射流气的膨胀做功制冷并排出，和新鲜原料气被压缩升至中压排出的过程。
将于双开口振荡管内被一次增压的气体送入外部冷却器中冷却，以减小比容节省其后的压缩功，再送至外部压缩机再增压，再冷却后作为双开口振荡管气波制冷的高压气使用。
2.为解决双开口振荡管内排液问题，进一步提高制冷效率，本发明斜流再增压膨胀制冷装置与方法中，采用了将双开口振荡管槽道倾斜加工的方法，即沿右端口向左端口的旋转半径逐渐增大，使得槽道中的凝液在离心力作用下，不断被甩向旋转半径大的左端口，并随着制冷气一同被排出气体槽道，再从制冷机的冷气出口排出。
本发明的有益效果：本发明斜流再增压膨胀制冷装置与方法，由于是将欲制冷的气体先引入双开口振荡管，利用高压气体压力能进行一次压缩增压，降温后再通过外部压缩机再增压，故可大幅降低后续外部压缩机的功耗，即本发明斜流再增压膨胀制冷装置与方法，比第一类气波制冷技术在同工艺下具有更高的能量利用效率，也比第二类技术简单，更具经济性，通过振荡管内部增压获得可观的压缩比，能得到更低的制冷温度以及更高的系统制冷效率。
本发明采用倾斜双开口振荡管，可利用转鼓旋转时的离心力，连续地进行将振荡管槽道中不断冷凝的液滴甩向冷端口的分离脱出，提高了槽道中激波的压缩效率，进一步提高了双开口振荡管系统的压缩能效和制冷效率。本发明斜流再增压膨胀制冷装置与方法将与制冷气压力相差不多的新鲜来气，先引入双开口振荡管中，接受来自高压气膨胀能量的气波压缩增压后，返出再由外部的压缩机进一步增压到高压，然后作为气波制冷的高压气源，在双开口振荡管的另一端进入槽道膨胀做功而制冷。如此通过压力交换的方式，直接回收利用了高压气的压力能，而不是将其转换成低品位或无用的热能而白白耗散。系统高效地回收高压气体膨胀功，大幅度降低外部压缩机压缩功，使系统的制冷效率大幅提升。围绕系统核心部件双开口压力交换气波机构建了四个过程：高压气体膨胀制冷过程；斜振荡管槽道内气体一次增压过程；斜振荡管槽道内引/排气过程；外部循环再增压过程。
附图说明
图1是本发明斜流再增压膨胀制冷装置与方法，其各个部件的连接关系流程图。
图2是本发明斜流再增压膨胀制冷装置与方法中，核心部件—双开口压力交换气波机结构简图。
图3是双开口压力交换气波机内部倾斜转鼓截面图。
图4是双开口压力交换气波机内部各个端口位置投影图。
图中：1进气阀；2引气腔；3双开口压力交换气波机；4高温排气腔；
5第一冷却器；6压缩机；7第二冷却器；8高压进气喷嘴；9低温排出腔；
10冷端排气阀；11驱动电机；12联轴器；13轴承A；14轴承B；
15倾斜通道双开口振荡管；16主轴；17高温喷嘴调节板；18高温喷嘴；
19高温支撑板；20引风扩压器；21引风叶轮；22引风通道；
23高压喷嘴调节板；24高压支撑板；25槽道；26分隔板。
具体实施方式
本发明斜流再增压膨胀制冷装置与方法，其一是种典型的实施方式描述如下，但不只局限于此种实施方式：
斜流再增压膨胀制冷装置与方法，该斜流再增压膨胀制冷装置包括进气阀1、双开口压力交换气波机3、冷却器、压缩机6和冷端排气阀10；双开口压力交换气波机3的右端有两个接口，分别为引气腔2和高温排气腔4，左端有两个接口，分别为高压进气喷嘴8和低温排出腔9；进气阀1与引气腔2相连，高温排气腔4依次经过第一冷却器5、压缩机6和第二冷却器7后与高压进气喷嘴8相连；低温排出腔9与冷端排气阀10连接；
双开口压力交换气波机3是装置的核心部件，包括斜通道双开口振荡管转鼓15、主轴16、高温喷嘴调节板17、高温喷嘴18、高温支撑板19、引风扩压器20、引风叶轮21、引风通道22、高压喷嘴调节板23、高压支撑板24；
驱动电机11驱动联轴器12带动主轴16与斜通道双开口振荡管转鼓15以固定速度旋转；斜通道双开口振荡管转鼓15内部具有多个与轴向固定夹角、四周封闭两端开口的倾斜槽道25；当引气腔2与斜通道双开口振荡管转鼓15右侧的槽道25接通时，通过内置引风装置，采用引风叶轮21与引风扩压器20组合方式，在双开口压力交换气波机3内部实现引风；引风叶轮21与引风扩压器20将新鲜气体从引气腔2进入引风通道22，同时提供推动力将槽道25中上一次循环的低温气体从低温排出腔9排出；
斜通道双开口振荡管转鼓15继续旋转，当新鲜气体充满槽道25后，斜通道双开口振荡管转鼓15左侧的槽道25与高压喷嘴调节板23接通，从高压进气喷嘴8出来的高压气体通过高压喷嘴调节板23进入槽道25内，使内部的新鲜气体被高压气体压缩，获得压力能；升压后的新鲜气体依次通过高温喷嘴调节板17和高温喷嘴18喷出，直接进入高温排气腔4，成为中压气体；高压支撑板24上安装有高压进气喷嘴8；高压进气喷嘴8右侧安装高压喷嘴调节板23；高温支撑板19上开设的多个圆孔，其上布置引风通道22，同时，高温支撑板19上嵌入高温喷嘴18；高温喷嘴18左侧安装有高温喷嘴调节板17。
待中压气体排出双开口压力交换气波机3后，进入第一冷却器5降温减小比容后，进入压缩机6进行再增压得到高压气体；高压气体进入第二冷却器7降温后，重新通过高压进气喷嘴8进入双开口压力交换气波机3作为高压气源完成本次循环膨胀制冷，得到的制冷气体留在斜通道双开口振荡管转鼓15内；槽道25内高压气体的压力能以激波的方式传递给新鲜气体，完成能量传递；高压气体膨胀制冷同时实现新鲜欲冷气体的第一级压缩过程；
下一次循环中，新鲜气体从引气腔2进入引风通道22将本次循环滞留在斜通道双开口振荡管转鼓15内的冷气从低温排出腔9排出。至此完成斜流再增压膨胀制冷制冷循环，槽道25内高效回收了从高压进气喷嘴8入射气的压力能，降低了压缩机升压比，提升了系统膨胀压比，提高了制冷效率。
双开口压力交换气波机3内的主轴16位于高温支撑板19和高压支撑板24之间，分别通过轴承A13和轴承B14安装固定。
所述的槽道25从右端口向左端口的旋转半径逐渐增大，使得槽道25中的凝液在离心力作用下，不断被甩向旋转半径大的左端口，连续地将槽道25中不断冷凝的液滴甩向冷端口并分离脱出；每条槽道25都与主轴16呈相同的倾角，倾角角度为0°～90°。
所述的槽道25周边封闭，两端开口，通道截面呈楔形、扇形或圆形；各槽道25在斜通道双开口振荡管转鼓15内通过分隔板26分隔，分隔板26厚度0.1mm-10mm。
为满足高压气体按照一定时差进入斜通道双开口振荡管转鼓15、中压气体按照一定时差从高温喷嘴18排出以及低温气体无温度损失的排出低温排出腔9，高压喷嘴调节板23、高压进气喷嘴8组合件与高温喷嘴调节板17、高温喷嘴18组合件在槽道25各自一侧中径处满足五个关系，即高压进气喷嘴8的弧长a与其所在斜通道双开口振荡管转鼓15中径周长之比为0.1～0.5；低温排出腔9的开口弧长d与其所在斜通道双开口振荡管转鼓15中径周长之比为0.5～0.9；高温喷嘴18的弧长b与其所在斜通道双开口振荡管转鼓15中径周长之比为0.1～0.5；引气腔2的开口弧长c与其所在斜通道双开口振荡管转鼓15中径周长之比为0.5～0.9；高压进气喷嘴8中心线与高温喷嘴18中心线在环向最小夹角Θ为0°～180°。
将所述的内置引风装置替换为外置引风装置，在新鲜气体进入双开口压力交换气波机3前增加风机装置实现外置引风。
Claims (5)
1.斜流再增压膨胀制冷装置，其特征在于，该斜流再增压膨胀制冷装置包括进气阀(1)、双开口压力交换气波机(3)、冷却器、压缩机(6)和冷端排气阀(10)；双开口压力交换气波机(3)的右端有两个接口，分别为引气腔(2)和高温排气腔(4)，左端有两个接口，分别为高压进气喷嘴(8)和低温排出腔(9)；进气阀(1)与引气腔(2)相连，高温排气腔(4)依次经过第一冷却器(5)、压缩机(6)和第二冷却器(7)后与高压进气喷嘴(8)相连；低温排出腔(9)与冷端排气阀(10)连接；
双开口压力交换气波机(3)是装置的核心部件，包括斜通道双开口振荡管转鼓(15)、主轴(16)、高温喷嘴调节板(17)、高温喷嘴(18)、高温支撑板(19)、引风扩压器(20)、引风叶轮(21)、引风通道(22)、高压喷嘴调节板(23)、高压支撑板(24)；
驱动电机(11)驱动联轴器(12)带动主轴(16)与斜通道双开口振荡管转鼓(15)以固定速度旋转；斜通道双开口振荡管转鼓(15)内部具有多个与轴向固定夹角、四周封闭两端开口的倾斜槽道(25)；当引气腔(2)与斜通道双开口振荡管转鼓(15)右侧的槽道(25)接通时，通过内置引风装置，采用引风叶轮(21)与引风扩压器(20)组合方式，在双开口压力交换气波机(3)内部实现引风；引风叶轮(21)与引风扩压器(20)将新鲜气体从引气腔(2)进入引风通道(22)，同时提供推动力将槽道(25)中上一次循环的低温气体从低温排出腔(9)排出；
斜通道双开口振荡管转鼓(15)继续旋转，当新鲜气体充满槽道(25)后，斜通道双开口振荡管转鼓(15)左侧的槽道(25)与高压喷嘴调节板(23)接通，从高压进气喷嘴(8)出来的高压气体通过高压喷嘴调节板(23)进入槽道(25)内，使内部的新鲜气体被高压气体压缩，获得压力能；升压后的新鲜气体依次通过高温喷嘴调节板(17)和高温喷嘴(18)喷出，直接进入高温排气腔(4)，成为中压气体；高压支撑板(24)上安装有高压进气喷嘴(8)；高压进气喷嘴(8)右侧安装高压喷嘴调节板(23)；高温支撑板(19)上开设的多个圆孔，其上布置引风通道(22)，同时，高温支撑板(19)上嵌入高温喷嘴(18)；高温喷嘴(18)左侧安装有高温喷嘴调节板(17)；
待中压气体排出双开口压力交换气波机(3)后，进入第一冷却器(5)降温减小比容后，进入压缩机(6)进行再增压得到高压气体；高压气体进入第二冷却器(7)降温后，重新通过高压进气喷嘴(8)进入双开口压力交换气波机(3)作为高压气源完成本次循环膨胀制冷，得到的制冷气体滞留在斜通道双开口振荡管转鼓(15)内；槽道(25)内高压气体的压力能以激波的方式传递给新鲜气体，完成能量传递；高压气体膨胀制冷同时实现新鲜欲冷气体的第一级压缩过程；
下一次循环中，新鲜气体从引气腔(2)进入引风通道(22)将本次循环滞留在斜通道双开口振荡管转鼓(15)内的冷气从低温排出腔(9)排出；至此完成斜流再增压膨胀制冷制冷循环，槽道(25)内高效回收了从高压进气喷嘴(8)入射气的压力能，降低了压缩机升压比，提升了系统膨胀压比，提高了制冷效率；
双开口压力交换气波机(3)内的主轴(16)位于高温支撑板(19)和高压支撑板(24)之间，分别通过轴承A(13)和轴承B(14)安装固定。
2.根据权利要求1所述的斜流再增压膨胀制冷装置，其特征在于，所述的槽道(25)从右端口向左端口的旋转半径逐渐增大，使得槽道(25)中的凝液在离心力作用下，不断被甩向旋转半径大的左端口，连续地将槽道(25)中不断冷凝的液滴甩向冷端口并分离脱出；每条槽道(25)都与主轴(16)呈相同的倾角，倾角角度为0°～90°。
3.根据权利要求1或2所述的斜流再增压膨胀制冷装置，其特征在于，所述的槽道(25)周边封闭，两端开口，通道截面呈楔形、扇形或圆形；各槽道(25)在斜通道双开口振荡管转鼓(15)内通过分隔板(26)分隔，分隔板(26)厚度0.1mm-10mm。
4.根据权利要求1或2所述的斜流再增压膨胀制冷装置，其特征在于，为满足高压气体按照一定时差进入斜通道双开口振荡管转鼓(15)、中压气体按照一定时差从高温喷嘴(18)排出以及低温气体无温度损失的排出低温排出腔(9)，高压喷嘴调节板(23)、高压进气喷嘴(8)组合件与高温喷嘴调节板(17)、高温喷嘴(18)组合件在槽道(25)各自一侧中径处满足五个关系，即高压进气喷嘴(8)的弧长a与其所在斜通道双开口振荡管转鼓(15)中径周长之比为0.1～0.5；低温排出腔(9)的开口弧长d与其所在斜通道双开口振荡管转鼓(15)中径周长之比为0.5～0.9；高温喷嘴(18)的弧长b与其所在斜通道双开口振荡管转鼓(15)中径周长之比为0.1～0.5；引气腔(2)的开口弧长c与其所在斜通道双开口振荡管转鼓(15)中径周长之比为0.5～0.9；高压进气喷嘴(8)中心线与高温喷嘴(18)中心线在环向最小夹角Θ为0°～180°。
5.根据权利要求1或2所述的斜流再增压膨胀制冷装置，其特征在于，将所述的内置引风装置替换为外置引风装置，在新鲜气体进入双开口压力交换气波机(3)前增加风机装置实现外置引风。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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