CN106642837A - 一种带内置式液化器的回热式制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带内置式液化器的回热式制冷机，包括回热式制冷模块，所述回热式制冷模块包括：室温端单元以及冷端换热单元，还包括输送工质进入和排出回热式制冷模块的补气组件和液体收集组件，所述补气组件通过管路与室温端单元连通，所述液体收集组件通过管路与冷端换热单元连通；本发明省去了外部液化工质流道和预冷及液化工质的换热器，使得装置轻量紧凑；换热更加充分，换热损失小，能量利用率高；工质实现自我液化，是对工质的充分利用；液态工质可作为冷源，提供稳定的低温，与回热式制冷机一起实现多温位同时制冷。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种带内置式液化器的回热式制冷机。
背景技术
回热式低温制冷机因其体积小、重量轻、灵活等优点，广泛应用于气体液化、超导冷却等低温技术中。
传统的小型低温制冷机液化系统，如图1所示，包括回热式制冷机、液化工质进气管路、换热器、节流阀或节流毛细管、储液罐、排气管、排气阀。气体工质从室温端经回热式制冷机外部流向回热式制冷机冷端，与回热式制冷机逐级换热，气体工质在回热式制冷机冷端被预冷至转化温度以下，经过节流过程液化，液体进入储液罐收集，节流过程中产生的闪蒸气体通过排气管和排气阀排出系统接入工质回收装置。目前利用一台回热式制冷机提供冷量的小型液化装置可生产液氦200～630mL/h(15.13L/d)(集液压力175kPa)，液氖1.5～2L/h，或液氮7～11L/d。
例如公开号为CN103759496A的专利文献公开了一种小型撬装式液化天然气蒸发气再液化回收装置，其特征在于，包括：低温储罐、回热式低温制冷机、外翅片式冷凝换热器、压力测试装置、温度测试装置、加热装置、控制系统；回热式低温制冷机设置在低温储罐的顶部；压力测试装置用于检测压力测试装置中蒸发气体的压力；回热式低温制冷机的冷端安装有多个外翅片式冷凝换热器；外翅片式冷凝换热器上设置有温度测试装置、加热装置；控制系统用于根据压力测试装置和温度测试装置的采集数据控制加热装置，以调节回热式低温制冷机的冷端温度和实际输出冷量，进而蒸发气体在上升过程中与外翅片式冷凝换热器发生热交换，被再次冷凝成液化天然气，并在重力作用下回到低温储罐的底部。上述液化装置可根据低温储罐实际压力和热负荷的需要，对低温制冷机的冷端温度和输出冷量进行实时监控和无级调节，以实现储罐系统的零损耗，装置内气液流动依靠自身的压差和重力实现无泵循环，系统能耗低，且结构紧凑，工艺流程简单，再液化效率高，运行和维护成本低。
深低温回热式制冷机冷端换热器温度可达到工质临界温度以下，该状态下的流体工质通过等焓节流或等熵膨胀而压力降低，即可得到液态工质，并在一定范围内产生制冷效果。然而在传统的小型低温制冷机液化系统中，这部分工质没有被用于节流或膨胀产生制冷或转化为液态产物，工质在回热式制冷机和液化系统中没有得到较好的利用。
因此传统的小型低温制冷机液化方法，仍存在以下不足：1、需在回热式制冷机外接多级换热器，结构复杂；2、多级换热会带来传热损失，效率较低；3、制冷机内工质未得到充分利用。
发明内容
本发明公开了一种带内置式液化器的回热式制冷机，结构简单，传热损失小，制冷效率高。
一种带内置式液化器的回热式制冷机，包括回热式制冷模块，所述回热式制冷模块包括：室温端单元以及冷端换热单元，还包括输送工质进入和排出回热式制冷模块的补气组件和液体收集组件，所述补气组件通过管路与室温端单元连通，液体收集组件通过管路与冷端换热单元连通。
所述调相机构为小孔-气库调相或惯性管-气库调相等形式。
为了便于制造和安装，优选的，所述液体收集组件包括节流单元、储液单元、蒸汽回流单元以及排液单元；所述节流单元的入口通过管路与冷端换热单元连通，所述节流单元的出口通过管路与储液单元连通；所述蒸汽回流单元的两端通过管路分别连接储液单元和回热式制冷单元的冷头；所述排液单元通过管路与储液单元相连。
所述节流单元常采用单向节流阀或单向节流毛细管，所述储液单元采用储液罐，所述蒸汽回流单元常采用单向蒸汽阀或单向蒸汽管路，所述排液单元采用排液阀。
为了便于控制补气量，优选的，所述补气组件包括依次通过管路连接的高压储气单元、减压单元、进气单元、缓冲单元、进气微调单元和流量计。高压储气单元常采用高压气瓶，减压单元和进气单元常采用阀结构，缓冲单元常采用缓冲罐，进气微调单元常采用进气微调阀。
按工质流向，高压气瓶内的气体通过补气组件进入回热式制冷模块，回热式制冷模块稳定运行后，回热式制冷模块的冷端换热器内液态工质，通过单向阀或单向毛细管节流降压，进入储液罐收集，得到的液体工质可经排液阀取出并应用，在节流和收集过程中蒸发的气体经单向阀或单向毛细管组成的蒸汽回路回到回热式制冷模块内，与低温工质混合后再次参与制冷循环并被液化。在液体收集组件收集液体工质的同时，补气组件对回热式制冷模块补充气体工质，使回热式制冷模块在一定的压力下持续工作并不断产生液体；即进入装置的工质，一部分在回热式制冷模块内进行交变流动，为制冷工质；一部分从回热式制冷模块的热端换热器进入回热式制冷机内部，到达回热式制冷机冷端换热器时被充分预冷，从回热式制冷机冷端换热器引出，经节流降压进入储液罐，为液化工质。
优选的，所述回热式制冷模块为脉管制冷机，包括依次连接的压缩装置、传输管、回热器热端换热器、回热器、回热器冷端换热器、脉管、脉管热端换热器以及调相机构；所述补气组件的出气口与压缩装置的出口或调相机构连接。调相机构末端的压力波动较小，便于稳定的补充工质。脉管制冷机冷端无运动部件，稳定性高，且脉管制冷机内部工作压力较高，在1MPa以上，与节流阀高压压力范围有重叠部分，可实现优化匹配设计。
液化工质在回热器内形成直流，有研究证明，直流在回热式制冷机冷端质量流量1/100的范围内不会恶化回热式制冷机的性能，且有研究证明，回热器内合适的直流有利于提高回热式制冷机的制冷效率。
优选的，所述回热式制冷模块包括双向进气阀组，双向进气阀组由两个单向调节阀组成，两个单向调节阀方向相反放置；两个单向调节阀的同侧一端通过管路和回热器热端换热器连通，另一端通过管路和脉管热端换热器连通。双向进气阀组能够调节优化液化工质直流对脉管制冷机造成的影响。
优选的，所述回热式制冷模块为多级结构，多级结构为热耦合或气耦合。级数可以是两级、三级、四级等，多级结构可达到较低的制冷温度，可实现氦等临界温度低的工质液化。
优选的，所述回热式制冷模块为两级热耦合脉管制冷机，包括预冷级脉管制冷机；所述预冷级脉管制冷机包括依次连接的预冷级回热器热端换热器、预冷级回热器、预冷级冷端换热器、预冷级脉管、预冷级脉管热端换热器、预冷级调相机构；所述预冷级回热器热端换热器与所述压缩装置通过管路连接，所述预冷级冷端换热器通过热桥冷却所述回热器的中部。
优选的，所述室温端单元的压缩装置为GM型压缩机组，包括通过管路依次连接的涡旋压缩机、高压控制阀和低压控制阀组成；所述回热器热端换热器通过管路与所述高压控制阀和所述低压控制阀之间的管路连通，所述补气组件通过管路与所述GM型压缩机组和所述回热器热端换热器之间的管路连通。GM脉管制冷机现已成熟发展，冷端温度可达到多种工质的液化温度。
本发明的有益效果是：
本发明的带内置式液化器的回热式制冷机与现有技术相比，省去了外部液化工质流道和预冷及液化工质的换热器，使得装置轻量紧凑；
本发明的带内置式液化器的回热式制冷机使气体在回热式制冷机内部冷却并液化，与传统方法通过外部换热器换热相比，换热更加充分，换热损失小，能量利用率高；
本发明的带内置式液化器的回热式制冷机将液化工质本身作为回热式制冷机的制冷工质，工质实现自我液化，是对工质的充分利用；
本发明的带内置式液化器的回热式制冷机产生的液态工质可作为冷源，提供稳定的低温，与回热式制冷机一起实现多温位同时制冷。
附图说明
图1是现有技术的传统小型低温制冷机液化系统的结构示意图。
图2是实施例1的回热式制冷机的结构示意图。
图3是实施例1的补气组件的结构示意图。
图4是实施例1的GM脉管制冷机和双向进气阀组结构示意图。
图5是实施例2的回热式制冷机的结构示意图。
图6是实施例3的回热式制冷机的结构示意图。
图7是实施例1的回热式制冷机的制冷循环T-s图。
图8是实施例1的回热式制冷机的氮气工质T-s图。
图9是实施例3的回热式制冷机的氦工质logp-h图上的等焓节流过程示意图。
其中：1、压缩装置；2、传输管；3、高压气源；4、回热器热端换热器；5、回热器；6、回热器冷端换热器；7、单向阀或单向毛细管；8、储液罐；9、排液阀；10、脉管；11、脉管热端换热器；12、蒸汽回流管路或蒸汽回流阀；13、调相机构；14、减压阀；15、进气阀；16、缓冲罐；17、进气微调阀；18、流量计；19、双向进气阀组；20、涡旋压缩机；21、高压控制阀；22、低压控制阀；23、预冷级回热器热端换热器；24、预冷级回热器；25、预冷级调相机构；26、预冷级脉管热端换热器；27、预冷级脉管；28、预冷换热器。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，本实施例的带内置式液化器的回热式制冷机，包括回热式制冷模块和液化组件，回热式制冷模块为脉管制冷机；回热式制冷模块包括压缩装置1、传输管2、回热器热端换热器4、回热器5、回热器冷端换热器6、脉管10、脉管热端换热器11以及调相机构13；液化组件包括补气组件和液体收集组件；液体收集组件包括单向阀或单向毛细管7、储液罐8、排液阀9和蒸汽回流管路或蒸汽回流阀12。
如图3所示，补气组件包括高压气源3、减压阀14、进气阀15、缓冲罐16、进气微调阀17和流量计18。
如图4所示，回热式制冷模块为带有双向进气阀的GM型脉管制冷机。双向进气阀组19由两个单向阀反向并联组成；压缩装置1由涡旋压缩机20、高压控制阀21和低压控制阀22组成。
各部件之间的连接关系为：
高压气源3、减压阀14、进气阀15、缓冲罐16、进气微调阀17和流量计18依次通过管路连接，涡旋压缩机19、高压控制阀21和低压控制阀22依次通过管路连接，回热器热端换热器4、回热器5、回热器冷端换热器6、脉管10、脉管热端换热器11和调相机构13依次连接，单向阀或单向毛细管7、储液罐8和排液阀9依次通过管路连接；补气组件通过管路与传输管2连通，传输管与高压控制阀21和低压控制阀22之间的管路连接，双向进气阀组通过管路连接传输管2和脉管热端换热器11，单向阀或单向毛细管7通过管路与回热器冷端换热器6连接，蒸汽回流管路或蒸汽回流阀12连接储液罐8上部与回热器冷端换热器6。
本实施例的工作过程为：
系统如上述流程及要求安装，安装完毕后，对除高压气源1之外的系统部件和管路内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再抽真空至10-1Pa左右。如此反复3～4次之后，最终回热式制冷模块内充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。先打开高压控制阀21和低压控制阀22的控制电源，使其按脉管制冷机工作频率运行，再打开涡旋压缩机20的电源，脉管制冷机开始降温，当回热式制冷模块温度降至工质临界点温度时，打开单向阀或单向毛细管7，当回热器冷端换热器6内的低温工质在高压的正半周期，由压力驱动经单向阀或单向毛细管7节流降压并液化，进入储液罐8内保存，同时打开进气阀15，利用进气微调阀17和流量计18控制工质由回热器热端换热器4进入回热式制冷模块，参与制冷循环，补充工质以保证回热式制冷模块内压力在正常运行范围，并可持续从回热式制冷模块引出液体工质到储液罐8。调节双向进气阀组19，使回热器5内直流工质在一定范围内而不影响制冷机性能，并起到调相作用。液化组件中蒸发的工质通过蒸汽回流管路或蒸汽回流阀12进入回热器冷端换热器6，再次参与制冷循环或被液化；同时回热式制冷模块可产生制冷量，冷却储液罐8，减少液体工质的蒸发。
本实施例的带内置式液化器的脉管制冷机内工质循环T-s图如图7所示。工质在状态点1(p1，T1＝Tc)从回热器冷端换热器进入回热器，在较低的压力下被加热到状态点2(p1，T2＝Ta)，接着在压缩装置1中被绝热压缩至压力较高的状态点3(p2，T3＝Th)，通过回热器热端换热器4冷却至状态点4(p2，T4＝T2＝Ta)，然后工质进入回热器5在等压下被冷却至状态点5(p2，T5＝T1＝Tc)。大部分工质经膨胀过程达到状态点6(p1，T6＝T0)，而一部分工质在压差驱动下，经节流阀或节流毛细管7达到状态点7(pL，T7)，成为液化产品进入储液罐。状态点6的工质在冷端换热器等压吸热后返回状态点1。设一台GM脉管制冷机冷端压比1.8，平均压力1.8MPa，高压2.3MPa，低压1.3MPa，以氮气为工质，设计单向阀或单向毛细管的压降为0.5MPa。该制冷机内氮气工质T-s如图8所示，冷端换热器内氮工质位于状态点5，在液体饱和曲线上，氮工质呈液态。当回热式制冷模块冷端压力大于1.8MPa时，制冷机冷端的工质经过单向阀或单向毛细管7进入储液罐8，当回热式制冷模块冷端压力小于1.8MPa时，储液罐8内的氮蒸汽经蒸汽回流管路或蒸汽回流阀12回到回热器冷端换热器6再次参与制冷循环。经初步计算，在77K，1.8MPa的集液温度压力下，可得到液氮约360mL/h，即8.64L/d。经过各组件和工质温度、压力、质量流量等参数的优化后，液化速率将达到更高。
实施例2
如图5所示，本实施例的带内置式液化器的回热式制冷机，结构与实施例1的回热式制冷机基本相同，其不同之处在于，补气组件通过管路与调相机构13末端连接，补充气体从调相机构13末端的气库进入回热式制冷机。
实施例3
如图6所示，本实施例的带内置式液化器的回热式制冷机，结构与实施例2的回热式制冷机基本相同，其不同之处在于：回热式制冷模块为两级热耦合脉管制冷机，在原脉管制冷机的基础上，增加了预冷级脉管制冷机，用于预冷回热器5的中部；蒸汽回流管路或蒸汽回流阀12与回热器冷端换热器6、预冷换热器28热耦合，最后连至室温端。该装置用于氦的液化。
各部件连接关系为：
补气组件通过管路与调相机构13连接。压缩装置1、传输管2回热器热端换热器4、回热器5、回热器冷端换热器6、脉管10、脉管热端换热器11、调相机构13依次连接，单向阀或单向毛细管7、储液罐8、排液阀9依次通过管路连接；单向阀或单向毛细管7入口端与回热器冷端换热器6通过管路连接，蒸汽回流管路或蒸汽回流阀12入口端与储液罐8通过管路连接，出口端连接到室温工质回收装置。
预冷级回热器热端换热器23、预冷级回热器35、预冷换热器25、预冷级脉管27、预冷级脉管热端换热器26和预冷级调相机构25依次连接，预冷级回热器热端换热器23与压缩装置1通过管路连接，预冷换热器32通过热桥28与回热器5的中部热耦合。
工作过程为：
系统如上述流程及要求安装，安装完毕后，对除高压气源1之外的系统部件和管路内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再抽真空至10-1Pa左右。如此反复3～4次之后，最终回热式制冷模块内充入工作压力的气体工质氦，即可保证系统中工质的纯度。压缩装置1、单向阀或单向毛细管7和补气组件的操作方法与实施例1基本相同。
如图9所示，氦经节流或膨胀降压后，压力需小于其临界压力0.226MPa才可达到液体状态，而制冷机的运行压力大于氦的临界压力，因此经节流液化后产生的蒸汽无法通过压力驱动使其自己回到回热器冷端换热器内，故通到室温端进行收集。节流过程的液化率计算公式如下：
由图9可知，冷端温度越低，节流前压比经初步计算，一台热端质量流幅值为9g/s，平均压力1.7MPa，冷端压比为1.75的带内置式液化器的两级GM型脉管制冷机，在4.2K收集0.098MPa液态氦的速率可达到236mL/h，即5.7L/d。经过各组件和工质温度、压力、质量流量等参数的优化后，液化速率将达到更高。
Claims (8)
1.一种带内置式液化器的回热式制冷机，包括回热式制冷模块，所述回热式制冷模块包括：室温端单元以及冷端换热单元，其特征在于，还包括输送工质进入和排出回热式制冷模块的补气组件和液体收集组件，所述补气组件通过管路与室温端单元连通，所述液体收集组件通过管路与冷端换热单元连通。
2.如权利要求1所述的带内置式液化器的回热式制冷机，其特征在于，所述液体收集组件包括节流单元、储液单元、蒸汽回流单元以及排液单元；所述节流单元的入口通过管路与冷端换热单元连通，所述节流单元的出口通过管路与储液单元连通；所述蒸汽回流单元的两端通过管路分别连接储液单元和回热式制冷单元的冷头；所述排液单元通过管路与储液单元相连。
3.如权利要求1所述的带内置式液化器的回热式制冷机，其特征在于，所述补气组件包括依次通过管路连接的高压储气单元、减压单元、进气单元、缓冲单元、进气微调单元和流量计。
4.如权利要求1所述的带内置式液化器的回热式制冷机，其特征在于，所述回热式制冷模块为脉管制冷机，包括依次连接的压缩装置、传输管、回热器热端换热器、回热器、回热器冷端换热器、脉管、脉管热端换热器以及调相机构；所述补气组件的出气口与压缩装置的出口或调相机构连接。
5.如权利要求4所述的带内置式液化器的回热式制冷机，其特征在于，所述回热式制冷模块包括双向进气阀组，双向进气阀组由两个单向调节阀组成，两个单向调节阀方向相反放置；两个单向调节阀的同侧一端通过管路和回热器热端换热器连通，另一端通过管路和脉管热端换热器连通。
6.如权利要求1所述的带内置式液化器的回热式制冷机，其特征在于，所述回热式制冷模块为多级结构，多级结构为热耦合或气耦合。
7.如权利要求4所述的带内置式液化器的回热式制冷机，其特征在于，所述回热式制冷模块为两级热耦合脉管制冷机，包括预冷级脉管制冷机；所述预冷级脉管制冷机包括依次连接的预冷级回热器热端换热器、预冷级回热器、预冷级冷端换热器、预冷级脉管、预冷级脉管热端换热器、预冷级调相机构；所述预冷级回热器热端换热器与所述压缩装置通过管路连接，所述预冷级冷端换热器通过热桥冷却所述回热器的中部。
8.如权利要求4、5和7任一权利要求所述的带内置式液化器的回热式制冷机，其特征在于，所述室温端单元的压缩装置为GM型压缩机组，包括通过管路依次连接的涡旋压缩机、高压控制阀和低压控制阀组成；所述回热器热端换热器通过管路与所述高压控制阀和所述低压控制阀之间的管路连通，所述补气组件通过管路与所述GM型压缩机组和所述回热器热端换热器之间的管路连通。
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