CN107560226B - 液氢温区预冷型直接节流jt制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，包括JT制冷机系统和预冷系统；JT制冷机系统包括两级线性压缩机、一级逆流换热器、一级预冷换热器、节流阀、冷端换热器、二级加热器；预冷系统可以用制冷机预冷也可以用各种形式的冷能预冷。本发明简化了传统预冷型JT节流制冷机系统结构，消除了部分传热损失，避免了旁通阀的使用，具有结构简单、压比小、重量轻的优势，这种优势在预冷温度较低时尤为明显。在保证制冷机可靠性的同时，本发明使得JT制冷机与清洁无油的线性压缩机匹配性更好，从而保证了系统的清洁性。同时，较单纯使用制冷机制冷，本发明制冷效率也有所提高。

Description

液氢温区预冷型直接节流JT制冷机

技术领域

本发明属于低温制冷机技术领域，具体是涉及一种液氢温区预冷型直接节流JT制冷机。

背景技术

近年来，航天技术的蓬勃发展，为人类探索宇宙提供了极大的助力。尤其是十三五规划中明确提出航空航天设备是重点发展的领域。其中，4K温区(液氦温区)及20K温区(液氢温区)空间探测器所需低温环境的营造主要分为存储低温液体与机械式制冷机制冷两大类。在主动机械式制冷机技术中预冷型JT节流制冷机是唯一通过空间检验的技术。液氦温区预冷型JT制冷机近年来有了较大的发展，但是，对液氢温区预冷型JT节流制冷机的研究较少。

线性压缩机冷端无运动部件，有望成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机动力系统。线性压缩机已被广泛地应用于空间斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机中作为长寿命的驱动源。但是线性压缩机压比不大，这就对系统提出了要求。

目前，对于回热式JT制冷机的优化压比在16:1左右，压比较高，至少需要两级或以上线性压缩机才能达到这样的压比。因此，与线性压缩机匹配不高效。但是若不采用线性压缩机驱动JT制冷机，其他压缩机清洁度难以保证，可能会使油污随工质进入JT制冷机系统，系统清洁度及可靠性不能保证。

对于传统预冷型JT节流制冷机相关的能耗计算过程如下：

如图1所示，为传统预冷型JT节流制冷机结构示意图。该结构中JT节流部分由两级涡旋压缩机(0-1)、三级逆流换热器(0-2、0-4、0-6)、两级预冷换热器(0-3、0-5)、节流阀(0-7)、冷端换热器(0-8)、旁通阀(0-11)、三级加热器(0-14)组成；预冷部分由两级斯特林制冷机或者GM制冷机组成，包括一级冷头(0-9)、二级冷头(0-10)、一级加热器(0-12)、二级加热器(0-13)。以高纯度氢气为工质，则对应的液氢温区单位制冷量为

q_l＝h_a(x_a,P_l)-h_b(x_b,P_l)

单位预冷量为

q_pre＝[h_c(T_c,P_h)-h_d(T_d,P_h)]+[h_e(T_e,P_h)-h_f(T_f,P_h)]

其中，h代表焓值；x代表干度，一般在冷端换热器出口x＝1；T代表开尔文温度；P_h、P_l代表绝对高压压力与绝对低压压力；a、b、c、d、e、f代表图1中的状态点。根据前面所述，传统预冷型JT节流制冷机压比较大，无法高效地与线性压缩机进行匹配；结构复杂，同时存在多个逆流换热器与预冷换热器使得系统产生热损失的部位较多，效率难以保证。另外，由于存在最后一级逆流换热器，在预冷初期，最后一级逆流换热器低压侧工质温度要高于高压侧工质的温度，因此，高压侧工质会被低压侧温度较高的工质加热，使得预冷能量损失增加，必须设置相应的旁通环节(0-11)。

发明内容

本发明提供了一种小压比、结构简单、重量轻的液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，尤其适用于预冷温度在30K以下的制冷场合。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，包括JT制冷机系统和预冷系统，所述JT制冷机系统包括线性压缩机、一级逆流换热器、一级预冷换热器、节流阀、冷端换热器；所述线性压缩机出口、一级逆流换热器高压侧、一级预冷换热器、节流阀、冷端换热器以及线性压缩机进口依次通过管路形成循环回路。

本发明预冷系统通过预冷换热器对JT制冷机系统进行预冷，JT制冷机系统环路中的工质在预冷换热器中被预冷之后直接经过节流阀节流降压降温，在更低温度下产生制冷效果。

本发明中，预冷系统与JT制冷机系统直接在预冷换热器中进行热交换。

本发明中，预冷系统可以用制冷机预冷也可以用各种形式的冷能预冷。

按工质流向，气体工质先经过压缩机压缩，然后经过逆流换热器被低压侧的来流工质冷却，之后进入预冷换热器被预冷系统进一步冷却至既定温度，再进入节流阀节流降压降温，在冷端换热器中产生制冷效果，最后经逆流换热器进入压缩机，完成循环。

作为优选，所述预冷系统为单级斯特林制冷机，单级斯特林制冷机通过其冷头对所述JT制冷机系统的一级预冷换热器进行预冷。

作为优选，所述预冷系统还包括一级加热器，通过调节一级加热器的加热量来控制单级斯特林制冷机的冷头温度。

作为优选，所述JT制冷机系统还包括二级加热器，通过二级加热器加热量模拟冷端换热器的制冷量。

作为优选，所述液氢温区预冷型直接节流JT制冷机的预冷温度为30K或30K以下。随着预冷温度的下降，传统型JT制冷机优势逐渐减小。当预冷温度达到30K时，传统型JT制冷机与直接节流JT制冷机效率差别已不大。为减少系统复杂性，避免过多的能量损失，低预冷温度下直接节流JT制冷机是首选。

作为优选，所述JT制冷机系统压缩机为两级线性压缩机。

针对本发明，采用高纯度氢气为工质，则对应的液氢温区单位制冷量为

q_l＝h_m(x_m,P_l)-h_y(T_y,P_h)

单位预冷量为

q_pre＝[h_x(T_x,P_h)-h_y(T_y,P_h)]

上式中，h代表焓值；x代表干度，一般在冷端换热器出口x＝1；T代表开尔文温度；P_h、P_l代表绝对高压压力与绝对低压压力。m、x、y代表图2中的状态点。

因此，与现有传统预冷型JT节流制冷机相比，本发明的有益效果体现在：

本发明通过简化传统预冷型JT节流制冷机中换热器环节与旁通环节，让JT制冷机系统环路中工质在预冷换热器中被预冷系统预冷后直接节流，在更低温位下产生制冷效应。同时，由于去掉了最后一级逆流换热器，预冷初期高压侧工质不会被低压侧工质加热，减少了预冷能耗，避免了旁通阀的使用。在确保系统稳定性的前提下，本发明压比小、结构简单且制冷效率较高，这种优势在预冷温度较低时尤为明显。

本发明简化了传统预冷型JT节流制冷机系统结构，消除了部分传热损失，避免了旁通阀的使用，具有结构简单、压比小、重量轻的优势，这种优势在预冷温度较低时尤为明显。在保证制冷机可靠性的同时，本发明使得JT制冷机与清洁无油的线性压缩机匹配性更好，从而保证了系统的清洁性。同时，较单纯使用制冷机制冷，本发明制冷效率也有所提高。

附图说明

图1是传统预冷型JT节流制冷机结构示意图；

图2是本发明的预冷型直接节流JT制冷机结构示意图；

图3是不同预冷温度下本发明预冷型直接节流JT制冷机与采用斯特林制冷机单独制冷至20K的相对卡诺效率图；

图4是不同预冷温度下本发明预冷型直接节流JT制冷机与传统型JT制冷机相对卡诺效率对比图；

其中：0-1、两级涡旋压缩机；0-2、第一级逆流换热器；0-3、第一级预冷换热器；0-4、第二级逆流换热器；0-5第二级预冷换热器；0-6、第三级逆流换热器；0-7、节流阀；0-8、冷端换热器；0-9、预冷机一级冷头；0-10、预冷机二级冷头；0-11、旁通阀；0-12、一级加热器；0-13、二级加热器；0-14、三级加热器；1、两级线性压缩机；2、逆流换热器；3、预冷换热器；4、节流阀；5、冷端换热器；6、斯特林制冷机；7、一级加热器；8、二级加热器；a、第三级逆流换热器冷端进口；b、冷端换热器进口；c、第一级预冷换热器进口；d、第一级预冷换热器出口；e、第二级预冷换热器进口；f、第二级预冷换热器出口；x、预冷换热器进口；y、预冷换热器出口；m、冷端换热器出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2所示，一种新型的预冷型直接节流JT制冷机，包括JT制冷机系统与预冷系统。作为优选，预冷系统采用单级斯特林制冷机6，其中包括一级加热器7，也可以采用其他预冷机或者冷能；JT制冷机包括两级线性压缩机1、逆流换热器2、预冷换热器3、节流阀4、冷端换热器5、二级加热器8。

各部件之间的连接关系为：逆流换热器2、预冷换热器3、节流阀4、冷端换热器5通过管路依次连接；具体讲，两级线性压缩机1串联，线性压缩机1出口与逆流换热器2高压侧进口通过管路连接，逆流换热器2高压侧出口通过管路与预冷换热器3进口x连接，预冷换热器3出口y通过管路与节流阀4进口连接，节流阀4出口通过管路与冷端换热器5进口连接，冷端换热器5出口m通过管路与逆流换热器2低压侧进口连接，逆流换热器2低压侧出口与线性压缩机1进口相连；斯特林制冷机6与JT制冷机系统通过预冷换热器3进行热交换。

工作过程为：

系统如上述流程及要求安装，安装完毕后，对系统内部抽真空至10^-4pa左右，然后充入气体工质，保持10分钟左右再对系统内部抽真空至10^-4pa。如此反复抽真空充气10次后，最后充入相应工作压力的气体工质，即可保证系统清洁度。

JT制冷机准备工作，首先，仅开启单级斯特林制冷机6对JT制冷机系统进行预冷，同时调节一级加热器7的加热量使斯特林制冷机6自身冷头降温并维持在设定温度(例如：30K)，随后开启JT制冷机系统两级线性压缩机1，使JT循环开始工作。压缩机(带有级后冷却器)1将工质压缩并冷却到室温状态，之后高压工质进入逆流换热器2中受到低压侧低温工质的冷却，随后工质进入预冷换热器3中被斯特林制冷机6预冷到既定预冷温度，之后工质直接节流降压降温并在冷端换热器5中产生制冷效果。当JT制冷机系统正常工作并且冷端换热器5出口温度(20K)保持不变时，即可在冷端换热器5处获得相应的制冷温度及制冷量。制冷量的获得通过调节二级加热器8的加热量实现。最后冷端换热器5出口的工质经逆流换热器2进一步冷却高压侧工质后进入两级线性压缩机1，完成整个循环。

如图2所示，整个预冷型直接节流JT制冷机系统耗功主要由斯特林制冷机耗功与JT制冷机系统中的两级线性压缩机耗功组成。

两级线性压缩机输入功为：

其中，

为JT制冷机系统中工质质量流量；h_s、h_d为压缩机进出口工质的焓值；s_s、s_d为压缩机进出口工质的熵；T_d、T_s、T₀分别为压缩机排气温度、压缩机吸气温度、环境温度，理想情况下三者大小相等；p_s、p_d分别为压缩机吸排气压力。

按照

效率为25％，则线性压缩机所耗电功为：

根据文献数据，单级斯特林制冷机不同制冷温度下制冷系数为：

相对卡诺效率为：

则单机斯特林制冷机耗电功为：

其中，q_pre是单位质量工质所需预冷量。整个预冷型直接节流JT制冷机所耗电功为：

W_e＝W_e1+W_e2

为了计算预冷型直接节流JT制冷机的性能，我们假设制冷量恒为15W，环境温度T₀＝300K。由于预冷系统由单级斯特林制冷机组成，所以预冷温度的选择不能太高。本发明选择预冷温度的分别为40K、38K、36K、34K、32K、30K、28K、26K、24K、22K。此时预冷型直接节流JT制冷机对应的液氢温区的相对卡诺效率及单独采用斯特林制冷机制冷到20K温区时相对卡诺效率如图3所示。由图3可以看出预冷温度的选择对预冷型直接节流JT制冷机的效率影响很大。同时可以看出，采用本发明的预冷型直接节流JT制冷机效率要优于单级斯特林制冷机直接制冷效率，并且在30K温区左右达到了整机效率的最大值。

进一步地，本发明选择预冷温度为26K，对比斯特林制冷机单独制冷至20K温区、液氢温区预冷型JT节流制冷机、液氢温区预冷型直接节流JT制冷机性能，结果见表1，表1是预冷温度为26K时液氢温区传统预冷型JT节流制冷机、液氢温区预冷型直接节流JT制冷机与斯特林制冷机单独制冷至20K相关工况计算：

表1

由表1可以看出，预冷温度为26K时，传统预冷型JT节流制冷机效率与预冷型直接节流JT制冷机效率相差不大，并且都高于斯特林制冷机单独制冷效率。但是，由于传统预冷型JT节流制冷机结构复杂，换热环节多，若要考虑换热器效率及外部环境的影响，传统预冷型JT节流制冷机的实际效率必然会低于表1中效率值。同时，单纯用斯特林制冷机制冷，其压缩机耗功太大，对压缩机要求太高，实现比较困难。另外，如图4所示为不同预冷温度下直接节流JT制冷机与传统型JT制冷机相对卡诺效率的对比图，由图4可以看出，传统型JT制冷机在预冷温度较高时有一定的优势存在。但是，随着预冷温度的下降，传统型JT制冷机优势逐渐减小。当预冷温度达到30K时，传统型JT制冷机与直接节流JT制冷机效率差别已不大。为减少系统复杂性，避免过多的能量损失，低预冷温度下直接节流JT制冷机是首选。

综上所述，本发明提出的液氢温区预冷型直接节流JT制冷机结构简单，换热环节相对较少，效率高，因此，预冷型直接节流JT制冷机低预冷温度下的首选。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，包括JT制冷机系统和预冷系统，其特征在于，所述JT制冷机系统包括线性压缩机、一级逆流换热器、一级预冷换热器、节流阀、冷端换热器；所述线性压缩机出口、一级逆流换热器高压侧、一级预冷换热器、节流阀、冷端换热器以及线性压缩机进口依次通过管路形成循环回路；

所述预冷系统为单级斯特林制冷机，单级斯特林制冷机通过其冷头对所述JT制冷机系统的一级预冷换热器进行预冷；

所述液氢温区预冷型直接节流JT制冷机的预冷温度为22～30K。

2.根据权利要求1所述的液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，其特征在于，所述预冷系统还包括一级加热器，通过调节一级加热器的加热量来控制单级斯特林制冷机的冷头温度。

3.根据权利要求1所述的液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，其特征在于，所述JT制冷机系统还包括二级加热器，通过该二级加热器获得冷端换热器的制冷量。

4.根据权利要求1所述的液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，其特征在于，所述线性压缩机为两级线性压缩机。

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