CN107677045A - 内纯化器研究系统 - Google Patents

内纯化器研究系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107677045A
CN107677045A CN201710933356.4A CN201710933356A CN107677045A CN 107677045 A CN107677045 A CN 107677045A CN 201710933356 A CN201710933356 A CN 201710933356A CN 107677045 A CN107677045 A CN 107677045A
Authority
CN
China
Prior art keywords
outlet
liquid nitrogen
heat exchanger
import
cold
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.)
Granted
Application number
CN201710933356.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107677045B (zh
Inventor
冯国超
徐鹏
龚领会
贾启明
朱伟平
邹龙辉
王坤祥
李金峰
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.)
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Original Assignee
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
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 Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS filed Critical Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority to CN201710933356.4A priority Critical patent/CN107677045B/zh
Publication of CN107677045A publication Critical patent/CN107677045A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107677045B publication Critical patent/CN107677045B/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
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/08—Separating gaseous impurities from gases or gaseous mixtures or from liquefied gases or liquefied gaseous mixtures
    • 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
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/06—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation
    • F25J3/063—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream
    • F25J3/0685—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream separation of noble gases
    • F25J3/069—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream separation of noble gases of 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
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/20—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using solidification of components
    • 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
    • F25J2210/04—Mixing or blending of fluids with the feed stream
    • 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
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/50—Oxygen
    • 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
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/30—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
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/908—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration
    • 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)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

一种内纯化器研究系统，包括第一GM制冷机、第二GM制冷机、液氮罐前换热器、液氮罐、内纯化器、真空冷箱、高压氦气瓶组、高压污染气瓶组、储气罐和回收气囊，所述第一GM制冷机包括第一压缩机和第一冷头，所述第二GM制冷机包括第二压缩机和第二冷头，所述内纯化器包括一级换热器和分液罐。上述内纯化器研究系统，污氦气流入安装在冷箱内部的内纯化器后，经过内纯化器冷凝冷冻纯化，流出冷箱，排入回收气囊。内纯化器直接利用GM制冷机的压缩机作为动力源，通过安装在第一压缩机出口的三通，分出一股氦气流作为冷却内纯化器的冷源气体，并利用液氮的冷量和第一冷头以及第二冷头的冷量，使得整个系统更加简洁，操作更加便捷，稳定性更好，更易于维护。

Description

内纯化器研究系统
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种内纯化器研究系统。
背景技术
近年来，随着我国在重大科技领域相继取得重大发展和突破，对氦低温制冷及液化系统的需求增长强劲。氦制冷系统包括氦制冷机和氦液化器，被广泛应用于散裂中子源、正负电子对撞机和超导托克马克等大科学装置当中，目的是冷却超导线圈等负载。氦气作为氦低温制冷系统的工质，其纯度需保持在99.999％以上。否则，氦气中混入的少量的杂质气体在温度降低到其三相点温度以下之后，会发生冷冻结霜现象。这种现象会造成系统管道堵塞，换热器换热恶化，甚至会对氦制冷系统的透平膨胀机转子造成点蚀破坏，使得系统故障停机，影响系统的稳定、安全运行。
同时，氦气作为国防军工和高科技产业发展的稀缺性战略资源，其在低温制冷、半导体加工、核能反应堆、医疗检测、金属制造、检漏、深海潜水和超高真空技术等方面有着广泛的应用。但是，氦气在地球上含量极少，大气当中，氦气的体积含量为5.2ppm。从空气当中，提取氦气难度大，成本高，目前主要依靠从天然气中提取。而我国已知的天然气资源中，氦气的含量仅为0.2％，属贫氦国家。我国不得不依靠从美国、欧洲和中东大量进口所需的氦。随着我国国防工业和高科技产业的发展，氦气的需求量越来越大，一旦在非常时期，国外对氦气禁运，我国相关的科研研究和产业发展必然受到制约。
因此，一方面为了保证氦制冷系统的正常稳定运行，去除氦制冷系统中氦气中的杂质气体；另一方面为了保障国家国防安全提高氦气的利用率，对废氦气回收提纯再利用，基于以上两方面的考虑，有必要针对氦提纯技术开展相关研究。现有的氦提纯技术主要有低温冷冻法、高压低温冷凝吸附法、膜分离法。低温冷冻法利用低温系统自身冷量或液氮冷量使得杂质冷凝冷冻分离去除，最终获得99.999％的高纯氦气。内纯化器是安装在低温系统冷箱内部，利用低温系统提供的冷量使得氦气得到纯化的装置。它具有集成度高、纯化效果好、易于维护和自动化程度高等优点，越来越受到国内外同行的重视。目前，国内外研究人员的焦点集中于内纯化器流程参数以及纯化过程中温度、压力和流量对纯化效果的影响。很少有专家学者针对具体内纯化器内部换热器的形式和性能进行理论和实验研究。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种操作简单、工作稳定、易于维护的内纯化器研究系统，旨在解决现有实验平台系统复杂、操作不便、难以维护等问题。
一种内纯化器研究系统，包括第一GM制冷机、第二GM制冷机、液氮罐前换热器、液氮罐、内纯化器、真空冷箱、高压氦气瓶组、高压污染气瓶组、储气罐和回收气囊，所述第一GM制冷机包括第一压缩机和第一冷头，所述第二GM制冷机包括第二压缩机和第二冷头，所述内纯化器包括一级换热器和分液罐，所述第一冷头、所述第二冷头、所述液氮罐前换热器、所述液氮罐、所述一级换热器和所述分液罐均设于所述真空冷箱内；
所述第二压缩机的出口和所述第二冷头的进口连通，所述第二冷头的出口和所述第二压缩机的进口连通，所述第一压缩机的出口和三通管的进口连接，所述三通管的第一出口和所述第一冷头的进口连接，所述第一冷头的出口和所述第一压缩机的进口连通，所述三通管的第二出口和所述液氮罐前换热器的氦气进口连接，所述液氮罐前换热器的氦气出口和所述液氮罐的氦气进口连接，所述液氮罐的氦气出口和吸冷管道的一端连接，所述吸冷管道设于所述第一冷头和所述第二冷头之间以吸收所述第一冷头和所述第二冷头的冷量，所述吸冷管道的另一端和所述一级换热器的第一进口连接，所述一级换热器的第一出口和所述第一压缩机的进口连通；
所述液氮罐设有液氮进口和液氮出口，所述液氮罐的液氮出口和所述液氮罐前换热器的液氮进口连通，所述液氮罐前换热器还设有液氮出口；
所述高压氦气瓶组的出口和所述高压污染气瓶组的出口均与所述储气罐的进口连通，所述储气罐的出口和所述一级换热器的第二进口连通，所述一级换热器的第二出口与所述分液罐的进口连通，所述分液罐的出口和所述回收气囊连通。
在一个实施例中，所述高压氦气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第一质量流量控制器，所述高压污染气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第二质量流量控制器，所述储气罐的出口与所述一级换热器的第二进口的连接管路上设有第三质量流量控制器，所述分液罐的出口和所述回收气囊的连接管路上设有第四质量流量控制器。
在一个实施例中，第一质量流量控制器并联有第一球阀，所述第二质量流量控制器并联有第二球阀，第四质量流量控制器并联有第三球阀。
在一个实施例中，所述第一压缩机的出口和所述液氮罐前换热器的氦气进口的连接管路上设有第五质量流量控制器。
在一个实施例中，所述第五质量流量控制器并联有第四球阀。
在一个实施例中，所述储气罐的出口与所述一级换热器的第二进口的连接管路上设有第一气体成分分析仪，所述分液罐的出口和所述回收气囊的连接管路上设有第二气体成分分析仪。
在一个实施例中，所述液氮罐前换热器的液氮出口的连接管路上设有单向阀。
在一个实施例中，所述液氮罐的液氮进口的连接管路上设有带法兰的阀门。
在一个实施例中，所述第一冷头包括相互连通的第一制冷部和第二制冷部，所述第二冷头包括相互连通的第三制冷部和第四制冷部，所述吸冷管道分为两条并联的支流管路，所述两条支流管路分别吸收所述第一制冷部和所述第三制冷部的冷量后汇合成一条管路，汇合后的管路先吸收所述第二制冷部的冷量后再吸收所述第四制冷部的冷量，然后和所述一级换热器的第一进口连通。
在一个实施例中，所述高压氦气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第一减压阀，所述高压污染气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第二减压阀，所述储气罐的出口与所述一级换热器的第二进口的连接管路上设有第三减压阀，所述分液罐的出口和所述回收气囊的连接管路上设有第四减压阀。
上述内纯化器研究系统，采用高压氦气瓶组和高压污染气瓶组配置的污氦气经减压阀减压后，进入内纯化器，污氦气中的杂质气体经过内纯化器冷凝冷冻分离后，实现污氦气的纯化，并排入回收气囊。内纯化器直接利用GM制冷机的压缩机作为动力源，通过安装在第一压缩机出口的三通，分出一股氦气流作为冷却内纯化器的冷源气体，并利用液氮的冷量和第一冷头以及第二冷头的冷量，不仅使得整个内纯化器研究系统更加简洁，同时操作更加便捷，内纯化器研究系统的稳定性更好，更易于维护。同时降低了整个研究的成本和能耗，更加经济和节能环保。与此同时，作为样品气体的污氦气体的配置直接采用高压的钢瓶组气体，与现行实验系统大多采用氦气膜压机进行增加循环的方法相比，配气装置结构简单，便于操作。
附图说明
图1为一实施方式的内纯化器研究系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一实施方式的内纯化器研究系统100，包括第一GM制冷机、第二GM制冷机、液氮罐前换热器4、液氮罐5、内纯化器、真空冷箱8、高压氦气瓶组10a、高压污染气瓶组10b、储气罐11和回收气囊13。第一GM制冷机包括第一压缩机1a和第一冷头1b。第二GM制冷机包括第二压缩机2a和第二冷头2b。内纯化器包括一级换热器6和分液罐7。第一冷头1b、第二冷头2b、液氮罐前换热器4、液氮罐5、一级换热器6和分液罐7均设于真空冷箱8内。
第二压缩机2a的出口和第二冷头2b的进口连通，第二冷头2b的出口和第二压缩机2a的进口连通。第一压缩机1a的出口和三通管的进口连接，三通管的第一出口和第一冷头1b的进口连接，第一冷头1b的出口和第一压缩机1a的进口连通，三通管的第二出口和液氮罐前换热器4的氦气进口连接，液氮罐前换热器4的氦气出口和液氮罐5的氦气进口连接，液氮罐5的氦气出口和吸冷管道14的一端连接，吸冷管道14设于第一冷头1b和第二冷头2b之间以吸收第一冷头1b和第二冷头2b的冷量，吸冷管道14的另一端和一级换热器6的第一进口连接，一级换热器6的第一出口和第一压缩机1a的进口连通。
液氮罐5设有液氮进口和液氮出口，液氮罐5的液氮出口和液氮罐前换热器4的液氮进口连通，液氮罐前换热器4还设有液氮出口。
高压氦气瓶组10a的出口和高压污染气瓶组10b的出口均与储气罐11的进口连通，储气罐11的出口和一级换热器6的第二进口连通，一级换热器6的第二出口与分液罐7的进口连通，分液罐7的出口和回收气囊13连通。具体的，高压污染气瓶组10b可以为高压氮气瓶组或高压氧气瓶组。
在图1所示的实施例中，进一步的，第一冷头1b包括相互连通的第一制冷部1b1和第二制冷部1b2，第二冷头2b包括相互连通的第三制冷部2b1和第四制冷部2b2，吸冷管道14分为两条并联的支流管路14a和14b，两条支流管路14a和14b分别吸收第一制冷部1b1和第三制冷部2b1的冷量后汇合成一条管路14c，汇合后的管路14c先吸收第二制冷部1b2的冷量后再吸收第四制冷部2b2的冷量，然后和一级换热器6的第一进口连通。
在如图1所示的实施例中，高压氦气瓶组10a的出口和储气罐11的进口的连接管路上设有第一质量流量控制器3b。高压污染气瓶组10b的出口和储气罐11的进口的连接管路上设有第二质量流量控制器3c。储气罐11的出口与一级换热器6的第二进口的连接管路上设有第三质量流量控制器3d。分液罐7的出口和回收气囊13的连接管路上设有第四质量流量控制器3e。
进一步的，第一质量流量控制器3b并联有第一球阀V2a。第二质量流量控制器3c并联有第二球阀V2b。第四质量流量控制器3e并联有第三球阀V2c。
在如图1所示的实施例中，第一压缩机1a的出口和液氮罐前换热器4的氦气进口的连接管路上设有第五质量流量控制器3a。进一步的，第五质量流量控制器3a并联有第四球阀V2f。
进一步的，第一质量流量控制器3b、第二质量流量控制器3c、第三质量流量控制器3d、第四质量流量控制器3e和第五质量流量控制器3a均包括与工控机和数字电压表连接的数据采集电子线路。
在如图1所示的实施例中，储气罐11的出口与一级换热器6的第二进口的连接管路上设有第一气体成分分析仪12a。进一步的，储气罐11的出口与一级换热器6的第二进口的连接管路和第一气体成分分析仪12a并联设置。第一气体成分分析仪12a的前面设有第五球阀V2d。分液罐7的出口和回收气囊13的连接管路上设有第二气体成分分析仪12b。进一步的，分液罐7的出口和回收气囊13的连接管路和第二气体成分分析仪12b并联设置，第二气体成分分析仪12b的前面设有第六球阀V2e。进一步的，第一气体成分分析仪12a和第二气体分析仪12b均包括与工控机和数字电压表连接的数据采集电子线路。
进一步的，在图1所示的实施例中，高压氦气瓶组10a的出口和储气罐11的进口的连接管路上设有第一减压阀V1a。高压污染气瓶组10b的出口和储气罐11的进口的连接管路上设有第二减压阀V1b。储气罐11的出口与一级换热器6的第二进口的连接管路上设有第三减压阀V1c。分液罐7的出口和回收气囊13的连接管路上设有第四减压阀V1d。第一气体成分分析仪12a并联在第三减压阀V1c和第三质量流量控制器3d之间的连接管路上。第二气体成分分析仪12b并联在第四质量流量控制器3e和回收气囊13之间的连接管路。
在图1所示的实施例中，液氮罐前换热器4的液氮出口的连接管路上设有单向阀V5。单向阀V5用于防止空气进入的液氮罐前换热器4内部。液氮罐5的液氮进口的连接管路上设有带法兰的阀门V6。
如图1所示的实施例中，第一压缩机1a的出口和液氮罐前换热器4的氦气进口的连接管路上设有针阀V4。
如图1所示的实施例中，真空冷箱8连接有真空泵9。真空泵9用于给真空冷箱8抽真空。
采用上述内纯化器研究系统100进行实验时，第二压缩机2a的出口通过金属软管2a1与第二冷头2b的进口相连，第二冷头2b的出口端通过金属软管2a2与第二压缩机2a的进口相连。第一压缩机1a的出口通过三通分为两股氦气流，一股氦气流通过金属软管1a1与第一冷头1b进口相连，另外一股经过串联在低温管路1a2上的针阀V4，第五质量流量控制器3a，液氮罐前换热器4，液氮罐5，吸收两个冷头的冷量，进入一级换热器6。第一压缩机1a的进口分别通过金属软管1a3和金属软管1a4与第一冷头1b的出口相连和一级换热器6的第一出口相连。这样，内纯化器实验台制冷部分完成一次封闭的循环。
高压氦气瓶组10a的出口经过第一减压阀V1a，第一质量流量控制器3b和储气罐11的进口相连。同样的，高压污染气瓶组10b的出口经过第二减压阀V1b，第二质量流量控制器3c与储气罐11的进口相连。储气罐11上安装有安全阀V3和压力表。第一质量流量控制器3b和第二质量流量控制器3c分别准确地控制氦气的质量流量和污染气(例如：氮气或氧气)的质量流量，使得到达储气罐11中的混合气体的组份与理论计算的组份一致。储气罐11中的混合气体经过第三减压阀V1c减压到实验所需压力后，通过第三质量流量控制器3d测得混合气体的质量流量后，与一级换热器6第二进口相连，进行纯化实验。为了验证储气罐11的气体组份是否与理论计算值一致，在储气罐11与一级换热器6之间安装了第一气体成分分析仪12a。第一气体成分分析仪12a可以准确地分析混合气体中氦气的体积百分数比例。实验纯化后的气体经过一级换热器6的第二出口进入气液罐7再进入回收气囊13。在气液罐7和回收气囊13之间依次串联有第四减压阀V1d和第四质量流量控制器3e，且并联有第二气体成分分析仪12b。第四减压阀V1d的作用是维持内纯化器的实验压力，使得内纯化器不至于直接和回收气囊13连接，造成内纯化器的压力不稳。第四质量流量控制器3e的安装是为了保证内纯化器的实验气体的进出口质量流量保持一致。第二气体成分分析仪12b的安装是为了测量经过纯化后的混合气中氦气的纯度。
实验过程中当我们需要研究不同组份的混合气体对内纯化器性能的影响时，通过控制第一质量流量控制器3b和第二质量流量控制器3c，进而很好地控制混合气体的组份比例，得到精度为±3％的混合气体。
实验过程中当我们需要研究气体分压对内纯化器纯化性能的影响时，通过控制第三减压阀V1c和第四减压阀V1d的值，让第三减压阀V1c的出口压力值与第四减压阀V1d的进口压力值保持实验压力的数值，就能保证在此压力下研究气体分压对内纯化器纯化性能的影响。
实验过程当中，当我们需要研究冷量变化对内存化器性能的影响时，通过控制第五质量流量控制器3a的质量流量，就可以达到控制进入内纯化器的制冷量的目的，因此就可以研究制冷量的变化对内纯化器纯化性能的影响。
上述内纯化器研究系统100，主要采用由污氦气配气装置配置的污氦气经减压阀减压后，进入真空冷箱内部的内纯化器，内纯化器的冷量由液氮、第一GM制冷机和第二GM制冷机共同提供，污氦气中的杂质气体(氮气、氧气)经过内纯化器冷凝冷冻分离后，污氦气实现纯化。整个实验流程简单易操作，实验过程中设备运行稳定。
传统的实验系统一般采用膜压机作为氦气动力源，压缩氦气增压后，通过安装在GM制冷机冷头上的换热器，吸收GM制冷机冷头的冷量后，进而去冷却内纯化器，使得污氦气杂质气体冷凝冷冻，达到纯化的目的。而上述内纯化器研究系统100，直接利用GM制冷机的压缩机作为动力源，通过安装在第一压缩机出口的三通，分出一股氦气流作为冷却内纯化器的冷源气体，不仅使得整个研究系统更加简洁，同时操作更加便捷，研究系统的稳定性更好，更易于维护。同时降低了整个研究的成本和能耗，更加经济和节能环保。与此同时，作为样品气体的污氦气体的配置直接采用高压的钢瓶组气体，与现行实验系统大多采用氦气膜压机进行增加循环的方法相比，配气装置结构简单，便于操作。系统当中采用了质量流量控制器去控制样品气体的组份，精度好，自动化程度高，使得最后的纯化实验结果更加准确。
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，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 (10)

1.一种内纯化器研究系统，其特征在于，包括第一GM制冷机、第二GM制冷机、液氮罐前换热器、液氮罐、内纯化器、真空冷箱、高压氦气瓶组、高压污染气瓶组、储气罐和回收气囊，所述第一GM制冷机包括第一压缩机和第一冷头，所述第二GM制冷机包括第二压缩机和第二冷头，所述内纯化器包括一级换热器和分液罐，所述第一冷头、所述第二冷头、所述液氮罐前换热器、所述液氮罐、所述一级换热器和所述分液罐均设于所述真空冷箱内；
所述第二压缩机的出口和所述第二冷头的进口连通，所述第二冷头的出口和所述第二压缩机的进口连通，所述第一压缩机的出口和三通管的进口连接，所述三通管的第一出口和所述第一冷头的进口连接，所述第一冷头的出口和所述第一压缩机的进口连通，所述三通管的第二出口和所述液氮罐前换热器的氦气进口连接，所述液氮罐前换热器的氦气出口和所述液氮罐的氦气进口连接，所述液氮罐的氦气出口和吸冷管道的一端连接，所述吸冷管道设于所述第一冷头和所述第二冷头之间以吸收所述第一冷头和所述第二冷头的冷量，所述吸冷管道的另一端和所述一级换热器的第一进口连接，所述一级换热器的第一出口和所述第一压缩机的进口连通；
所述液氮罐设有液氮进口和液氮出口，所述液氮罐的液氮出口和所述液氮罐前换热器的液氮进口连通，所述液氮罐前换热器还设有液氮出口；
所述高压氦气瓶组的出口和所述高压污染气瓶组的出口均与所述储气罐的进口连通，所述储气罐的出口和所述一级换热器的第二进口连通，所述一级换热器的第二出口与所述分液罐的进口连通，所述分液罐的出口和所述回收气囊连通。
2.如权利要求1所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述高压氦气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第一质量流量控制器，所述高压污染气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第二质量流量控制器，所述储气罐的出口与所述一级换热器的第二进口的连接管路上设有第三质量流量控制器，所述分液罐的出口和所述回收气囊的连接管路上设有第四质量流量控制器。
3.如权利要求2所述的内纯化器研究系统，其特征在于，第一质量流量控制器并联有第一球阀，所述第二质量流量控制器并联有第二球阀，第四质量流量控制器并联有第三球阀。
4.如权利要求1所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述第一压缩机的出口和所述液氮罐前换热器的氦气进口的连接管路上设有第五质量流量控制器。
5.如权利要求4所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述第五质量流量控制器并联有第四球阀。
6.如权利要求1所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述储气罐的出口与所述一级换热器的第二进口的连接管路上设有第一气体成分分析仪，所述分液罐的出口和所述回收气囊的连接管路上设有第二气体成分分析仪。
7.如权利要求1所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述液氮罐前换热器的液氮出口的连接管路上设有单向阀。
8.如权利要求1所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述液氮罐的液氮进口的连接管路上设有带法兰的阀门。
9.如权利要求1所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述第一冷头包括相互连通的第一制冷部和第二制冷部，所述第二冷头包括相互连通的第三制冷部和第四制冷部，所述吸冷管道分为两条并联的支流管路，所述两条支流管路分别吸收所述第一制冷部和所述第三制冷部的冷量后汇合成一条管路，汇合后的管路先吸收所述第二制冷部的冷量后再吸收所述第四制冷部的冷量，然后和所述一级换热器的第一进口连通。
10.如权利要求1所述的内纯化器研究系统，其特征在于，所述高压氦气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第一减压阀，所述高压污染气瓶组的出口和所述储气罐的进口的连接管路上设有第二减压阀，所述储气罐的出口与所述一级换热器的第二进口的连接管路上设有第三减压阀，所述分液罐的出口和所述回收气囊的连接管路上设有第四减压阀。
CN201710933356.4A 2017-10-09 2017-10-09 内纯化器研究系统 Active CN107677045B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710933356.4A CN107677045B (zh) 2017-10-09 2017-10-09 内纯化器研究系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710933356.4A CN107677045B (zh) 2017-10-09 2017-10-09 内纯化器研究系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107677045A true CN107677045A (zh) 2018-02-09
CN107677045B CN107677045B (zh) 2020-04-10

Family

ID=61138018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710933356.4A Active CN107677045B (zh) 2017-10-09 2017-10-09 内纯化器研究系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107677045B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109185696A (zh) * 2018-09-29 2019-01-11 宁波健信核磁技术有限公司 一种高效高纯度的氦气回收装置和方法
WO2022248255A1 (de) 2021-05-27 2022-12-01 Bruker Switzerland Ag Vorrichtung zur reinigung und verflüssigung von helium und zugehöriges verfahren

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11118349A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Sumitomo Heavy Ind Ltd ヘリウムガス凝縮液化装置
WO2001002781A2 (en) * 1999-07-06 2001-01-11 Massachussetts Institute Of Technology High efficiency modular cryocooler with floating piston expander
US6374617B1 (en) * 2001-01-19 2002-04-23 Praxair Technology, Inc. Cryogenic pulse tube system
CN101542224A (zh) * 2006-09-07 2009-09-23 多克兰科技园控股有限公司 从气流中的其他气体捕捉并去除气体
CN102564066A (zh) * 2012-02-10 2012-07-11 南京柯德超低温技术有限公司 基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11118349A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Sumitomo Heavy Ind Ltd ヘリウムガス凝縮液化装置
WO2001002781A2 (en) * 1999-07-06 2001-01-11 Massachussetts Institute Of Technology High efficiency modular cryocooler with floating piston expander
EP1192393A4 (en) * 1999-07-06 2004-11-17 Massachusetts Inst Technology HIGH-PERFORMANCE LOW-TEMPERATURE COOLER IN MODULAR DESIGN WITH FREE PISTON RELAXER
US6374617B1 (en) * 2001-01-19 2002-04-23 Praxair Technology, Inc. Cryogenic pulse tube system
CN101542224A (zh) * 2006-09-07 2009-09-23 多克兰科技园控股有限公司 从气流中的其他气体捕捉并去除气体
CN102564066A (zh) * 2012-02-10 2012-07-11 南京柯德超低温技术有限公司 基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109185696A (zh) * 2018-09-29 2019-01-11 宁波健信核磁技术有限公司 一种高效高纯度的氦气回收装置和方法
WO2022248255A1 (de) 2021-05-27 2022-12-01 Bruker Switzerland Ag Vorrichtung zur reinigung und verflüssigung von helium und zugehöriges verfahren
DE102021205423A1 (de) 2021-05-27 2022-12-01 Bruker Switzerland Ag Vorrichtung zur Reinigung und Verflüssigung von Helium und zugehöriges Verfahren
DE102021205423B4 (de) 2021-05-27 2023-09-21 Bruker Switzerland Ag Vorrichtung zur Reinigung und Verflüssigung von Helium und zugehöriges Verfahren

Also Published As

Publication number Publication date
CN107677045B (zh) 2020-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108870821B (zh) 一种以制冷机为冷源的低温冷却设备
CN107300294B (zh) 一种烟气碳捕集系统的二氧化碳液化装置及方法
CN102564062B (zh) 一种高纯液氖的提取方法
CN108759301A (zh) 一种氢气液化工艺
CN104667842B (zh) 一种高温含氨气体取样系统的冷却装置
CN102937369B (zh) 天然气低温提氦系统及方法
CN104390136A (zh) 一种bog回收的方法和装置
CN107677045A (zh) 内纯化器研究系统
CN109059419A (zh) 氢气液化预冷工艺
CN105571269A (zh) 含高氮氧氢的煤层气低温精馏液化分离回收系统及方法
CN108469150B (zh) 氢气液化装置
CN109631494A (zh) 一种氦气生产系统和生产方法
CN111896578A (zh) 一种超流氦杜瓦低温恒温测试装置
CN208332857U (zh) 氢气液化装置
CN104181075A (zh) 一种储氢床性能综合测试装置及采用其的测定方法
CN116699079A (zh) 一种超低温气体实验平台及其工作方法
CN203392864U (zh) 一种回收不纯氖氦混合气的装置
CN112414892A (zh) 低温氦基混合气体吸附研究系统及控制方法
CN102949911B (zh) 一种高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置及分离方法
CN103773529B (zh) 一种撬装式伴生气液化系统
CN107575734A (zh) 一种简易氢气单级增压净化灌装系统及其使用方法
CN219300502U (zh) 一种液态气体存储装置
CN202216490U (zh) 一种高纯液氖提取装置
CN116399082A (zh) 用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统
CN218470198U (zh) 一体化换热器的流动与传热性能的测试系统

Legal Events

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