CN107830651B - 一种低温制冷系统 - Google Patents

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Abstract

一种低温制冷系统，包括压缩机、冷箱、旁通阀以及低温储罐或用户负载；冷箱内设有液氮预冷换热器和低温组件，压缩机、液氮预冷换热器、低温组件和低温储罐或用户负载依次连接并形成一个循环，旁通阀的进口和低温储罐或用户负载的出口连通，旁通阀的出口和液氮预冷换热器的低压进口或液氮预冷换热器的低压出口连通。上述低温制冷系统，通过在主循环中增加一个旁通阀，通过旁通阀可以减少或阻止透平膨胀机出口冷气从低温储罐或用户负载的回气的混合升温，加快换热器降温，能够显著提高大中型制冷系统的降温速率。与不带旁通阀的降温过程相比，上述低温制冷系统在降温过程降温时间可减少三分之一以上。

Description

一种低温制冷系统
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种低温制冷系统。
背景技术
液氢到液氦温区大型低温制冷系统是指制冷温度在4.5～20K(-268.5～ -253℃)范围，制冷量几百乃至万瓦以上的低温制冷系统。
中国科学院理化技术研究所经过几十年研究积累，突破了液氢温区制冷系统的一系列关键技术，成功完成了2000W@20K中型低温制冷系统、 10000W@20K大型低温制冷系统以及40L/h氦液化器的研制。在此基础上，为满足国家重大科技基础设施建设项目(ADS和HIAF等)对液氦到超流氦温区大型低温制冷系统的急需和国家战略氦资源现状和需求，结合国内低温工业制造能力，研制二套液氦到超流氦温区大型低温制冷系统，制冷量分别达到 2500W@4.5K/500W@2.0K和250W@4.5K。
上述中型及大型制冷机及氦液化器以氦气为制冷工质，其主要组成部件为大功率压缩机、透平膨胀机、多级换热器及JT节流阀、储罐或用户负载。
氦气节流时的最高转化温度为46K，液氦的标准大气压下的沸点为4.23K。在这种制冷温度下获取较大制冷量或较高液化率的大中型低温制冷系统通常换热器及液氦储罐或用户负载热容很大；按照主流程工作，系统从常温启动降温，逐步将换热器及液氦储罐或用户负载冷却至设计运行工况耗时较长，通常须二十几个小时以上。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能够快速降温的低温制冷系统。
一种低温制冷系统，包括压缩机、冷箱、旁通阀以及低温储罐或用户负载；
所述冷箱内设有液氮预冷换热器和低温组件，所述压缩机、所述液氮预冷换热器、所述低温组件和所述低温储罐或用户负载依次连接并形成一个循环，所述压缩机的出口和所述液氮预冷换热器的高压进口连通，所述液氮预冷换热器的高压出口和所述低温组件的高压进口连通，所述低温组件的高压出口和所述低温储罐或用户负载的进口连通，所述低温储罐或用户负载的出口和所述低温组件的低压进口连通，所述低温组件的低压出口和所述液氮预冷换热器的低压进口连通，所述液氮预冷换热器的低压出口和所述压缩机的进口连通，所述液氮预冷换热器还设有液氮进口和液氮出口；
所述旁通阀的进口和所述低温储罐或用户负载的出口连通，所述旁通阀的出口和所述液氮预冷换热器的低压进口或所述液氮预冷换热器的低压出口连通。
在一个实施例中，所述旁通阀为手动、电动或气动的开关阀，或所述旁通阀为手动、电动或气动的调节阀。
在一个实施例中，当所述旁通阀的出口和所述液氮预冷换热器的低压出口连通时，所述旁通阀和所述液氮预冷换热器的连接管路上设有加热器。
在一个实施例中，所述低温组件包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、透平膨胀机和JT节流阀，所述第一换热器、所述第二换热器和所述第三换热器依次设于所述液氮预冷换热器和所述低温储罐或用户负载之间，所述透平膨胀机的进口设于所述第一换热器至所述第二换热器的进气管路上，所述透平膨胀机的出口设于所述第三换热器至所述第二换热器的回气管路上，所述JT 节流阀设于所述第三换热器至所述低温储罐或用户负载的进气管路上。
在一个实施例中，所述低温组件包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机和JT节流阀，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器依次设于所述液氮预冷换热器和所述低温储罐或用户负载之间，所述第三换热器还设有膨胀气进口和膨胀气出口，所述第一透平膨胀机的进口设于所述第一换热器至所述第二换热器的进气管路上，所述第一透平膨胀机的出口和所述第三换热器的膨胀气进口连通，所述第三换热器的膨胀气出口和所述第二透平膨胀机的进口连通，所述第二透平膨胀机的出口设于所述第五换热器至所述第四换热器的回气管路上，所述JT节流阀设于所述第五换热器至所述低温储罐或用户负载的进气管路上。
在一个实施例中，所述低温组件包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机和JT节流阀，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器依次设于所述液氮预冷换热器和所述低温储罐或用户负载之间，所述第一透平膨胀机的进口设于所述第一换热器至所述第二换热器的进气管路上，所述第一透平膨胀机的出口设于所述第三换热器至所述第二换热器的回气管路上，所述第二透平膨胀机的进口设于所述第三换热器至所述第四换热器的进气管路上，所述第二透平膨胀机的出口设于所述第五换热器至所述第四换热器的回气管路上，所述JT节流阀设于所述第五换热器至所述低温储罐或用户负载的进气管路上。
在一个实施例中，所述旁通阀的流量系数不低于所述JT节流阀的流量系数。
上述低温制冷系统，通过在主循环中增加一个旁通阀，使降温阶段从低温储罐或用户负载的回气直接进入液氮预冷换热器的低压进口或低压出口，通过旁通阀可以减少或阻止透平膨胀机出口冷气的混合升温，加快换热器降温，能够显著提高大中型制冷系统的降温速率。与不带旁通阀的降温过程相比，上述低温制冷系统在降温过程中使用时，降温时间可减少三分之一以上。
附图说明
图1为一实施方式的低温制冷系统的结构示意图；
图2为一个实施例的基于克劳德循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法一；
图3为一个实施例的基于克劳德循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法二；
图4为一个实施例的基于修正克劳德循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法一；
图5为一个实施例的基于修正克劳德循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法二；
图6为一个实施例的基于两级透平柯林斯循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法一；
图7为一个实施例的基于两级透平柯林斯循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法二；
图8为一个实施例的基于n级透平柯林斯循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法一；
图9为一个实施例的基于n级透平柯林斯循环快速降温的低温制冷系统的旁通阀安装方法二。
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。
本申请提供的低温制冷系统，能够显著提高大中型制冷系统的降温速率。其中，大中型制冷系统是指千瓦级以上液氢温区制冷机、百瓦级及以上液氦温区制冷机和20L/h及以上氦液化器。上述大中型制冷系统以氦气为制冷工质，基于克劳德制冷循环或柯林斯制冷循环设计组装。由常温部分的压缩机，低温部分的换热器、透平膨胀机和JT节流阀等组成的真空隔热冷箱，以及通过低温传输管线连接的低温储罐或用户负载。
如前文，以氦气为制冷工质，基于克劳德循环或柯林斯循环的液化器/制冷机按照主流程启动降温耗时较长，费时费力。以克劳德循环(图2中去除旁通阀30)为例，循环过程如下：启动系统开始降温后，液氮进入液氮预冷换热器22将压缩机10近似等温压缩出口的高压气冷却，高压气体经过第一换热器 23后，一部分进入透平膨胀机26膨胀降温并进入第二换热器24低压侧；剩余部分高压气经过第二换热器24和第三换热器25，进入JT节流阀27；节流降压后进入低温储罐或用户负载40，然后回到低压侧；低压气体经过第三换热器 25后与透平膨胀机26出口的低温气体混合后，依次经过第二换热器24、第一换热器23和液氮预冷换热器22恢复到常温，随后进入压缩机10增压，完成循环。
降温速度慢的主要原因如下：1，降温过程中节流前温度高于46K时，氦气节流不产生制冷效应；2，低温储罐或用户负载与换热器热容相当，储罐或用户负载回气与透平膨胀机出口冷气混合后温度上升，减慢了液氮和透平膨胀机对换热器的冷却速度。
基于上述原因，如图1所示，本申请提供一实施方式的基于上述循环的快速降温的低温制冷系统100，包括压缩机10、冷箱20、旁通阀30以及低温储罐或用户负载40。
冷箱20为真空隔热冷箱，包括换热器、透平膨胀机、节流阀等。
具体的，请参考图2，冷箱20内设有液氮预冷换热器22和低温组件。压缩机10、液氮预冷换热器22、低温组件和低温储罐或用户负载40依次连接并形成一个循环。压缩机10的出口和液氮预冷换热器22的高压进口连通，液氮预冷换热器22的高压出口和低温组件的高压进口连通，低温组件的高压出口和低温储罐或用户负载40的进口连通，低温储罐或用户负载40的出口和低温组件的低压进口连通，低温组件的低压出口和液氮预冷换热器22的低压进口连通，液氮预冷换热器22的低压出口和压缩机10的进口连通，液氮预冷换热器10还设有液氮进口12和氮气出口14。
旁通阀30的进口和低温储罐或用户负载40的出口连通，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22的低压进口或液氮预冷换热器22的低压出口连通。
可以理解，旁通阀30可以为手动、电动或气动的开关阀。或者旁通阀30 可以为手动、电动或气动的调节阀。在实际工作中，可以根据需要进行选择。
进一步的，当旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22的低压出口连通时，旁通阀30和液氮预冷换热器22的连接管路上设有加热器。避免过低温度进入液氮预冷换热器22的出口管路。
应用在不同循环的具体实施例中，旁通阀30位置会修改和变更，参见如下具体实施例。
图2和图3所示的实施例中分别给出了两种不同的基于克劳德循环的低温制冷系统。图2和图3所示的实施例中低温组件包括第一换热器23、第二换热器24、第三换热器25、透平膨胀机26和JT节流阀27。第一换热器23、第二换热器24和第三换热器25依次设于液氮预冷换热器22和低温储罐或用户负载40之间。压缩机10、液氮预冷换热器22、第一换热器23、第二换热器 24、第三换热器25和低温储罐或用户负载40依次连接并形成一个循环。透平膨胀机26的进口设于第一换热器23至第二换热器24的进气管路上，透平膨胀机26的出口设于第三换热器25至第二换热器24的回气管路上。JT节流阀 27设于第三换热器25至低温储罐或用户负载40的进气管路上。
在图2所示的实施例中，给出了基于克劳德循环的快速降温的低温制冷系统中旁通阀30安装方法一，此时，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22 的低压进口连通。旁通阀30安装在冷箱内，需要在设计和组装阶段确定旁通阀30的型号和位置。
在图3所示的实施例中，给出了基于克劳德循环的快速降温的低温制冷系统中旁通阀30安装方法二，此时，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22 的低压出口连通。这种方法中，旁通阀30可安装在冷箱外，必要时需要在旁通阀30进口管路增加加热器或其他起相同功能的装置，避免过低温度进入液氮预冷换热器22出口管路。此方法可在系统组装后期确定旁通阀30的型号和位置。
图4和图5所示的实施例分别给出了两种不同的基于修正克劳德循环的低温制冷系统。图4和图5所示的实施例中低温组件包括第一换热器51、第二换热器52、第三换热器53、第四换热器54、第五换热器55、第一透平膨胀机56、第二透平膨胀机57和JT节流阀58，第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器依次设于液氮预冷换热器22和低温储罐或用户负载 40之间。压缩机10、液氮预冷换热器22、第一换热器51、第二换热器52、第三换热器53、第四换热器54、第五换热器55和低温储罐或用户负载40依次连接并形成一个循环。
第三换热器53还设有膨胀气进口532和膨胀气出口534，第一透平膨胀机 56的进口设于第一换热器51至第二换热器52的进气管路上，第一透平膨胀机56的出口和第三换热器53的膨胀气进口532连通，第三换热器53的膨胀气出口534和第二透平膨胀机57的进口连通，第二透平膨胀机57的出口设于第五换热器55至第四换热器54的回气管路上，JT节流阀58设于第五换热器55 至低温储罐或用户负载40的进气管路上。
图4所示的实施例中给出了基于修正克劳德循环的快速降温的低温制冷系统中旁通阀30安装方法一，此时，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22的低压进口连通。这种方法中，旁通阀30安装在冷箱内，需要在设计和组装阶段确定旁通阀30的型号和位置。
图5所示的实施例中给出了基于修正克劳德循环的快速降温的低温制冷系统的旁通阀30安装方法二，此时，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22的低压出口连通。这种方法中，旁通阀30可安装在冷箱外，必要时需要在旁通阀30进口管路增加加热器或其他起相同功能的装置，避免过低温度进入液氮预冷换热器22出口管路。此方法可在系统组装后期确定旁通阀30的型号和位置。
图6和图7所示的实施例分别给出了两种不同的基于两级透平的柯林斯循环的低温制冷系统。图6和图7所示的实施例中低温组件包括第一换热器61、第二换热器62、第三换热器63、第四换热器64、第五换热器65、第一透平膨胀机66、第二透平膨胀机67和JT节流阀68。第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器依次设于液氮预冷换热器22和低温储罐或用户负载40之间。压缩机10、液氮预冷换热器22、第一换热器61、第二换热器62、第三换热器63、第四换热器64、第五换热器65和低温储罐或用户负载40依次连接并形成一个循环。
第一透平膨胀机66的进口设于第一换热器61至第二换热器62的进气管路上，第一透平膨胀机66的出口设于第三换热器63至第二换热器62的回气管路上，第二透平膨胀机67的进口设于第三换热器63至第四换热器64的进气管路上，第二透平膨胀机67的出口设于第五换热器65至第四换热器64的回气管路上，JT节流阀68设于第五换热器65至低温储罐或用户负载40的进气管路上。
图6所示的实施例中给出了基于两级透平的柯林斯循环的快速降温的低温制冷系统的旁通阀30安装方法一。此时，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器 22的低压进口连通。这种方法中，旁通阀30安装在冷箱内，需要在设计和组装阶段确定旁通阀30的型号和位置。
图7所示的实施例中给出了基于两级透平的柯林斯循环的快速降温的低温制冷系统的旁通阀30安装方法二。此时，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器 22的低压出口连通。这种方法中，旁通阀30可安装在冷箱外，必要时需要在旁通阀30进口管路增加加热器或其他起相同功能的装置，避免过低温度进入液氮预冷换热器22出口管路。此方法可在系统组装后期确定旁通阀30的型号和位置。
图8和图9所示的实施例分别给出了两种不同的基于n级透平的柯林斯循环的低温制冷系统。在图8和图9所示的实施例中，低温组件包括第一换热器 71、第二换热器72、第三换热器73、第四换热器74、第五换热器、…，第一透平膨胀机81、第二透平膨胀机82、…和JT节流阀90。图8和图9所示的实施例中低温组件中换热器、透平膨胀机和JT节流阀的连接形式和图6所示实施例的连接方式相似。不同之处在于，在图8和图9所示的实施例中低温组件包含的换热器的数量要比图6和图7的所示的实施例中低温组件包含的换热器的数量多2n个，在图8和图9所示的实施例中透平膨胀机的数量要比图6和图7的所示的实施例中透平膨胀机的数量多n个，其中n为正整数。例如，图 6和图7所示的实施例中，低温组件中换热器的数量为5个，透平膨胀机的数量为2个；而图8和图9所示的实施例中，低温组件中换热器的数量为5+2n 个，透平膨胀机的数量为2+n个，其中，n＝1,2,3，…。
图8所示的实施例给出了基于n级透平的柯林斯循环的低温制冷系统中旁通阀30的安装方法一。，旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22的低压进口连通。这种方法中，旁通阀30安装在冷箱内，需要在设计和组装阶段确定旁通阀30的型号和位置。
图9所示的实施例给出了基于n级透平的柯林斯循环的低温制冷系统中旁通阀30的安装方法二。旁通阀30的出口和液氮预冷换热器22的低压出口连通。这种方法中，旁通阀30可安装在冷箱外，必要时需要在旁通阀30进口管路增加加热器或其他起相同功能的装置，避免过低温度进入液氮预冷换热器22 出口管路。此方法可在系统组装后期确定旁通阀30的型号和位置。
进一步的，上述低温制冷系统100的旁通阀的流量系数不低于JT节流阀的流量系数，条件受限时可适当降低流量系数。
上述低温制冷系统100，在以氦气为制冷工质，基于克劳德循环或柯林斯循环的大中型制冷系统的主循环中，通过在降温阶段增加一个旁通阀30，使降温阶段从低温储罐或用户负载40的回气直接进入液氮预冷换热器22的低压进口或低压出口，即可以使降温阶段从低温储罐或用户负载40的回气直接进冷箱20低压出口，通过旁通阀30可以减少或阻止透平膨胀机出口冷气的混合升温，加快换热器降温，能够显著提高大中型制冷系统的降温速率。与不带旁通阀的降温过程相比，上述低温制冷系统100在降温过程中使用时，降温时间可减少三分之一以上。上述低温制冷系统，可在设计建造阶段应用，也可在已建好的系统中应用。
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 (7)

1.一种低温制冷系统，其特征在于，包括压缩机、冷箱、旁通阀以及低温储罐或用户负载；所述低温制冷系统的制冷剂是氦气、氢气，
所述冷箱内设有液氮预冷换热器和低温组件，所述压缩机、所述液氮预冷换热器、所述低温组件和所述低温储罐或用户负载依次连接并形成一个循环，所述压缩机的出口和所述液氮预冷换热器的高压进口连通，所述液氮预冷换热器的高压出口和所述低温组件的高压进口连通，所述低温组件的高压出口和所述低温储罐或用户负载的进口连通，所述低温储罐或用户负载的出口和所述低温组件的低压进口连通，所述低温组件的低压出口和所述液氮预冷换热器的低压进口连通，所述液氮预冷换热器的低压出口和所述压缩机的进口连通，所述液氮预冷换热器还设有液氮进口和氮气出口；
所述旁通阀的进口和所述低温储罐或用户负载的出口连通，所述旁通阀的出口和所述液氮预冷换热器的低压进口或所述液氮预冷换热器的低压出口连通。
2.如权利要求1所述的低温制冷系统，其特征在于，所述旁通阀为手动、电动或气动的开关阀，或所述旁通阀为手动、电动或气动的调节阀。
3.如权利要求1所述的低温制冷系统，其特征在于，当所述旁通阀的出口和所述液氮预冷换热器的低压出口连通时，所述旁通阀和所述液氮预冷换热器的连接管路上设有加热器。
4.如权利要求1所述的低温制冷系统，其特征在于，所述低温组件包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、透平膨胀机和JT节流阀，所述第一换热器、所述第二换热器和所述第三换热器依次设于所述液氮预冷换热器和所述低温储罐或用户负载之间，所述透平膨胀机的进口设于所述第一换热器至所述第二换热器的进气管路上，所述透平膨胀机的出口设于所述第三换热器至所述第二换热器的回气管路上，所述JT节流阀设于所述第三换热器至所述低温储罐或用户负载的进气管路上。
5.如权利要求1所述的低温制冷系统，其特征在于，所述低温组件包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机和JT节流阀，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器依次设于所述液氮预冷换热器和所述低温储罐或用户负载之间，所述第三换热器还设有膨胀气进口和膨胀气出口，所述第一透平膨胀机的进口设于所述第一换热器至所述第二换热器的进气管路上，所述第一透平膨胀机的出口和所述第三换热器的膨胀气进口连通，所述第三换热器的膨胀气出口和所述第二透平膨胀机的进口连通，所述第二透平膨胀机的出口设于所述第五换热器至所述第四换热器的回气管路上，所述JT节流阀设于所述第五换热器至所述低温储罐或用户负载的进气管路上。
6.如权利要求1所述的低温制冷系统，其特征在于，所述低温组件包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机和JT节流阀，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器依次设于所述液氮预冷换热器和所述低温储罐或用户负载之间，所述第一透平膨胀机的进口设于所述第一换热器至所述第二换热器的进气管路上，所述第一透平膨胀机的出口设于所述第三换热器至所述第二换热器的回气管路上，所述第二透平膨胀机的进口设于所述第三换热器至所述第四换热器的进气管路上，所述第二透平膨胀机的出口设于所述第五换热器至所述第四换热器的回气管路上，所述JT节流阀设于所述第五换热器至所述低温储罐或用户负载的进气管路上。
7.如权利要求4至6中任意一项所述的低温制冷系统，其特征在于，所述旁通阀的流量系数不低于所述JT节流阀的流量系数。
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