CN109642766A - 用于从加压容器中去除氦的方法和去除装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从加压容器(110)中去除氦的方法，其中从所述加压容器中去除超临界氦(111)；其中所述去除的超临界氦(112)借助于冷却装置(210)被主动冷却和/或借助于焦耳‑汤姆逊膨胀(220)被动冷却；从而至少部分地形成液氦(113)。

Description

用于从加压容器中去除氦的方法和去除装置
技术领域
本发明涉及用于从加压容器中去除氦的方法以及去除装置，其中从所述加压容器中去除超临界氦。
发明背景
液氦可在加压容器中在高压下被储存并运输。在容器中储存期间，氦的聚集状态可以改变，并且可形成气态和/或超临界氦。
如果要从具有超临界氦的加压容器中去除液氦，通常首先需要从容器中释放压力，直至容器中的压力已达到例如210mbarg至350mbarg或3psig至5psig的值为止。该压力释放可实现的原因在于从加压容器中去除气态或超临界氦。为了将容器中的压力降低1psi，必须去除80m3至120m3的气态/超临界氦。
如果压力已降低至适当的程度，则在加压容器中形成氦的两相(液相和气相)。传统上，仅在此之后，才开始去除液氦。容器中的压力越高，必须去除的气态/超临界氦越多，且可去除的液态氦越少。取决于容器加载后的初始压力，并且取决于容器中氦的储存时间，液氦的产率因此可变化。
本发明的目的是在从加压容器中去除氦期间增加液氦的产率。
本发明的公开内容
根据本发明，提供了具有独立权利要求的特征的用于从加压容器中去除氦的方法和去除装置。优选的设计是从属权利要求和随后的描述的主题。根据本发明的方法和根据本发明的去除装置的优点和优选设计类似地由以下描述得到。
根据本发明的第一方面，提供用于从加压容器中去除氦的方法，其中从所述加压容器中去除超临界氦，其中所述方法包括：所述去除的超临界氦借助于冷却装置被主动冷却和/或借助于焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson)膨胀(220)被动冷却；从而至少部分地形成液氦。
换句话说，所述方法包括:
从所述加压容器中去除超临界氦；通过以下方式冷却所述去除的超临界氦，以至少部分地形成液氦：
在冷却装置中主动冷却和/或
借助于焦耳汤姆逊膨胀被动冷却。
加压容器中的氦有利地处于高压。特别地，加压容器中的压力超过氦的临界点，使得加压容器中的氦处于超临界状态，因此仅处于超临界相。在这种情况下，在高压下被理解为特别意指大于2.28bara或33psia的压力，超过该压力，氦仅处于超临界状态。
在所述方法的背景下，首先从加压容器中去除超临界、特别是低温的氦气。为此目的，去除装置包括连接部，该连接部布置成连接至加压容器的去除连接部或去除阀，特别是连接至流体去除连接部或流体去除阀。在本发明的背景下，已被去除的特别是仍然处于高压下的超临界氦被主动和/或被动冷却。
主动冷却可借助于主动冷却装置进行。在这种情况下，主动冷却被理解为特别意指使用主动能量(active energy)，以从去除的超临界氦中抽取能量并将其冷却。有利地，在主动冷却过程期间，实施热力学循环。为此目的，去除装置包括连接部下游的主动冷却装置。
被动冷却可借助于焦耳-汤姆逊膨胀进行。在此类被动冷却的背景下，特别是对于氦的冷却，不需要主动使用能量。在焦耳-汤姆逊膨胀的情况下，所去除的加压氦优选通过供应至节流阀(throttle valve)而膨胀。根据焦耳-汤姆逊效应，膨胀的氦在该过程中经历冷却。为此目的，去除装置包括连接部下游的焦耳-汤姆逊冷却器，所述冷却器有利地连接在主动冷却装置的下游。
由于主动和/或被动冷却，去除的超临界氦的至少一部分被液化。
常规的氦去除方法是已知的，在此过程期间，因为压力去除而去除的超临界氦通常通过蒸发器供应至压缩机，并用于加压的气体填充。
相比之下，在本发明中，去除的超临界氦至少部分被液化，因此可增加从加压容器中去除的液氦的量。特别有利地，去除的氦既被主动冷却，也被动冷却，因此可进一步增加液氦的产率。
所述方法优选在从加压容器中去除液氦的过程开始时进行，此时氦优选仅(exclusively)处于加压容器中的超临界状态。特别地，所述方法可在容器中的压力已通过去除超临界氦而降低至预定值之后进行。所述方法可在压力已降低至2.28bara或33psia时进行，即从该值开始，氦在加压容器中处于液相和气相，这意味着可开始直接去除液氦。
或者或另外，所述方法可在从加压容器中去除液氦的过程结束时进行。特别地，在该过程结束时，剩余的液氦仍然可位于加压容器的底部。剩余的量通常不能借助于加压容器内的常规管线去除，因为这些管线通常不会直接向下到达底部。在这种情况下，可再次增加加压容器中的压力，直至剩余的液氦转变成超临界相。以这种方式产生的超临界氦可被去除，主动和/或被动地冷却，从而至少部分地液化。
根据特别有利的设计，从加压容器中去除的超临界氦可借助于作为冷却装置的热交换器被主动冷却。借助于这种热交换器，热能被特别地从去除的氦转移至介质或冷却流体。热交换器代表了主动冷却被去除的氦的简单且成本有效的可能性，并且其可被简单地集成在去除装置中并以不复杂的方式操作。
例如，去除的超临界氦可通过管线从去除装置的连接部引出。例如，可围绕该管线引导冷却流体以使氦冷却。为此目的，相应的冷却流体管线可围绕去除装置的管线布置。热交换器可有利地以该方式集成在去除装置的管线中。还可将热交换器连接至管线的一端，从而在管线之后和管线的下游连接所述热交换器。
或者或另外，从加压容器中去除的超临界氦可有利地借助于冷却机冷却。冷却机通常包括用于氦的重复压缩和膨胀的压缩机，以及冷却部件，其经常被称为冷头(coldhead)，在该冷却部件中产生冷。优选地，冷却机被设计为以下中的一种：斯特林(Stirling)制冷机；吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon)制冷机和脉冲管制冷机。尽管设想了单一类型的冷却机，但本领域技术人员将了解，术语“冷却机”可被解释为包括上文所列出的两种或更多种类型的制冷机的组合。尽管此类冷却机比热交换器成本更高，但可甚至更有效地冷却去除的氦，并且特别是可进一步增加液氦的产率。
斯特林制冷机特别是用于实施斯特林循环。例如，此类斯特林制冷机可包括压缩气缸中的活塞，在其下游有第一热交换器、加热器和另外的热交换器，进而在下游跟随有具有另外的活塞的膨胀气缸。通过活塞的移动，氦被交替地膨胀和压缩，并被引导通过由热交换器和加热器组成的系统。
在斯特林制冷机中，压缩机通常可直接连接至工作容积(所谓的集成设计)。然而，也有所谓的分体式设计(所谓的分体式斯特林制冷机)，其中两个单元(压缩机和冷头)通过管道连接。
另一方面，对于吉福德-麦克马洪制冷机，传统上排他性地采用分体式设计(splitdesign)。因此，在吉福德-麦克马洪制冷机中，冷头和压缩机形成为通过两条管线连接的分立单元。在此类吉福德-麦克马洪制冷机中，加热器和置换器布置在冷头中，所述冷头通过分配器阀交替地连接至压缩机的高压侧至低压侧。
与斯特林制冷机和吉福德-麦克马洪制冷机相比，在脉冲管制冷机(还可称为斯特林型脉冲管制冷机)中，不使用冷头或冷热交换点区域中的可移动组件。脉冲管制冷机特别包括压缩机、第一热交换器，其下游跟随有加热器和另外的热交换器。第二热交换器之后是所谓的脉冲管，第三热交换器连接至该脉冲管。热交换器、加热器和脉冲管特别布置在共用的气缸中。所述气缸可在下游跟随有流阻器，例如孔，以及缓冲容积。
除了此类斯特林型脉冲管制冷机(如上文所述)之外，还可设想通过分配器阀将加热器交替地连接至压缩机的高压侧和低压侧，并且这被称为吉福德-麦克马洪型脉冲管制冷机。
有利地，去除的氦的焦耳-汤姆逊膨胀除了产生液化氦之外，还产生冷气态氦(所谓的闪蒸气体)。该产生的冷气态氦优选被去除。为此目的，去除装置优选包括气体排放部。因此，特别地，可调节焦耳-汤姆逊冷却器的高压侧和低压侧之间的压力比，因此确保焦耳-汤姆逊膨胀可继续有效地进行。冷气态氦在产生后立即特别地在焦耳-汤姆逊冷却器的低压侧上被去除。
有利地，冷气态氦在这里可沿着焦耳-汤姆逊冷却器的高压侧被引导。因此，优选地，使用去除的冷气态氦，在焦耳-汤姆逊膨胀之前在高压侧冷却或预冷却从加压容器中去除的超临界氦。
或者或另外，冷气态氦可优选地相对于被去除的超临界氦以逆流方式被引导通过热交换器，从而冷却所述超临界氦。
所述方法优选适于将液氦从加压容器转移至另外的第二加压容器(容器至容器)，例如，以防止在低温氦长期储存的情况下加压容器中的过度压力积累。
所述方法还适于将液氦从加压容器转移至杜瓦(Dewar)容器(容器至杜瓦瓶)中。有利地，所产生的液化氦可被供应至另外的加压容器或杜瓦容器。
根据又一方面，本发明提供用于从加压容器中去除氦的去除装置，其包括：
第一连接部，其布置成连接至所述加压容器的去除连接部，用于从所述加压容器中去除超临界氦，
其特征在于，所述去除装置包括：
所述连接部下游的主动冷却装置和/或
所述连接部下游的焦耳-汤姆逊冷却器。
冷却装置可以是以下中的一种：热交换器；斯特林制冷机；吉福德-麦克马洪制冷机；或脉冲管制冷机。
去除装置可进一步包括用于从焦耳-汤姆逊冷却器的低压侧去除冷气态氦的气体排放部。
去除装置可进一步构造,使得冷气态氦被输送用于进一步冷却目的和/或其它用途，例如氦回收或气态氦填充。
第一连接部可连接至管线。主动冷却装置可集成在管线中和/或在管线的末端连接至所述管线。
去除装置可进一步包括冷却装置和/或焦耳-汤姆逊冷却器下游的第二连接部。第二装置可构造成连接至第二加压容器和/或供应管线。
为了供应至另外的加压容器或杜瓦容器，去除装置优选地包括第二连接部，该第二连接部被布置成连接至第二容器，优选第二加压容器或杜瓦容器。所产生的液化氦可用于冷却低温恒温器和/或低温恒温器内的装置。
优选地，将去除装置的连接部连接至管线。主动冷却装置优选集成在管线中。或者或另外，主动冷却装置还可在管线的末端连接至所述管线。特别地，去除装置可实施为结构单元，该结构单元特别借助于其两个连接部连接至加压容器且因此连接至第二容器。
本发明的另外优点和设计源自说明书和附图。
应当理解，上述特征和下面将要解释的特征不仅可用于各个所说明的组合，而且还可用于其它组合或单独使用，而不超出本发明的范围。
参考附图中的示例性实施方案示意性地呈现本发明，并参考附图在下面详细描述本发明。
附图说明
图1示意性地显示根据本发明的去除装置的优选设计，该去除装置被布置用于进行根据本发明的方法的优选实施方案。
具体实施方式
在图1中，示意性地呈现了氦填充站100。例如通过卡车，在加压容器110中供应氦。氦从加压容器110中被进给，处理，然后进给至第二储存容器或器皿140中，例如，进给至一个或多个杜瓦容器140中。或者或另外，将氦用于冷却低温恒温器和/或低温恒温器内的装置。
氦在加压容器110中在例如3.1barg或45psig的高压下储存。因此，在加压容器110内，仅存在超临界氦111。
为了从加压容器110中去除氦，提供了根据本发明的去除装置200的优选设计，其被布置用于进行根据本发明的方法的优选实施方案。
去除装置200包括第一连接部201，所述第一连接部201被布置成连接至加压容器110的去除连接部。在加压容器110内，数个去除管线121、131可运行，所述去除管线各自连接至去除连接部120或130。在所呈现的实例中，去除装置200的第一连接部201连接至去除连接部130。
去除装置200的第一连接部201连接至管线202。管线202被设计成例如双壁和真空超绝缘的。此外，去除装置200包括主动冷却装置210。该冷却装置可优选被设计成斯特林制冷机、吉福德-麦克马洪制冷机或脉冲管制冷机。在该实例中，根据本发明的特别优选的设计，冷却装置210形成为具有压缩机211的热交换器。例如，借助于热交换器210，冷却流体可围绕管线202流动，以冷却流过管线202的介质。此外，在主动冷却装置210的下游，去除装置200包括焦耳-汤姆逊冷却器220。通过第二连接部203，可将去除装置连接至杜瓦容器140。
当将去除装置200连接至加压容器110的去除连接部130时，在本发明的背景下，从加压容器110去除超临界和低温氦111。
该去除的超临界氦112流过管线202并且流过热交换器210，其中它在每种情况下仍被加压，到达焦耳-汤姆逊冷却器220。
借助于热交换器210，从去除的氦112中去除热，并将氦冷却。在焦耳-汤姆逊冷却器220中，使去除的氦112经受焦耳-汤姆逊膨胀。由于这种主动和被动冷却，去除的氦在焦耳-汤姆逊冷却器220的低压侧221上至少部分地液化。去除的氦的该液化部分作为液氦113储存在杜瓦容器140中。
由于借助于焦耳-汤姆逊冷却器220不会液化全部量的去除的氦112，因此也产生冷气态氦114。
该冷气态氦114通过来自焦耳-汤姆逊冷却器220的低压侧221的气体排放部被去除。在该过程中，去除的冷气态氦114沿着焦耳-汤姆逊冷却器220的高压侧222被引导，以进一步冷却位于其中的被去除的氦112，然后其经受焦耳-汤姆逊膨胀。
去除的冷气态氦114可有利地被输送用于储存140和/或通过供应管线224供应以供进一步使用301。为了完整起见，这两个选项均示于图1中。然而，本发明涵盖其中去除的冷气态氦仅被供应至用于储存的容器的实施方案；以及其中去除的冷气态氦仅被供应以供进一步使用的实施方案。
例如，可将去除的冷气态氦114供应至热交换器，然后供应至氦气填充设施301的压缩机和/或供应至氦气储存罐140。或者，进一步使用301可涉及将其供应至低温恒温器以冷却低温恒温器和/或冷却低温恒温器内的部件装置。
由于超临界/低温氦111的去除而使得加压容器110内的压力下降。例如，一旦该压力已达到2.29bara的值，即可直接从容器110中去除液氦。
附图标记列表
100 氦填充站
110 加压容器
111 超临界氦
112 去除的超临界氦
113 液氦
114 冷气态氦
120 去除连接部
121 去除管线
130 去除连接部
131 去除管线
140 杜瓦容器
200 去除装置
201 所述去除装置的第一连接部
202 管线
203 所述去除装置的第二连接部
210 热交换器
211 热交换器的压缩机
220 焦耳-汤姆逊冷却器
221 焦耳-汤姆逊冷却器的低压侧
222 焦耳-汤姆逊冷却器的高压侧
223 气体排放部
224 供应管线
301 供应去除的冷气态氦以供进一步使用，例如热交换器和氦气填充设施的压缩机

Claims (15)

1.一种用于从加压容器(110)中去除氦的方法，其中从所述加压容器(110)中去除超临界氦(111)，
其特征在于，
去除的超临界氦(112)借助于冷却装置(210)被主动冷却和/或借助于焦耳-汤姆逊膨胀(220)被动冷却；从而至少部分地形成液氦(113)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从所述加压容器中去除的超临界氦(112)借助于作为冷却装置的热交换器(210)被主动冷却。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中从所述加压容器中去除的超临界氦(112)借助于作为冷却装置(210)的以下装置中的一种被主动冷却：斯特林制冷机、吉福德-麦克马洪制冷机、和脉冲管制冷机。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于去除的超临界氦(112)的焦耳-汤姆逊膨胀(220)，除了产生液化氦(113)之外，还产生冷气态氦(114)，并且
其中所产生的冷气态氦(114)被去除(223)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述焦耳-汤姆逊膨胀(220)的高压上游侧(222)，使用去除的冷气态氦(114)冷却从所述加压容器(110)去除的超临界氦(112)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少部分液化的氦(113)被供应至第二加压容器或杜瓦容器(140)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用所述至少部分液化的氦(113)冷却低温恒温器和/或低温恒温器内的装置。
8.一种用于从加压容器(110)中去除氦的去除装置(200)，其包括：
第一连接部(201)，其布置成连接至所述加压容器(110)的去除连接部(130)，用于从所述加压容器(110)中去除超临界氦(111)，
其特征在于，所述去除装置(200)包括：
所述连接部(201)下游的主动冷却装置(210)和/或
所述连接部(201)下游的焦耳-汤姆逊冷却器(220)。
9.根据权利要求8所述的去除装置(200)，其中所述冷却装置(210)是以下装置中的一种：热交换器、斯特林制冷机、吉福德-麦克马洪制冷机、或脉冲管制冷机。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的去除装置(200)，其进一步包括用于从所述焦耳-汤姆逊冷却器(220)的低压侧(221)去除冷气态氦(114)的气体排放部(223)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的去除装置(200)，其进一步被构造，使得所述冷气态氦(114)被输送，以用于进一步冷却目的和/或其它用途。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的去除装置(200)，其中所述连接部(201)连接至管线(202)，并且
其中所述主动冷却装置(210)集成在所述管线(202)中，和/或在所述管线(202)的末端连接至所述管线。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的去除装置(200)，其进一步包括在所述冷却装置(210)和/或所述焦耳-汤姆森冷却器(220)下游的第二连接部(203)，所述第二装置被构造，以连接至第二加压容器(140)和/或供应管线(224)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的去除装置，其中所述第二连接部(203)连接至第二加压容器(140)。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的去除装置，其中所述第二连接部(203)连接至供应管线(224)，所述供应管线(224)被构造，以输送所述冷气态氦以供进一步使用。
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