CN110608581B - 一种内纯化器和氦液化器 - Google Patents

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Abstract

一种内纯化器，包括一级换热器、二级换热器组件、气液分离器和三级换热器，气液分离器设于一级换热器和二级换热器组件之间，冷源流体依次流经三级换热器、二级换热器组件和一级换热器后流出，二级换热器组件包括第一二级换热器和第二二级换热器，气液分离器、第一二级换热器、第二二级换热器和三级换热器依次连接，第二二级换热器为螺旋管汉普逊换热器，第一二级换热器的容霜能力大于第二二级的换热器。上述内纯化器，第一二级换热器采用容霜能力大的结构，不容易发生堵塞。第二二级换热器采用螺旋管汉普逊换热器，传热面积大，可以有效提供换热效率。此外，还提供一种含有该内纯化器的氦液化器。

Description

一种内纯化器和氦液化器
技术领域
本发明涉及氦液化技术领域，尤其涉及一种内纯化器和氦液化器。
背景技术
在氦液化器中，为了维持系统的稳定连续运行，需要为氦液化器持续地提供氦气，以保证氦气不断被液化来生产液氦。但是，如果提供的氦气纯度不够，将会导致其他杂质气体进入氦液化器，在低温下固化，并冻结在换热器表面，从而将增加换热器的热阻，降低换热性能；严重时，还会阻塞氦液化器系统，造成氦流不畅通，使氦制冷循环受阻；甚至对高速运转的透平膨胀机也会造成点蚀破坏。对此，要求不纯氦气在进入氦液化器前，其含有的杂质气体(如氮气和氧气)被纯化器分离去除，从而满足氦液化器的纯度要求。
对于氦气纯化，可根据纯化器置于氦液化器冷箱内或者氦液化器冷箱外而分为外纯化与内纯化；还可根据纯化原理的不同分为低温吸附纯化、低温冷冻纯化以及低温吸附纯化和低温冷冻纯化两种方法的结合。随着现有氦液化器对自动化程度要求很高，相应的纯化器也要求容易实现自动化，为此，现有的大型氦液化器均采用了低温冷冻纯化的内纯化，即内纯化器。
典型的氦液化器及其内纯化器流程示意图如图1所示，氦液化主流程采用逆布雷顿循环和焦耳-汤姆逊节流实现氦液化。而对于内纯化器，则由氦液化主流程末级换热器(换热器F)前抽出一股冷氦气，作为内纯化器的冷源。该冷源氦气依次逆流流过内纯化器中的三级、二级、一级换热器，最终回到主液化流程低压管线。污氦气作为热流体，依次流过内纯化器中的一级、二级、三级换热器，被逆流冷源氦气和纯化后的回流氦气冷却。污氦气中的杂质气体在纯化器一级换热器内被部分冷却为杂质液体，在气液分离器中分离；剩余的杂质气体在纯化器二级换热器内被完全冻结去除。
研究表明，内纯化二级换热器将污氦气由65K降温至30K及以下，污氦气中剩余的杂质气体均冻结在内纯化二级换热器内部，而现有氦液化器均将内纯化器入口压力与内纯化二级换热器出口压力的差值作为是否结束内纯化器纯化阶段的判定条件。因此内纯化二级换热器从开始纯化到发生冻堵(即压力差值达到判定条件设定值)的时间越长，则纯化阶段时间越长，氦液化器液化率及制冷效率越高。
螺旋管汉普逊换热器是由一组或多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中的一种间壁式换热器，该换热器结构紧凑、传热面积远大于直管换热器。因此在氦液化器的内纯化器中，均采用了单台翅片螺旋管汉普逊换热器当作内纯化二级换热器，容易发生冻堵，纯化阶段相对较短，从而影响了氦液化器液化率及制冷效率。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种换热效率较高的内纯化器和氦液化器。
一种内纯化器，包括一级换热器、二级换热器组件、气液分离器和三级换热器，所述气液分离器设于所述一级换热器和所述二级换热器组件之间，冷源流体依次流经所述三级换热器、所述二级换热器组件和所述一级换热器后流出，所述二级换热器组件包括第一二级换热器和第二二级换热器，所述气液分离器、所述第一二级换热器、所述第二二级换热器和所述三级换热器依次连接，所述第二二级换热器为螺旋管汉普逊换热器，所述第一二级换热器的容霜能力大于所述第二二级的换热器。
在一个实施例中，所述第一二级换热器将污氦气冷却到55K～60K。
在一个实施例中，所述第二二级换热器将污氦气冷却到30K及以下。
在一个实施例中，所述第一二级换热器为螺旋管汉普逊型换热器，所述第一二级换热器的翅片高度大于所述第二二级换热器的翅片高度。
在一个实施例中，所述一级换热器、所述第一二级换热器和所述第二二级换热器均为三股流换热器。
在一个实施例中，所述三级换热器为两股流换热器。
在一个实施例中，所述一级换热器的第一氦气入口设有第一节流阀。
在一个实施例中，所述一级换热器的第二氦气出口设有第二节流阀。
在一个实施例中，所述一级换热器的冷源流体出口设有第三节流阀。
一种氦液化器，包括氦液化单元和内纯化器，所述内纯化器包括一级换热器、二级换热器组件、气液分离器和三级换热器，所述气液分离器设于所述一级换热器和所述二级换热器组件之间，冷源流体从所述氦液化单元流出后依次流经所述三级换热器、所述二级换热器组件和所述一级换热器后流入所述氦液化单元，所述冷源流体为冷源氦气，所述二级换热器组件包括第一二级换热器和第二二级换热器，所述气液分离器、所述第一二级换热器、所述第二二级换热器和所述三级换热器依次连接，所述第二二级换热器为螺旋管汉普逊换热器，所述第一二级换热器的容霜能力大于所述第二二级的换热器。
上述内纯化器，通过将内纯化器的二级换热器组件分为第一二级换热器和第二二级换热器，第一二级换热器采用容霜能力大的结构，不容易发生堵塞。第二二级换热器采用螺旋管汉普逊换热器，传热面积大，可以有效提供换热效率。因此，上述内纯化器通过第一二级换热器和第二二级换热器的作用，可以使内纯化器的纯化时间变为传统内内纯化器的纯化时间的3倍以上。由于内纯化器整个工作过程是由吹扫、冷却、纯化、复温再生构成的，吹扫、冷却、复温再生均为消耗高纯氦气的步骤，因此纯化时间的增长，将使单位污氦气的纯化消耗大大降低，提高了内纯化器的纯化性能。
上述氦液化器，通过将内纯化器的二级换热器组件分为第一二级换热器和第二二级换热器，第一二级换热器采用容霜能力大的结构，不容易发生堵塞。第二二级换热器采用螺旋管汉普逊换热器，传热面积大，可以有效提供换热效率，因此，上述内纯化器通过第一二级换热器和第二二级换热器的作用，可以使内纯化器的纯化时间变为现有的3倍以上。由于内纯化器整个工作过程是由吹扫、冷却、纯化、复温再生构成的，吹扫、冷却、复温再生均为消耗高纯氦气的步骤，因此纯化时间的增长，将使单位污氦气的纯化消耗大大降低，提高了内纯化器的纯化性能。因此，有效提高了整个氦液化器的氦液化效率。
附图说明
图1为传统的氦液化器及其内纯化器流程的结构示意图；
图2为翅片螺旋管汉普逊换热器的结构示意图；
图3为图2所示的翅片螺旋管汉普逊换热器的放大结构示意图；
图4为一实施方式的氦液化器的结构示意图；
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。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。
在氦液化器中，回收得到的污氦气在内纯化器得到纯化，污氦气中的杂质为干燥空气(约78％的氮气，21％的氧气，1％的氩气)或氮气/氧气的任何组成。在内纯化器一级换热器出口，经过控制污氦气被冷却到65K左右，大部分杂质被冷凝液化为液态空气分离去除，此时污氦气中残余的干燥空气分压约为7500Pa。
在现有的内纯化器中，残余的干燥空气均在内纯化器二级换热器中冻结去除，即分压约7500Pa的杂质在二级换热器内结霜。因此随着纯化过程的进行，二级换热器内的固体杂质逐渐积累，开始堵塞二级换热器内的流道，使二级换热器的压降不断增大。当二级换热器的压降达到设定值时(一典型数值为3.5Bar)，内纯化器开始复温再生，纯化过程结束。因此可以看出，内纯化器二级换热器兼具热交换与容纳霜的双重作用，内纯化器的纯化时间是由二级换热器容纳杂质霜的能力决定的。
因此，本申请提供一实施方式的内纯化器，如图4所示，内纯化器100包括一级换热器110、二级换热器组件120、气液分离器130和三级换热器140。气液分离器130设于一级换热器110和二级换热器组件120之间。冷源流体依次流经三级换热器140、二级换热器组件120和一级换热器110后流出。其中，二级换热器组件120包括第一二级换热器122和第二二级换热器124。气液分离器130、第一二级换热器122、第二二级换热器124和三级换热器140依次连接，第二二级换热器124为螺旋管汉普逊换热器，第一二级换热器122的容霜能力大于第二二级的换热器124。
上述内纯化器100，通过将内纯化器100的二级换热器组件120分为第一二级换热器122和第二二级换热器124。第一二级换热器122采用容霜能力大的结构，不容易发生堵塞。第二二级换热器124采用螺旋管汉普逊换热器，传热面积大，可以有效提供换热效率。因此，上述内纯化器100通过第一二级换热器122和第二二级换热器124的作用，可以使内纯化器100的纯化时间变为传统内内纯化器的纯化时间的3倍以上。由于内纯化器100整个工作过程是由吹扫、冷却、纯化、复温再生构成的，吹扫、冷却、复温再生均为消耗高纯氦气的步骤，因此纯化时间的增长，将使单位污氦气的纯化消耗大大降低，提高了内纯化器100的纯化性能。
在一个实施例中，第一二级换热器122将污氦气冷却到55K～60K。
在一个实施例中，第二二级换热器124将污氦气冷却到30K及以下。
根据干燥空气的物理性质，其在65K时分压为7500Pa左右，而当温度降低到60K时其分压将降低了2/3，达到2500Pa左右。因此，将内纯化器100的二级换热器组件120拆分为两级：第一二级换热器122和第二二级换热器124。第一二级换热器122将污氦气冷却到55K～60K，第二二级换热器124继续将污氦气冷却至30K左右。
根据干燥空气的物理性质，其在65K时分压为7500Pa左右，而当温度降低到60K时其分压将降低了2/3，达到2500Pa左右。但是根据气体的温度越低，则其凝固饱和压力也越低，因此对于第一二级换热器122，其出口温度越低，则越多的杂质气体在其内部凝华成霜，而第二二级换热器124的容霜负担则越小。由于第一二级换热器122的容霜能力强，换热性能差，因此理论上第一二级换热器122的出口温度越低，则内纯化的纯化周期越长；但是由于第一二级换热器122的换热能力差，其出口温度越低，则代表该换热器需要设计的越大，因此综合考虑选取该换热器的出口温度为55K～60K。
第二二级换热器124的出口温度典型的选取在30K左右，在该温度下杂质气体的含量会被纯化到50ppb以下，完全满足氦液化器对于纯度的要求。
在一个实施例中，第一二级换热器122为螺旋管汉普逊型换热器，第一二级换热器122的翅片高度大于第二二级换热器124的翅片高度。可以理解，第一二级换热器122也可以为其它流通面积大、容霜能力强的换热器型式。
在一个实施例中，螺旋管汉普逊型换热器是一种壳管式换热器。螺旋管汉普逊型换热器包括一个芯轴和围绕着芯轴的螺旋管。芯轴起到了固定螺旋管和制成换热器安装的作用。翅片螺旋管汉普逊型换热器的典型结构如图2所示，包括外壳10、封头20、芯轴30、第一翅片螺旋管40和第二螺旋管50。如图3所示，第一翅片螺旋管40一般为带翅紫铜管，第一螺旋管40紧密盘绕在芯轴30上。第一螺旋管40内侧流体为纯化后的冷氦气。第二螺旋管50一般为无翅紫铜管，第二螺旋管50内侧流体为冷源氦气。外壳10内侧的流体和第一螺旋管40内侧以及第二螺旋管50内侧的流体通过螺旋管间壁进行热量交换。图中Dex表示盘管的外径，Dm为盘管的平均直径，Dc为缠绕的芯轴直径。
在如图4所示的实施例中，一级换热器110、第一二级换热器122和第二二级换热器124均为三股流换热器。
在如图4所示的实施例中，三级换热器140为两股流换热器。
在如图4所示的实施例中，一级换热器110的第一氦气入口设有第一节流阀150。
第一节流阀150将污氦气由来流高压节流到内纯化器的纯化工作压力，典型的污氦气的来流压力不低于3.5MPa.A，内纯化器的纯化工作压力为3.0MPa.A左右。
在如图4所示的实施例中，一级换热器110的第二氦气出口设有第二节流阀160。
第二节流阀160将纯化后的回热氦气由内纯化器的纯化工作压力节流到氦液化器的高压侧工作压力。典型的内纯化器的纯化工作压力为3.0MPa.A左右，氦液化器高压侧工作压力为1.3MPa.A左右。
在如图4所示的实施例中，一级换热器110的冷源流体出口设有第三节流阀170。
第三节流阀170将回热冷源氦气由内纯化器的冷却工作压力节流到氦液化器的低压回气压力。典型的内纯化器的冷却工作压力为1.3MPa.A左右，氦液化器的低压回气压力为0.105MPa.A左右。
在如图4所示的实施例中，气液分离器130的液体出口还设有杂质截止阀180。通过设置杂质截止阀180可以有效过滤从气液分离器130流出的液体中的杂质。
当气液分离器130的液位达到高位设定值，则杂质液体截止阀180开启，将低温杂质液体排入氦液化器的预冷液氮中回热利用；当气液分离器130的液位达到低位设定值，则杂质液体截止阀180关闭，气液分离器130继续积液。
上述内纯化器100，污氦气从一级换热器110的第一氦气入口进入一级换热器110，一级换热器110的第一氦气出口和气液分离器130的入口连接。气液分离器130的气体出口和第一二级换热器122的第一氦气入口连接。第一二级换热器122的第一氦气出口和第二二级换热器124的第一氦气入口连接。第二二级换热器124的第一氦气出口和三级换热器140的氦气入口连接。三级换热器140的氦气出口和第二二级换热器124的第二氦气入口连接，第二二级换热器124的第二氦气出口和第一二级换热器122的第二氦气入口连接。第一二级换热器122的第二氦气出口和一级换热器110的第二氦气入口连接，经内纯化器100纯化后的氦气从一级换热器110的第二氦气出口流出内纯化器100。气液分离器130的液体出口通过杂质截止阀180流出内纯化器100。冷源流体从三级换热器140的冷源入口进入，三级换热器140的冷源出口和第二二级换热器124的冷源入口连接，第二二级换热器124的冷源出口和第一二级换热器122的冷源入口连接，第一二级换热器122的冷源出口和一级换热器110的冷源入口连接，经过热交换后的冷源从一级换热器110的冷源出口流出内纯化器100。
请参考图4，一实施方式的氦液化器，包括氦液化单元200和内纯化器100。氦液化单元200即图中的氦液化主流程。内纯化器100包括一级换热器110、二级换热器组件120、气液分离器130和三级换热器140。气液分离器130设于一级换热器110和二级换热器组件120之间。冷源流体从氦液化单元流出后依次流经三级换热器140、二级换热器组件120和一级换热器110后流入氦液化单元。冷源流体为冷源氦气。其中，二级换热器组件120包括第一二级换热器122和第二二级换热器124。气液分离器130、第一二级换热器122、第二二级换热器124和三级换热器140依次连接，第二二级换热器124为螺旋管汉普逊换热器，第一二级换热器122的容霜能力大于第二二级的换热器124。
上述氦液化器，污氦气从一级换热器110的第一氦气入口进入一级换热器110，一级换热器110的第一氦气出口和气液分离器130的入口连接，气液分离器130的气体出口和第一二级换热器122的第一氦气入口连接，第一二级换热器122的第一氦气出口和第二二级换热器124的第一氦气入口连接，第二二级换热器124的第一氦气出口和三级换热器140的氦气入口连接，三级换热器140的氦气出口和第二二级换热器124的第二氦气入口连接，第二二级换热器124的第二氦气出口和第一二级换热器122的第二氦气入口连接，第一二级换热器122的第二氦气出口和一级换热器110的第二氦气入口连接，经内纯化器100纯化后的氦气从一级换热器110的第二氦气出口流出内纯化器100，并进入氦液化单元200。气液分离器130的液体出口通过杂质截止阀180流出内纯化器100，并进入氦液化单元200。冷源流体从氦液化单元200流出，从三级换热器140的冷源入口进入三级换热器140，三级换热器140的冷源出口和第二二级换热器124的冷源入口连接，第二二级换热器124的冷源出口和第一二级换热器122的冷源入口连接，第一二级换热器122的冷源出口和一级换热器110的冷源入口连接，经过热交换后的冷源从一级换热器110的冷源出口流出内纯化器100，并进入氦液化单元200。
上述氦液化器，通过将内纯化器100的二级换热器组件120分为第一二级换热器122和第二二级换热器124，第一二级换热器122采用容霜能力大的结构，不容易发生堵塞。第二二级换热器124采用螺旋管汉普逊换热器，传热面积大，可以有效提供换热效率，因此，上述内纯化器100通过第一二级换热器122和第二二级换热器124的作用，可以使内纯化器100的纯化时间变为现有的3倍以上。由于内纯化器100整个工作过程是由吹扫、冷却、纯化、复温再生构成的，吹扫、冷却、复温再生均为消耗高纯氦气的步骤，因此纯化时间的增长，将使单位污氦气的纯化消耗大大降低，提高了内纯化器100的纯化性能。因此，有效提高了整个氦液化器的氦液化效率。
以上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，用于污氦气的纯化，包括一级换热器、二级换热器组件、气液分离器和三级换热器，所述气液分离器设于所述一级换热器和所述二级换热器组件之间，冷源流体依次流经所述三级换热器、所述二级换热器组件和所述一级换热器后流出，其特征在于，所述二级换热器组件包括第一二级换热器和第二二级换热器，所述气液分离器、所述第一二级换热器、所述第二二级换热器和所述三级换热器依次连接，所述第二二级换热器为螺旋管汉普逊换热器，所述第一二级换热器的容霜能力大于所述第二二级换热器。
2.如权利要求1所述的内纯化器，其特征在于，所述第一二级换热器将污氦气冷却到55K～60K。
3.如权利要求2所述的内纯化器，其特征在于，所述第二二级换热器将污氦气冷却到30K及以下。
4.如权利要求1所述的内纯化器，其特征在于，所述第一二级换热器为螺旋管汉普逊换热器，所述第一二级换热器的翅片高度大于所述第二二级换热器的翅片高度。
5.如权利要求1所述的内纯化器，其特征在于，所述一级换热器、所述第一二级换热器和所述第二二级换热器均为三股流换热器。
6.如权利要求5所述的内纯化器，其特征在于，所述三级换热器为两股流换热器。
7.如权利要求1所述的内纯化器，其特征在于，所述一级换热器的第一氦气入口设有第一节流阀。
8.如权利要求1所述的内纯化器，其特征在于，所述一级换热器的第二氦气出口设有第二节流阀。
9.如权利要求1所述的内纯化器，其特征在于，所述一级换热器的冷源流体出口设有第三节流阀。
10.一种氦液化器，包括氦液化单元和内纯化器，所述内纯化器包括一级换热器、二级换热器组件、气液分离器和三级换热器，所述气液分离器设于所述一级换热器和所述二级换热器组件之间，冷源流体从所述氦液化单元流出后依次流经所述三级换热器、所述二级换热器组件和所述一级换热器后流入所述氦液化单元，所述冷源流体为冷源氦气，其特征在于，所述二级换热器组件包括第一二级换热器和第二二级换热器，所述气液分离器、所述第一二级换热器、所述第二二级换热器和所述三级换热器依次连接，所述第二二级换热器为螺旋管汉普逊换热器，所述第一二级换热器的容霜能力大于所述第二二级换热器。
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