CN110986408A

CN110986408A - 一种集成式氖气制冷机及制冷方法

Info

Publication number: CN110986408A
Application number: CN201911278541.XA
Authority: CN
Inventors: 胡良兵; 付豹; 庄明; 王礼恒; 朱志刚
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明公开了一种集成式氖气制冷机及制冷方法，包括离心式压缩机，永磁同步高速电机、向心式透平膨胀机、水冷却器、回冷器和换热器。所述离心式压缩机、永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机集成制造在同轴上。所述水冷却器用来与离心式压缩机出口的氖气交换冷却，冷却后的氖气经过回冷器后进入向心式透平膨胀机。经过膨胀机做功后获得低温氖气，获得低温氖气经过板翅式换热器与用冷用户冷质进行热交换。然后经回冷器后回到离心式压缩机进口端形成闭环循环。本发明利用循环氖气压缩膨胀制冷，可以获得不同低温序列的氖气，满足用冷用户的不同需求。本制冷机效率高，稳定性好，操作简单，可以用于过冷氮和浆氮以及天然气液化等提供制备冷源。

Description

一种集成式氖气制冷机及制冷方法

技术领域

本发明涉及制冷领域，主要涉及一种集成式氖气制冷机，是专门以氖气作为制冷介质的制冷系统，更具体的说，是涉及一种离心式压缩机、永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机集成一体的氖气制冷机。

背景技术

在过去的几十年发展中，高温超导(HTS)材料的发展，使得高温超导在电力领域的应用越来越广泛，如在电力传输电缆、故障限流器、变压器、船舶推进马达、发电机和电感储能方面都取得了很大的进展。低温冷却系统是超导电力设备的重要组成部分，对HTS电力应用的成败及产业化发展起重大影响。低温冷却系统的稳定性、成本很大程度上是由制冷机的性能、价格决定的。HTS电力应用的运行温度集中在20K和77K两个温区附近。其中电缆、变压器和故障限流器都运行在液氮温区(65-77K)。氦的液化温度为4.2K，大大低于HTS电力应用的运行温区(20-77K)，但将超导材料温度降至并保持在液氦温度的成本太高，制冷系统也非常复杂，可靠性较低，经济上不划算。液氢的液化温度为20.3K，是超导储能，超导电机较为理想的运行温度，氢能也是未来清洁能源之一，是重要的能源储存和传输形式，但是液氢作为冷却介质，应采取其防爆的风险，确保设备运行和人身安全。液氮的液化温度是77K，是最廉价的低温液体，具有优良的电绝缘性能和很高的气化潜热。为了提高HTS的临界电流温度，目前大部分采用过冷氮(65-66K)去冷却，目前也有研究报告认为浆氮是冷却高温超导器件的理想制冷剂，因为浆氮与过冷液氮相比，具有密度高、温度低和热容量高的优点。

液氖温度和液氢温度相差不多。氖气是一种惰性气体，其安全性比液氢高的多，氖的单位体积气化潜热比液氦高40倍，液氖冷却的HTS线圈运行温度也十分稳定，此外，逆布雷顿循环制冷机采用氖气作为工质，则制冷效率比氦制冷机要高，但是氖气价格远远高于氦气的价格，如果用液氖直接冷却HTS器件有很大的局限性。

因此，目前在HTS器件的冷却所采用的仍然是过冷氮或浆氮，但是过冷氮和浆氮的制备的过程比较复杂，而且效率不高。为了提高HTS器件冷却的稳定性，需要研制一种高效的制冷机，可以为制备过冷氮和浆氮提供冷源。

发明内容

为了解决上述现有的技术问题，本发明提供一种集成式氖气制冷机的方法，采用集成式加工技术和膨胀功回收的方法以及通过回冷器来提高系统的效率，从而达到节省制冷系统消耗电能，提高整个系统的效率和稳定性。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提出一种集成式氖气制冷机，包括离心式压缩机，永磁同步高速电机、向心式透平膨胀机、水冷却器、回冷器和换热器；所述离心式压缩机、永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机集成在同一根主轴上，离心式压缩机的出口通过管道连接水冷却器，然后水冷却器与回冷器连接，回冷器再连接向心式透平膨胀机；向心式透平膨胀机的输出再连接换热器；然后换热器的输出再连接回冷器，经过回冷器后连接离心式压缩机，形成闭环回路。

进一步的，所述永磁同步高速电机配有变频器，用于调节电机的转速，从而调节系统的制冷量。

进一步的，所述的离心式压缩机，永磁同步高速电机，向心式透平膨胀机之间通过连接轴同步传动连接，通过回收膨胀功作为该离心式压缩机的动能达到膨胀功回收的作用。

进一步的，所述的回冷器为双通道，其中冷端入口接入用冷装置回气，经换热后，冷端出口接到离心式压缩机入口处；热端入口与膨胀功回收装置的离心式压缩机出口相连，热端出口与膨胀功回收装置的向心式透平膨胀机入口相连。

进一步的，所述永磁同步高速电机一端连接离心式压缩机的增压叶轮，一端连接离心式透平膨胀机的膨胀轮，从而由永磁同步高速电机带动两个叶轮同时工作，从而实现气体压缩增压和膨胀降温的功能。

本发明还提出一种利用集成式氖气制冷机进行制冷的方法，

所述集成式氖气制冷机中的离心式压缩机、永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机集成在同一根轴上，采用集成式制造；所述方法包括如下步骤：

制冷时，氖气先通过位于膨胀功回收装置的入口处的吸气口进入系统，而后进入离心式压缩机进行增压，之后进入水冷却器，对压机出口气体进行冷却。随后，进入回冷器，与用冷单位换热器的低温回气进行热交换从而降低温度，然后进入向心式透平膨胀机的气体在向心式膨胀机中等熵膨胀，所获得的膨胀功通过连接轴主轴传导给离心式压缩机作为压缩能量；通过向心式透平膨胀机的低温气体用于与用冷单位进行热交换的换热器；低温气体在换热器中换热后再次进入到制冷系统，随后进入回冷器的冷端，与水冷却器出口的高温气体进行热交换，最后再回到离心式压缩机的入口处，从而完成了一次循环。

所述的永磁同步高速电机的轴承采用磁悬浮轴承，从而解决传统轴承的散热问题，以及提高系统的免维护时间。

为了提高氖气制冷系统中的效率，需要提供相应措施，比如回收膨胀功，设置回冷器，以提高热效率。在现有的制冷系统中，离心式压缩机，永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机往往是分开的，制冷机通过膨胀机产生的膨胀功只能白白浪费，若将此部分膨胀功回收，作为压缩机的动能使用，势必增加整个系统的效率。

有益效果：

本氖气制冷机中，离心式压缩机，永磁同步高速电机与向心式透平膨胀机直接用连接轴相连，压缩机实质就是此透平膨胀机的制动风机。当气体进入透平膨胀机对此装置做工，获得的膨胀功直接由它们之间的连杆传导到离心式压缩机，将这部分膨胀功作为离心式压缩机的动能，从而达到节能的目的，提高整机效率。

由于本系统使用氖气作为其制冷剂，所以本制冷系统最主要的设备只有集成式的离心式压缩机、永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机和回冷器。所以本系统结构简单，节省了安装本系统的初期投资，同时易于维修，并且由于省去了蒸发器，也不需要加强换热的风扇等装置，从而节省了电能。

本系统加入了回冷器，通过将用冷单位出气与离心式压缩机出气进行热交换，提高了离心式压缩机入口温度，降低了向心式透平膨胀机入口温度，从而提高了整机的热效率。

本系统采用带有变频器的永磁同步高速电机，从而可以调节电机的转速，从而可以通过向心式透平膨胀机后获得不同低温系列的氖气，可以提供不同温区冷源供用户需求。本发明不仅可以液氮发生换热获得过冷氮或浆氮用于冷却高温超导部件，同时也可以用于天然气的液化，液氩的获取等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中标记如下：1-回冷器，2-膨胀功回收装置，21-离心式压缩机，22-电机，23-向心式透平膨胀机，24-主轴，3-水冷却器，4-换热器。

具体实施方式：

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

根据图1所示的一种集成式氖气制冷机，包括膨胀功回收装置2，所述的膨胀功回收装置2包括有离心式压缩机21，永磁高速同步电机22，向心式透平膨胀机23和主轴24；用于回收冷量的回冷器1，用于冷却压缩机出口气体温度的水冷却器3以及用于与用户冷量交换的板翅式换热器4。此外，整个制冷机还包括辅助控制系统，用于系统测量点的数据采集和监视系统运行。辅助控制系统配备触摸屏，方便操作员操作和监视系统运行状态。

所述的电机22为永磁同步高速电机，配有变频器，用于调节电机的转速，同时可以控制膨胀机出口温度和冷量。

所述膨胀功回收装置2是系统的核心设备，该设备采用集成式制造，将离心式压缩机21，永磁同步高速电机22和向心式透平膨胀机23集成到一根主轴24上，使得气体经过向心式透平膨胀机23所产生的膨胀功得以回收利用，作为离心式压缩机21的输入功来使用。永磁同步高速电机一端连接离心式压缩机的增压叶轮，一端连接离心式透平膨胀机的膨胀轮。从而由永磁同步高速电机带动两个叶轮同时工作，从而实现气体压缩增压和膨胀降温的功能。

所述回冷器1的作用是提高了离心式压缩机21的进口温度，同时降低了向心式透平膨胀机23的进口温度，使得整个系统相比较于传统制冷机有着更高的热效率，并且更加节省电能。

所述水冷却器3用于冷却压机出口气体的温度，降低向心式透平膨胀机23进口气体的温度。

工作时：氖气先通过位于膨胀功回收装置2的入口处的吸气口进入系统，而后进入离心式压缩机21进行增压，之后进入水冷却器3，对离心式压缩机出口气体进行冷却。随后，进入回冷器1，与用冷单位换热器的60K左右低温回气进行热交换从而降低温度，然后进入向心式透平膨胀机23的气体在膨胀机中等熵膨胀，所获得的膨胀功通过连接轴主轴24传导给离心式压缩机21作为压缩能量。通过向心式透平膨胀机23的60K左右低温气体用于与用冷单位进行热交换。60K左右低温气体在换热器4中换热后再次进入到制冷系统，随后进入回冷器1的冷端，与水冷却器3出口的300K左右高温气体进行热交换，最后再回到离心式压缩机21的入口处，从而完成了一次循环。

本发明的氖气制冷机，利用循环氖气压缩膨胀制冷，在运行过程中只需通过调节永磁同步高速电机的变频器，从而可以获得不同低温序列的氖气，满足用冷用户的需求。本发明可以为用于高温超导器件冷却的过冷氮和浆氮提供制备冷源，制冷机效率高，稳定性好，操作简单。

最后，本发明不限于以上实施例，还可以用于多种气体，本领域的普通技术人员从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种集成式氖气制冷机，其特征在于：

包括离心式压缩机，永磁同步高速电机、向心式透平膨胀机、水冷却器、回冷器和换热器；所述离心式压缩机、永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机集成在同一根主轴上，离心式压缩机的出口通过管道连接水冷却器，然后水冷却器与回冷器连接，回冷器再连接向心式透平膨胀机；向心式透平膨胀机的输出再连接换热器；然后换热器的输出再连接回冷器，经过回冷器后连接离心式压缩机，形成闭环回路。

2.根据权利要求1所述的集成式氖气制冷机，其特征在于：

永磁同步高速电机配有变频器，用于调节电机的转速，从而调节系统的制冷量。

3.根据权利要求1所述的集成式氖气制冷机，其特征在于：

所述的离心式压缩机，永磁同步高速电机，向心式透平膨胀机之间通过连接轴同步传动连接，通过回收膨胀功作为该离心式压缩机的动能达到膨胀功回收的作用。

4.根据权利要求1所述的集成式氖气制冷机，其特征在于：

所述的回冷器为双通道，其中冷端入口接入用冷装置回气，经换热后，冷端出口接到离心式压缩机入口处；热端入口与膨胀功回收装置的离心式压缩机出口相连，热端出口与膨胀功回收装置的向心式透平膨胀机入口相连。

5.根据权利要求1所述的集成式氖气制冷机，其特征在于：

所述永磁同步高速电机一端连接离心式压缩机的增压叶轮，一端连接离心式透平膨胀机的膨胀轮，从而由永磁同步高速电机带动两个叶轮同时工作，从而实现气体压缩增压和膨胀降温的功能。

6.一种利用集成式氖气制冷机进行制冷的方法，其特征在于：

所述集成式氖气制冷机中的离心式压缩机、永磁同步高速电机和向心式透平膨胀机集成在同一根轴上，采用集成式制造；

制冷时，氖气先通过位于膨胀功回收装置的入口处的吸气口进入系统，而后进入离心式压缩机进行增压，之后进入水冷却器，对压机出口气体进行冷却；随后，进入回冷器，与用冷单位换热器的低温回气进行热交换从而降低温度，然后进入向心式透平膨胀机的气体在向心式膨胀机中等熵膨胀，所获得的膨胀功通过连接轴主轴传导给离心式压缩机作为压缩能量；通过向心式透平膨胀机的低温气体用于与用冷单位进行热交换；低温气体在换热器中换热后再次进入到制冷系统，随后进入回冷器的冷端，与水冷却器出口的高温气体进行热交换，最后再回到离心式压缩机的入口处，从而完成了一次循环。