CN111183272B - 制冷装置和制冷方法 - Google Patents

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Abstract

一种制冷装置，该制冷装置旨在通过与在工作回路(10)中循环的工作流体进行热交换而从至少一个构件(15)中提取热量，该装置包括以下串联的机构：流体压缩机构(13)，优选地等压或基本上等压流体冷却机构，流体膨胀机构(8)，以及流体加热机构(9，6)，在该装置中，压缩机构(13，4)是离心压缩型的并且由串联地布置在回路(10)中的两个压缩级(13，4)组成，该装置包括对两个压缩级(13，4)进行驱动的两个相应的电驱动马达(2，7)，该膨胀机构由涡轮(8)组成，该涡轮联接到压缩级(13，4)中的一个压缩级的马达(2)，该膨胀机构的涡轮(8)联接到该第一压缩级的驱动马达(2)。

Description

制冷装置和制冷方法
技术领域
本发明涉及用于低温制冷的装置和方法。
更特别地，本发明涉及一种用于在-100℃至-273℃之间的低温制冷的装置，该装置包括包含工作流体的工作回路，该装置旨在通过与在工作回路中循环的工作流体进行热交换而从至少一个部件中提取热量，该工作回路包括以下串联的机构：用于优选地等熵或基本上等熵压缩该流体的机构，用于优选地等压或基本上等压冷却该流体的机构，用于使该流体优选地等熵或基本上等熵膨胀的机构，以及用于优选地等压或基本上等压加热该流体的机构，其中，该压缩机构是离心压缩型的并且包括两个压缩级，这两个压缩级分别是串联地布置在该回路中的第一压缩级和第二压缩级，该装置包括两个压缩级的两个相应的电驱动马达，并且该膨胀机构由涡轮组成，该涡轮联接到这些压缩级中的一个压缩级的马达。
本发明特别地涉及具有被称为“涡轮布雷顿(Turbo Brayton)”循环或“涡轮布雷顿冷却器”的制冷机。
本发明特别地涉及低温制冷机，即达到低于或等于-100℃或173K的温度、尤其是在-100℃至-273℃之间的温度。
背景技术
文献JP 3928230 B2描述了一种使用高速马达的涡轮布雷顿型制冷机，涡轮和压缩机分别位于其驱动轴的两端。
为了提高制冷机的能量效率，一种解决方案由使用一个或多个高效离心压缩机组成。如果离心压缩机的比转速等于或接近最佳值，则该离心压缩机达到较高的效率。由本领域技术人员通过收集具有不同比转速的大量离心压缩机的效率的测量值以实验方式来确定最佳值。当使用以下定义的单位制进行计算时，该最佳值典型地为0.75。
如果这个比转速高于或低于最佳值，则效率会降低。离心压缩机的比转速ws由以下公式定义：ws＝w.Q0.5/Δhs0.75
其中，w是压缩机的转速(以弧度/秒为单位)，Q是压缩机入口处的体积流量(以m3/s为单位)，并且Δhs是假定压缩是等熵的情况下通过压缩级的焓增(以J/kg为单位)。
在图1中展示了一种已知的装置。单个马达2驱动压缩机和涡轮8。发明人发现，这种类型的装置不能使压缩机以良好的比转速运转。实际上，这种结构中固有的低体积流量导致相对于最佳值的低比转速。
图2中所展示的另一种已知解决方案包括：使用第二马达7，在其端部之一处具有离心压缩机，并且将这个机器放置在已经存在的压缩机的上游。
由于相对于制冷机的最佳总焓Δhs有变化，因此相对于现有技术没有对制冷机进行修改。这种新颖的结构使得能够将总焓Δhs的变化分布在两个压缩级4、13上，并且因此使一个压缩级的焓Δhs的变化减少、并且使两个压缩级4、13的比转速增加并接近或达到最佳比转速。
然而，发明人发现，实际上，这种改进仅有益于第一压缩级4。实际上，如果第一压缩级4以最佳比转速操作，则第二压缩级13将以典型地是最佳比转速一半的比转速操作。这对这个级的效率有影响(典型地效率低十个点)，并且因此对制冷机的总效率有很大影响。
这可以在以下计算示例中进行演示(其中，假定两个马达2、7的机械功率和转速相同)。
在这个示例中，由于存在涡轮8，第二压缩级13的机械功率P2等于第一压缩级4的机械功率P1的150％，这样典型地有助于使第二马达2的马达功率提高50％。由于离心式压缩机P的机械功率等于质量流量
Figure GDA0003750731070000021
乘以焓增Δh的乘积
Figure GDA0003750731070000022
并且两个压缩级的质量流量相同，因此第二压缩级的焓增Δh2等于第一压缩级的焓增的150％：Δh2＝150％Δh1。
Δh是通过压缩级的焓的实际(测量)增加(以J/kg为单位)(即压缩不必是等熵的)。
另外，如果假定两个压缩级的效率相同，则Δhs2＝150％Δhs1。
第二压缩级13的体积流量Q2等于第一压缩级的体积流量Q1的56％，这是因为压缩比在第一压缩级4的水平上典型地为1.8：Q2＝56％Q1。
第一压缩级4的比转速ws1等于w.Q10.5/Δhs10.75。
因此，第二压缩级13的比转速ws2等于下式：ws2＝w.Q20.5/Δhs20.75＝w.(56％Q1)0.5/(150％Δhs1)0.75＝55％.w.Q10.5/Δhs10.75＝55％.ws1。
假定第一压缩级的比转速ws1等于最佳比转速，则第二级以最佳比转速的55％操作。
这样不允许系统的效率得到优化。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述现有技术的一些或全部缺点。
为此目的，根据本发明的装置还符合以上前序部分中给出的一般定义，其基本特征在于，膨胀机构的涡轮联接至第一压缩级的驱动马达。
即该装置可以是具有逆布雷顿循环的制冷机，使用具有串联地安装的两个级的离心压缩机、以及用于对压缩机进行驱动的两个马达、优选地为电动马达。低压级(第一压缩机)和膨胀涡轮被安装在一个相同的马达(第一马达)的转子上，并且高压级被安装在第二马达的转子上。
此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
-该第一压缩级的电驱动马达包括输出轴，该输出轴的一端承载该第一压缩级并且通过直接联接而使该第一压缩级旋转，并且该输出轴的另一端通过直接联接而使该涡轮旋转，
-这两个马达相同或相似，
-该冷却机构包括位于该第一压缩级与该第二压缩级之间的中间冷却交换器，用于对离开该第一压缩级的流体在其进入该第二压缩级之前进行冷却，
-这些马达是高速马达，即以kW为单位的功率P乘以以每分钟转数为单位的速度N的平方的乘积(P.N2)在5.1010至5.1012之间的马达，
-这两个马达的转速相同，
-这两个马达的机械功率相同，
-该第二压缩级的驱动马达还机械地驱动循环泵或附加压缩机，该循环泵或附加压缩机被配置用于使该一个马达或多个马达的冷却流体循环，
-这两个压缩级各自由离心压缩机组成，该离心压缩机具有通过使该压缩机的能量效率最大化而确定的最佳比转速，该装置被配置为将这些压缩机的比转速保持在最佳比转速的70％至130％之间、优选地在80％至120％之间、甚至更优选地在最佳比转速的90％至110％之间，
-这两个压缩级由离心压缩机构成，这些离心压缩机各自具有通过使该压缩机的能量效率最大化而确定的最佳比转速，每个压缩机都具有限定的体积流量和限定的机械功率，驱动该第一压缩机的机械功率与驱动该第二压缩机的机械功率之比在1.1至2.5之间、优选地等于1.8，并且驱动该第一压缩机的机械功率与驱动该第二压缩机的机械功率之比在1.1至2.5之间、优选地等于1.5，并且这两个马达的转速之比在0.5至1.5之间、优选地等于1，
-该装置包括用于控制该装置的电子单元、并且包括用于数据存储和处理的单元，该电子控制单元尤其被配置用于控制这些马达中的至少一个，
-工作回路优选地是封闭的，
-这两个马达是电动型的，
-这些马达具有相同的电磁定子和/或相同的电磁转子和/或相同的轴承和/或相同的冷却系统，
-冷却机构包括位于第二压缩级与涡轮之间的至少一个冷却交换器，用于对离开第二压缩级的流体在其进入涡轮之前进行冷却，
-冷却换热器中的至少一个是逆流换热器，该逆流换热器还使得在工作流体离开涡轮之后和/或在与要冷却的部件热交换之后与该工作流体进行热交换，
-第二压缩级的驱动马达包括输出轴，该输出轴承载第二压缩级并且通过直接联接使其旋转，
-该一个或多个膨胀涡轮是向心膨胀型的，
-马达的输出轴被安装在磁型或气体动力型的轴承上，所述轴承分别用于支撑压缩机和涡轮，
-加热机构包括常见的热交换器，工作流体以逆流方式穿过该热交换器，取决于工作流体是被冷却还是被加热，
-工作回路包括储器，该储器形成了用于储存工作流体的缓冲罐，
-工作流体处于气相并且由以下纯气体或纯气体的混合物组成：氦、氖、氮、氧、氩、一氧化碳、甲烷或任何其他合适的流体，
-工作流体在回路中呈逆埃里克森(reverse Ericsson)型热力学工作循环(温度T、熵S)。
-本发明还涉及使用根据以上或以下给出的特征中任何一个特征的制冷装置的冷源的制冷方法，其中，在离开膨胀机构之后冷却的工作流体与要冷却的部件之间发生热交换。
根据其他可能的特定功能：
-将这些压缩机的比转速保持在其最佳比转速的70％至130％之间、优选地在80％至120％之间、甚至更优选地在90％至110％之间。
本发明还可以涉及包括以上或以下呈现的特征的任何组合的任何替代装置或方法。
附图说明
通过阅读以下参考附图给出的描述，其他特定的特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
-图1示出了示意性局部视图，展示了根据现有技术的第一实施例示例的制冷装置的构造和操作，
-图2示出了示意性局部视图，展示了根据现有技术的第二实施例示例的制冷装置的构造和操作，
-图3示出了示意性局部视图，展示了根据本发明的可能的实施例示例的制冷装置的构造和操作。
具体实施方式
图3中所示的低温制冷装置(在-100℃至-273℃之间并且例如是低温冷冻的)包括封闭的工作回路10，该工作回路包含进行热力学循环的工作流体，在该热力学循环期间该流体达到低温冷冻温度。冷却的工作流体与部件或流体15进行热交换，以从该部件或流体中(例如，直接地或经由热交换器9)提取热量。
工作回路10包括以下串联地布置的机构：用于压缩流体的机构(优选地等熵或基本上等熵地)、用于冷却流体的机构3、5、6(优选地等压或基本上等压地)、用于流体膨胀的机构(优选地等熵或基本上等熵地)、以及用于加热流体的机构9、6(优选地等压或基本上等压地)。
压缩机构是具有离心压缩型的，即该压缩机构使用(优选地仅仅使用)离心型压缩机。
压缩机构优选地由两个压缩级13、4(即两个压缩机)组成，分别为串联地布置在回路10中的第一压缩级13和第二压缩级4。即，对于压缩，该装置仅包括两个压缩机，即两个对工作流体进行压缩的轮。
装置1包括两个马达2、7、优选地是电动的，分别用于驱动两个压缩级13、4。
膨胀机构包括涡轮8(该涡轮优选地是向心式的)或由该涡轮组成，该涡轮驱动这些压缩级中的一个13的马达2(联接至该马达)。更精确地，膨胀机构的涡轮8有助于马达2驱动第一压缩级(即，串联的两个压缩机中第一压缩机的驱动马达2)。即，该压缩机仅使用并且包括一个膨胀涡轮。
因此，该装置使用两个马达2、7，并且第二马达仅在其一端处驱动第二离心压缩机。这个第二压缩机位于第一压缩机的下游(下游是指工作流体在回路10中的循环方向)。
这种新颖的结构使得能够在两个压缩级上分配总焓增Δhs，并且因此使得能够使一个级的焓增Δhs减少并使压缩级的比转速增加以接近每个压缩机的最佳比转速。
相对于图2中的现有技术，总焓增Δhs没有改变。
总焓增Δhs被分布在两个压缩级13、4之间，又使得能够使压缩级的比转速增加并且接近或达到最佳比转速。
由于这个新颖的结构，两个压缩级13、4可以接近或以最佳比速操作(并且不是如现有技术情况那样仅第一级)。
这样可以在以下的计算示例中进行说明，其中假定两个马达2、7的机械功率和转速w相同。
在这个示例中，由于存在涡轮8，第一压缩级的机械功率P1等于第二压缩级的机械功率P2的150％，这样典型地有助于使第一马达2的功率提高50％。
由于机械功率P等于质量流量
Figure GDA0003750731070000061
乘以焓增Δh的乘积
Figure GDA0003750731070000062
并且两个压缩级的质量流量相同，因此第一压缩级的焓增Δh1等于第二压缩级的焓增Δh2的150％，即Δh1＝150％Δh2。
而且，如果假定两个压缩级的效率相同，则Δhs1＝150％Δhs2。
第一压缩级13的体积流量Q1等于第二压缩级的体积流量Q2的180％，这是因为压缩比在第一压缩级的水平上典型地为1.8。即，Q1＝180％Q2。
第一压缩级的比转速ws1由下式给出：ws1＝w.Q10.5/Δhs10.75＝w.(180％Q2)0.5/(150％Δhs2)0.75＝99％.w.Q20.5/Δhs20.75＝99％.ws2。
假定第二压缩级的比转速ws2等于最佳比转速，则第一级以最佳比转速的99％操作。
即，第一压缩机和第二压缩机(它们是相同的)的比转速ws1、ws2等于最佳比转速的99％至100％。
因此，根据本发明的结构使得能够以两个压缩级13、4以最佳比转速操作的方式来操作装置。
在以上给出的示例中，两个马达2、7是相同的，两个马达2、7的速度w是相同的，并且两个压缩机的比转速ws是相同的并且是最佳的。
当然，在当两个马达的机械功率和/或转速不同的情况下，两个压缩级13、4也可以被控制为不同的速度以接近或以最佳比转速操作。
因此，相对于现有技术，提高了制冷装置的能量效率。
图3所展示的制冷装置1主要由第一压缩级13(旋转压缩机)组成，该第一压缩级的转子由第一高速马达2驱动。高速马达是指以kW为单位的功率P乘以以每分钟转数为单位的速度N的平方的乘积(P.N2)大于5.1010(例如，在5.1010至5.1012之间)的马达。这个第一高速马达2在其旋转轴的另一端还接纳膨胀机(膨胀涡轮、优选地是向心式的)，其有助于马达2驱动第一压缩级13。该装置包括第二压缩级4，该第二压缩级的转子由第二高速马达7驱动。
第一压缩级13从低压(典型地为在压力5bar abs和温度15℃下的气体)开始对工作流体(气体或气体混合物)进行压缩。第一压缩级13经由回路10的管道12输送压缩气体(例如，在压力9bar abs和温度77℃下)。优选地，用于去除全部或部分压缩热(例如，典型地达到15℃)的冷却交换器3(“中间冷却器”)可以安装在这个“中压”管道12上。例如，冷却交换器3提供与传热流体的直接或间接热交换。
即，在这个冷却交换器3的下游，工作气体的压缩可以被描述为是等温的。
然后，第二压缩级4从中压(典型地为9bar abs和15℃)开始对工作流体进行压缩并且经由管道11(典型地在压力13.5bar abs和温度56℃下)对其进行输送。这个所谓的“高压”管道11优选包括热交换器5(“中间冷却器”)，用于去除第二压缩的全部或部分热量(例如，典型地冷却到15℃)。例如，冷却交换器5提供与传热流体的直接或间接热交换。即，在这个冷却交换器5的下游，工作气体的压缩可以被描述为是等温的。
然后，在交换器6中对工作流体进行冷却(例如，典型地到-145℃)。这个交换器6可以是逆流交换器，在压缩结束时的相对较热的工作气体与在膨胀和与要冷却的部件15进行热交换之后的相对较冷的工作气体之间提供热交换。
然后，准许工作流体进入膨胀级(涡轮8)，该膨胀级使工作流体从高压(典型地为13.5bar abs和温度-145℃)开始膨胀到低压(典型地为5bar abs和温度-175℃)。然后，膨胀的工作流体经由管道被输送到热交换器9中，该热交换器用于从流体中提取热量，例如以对物体或流体15进行冷却。流体的温度在这个交换器9中升高(例如，典型地到-145℃)。
然后，可以在上述逆流热交换器6中加热工作流体(例如典型地到15℃)。
两个压缩级13、4的压缩比可以被选择为使得两个压缩级的比转速ws尽可能接近最佳值。
压缩机的压缩比可以优选地被选择为使得马达2和7是相同的。即，例如，马达的定子和/或转子和/或轴承是相同的。
因此，“相同或相似的马达”表示严格相同的、或者不同但具有相似或相同的技术特性(所提供的功等)的、尤其是其最大转矩相等或近似相等的马达。例如，马达的产生功的机构是相同的或具有相同或接近130％的性能。
马达2、7的这种标准化在维护方面也提供了优点(由于规模效应而使得不同部件的数量更少、生产成本更低)。
尽管本发明结构简单且便宜，但是本发明能够提高制冷装置的效率。

Claims (28)

1.一种用于在-100℃至-273℃之间的低温制冷的制冷装置，该制冷装置包括包含工作流体的工作回路(10)，该制冷装置旨在通过与在该工作回路(10)中循环的工作流体进行热交换而从至少一个部件(15)中提取热量，该工作回路(10)包括以下串联的机构：用于压缩该工作流体的压缩机构；用于冷却该工作流体的冷却机构；用于使该工作流体膨胀的膨胀机构；以及用于加热该工作流体的加热机构(9，6)，其中，该压缩机构是离心压缩型的并且包括两个压缩级，这两个压缩级分别是串联地布置在该工作回路(10)中的第一压缩级(13)和第二压缩级(4)，即，该制冷装置仅具有两个压缩机，每个压缩机构成这两个压缩级之一，该制冷装置仅包括这两个压缩级的两个相应的电驱动马达(2，7)，该膨胀机构包括涡轮(8)，该涡轮联接到这些压缩级中的一个压缩级的电驱动马达(2)，即，该制冷装置仅具有一个构成该膨胀机构的涡轮(8)，其特征在于该膨胀机构的涡轮(8)联接到该第一压缩级的电驱动马达(2)。
2.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于该第一压缩级(13)的电驱动马达(2)包括输出轴，该输出轴的一端承载该第一压缩级(13)并且通过直接联接而使该第一压缩级旋转，并且该输出轴的另一端承载该涡轮(8)并且通过直接联接而使该涡轮旋转。
3.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于这两个马达(2，7)是相同的或相似的。
4.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于该冷却机构包括位于该第一压缩级(13)与该第二压缩级(4)之间的中间冷却交换器(3)，用于对离开该第一压缩级(13)的工作流体在其进入该第二压缩级(4)之前进行冷却。
5.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于这些马达(2，7)是高速马达，即，以kW为单位的功率P乘以以每分钟转数为单位的速度N的平方的乘积在5.1010至5.1012之间的马达。
6.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于这两个马达(2，7)的转速相同。
7.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于这两个马达(2，7)的机械功率相同。
8.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于该第二压缩级(4)的电驱动马达(7)还机械地驱动循环泵(14)或附加压缩机，该循环泵或附加压缩机被配置用于使该一个电驱动马达或多个电驱动马达(2，7)的冷却流体循环。
9.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于这两个压缩级各自由离心压缩机组成，该离心压缩机具有通过使该压缩机的能量效率最大化而确定的最佳比转速，并且其特征在于该制冷装置被配置为将这些压缩机的比转速保持在最佳比转速的70％至130％之间。
10.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于这两个压缩级由离心压缩机组成，这些离心压缩机各自具有通过使该压缩机的能量效率最大化而确定的最佳比转速，每个压缩机都具有限定的体积流量和限定的机械功率，并且其特征在于该第一压缩级的压缩机的体积流量Q1与该第二压缩级的压缩机的体积流量Q2之比Q1/Q2在1.1至2.5之间，并且其特征在于驱动该第一压缩级的压缩机的机械功率P1与驱动该第二压缩级的压缩机的机械功率P2之比P1/P2在1.1至2.5之间，并且其特征在于这两个马达的转速之比在0.5至1.5之间。
11.根据权利要求10所述的制冷装置，其特征在于以下各项之间的乘积(w1/w2).(Q1/Q2)0.5.(Δhs2/Δhs1)0.75：
-这两个马达的转速之比w1/w2，该第一压缩级的压缩机的体积流量Q1与该第二压缩级的压缩机的体积流量Q2之比Q1/Q2的0.5次幂，
-假定压缩是等熵的情况下通过该第二压缩级(4)的焓增与假定压缩是等熵的情况下通过该第一压缩级(13)的焓增之比Δhs2/Δhs1的0.75次幂，该乘积在0.70至1.30之间。
12.根据权利要求1或2所述的制冷装置，其特征在于该制冷装置包括该制冷装置的电子控制单元(16)、并且包括用于数据存储和处理的单元。
13.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，压缩机构用于等熵或基本上等熵压缩该工作流体。
14.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，冷却机构用于等压或基本上等压冷却该工作流体。
15.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，膨胀机构用于等熵或基本上等熵膨胀该工作流体。
16.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，加热机构用于等压或基本上等压加热该工作流体。
17.根据权利要求9所述的制冷装置，其特征在于，该制冷装置被配置为将这些压缩机的比转速保持在最佳比转速的80％至120％之间。
18.根据权利要求9所述的制冷装置，其特征在于，该制冷装置被配置为将这些压缩机的比转速保持在最佳比转速的90％至110％之间。
19.根据权利要求10所述的制冷装置，其特征在于，该第一压缩级的压缩机的体积流量Q1与该第二压缩级的压缩机的体积流量Q2之比Q1/Q2等于1.8。
20.根据权利要求10所述的制冷装置，其特征在于，驱动该第一压缩级的压缩机的机械功率P1与驱动该第二压缩级的压缩机的机械功率P2之比P1/P2等于1.5。
21.根据权利要求10所述的制冷装置，其特征在于，这两个马达的转速之比等于1。
22.根据权利要求11所述的制冷装置，其特征在于，该乘积在0.80至1.20之间。
23.根据权利要求11所述的制冷装置，其特征在于，该乘积在0.90至1.10之间。
24.根据权利要求12所述的制冷装置，其特征在于，该电子控制单元(16)被配置用于控制这些马达中的至少一个。
25.一种使用根据权利要求1至24中任一项所述的制冷装置(1)的冷源的制冷方法，其中，热交换发生在离开该膨胀机构之后冷却的工作流体与要冷却的部件(15)之间。
26.根据权利要求25所述的制冷方法，其特征在于将这些压缩机的比转速保持在其最佳比转速的70％至130％之间。
27.根据权利要求25所述的制冷方法，其特征在于将这些压缩机的比转速保持在其最佳比转速的80％至120％之间。
28.根据权利要求25所述的制冷方法，其特征在于将这些压缩机的比转速保持在其最佳比转速的90％至110％之间。
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