CN113933081A - 一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，包括：液氮储罐、液氮泵、第一气化器、第二气化器、电加热器、缓冲罐、过滤器、多通道换热器、主压缩机、第一功率回收压缩机、第二功率回收压缩机、第一制冷膨胀机、第二制冷膨胀机、第一循环水冷却器、第二循环水冷却器、第三循环水冷却器、经济器、节流阀，第一、第二、第三循环水冷却器中均通有循环的冷却水，第一功率回收压缩机由第一制冷膨胀机驱动，第二功率回收压缩机由第二制冷膨胀机驱动。上述的装置能通过为待测制冷膨胀机提供温度和压力合适的氮气来使制冷膨胀机连续工作，从而能来测试制冷膨胀机的性能，并且该装置可循环利用测试用的氮气，从而能实现氮气零消耗，节能减排。

Description

一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置

技术领域

本发明涉及测试设备领域，具体涉及一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置。

背景技术

目前的氢气液化工艺中普遍使用氮气制冷循环预冷氢气和高压氢等熵膨胀制冷循环液化氢气，而其中的关键设备即为氮气制冷膨胀机和氢气制冷膨胀机。目前没有用于测试氢气制冷膨胀机和氮气制冷膨胀机性能的性能测试装置，这是因为氢气制冷膨胀机和氮气制冷膨胀机的工作温度较低，一般的性能测试装置无法适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：将提供一种能对氢气制冷膨胀机或氮气制冷膨胀机进行性能测试的氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案为：一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其特征在于：包括：液氮储罐、液氮泵、第一气化器、第二气化器、电加热器、缓冲罐、过滤器、多通道换热器、主压缩机、第一功率回收压缩机、第二功率回收压缩机、第一制冷膨胀机、第二制冷膨胀机、第一循环水冷却器、第二循环水冷却器、第三循环水冷却器、经济器，第一、第二、第三循环水冷却器中均通有循环的冷却水，第一功率回收压缩机由第一制冷膨胀机驱动进行压缩，第二功率回收压缩机由第二制冷膨胀机驱动进行压缩，液氮储罐通过管道与液氮泵相连，使得液氮泵能抽取液氮储罐中的液氮，液氮泵的出口分别通过管道与第一、第二气化器的进口相连，第一、第二气化器的出口分别通过管道与电加热器的进口相连，电加热器的出口通过管道与缓冲罐的进口相连，缓冲罐的出口通过管道与过滤器的进口相连，过滤器的出口通过管道与待测制冷膨胀机的进口相连，待测制冷膨胀机的出口通过管道与多通道换热器中的第一通道的进口相连，第一通道的出口通过管道与主压缩机的进口相连，主压缩机的出口通过管道与第一循环水冷却器的进口相连，第一循环水冷却器的出口通过管道与第一功率回收压缩机的进口相连，第一功率回收压缩机的出口通过管道与第二循环水冷却器的进口相连，第二循环水冷却器的出口通过管道与第二功率回收压缩机的进口相连，第二功率回收压缩机的出口通过管道与第三循环水冷却器的进口相连，第三循环水冷却器的出口通过管道与多通道换热器中的第二通道的进口相连，第二通道的出口通过管道与经济器中的液化通道的进口相连，液化通道的出口通过管道与液氮储罐相连，多通道换热器中的第二通道的出口还通过管道与第一制冷膨胀机的进口相连，第一制冷膨胀机的出口通过管道与第二制冷膨胀机的进口相连，第二制冷膨胀机的出口通过管道与经济器的换热通道的进口相连，换热通道的进口还通过管道与液氮储罐相连，使得液氮储罐中的BOG能进入至换热通道中，换热通道的出口通过管道与多通道换热器中的第三通道的进口相连，第三通道的出口通过管道与主压缩机的进口相连，在经济器的液化通道的出口和液氮储罐相连的管道上串联有一个节流阀。

进一步的，前述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其中：在缓冲罐和过滤器相连的管道上串联有一个流量计。

进一步的，前述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其中：在缓冲罐和过滤器相连的管道上串联有一个第一压力调节阀，在多通道换热器的第一通道和主压缩机相连的管道上串联有一个第二压力调节阀，在第一制冷膨胀机和多通道换热器中的第二通道相连的管道上串联有一个第三压力调节阀。

进一步的，前述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其中：液氮泵为可变频的变频泵。

进一步的，前述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其中：液氮泵为往复式低温液体泵。

进一步的，前述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其中：气化器为空温式气化器。

本发明的优点为：所述的制冷膨胀机性能测试装置能通过为待测试的制冷膨胀机提供温度和压力合适的氮气来使制冷膨胀机连续工作，从而能来测试制冷膨胀机的性能，并且该装置可循环利用测试用的氮气，从而能实现氮气的零消耗，节能减排。

附图说明

图1为本发明所述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，包括：液氮储罐1、液氮泵2、第一气化器3、第二气化器4、电加热器5、缓冲罐6、过滤器7、多通道换热器9、主压缩机10、第一功率回收压缩机11、第二功率回收压缩机12、第一制冷膨胀机13、第二制冷膨胀机14、第一循环水冷却器15、第二循环水冷却器16、第三循环水冷却器17、经济器18，第一、第二气化器3、4均为空温式气化器，第一、第二、第三循环水冷却器15、16、17中均通有循环的冷却水，冷却水可以由冷却水塔或者冷冻水机组来制取，然后在通入至第一、第二、第三循环水冷却器15、16、17中，第一功率回收压缩机11由第一制冷膨胀机13驱动进行压缩，第二功率回收压缩机12由第二制冷膨胀机14驱动进行压缩，经济器18是一种换热器，液氮储罐1通过管道与液氮泵2相连，使得液氮泵2能抽取液氮储罐1中的液氮，液氮泵2的出口分别通过管道与第一、第二气化器3、4的进口相连，第一、第二气化器3、4的出口分别通过管道与电加热器5的进口相连，电加热器5的出口通过管道与缓冲罐6的进口相连，缓冲罐6的出口通过管道与过滤器7的进口相连，过滤器7的出口通过管道与待测制冷膨胀机8的进口相连，待测制冷膨胀机8的出口通过管道与多通道换热器9中的第一通道91的进口相连，第一通道91的出口通过管道与主压缩机10的进口相连，主压缩机10的出口通过管道与第一循环水冷却器15的进口相连，第一循环水冷却器15的出口通过管道与第一功率回收压缩机11的进口相连，第一功率回收压缩机11的出口通过管道与第二循环水冷却器16的进口相连，第二循环水冷却器16的出口通过管道与第二功率回收压缩机12的进口相连，第二功率回收压缩机12的出口通过管道与第三循环水冷却器17的进口相连，第三循环水冷却器17的出口通过管道与多通道换热器9中的第二通道92的进口相连，第二通道92的出口通过管道与经济器18中的液化通道181的进口相连，液化通道181的出口通过管道与液氮储罐1相连，多通道换热器9中的第二通道92的出口还通过管道与第一制冷膨胀机13的进口相连，第一制冷膨胀机13的出口通过管道与第二制冷膨胀机14的进口相连，第二制冷膨胀机14的出口通过管道与经济器18的换热通道182的进口相连，换热通道182的进口还通过管道与液氮储罐1相连，使得液氮储罐1中的BOG能进入至换热通道182中，换热通道182的出口通过管道与多通道换热器9中的第三通道93的进口相连，第三通道93的出口通过管道与主压缩机10的进口相连，在经济器18的液化通道181的出口和液氮储罐1相连的管道上串联有一个节流阀19。

气化器的管束口径、数量主要由氮气流量和进口温差来决定，不同的膨胀机可能会有所不同，所以配备两套气化器，这样就可以根据需求来选择用一台还是两台气化器。

根据所测膨胀机的设计参数，可通过液氮泵2的变频器调节到合适的流量，通过第一压力调节阀21和第二压力调节阀22可调节膨胀机的进、出口压力，从而来耦合合适的温度。

空温式气化器的主要功能是利用空气热能将液氮气化，由于液氮的温度很低，一般低于85K，而常温空气一般只有298K左右，这之间存在巨大的温差，可为液氮提供免费的热能。

液氮储罐1的容积主要根据所测膨胀机每小时流量乘以10小时得出，这样至少保证膨胀机连续测试8小时，得到稳定的测试数据。液氮储罐1的压力一般随着液氮的温度的变化而变化，液氮储罐1可以用真空绝热罐，也可以选用珠光砂绝热罐，所不同的是罐内的液体的温度和压力会随着绝热效果的不同而产生不同的变化程度，所以为杜绝这种变化对测试稳定带来的影响，故选用了液氮泵。液氮泵可不受罐内压力变化而影响到流量变化，液氮泵2选用可变频的往复式低温液体泵，此类泵是流量只受频率影响，出口压力只受下游管系阻抗影响，频率可以用变频器控制，而下游管系阻抗，可用调节阀来控制，这样工质的流量和压力都可以稳定住。

在本实施例中，在缓冲罐6和过滤器7相连的管道上串联有一个流量计20和一个第一压力调节阀21。在多通道换热器9的第一通道91和主压缩机10相连的管道上串联有一个第二压力调节阀22，在第一制冷膨胀机13和多通道换热器9中的第二通道92相连的管道上串联有一个第三压力调节阀23。

液氮储罐1中存放有压力为1～5bar的液氮，液氮泵2可将液氮增压到18bar，然后压送到气化器中进行气化，一般气化后得到的氮气的温度至少可达到140K左右，接着氮气进入电加热器5中加热到设定的温度，气化得到后的氮气温度是随着空气温度、风速和气化器外表面结霜程度变化而变化，变化范围一般在90～130K之间，而测试膨胀机性能需要恒定的温度和恒定压力，为此，电加热器可将利用电能将冷氮气加热到需要的温度；然后氮气进入到缓冲罐6缓冲，接着进入流量计20计量流量，然后经由过滤器7滤除少量杂质，避免杂质损伤膨胀机内部流道，第一压力调节阀21能将氮气压力调节到设定的压力，然后氮气会进入待测制冷膨胀机8中等熵膨胀减压降温，使得待测制冷膨胀机8能连续工作，以便测试其性能，之后氮气进入到多通道换热器9的第一通道91中进行换热而回收其冷量，然后氮气再流经第二压力调节阀22进行调压，从而来调节待测制冷膨胀机8的出口压力，减压后的氮气会依次进入到主压缩机10、第一功率回收压缩机11、第二功率回收压缩机12中被压缩，主压缩机10通过调节自身频率、协同第一、第二功率回收压缩机11、12使得第二功率回收压缩机12出口压力达到26.5bar以上，第一、第二、第三循环水冷却器15、16、17会利用循环冷却水对流经的被压缩升温的氮气进行冷却，使得被压缩的氮气能被冷却至常温（40℃左右），被压缩到26.5bar以上和被冷却到常温的氮气会进入到多通道换热器9的第二通道92中被冷却，使得氮气能被冷却至170～210K左右，冷却后的氮气分为两路，一路去往经济器18的液化通道181，使得该路中的氮气能被冷却液化为液氮，另一路依次经过第一制冷膨胀机13、第二制冷膨胀机14，使得该路氮气能等熵膨胀做功而分别驱动第一、第二功率回收压缩机11、12，该路氮气等熵膨胀做功后会降温至81～91K左右，然后该路氮气会与液氮储罐1中的BOG汇合而进入至经济器18的换热通道182中对液化通道181中的氮气进行冷却而使液化通道181中的氮气液化，然后换热通道182中氮气会进入至多通道换热器9的第三通道93中，以便和第一通道91中的低温氮气一起对第二通道92中的氮气进行冷却，接着第三通道93中的氮气会和第一通道91中的氮气一起进入至主压缩机10中被压缩，液化通道181中的氮气被液化后会经过节流阀19而被减压至1～3bar、温度降至77～87K，从而形成含有20%左右气相的两相氮，两相氮进入液氮储罐1后，其中的液相氮会在液氮储罐1中存积，而气相氮（BOG）则会继续流向经济器18中与来自第二制冷膨胀机14的低温氮气汇合对流入至液化通道181中的氮气进行冷却而使其液化。

主压缩机10为压缩氮气的主要设备，而第一、第二功率回收压缩机11、12则通过回收第一、第二制冷膨胀机13、14的等熵膨胀功来辅助压缩气体，这样设置后能使氮气的液化点提高到121K以上，从而能使氮气易于液化。

Claims (6)

1.一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其特征在于：包括：液氮储罐、液氮泵、第一气化器、第二气化器、电加热器、缓冲罐、过滤器、多通道换热器、主压缩机、第一功率回收压缩机、第二功率回收压缩机、第一制冷膨胀机、第二制冷膨胀机、第一循环水冷却器、第二循环水冷却器、第三循环水冷却器、经济器，第一、第二、第三循环水冷却器中均通有循环的冷却水，第一功率回收压缩机由第一制冷膨胀机驱动进行压缩，第二功率回收压缩机由第二制冷膨胀机驱动进行压缩，液氮储罐通过管道与液氮泵相连，使得液氮泵能抽取液氮储罐中的液氮，液氮泵的出口分别通过管道与第一、第二气化器的进口相连，第一、第二气化器的出口分别通过管道与电加热器的进口相连，电加热器的出口通过管道与缓冲罐的进口相连，缓冲罐的出口通过管道与过滤器的进口相连，过滤器的出口通过管道与待测制冷膨胀机的进口相连，待测制冷膨胀机的出口通过管道与多通道换热器中的第一通道的进口相连，第一通道的出口通过管道与主压缩机的进口相连，主压缩机的出口通过管道与第一循环水冷却器的进口相连，第一循环水冷却器的出口通过管道与第一功率回收压缩机的进口相连，第一功率回收压缩机的出口通过管道与第二循环水冷却器的进口相连，第二循环水冷却器的出口通过管道与第二功率回收压缩机的进口相连，第二功率回收压缩机的出口通过管道与第三循环水冷却器的进口相连，第三循环水冷却器的出口通过管道与多通道换热器中的第二通道的进口相连，第二通道的出口通过管道与经济器中的液化通道的进口相连，液化通道的出口通过管道与液氮储罐相连，多通道换热器中的第二通道的出口还通过管道与第一制冷膨胀机的进口相连，第一制冷膨胀机的出口通过管道与第二制冷膨胀机的进口相连，第二制冷膨胀机的出口通过管道与经济器的换热通道的进口相连，换热通道的进口还通过管道与液氮储罐相连，使得液氮储罐中的BOG能进入至换热通道中，换热通道的出口通过管道与多通道换热器中的第三通道的进口相连，第三通道的出口通过管道与主压缩机的进口相连，在经济器的液化通道的出口和液氮储罐相连的管道上串联有一个节流阀。

2.根据权利要求1所述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其特征在于：在缓冲罐和过滤器相连的管道上串联有一个流量计。

3.根据权利要求1所述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其特征在于：在缓冲罐和过滤器相连的管道上串联有一个第一压力调节阀，在多通道换热器的第一通道和主压缩机相连的管道上串联有一个第二压力调节阀，在第一制冷膨胀机和多通道换热器中的第二通道相连的管道上串联有一个第三压力调节阀。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其特征在于：液氮泵为可变频的变频泵。

5.根据权利要求4所述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其特征在于：液氮泵为往复式低温液体泵。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种氮气零消耗的制冷膨胀机性能测试装置，其特征在于：气化器为空温式气化器。

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