CN115127248A - 一种降低节流制冷器制冷温度的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的属于节流制冷器技术领域,具体为一种降低节流制冷器制冷温度的方法及其系统,包括:高压气瓶、节流制冷器、低压流体管道、接受室和喷射器;该一种降低节流制冷器制冷温度的方法及其系统,通过在节流制冷器低温回流通道末端添加喷射器,当高压气瓶气流通过喷射器时其速度会急剧增加,导致在喷嘴周围环境产生一个真空环境,降低节流后的压力(背压),从而降低节流制冷器的制冷温度;同时,通过调节减压阀还可以调节节流后压力(背压)大小,从而实现77K以下温度的主动控制。
Description
技术领域
本发明涉及节流制冷器技术领域,具体为一种降低节流制冷器制冷温度的方法及其系统。
背景技术
节流制冷器在军事、航空航天、民用领域都有着广泛的应用。目前,用于节流制冷器的气体工质大多为氮气或者氩气。常压下氩气的液化温度约为87K,氮气的液化温度约为77K,这也表示若节流制冷器以氩气或氮气为制冷工质,其最低温度也只能达到约77K。但在某些应用场合,需要环境温度低于77K,很显然常规节流制冷器无法达到这一制冷温度。
目前能够进一步降低节流制冷器制冷温度的方法主要有以下两种:首先利用以氮气或氩气为制冷工质的第一级节流制冷器来预冷以氢气为制冷工质的第二级节流制冷器,这样在第二级节流制冷器冷端就能获得低于77K的制冷温度。但由于系统由两级节流制冷器组成,系统较为复杂,增加了工程应用的难度;其次,通过降低节流后压力(背压)来进一步降低节流制冷器制冷温度,背压越小则节流后温度越低。但背压不可能无限减小,这也表示节流后温度不能无限降低。一般地,当使用氮气为制冷工质时,通过降低背压的方式可将节流后制冷温度降至约70K。对比两种方法可以发现:第一种方式可以达到的制冷温区较宽,可以实现4K-300K温区的全面覆盖,但其结构相较于单级节流制冷器而言较为复杂,不利于工程化应用。第二种能够达到的温区较窄,但其结构较简单,有利于工程化应用。基于此,针对需要70K-77K温区制冷温度的应用场合而言,采用第二种方式更简单和易于工程化;
目前节流制冷器的制冷方法和系统存在以下问题:
1.多级节流制冷器是由多个单级节流制冷器串联而成,使整个制冷系统较为复杂,增加了设计以及工程应用的难度。
2.目前降低节流后压力是通过真空泵来实现,但一般真空泵体积重量都偏大,不易于系统集成,增加了工程化难度。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种降低节流制冷器制冷温度的方法及其系统,旨在解决多级节流制冷器是由多个单级节流制冷器串联而成,使整个制冷系统较为复杂,增加了设计以及工程应用的难度;以及降低节流后压力是通过真空泵来实现,但一般真空泵体积重量都偏大,不易于系统集成,增加了工程化难度的技术问题。
为解决上述技术问题,根据本发明的一个方面,本发明提供了如下技术方案:
一种降低节流制冷器制冷温度的方法,其包括以下步骤:
S1:首先通过高压气瓶输送气体工质,高压气瓶内的高压气体工质被分成两股;
S2:在高压气体工质分离后,其中一股高压气体工质直接进入节流制冷器,产生节流效应后的低压气体工质通过低压流体管道进入接受室;
S3:另一股高压气体工质流过位于接受室内的喷射器时,高压气体工质流速增加,将前方的空气带走,降低接受室内的压力。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法的优选方案,其中:在步骤S3中,另一股高压气体工质先通过减压阀将高压气体工质的压力减至所需压力,并利用减压阀稳定其压力,通过减压阀的高压气体工质流入喷射器。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法的优选方案,其中:在步骤S3中,喷射器采用拉瓦尔喷嘴,通过调节减压阀控制高压气体工质压力数值,控制输入喷射器的气体工质压力值。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法的优选方案,其中:在步骤S3中,通过改变喷射器的喷射系数使接受室达到不同程度的真空环境,控制输出喷射器的气体工质压力值。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法的优选方案,其中:在步骤S3中,喷射器的出口气体工质压力与进口气体工质压力之比大于0.528。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法的优选方案,其中:在步骤S3中,分离后的气体工质一同导入混合室中,高压气体工质与低压气体工质在混合室内混合,进行能量交换,在此混合阶段两种气体速度达到一致,再由扩散器排出,降低温度。
一种降低节流制冷器制冷温度的系统,包括:高压气瓶、节流制冷器、低压流体管道、接受室和喷射器;
高压气瓶,输气端连接有节流制冷器和喷射器;
节流制冷器,输气端连接有低压流体管道的进气端;
低压流体管道,输气端连接有接受室;
接受室,内部开设有气体腔;
喷射器,安装在接受室的内部。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的系统的优选方案,其中:还包括混合室和扩散器,所述喷射器的喷流端朝向混合室,所述混合室进气端安装在接受室的输气端,所述扩散器进气端安装在混合室的输气端。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的系统的优选方案,其中:还包括减压阀,所述减压阀连接于所述高压气瓶与所述喷射器之间,所述高压气瓶与减压阀和节流制冷器连接的管道上安装有三通阀。
作为本发明所述的一种降低节流制冷器制冷温度的系统的优选方案,其中:所述接受室上部分的截面积从下向上逐渐减小,且接受室顶端的截面积与混合室相同,所述扩散器的截面积从下向上逐渐增加,且扩散器底端的截面积与混合室相同。
本发明的有益效果如下:该系统主要由节流制冷器、拉瓦尔喷嘴、减压阀组成。当气体工质在节流制冷器冷端节流膨胀时,喷射器在节流制冷器出气端产生低于大气压的压力环境,可使气体工质节流膨胀后的温度进一步降低,同时通过控制减压阀还可以在一定程度上控制工质节流后温度;
该一种降低节流制冷器制冷温度的方法及其系统,通过在节流制冷器低温回流通道末端添加喷射器,当高压气瓶气流通过喷射器时其速度会急剧增加,导致在喷嘴周围环境产生一个真空环境,降低节流后的压力(背压),从而降低节流制冷器的制冷温度;同时,通过调节减压阀还可以调节节流后压力(背压)大小,从而实现77K以下温度的主动控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的系统结构图。
附图标号说明:
标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
1 | 高压气瓶 | 2 | 节流制冷器 |
3 | 低压流体管道 | 4 | 减压阀 |
5 | 接受室 | 6 | 拉瓦尔喷嘴 |
7 | 混合室 | 8 | 扩散器 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种降低节流制冷器制冷温度的方法及其系统,通过在节流制冷器低温回流通道末端添加喷射器,当高压气瓶气流通过喷射器时其速度会急剧增加,导致在喷嘴周围环境产生一个真空环境,降低节流后的压力(背压),从而降低节流制冷器的制冷温度;同时,通过调节减压阀还可以调节节流后压力(背压)大小,从而实现77K以下温度的主动控制;
请参阅图1,包括以下步骤:
S1:首先通过高压气瓶输送气体工质,高压气瓶内的高压气体工质被分成两股;
S2:在高压气体工质分离后,其中一股高压气体工质直接进入节流制冷器,产生节流效应后的低压气体工质通过低压流体管道进入接受室;
S3:另一股高压气体工质先通过减压阀将高压气体工质的压力减至所需压力,并利用减压阀稳定其压力,通过减压阀的高压气体工质流入喷射器,高压气体工质流速增加,将前方的空气带走,降低接受室内的压力,分离后的气体工质一同导入混合室中,高压气体工质与低压气体工质在混合室内混合,进行能量交换,在此混合阶段两种气体速度达到一致,再由扩散器排出,降低温度;喷射器采用拉瓦尔喷嘴,通过调节减压阀控制高压气体工质压力数值,控制输入喷射器的气体工质压力值,通过改变喷射器的喷射系数使接受室达到不同程度的真空环境,控制输出喷射器的气体工质压力值,喷射器的出口气体工质压力与进口气体工质压力之比大于0.528;
请再次参阅图1,包括:高压气瓶、节流制冷器、低压流体管道、接受室和喷射器;
高压气瓶,输气端连接有节流制冷器和喷射器;
节流制冷器,输气端连接有低压流体管道的进气端;
低压流体管道,输气端连接有接受室;
接受室,内部开设有气体腔;
喷射器,安装在接受室的内部;
还包括混合室和扩散器,所述喷射器的喷流端朝向混合室,所述混合室进气端安装在接受室的输气端,所述扩散器进气端安装在混合室的输气端;
还包括减压阀,所述减压阀连接于所述高压气瓶与所述喷射器之间,所述高压气瓶与减压阀和节流制冷器连接的管道上安装有三通阀;
本实施例中气体工质为氮气,在其他实施例中不限于此,也可采用其他的气体工质。高压气瓶用于输送高压氮气到节流制冷器和减压阀中,节流制冷器用于对氮气降压,并通过低压氮气进行降温,低压流体管道用于导入低压氮气流动到接受室内,减压阀用于提供减压功能,调整通过氮气的气压,将调整过气压的氮气导入到拉瓦尔喷嘴中,接受室用于接收低压流体管道输送的低压氮气和拉瓦尔喷嘴喷出的氮气喷流,拉瓦尔喷嘴用于提高氮气通过的速度,使氮气在高速喷流时能够将接受室内的空气也带动到混合室内,混合室用于提供混合低压氮气和高压氮气的场所,扩散器用于排出氮气,三通阀用于控制高压气瓶的氮气流入减压阀和节流制冷器通道的连通;
在具体的使用时,高压气瓶内的高压氮气被分成两股,一股高压氮气直接进入节流制冷器,产生节流效应后的低压氮气通过低压流体管道进入接受室;与此同时,另一股高压氮气先通过减压阀将高压氮气的压力减至所需压力,并利用减压阀稳定其压力。当通过减压阀的高压氮气流过拉瓦尔喷嘴时,由于喷嘴的截面积较小会使得流过的流体加速,速度可达超声速;由于流体的粘性,高速喷出的氮气会将拉瓦尔喷嘴前方的气体(空气)带走,从而使接受室内的压力降低,即降低了节流后气体的压力,从而可使节流制冷器最低温度降至77K以下;随后高压氮气与低压氮气在混合室混合,进行能量交换,在此混合阶段两种气体速度达到一致,再由扩散器排出;另外,通过调节减压阀还可以调节高压氮气压力大小,改变拉瓦尔喷嘴的喷射系数使接受室达到不同程度的真空环境,从而实现77K以下温度的主动控制。
请再次参阅图1,所述接受室上部分的截面积从下向上逐渐减小,且接受室顶端的截面积与混合室相同,所述扩散器的截面积从下向上逐渐增加,且扩散器底端的截面积与混合室相同,使得气体在进入混合室时能够逐渐压缩,再排出混合室后能够逐渐解压。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种降低节流制冷器制冷温度的方法,包括以下步骤:
S1:首先通过高压气瓶输送气体工质,高压气瓶内的高压气体工质被分成两股;
S2:在高压气体工质分离后,其中一股高压气体工质直接进入节流制冷器,产生节流效应后的低压气体工质通过低压流体管道进入接受室;
S3:另一股高压气体工质流过位于接受室内的喷射器时,高压气体工质流速增加,将前方的空气带走,降低接受室内的压力。
2.根据权利要求1所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法,其特征在于:在步骤S3中,另一股高压气体工质先通过减压阀将高压气体工质的压力减至所需压力,并利用减压阀稳定其压力,通过减压阀的高压气体工质流入喷射器。
3.根据权利要求2所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法,其特征在于:在步骤S3中,喷射器采用拉瓦尔喷嘴,通过调节减压阀控制高压气体工质压力数值,控制输入喷射器的气体工质压力值。
4.根据权利要求1所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法,其特征在于:在步骤S3中,通过改变喷射器的喷射系数使接受室达到不同程度的真空环境,控制输出喷射器的气体工质压力值。
5.根据权利要求1所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法,其特征在于:在步骤S3中,喷射器的出口气体工质压力与进口气体工质压力之比大于0.528。
6.根据权利要求1所述的一种降低节流制冷器制冷温度的方法,其特征在于:在步骤S3中,分离后的气体工质一同导入混合室中,高压气体工质与低压气体工质在混合室内混合,进行能量交换,在此混合阶段两种气体速度达到一致,再由扩散器排出,降低温度。
7.一种降低节流制冷器制冷温度的系统,包括:高压气瓶、节流制冷器、低压流体管道、接受室和喷射器;
高压气瓶,输气端连接有节流制冷器和喷射器;
节流制冷器,输气端连接有低压流体管道的进气端;
低压流体管道,输气端连接有接受室;
接受室,内部开设有气体腔;
喷射器,安装在接受室的内部。
8.根据权利要求7所述的一种降低节流制冷器制冷温度的系统,其特征在于:还包括混合室和扩散器,所述喷射器的喷流端朝向混合室,所述混合室进气端安装在接受室的输气端,所述扩散器进气端安装在混合室的输气端。
9.根据权利要求7所述的一种降低节流制冷器制冷温度的系统,其特征在于:还包括减压阀,所述减压阀连接于所述高压气瓶与所述喷射器之间,所述高压气瓶与减压阀和节流制冷器连接的管道上安装有三通阀。
10.根据权利要求7所述的一种降低节流制冷器制冷温度的系统,其特征在于:所述接受室上部分的截面积从下向上逐渐减小,且接受室顶端的截面积与混合室相同,所述扩散器的截面积从下向上逐渐增加,且扩散器底端的截面积与混合室相同。
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CN115127248B (zh) | 2024-05-24 |
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