CN115325753A - 一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置及其方法，该装置包括：第一预冷器、第二预冷器、载冷剂喷嘴、液氦喷嘴、氦液化冷机、氦纯化器、搅拌器和绝热容器；过冷态的载冷剂与液氦通过对应喷嘴喷出并直接接触换热，可实现无喷嘴堵塞危害、换热效率高、载冷剂固体颗粒均匀，且便于保持整个制备装置内部维持正压；利用载冷剂与氦气的混合气对载冷剂进行初步预冷，在冷量不足时采用液氦进行二次预冷，充分利用混合气冷能；氦作为冷却剂，实现了循环利用；其方法通过使雾化后的液氦颗粒和载冷剂颗粒在正压环境中直接接触换热，获得均匀的载冷剂固体颗粒，再与载冷剂基液充分搅拌混合后，获得高质量低温浆体。

Description

一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置及其方法

技术领域

本发明涉及低温浆体制备技术领域，具体涉及一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置及其方法。

背景技术

浆态是一种固态与液态物质共存的状态。低温浆体如氮浆、氧浆、氢浆等，由于其优异的热物性，可用于航天器燃料、超导电缆冷却等领域。低温浆体的制备就是生产固体颗粒，并将固液混合的过程。制备的颗粒要求尺寸不能过大，浆液要保持一定的流动性，保证良好的输送性能，低温浆体的制备方法主要有喷淋法、抽空法、氦冷却法三种。

抽空法的装置内部会形成负压，造成低温浆体污染。喷淋法制备低温浆体对于喷嘴设计的要求较高，真空容器内的压力过低容易引起喷嘴堵塞。氦冷却法分为直接冷却和间接冷却，直接冷却法是指将液体跟冷源直接接触；间接冷却法是指用冷源与低温液体在换热器中交换热量从而生成固体，再利用螺旋钻将换热器表面的固体层刮去形成颗粒，再与低温液体混合形成浆体。

专利申请(申请号：200480002800.1)提出了一种生产氮浆的装置及方法，其为基于喷射器的氮浆制备装置及方法，喷射器通过喷出压力高于容器内空间压力的氦气或液氦将液氮吸入，并在喷嘴内将液氮冷却，形成粒状的固体氮，最终形成氮浆。但该专利申请通过抽空减压方式对液氮进行预冷，预冷过程中产生的负压易造成空气污染，并且不能连续运行；液氮和氦冷却剂在喷嘴内混合，易造成喷嘴堵塞；同时，蒸发后的氦气冷能也没有得到充分利用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置及其方法，通过使雾化后的液氦颗粒和载冷剂颗粒在正压环境中直接接触换热，获得均匀的载冷剂固体颗粒，与载冷剂基液混合后，获得高质量低温浆体；此外，利用蒸发后的氦气冷能对进入第一预冷器的载冷剂进行预冷，可有效降低低温浆体的制备能耗。

本发明的技术方案为：一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，包括：第一预冷器、第二预冷器、载冷剂喷嘴、液氦喷嘴、氦液化冷机、氦纯化器、搅拌器和绝热容器；其中，低温指小于120K的温度；

载冷剂管路为载冷剂低温溶液的流通管路，其依次连通第一预冷器的第一通道和第二预冷器的第一通道；并在第二预冷器出口端分为两条支路，第一支路与设置在低温浆体制备区的载冷剂喷嘴连通，第二支路与低温浆体混合区连通；其中，载冷剂管路第一支路上设有第一低温调节阀，第二支路上设有第二低温调节阀；第一预冷器和第二预冷器均有两个互不相通的通道；绝热容器分为上下两部分，上部分为低温浆体制备区，下部分为低温浆体混合区；

氦循环管路为冷却剂氦的流通管路，包含来自第二预冷器和氦纯化器的两类氦气流入支路，两类氦气流入支路汇合后将混合后的氦气送入氦液化冷机液化，并在混合后的氦气流出氦液化冷机后分为两条支路，第一流出支路与第二预冷器的第二通道连通，第二流出支路与设置在低温浆体制备区的液氦喷嘴连通，且液氦喷嘴与载冷剂喷嘴相向倾斜设置，并使二者相向且向下倾斜喷射；其中，氦循环管路第一流出支路上设有第五低温调节阀，第二流出支路上设有第四低温调节阀；

混合气管路为载冷剂气体与氦气的混合气流通管路，其中的混合气从低温浆体制备区流出，流入第一预冷器的第二通道，且混合气管路上设有超压阀；其中，氦纯化器与第一预冷器的第二通道连通；搅拌器设置在低温浆体混合区。

优选地，所述绝热容器的低温浆体混合区还设有第三低温调节阀及其管路，用于排放低温浆体。

优选地，所述氦液化冷机为制冷机或膨胀机。

优选地，所述氦纯化器通过吸附或冷凝的方法去除载冷剂气体，提纯氦气。

优选地，所述载冷剂为液氮或液氧或液氢。

优选地，所述搅拌器为桨叶式或叶轮式结构。

优选地，所述第一预冷器和第二预冷器中的载冷剂、第二预冷器中的液氦及第一预冷器中的混合气通过对应预冷器的金属壁面分隔换热。

一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备方法，它使用前述的制备装置，并假设在低温浆体制备之前搅拌器和所有低温调节阀均处于关闭状态，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一：打开第二低温调节阀，载冷剂通过载冷剂管路，依次进入第一预冷器和第二预冷器进行两次预冷，预冷后再通过载冷剂管路第二支路进入绝热容器底部，作为载冷剂基液，当达到设定液位后，关闭第二低温调节阀并转入步骤二；其中，两次预冷后的载冷剂温度临近但不低于其对应压力下的三相点温度；

步骤二：打开第一低温调节阀、第四低温调节阀、第五低温调节阀和搅拌器；使两次预冷后的载冷剂通过载冷剂管路第一支路，进入载冷剂喷嘴进行喷淋；同时，液氦一路通过氦循环管路第一流出支路进入第二预冷器对载冷剂进行二次预冷，另一路通过氦循环管路第二流出支路进入液氦喷嘴进行喷淋；经载冷剂喷嘴和液氦喷嘴雾化后的载冷剂颗粒和液氦颗粒直接接触后，液氦气化形成氦气，液态载冷剂形成固态颗粒，随后与低温浆体混合区的载冷剂基液混合，在搅拌器的作用下，形成均匀载冷剂浆体；转入步骤三；

步骤三：氦气与部分气化的载冷剂气体形成混合气，达到设定压力后，通过设有超压阀的混合气管路排出；排出后的混合气进入第一预冷器的第二通道，对其第一通道中载冷剂进行初步预冷，随后进入氦纯化器，氦纯化器将载冷剂气体去除，提纯氦气；转入步骤四；

步骤四：将提纯后的氦气与来自第二预冷器的氦气共同送入氦液化冷机进行液化，液化后的液氦再分别送入氦循环管路第二流出支路和第一流出支路，形成氦循环利用；转入步骤五；

步骤五：当绝热容器中载冷剂低温浆体浓度达到设定值后，关闭第一低温调节阀、第四低温调节阀、第五低温调节阀和超压阀，打开第三低温调节阀，将制备好的低温浆体排出。

优选地，所述步骤五中排出低温浆体的方式采用挤压或泵推。

优选地，所述当第一预冷器的冷量大于或等于将载冷剂的温度冷却到其三相点温度时，停止向第二预冷器供应液氦。

有益效果：

1、本发明的低温浆体制备装置将过冷态(即低于当前压力下的饱和温度状态)的载冷剂与液氦通过对应喷嘴喷出并直接接触换热，可有效实现无喷嘴堵塞危害、换热效率高、载冷剂固体颗粒均匀，形成的低温浆体质量高，且便于保持整个制备装置内部维持正压，能够有效防止外部空气渗入造成低温浆体污染；利用载冷剂与氦气的混合气对载冷剂进行初步预冷，在冷量不足时采用液氦进行二次预冷，充分利用混合气冷能，有利于实现能量的高效利用和整个制备装置冷量的高效梯级利用；氦作为冷却剂，实现了循环利用，有效降低了氦冷却制备低温浆体的成本；此外，整体装置可连续运行，适合低温浆体的大规模连续制备。

2、本发明的制备方法通过使雾化后的液氦颗粒和载冷剂颗粒在正压环境中直接接触换热，获得均匀的载冷剂固体颗粒，再与载冷剂基液充分搅拌混合后，获得高质量低温浆体；此外，利用蒸发后的氦气冷能对进入第一预冷器的载冷剂进行预冷，可有效降低低温浆体的制备能耗。

附图说明

图1为本发明低温浆体制备装置的结构示意图。

其中，1-载冷剂管路、2-第一预冷器、3-第二预冷器、4-第一低温调节阀、5-载冷剂喷嘴、6-第二低温调节阀、7-第三低温调节阀、8-氦循环管路、9-第四低温调节阀、10-液氦喷嘴、11-第五低温调节阀、12-氦液化冷机、13-混合气管路、14-超压阀、15-氦纯化器、16-搅拌器、17-绝热容器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，包括：第一预冷器2、第二预冷器3、载冷剂喷嘴5、液氦喷嘴10、氦液化冷机12、氦纯化器15、搅拌器16和绝热容器17，各部件之间通过低温管路及低温调节阀连接；其中，低温指小于120K的温度；

具体地：载冷剂管路1为载冷剂低温溶液的流通管路，其依次连通第一预冷器2的第一通道和第二预冷器3的第一通道；并在第二预冷器3的出口端分为两条支路，载冷剂管路1第一支路与设置在绝热容器17的低温浆体制备区的载冷剂喷嘴5连通，载冷剂管路1第二支路与绝热容器17的低温浆体混合区连通；其中，载冷剂管路1第一支路上设有第一低温调节阀4，载冷剂管路1第二支路上设有第二低温调节阀6；第一预冷器2和第二预冷器3均有两个互不相通的通道；绝热容器17按照功能可划分为上下两部分，上部分为低温浆体制备区，下部分为低温浆体混合区；

氦循环管路8为冷却剂氦的流通管路，包含来自第二预冷器3和氦纯化器15的两类氦气流入支路，两类氦气流入支路汇合后将混合后的氦气送入氦液化冷机12液化，并在混合后的氦气流出氦液化冷机12后分为两条支路，氦循环管路8第一流出支路与第二预冷器3的第二通道连通，氦循环管路8第二流出支路与设置在绝热容器17的低温浆体制备区的液氦喷嘴10连通，且液氦喷嘴10与载冷剂喷嘴5相向倾斜设置，并保证二者相向且向下倾斜喷射，以便于增加雾化后的载冷剂和液氦颗粒的接触面积并防止固态载冷剂喷射到绝热容器17的壁面上；其中，氦循环管路8第一流出支路上设有第五低温调节阀11，氦循环管路8第二流出支路上设有第四低温调节阀9；

混合气管路13为载冷剂气体与氦气的混合气流通管路，其中的混合气从绝热容器17的低温浆体制备区流出，流入第一预冷器2的第二通道，且混合气管路13上设有超压阀14(用于保持绝热容器17的正压环境)；其中，氦纯化器15与第一预冷器2的第二通道连通，用于对从第一预冷器2的第二通道流出的混合气进行提纯及再回收；搅拌器16设置在绝热容器17的低温浆体混合区。

本实施例中，绝热容器17的低温浆体混合区还设有用于排放低温浆体的第三低温调节阀7及其管路。

本实施例中，氦液化冷机12可为制冷机或膨胀机等能够提供氦液化冷量的装置。

本实施例中，氦纯化器15可通过吸附或冷凝等方法去除载冷剂气体来提纯氦气。

本实施例中，载冷剂可以为液氮或液氧或液氢等低温流体。

本实施例中，第一预冷器2和第二预冷器3中的载冷剂、第二预冷器3中的液氦及第一预冷器2中的混合气通过对应预冷器的金属壁面分隔换热。

本实施例中，搅拌器16可为桨叶式或叶轮式等结构，用于将固态载冷剂颗粒与载冷剂基液进行混合，形成均匀浆体。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备方法，其步骤如下：

在低温浆体制备之前，首先假设搅拌器16、所有低温调节阀(第一低温调节阀4、第二低温调节阀6、第三低温调节阀7、第四低温调节阀9和第五低温调节阀11)和超压阀14均处于关闭状态；

1)打开第二低温调节阀6，载冷剂通过载冷剂管路1，首先进入第一预冷器2进行一次预冷，然后进入第二预冷器3进行二次预冷，最后通过设有第二低温调节阀6的载冷剂管路1第二支路进入绝热容器17底部，作为载冷剂基液，当达到设定液位后，关闭第二低温调节阀6；其中，两次预冷后的载冷剂温度临近但不低于其对应压力下的三相点温度；

2)打开第一低温调节阀4、第四低温调节阀9、第五低温调节阀11和搅拌器16；使两次预冷后的载冷剂通过设有第一低温调节阀4的载冷剂管路1第一支路，进入载冷剂喷嘴5进行喷淋；同时，液氦一路通过设有第五低温调节阀11的氦循环管路8第一流出支路进入第二预冷器3对载冷剂进行二次预冷，另一路通过设有第四低温调节阀9的氦循环管路8第二流出支路，进入液氦喷嘴10进行喷淋；经载冷剂喷嘴5和液氦喷嘴10雾化后的液态载冷剂颗粒和液氦颗粒直接接触后，液氦气化形成氦气(同时产生氦气冷能)，液态载冷剂形成固态颗粒，随后与低温浆体混合区的载冷剂基液混合，在搅拌器16的作用下，形成均匀载冷剂浆体；氦气与部分气化的载冷剂气体形成混合气，达到一定压力后，通过设有超压阀14的混合气管路13排出；排出后的混合气进入第一预冷器2的第二通道，对其第一通道中载冷剂进行初步预冷，随后进入氦纯化器15，氦纯化器15将载冷剂气体去除，提纯氦气；

3)提纯后的氦气与来自第二预冷器3的氦气共同进入氦液化冷机12进行液化，液化后的液氦再分别进入第四低温调节阀9和第五低温调节阀11所在的氦循环管路8第二流出支路和第一流出支路，形成氦循环利用；

4)当绝热容器17中载冷剂低温浆体浓度达到设定值后，关闭第一低温调节阀4、第四低温调节阀9、第五低温调节阀11和超压阀14，打开第三低温调节阀7，通过挤压或泵推的方式将制备好的低温浆体排出。

本实施例中，当第一预冷器2的冷量足够将载冷剂的温度冷却到其三相点温度时，可停止向第二预冷器3供应液氦。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，其特征在于，包括：第一预冷器(2)、第二预冷器(3)、载冷剂喷嘴(5)、液氦喷嘴(10)、氦液化冷机(12)、氦纯化器(15)、搅拌器(16)和绝热容器(17)；其中，低温指小于120K的温度；

载冷剂管路(1)为载冷剂低温溶液的流通管路，其依次连通第一预冷器(2)的第一通道和第二预冷器(3)的第一通道；并在第二预冷器(3)出口端分为两条支路，第一支路与设置在低温浆体制备区的载冷剂喷嘴(5)连通，第二支路与低温浆体混合区连通；其中，载冷剂管路(1)第一支路上设有第一低温调节阀(4)，第二支路上设有第二低温调节阀(6)；第一预冷器(2)和第二预冷器(3)均有两个互不相通的通道；绝热容器(17)分为上下两部分，上部分为低温浆体制备区，下部分为低温浆体混合区；

氦循环管路(8)为冷却剂氦的流通管路，包含来自第二预冷器(3)和氦纯化器(15)的两类氦气流入支路，两类氦气流入支路汇合后将混合后的氦气送入氦液化冷机(12)液化，并在混合后的氦气流出氦液化冷机(12)后分为两条支路，第一流出支路与第二预冷器(3)的第二通道连通，第二流出支路与设置在低温浆体制备区的液氦喷嘴(10)连通，且液氦喷嘴(10)与载冷剂喷嘴(5)相向倾斜设置，并使二者相向且向下倾斜喷射；其中，氦循环管路(8)第一流出支路上设有第五低温调节阀(11)，第二流出支路上设有第四低温调节阀(9)；

混合气管路(13)为载冷剂气体与氦气的混合气流通管路，其中的混合气从低温浆体制备区流出，流入第一预冷器(2)的第二通道，且混合气管路(13)上设有超压阀(14)；其中，氦纯化器(15)与第一预冷器(2)的第二通道连通；搅拌器(16)设置在低温浆体混合区。

2.如权利要求1所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，其特征在于，所述绝热容器(17)的低温浆体混合区还设有第三低温调节阀(7)及其管路，用于排放低温浆体。

3.如权利要求1所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，其特征在于，所述氦液化冷机(12)为制冷机或膨胀机。

4.如权利要求1所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，其特征在于，所述氦纯化器(15)通过吸附或冷凝的方法去除载冷剂气体，提纯氦气。

5.如权利要求1所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，其特征在于，所述载冷剂为液氮或液氧或液氢。

6.如权利要求1所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，其特征在于，所述搅拌器(16)为桨叶式或叶轮式结构。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备装置，其特征在于，所述第一预冷器(2)和第二预冷器(3)中的载冷剂、第二预冷器(3)中的液氦及第一预冷器(2)中的混合气通过对应预冷器的金属壁面分隔换热。

8.一种基于氦循环的双预冷低温浆体制备方法，其特征在于，它使用如权利要求1所述的制备装置，并假设在低温浆体制备之前搅拌器(16)和所有低温调节阀均处于关闭状态，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一：打开第二低温调节阀(6)，载冷剂通过载冷剂管路(1)，依次进入第一预冷器(2)和第二预冷器(3)进行两次预冷，预冷后再通过载冷剂管路(1)第二支路进入绝热容器(17)底部，作为载冷剂基液，当达到设定液位后，关闭第二低温调节阀(6)并转入步骤二；其中，两次预冷后的载冷剂温度临近但不低于其对应压力下的三相点温度；

步骤二：打开第一低温调节阀(4)、第四低温调节阀(9)、第五低温调节阀(11)和搅拌器(16)；使两次预冷后的载冷剂通过载冷剂管路(1)第一支路，进入载冷剂喷嘴(5)进行喷淋；同时，液氦一路通过氦循环管路(8)第一流出支路进入第二预冷器(3)对载冷剂进行二次预冷，另一路通过氦循环管路(8)第二流出支路进入液氦喷嘴(10)进行喷淋；经载冷剂喷嘴(5)和液氦喷嘴(10)雾化后的载冷剂颗粒和液氦颗粒直接接触后，液氦气化形成氦气，液态载冷剂形成固态颗粒，随后与低温浆体混合区的载冷剂基液混合，在搅拌器(16)的作用下，形成均匀载冷剂浆体；转入步骤三；

步骤三：氦气与部分气化的载冷剂气体形成混合气，达到设定压力后，通过设有超压阀(14)的混合气管路(13)排出；排出后的混合气进入第一预冷器(2)的第二通道，对其第一通道中载冷剂进行初步预冷，随后进入氦纯化器(15)，氦纯化器(15)将载冷剂气体去除，提纯氦气；转入步骤四；

步骤四：将提纯后的氦气与来自第二预冷器(3)的氦气共同送入氦液化冷机(12)进行液化，液化后的液氦再分别送入氦循环管路(8)第二流出支路和第一流出支路，形成氦循环利用；转入步骤五；

步骤五：当绝热容器(17)中载冷剂低温浆体浓度达到设定值后，关闭第一低温调节阀(4)、第四低温调节阀(9)、第五低温调节阀(11)和超压阀(14)，打开第三低温调节阀(7)，将制备好的低温浆体排出。

9.如权利要求8所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备方法，其特征在于，所述步骤五中排出低温浆体的方式采用挤压或泵推。

10.如权利要求8或9所述的基于氦循环的双预冷低温浆体制备方法，其特征在于，所述当第一预冷器(2)的冷量大于或等于将载冷剂的温度冷却到其三相点温度时，停止向第二预冷器(3)供应液氦。

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