CN115451604A - 一种回热式制冷机多级膨胀系统 - Google Patents

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胡圣旸
肖天丞
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Abstract

本发明涉及一种回热式制冷机多级膨胀系统，包括依次连接的压缩机装置、回热式制冷机装置；所述膨胀组件包括多级膨胀气缸、设于各级膨胀气缸中的膨胀活塞、与各级膨胀活塞匹配的回热器，其中多级膨胀活塞的直径依次递减；多级膨胀气缸中，至少一级膨胀气缸中设有拓增膨胀活塞，且在该级膨胀气缸中设有与包括拓增膨胀活塞在内的各个膨胀活塞匹配的膨胀活塞密封机构，使得制冷机制冷级数相应增加。与现有技术相比，本发明通过增设气缸的插入单元，并制成阶梯型膨胀活塞，用简易的方法增加制冷机的制冷级数，输出更多温位的制冷量，从而减少由于温差导致的熵产损失，提高制冷效率及液化效率，并有助于获得更低的制冷温度。

Description

一种回热式制冷机多级膨胀系统
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种回热式制冷机多级膨胀系统。
背景技术
回热式制冷机是一种交变流动形式的制冷技术，利用回热器实现气体工质与回热填料之间的周期性的热量存储与释放，利用气体的膨胀产生制冷效应。回热器一般具有大的单位体积比表面积，结构形式包括丝网、丸状填料、间隙式等等。回热式低温制冷机具有可靠性高、结构简单、效率高等优点，在气体液化、超导冷却等低温技术中得到广泛应用。
G-M制冷机的基本制冷原理是绝热膨胀做功。GM压缩机将低压气体压缩至高压，经过冷却和油分离，通过配气机构连接制冷机冷头部分，传输PV功，实现高低压力波动，在回热器中回热，并在膨胀腔中膨胀制冷。
斯特林制冷机中压缩机往复运动，实现高低压力波动，之后没有配气阀门，连接制直接冷机冷头部分，传输PV功，在回热器中回热，并在膨胀腔中膨胀制冷。压缩活塞和膨胀活塞以一定的相位差运动。膨胀活塞又称为排出器。
G-M制冷机与斯特林制冷机等膨胀活塞式制冷机一般采用内置式结构，即回热器置于膨胀活塞之中，使得结构紧凑。
采用同一台压缩机驱动多级膨胀气缸在多个温位制冷的制冷机，叫做多级膨胀制冷，这种制冷过程也可叫做“串联膨胀”。
两级制冷机具有一个压缩空间和两个膨胀空间,实际上是把膨胀活塞制成阶梯形，形成两个膨胀腔,使少数气体在第一级膨胀腔膨胀，多数气体在第二级膨胀腔中膨胀。第一级的制冷温度较高，第二级较低.第一级产生的制冷量为第二级提供了一个热屏障，吸收来自室温的热漏，以保护第二级在更低温位制冷。第一级膨胀腔就像一个中间制冷点，产生制冷量来补偿从室温到第一级制冷温度区间的所有不可逆损失，因而第二级膨胀腔只需要提供补偿从中间制冷点到第二级制冷温度区间内冷损所需的附加制冷量。
当前液化等应用广泛，需要针对显热的，在更多制冷温位提供制冷量。现有技术以制冷机(常规为两级)的冷端制冷量(温度记为Tc)进行冷量利用，以预冷级(温度记为T1)提供中间温度的制冷量，而在冷端温度Tc与预冷级温度T1之间，以及预冷级温度T1与室温之间不能提供冷量，即不能在那些区间提供制冷量，从而导致预冷效率降低。若增加膨胀级数，结构复杂度增加且制造成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种回热式制冷机多级膨胀系统，本发明通过增加制冷机制冷级数，输出更多温位的制冷量，来根据实际需要，选择合适的温位的制冷量进行制冷，从而减少由于温差导致的熵产损失，提高制冷效率。
本发明中如果采用多级膨胀方法，就可以在中间温位输出冷量来补偿这些冷损失，便可节约低温位的冷量，在能量利用上更合理，可提高整机效率，得到更低的制冷温度。采用在原有制冷机基础上改造的方法，制造成本较低，结构复杂度低。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的是提供一种回热式制冷机多级膨胀系统，包括相互连接的压缩机装置、回热式制冷机装置，所述回热式制冷机装置包括回热器组件、膨胀组件、冷端换热器组件；
所述膨胀组件包括多级膨胀气缸、设于各级膨胀气缸中的膨胀活塞、与各级膨胀活塞匹配的回热器，其中多级膨胀活塞的直径依次递减；
各级膨胀活塞的下端设有管型的低导热的插入单元，插入单元与直径依次递减的多级膨胀活塞形成直径与长度上的匹配；
多级膨胀气缸中，至少一级膨胀气缸中增设拓增多级膨胀活塞，且在插入单元与各个膨胀活塞之间设有匹配的膨胀活塞密封机构，使得制冷机制冷级数相应增加。
进一步地，所述插入单元与对应级膨胀气缸固定连接，且使得膨胀活塞密封机构夹设于插入单元与膨胀活塞之间。
进一步地，膨胀活塞密封机构设于各级膨胀活塞与气缸上，或分布在部分或整个膨胀活塞区间；
进一步地，所述膨胀活塞密封机构为弹性密封圈或间隙式密封环。
所述插入单元上方空间构成膨胀腔。
多级膨胀活塞的直径自上而下依次递减，以此构成整体为阶梯状的膨胀活塞。
进一步地，所述回热式制冷机多级膨胀系统的一级或多级膨胀结构中：
在至少一级膨胀结构中增设拓增膨胀活塞，其他各级膨胀结构则不增设拓增膨胀活塞。
拓增膨胀活塞拓增膨胀活塞进一步地，所述回热式制冷机装置为采用回热器部件实现热量的交变式储存与释放的制冷机，其中回热器组件放置于膨胀组件之中。
进一步地，所述制冷机包括GM制冷机、索尔维制冷机、斯特林制冷机、维勒米尔(VM)制冷机中的一种或多种制冷机多级耦合的混合结构形式，包括GM制冷机、索尔维制冷机、斯特林制冷机、维勒米尔(VM)制冷机其中的一种与脉管制冷机进行耦合的混合结构形式。
进一步地，所述回热式制冷机多级膨胀系统中的平均工作压力为0.1至3000倍的大气压(0.01-300MPa)。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本发明采用变截面多级回热式制冷机单元，通过改变膨胀活塞的部分截面积，并增设膨胀活塞密封机构，使得制冷机膨胀级数增加，可输出更多温位的制冷量，来根据实际需要，选择合适的温位的制冷量进行利用，从而减少由于温差导致的熵产损失，提高制冷效率。
2)本发明通过采用多级膨胀方法，可以在中间温位输出合适温位的冷量来补偿这些冷损失，避免了用低温位制冷量来补偿来自高温位热损失的需要，便可节约低温位的冷量，在能量利用上更合理，可提高整机效率，得到更低的制冷温度。
3)本发明结构形式的变截面多级回热式制冷机单元的方法可适用于小型系统和大型系统，适用于液氦、液氢气、液氮气、液化甲烷等各种工质，具有广泛的应用前景。
4)本发明中结构方案可以在原有制冷系统的基础上对制冷机气缸和活塞进行改造，改造成本低且结构复杂度低。
附图说明
图1为本发明实施例1的由二级GM制冷机改造的四级GM制冷机中间温位制冷量利用系统的机构示意图；
图2为本发明实施例2的由一级斯特林制冷机改造的三级斯特林制冷机，并与脉管制冷机耦合的中间温位制冷量利用系统的机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
本发明通过增加制冷机制冷级数，输出更多温位的制冷量，来根据实际需要，选择合适的温位的制冷量进行制冷，从而减少由于温差导致的熵产损失，提高制冷效率。如果采用多级膨胀方法，就可以在中间温位输出冷量来补偿这些冷损失，便可节约低温位的冷量，在能量利用上更合理，可提高整机效率，得到更低的制冷温度。采用在原有制冷机基础上改造的方法，制造成本较低，结构复杂度低。
本发明中气缸结构模块的气缸结构保持截面沿长度方向不变，气缸内增加低导热的插入单元，与原气缸形成连接，在插入单元上方与阶梯型膨胀活塞之间形成新的膨胀腔。
本发明中变截面多级回热式制冷机单元通过改变膨胀活塞的部分截面积，并增设膨胀活塞密封机构，使得制冷机膨胀级数增加，可输出更多温位的制冷量，来根据实际需要，选择合适的温位的制冷量进行利用。
本发明中中间温位冷端换热器至制冷量利用模块的传输冷量方式包括管道传输冷却介质、固体导热、气体导热等。
本发明中回热式制冷机单元为采用回热器部件实现热量的交变式储存与释放的制冷机，包括：GM制冷机、索尔维制冷机、斯特林制冷机，或多种制冷机进行多级耦合的混合结构形式。其中回热器放置于膨胀活塞之中。所述回热式制冷模块中的平均工作压力为0.1至3000倍的大气压(0.01-300MPa)。
实施例1
如图1所示，本实施例采用的变截面多级膨胀回热式制冷机包括：回热器、膨胀组件、气缸的插入单元；
气缸结构保持截面沿长度方向不变，气缸内增加低导热的插入单元(40、41)，与原气缸形成连接，在插入单元上方与阶梯型膨胀活塞之间形成新的膨胀腔(13、17、23、27)。
回热式制冷机单元包括压缩装置1、压缩机低压储气罐2、压缩机冷却器和过滤装置3、压缩机高压储气罐4、GM型压缩机高低压配气阀5、制冷机进气通道6、制冷机气缸7、第一级膨胀活塞11、第一级回热器8、第一级膨胀活塞密封机构9、第一级膨胀活塞与气缸的间隙10、第一级膨胀腔13。
变截面多级结构中创新增设了拓增一级膨胀活塞16、拓增一级回热器15、拓增一级膨胀活塞密封机构14、拓增一级膨胀活塞与气缸的间隙18、拓增一级膨胀腔17、第一级冷端换热器19。
同时，变截面多级结构中创新设计了拓增二级膨胀活塞21、拓增二级回热器22、拓增二级膨胀活塞密封机构20、拓增二级膨胀活塞与气缸的间隙30、拓增二级膨胀腔23。
第二级膨胀活塞25、第二级回热器24、第二级膨胀活塞密封机构29、第二级回热器与气缸的间隙26、第二级膨胀腔27、第二级冷端换热器28。
本实施例的工作过程为：
按上述流程完成系统安装，充入工作压力的气体工质。先运行压缩机1，来自压缩机的高压气体进入膨胀机，对膨胀腔和回热器进行绝热充气，回热器8和热腔中压力升高。当压力平衡后，第一级膨胀活塞11向上移动，将进入到热腔的高压气体推移通过回热器进入第一级膨胀腔13。气体通过回热器时，向填料放热，气体的温度和压力降低。第一级膨胀活塞11移动到制冷机气缸7顶部时，进气阀关闭，一部分气体进入第一级膨胀腔13进行膨胀制冷，另一部分气体进入拓增一级回热器15内继续被冷却后，进入拓增一级膨胀腔17膨胀，获得较第一级更低的制冷温度。同时，部分气体通过拓增二级回热器22冷却后，到达拓增二级膨胀腔23进行膨胀，其中的一部分气体同上，通过二级回热器24进入二级膨胀腔27进行膨胀制冷，获得二级制冷温度。在图示制冷系统内可拓增两级不同温度和制冷量。制冷量通过冷端换热组件28被引出，进入制冷量利用模块31进行利用。实际生产中可根据需要选择合适的冷端换热器引出冷量进行制冷。
实施例2
如图2所示，本实施例采用的变截面多级膨胀回热式制冷机包括：回热器、膨胀组件、气缸的插入单元；
气缸结构保持截面沿长度方向不变，气缸内增加低导热的插入单元61、62，与原气缸形成连接，在插入单元上方与阶梯型膨胀活塞之间形成新的膨胀腔13，33，43。
回热式制冷机单元包括活塞式压缩装置1、压缩机冷却器3、制冷机进气管道6、制冷机气缸7、第二级冷端连管50、第二级脉管冷端换热器51、第二级脉管52、第二级脉管热端换热器53、第二级调相机构54、第二级脉管热端换热器与拓增二级冷端换热器之间的热桥63。第一级膨胀活塞11、第一级回热器8、第一级膨胀活塞密封机构9、第一级膨胀活塞与气缸的间隙10、第一级膨胀腔13。
拓增一级膨胀活塞31、拓增一级回热器38、拓增一级膨胀活塞密封机构39、拓增一级膨胀活塞与气缸的间隙30、拓增一级膨胀腔33。
拓增二级膨胀活塞41、拓增二级回热器48、拓增二级膨胀活塞密封机构49、拓增二级膨胀活塞与气缸的间隙40、拓增二级膨胀腔43、拓增二级冷端换热器42。
第二级回热器16、第二级回热器与气缸的间隙20、第二级冷端换热器24。
本实施例的工作过程为：
按上述流程完成系统安装，充入工作压力的气体工质。先运行压缩机1，来自压缩机的高压气体进入膨胀机，对膨胀腔和回热器进行绝热充气，回热器8和热腔中压力升高。当压力平衡后，第一级膨胀活塞11向上移动，进入到热腔的高压气体被推移通过回热器，并被回热器内的回热填料冷却，进入第一级膨胀腔13，同时压力有所降低。第一级膨胀活塞11移动到制冷机气缸7顶部时，一部分气体进入第一级膨胀腔13进行膨胀制冷，另一部分气体进入拓增一级回热器38内继续被冷却后，进入拓增一级膨胀腔33膨胀，获得较第一级更低的制冷温度，还有一部分气体通过拓增二级回热器48内被继续冷却后，进入拓增二级膨胀腔43膨胀，获得更低的制冷温度。以此类推，在图示制冷系统内可拓增两级不同温度和制冷量。后进入第二级脉管制冷机，依次经过回热器、冷端连管、脉管与调相机构，制冷量通过冷端换热组件24被引出，脉管的热端与调相机构通过热桥连接至回热器热端。通过增加膨胀级数预冷的方式减小了熵产，提高了制冷效率和获得了更低的制冷温度。实际生产中可根据需要选择合适的冷端换热器引出冷量进行制冷。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，包括相互连接的压缩机装置、回热式制冷机装置，所述回热式制冷机装置包括回热器组件、膨胀组件、冷端换热器组件；
所述膨胀组件包括多级膨胀气缸、设于各级膨胀气缸中的膨胀活塞、与各级膨胀活塞匹配的回热器，其中多级膨胀活塞的直径依次递减；
各级膨胀活塞的下端设有管型的低导热的插入单元，插入单元与直径依次递减的多级膨胀活塞形成直径与长度上的匹配；
多级膨胀气缸中，至少一级膨胀气缸中增设拓增多级膨胀活塞，且在插入单元与各个膨胀活塞之间匹配设有膨胀活塞密封机构，使得制冷机制冷级数相应增加。
2.根据权利要求1所述的一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，所述插入单元与对应级膨胀气缸固定连接，且使得膨胀活塞密封机构夹设于插入单元与膨胀活塞之间。
3.根据权利要求1所述的一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，膨胀活塞密封机构设于各级膨胀活塞与气缸上，或分布在部分或整个膨胀活塞区间。
4.根据权利要求1所述的一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，所述膨胀活塞密封机构为弹性密封圈或间隙式密封环；
所述插入单元上方空间构成膨胀腔；
多级膨胀活塞的直径自上而下依次递减，以此构成整体为阶梯状的膨胀活塞。
5.根据权利要求1所述的一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，所述回热式制冷机多级膨胀系统的一级或多级膨胀结构中：
在至少一级膨胀结构中增设拓增膨胀活塞，其他各级膨胀结构则不增设拓增膨胀活塞。
6.根据权利要求1所述的一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，所述回热式制冷机装置为采用回热器部件实现热量的交变式储存与释放的制冷机，其中回热器组件放置于膨胀组件之中。
7.根据权利要求5所述的一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，所述制冷机包括GM制冷机、索尔维制冷机、斯特林制冷机、维勒米尔(VM)制冷机中的一种或多种制冷机多级耦合的混合结构形式，或包括GM制冷机、索尔维制冷机、斯特林制冷机、维勒米尔(VM)制冷机其中的一种与脉管制冷机进行耦合的混合结构形式。
8.根据权利要求1所述的一种回热式制冷机多级膨胀系统，其特征在于，所述回热式制冷机多级膨胀系统中的平均工作压力为0.1至3000倍的大气压(0.01-300MPa)。
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