CN116428759A - 一种用于长距离运输低温流体的制冷系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温流体运输技术领域，特别涉及一种用于长距离运输低温流体的制冷系统和方法。本发明实施例提供了一种用于长距离运输低温流体的制冷系统，包括制冷减压单元和与所述制冷减压单元连接的运输管道，所述制冷减压单元用于对气体进行降温减压处理以得到超临界流体，所述运输管道用于将所述超临界流体运输至用户，所述运输管道连接所述用户的一端设置有第一减压装置，所述第一减压装置用于对所述超临界流体减压以使其变为液体进而输入至用户。本发明实施例提供了一种用于长距离运输低温流体的制冷系统和方法，能够提供一种能够长距离运输低温流体的系统和方法。

Description

一种用于长距离运输低温流体的制冷系统和方法

技术领域

本发明涉及低温流体运输技术领域，特别涉及一种用于长距离运输低温流体的制冷系统和方法。

背景技术

随着科技的发展，低温技术有着越来越多的应用场景。低温技术主要依托于低温流体。

现有技术中，低温流体主要通过低温管道运输至用户。但是，当用户距离较远，需要长距离运输时，由于低温管道长度较长，随着低温管道漏冷，部分低温流体会气化，形成气液两相，进而出现阻塞流和管道振动现象。

所以亟需一种能够长距离运输低温流体的系统和方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于长距离运输低温流体的制冷系统和方法，能够提供一种能够长距离运输低温流体的系统和方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于长距离运输低温流体的制冷系统，包括制冷减压单元和与所述制冷减压单元连接的运输管道，所述制冷减压单元用于对气体进行降温减压处理以得到超临界流体，所述运输管道用于将所述超临界流体运输至用户，所述运输管道连接所述用户的一端设置有第一减压装置，所述第一减压装置用于对所述超临界流体减压以使其变为液体进而输入至用户。

在一种可能的设计中，所述制冷减压单元包括用于制冷的第一子单元和用于制冷减压的第二子单元；

所述第一子单元包括透平膨胀机和第一换热器，所述透平膨胀机和所述第一换热器均输入有外界气体，所述透平膨胀机用于对输入的气体进行膨胀制冷处理以输出降温气体，所述透平膨胀机输出的降温气体用于输入至所述第一换热器，以为输入至所述第一换热器的外界气体降温，所述第一换热器输出的降温气体用于输入至所述第二子单元制冷减压。

在一种可能的设计中，所述第二子单元包括过冷器和第二换热器，所述第二换热器用于接收所述第一换热器输出的降温气体并对其进行进一步降温，所述过冷器包括外层空间和包裹在所述外层空间中的内层空间，所述内层空间和所述外层空间分别设置有用于减压的临界减压装置和用于减压的第二减压装置，所述第二换热器用于输出降温气体的出口分别与所述内层空间和所述外层空间连接，所述第二换热器输出的降温气体通过所述临界减压装置减压后进入所述内层空间，并在所述内层空间中降温形成所述超临界流体，所述第二换热器输出的降温气体通过所述第二减压装置减压降温后进入所述外层空间以为所述内层空间中的气体降温，所述外层空间输出的气体进入所述第二换热器以为其提供冷量。

在一种可能的设计中，所述第二换热器用于输出升温气体的出口与所述第一换热器用于输入待升温气体的入口连接。

在一种可能的设计中，所述透平膨胀机的输入端设置有第一节流装置，所述第一节流装置用于调节所述透平膨胀机的制冷量。

在一种可能的设计中，还包括杜瓦，所述杜瓦与所述第二换热器输出降温气体的出口连接，所述杜瓦输入口设置有第二节流装置，所述第二节流装置用于调节气体的压力使气体液化以存入所述杜瓦。

在一种可能的设计中，所述杜瓦的上部与所述第二换热器用于输入待升温气体的入口连接，所述杜瓦中的液体气化生成的气体进入所述第二换热器以为其提供冷量。

在一种可能的设计中，所述用户输出的低温流体通入所述第二换热器以为其提供冷量。

第二方面，本发明实施例还提供了一种用于长距离运输低温流体的方法，基于上述中任一制冷系统，所述方法包括：

利用所述制冷减压单元对气体进行降温减压处理以得到超临界流体；

利用所述运输管道将所述超临界流体运输至用户；其中，所述运输管道连接所述用户的一端设置有减压装置，所述第一减压装置用于对所述超临界流体减压以使其变为液体进而输入至用户。

第三方面，本发明实施例还提供了一种制冷系统的应用，所述制冷系统为上述中任一制冷系统，所述制冷系统应用于为距离500m以上的用户制冷。

本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

在本实施例中，高压的低温气体输入至制冷减压单元，制冷减压单元对低温气体进行制冷减压处理，使低温气体变为超临界流体状态。超临界流体通过运输管道进行长距离运输，超临界流体在低温高压下均一稳定，不会在长途运输的过程中因为部分冷量损失而改变状态，避免了低温液体在运输过程中气化所带来的堵塞和振动。当超临界流体运输至用户端时，利用减压装置对超临界流体进行减压处理，使其变为液体以供用户使用。

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获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于长距离运输低温流体的制冷系统的结构示意图。

图中：

1-制冷减压单元；

11-透平膨胀机；

12-第一换热器；

13-第一节流装置；

14-过冷器；

15-第二换热器；

16-临界减压装置；

17-第二减压装置；

2-运输管道；

21-第一减压装置；

3-用户；

4-杜瓦；

41-第二节流装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于长距离运输低温流体的制冷系统，包括制冷减压单元1和与制冷减压单元1连接的运输管道2，制冷减压单元1用于对气体进行降温减压处理以得到超临界流体，运输管道2用于将超临界流体运输至用户3，运输管道2连接用户3的一端设置有第一减压装置21，第一减压装置21用于对超临界流体减压以使其变为液体进而输入至用户3。

在本实施例中，高压的低温气体输入至制冷减压单元1，制冷减压单元1对低温气体进行制冷减压处理，使低温气体变为超临界流体状态。超临界流体通过运输管道2进行长距离运输，超临界流体在低温高压下均一稳定，不会在长途运输的过程中因为部分冷量损失而改变状态，避免了低温液体在运输过程中气化所带来的堵塞和振动。当超临界流体运输至用户3端时，利用减压装置对超临界流体进行减压处理，使其变为液体以供用户3使用。

需要说明的是，本申请中的气体包括氦气、氮气、氢气或甲烷。

在本发明的一些实施例中，制冷减压单元1包括用于制冷的第一子单元和用于制冷减压的第二子单元；

第一子单元包括透平膨胀机11和第一换热器12，透平膨胀机11和第一换热器12均输入有外界气体，透平膨胀机11用于对输入的气体进行膨胀制冷处理以输出降温气体，透平膨胀机11输出的降温气体用于输入至第一换热器12，以为输入至第一换热器12的外界气体降温，第一换热器12输出的降温气体用于输入至第二子单元制冷减压。

在本实施例中，制冷减压单元1中的第一子单元用于制冷，外界的高压气体首先进入第一子单元进行制冷。具体地，外界的高压气体分别进入第一子单元中的透平膨胀机11和第一换热器12，气体通过透平膨胀机11膨胀制冷后降温减压，形成降温气体，降温气体进入第一换热器12，为第一换热器12提供冷量，提供的冷量用于降温外界输入至第一换热器12的气体，如此，外界的高压气体经过第一换热器12后能够在保持高压的情况下降温，得到高压低温气体。高压低温气体进入第二子单元进行进一步减压降温以形成超临界流体。

需要说明的是，第一换热器12可以是一个，也可以是多个。当制冷系统具有多个第一换热器12时，外界输入的气体可以先进入一个第一换热器12进行降温后进入透平膨胀机11。

在本发明的一些实施例中，第二子单元包括过冷器14和第二换热器15，第二换热器15用于接收第一换热器12输出的降温气体并对其进行进一步降温，过冷器14包括外层空间和包裹在外层空间中的内层空间，内层空间和外层空间分别设置有用于减压的临界减压装置16和用于减压的第二减压装置17，第二换热器15用于输出降温气体的出口分别与内层空间和外层空间连接，第二换热器15输出的降温气体通过临界减压装置16减压后进入内层空间，并在内层空间中降温形成超临界流体，第二换热器15输出的降温气体通过第二减压装置17减压降温后进入外层空间以为内层空间中的气体降温，外层空间输出的气体进入第二换热器15以为其提供冷量。

在本实施例中，第一换热器12输出的高压低温气体进入第二换热器15中进一步降温，第二换热器15降温后输出的降温气体分别进入过冷器14的内层空间和外层空间。具体地，一部分第二换热器15输出的降温气体通过临界减压装置16减压后进入内层空间，并在内层空间中进行进一步降温形成超临界流体；另一部分第二换热器15输出的降温气体通过第二减压装置17减压降温后进入外层空间，外层空间中的低温气体为内层空间中的气体提供冷量以使其进一步降温并形成超临界流体。

在一些具体的实施例中，低温气体可以是氦气，经过多次降温后，第二换热器15输出的氦气的温度可低至6K左右，一部分6K的氦气通过第二减压装置17节流至0.02MPaA后进入外层空间；另一部分6K的氦气通过临界减压装置16进入内层空间并进一步降温至4.5K，形成超临界流体。临界减压装置16具有压力可调节功能，临界减压装置16减少的压力可以根据运输距离进行灵活调节。

在本发明的一些实施例中，第二换热器15用于输出升温气体的出口与第一换热器12用于输入待升温气体的入口连接。

在本实施例中，输入至第二换热器15的低温气体提供冷量后升温输出，输出的升温气体相较于第一换热器12中的待降温气体依然具有一定冷量，因此，第二换热器15输出的升温气体作为待升温气体（即制冷气体）输入至第一换热器12提供冷量。

在本发明的一些实施例中，透平膨胀机11的输入端设置有第一节流装置13，第一节流装置13用于调节透平膨胀机11的制冷量。

在本实施例中，通过设置在透平膨胀机11输入端的第一节流装置13能够调节进入透平膨胀机11的气体的量，进而调节透平膨胀机11的制冷量。

在本发明的一些实施例中，还包括杜瓦4，杜瓦4与第二换热器15输出降温气体的出口连接，杜瓦4输入口设置有第二节流装置41，第二节流装置41用于调节气体的压力使气体液化以存入杜瓦4。

在本实施例中，设置第二杜瓦4能够储存低温液体，杜瓦4还可以与近距离的用户端连接，实现多距离提供低温液体的功能。具体地，以氦为例，第二换热器15输出的降温气体通过第二节流装置41节流至0.03MPaA后液化进入杜瓦4。

在本发明的一些实施例中，杜瓦4的上部与第二换热器15用于输入待升温气体的入口连接，杜瓦4中的液体气化生成的气体进入第二换热器15以为其提供冷量。

在本实施例中，杜瓦4中的液体会气化会形成一些低温气体，可以将这些低温气体输送至第二换热器15以为其提供用于降温的冷量。

需要说明的是，本申请中通过多个换热器和多条通道，提升了制冷的效率和冷量的利用率。经过第一换热器12和第二换热器15提供冷量后的升温气体最终排出系统，进行回收再利用。整个过程中均在一个系统中进行闭式循环，没有气体物质的输入，如此设置，能够防止低温流体被污染。在流入第二换热器15之前，可以设置调节阀进行节流。

在本发明的一些实施例中，用户3输出的低温流体通入第二换热器15以为其提供冷量。

在本实施例中，用户3使用过的低温液体可以流入第二换热器15以提供冷量。在流入第二换热器15之前，可以设置调节阀进行节流。

在本发明中，第一减压装置21、第二减压装置17、第二节流装置41、第一节流装置13、临界减压装置16均可以是调节阀。

本发明实施例还提供了一种用于长距离运输低温流体的方法，基于上述实施例中任一制冷系统，方法包括：

利用制冷减压单元1对气体进行降温减压处理以得到超临界流体；

利用运输管道2将超临界流体运输至用户3；其中，运输管道2连接用户3的一端设置有减压装置，第一减压装置21用于对超临界流体减压以使其变为液体进而输入至用户3。

本发明实施例提供的方法和本发明实施例提供的制冷系统基于同一发明构思，因此，能够取得相同的技术效果，具体技术效果见上文制冷系统部分的实施例，不在此进行赘述。

本发明实施例还提供了一种制冷系统的应用，制冷系统为上述实施例中任一制冷系统，制冷系统应用于为距离500m以上的用户3制冷。

在本实施例中，本发明提供的制冷系统能够用于500m以上的长距离低温流体运输，运输过程安全稳定，无管道阻塞和管道振动的现象。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，包括制冷减压单元（1）和与所述制冷减压单元（1）连接的运输管道（2），所述制冷减压单元（1）用于对气体进行降温减压处理以得到超临界流体，所述运输管道（2）用于将所述超临界流体运输至用户（3），所述运输管道（2）连接所述用户（3）的一端设置有第一减压装置（21），所述第一减压装置（21）用于对所述超临界流体减压以使其变为液体进而输入至用户（3）。

2.根据权利要求1所述的用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，所述制冷减压单元（1）包括用于制冷的第一子单元和用于制冷减压的第二子单元；

所述第一子单元包括透平膨胀机（11）和第一换热器（12），所述透平膨胀机（11）和所述第一换热器（12）均输入有外界气体，所述透平膨胀机（11）用于对输入的气体进行膨胀制冷处理以输出降温气体，所述透平膨胀机（11）输出的降温气体用于输入至所述第一换热器（12），以为输入至所述第一换热器（12）的外界气体降温，所述第一换热器（12）输出的降温气体用于输入至所述第二子单元制冷减压。

3.根据权利要求2所述的用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，所述第二子单元包括过冷器（14）和第二换热器（15），所述第二换热器（15）用于接收所述第一换热器（12）输出的降温气体并对其进行进一步降温，所述过冷器（14）包括外层空间和包裹在所述外层空间中的内层空间，所述内层空间和所述外层空间分别设置有用于减压的临界减压装置（16）和用于减压的第二减压装置（17），所述第二换热器（15）用于输出降温气体的出口分别与所述内层空间和所述外层空间连接，所述第二换热器（15）输出的降温气体通过所述临界减压装置（16）减压后进入所述内层空间，并在所述内层空间中降温形成所述超临界流体，所述第二换热器（15）输出的降温气体通过所述第二减压装置（17）减压降温后进入所述外层空间以为所述内层空间中的气体降温，所述外层空间输出的气体进入所述第二换热器（15）以为其提供冷量。

4.根据权利要求3所述的用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，所述第二换热器（15）用于输出升温气体的出口与所述第一换热器（12）用于输入待升温气体的入口连接。

5.根据权利要求2所述的用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，所述透平膨胀机（11）的输入端设置有第一节流装置（13），所述第一节流装置（13）用于调节所述透平膨胀机（11）的制冷量。

6.根据权利要求3所述的用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，还包括杜瓦（4），所述杜瓦（4）与所述第二换热器（15）输出降温气体的出口连接，所述杜瓦（4）输入口设置有第二节流装置（41），所述第二节流装置（41）用于调节气体的压力使气体液化以存入所述杜瓦（4）。

7.根据权利要求6所述的用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，所述杜瓦（4）的上部与所述第二换热器（15）用于输入待升温气体的入口连接，所述杜瓦（4）中的液体气化生成的气体进入所述第二换热器（15）以为其提供冷量。

8.根据权利要求7所述的用于长距离运输低温流体的制冷系统，其特征在于，所述用户（3）输出的低温流体通入所述第二换热器（15）以为其提供冷量。

9.一种用于长距离运输低温流体的方法，基于权利要求1-8中任一所述的制冷系统，其特征在于，所述方法包括：

利用所述制冷减压单元（1）对气体进行降温减压处理以得到超临界流体；

利用所述运输管道（2）将所述超临界流体运输至用户（3）；其中，所述运输管道（2）连接所述用户（3）的一端设置有减压装置，所述第一减压装置（21）用于对所述超临界流体减压以使其变为液体进而输入至用户（3）。

10.一种制冷系统的应用，所述制冷系统为权利要求1-8中任一所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷系统应用于为距离500m以上的用户（3）制冷。

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