CN117232212A - 一种氮氧一体式液化装置及其液化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种氮氧一体式液化装置及其液化方法，具体涉及于液化技术领域,所述氮氧一体式液化装置包括制冷单元及节流液化单元，其中：所述制冷单元包括压缩机、滤油器和冷箱，所述冷箱内部设有换热器组及透平膨胀机，所述换热器组包括第一换热器、第二换热器及第三换热器，所述节流液化单元包括所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、液氧杜瓦、液氮杜瓦及柱塞泵，本发明通过第一换热器、第二换热器和第三换热器三个不同级别的换热器对氧气和氮气分别进行热交换，能够克服氧气氮气液化点的差异，同时还可以充分利用冷量降低能耗，液化效率更高。

Description

一种氮氧一体式液化装置及其液化方法
技术领域
本发明涉及液化技术领域，尤其涉及一种氮氧一体式液化装置及其液化方法。
背景技术
液氮和液氧是低温制冷系统广泛使用的冷源，尤其在航空航天、机械制造、军工等技术领域有非常大的需求，目前多种低温技术可以实现氧气、氮气的液化，其中最主要的制冷技术包括：混合工质压缩制冷技术、斯特林制冷技术。GM制冷技术以及透平膨胀制冷技术，其中，透平膨胀机制冷机因其结构简单，寿命长，国产化程度较高，透平膨胀制冷机采用静压透平技术，主要部件包括压缩机、透平膨胀机、换热器等部件，气体工质主要采用氦、氖、氮等惰性气体，透平膨胀制冷技术采用逆布雷顿循环或者克劳特循环，其理论循环接近卡诺效率，随着加工和制造技术的进步，压缩机和透平膨胀的效率仍有较大的提升空间。
由于氮气和氧气的液化点不同，因此现有技术中，通常是将氧气和氮气进行分开加工液化，而将氮气和氧气进行分开液化所需要消耗的能耗较高，其次对氧气液化和对氮气液化时，需要设定不同的工作参数，较为不便。
发明内容
为了解决现有技术中，氧气和氮气液化点不同，需要分开进行液化而导致能耗较高的问题，本发明提出一种氮氧一体式液化装置及其液化方法。
本发明通过以下技术方案实现的：
本发明提出所述氮氧一体式液化装置包括制冷单元及节流液化单元，其中：
所述制冷单元包括压缩机、滤油器和冷箱，所述冷箱内部设有换热器组及透平膨胀机，所述换热器组包括第一换热器、第二换热器及第三换热器；
所述节流液化单元包括所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、液氧杜瓦、液氮杜瓦及柱塞泵；
制冷工质在所述压缩机中被等温压缩形成高压压力，高压的制冷工质经所述滤油器除油处理后进入所述冷箱，再经所述第一换热器被返流的冷工质冷却后进入所述透平膨胀机进行绝热膨胀制冷，形成的低温低压的制冷工质再进入所述第二换热器的低压侧入口，并依次经过所述第二换热器、所述第三换热器及所述第一换热器后返流至所述压缩机的低压吸气端进行再次循环；
高压氧气经所述第一换热器和所述第二换热器被返流的制冷工质冷却至过冷状态，再进入所述液氧杜瓦形成液氧；高压氮气经所述第一换热器和所述第三换热器被返流的制冷工质冷却至过冷状态，再进入所述液氮杜瓦形成液氮，所述液氮和所述液氧再分别经所述柱塞泵增压后形成高压气体，用于高压氮气和高压氧气的罐装。
进一步的，所述制冷单元还包括调节阀CV6，所述制冷工质经过第一换热器32后，经过调节阀CV6进入至所述膨胀机第一换热器内。
进一步的，所述节流液化单元还包括入口调节阀CV4和出口节流阀CV8，所述高压氧气经过入口调节阀CV4进入至第一换热器内，所述高压氧气在第二换热器33内完成换热后，经过出口节流阀CV8流入至液氧杜瓦内。
进一步的，所述节流液化单元还包括入口调节阀CV5和出口节流阀CV7，所述高压氮气经过入口调节阀CV5进入至第一换热器内，所述高压氮气在第三换热器内完成换热后，经过出口节流阀CV7流入至液氮杜瓦内。
进一步的，还包括缓冲单元，所述缓冲单元包括缓冲罐和三通管，所述三通管上分别连通有加载阀CV2、卸载阀CV3和缓冲罐，所述缓冲罐内的缓冲气体通过加载阀CV2进入至第一换热器内，所述第一换热器内的制冷工质通过所述卸载阀CV3进入至缓冲罐内。
进一步的，所述缓冲单元还包括旁通阀CV1，所述滤油器过滤后的制冷工质通过所述旁通阀CV1进入至所述压缩机内来稳定制冷工质的高低压。
进一步的，所述制冷工质为氦气或氖气中的一种或两种。
进一步的，所述压缩机为低压螺杆式压缩机。
进一步的，所述氮氧一体化液化装置运作方法包括：
进一步的，一种氮氧一体式液化装置的液化方法，其特征在于，包括下述步骤：
所述制冷工质在所述压缩机内被等温压缩形成高压制冷工质后经过所述滤油器的精密除油，所述缓冲罐的进行控制制冷工质气压稳定，高压的制冷工质进入至所述冷箱内，经过所述第一换热器进行换热后冷却到一定温度的制冷工质进入至所述膨胀机进行绝热膨胀制冷形成低温低压的制冷工质，此时制冷工质的温度低于液氧或液氮的饱和温度并依次进入至所述第二换热器、所述第三换热器、所述第一换热器，对氧气和氮气进行冷却，同时对压缩后的高压制冷工质进行冷却，最终重新流回至所述压缩机内；
高压氧气经过所述第一换热器和所述第二换热器的冷却至过冷状态后，进入至所述氧气杜瓦内并转换成液氧进行储存，高压氮气经过所述第一换热器和所述第三换热器的冷却至过冷状态后，进入至所述氮气杜瓦内并转换成液氮进行储存。
本发明的有益效果：
本发明提出的氮氧一体式液化装置及其运作方法，可以通过设置第一换热器、第二换热器和第三换热器分别对氧气液化管路、氮气液化管路进行热交换，从而对氧气、氮气进行降温液化，一方面能够克服氧气和氮气的液化点差异，能够同时实现氧气和氮气或其他两种液化点不同的气体液化，结构更加简单，另一方面可以充分利用制冷工质的冷量，降低能耗。
附图说明
图1为本发明的氮氧一体式液化装置的结构图；
图中：压缩机1，滤油器2，冷箱3，膨胀机31，第一换热器32，第二换热器33，第三换热器34，液氧杜瓦5，液氮杜瓦6，柱塞泵7，缓冲罐8。
本发明为目的的实现、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
为了更加清楚完整的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参考图1，本发明提出氮氧一体式液化装置包括制冷单元及节流液化单元，其中：
制冷单元包括压缩机1、滤油器2和冷箱3，冷箱3内部设有换热器组及透平膨胀机31，换热器组包括第一换热器32、第二换热器33及第三换热器34；
节流液化单元包括第一换热器32、第二换热器33、第三换热器33、液氧杜瓦5、液氮杜瓦6及柱塞泵7；
制冷工质在压缩机1中被等温压缩形成高压压力，高压的制冷工质经滤油器2除油处理后进入冷箱3，再经第一换热器32被返流的冷工质冷却后进入透平膨胀机31进行绝热膨胀制冷，形成的低温低压的制冷工质再进入第二换热器33的低压侧入口，并依次经过第二换热器33、第三换热器34及第一换热器32后返流至压缩机1的低压吸气端进行再次循环；
高压氧气经第一换热器32和第二换热器33被返流的制冷工质冷却至过冷状态，再进入液氧杜瓦5形成液氧；高压氮气经第一换热器32和第三换热器34被返流的制冷工质冷却至过冷状态，再进入液氮杜瓦形成液氮，液氮和液氧再分别经柱塞泵7增压后形成高压气体，用于高压氮气和高压氧气的罐装。
在本实施方式中：
冷箱3内的第一换热器32、第二换热器33和第三换热器34用于为氧气、氮气液化进行热交换降温；
氧气液化装置用于将氧气进行液化；
节流液化单元用于将氮气进行液化；
压缩机1用于将工质等温压缩进行制冷；
滤油器2用于制冷回路的精密除油；
膨胀机31用于绝热膨胀制冷；
柱塞泵7用于对液氧和液氮进行增压；
氧气杜瓦5用于储存氧气液化后的液氧；
氮气杜瓦6用于储存氮气液化后的液氮；
具体的，压缩机1为低压螺杆式压缩机，滤油器2可以进行过滤掉制冷工质中的杂质，防止制冷工质中的杂质影响制冷工质的制冷效率，膨胀机31可以进行，压缩机1采用低压螺杆式压缩机1，也可以根据实际需要进行选择，压缩机1将工质进行等温压缩形成高压力，高压的工质进入至冷箱3内，经过第一换热器32的一侧，第一换热器32对制冷工质进行热交换，制冷工质进行冷却至一定温度后，制冷工质进入至膨胀机31的绝热膨胀制冷，使其温度低于液氧或液氮的饱和温度，随后低温低压的制冷工质进入至第二换热器33的入口，并依次经过第二换热器、第三换热器、第一换热器的另一侧并与第二换热器、第三换热器、第一换热器进行冷却换热，完成热交换后的制冷工质重新回到压缩机1的入口端进行再次循环，由于氧气和氮气的液化点不同，氮气在低温下相比于氧气会更容易液化，冷箱3中第一换热器32的冷却作用最大、第二换热器33、第三换热器34的冷却作用最小，氧气通过入口调节阀CV4进入至第一换热器32内进行热交换后，再进入至第二换热器33内进行热交换成为液氧，最后由出口节流阀CV7流出，氮气通过入口调节阀CV5进入至第一换热器32内进行换热后，再进入至第三换热器34内进行热交换形成液氮，最后由出口节流阀CV8流出，通过三个不同等级的换热器对氧气和氮气的分别液化，可克服氧气氮气液化点的差异，不同等级的换热器进行液化氧气和氮气，可以同时实现氧气和氮气的液化，简化了液化装置的结构，同时液化效率更高，能耗更低，其次通过本发明提供的氮氧一体液化装置也可以实现两种不同液化点的其他气体进行液化。
在一个实时例中：氧气杜瓦5和氮气杜瓦6可以进行储存液氧和液氮，出口节流阀CV7和出口节流阀CV8进行打开，随后液化后的氮气和氧气分别进入至氮气杜瓦6和氧气杜瓦5内进行储存以备使用。
在另一个实施例中：柱塞泵7另一连有气体出口管，在需要使用或进行灌装液氮和液氧时，液氧和液氮可以经过柱塞泵7增压后，在通过气体出口管输送至外部的汽化器成为高压气体，随后再将高压氮气和高压氧气进行灌装以备其它设备使用。
进一步的，制冷单元还包括调节阀CV6，制冷工质经过第一换热器32后，经过调节阀CV6进入至膨胀机31第一换热器32内，节流液化单元还包括入口调节阀CV4和出口节流阀CV8，高压氧气经过入口调节阀CV4进入至第一换热器32内，高压氧气在第二换热器33内完成换热后，经过出口节流阀CV8流入至液氧杜瓦5内，节流液化单元还包括入口调节阀CV5和出口节流阀CV7，高压氮气经过入口调节阀CV5进入至第一换热器32内，高压氮气在第三换热器34内完成换热后，经过出口节流阀CV7流入至液氮杜瓦6内。
在本实施方式中：
调节阀CV6用于阻断和打开制冷单元；
入口调节阀CV4和入口调节阀CV5分别用于调节通入氮气和氧气；
出口调节阀CV7和出口调节阀CV8分别用于调节输送出液氧和液氮；
具体的，出口调节阀CV7和出口调节阀CV8可以进行打开和关闭氮气出口和氧气出口，来控制液氧和液氮流入至氧气杜瓦5和氮气杜瓦6内，入口调节阀CV4和入口调节阀CV5可以进行打开氮气入口和氧气入口，来控制氧气和氮气流入分别流入至氧气液化管路和氮气液化管路内，调节阀CV6，入口调节阀CV4，入口调节阀CV5，出口调节阀CV7和出口调节阀CV8可以通过外部控制面板或PLC系统进行智能控制，来实现制冷单元、节流液化单元和氧气液化装置的打开和关闭。
进一步的，还包括缓冲单元，缓冲单元包括缓冲罐8和三通管，三通管上分别连通有加载阀CV2、卸载阀CV3和缓冲罐8，缓冲罐8内的缓冲气体通过加载阀CV2进入至第一换热器32内，第一换热器32内的制冷工质通过卸载阀CV3进入至缓冲罐8内，缓冲单元还包括旁通阀CV1，滤油器2过滤后的制冷工质通过旁通阀CV1进入至压缩机1内来稳定制冷工质的高低压。
在本实施方式中：
缓冲罐8用于控制制冷回路内的工质高低压的稳定；
加载阀CV2和卸载阀CV3用于打开和关闭缓冲罐8；
旁通阀CV1用于打开压缩机1两侧的回路；
具体的，外部的气体管理面板可以进行控制旁通阀CV1、加载阀CV2和卸载阀CV3的打开与关闭，缓冲单元可以进行调节控制压缩机1的进出口压力，来使制冷工质的气压稳定，以保持制冷回路的稳定运行。
进一步的，制冷工质为氦气或氖气中的一种或两种。
在本实施方式中：
制冷工质用于为换热器提供冷源进行热交换；
具体的，制冷工质可以进行降温完成热交换，制冷工质可以是氦气，也可以是氖气，也可以是氮气和氖气混合物，制冷工质可以根据实际需要进行选择气体的种类。
进一步的，氮氧一体化液化装置运作方法包括：
膨胀制冷：制冷工质在压缩机1内恒温压缩形成高压制冷工质后从出口端流出，制冷工质经过滤油器2的精密除油后，缓冲罐8的进行控制制冷工质气压稳定，高压的制冷工质冷箱3内，经过第一换热器32进行换热后冷却到一定温度的制冷工质进入至膨胀机31进行绝热膨胀制冷形成低温低压的制冷工质，此时制冷工质的温度低于液氧或液氮的饱和温度并依次进入至第二换热器、第三换热器、第一换热器，对氧气和氮气进行冷却，同时对压缩后的高压制冷工质进行冷却，最终重新流入至压缩机1的内。
氧气液化：氧气在外部高压处理后，从氧气液化管路的氧气入口进入，随后经过第一换热器32和第二换热器33的冷却后，转化为液氧并从氧气出口进入至氧气杜瓦5内进行储存。
氮气液化：氮气在外部高压处理后，从氮气液化管路的氧气入口进入，随后经过第一换热器32和第三换热器34的冷却后，转化为液氧并从氧气出口进入至氮气杜瓦6内进行储存。
在一个实时例中：控制运作参数，其中：氧气进口压力：0.4MPa，液氧压力：1.2bar，氮气进口压力：0.6MPa，液氮压力：1.2bar，液氧温度：88.69K，液氮温度：78.82K，制冷工质氦循环量：35g/s，0.4MPa的高压氧气经过第一换热器32和第二换热器33内并通过制冷工质冷却至过冷状态，随后经过节流阀CV8进入至氧气杜瓦5内,0.6MPa的高压氮气经过第一换热器32和第三换热器34内并通过制冷工质冷却至过冷状态，并通过节流阀CV7进入至氮气杜瓦6内，最后进行计算可得到以下参数：氧液化率：11.97Nm3/h，氮液化率：22.79Nm3/h，总UA值6.888KJ/K.S，预期功耗：47.76KW，由此可见，本发明提出的氮氧一体液化装置液化效率相对于传统的液化装置更高，同时能耗更低。
综上，在具体实施时：制冷工质在压缩机1中压缩形成高压力，高压的制冷工质通过滤油器2进行除油后，进入至第一换热器32的一侧内进行热交换，进行热将换后的制冷工质通过第一换热器32进行冷却到一定温度后，经过调节阀CV6进入膨胀机31内进行绝热膨胀制冷，通过膨胀制冷的再次降温后，制冷工质温度低于液氧或液氮的饱和温度，并形成低温低压的制冷工质再依次进入至第二换热器33内进行换热、第三换热器34、第一换热器32的另一侧内进行换热冷却，完成冷却后的制冷工质，从压缩机1的入口端并再次循环，制冷单元为第一换热器32、第二换热器33和第三换热器34提供冷量，随后氧气通过调节阀CV4依次进入至第一换热器32、第二换热器33内进行热交换，最后通过出口节流阀CV7进行流入至氧气杜瓦5内进行储存，氮气通过调节阀CV5依次进入至第一换热器32、第三换热器34内进行热交换，最后通过出口节流阀CV8进行流入至氮气杜瓦6内进行储存。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种氮氧一体式液化装置，其特征在于，所述氮氧一体式液化装置包括制冷单元及节流液化单元，其中：
所述制冷单元包括压缩机(1)、滤油器(2)和冷箱(3)，所述冷箱(3)内部设有换热器组及透平膨胀机(31)，所述换热器组包括第一换热器(32)、第二换热器(33)及第三换热器(34)；
所述节流液化单元包括所述第一换热器(32)、第二换热器(33)、第三换热器(33)、液氧杜瓦(5)、液氮杜瓦(6)及柱塞泵(7)；
制冷工质在所述压缩机(1)中被等温压缩形成高压压力，高压的制冷工质经所述滤油器(2)除油处理后进入所述冷箱(3)，再经所述第一换热器(32)被返流的冷工质冷却后进入所述透平膨胀机(31)进行绝热膨胀制冷，形成的低温低压的制冷工质再进入所述第二换热器(33)的低压侧入口，并依次经过所述第二换热器(33)、所述第三换热器(34)及所述第一换热器(32)后返流至所述压缩机1的低压吸气端进行再次循环；
高压氧气经所述第一换热器(32)和所述第二换热器(33)被返流的制冷工质冷却至过冷状态，再进入所述液氧杜瓦(5)形成液氧；高压氮气经所述第一换热器(32)和所述第三换热器(34)被返流的制冷工质冷却至过冷状态，再进入所述液氮杜瓦形成液氮，所述液氮和所述液氧再分别经所述柱塞泵(7)增压后形成高压气体，用于高压氮气和高压氧气的罐装。
2.根据权利要求1所述的氮氧一体式液化装置，其特征在于，所述制冷单元还包括调节阀(CV6)，所述制冷工质经过第一换热器(32)后，经过调节阀(CV6)进入至所述膨胀机(31)第一换热器(32)内。
3.根据权利要求1所述的氮氧一体式液化装置，其特征在于，所述节流液化单元还包括入口调节阀(CV4)和出口节流阀(CV8)，所述高压氧气经过入口调节阀(CV4)进入至第一换热器(32)内，所述高压氧气在第二换热器(33)内完成换热后，经过出口节流阀(CV8)流入至液氧杜瓦(5)内。
4.根据权利要求3所述的氮氧一体式液化装置，其特征在于，所述节流液化单元还包括入口调节阀(CV5)和出口节流阀(CV7)，所述高压氮气经过入口调节阀(CV5)进入至第一换热器(32)内，所述高压氮气在第三换热器(34)内完成换热后，经过出口节流阀(CV7)流入至液氮杜瓦(6)内。
5.根据权利要求1所述的氮氧一体式液化装置，其特征在于，还包括缓冲单元，所述缓冲单元包括缓冲罐(8)和三通管，所述三通管上分别连通有加载阀(CV2)、卸载阀(CV3)和缓冲罐(8)，所述缓冲罐(8)内的缓冲气体通过加载阀(CV2)进入至第一换热器(32)内，所述第一换热器(32)内的制冷工质通过所述卸载阀(CV3)进入至缓冲罐(8)内。
6.根据权利要求5所述的氮氧一体式液化装置，其特征在于，所述缓冲单元还包括旁通阀(CV1)，所述滤油器(2)过滤后的制冷工质通过所述旁通阀(CV1)进入至所述压缩机1内来稳定制冷工质的高低压。
7.根据权利要求1所述的氮氧一体式液化装置，其特征在于，所述制冷工质为氦气或氖气中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的氮氧一体式液化装置，其特征在于，所述压缩机(1)为低压螺杆式压缩机。
9.一种根据权利要求1-8任意一条所述氮氧一体式液化装置的液化方法，其特征在于，包括下述步骤：
所述制冷工质在所述压缩机(1)内被等温压缩形成高压制冷工质后经过所述滤油器(2)的精密除油，所述缓冲罐(8)的进行控制制冷工质气压稳定，高压的制冷工质进入至所述冷箱(3)内，经过所述第一换热器(32)进行换热后冷却到一定温度的制冷工质进入至所述膨胀机(31)进行绝热膨胀制冷形成低温低压的制冷工质，此时制冷工质的温度低于液氧或液氮的饱和温度并依次进入至所述第二换热器(33)、所述第三换热器(34)、所述第一换热器(32)，对氧气和氮气进行冷却，同时对压缩后的高压制冷工质进行冷却，最终重新流回至所述压缩机(1)内；
高压氧气经过所述第一换热器(32)和所述第二换热器(33)的冷却至过冷状态后，进入至所述氧气杜瓦(5)内并转换成液氧进行储存，高压氮气经过所述第一换热器(32)和所述第三换热器(34)的冷却至过冷状态后，进入至所述氮气杜瓦(6)内并转换成液氮进行储存。
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