CN108027107A - 液体冷冻剂蒸发方法及*** - Google Patents

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Abstract

通过压力积聚蒸发器将来自具有顶部空间压力P1的储罐的液体冷冻剂蒸发成气态冷冻剂，并且该气态冷冻剂的压力被积聚到压力P2。压力P2下的加压气态冷冻剂膨胀穿过膨胀器以减小其压力并且被供给至使用点，该使用点位于包括在压力P3下的蒸发器的设施处。P2≥2×P3。经膨胀气体的能量可以以机械能、电能的形式被回收。

Description

液体冷冻剂蒸发方法及***
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典第35篇119(e)条要求于2015年10月1提交的美国临时专利申请号62/235,868以及2015年10月2日提交的美国临时专利申请号62/236,532的优先权的权益，这些申请的全部内容通过援引并入本文。
背景技术
技术领域
本发明涉及从被供给液化气体的蒸发器来供应工业气体。
背景技术
许多制造操作将工业气体用于应用，诸如焊接、切割、加热、冷却、固化、惰化、燃烧等。对于消耗大量工业气体的操作，以液化形式来储存气体更为经济。对于这些类型的操作，气体是通过将液化气体从储罐供给到环境温度蒸发器而获得的，其中环境大气的热量提供了所需的蒸发潜热。典型地，储罐的顶部空间压力高于储罐与用于上述应用的使用点之间的任何部件的任何压力。在使用点所需的气体压力大于储罐的顶部空间压力的情况下，在储罐与使用点之间安装增压***。典型地，由蒸发产生的相对高压气体被减少至消耗该气体的使用点所需的压力。然而，工业气体工业(对于诸如氧气、氮气、氩气、二氧化碳、氢气、碳氢化合物燃料等气体)中使用的常规蒸发器和相关联的气体分配设备不会从这个压力减小过程中回收任何实质性的有用能量部分。
已知的是蒸发液氮并使所得气态氮膨胀穿过涡轮机的液氮动力车辆。氮气膨胀至环境压力、并且简单地排放到大气中。虽然在技术上有趣，但是它表现出较差的能量效率，因为在压缩供给至负责生产液氮以供车辆使用的空气分离设备的空气的压缩过程中消耗了大量的电力。而且，从车辆排出的氮气没有以任何特别有用的方式被利用。
因此，目的是回收与在蒸发器蒸发产生的、相对较高压力的气体的压力减小相关联的任何有用的能量。
发明内容
披露了一种用于蒸发液体冷冻剂以供应气态冷冻剂流的方法。该方法包括以下步骤。将来自具有顶部空间压力P1的储罐的液体冷冻剂供给至位于设施处的至少一个压力积聚蒸发器。在环境空气(和/或另一种流体)与所供给的穿过所述至少一个蒸发器的液体冷冻剂之间交换热量以产生在压力P2下的加压气态冷冻剂。该加压气态冷冻剂膨胀至小于P3的压力并且被供给送在压力P3下的使用点，其中P2≥2×P3。可选地，该经膨胀气态冷冻剂被供给至涡轮机以产生机械能。该机械能可选地通过交流发电机转换为电能。
还披露了一种用于蒸发液体冷冻剂以供应气态冷冻剂流的***，该***包括：容纳液体冷冻剂的液体冷冻剂储罐，该储罐位于在设施处；用于接收来自该储罐的液体冷冻剂并且蒸发所接收的液体冷冻剂的至少一个压力积聚蒸发器；膨胀器，该膨胀器位于在该设施处、使从该至少一个压力积聚蒸发器接收到的经蒸发冷冻剂蒸发并且产生机械能以致动机械装置，例如旋转涡轮机或移位活塞；发电机，该发电机位于在该设施处、用于将该机械能转化为电能；以及接收来自该涡轮机的经膨胀冷冻剂的使用点，该使用点位于该设施处；以及对应电能的使用点或储存点。
该方法和/或***可以包括以下一个或多个方面：
-所述至少一个压力积聚蒸发器包括以交替序列操作的n个压力积聚蒸发器，其中n是等于或大于1的整数；在向这n个蒸发器中的第一蒸发器供给该液体冷冻剂时，不向这n个蒸发器中的第二蒸发器供给液体冷冻剂；在向该第一蒸发器供给该液体冷冻剂的同时，气态冷冻剂被从这n个蒸发器中的另一个蒸发器向该涡轮机供给并且通过所述涡轮机而膨胀；并且在向该第二蒸发器供给该液体冷冻剂的同时，气态冷冻剂被从这n个蒸发器中的另一个蒸发器向该涡轮机供给并且膨胀穿过该涡轮机。
-该液体冷冻剂源具有顶部空间压力P顶部，并且该至少一个压力积聚蒸发器包括以交替序列操作的n个压力积聚蒸发器，其中n是等于或大于1的整数，该交替序列包括以下连续步骤：
当该第一蒸发器中的冷冻剂的压力小于或等于预定低压PL时，开始将预定量的液体冷冻剂供给至这n个蒸发器中的第一蒸发器；
在完成该液体冷冻剂到该第一蒸发器的所述供给之后，允许该第一蒸发器中的冷冻剂的压力通过所述热交换积聚到预定高压PH；
当该第一蒸发器中的冷冻剂的压力达到PH时，使来自该第一蒸发器的气态冷冻剂连续膨胀穿过第一文丘里管和该涡轮机，该第一文丘里管包括喉部以及该喉部下游的抽吸入口，执行所述来自该第一蒸发器的气态冷冻剂的所述膨胀直至该第一蒸发器中的冷冻剂的压力减小至预定压力PI，此时停止所述来自该第一蒸发器的冷冻剂的膨胀；
在所述来自该第一蒸发器的气态冷冻剂膨胀穿过第一文丘里管和该涡轮机的同时，允许来自这n个蒸发器中的第二蒸发器的气态冷冻剂流进入该第一文丘里管抽吸入口中直至该第二蒸发器中的冷冻剂的压力从预定中/低压PIL减小至PL，一旦该第二蒸发器中的冷冻剂的压力减小至PL，来自该第二蒸发器的气态冷冻剂流就被阻止去往该第一文丘里管的抽吸入口；
当该第二蒸发器中的冷冻剂的压力减小至PL，将预定量的液体冷冻剂供给至该第二蒸发器；
在进行所述液体冷冻剂到该第二蒸发器的供给的同时，继续所述来自该第一蒸发器的气态冷冻剂连续膨胀穿过第一文丘里管和该涡轮机直至该第一蒸发器中的气态冷冻剂的压力减小至PIL，并且允许该第二蒸发器中的冷冻剂的压力通过所述热交换积聚到PH；并且
当该第二蒸发器中的冷冻剂的积聚压力达到PH并且该第一蒸发器中的冷冻剂的压力达到PIL时，停止所述来自该第一蒸发器的气态冷冻剂膨胀穿过该第一文丘里管和该涡轮机，开始来自该第二蒸发器的气态冷冻剂连续膨胀穿过第二文丘里管和该涡轮机，并且允许该气态冷冻剂流从该第一蒸发器流入该第二文丘里管的抽吸入口中，直至该第一蒸发器中的冷冻剂的压力从PIL减小至PL，一旦该第一蒸发器中的气态冷冻剂的压力减小至PL，来自该第一蒸发器的气态冷冻剂流就被阻止去往该第二文丘里管的抽吸入口。
-该冷冻剂是从由以下各项组成的组中选择的：冷冻剂、氮气、氧气、氩气、氦气、氢气、以及二氧化碳。
-电力储存在蓄电池中。
-电力在该设施处被消耗。
-电力输入到电网。
-该使用点包括被供给氮气的激光器。
-该使用点包括用于固化聚合物和复合物的高压釜。
-该***进一步包括：n个第一阀、n个第二阀、以及控制器，其中：该至少一个压力积聚蒸发器包括被适配并且被配置成以交替序列操作的n个压力积聚蒸发器，其中n是大于1的整数；这n个第一阀分别与这n个蒸发器相关联并且能操作来独立地允许或阻止从该储罐接收到的液体冷冻剂去往这n个蒸发器中的一个或多个蒸发器；这n个第二阀分别与这n个蒸发器相关联并且能操作来独立地允许或阻止从这n个蒸发器中的一个或多个蒸发器接收到的经蒸发冷冻剂去往该涡轮机；并且该控制器是用逻辑来编程的可编程逻辑控制器、被适配成用于将与该第一蒸发器相关联的第一阀维持在打开位置上以允许该第一蒸发器被填充液体冷冻剂、同时将与该第二蒸发器相关联的第二阀维持在打开位置上以允许来自该第二蒸发器的气态冷冻剂膨胀穿过该涡轮机、同时将与该第二蒸发器相关联的该第一阀维持在关闭位置上以阻止该第二蒸发器被填充来自该储罐的液体冷冻剂、并且同时将与该第一蒸发器相关联的该第二阀维持在关闭位置上以阻止来自该第一蒸发器的气态冷冻剂膨胀穿过该涡轮机。
-该***进一步包括用于储存该发电机产生的电力的蓄电池。
-该发电机连接至电网并且将所产生的电力输入至该电网。
附图说明
为了进一步理解本发明的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在所述附图中相似元件给予相同或类似的附图标记，并且其中：
图1是本发明第一实施例的示意图。
图2是本发明的具有缓冲罐和旁通管线的另一个实施例的示意图。
图3是本发明的具有动力产生装置的另一个实施例的示意图。
图4是动力产生装置的一个实施例的示意图。
图5是动力产生装置的另一个实施例的示意图。
图6是本发明的具有缓冲罐、旁通管线、以及动力产生装置的另一个实施例的示意图。
图7是本发明的具有两个并联的压力积聚蒸发器、缓冲罐以及旁通管线的另一个实施例的示意图。
图8是本发明的具有两个并联的压力积聚器、缓冲罐以及旁通管线的另一个实施例的示意图。
图9是本发明的具有两个并联的压力积聚蒸发器以及这些压力积聚蒸发器的增强再填充的另一个实施例的示意图。
图10是本发明的具有两个并联的压力积聚蒸发器、这些压力积聚蒸发器的增强再填充、以及缓冲罐的另一个实施例的示意图。
图11是本发明的具有两个并联的压力积聚蒸发器、这些压力积聚蒸发器的增强再填充、动力产生装置、以及缓冲罐的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
代替使用常规蒸发器来在设施处提供压力经调节的气态冷冻剂流以满足设施的最终用户压力规格，使用压力积聚器来将经蒸发液体冷冻剂的压力积聚到至少是该设施的最终用户的压力规格压力的两倍，随后将现在的经加压气态冷冻剂的压力下调到规定值。在这样做的时候，可以从经加压气态冷冻剂回收(以真空、机械能或电能的形式)能量，然后分配给设施处的最终用户。可以通过使来自蒸发器的经加压气态冷冻剂膨胀贯穿涡轮机或其他适合的装置来回收机械能或电能。换言之，膨胀气体的力引起涡轮机/装置的旋转。接着涡轮机/装置的旋转(机械)能量可以直接用于驱动轴，或者可以通过交流发电机转化为电能。当使用多个压力积聚器时，可以使用来自这些压力积聚器之一的经加压气态冷冻剂通过拉瓦尔喷管(laval nozzle)的压力减小来增强这些压力积聚器中的另一个的填充，由此从喷管处产生的真空中回收能量。
本发明的蒸发器从液体冷冻剂源、诸如储罐接收液体冷冻剂。典型的冷冻剂包括但不限于：氮气、氧气、氩气、二氧化碳、氢气、以及碳氢化合物。虽然储罐的类型不受限制，并且压力相对较高的储罐可以在600psi或更高的顶部空间压力下操作，但典型地，液体冷冻剂储存的顶部空间压力为约30至约200psi。
压力积聚蒸发器在工业气体储存领域中是众所周知的。它们在一方面环境空气或热交换流体(诸如冷却水)与另一方面液体冷冻剂和/或经蒸发液化冷冻剂之间进行热交换。从环境空气或热交换流体获得蒸发液体冷冻剂所必需的潜热。当液体冷冻剂蒸发时，它发生大约几个数量级的体积变化。例如，一定量的气态氮占相当量液氮体积的约700倍。由于已经经蒸发的冷冻剂通过与压力积聚蒸发器处的环境空气或热交换器进行热交换而被加热，压力增大。换言之，理想气体定律告诉我们，对于固定体积和量的气体，压力P与以Kelvin表示的气体温度成比例。
在本发明的实践中可以利用任何类型的压力积聚蒸发器，只要它设有阀，该阀允许该蒸发器被供给来自液体冷冻剂源的液体冷冻剂并且将其与液体冷冻剂源隔离。压力积聚蒸发器还设有以下阀：该阀用于将蒸发器与下游涡轮机隔离，由此允许其通过与环境大气(或热交换流体)进行热交换来积聚压力。
气态冷冻剂的压力在膨胀器处被减小到设施处最终使用所指定的压力。典型地，气态冷冻剂的压力被减小到至等于或大于约500或600psi的压力。蒸发器和涡轮机的典型流量范围为约1,000-100,000std ft3/时。重要的是要注意，最终用户所需的流量和压力驱动膨胀器下游、以及如果选择的话涡轮机或其他能量产生装置的气态冷冻剂的流量和压力。为此，如果来自涡轮机/装置的气态冷冻剂的压力超过最终用户的规格，则可以使用常规压力调节设备来将压力减小至最终用户的规格。本领域技术人员将认识到，考虑此类目标，可以使用本发明的(多个)蒸发器和涡轮机来代替位于设施处的任何常规蒸发器。当然主要优点是回收传统蒸发器以其他方式损失的、气态冷冻剂的压力减小所产生的能量。虽然可以使用本领域中已知的用于处理1,000-100,000std ft3/时流量的任何涡轮机，但是典型地涡轮机密封良好以避免气态冷冻剂被润滑剂污染。
涡轮机/装置的旋转能可以储存或消耗在设施处。旋转能可以通过交流发电机转化成电力，并且所得的电能储存在蓄电池中。替代性地，旋转能可以储存在飞轮中。虽然任何常规的飞轮可能是适合的，但是真空下使用磁轴承的飞轮实现更高的效率。所储存的动力可以从飞轮中汲取，并且转化成供现场(即，设施处)消耗或者(如果希望的话)供连接至电网上的电力。类似地，交流发电机通过转化涡轮机的旋转能而产生的电力可以被现场消耗(即，设施处)或(如果希望的话)与电网连接。旋转能可以替代地用于驱动对设施处的另一过程供能的轴。
代替用于产生机械能或电能的涡轮机/装置，可以选择拉瓦尔喷管用作膨胀器，并且可以从拉瓦尔喷管回收真空能量以增强压力积聚器的填充。更具体地，当使用多个并联的压力积聚器时，当来自一个压力积聚器的气态冷冻剂从拉瓦尔喷管膨胀时，那个拉瓦尔喷管与另一个压力积聚器的出口处于真空连通。通过向另一个压力积聚器的出口应用真空，它可以更快速地再填充上液体冷冻剂。以此方式，可以减少用于填充蒸发器、蒸发液体冷冻剂以积聚压力、和释放压力的循环时间。
经膨胀气态冷冻剂在位于蒸发器和膨胀器所处的相同设施处的使用点被消耗。使用点不受限制并且可以包括需要高压氮气的激光器和用于固化用于生产复合物品的聚合物或聚合物浸渍物品的高压釜。
现在将描述用于执行本发明的不同实施例。
如图1所示，液体冷冻剂储存在储罐T中，该罐具有高于环境压力的顶部空间压力P1。当阀V1打开，阀V2关闭，压力积聚蒸发器PBV内的压力小于储罐T中的顶部空间压力时，储罐T与蒸发器PBV之间的压力差致使液体冷冻剂被供给至蒸发器PBV。当储罐T与蒸发器PBV之间达到压力平衡时或者阀V1关闭时，蒸发器PBV不再被供给液体冷冻剂。
在阀V1和阀V2保持关闭的情况下，液体冷冻剂通过与相对较暖的流体(诸如空气或冷却水)进行热交换而在蒸发器PBV内被蒸发。以此方式，现在气态冷冻剂的压力积聚到较高的压力P2。当达到压力P2时，阀V2打开，并且气态冷冻剂离开蒸发器PBV并且膨胀穿过膨胀器E，在该膨胀器内冷冻剂被供给至供应导管SC中。气态冷冻剂的压力通过供应导管SC中所布置的压力调节器PR被调节为使用点(消耗或使用气态冷冻剂的地方)所规定的预定压力P3。压力P2是压力P3的至少两倍(即，P2≥2×P3)。
图2的实施例与图1的相同，例外的是存在缓冲罐BT、阀V3、V4、以及旁通管线BP。在阀V1、V3、V4关闭而阀V2打开时，气态冷冻剂(初始地在压力P2下)膨胀穿过膨胀器E(如图1)，但是在这种情况下制冷剂积聚在缓冲罐BT中。缓冲罐BT允许使用点被供给变化的流量。换言之，在有些时刻，使用点可能需要相对较低的气态冷冻剂流量，此时冷冻剂可以经由蒸发器V、阀V2、膨胀器E、缓冲罐BT、阀V3以及压力调节器PR被供给至使用点POU。替代性地，气态冷冻剂可以经由阀V4、旁通管线BP、以及压力调节器PR被供给至使用点POU。在其他时刻，使用点POU可能需要相对较高的气态冷冻剂流量，此时使用点可以经由阀V3和压力调节器PR被供给来自缓冲罐BT的气态冷冻剂。
典型地，当蒸发器PBV中的气态冷冻剂的压力减小到小于中等压力P4(在P2与P3之间)时，阀V2关闭而阀V4打开。代替被供给来自缓冲罐BT的气体，气态冷冻剂现在经由旁通管线BP从蒸发器PBV被供给至压力调节器PR上游的供应导管SC中。本领域的普通技术人员应认识到，当蒸发器PBV中的气态冷冻剂的压力达到P2时，阀V2、V4可以关闭而阀V3打开以允许气态冷冻剂离开缓冲罐BT进入供应导管SC中，在该供应导管中制冷剂通过压力调节器PR被调节至压力P2。与此同时，阀V1打开以允许蒸发器PBV被供给来自储罐T的新鲜液体冷冻剂、并且开始新的填充/蒸发/膨胀循环。
图3的实施例与图1的相同，例外的是存在动力产生装置PGD。在这个实施例中，离开膨胀器的气态冷冻剂(初始地在压力P2下)被供给至动力产生装置PGD，该动力产生装置将相对高动量的经膨胀气态冷冻剂的一些动能转化为机械能或电能。
可以将工业气体领域中已知的用于将来自气体流的动能转化为机械能或电能的任何装置(诸如空气马达)用作本发明的动力产生装置PGD。典型地，动力产生装置PGD是接收来自膨胀器E的高动量气体流的涡轮机。动力产生装置PGD可以被供给来自一个或多个膨胀器E的高动量气体。如下文所解释的，可以使用两个或更多个(可能多达4-6个)压力积聚蒸发器PBV经由相应的两个或更多个(多达4-6个)膨胀器E来供给单一动力产生装置PGD。
如图4所示，动力产生装置PGD可以是气体涡轮机。来自两个膨胀器E的经膨胀气态冷冻剂经由供给管道FP被供给至气体涡轮机。气体涡轮机的转子R连接至轴S上。高动量气体迎着转子R流动从而致使轴S旋转。离开气体涡轮机的气体进入供应导管SC中。旋转轴的机械能可以用于对设施处的另一个装置供能。替代性地，旋转能可以通过发电机转化电能。
如图5所示，动力产生装置PGD可以包括两个连接至轴S上的旋转支柱壁SA。气态冷冻剂流经每个支柱的内部通路、进入膨胀喷管中、并且流出该膨胀喷管进入缓冲罐的内部空间中。由于气态冷冻剂从膨胀喷管沿不同方向膨胀，这导致这些喷管、支柱、轮毂以及驱动轴(固定至彼此上)旋转。驱动轴是能与将旋转能转化为电能的发电机操作地相关联的。
旋转轴SA包括两个导管(未展示)，各自接收来自膨胀器E的高动量气体并将其供给至相应的两个膨胀喷管N。由于气态冷冻剂从膨胀喷管N沿不同方向膨胀，这致使支柱壁SA旋转。如图4的实施例一样，旋转轴的机械能可以用于对设施处的另一个装置供能。替代性地，旋转能可以通过发电机转化电能。气体经由出口O离开外壳Enc并且被供给至供应导管SC中。轴S可以设有适当的传动装置以实现希望的旋转速度。
图6的实施例与图1的相同，例外的是存在缓冲罐BT、阀V3、V4、旁通管线BP、以及动力产生装置PGD。这些额外特征中的每一个以与图2和图3的实施例相同的方式来操作和表现。
在图7的实施例中，液体冷冻剂储存在储罐T中，该罐具有高于环境压力的顶部空间压力P1。与图1-3和图6的实施例相比，这个实施例经历了不同的循环。
在第一阶段中，阀V1A打开而阀V2A关闭，并且储罐T中的顶部空间的压力高于第一压力积聚蒸发器PBVA的压力。这个压力差致使液体冷冻剂经由阀V1A被供给至第一蒸发器PBVA。与此同时，阀V1B关闭而阀V2B打开，并且已经蒸发的冷冻剂离开第二压力积聚蒸发器PBVB、膨胀穿过膨胀器EB、并且被缓冲罐BT接收。压力调节器PR将从缓冲罐BT到使用点POU的气态冷冻剂的压力调节为使用所需的压力P3。
在第二阶段中，阀V1A关闭，并且液体冷冻剂从储罐T到第一蒸发器PBVA的流动停止。第一蒸发器PBVA中的液体冷冻剂通过与相对较暖流体(诸如环境空气或冷却水)进行热交换而被蒸发。以此方式，第一蒸发器PBVA中的气态冷冻剂的压力被积聚到最高达较高压力P2。压力P2是压力P3的至少两倍(即，P2≥2×P3)。在关闭阀V1A与在第一蒸发器PBVA中将气态冷冻剂的压力积聚到最高达压力P2之间的某个时间点，第二蒸发器PBVB中的气态冷冻剂的压力减小至在P2与P3之间的中等压力P4。当它减小至小于P4的压力时，阀V2B关闭而阀V4B打开，气态冷冻剂离开第二蒸发器PBVB并且经由阀V4B、第二旁通管线BPB、压力调节器PR、以及供应导管SC被供给至使用点POU。
在第三阶段中，第二蒸发器PBVB中的压力达到压力P3，并且第一蒸发器PBVA中的压力达到压力P2。与此同时，阀V2B、V4B关闭，而阀V2A打开。由于储罐T的顶部空间压力P1与第二蒸发器PBVB中的压力P2之间的压力差，致使液体冷冻剂从储罐T经由阀V1B被供给至第二蒸发器PBVB。与此同时，已经蒸发的冷冻剂(初始地在压力P2下)离开第一蒸发器PBVA、膨胀穿过膨胀器EA、并且被缓冲罐BT接收。压力调节器PR将从缓冲罐BT到使用点POU的气态冷冻剂的压力调节为使用所需的压力P3。
在第四阶段中，阀V1B关闭，并且液体冷冻剂从储罐T到第二蒸发器PBVB的流动停止。第二蒸发器PBVB中的液体冷冻剂通过与相对较暖流体(诸如环境空气或冷却水)进行热交换而被蒸发。以此方式，第二蒸发器PBVB中的气态冷冻剂的压力积聚到最高达压力P2。如上所提及的，压力P2是压力P3的至少两倍(即，P2≥2×P3)。在关闭阀V1B与在第二蒸发器PBVB中将气态冷冻剂的压力积聚最高达压力P2之间的某个时间点，第一蒸发器PBVA中的气态冷冻剂的压力减小至在P2与P3之间的中等压力P4。当它减小至低于P4的压力时，阀V2A关闭而阀V4A打开，气态冷冻剂离开第一蒸发器PBVA并且经由阀V4A、第二旁通管线BPA、压力调节器PR、以及供应导管SC被供给至使用点POU。
当第一蒸发器PBVA中的压力达到压力P3并且第二蒸发器PBVB中的压力达到压力P2时，重复该循环并且转至第一阶段。
图8的实施例与图7的相同，例外的是存在被布置在膨胀器EA、EB与缓冲罐BT之间的动力产生装置PGD。如上文所讨论的，离开膨胀器的气态冷冻剂(初始地在压力P2下)被供给至动力产生装置PGD，该动力产生装置将相对高动量的经膨胀气态冷冻剂的一些动能转化为机械能或电能。
图9的实施例与图7的相同，例外的是将第一拉瓦尔喷管LNA和第二拉瓦尔喷管LNB用作膨胀器，并且存在在第一蒸发器PBVA与第二拉瓦尔喷管LNB之间处于流体连通的阀V3A、并且存在在第二蒸发器PBVB与第一拉瓦尔喷管LNB之间处于流体连通的阀V3B。在这个实施例中并且如下文所解释的，第一拉瓦尔喷管LNA用作喷射器，用于在第二蒸发器PBVB的出口处产生真空以加速第二蒸发器PBVB的填充。类似地，第二拉瓦尔喷管LNB用作喷射器，用于在第一蒸发器PBVA的出口处产生真空以加速第一蒸发器PBVA的填充。拉瓦尔喷管、及其构型与被供给至它们的气体的压力减小之间的关系是熟知的。本领域技术人员将理解，可以选择它们的尺寸以产生希望的压力减小。
在第一阶段，由于文丘里效应，在阀V3A与第二拉瓦尔喷管LNB的下游部分之间处于流体连通的管线的开口处产生真空。阀V1A、V3A打开，并且在第一蒸发器PBVA的出口处施加真空致使液体冷冻剂以比没有此类喷射器效应预期的更高速率从储罐T被供给至第一蒸发器PBVA中。当第二蒸发器PBVB中的压力达到P2时，阀V1A、V3A关闭。在第四阶段中，进行相反的动作。阀V1B、V3B打开，并且在第二蒸发器PBVB的出口处施加真空致使液体冷冻剂以比没有此类喷射器效应预期的更高速率从储罐T被供给至第一蒸发器PBVB中。当第二蒸发器PBVA达到P2时，阀V1B、V3B关闭。
图10的实施例与图9的相同，例外的是存在阀V4A、V4B、缓冲罐BT、旁通管线BPA、BPB。这些特征中的每一个以上文针对图7所描述的相同的方式起作用。
图11的实施例与图10的相同，例外的是存在动力产生装置PGD。动力产生装置PGD以与上文所描述的相同的方式起作用。
现在将描述统称为本发明***和过程的预示性操作实例。
在顶部空间压力大于200psi的储箱中储存有液体冷冻剂。在顶部空间压力超过250psi的情况下，可以致动安全阀PSV来排出顶部空间中的气态冷冻剂以将压力降低至小于250psi。
液体冷冻剂以小于90加仑每分钟的速率(对于相当于500,000std ft3/时的气态冷冻剂)交替地填充两个2加仑容量的具有液体冷冻剂的压力积聚蒸发器，并且允许将每个中的压力积聚到最大3,000psi。例如，来自储罐的0.6加仑液氮可以以60加仑/分钟的填充速率来在0.5秒内填充压力积聚蒸发器。并且，对于500,000std ft3/时的蒸发速率和到缓冲罐的30,000std ft3/时的气体传递速率，压力积聚蒸发器中的压力在0.4秒内从150psi增大到最大值3,286psi。在另一个实例中，来自储罐的0.6加仑液氮可以以60加仑/分钟的填充速率来在0.5秒内填充压力积聚蒸发器。如果蒸发速率为500,00std ft3/时，并且以最高达500,000std ft3/时来进行气体到缓冲罐的传递，则每个压力积聚蒸发器中的压力在0.45秒内从150psi增大到最大值3,000psi，其中七个压力积聚蒸发器同时操作。在仅两个压力积聚蒸发器的情况下，每个蒸发器中的压力在0.45秒内增大到最大值1,795psi。
每个压力积聚蒸发器中的气态冷冻剂膨胀穿过涡轮机并且被收集在最大压力为500psi的50加仑缓冲罐中。如果压力超过600psi，则触发缓冲罐处的安全阀。当蒸发器中的气态冷冻剂的压力下降到低于500psi时，压力积聚蒸发器不再供给涡轮机，并且气态冷冻剂可以直接分配到最终用途。与此同时，来自这两个压力积聚蒸发器中的另一个蒸发器的气态冷冻剂代替地膨胀穿过涡轮机。当压力积聚蒸发器中的气态冷冻剂的压力下降到低于150psi时，所讨论的压力积聚蒸发器再次被填充液体冷冻剂以开始循环。
每个涡轮机可以与一个或多个压力积聚蒸发器相关联。例如，涡轮机可以从一个、两个、三个、四个甚至更多个压力积聚蒸发器接收高压气体。虽然不是优选的，但是压力积聚蒸发器甚至能够供给两个或更多个涡轮机。
通过利用两个或更多个压力积聚蒸发器和涡轮机并结合两个或更多个对应的文丘里管，可以实现压力减小气态冷冻剂的大致上恒定供应。由于压力积聚蒸发器中的气态冷冻剂的压力是通过膨胀从高压P2而减小，因此降低后的压力可能不足以既对涡轮机供能又产生具有使用点所需压力的气态冷冻剂。此外，虽然蒸发器中的气态冷冻剂的压力可以降低，但对于用新鲜液体冷冻剂快速填充蒸发器而言仍然过高。
为了解决这些问题，可以以交替的方式来操作各自与相应的文丘里管相关联的两个或更多个蒸发器。
一个压力积聚蒸发器中的气态冷冻剂被供给至第一文丘里管(具有2.5mm喉径的拉瓦尔喷管)的主入口、并且膨胀下降到其出口处的压力，处于或高于使用点所需的压力(例如，<600psi))。在开始以此方式供给第一文丘里管时，另一个蒸发器中的气态冷冻剂的压力从初始高压(例如，3000psi)减小至中等/高压(例如，2,200psi)。同时并且通过文丘里效应，气态冷冻剂从另一个蒸发器中被排出到在拉瓦尔喷管喉部下游的第一文丘里管中形成的抽吸入口中。因此并且在一段时间(例如，0.5秒)内，另一个蒸发器中剩余的气态冷冻剂的压力从中等低压(例如，1,200psi)减小至低压(例如，130psi)，该低压低于从第一和第二文丘里管接收膨胀气态冷冻剂的缓冲罐中的压力。当另一个蒸发器中的压力减小至低压时，阀关闭，并且气态冷冻剂不再从另一个蒸发器中排出。
随着来自另一个蒸发器的气态冷冻剂继续膨胀穿过涡轮机，蒸发器内的气态冷冻剂的压力从中等高压减小至中等低压。同时，阀打开，并且在一段时间(例如1.5秒)内另一个蒸发器被填充一定量的液体冷冻剂(例如，0.5加仑)，该液体冷冻剂来自具有顶部空间压力(例如，200-250psi)的液体冷冻剂源。在那个时间段结束时，阀关闭，并且允许通过与环境空气进行热交换来在另一个蒸发器内积聚压力。在一段时间(例如，9秒)内，蒸发器中的冷冻剂的压力从中等高压下降至中等低压，另一个蒸发器中的冷冻剂的压力从低压升高到高压。本领域的普通技术人员应认识到，切换用于压力积聚蒸发器、拉瓦尔喷管和用于两个蒸发器的涡轮机的操作以将液体冷冻剂给送至另一个蒸发器，并且对使用点供给来自第一蒸发器的气态冷冻剂。
虽然上文描述是关于供给相应的一对文丘里管的单对压力积聚蒸发器，但本领域技术人员可以了解，可以想象使用三个或更多个压力积聚蒸发器的许多其他循环方案，并且此类方案不需要限于供给一对文丘里管的压力积聚蒸发器。
虽然已经结合其具体实施例描述了本发明，明显的是鉴于前述说明许多替代方案、修改、和变化对于本领域技术人员将是清楚的。因此，它旨在包含如落入所附权利要求的精神和宽范围内的所有此类替代方案、修改、和变化。本发明可以适当地包含所披露的要素、由所披露的要素组成或基本上由所披露的要素组成，并且可以在不存在未披露的要素下实践。此外，如果存在提及顺序的语言，例如第一和第二，它应在示例性意义上并且不在限制性意义上进行理解。例如，本领域技术人员可以认识到可以将某些步骤组合到单个步骤中。
单数形式“一(a)”、“一个(an)”、和“该(the)”包括复数指示物，除非上下文另外清楚地指出。
权利要求中的“包括(comprising)”是开放式过渡术语，其是指随后确定的权利要求要素是无排他性的清单，即，其他任何事物可以附加地被包括并且保持在“包括”的范围内。“包括”在此被定义为必要地涵盖更受限制的过渡术语“主要由……组成”和“由……组成”；因此“包括”可以被“主要由……组成”或“由……组成”代替并且保持在“包括”的清楚地限定的范围内。
权利要求中的“提供(providing)”被定义为是指供给、供应、使可获得、或制备某物。该步骤可以通过任何行动者在不存在相反的该权利要求中的表达语言下进行。
任选的或任选地是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生。本说明包括其中该事件或情况发生的实例以及其中该事件或情况不发生的实例。
在此范围可以表述为从约一个具体值，和/或到约另一个具体值。当表述此种范围时，应理解的是另一个实施例是从该一个具体值和/或到该另一个具体值，连同在所述范围内的所有组合。
在此确定的所有参考文献各自特此通过引用以其全文结合到本申请中，并且是为了具体的信息，各个参考文献被引用就是为了该具体信息。

Claims (20)

1.一种用于蒸发液体冷冻剂以供应气态冷冻剂流的方法，所述方法包括以下步骤：
将来自储罐的液体冷冻剂供给至位于设施处的至少一个压力积聚蒸发器，该储罐具有顶部空间压力P1；
在所供给的液体冷冻剂与穿过所述至少一个蒸发器的相对较暖的流体之间交换热量以产生在超过P1的压力P2下的加压气态冷冻剂；
将来自所述至少一个蒸发器的加压气态冷冻剂供给至位于该设施处的膨胀器，以使该气态冷冻剂膨胀至压力P3；
将该经膨胀气态冷冻剂供给至供应导管中；
将来自该供应导管的经膨胀气态冷冻剂供给至位于该设施处的使用点，其中P2≥2×P3。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该流体是环境空气。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该流体是水。
4.如权利要求1所述的方法，其中，P2≥2×P1。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：通过该膨胀器来对气体涡轮机供能，并且使用交流发电机来将该气体涡轮机动力转化成电力。
6.如权利要求1所述的方法，其中：
所述至少一个压力积聚蒸发器包括以交替序列操作的n个压力积聚蒸发器，其中n是大于1的整数；
在向这n个蒸发器中的第一蒸发器供给该液体冷冻剂时，不向这n个蒸发器中的第二蒸发器供给液体冷冻剂，
在向该第一蒸发器供给该液体冷冻剂的同时，气态冷冻剂被从这n个蒸发器中的另一个蒸发器向该涡轮机供给并且通过所述涡轮机而膨胀；并且
在向该第二蒸发器供给该液体冷冻剂的同时，气态冷冻剂被从这n个蒸发器中的另一个蒸发器向该涡轮机供给并且膨胀穿过该涡轮机。
7.如权利要求6所述的方法，其中，n为2-4。
8.如权利要求1所述的方法，其中，该冷冻剂是从由以下各项组成的组中选择的：冷冻剂、氧气、氩气、氦气、氢气、以及二氧化碳。
9.如权利要求1所述的方法，其中，电力储存在蓄电池中。
10.如权利要求1所述的方法，其中，电力在该设施处被消耗。
11.如权利要求1所述的方法，其中，电力输入到电网。
12.如权利要求1所述的方法，其中，该使用点是被供应氮气的激光器。
13.如权利要求1所述的方法，其中，该使用点是用于固化聚合物浸渍物品的高压釜。
14.一种用于蒸发液体冷冻剂以提供气态冷冻剂流的***，包括：
容纳液体冷冻剂的液体冷冻剂储罐，该储罐位于在设施处；
用于接收来自该储罐的液体冷冻剂并且蒸发所接收的液体冷冻剂的至少一个压力积聚蒸发器；
涡轮机，该涡轮机位于在该设施处、使从该至少一个压力积聚蒸发器接收到的经蒸发冷冻剂膨胀并且产生旋转能；
发电机，该发电机位于在该设施处、将该旋转能转化为电力；
用于接收来自该涡轮机的膨胀冷冻剂的使用点，该使用点位于该设施处。
15.如权利要求14所述的***，进一步包括n个第一阀、n个第二阀、以及控制器，其中：
该至少一个压力积聚蒸发器包括被适配并且被配置成以交替序列操作的n个压力积聚蒸发器，其中n是大于1的整数；
这n个第一阀分别与这n个蒸发器相关联并且能操作来独立地允许或阻止从该储罐接收到的液体冷冻剂去往这n个蒸发器中的一个或多个蒸发器；
这n个第二阀分别与这n个蒸发器相关联并且能操作来独立地允许或阻止从这n个蒸发器中的一个或多个蒸发器接收到的经蒸发冷冻剂去往该涡轮机；并且
该控制器是用逻辑来编程的可编程逻辑控制器、被适配成用于将与该第一蒸发器相关联的第一阀维持在打开位置上以允许该第一蒸发器被填充液体冷冻剂、同时将与该第二蒸发器相关联的第二阀维持在打开位置上以允许来自该第二蒸发器的气态冷冻剂膨胀穿过该涡轮机、同时将与该第二蒸发器相关联的该第一阀维持在关闭位置上以阻止该第二蒸发器被填充来自该储罐的液体冷冻剂、并且同时将与该第一蒸发器相关联的该第二阀维持在关闭位置上以阻止来自该第一蒸发器的气态冷冻剂膨胀穿过该涡轮机。
16.如权利要求15所述的***，其中，n为2-4。
17.如权利要求14所述的***，进一步包括用于储存该发电机产生的电力的蓄电池。
18.如权利要求17所述的***，其中，该发电机连接至电网并且将所产生的电力输入至该电网。
19.如权利要求14所述的***，其中，该使用点是被供应氮气的激光器。
20.如权利要求14所述的***，其中，该使用点是用于固化聚合物浸渍物品的高压釜。
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