CN115235136B - 一种采用多压力补气的g-m/j-t混合式内液化*** - Google Patents

一种采用多压力补气的g-m/j-t混合式内液化*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用多压力补气的G‑M/J‑T混合式内液化***，包括回热式制冷机、节流液化组件和多压力补气模块；回热式制冷机包括依次连接的制冷机压缩装置和冷指；节流液化组件包括依次连接的节流阀、储液器、回流低压管路、气缸外壁换热组件、小型压缩装置以及回流高压管路；冷指的冷端与节流阀连接，回流高压管路的出口端与制冷机压缩装置低压侧连通；多压力补气模块包括进气组件和多压力补气组件，进气组件的出口通过管路与多压力补气组件连通，多压力补气组件的出口通过管路分别与制冷机压缩装置高压侧、回流高压管路和回流低压管路连通。本发明通过设置多压力补气结构，充分利用了高压储气瓶内气体压力蕴含的能量，整机更加高效可靠。

Description

一种采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***。
背景技术
脉管制冷机和GM制冷机等回热式制冷机因其结构简单、运行可靠、体积小、振动低等优点，是当前国内外小型氢、氦液化与再冷凝***的主要制冷技术。
在传统的小型低温制冷机液化***中，待液化气体在回热式制冷机外由室温入口端流向制冷机冷端，与制冷机逐级换热冷却，最终在冷端冷凝。由于待液化气体在制冷机壁外侧预冷，气体与制冷机内部工质换热热阻较大，传热损失较大，气体预冷不充分，气体液化效率较低。
J-T节流制冷机在低温工质的相变温区存在较大的制冷效率，而在深低温回热式制冷机冷端的内部工质温度处于相变温区。可结合回热式与节流制冷技术，将回热式制冷机冷端工质引出并通过节流而压力降低得到液态工质或得到更低温度的制冷量。
如公开号为CN104792056A的中国专利文献公开了一种与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，包括回热式制冷机和从回热式制冷机引出的JT节流制冷组件两部分。回热式制冷机包括回热式制冷机冷端换热器和回热式制冷机压缩装置；JT节流制冷组件包括通过管路依次连接的节流阀、节流制冷组件冷端换热器和JT压缩机；节流阀和回热式制冷机冷端换热器连接，JT压缩机和回热式制冷机压缩装置连接。
相比于一般的回热式与节流制冷热耦合结构，将回热式制冷机冷端工质直接引出并节流，不仅简化了***结构，还减小了传热损失。若为得到更低温度的制冷量，则无需补充气态工质，***为闭式结构。但若需获得节流后的液态工质，则需要对***进行补气，***为开式结构。这是因为，液态工质的提取意味着消耗了制冷机内部气态工质，需要对制冷机内部气体工质进行补充。
目前常采用的补气方式为在回热式制冷机的室温端进行补气。但是这种补气方式存在着对气瓶压力未充分利用的不足。随着液态工质的提取，气瓶不断对制冷机进行补气，气瓶内气体工质减少，气体压力逐渐降低。当气体压力低于制冷机内部压力时，只能中断***的运行，更换新的高压气瓶进行补气。这种补气方式实际上只能有限利用高压储气瓶内的气体，既造成了气瓶内剩余气体的浪费，又导致了***运行频繁中断。
因此，采用回热式与节流制冷气耦合的液化方法，仍存在不足。不足之处在于并未将节流后的工质引出并进行补气，引出的制冷机内工质未得到充分利用；或者虽引出了工质但仅在制冷机室温端进行补气，气瓶内气体未得到充分利用，***运行平稳性较差。
发明内容
本发明提供了一种采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，在结合回热式制冷和J-T制冷的基础上进一步将节流后工质引出并采用了多压力补气组件对制冷机进行补气，做到了充分利用高压储气瓶内的气体，既节约了气瓶内气体消耗，又提高了***的运行平稳性。
一种采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，包括回热式制冷机、节流液化组件和多压力补气模块；
所述的回热式制冷机包括依次连接的制冷机压缩装置和冷指；所述的节流液化组件包括依次连接的节流阀、储液器、回流低压管路、气缸外壁换热组件、小型压缩装置以及回流高压管路；冷指的冷端与节流阀连接，回流高压管路的出口端与制冷机压缩装置低压侧连通；
所述的多压力补气模块包括进气组件和多压力补气组件，所述的进气组件的出口通过管路与多压力补气组件连通，所述多压力补气组件的出口通过管路分别与制冷机压缩装置高压侧、回流高压管路和回流低压管路连通。
进一步地，所述的进气组件包括依次连接的高压储气瓶、减压阀、缓冲腔以及气体流量计；所述多压力补气组件包括并列的高压补气管路、中压补气管路、低压补气管路以及多压力补气电子控制器；
所述的气体流量计的出口端通过管路分别与高压补气管路、中压补气管路、低压补气管路的入口端连接，所述的高压补气管路的出口端与制冷机压缩装置高压侧连通，所述的中压补气管路的出口端与回流高压管路连通，所述的低压补气管路的出口端与回流低压管路连通。
进气组件中，通过设置缓冲腔，有利于补充气体的平稳流动。
排液组件中，通过设置液体流量计，可以监测输出液态工质的质量流，有利于通过进气组件减压阀控制补充气态工质的质量流。
进一步地，所述高压储气瓶的压力高于一个大气压，高压储气瓶内装有压力传感器。
进一步地，所述的高压补气管路上设有高压补气控制阀，所述的中压补气管路上设有中压补气控制阀，所述的低压补气管路上设有低压补气控制阀；
所述的多压力补气电子控制器通过电子线路分别与高压补气控制阀、中压补气控制阀、低压补气控制阀以及高压储气瓶的压力传感器相连；多压力补气电子控制器按照高压储气瓶内气体不同的压力，控制高压补气控制阀、中压补气控制阀、低压补气控制阀自动启闭。
进一步地，所述的气缸外壁换热组件包括二级气缸外壁换热组件和一级气缸外壁换热组件。
进一步地，所述的节流液化组件还包括与储液器连接的排液组件，所述的排液组件包括依次连接的排液阀和液体流量计。
可选择地，所述的回热式制冷机为GM制冷机、GM型脉管制冷机、斯特林制冷机、斯特林型脉管制冷机、VM制冷机中的一种。
可选择地，所述回热式制冷机的结构形式是同轴型、U型或直线型，其制冷级数为单级、两级或多级，其耦合结构是热耦合或气耦合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、相比于同样采用回热式与节流制冷耦合的结构，本发明设计在结合回热式制冷和J-T制冷基础上进一步输出节流后的制冷机内部工质，并采用多压力补气组件对制冷机进行补气，不仅***运行更加平稳，高压储气瓶内气体压力利用也更加充分。
2、本发明采用多压力补气的回热式与节流制冷气耦合的开式内液化***，通过设置多压力补气结构，充分利用了高压储气瓶内气体压力蕴含的能量，整机更加高效可靠。
附图说明
图1为本发明实施例中一种采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***的结构示意图；
图2为本发明实施例中多压力补气组件与进气组件部分的示意图；
图3为本发明实施例中制冷机压缩装置与小型压缩装置部分示意图。
图中：1、制冷机压缩装置；2、冷指；3、节流阀；4、储液器；5、排液阀；6、液体流量计；7、回流控制阀；8、回流低压管路；9、二级气缸外壁换热组件；10、一级气缸外壁换热组件；11、小型压缩装置；12、回流高压管路；13、高压储气瓶；14、减压阀；15、缓冲腔；16、气体流量计；17、多压力补气电子控制器；18、高压补气管路；19、高压补气控制阀；20、中压补气管路；21、中压补气控制阀；22、低压补气管路；23、低压补气控制阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1和图2所示，一种采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，包括回热式制冷与节流液化模块和多压力补气模块。
回热式制冷与节流液化模块包括回热式制冷机和节流液化组件；回热式制冷机为同轴型斯特林制冷机，包括制冷机压缩装置1、冷指2。节流液化组件包括节流阀3、储液器4、排液阀5、液体流量计6、回流控制阀7、回流低压管路8、二级气缸外壁换热组件9、一级气缸外壁换热组件10、小型压缩装置11、回流高压管路12。
多压力补气模块包括进气组件、多压力补气组件。进气组件包括带压力传感器的高压储气瓶13、减压阀14、缓冲腔15以及气体流量计16。多压力补气组件包括多压力补气电子控制器17、高压补气管路18、高压补气控制阀19、中压补气管路20、中压补气控制阀21、低压补气管路22以及低压补气控制阀23。
制冷机压缩装置1、冷指2依次连接，冷指2通过管路与节流阀3、储液器4依次连接，储液器4通过管路与排液阀5、液体流量计6依次连接，储液器4通过回流低压管路8与回流控制阀7、二级气缸外壁换热组件9、一级气缸外壁换热组件10、小型压缩装置11依次连接，小型压缩装置11通过回流高压管路12与制冷机压缩装置1连接，带压力传感器的高压储气瓶13通过管路与减压阀14、缓冲腔15以及气体流量计16依次连接，气体流量计16通过高压补气管路18与高压补气控制阀19、制冷机压缩装置1高压侧依次连接，气体流量计16通过中压补气管路20与中压补气控制阀21、回流高压管路12依次连接，气体流量计16通过低压补气管路22与低压补气控制阀23、回流低压管路8依次连接，多压力补气电子控制器17通过电子线路与带压力传感器的高压储气瓶13、高压补气控制阀19、中压补气控制阀21、低压补气控制阀23连接。
本发明中，按进气组件的高压储气瓶13内气体不同的压力分为三种补气方式，分别为高压补气、中压补气与低压补气。高压储气瓶13内的压力传感器读取高压储气瓶内压力并转化为电信号传给多压力补气电子控制器17。具体工作过程为：
***如上述流程及要求安装，安装完毕后，对除高压储气瓶13之外的***部件及管路内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再抽真空至10-1Pa左右。如此反复3～4次之后，最终向回热式制冷机内充入工作压力的气体工质，即可保证***中工质的纯度。先调整压缩机频率，再开启制冷机压缩装置1的电源，制冷机开始降温。当制冷机冷端温度降至工质临界点温度时，开启节流阀3，储液器4收集到节流降压后的液态工质。储液器4内蒸发的气态工质通过回流控制阀7控制经过回流低压管路8、二级气缸外壁换热组件9、一级气缸外壁换热组件10、小型压缩装置11、回流高压管路12回到压缩机1背压腔。当储液器4收集到一定量的液态工质后，利用排液阀5和液体流量计6，输出液态工质。
高压补气：当高压储气瓶内压力不小于制冷机内部压力时，多压力补气电子控制器17自动控制开启高压补气控制阀19并关闭中压补气控制阀21与低压补气控制阀23，利用减压阀14和气体流量计16控制工质由高压补气管路18进入压缩装置1高压侧，控制补充气态工质量与输出液态工质量相同，制冷机内压力在正常范围。随着液态工质的输出，高压储气瓶13不断向制冷机补气，瓶内压力逐渐减小。
中压补气：当瓶内压力小于制冷机内部压力时，多压力补气电子控制器17自动控制关闭高压补气控制阀19并开启中压补气控制阀21，利用减压阀14和气体流量计16控制工质由中压补气管路20进入回流高压管路12，同样控制补充气态工质量与输出液态工质量相同，制冷机内压力在正常范围。
低压补气：当瓶内压力小于回流高压压力时，多压力补气电子控制器17自动控制关闭中压补气控制阀21并开启低压补气控制阀23，利用减压阀14和气体流量计16控制工质由低压补气管路22进入回流低压管路8，同样控制补充气态工质量与输出液态工质量相同，制冷机内压力在正常范围。
在这三种补气方式中，减压阀14控制气态工质补充质量流率，气体流量计16监测气态工质补充质量流率，对应于排液组件中排液阀5控制液态工质输出质量流率，液体流量计6监测液态工质输出质量流率，使得排液组件输出的液态工质质量流与补充气态工质质量流相等。
另一方面，高压补气实际上提高了整个***的制冷性能，这是由于高压补充的气体工质无需经过***压缩装置压缩升压，可以直接补入***中，对应产生单位质量液化气体所需功减小；而中压补气和低压补气虽然需要消耗一定的***压缩功将补入的气体加压到制冷机内部压力，但气瓶内气体的利用率增大了。具体分析如下：
制冷机压缩装置与小型压缩装置部分状态点如图3所示。
假设压缩过程为等温压缩，则小型压缩装置和制冷机压缩装置消耗的比功分别为：
w1＝Ta(sa-sb)-(ha-hb)
w2＝Tb(sb-sc)-(hb-hc)
Ta＝Tb
其中，w1为小型压缩装置等温压缩消耗比功，w2为制冷机压缩装置等温压缩消耗比功，T、s、h分别为各点的温度、熵和焓值。
假设向制冷机内补充的气体工质质量流率为
Figure BDA0003703750280000081
从储液器中流出的液体工质质量流率为/>
Figure BDA0003703750280000082
从制冷机引出的直流流率为/>
Figure BDA0003703750280000083
对冷指、储液器和气缸外壁换热组件进行能量平衡，则
Figure BDA0003703750280000084
Figure BDA0003703750280000085
其中，hf为被液化气体的比焓。
设液化率
Figure BDA0003703750280000086
则
Figure BDA0003703750280000087
假设采用高压补气时生产单位质量液化气体所需功为wh，采用中压补气时生产单位质量液化气体所需功为wm，采用低压补气时生产单位质量液化气体所需功为wl，则
Figure BDA0003703750280000088
Figure BDA0003703750280000089
Figure BDA00037037502800000810
从上述关系式中可以看出，相对于低压补气，采用高压补气和中压补气减少了生产单位质量液化气体所需的功，液化***性能得到提高。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，其特征在于，包括回热式制冷机、节流液化组件和多压力补气模块；
所述的回热式制冷机包括依次连接的制冷机压缩装置（1）和冷指（2）；所述的节流液化组件包括依次连接的节流阀（3）、储液器（4）、回流低压管路（8）、气缸外壁换热组件、小型压缩装置（11）以及回流高压管路（12）；冷指（2）的冷端与节流阀（3）连接，回流高压管路（12）的出口端与制冷机压缩装置（1）低压侧连通；
所述的多压力补气模块包括进气组件和多压力补气组件，所述的进气组件的出口通过管路与多压力补气组件连通，所述多压力补气组件的出口通过管路分别与制冷机压缩装置（1）高压侧、回流高压管路（12）和回流低压管路（8）连通；
所述的进气组件包括依次连接的高压储气瓶（13）、减压阀（14）、缓冲腔（15）以及气体流量计（16）；所述多压力补气组件包括并列的高压补气管路（18）、中压补气管路（20）、低压补气管路（22）以及多压力补气电子控制器（17）；
所述的气体流量计（16）的出口端通过管路分别与高压补气管路（18）、中压补气管路（20）、低压补气管路（22）的入口端连接，所述的高压补气管路（18）的出口端与制冷机压缩装置（1）高压侧连通，所述的中压补气管路（20）的出口端与回流高压管路（12）连通，所述的低压补气管路（22）的出口端与回流低压管路（8）连通。
2.根据权利要求1所述的采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，其特征在于，所述高压储气瓶（13）的压力高于一个大气压，高压储气瓶（13）内装有压力传感器。
3.根据权利要求2所述的采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，其特征在于，所述的高压补气管路（18）上设有高压补气控制阀（19），所述的中压补气管路（20）上设有中压补气控制阀（21），所述的低压补气管路（22）上设有低压补气控制阀（23）；
所述的多压力补气电子控制器（17）通过电子线路分别与高压补气控制阀（19）、中压补气控制阀（21）、低压补气控制阀（23）以及高压储气瓶（13）的压力传感器相连；多压力补气电子控制器（17）按照高压储气瓶（13）内气体不同的压力，控制高压补气控制阀（19）、中压补气控制阀（21）、低压补气控制阀（23）自动启闭。
4.根据权利要求1所述的采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，其特征在于，所述的气缸外壁换热组件包括二级气缸外壁换热组件（9）和一级气缸外壁换热组件（10）。
5.根据权利要求1所述的采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，其特征在于，所述的节流液化组件还包括与储液器（4）连接的排液组件，所述的排液组件包括依次连接的排液阀（5）和液体流量计（6）。
6.根据权利要求1所述的采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，其特征在于，所述的回热式制冷机为GM制冷机、GM型脉管制冷机、斯特林制冷机、斯特林型脉管制冷机、VM制冷机中的一种。
7.根据权利要求6所述的采用多压力补气的G-M/J-T混合式内液化***，其特征在于，所述回热式制冷机的结构形式是同轴型、U型或直线型，其制冷级数为单级、两级或多级，其耦合结构是热耦合或气耦合。
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