CN1683844A - 多压力级混合工质深冷节流制冷*** - Google Patents
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Abstract
一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，由多级压缩机组单元MCPU、回热预冷单元MRU和蒸发器单元EVU组成。其连接方式为：多级压缩机组单元MCPU的高压出口CPHO连接回热预冷单元MRU的高压入口MPHI，多级压缩机组单元MCPU的低压入口CPLI连接回热预冷单元MRU的低压出口MPLO；回热预冷单元MRU的高压出口MPHO连接蒸发器单元EVU的入口EVI，蒸发器单元EVU出口EVO连接回热预冷单元MRU的低压入口MPLI。采用高效多元混合工质，该制冷***从热力学本征上降低了压缩和回热过程的不可逆损失，并降低了实际流动和换热过程的损失，因此具有高热力学效率，尤其适用于大中型低温制冷及气体液化领域。
Description
技术领域
本发明涉及低温制冷技术和气体液化领域，特别涉及一种多压力级混合工质深冷节流制冷***。
背景技术
采取回热措施的深冷多元混合工质节流制冷机广泛应用于能源、化工以及低温工程领域，用于实现器件冷却和工业气体的液化等方面，其中在液化天然气领域的应用是混合工质节流制冷技术最重要的体现之一。多元混合物工质的采用使制冷机设计和运行具有了更多的选择自由度。因此，针对不同冷却对象和应用要求，出现了各种各样的制冷流程***，仅以液化天然气领域就有不少于数十种流程形式出现。这些制冷***的出现是基于提高效率、降低成本和减小***复杂性等不同要求而提出的。而上述要求也是新制冷流程不断出现的促进力。
抛开所有混合工质节流制冷流程中的细节，现有混合工质深冷节流制冷流程的共同特征就是：利用压缩机将多元混合工质压缩到一个高压力级，经冷却器将压缩热带走；恢复到环境温度的高压混合工质进入间壁式换热器被返流低压混合工质冷却，然后进入节流膨胀阀实现节流制冷，混合工质自身压力降低到一个低压级，进入蒸发器为被冷却物体提供冷量，然后进入换热器冷却高压来流混合工质；自身温度恢复接近室温，进入压缩机，完成一个制冷循环。上述循环持续进行就可以在设定温度连续提供冷量。从热力学角度出发，混合工质在上述过程分别经历了4个阶段：压缩阶段(包括冷凝放热过程)，回热阶段，节流膨胀阶段和冷量提供阶段。针对不同应用要求，各阶段可能会相互重合，例如在气体液化阶段，冷量提供不仅只在最低温度的蒸发器，而是和回热阶段复合在一起，即返流低温低压工质同时为来流高压工质和被冷却物(如天然气)提供冷量。因此，现有技术基本为一级压缩即存在高压(一般在1.8～2.5MPa范围内)和低压(一般在0.1～0.7MPa范围内)两个压力级。
所述回热过程实际是循环制冷工质中低压流体冷却高压流体，使高压工质在节流前温度降低，从而减少节流损失的过程，在这个过程中，低压工质将冷量传给高压工质，而自身温度恢复接近环境温度。根据低温热力学理论，回热过程效率的是影响制冷***总体效率的关键因素。对于同种制冷工质，在气相区，由于压力对比热的影响，高压流体的比热大于低压流体的比热，即相同流量下高压工质的热当量总是大于低压流体的热当量，因此回热换热器内高、低压两侧热当量总是不能很好匹配，这就造成了回热换热器内冷热两股流体热力学本征上换热不匹配，造成回热损失，这已经不是通过传热学强化传热措施能够解决的问题。在两相区，相变潜热对当量比热具有极大贡献(非共沸混合物)，而相同工质低压流体的相变潜热较高压工质大，因此在两相区有可能使低压流体热当量增加。因此。解决回热换热器内热当量不匹配的办法有这样两种：第一种是通过调整混合物组元，改变高低压两侧的相变温区来调节两侧流体比热，使回热换热器内两侧流体尽量处于两相区，这需要增加高沸点组元配比浓度(如专利申请：03121422，公开号：CN1462861A，公茂琼等，2003)；第二是采用相分离措施，减少高压侧流体流量，将处于两相区的高压流体的汽液相分离，气相进入回热换热器进一步冷却，液相则直接节流膨胀，实现制冷效应进入低压侧冷却气相工质(如：Missimer，D.J.，US patent 3698202，1972)。上述两个措施是分别调节热当量两个参数中的比热和流量。对应各自***所采用的压缩机等关键部件，上述两种方法经过优化设计均可以有较高热力学效率，尤其是第一种措施。
但是对于低温制冷温区，如80K到120K，增加高沸点组元有可能会导致出现高沸点组元及润滑油凝固堵塞节流元件，尤其是在靠近低温度限(80K)。另外，采用单级压缩机实现低温制冷，为提高压缩机运行效率，要减小压比、提高低压，往往需要在混合工质内添加更低沸点的组元如：氖气和氦气，而氦气在这个温区节流效应为负(即节流后温度升高)，氖气节流效应很小，更为严重的是在上述温区，氖氦这两种气体无论是在高压还是在低压流道均为不可凝气体，这大大恶化制冷***内部的换热性能。另一个方面，单级压缩机由于压比和功率均有限制，一般在中小型制冷***中得到应用，而在大中型制冷装置中，尤其是天然气液化工业，多采用多级压缩机。
另外，在普冷领域为实现210～230K制冷，经常采用两级压缩两级节流制冷循环(李松寿等，制冷原理与设备，上海科学技术出版社，1988，pp.57-59)，主要目的是解决实现低温时压缩机压比过大的问题。另外在深冷领域也有两次节流循环出现(陈国邦等，机械工业出版社，1994，pp.328-329)，采用纯工质，主要降低最后一级节流前温度，但是最后一级节流前压力已经经过一次节流，使节流前后压差减小，会降低单位流量的等温节流效应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术在实现低温制冷中存在的诸多的问题、更好实现回热换热器中热当量匹配和能够更好利用多级压缩机提供的多个压力级，而提供一种多压力级混合工质深冷节流制冷***；可以广泛用于满足各种深冷需求场合，如气体液化，特别是天然气液化、空气分离、化工尾气液化回收、油田伴生气、煤层气液化等；也可以应用于冷却高温超导器件、冷中子源甲烷慢化剂冷却、超高真空水汽冷阱等等，具有广泛而重要的意义。
本发明的技术实施方案如下：
本发明提供的多压力级混合工质深冷节流制冷***，由多级压缩机组单元MCPU、回热预冷单元MRU和蒸发器单元EVU组成；其连接方式为：多级压缩机组单元MCPU的高压出口CPHO连接回热预冷单元MRU的高压入口MPHI，多级压缩机组单元MCPU的低压入口CPLI连接回热预冷单元MRU的低压出口MPLO；回热预冷单元MRU的高压出口MPHO连接蒸发器单元EVU的入口EVI，蒸发器单元EVU出口EVO连接回热预冷单元MRU的低压入口MPLI；
所述的多级压缩机单元由一个多级压缩机MCP(每级压缩机CPj)和级间冷却器AFCj组成(最后冷却器为最后一级压缩的冷却器)，j为压缩级数；其连接方式为：
1)第一级压缩机CP1的吸气口为多级压缩机单元MCPU的低压入口CPLI，对应工质压力为第1压力级；
2)第一级压缩机CP1排气口连接第一级间冷却器AFCl，第一级间冷却器AFCl排气口连接第2压力级补气口PMI1，然后连接第二级压缩机CP2吸气口，对应工质压力为第2压力级；
3)第二级压缩机CP2排气口连接第二级间冷却器AFC2，第二级间冷却器AFC2出口连接第3压力级补气口PMI2，然后连接第三级压缩机CP3入口，对应工质压力为第3压力级；
4)上述过程持续进行，第n级压缩机CPn排气口连接第n级间冷却器AFCn，第n级间冷却器AFCn出口连接第n+1压力级补气口PMIn，然后连接第n+1级压缩机CPn+1入口，对应工质压力为第n+1压力级，其中：n＝1，2，...，j-1；
5)对应第j级压缩机CPj的排气口连接第j级间冷却器AFCj，第j级间冷却器AFCj出口为多级压缩机单元的高压排气口CPHO，对应工质压力为第j+1压力级。
所述的回热预冷单元MRU由n个压力级子模块MRUZn串连构成。其级数n由多级压缩机级数决定，即n＝1，2…，j-1。各压力级子模块MRUZn的最基本结构为：由一个第n汽液相分离器SPZn，一个第n节流元件JTZn和一个第n回热换热器HXZn组成。其连接方式为：前级模块的第j+1压力级出口连接第n级汽液相分离器SPZn入口，第n级汽液相分离器SPZn气相出口连接第n回热换热器HXZn的第j+1压力级入口，第n回热换热器HXZn的第j+1压力级出口连接下级子模块的第j+1压力级入口；第n级汽液相分离器SPZn液相相出口连接第n节流元件入口，第n节流元件出口连接第n回热换热器HXZn第n+1压力级入口，第n回热换热器HXZn第n+1压力级出口连接上级模块回热换热器的第n+1压力级入口，最终通过中间压力级出口PMOn+1与多级压缩机单元MCPU的中间压力级补气口MPIn+1连接。
所述第n回热换热器HXZn有n+2个压力级通道，其中包括第j+1压力级的被冷却工质换热通道和第1压力级的冷工质换热通道，以及n个中间压力级冷工质换热通道组成。
所述的回热预冷单元MRU结构还可以为：回热预冷单元MRU由n级压力级子模块MRUZn串连构成；每个压力级还可以有2个同压力级子模块串连构成；这两个同压力级子模块的连接方式为：前级模块的第j+1压力级连接到第n压力级子模块的前汽液相分离器SPZn1，前汽液相分离器SPZn1气相出口连接前回热换热器HXZn1的第j+1压力级入口，前回热换热器HXZn1的第j+1压力级出口连接后汽液分离器SPZn2入口；前汽液相分离器SPZn1液相出口连接前节流元件JTZn1入口，前节流元件JTZn1出口连接前热换热器HXZn1第n+1压力级入口，前热换热器HXZn1第n+1压力级出口连接前级模块的第n+1压力级入口；后汽液分离器SPZn2气相出口连接后回热换热器HXZn2第j+1压力级入口，后回热换热器HXZn2第n+1压力级出口连接下级模块的第n+1压力级入口；后汽液相分离器SPZn2液相相出口连接后节流元件JTZn2入口，后节流元件JTZn2出口连接后热换热器HXZn2第n+1压力级入口：后回热换热器HXZn2的第n+1压力级出口连接前回热换热器HXZn1的第n+1压力级入口，最终通过中间压力级出口PMOn+1与多级压缩机单元MCPU的中间压力级补气口MPIn+1连接。
所述的蒸发器单元EVU包括逆流换热器E1、节流元件E2和蒸发器E3，其连接方式为：前一级单元的高压出口与逆流换热器E1的高压入口EVI相连，逆流换热器E1高压出口连接节流元件E2入口，E2出口连接蒸发器E3入口，蒸发器E3出口连接逆流换热器E1低压入口，E1低压出口EVO连接前一级单元低压入口。
所述的多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于，多级压缩机级数j取值2～5，因此分别对应着3～6个压力级。
所述的多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于，中间压力级数n取值为：n＝1，2…，j-1，因此分别对应着1～4个中间压力级；。
混合工质深冷制冷***的性能由实现制冷的硬件及这些硬件构成***的形式和混合工质节流制冷剂的组成决定的。上面阐述了本发明提出的多压力级混合工质制冷***所采用的硬件设备及其组织形式，下面对与本发明密切关联的混合物工质组成进行阐述。
所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于采用与制冷流程组织形式密切配合的高效多元混合工质，该混合工质由7组物质组成，具体成分及浓度配比范围见表1。
表1为本发明采用的高效混合工质组成及浓度配比
| 项目 | 混合物成分 | 摩尔浓度范围％ |
| 第1组 | 氮气(N2)、氩气(Ar)、或者是二者的混合物 | 10～45 |
| 第2组 | 甲烷(CH4)、氪(Kr)、或者是二者的混合物 | 5～25 |
| 第3组 | 四氟甲烷(CF4) | 5～20 |
| 第4组 | 乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)、氙(Xe)、氟代甲烷(CH3F)、全氟乙烯(C2F4)、氟乙烯(C2H3F)、或者是由上述物质中任两种组成的混合物、或多种物质组成的混合物 | 5～20 |
| 第5组 | 丙稀(C3H6)、丙烷(C3H8)、全氟丙烷(C3F8)、1，1，1-三氟乙烷(C2H3F3)、1，1，-二氟乙烷(1，1，-C2H4F2)、氟乙烷(C2H5F)、丙二烯(C3H4)、环丙烷(C3H6)、二氟甲烷(CH2F2)、或者是由上述物质中任两种组成的混合物、或多种物质组成的混合物 | 5～20 |
| 第6组 | 1-丁烯(1-C4H8)、异丁烷(C4H10)、异戊烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)、2-丁烯(顺式C4H8)、2-丁烯(反式C4H8)、环丁烷(C4H8)、异丁烯(iC4H8)、正丁烷(C4H10)、全氟丁烷(C4F10)、正戊烷(C5H12)、全氟戊烷(C5F12)、或者是由上述物质中任两种组成的混合物、或多种物质组成的混合物 | 5～25 |
| 第7组 | 氖气(Ne)* | 0～10 |
*只用于实现80K以下制冷温区时采用，在80K以上温区，可以避免采用。
本发明提供的多压力级混合工质节流制冷***，具有以下优点：能够充分利用多级压缩机提供的多个压力级改善回热换热器中冷热流体的热当量匹配问题，减小因压力差造成的回热换热器高低温两侧热当量差异，进而减小回热过程损失，提高制冷***热效率；同时又可以减小在实现低温制冷时***内不可凝气体氦、氖的采用，提高***内换热器的换热效率；另外，在本发明所提供的多压力级混合工质节流制冷***中，混合物中较高沸点组元在较高温区被分离出来，而其节流后返回多级压缩机的较高压力级，因此只有部分工质经过全部压缩过程，而较高沸点组元只经过部分压缩过程，因此减少了压缩耗功；最后一级节流前后压差最大，这样保证了在最低温区节流的混合工质具有较高的节流效应；高沸点组元在较高温区被分离出来，减小了低温区回热换热器传热负荷和流动压力损失，同时避免高沸点组元在低温下凝固而堵塞节流元件，提高制冷***的可靠性。多级压缩带来的另一个好处是，降低了每级的压比，使每级压缩排气温度降低，同时加上级间冷却，使***的压缩过程从绝热过程转变为接近等温压缩过程，因此降低了压缩过程中的损失，表现为由各级冷却器带走的火用减少，因此整机效率提高。
本发明提供的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，可以广泛用于满足各种深冷需求场合，如气体液化，特别是天然气液化、空气分离、化工尾气液化回收、油田伴生气、煤层气液化等；也可以应用于冷却高温超导器件、冷中子源甲烷慢化剂冷却、超高真空水汽冷阱等等，具有广泛而重要的意义。
附图说明
图1制冷***总流程布置示意图
图2多级压缩机单元及进排气口示意图
图3回热预冷单元连接示意图
图4第n压力级两个子模块串连示意图
图5蒸发器单元结构示意图
图6实施例4一个采用3个压力级混合工质深冷节流制冷***
图7实施例5一个采用3个压力级混合工质深冷节流制冷气体液化***
其中：多级压缩机单元MCPU 回热预冷单元MRU 蒸发器单元EVU
多级压缩机低压入口CPLI 多级压缩机高压出口CPHO
回热预冷单元高压入口MPHI 回热预冷单元高压出口MPHO
回热预冷单元低压入口MPLI 回热预冷单元低压出口MPLO
回热换热器HXZn 汽液分离器SPZn 中间级节流元件JTZn
回热预冷单元中间压力级出口PMOn 回热预冷单元子模块MRUZn
多级压缩机单元中间压力级补气口PMIn
各级压缩机CPj 压缩级数j 中间压力级数n，其中n＝1，2，...，j-1压缩机级间冷却器AFCj蒸发器单元高压入口EVI逆流换热器E1蒸发器单元低压出口EVO节流元件E2蒸发器E3制冷效率COP卡诺效率CEF(CEF＝COP×(TO-Tc)/Tc×100％)天然气NG 液化天然气LNG
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的多压力级混合工质深冷节流制冷***的工作过程进行进一步阐述：参见图1～3和图5，首先第1压力级的低压混合工质由多级压缩机单元MCPU的第一级吸气口，即CPLI，进入压缩机单元的第一级，经第一级压缩机CP1压缩后成为第2压力级混合物工质，然后进入第一级间冷却器AFC1冷却到环境温度，通过第一级间冷却器AFC1出口与通过第2压力级补气口PMI1来的混合工质混合后一起进入第二级压缩机CP2，压缩后成为第3压力级混合物工质，同样经过第二级间冷却器AFC2冷却后，与通过第3压力级补气口PMI2来的混合工质混合，然后进入下一级压缩，重复相同过程，直到进入最后一级压缩机，即第j级压缩机，经第j级压缩机压缩后成为第j+1压力级混合工质，然后通过第j级后冷却器AFCj冷却，通过压缩机单元排气口CPHO，进入下一级单元——回热预冷单元MRU。
经过压缩机单元排气口CPHO的第j+1压力级混合工质经过回热预冷单元MRU的高压入口MPHI进入第j-1级子模块回热预冷单元子模块MRUZj-1的汽液相分离器SPZn，分为高压气相和液相两股工质流，高压气相流体进入回热换热器HXZn中被返流工质冷却，然后进入下一压力级子模块，成为下一级子模块的高压来流工质；高压液相流体进入中间级节流元件JTZn，节流后温度降低，压力成为第n级低压级，进入回热换热器HXZn提供冷量，然后依次进入各高温级回热换热器，温度恢复接近室温，最后通过回热预冷单元的PMOn中间压力级出口与多级压缩机单元的PMIn中间压力级补气口连接进入压缩机单元。高压来流工质通过逐级分离和冷却，温度和流量均逐渐降低，最后通过回热预冷单元高压出口MPHO进入下级模块蒸发器单元EVU，经过EVU中逆流换热器E1的进一步冷却后进入最后一级节流元件E2，由第j+1压力级节流后成为第1压力级混合工质，经过蒸发器E3提供冷量；由蒸发器单元EVU出来的流体经回热预冷单元低压入口MPLI进入回热预冷单元MRU，经过各级子模块的回热换热器，逐级复温，最后通过回热预冷单元低压出口MPLO进入压缩机单元的低压入口CPLI，这股流体具有最低的压力等级，最终完成整个制冷循环。按模块级数由大到小，所分离高压液体节流后压力级逐级降低，并经过各级回热换热器复温后回到压缩机单元对应的低压缩级。
回热预冷单元MRU中每级压力级子模块还可以有2个同压力级子模块串连构成；参见图4，这两个同压力级子模块的连接方式为：高压来流进入第n压力级的前汽液相分离器SPZn1，分离为高压气相流体和高压液相流体；高压气相流体进入前回热换热器HXZn 1，得到冷却后进入后汽液相分离器SPZn 2，再次被分离为高压气相流体和高压液相流体，其中高压气相流体进入下一压力级模块；上述后汽液相分离器分离后获得的高压液相流体经过后节流元件JTZn 2节流后成为第n+1压力级混合工质进入后热换热器HXZn 2回收冷量；前分离器分离后获得的高压液相流体经过前节流元件JTZn 1节流后同样成为第n+1级低压流体，与经过HXZn 2复温后的第n+1压力级低压流体混合后进入前回热换热器HXZn 1回收冷量，然后进入上一级模块。
实施例1
制备一个6个压力级的混合工质深冷节流制冷***，用于实现65K温区的高效制冷。该6级压力级制冷***为5级压缩机驱动。该制冷***总连接方式参见图1，其中多级压缩机单元MCPU示意图参见图2，回热预冷单元结构示意图见图3，蒸发器单元EVU结构示意图见图5，其中j＝5，n＝j-1＝4。环境温度300K，多元混合工质组成、运行压力参数及制冷***性能为：
| 项目 | 混合物组元 | 摩尔浓度％ |
| 第1组 | 氮(N2)和氩气(Ar)的混合物 | 35(N2 25％、Ar 10％) |
| 第2组 | 甲烷(CH4) | 5 |
| 第3组 | 四氟甲烷(CF4) | 10 |
| 第4组 | 乙烯(C2H4)和三氟甲烷(CHF3)的混合物 | 10(各5％) |
| 第5组 | 丙烷(C3H8) | 10 |
| 第6组 | 异丁烷(C4H10)和异戊烷(C5H12) | 20(各10％) |
| 第七组 | 氖气(Ne) | 10 |
| 高压/低压(MPa) | 4.5/0.1，每级压比为2.141，6个压力级分别为：0.1(最低压)、0.2141、0.4584、9.815、2.1013、4.5(最高排气压力) | |
| COP | 0.106 | |
| CEF％ | 38.3 | |
实施例2
制备一个5个压力级的混合工质深冷节流制冷***，用于实现80K温区的高效制冷。该5级压力级制冷***为4级压缩机驱动。该制冷***总连接方式参见图1，其中多级压缩机单元MCPU示意图参见图2，回热预冷单元结构示意图见图3，蒸发器单元EVU结构示意图见图5，其中j＝4，n＝j-1＝3。环境温度300K，多元混合工质组成、运行压力参数及制冷***性能为：
| 项目 | 混合物组元 | 摩尔浓度％ |
| 第1组 | 氮(N2) | 45 |
| 第2组 | 甲烷(CH4) | 10 |
| 第3组 | 四氟甲烷(CF4) | 5 |
| 第4组 | 乙烷(C2H6)和三氟甲烷(CHF3)混合物 | 10(各5％) |
| 第5组 | 丙烷(C3H8) | 5 |
| 第6组 | 异丁烷(C4H10)和异戊烷(C5H12)的混合物 | 25(异丁烷15+异戊烷10) |
| 第七组 | 氖气(Ne) | 0 |
| 高压/低压 | 2.5/0.1(MPa)，每级压比为2.236，5个压力级分别为：0.1、0.2236、0.5、1.118、2.5(MPa) | |
| COP | 0.169 | |
| CEF％ | 37.2 | |
实施例3
制备一个4个压力级的混合工质深冷节流制冷***，用于实现90K温区的高效制冷。该4级压力级制冷***为3级压缩机驱动。该制冷***总连接方式参见图1，其中多级压缩机单元MCPU示意图参见图2，回热预冷单元结构示意图见图3，蒸发器单元EVU结构示意图见图5，其中j＝3，n＝j-1＝2。环境温度300K，多元混合工质组成、运行压力参数及制冷***性能为：
| 项目 | 混合物组元 | 摩尔浓度％ |
| 第1组 | 氮(N2) | 40 |
| 第2组 | 氪(Kr) | 5 |
| 第3组 | 四氟甲烷(CF4) | 10 |
| 第4组 | 乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6) | 10(各5％) |
| 第5组 | 丙烷(C3H8) | 10 |
| 第6组 | 1-丁烯(1-C4H8)、异丁烷(C4H10)、异戊烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)、2-丁烯(顺式C4H8)、2-丁烯(反式C4H8)、环丁烷(C4H8)、异丁烯(iC4H8)、正丁烷(C4H10)、全氟丁烷(C4F10)、正戊烷(C5H12)、全氟戊烷(C5F12)组成的混合物 | 25，其中异丁烷12，其余各1％。 |
| 第七组 | 氖气(Ne) | 0 |
| 高压/低压 | 2.5/0.1(MPa)，每级压比为2.924，4个压力级分别为：0.1、0.2924、0.855、25(MPa) | |
| COP | 0.186 | |
| CEF％ | 43.4 | |
实施例4
制备一个3个压力级的混合工质深冷节流制冷***，用于实现100K温区的高效制冷。该3级压力级制冷***为2级压缩机驱动。该制冷***总连接方式参见图1，其中多级压缩机单元MCPU示意图参见图2，回热预冷单元结构示意图见图3和图4，蒸发器单元EVU结构示意图见图5，其中j＝2，n＝j-1＝1，即中间回热预冷单元只有一个压力分离级，但是采用两个分离级(具体组织结构图参见图4)。为进一步清楚说明该3个压力级混合工质分离制冷***，图6给出了制冷***示意图。环境温度300K，多元混合工质组成、运行压力参数及制冷***性能为：
| 项目 | 混合物组元 | 摩尔浓度％ |
| 第1组 | 氮(N2)和氩气(Ar)的混合物 | 35，其中25(N2)+10(Ar) |
| 第2组 | 甲烷(CH4) | 10 |
| 第3组 | 四氟甲烷(CF4) | 5 |
| 第4组 | 乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)、氙(Xe)、氟代甲烷(CH3F)、全氟乙烯(C2F4)、氟乙烯(C2H3F)组成的混合物 | 20，其中乙烷(C2H6)2％，其余3％ |
| 第5组 | 丙烷(C3H8) | 5 |
| 第6组 | 异丁烷(C4H10)+异戊烷(C5H12) | 25(异丁烷15+异戊烷10) |
| 第七组 | 氖气(Ne) | 0 |
| 高压/低压 | 2.4/0.15(MPa)，每级压比为4，3个压力级分别为：0.15、0.6、2.4(MPa) | |
| COP | 0.185 | |
| CEF％ | 37 | |
实施例5
制备一个3个压力级的混合工质深冷节流制冷***，用于实现110K温区的高效制冷。该3级压力级制冷***为2级压缩机驱动。该制冷***总连接方式参见图1，其中多级压缩机单元MCPU示意图参见图2，回热预冷单元结构示意图见图3，蒸发器单元EVU结构示意图见图5，其中j＝2，n＝j-1＝1。环境温度300K，多元混合工质组成、运行压力参数及制冷***性能为：
| 项目 | 混合物组元 | 摩尔浓度％ |
| 第1组 | 氮(N2)和氩气(Ar)的混合物 | 30，其中20(N2)+10(Ar) |
| 第2组 | 甲烷(CH4) | 25 |
| 第3组 | 四氟甲烷(CF4) | 15 |
| 第4组 | 乙烯(C2H4) | 5 |
| 第5组 | 丙稀(C3H6)、丙烷(C3H8)、全氟丙烷(C3F8)、1，1，1-三氟乙烷(C2H3F3)、1，1，-二氟乙烷(1，1，-C2H4F2)、氟乙烷(C2H5F)、丙二烯(C3H4)、环丙烷(C3H6)、二氟甲烷(CH2F2)组成的混合物 | 20，其中丙烷(C3H8)4％，其余各2％ |
| 第6组 | 异戊烷(C5H12) | 5 |
| 第七组 | 氖气(Ne) | 0 |
| 高压/低压 | 2.4/0.15(MPa)，每级压比为4，3个压力级分别为：0.15、0.6、2.4(MPa) | |
| COP | 0.216 | |
| CEF％ | 37.3 | |
实施例6
制备一个3个压力级的混合工质深冷节流制冷***，用于实现天然气液化(最低制冷温度110～120K温区)。该3级压力级制冷***为2级压缩机驱动。该制冷***总连接方式参见图1，其中多级压缩机单元MCPU示意图参见图2，回热预冷单元结构示意图见图3和图4，蒸发器单元EVU结构示意图见图5，其中j＝2，n＝j-1＝1，即中间回热预冷单元只有一个压力级，但是采用两个分离级(具体组织结构图参见图4)。为进一步清楚说明该3个压力级混合工质分离制冷***，图7给出了制冷***示意图。环境温度300K，多元混合工质组成、运行压力参数及制冷***性能为：
| 项目 | 混合物组元 | 摩尔浓度％ |
| 第1组 | 氮(N2) | 25 |
| 第2组 | 甲烷(CH4) | 25 |
| 第3组 | 四氟甲烷(CF4) | 10 |
| 第4组 | 乙烷(C2H6) | 10 |
| 第5组 | 丙烷(C3H8) | 15 |
| 第6组 | 异丁烷(C4H10)+异戊烷(C5H12) | 15(异丁烷8+异戊烷7) |
| 第七组 | 氖气(Ne) | 0 |
| 高压/低压 | 2.4/0.15(MPa)，每级压比为4，3个压力级分别为：0.15、0.6、2.4(MPa) | |
| 比功耗 | 2.178升LNG/kw.h | |
| CEF％ | 35.6 | |
Claims (9)
1、一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征在于：由多级压缩机组单元(MCPU)、回热预冷单元(MRU)和蒸发器单元(EVU)组成；其连接方式为：多级压缩机组单元(MCPU)的高压出口(CPHO)连接回热预冷单元(MRU)的高压入口(MPHI)，多级压缩机组单元(MCPU)的低压入口(CPLI)连接回热预冷单元(MRU)的低压出口(MPLO)；回热预冷单元(MRU)的高压出口(MPHO)连接蒸发器单元(EVU)的入口(EVI)，蒸发器单元(EVU)出口(EVO)连接回热预冷单元(MRU)的低压入口(MPLI)；
所述的多级压缩机单元由一个多级压缩机，每级为(CPj)，和级间冷却器(AFCj)组成，j为压缩级数；其连接方式为：
1)第一级压缩机(CP1)的吸气口为多级压缩机单元(MCPU)的低压入口(CPLI)，对应工质压力为第1压力级；
2)第一级压缩机(CP1)排气口连接第一级间冷却器(AFC1)，第一级间冷却器(AFC1)排气口连接第2压力级补气口(PMI1)，然后连接第二级压缩机(CP2)吸气口，对应工质压力为第2压力级；
3)第二级压缩机(CP2)排气口连接第二级间冷却器(AFC2)，第二级间冷却器(AFC2)出口连接第3压力级补气口(PMI2)，然后连接第三级压缩机(CP3)入口，对应工质压力为第3压力级；
4)上述过程持续进行，第n级压缩机(CPn)排气口连接第n级间冷却器(AFCn)，第n级间冷却器(AFCn)出口连接第n+1压力级补气口(PMIn)，然后连接第n+1级压缩机(CPn+1)入口，对应工质压力为第n+1压力级，其中：n＝1，2，...，j-1；
5)对应第j级压缩机(CPj)的排气口连接第j级间冷却器(AFCj)，第j级间冷却器(AFCj)出口为多级压缩机单元的高压排气口(CPHO)，对应工质压力为第j+1压力级；
所述的回热预冷单元(MRU)由n个压力级子模块(MRUZn)串连构成；其级数n由多级压缩机级数决定，即n＝1，2...，j-1；各压力级子模块(MRUZn)的最基本结构为：由一个第n汽液相分离器(SPZn)，一个第n节流元件(JTZn)和一个第n回热换热器(HXZn)组成。其连接方式为：前级模块的第j+1压力级出口连接第n级汽液相分离器(SPZn)入口，第n级汽液相分离器(SPZn)气相出口连接第n回热换热器(HXZn)的第j+1压力级入口，第n回热换热器(HXZn)的第j+1压力级出口连接下级子模块的第j+1压力级入口；第n级汽液相分离器(SPZn)液相相出口连接第n节流元件入口，第n节流元件出口连接第n回热换热器(HXZn)第n+1压力级入口，第n回热换热器(HXZn)第n+1压力级出口连接上级模块回热换热器的第n+1压力级入口，最终通过中间压力级出口(PMOn+1)与多级压缩机单元(MCPU)的中间压力级补气口(MPIn+1)连接；
所述的蒸发器单元(EVU)包括逆流换热器(E1)、节流元件(E2)和蒸发器(E3)，其连接方式为：前一级单元的高压出口与逆流换热器(E1)的高压入口(EVI)相连，逆流换热器(E1)高压出口连接节流元件(E2)入口，(E2)出口连接蒸发器(E3)入口，蒸发器(E3)出口连接逆流换热器(E1)低压入口，(E1)低压出口(EVO)连接前一级单元低压入口。
2、按权利要求1所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征在于：所述的回热预冷单元(MRU)结构为：回热预冷单元(MRU)由n级压力级子模块(MRUZn)串连构成；每个压力级还可以有2个同压力级子模块串连构成；这两个同压力级子模块的连接方式为：前级模块的第j+1压力级连接到第n压力级子模块的前汽液相分离器(SPZn1)，前汽液相分离器(SPZn1)气相出口连接前回热换热器(HXZn1)的第j+1压力级入口，前回热换热器(HXZn1)的第j+1压力级出口连接后汽液分离器(SPZn2)入口；前汽液相分离器(SPZn1)液相出口连接前节流元件(JTZn1)入口，前节流元件(JTZn1)出口连接前热换热器(HXZn1)第n+1压力级入口，前热换热器(HXZn1)第n+1压力级出口连接前级模块的第n+1压力级入口；后汽液分离器(SPZn2)气相出口连接后回热换热器(HXZn2)第j+1压力级入口，后回热换热器(HXZn2)第n+1压力级出口连接下级模块的第n+1压力级入口；后汽液相分离器(SPZn2)液相相出口连接后节流元件(JTZn2)入口，后节流元件(JTZn2)出口连接后热换热器(HXZn2)第n+1压力级入口；后回热换热器(HXZn2)的第n+1压力级出口连接前回热换热器(HXZn1)的第n+1压力级入口，最终通过中间压力级出口(PMOn+1)与多级压缩机单元(MCPU)的中间压力级补气口(MPIn+1)连接。
3、按权利要求1或2所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于：所述第n回热换热器(HXZn)有n+2个压力级通道，其中包括第j+1压力级的被冷却工质换热通道和第1压力级的冷工质换热通道，以及n个中间压力级冷工质换热通道组成。
4、按权利要求1或2所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于：多级压缩机级数j取值2～5，因此分别对应着3～6个压力级。
5、按权利要求3所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于：多级压缩机级数j取值2～5，因此分别对应着3～6个压力级。
6、按权利要求1或2所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于：中间压力级数n取值为：n＝1，2...，j-1，因此分别对应着1～4个中间压力级。
7、按权利要求3所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于：中间压力级数n取值为：n＝1，2...，j-1，因此分别对应着1～4个中间压力级。
8、按权利要求4所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于：中间压力级数n取值为：n＝1，2...，j-1，因此分别对应着1～4个中间压力级。
9、按权利要求1所述的一种多压力级混合工质深冷节流制冷***，其特征还在于采用与制冷流程组织形式密切配合的高效多元混合工质，该混合工质由7组物质组成，具体成分及浓度配比范围为：
第1组：氮气、氩气或其混合物，摩尔浓度范围10～45％；
第2组：烷、氪或其混合物，摩尔浓度范围5～25％；
第3组：四氟甲烷，摩尔浓度范围5～20％；
第4组：乙烯、乙烷、三氟甲烷、氙、氟代甲烷、全氟乙烯、氟乙烯或者是由上述物质中的任两种物质组成的混合物；或者是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～20％；
第5组：丙稀、丙烷、全氟丙烷、1，1，1-三氟乙烷、1，1，-二氟乙烷、氟乙烷、丙二烯、环丙烷、二氟甲烷或者是由上述物质中的任两种物质组成的混合物、或者是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～20％；
第6组：1-丁烯、异丁烷、异戊烷、1-戊烯、3-甲基-1-丁烯、2-甲基戊烷、2-丁烯(顺式C4H8)、2-丁烯(反式C4H8)、环丁烷、异丁烯、正丁烷、全氟丁烷、正戊烷、全氟戊烷或者是由上述物质中任两种物质组成的混合物，或者是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～25％；
第7组：氖气，摩尔浓度范围0～10％。
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