多压力级混合工质深冷节流制冷装置制造方法及图纸

一种多压力级混合工质深冷节流制冷装置，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，该制冷系统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。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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装置。
技术介绍
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系统，仅以液化天然气领域就有不少于数十种流程形式出现。这些制冷系统的出现是基于提高效率、降低成本和减小系统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系统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。对应各自系统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，这大大恶化制冷系统内部的换热性能。另一个方面，单级压缩机由于压比和功率均有限制，一般在中小型制冷系统中得到应用，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。
技术实现思路
本技术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装置；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。本技术的技术实施方案如下本技术提供的多压力级混合工质深冷节流制冷装置，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多压力级混合工质深冷节流制冷装置，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和级间冷却器组成；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...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：公茂琼，吴剑锋，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]