耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置、回热器、冷端换热器；直流外部循环单元中，直流自任意位置引出制冷机单元，经过多个通道，之后再回到回热器，完成直流循环；直流外部循环单元中设有直流控制阀，以此控制直流流量大小。与现有技术相比，本实用新型专利技术过将被引出的直流进行膨胀降压，增加了膨胀制冷效果，并得到与待预冷物料相近的压力，使其比热容相近，使得等量的引出直流可预冷及液化更多的待预冷物料，从而提高预冷及液化效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统


[0001]本技术涉及制冷
，尤其是涉及一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统。

技术介绍

[0002]回热式制冷机是一种交变流动形式的制冷技术，利用回热器实现气体工质与回热填料之间的周期性的热量存储与释放，利用气体的膨胀产生制冷效应。回热器一般具有大的单位体积比表面积，结构形式包括丝网、丸状填料、间隙式等等。
[0003]直流是在一个周期内某截面正向流动与反向流动的气流质量不相等，出现沿一个方向流动的净质量流量，直流又称直流循环质量流。回热式低温制冷机具有可靠性高、结构简单、效率高等优点，在气体液化、超导冷却等低温技术中得到广泛应用。
[0004]膨胀机构包括节流膨胀和对外做功膨胀两种功能，均实现气体的降压；理想的回热式低温制冷机在运行中并不存在直流。随着双向进气结构在脉管制冷机的引入形成了一个由双向进气阀，回热器和脉管构成的闭合回路，这种回路引发了直流流动。一系列的理论和实验表明，一定流量的直流都具有提高脉管制冷机制冷性能的潜力。
[0005]焦耳
‑
汤姆逊（Joule
‑
Tomson，简称JT或J
‑
T）节流制冷机是气体在等焓降压的过程产生制冷效应的，结构简单，且可带液运行，故而在林德
‑
汉普森循环、克劳特循环中得到广泛应用，对于最低温区的制冷有显著效应。对于小型的低温制冷系统，采用回热式制冷机预冷的节流制冷机可在深低温获得较好的性能。回热式制冷机包括GM制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机或是两者结构形式的复合。节流制冷机由压缩机、高压管路与低压管路形成的逆流式换热器、节流元件、冷端换热器组成。逆流式换热器在一些温度点被回热式制冷机预冷。
[0006]膨胀制冷机是利用压缩气体膨胀降压时向外做功而使气体温度降低，从而获得制冷效应的。膨胀制冷机由压缩机、高压管路与低压管路形成的逆流式换热器、膨胀机构、冷端换热器组成。通过回热式制冷机预冷逆流式换热器的一些温度点，则可提高换热效率，使得膨胀制冷效率提高。
[0007]然而，常规的回热式制冷机预冷的节流制冷机、回热式制冷机预冷的膨胀制冷机虽然都可通过膨胀降压产生制冷效应，但都只能在冷端提供制冷量，而不能在冷端至热端的中间温度提供分布式制冷量。
[0008]低温气体液化是低温工程一项重要工业应用，工业上对于空气、天然气、氢气、氦气等工质存在大量的需求。液化效率的提升将显著地降低设备成本，降低能耗。低温气态储存在产业中也是一项重要应用，尤其对于液化温度很低的氢气而言。目前在氢能汽车中已有加注压力达到30 MPa，运行温度范围达到33 K至室温的方案。相应气态的预冷也存在大量的冷量需求。低温液体的预冷包括获得低温的乙醇等低温液体，实现恒温器或冷却功能。低温固体的预冷包括用于储冷的蓄冷器等。
[0009]公开号CN202010864762.1的专利公开了“一种采用直流的回热式制冷机高效液化
系统”，其虽然具有回热式制冷机引出直流用于预冷及液化的优点，制冷机引出的直流的压力一般远高于待预冷气体的压力。由于气体工质的比热容随压力而变化，两股流体的比热容不相匹配，导致需要更多的直流才能冷却待预冷气体，降低了预冷效率。

技术实现思路

[0010]本技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，采用直流流经回热器，引出后通过一系列管路以及间壁式换热器回到回热器热端，形成稳定的直流循环，使得直流循环在回热器内部吸收冷量，通过间壁式换热器与预冷及液化模块换热，预冷待预冷物料。直流经膨胀机构降压后一方面使得直流中气体的比热容与被预冷物料的比热容相近，另一方面产生膨胀制冷效应，提高冷端制冷量。
[0011]申请人认为，上述方面均可使得一定量的直流相比无膨胀情况下实现预冷待预冷物料量更多，从而提高预冷效率。
[0012]降压后直流中的气体再经压缩机构压缩后提高压力。既可提高到不低于低压组件的压力，通过低压腔回到压缩机，也可提高到不低于高压组件的压力，通过高压腔回到压缩机。当然，也可以是不低于低压至高压之间的某个压力，可回到压缩机或回热器热端。
[0013]本技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0014]本技术方案的目的是保护一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；
[0015]所述回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；
[0016]所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置、回热器、冷端换热器；
[0017]所述直流外部循环单元中，直流自任意位置引出制冷机单元，经过多个通道（包括膨胀机构、间壁式换热器、压缩机构、阀门等），之后再回到回热器，完成直流循环；
[0018]所述直流外部循环单元中设有直流控制阀，以此控制直流流量大小；
[0019]所述膨胀及压缩模块包括设于直流外部循环单元上第一温度区域的膨胀机构、设于直流外部循环单元上第二温度区域上的压缩机构、缓冲气库、压缩机构冷却器和过滤装置，所述第二温度区域的温度高于第一温度区域，其中直流经过膨胀机构降至预设的低压值，经过压缩机构压缩至回热式制冷机压力，从而在膨胀机构与压缩机构之间形成一段预设压力值的低压段，并且产生膨胀制冷效应；
[0020]具体地，膨胀及压缩模块包括在直流外部循环单元的较低温区增加的膨胀机构，在较高温区增加的压缩机构，以及视需要可增加的缓冲气库、压缩机构冷却器和过滤装置。直流经过膨胀机构降至一定的低压，经过压缩机构压缩至回热式制冷机压力，从而在膨胀机构与压缩机构之间形成一段低压，并且产生膨胀制冷效应，增加制冷量。附属的缓冲气库可起到缓冲气体压力的作用，压缩机构冷却器则可将压缩热排放出去，过滤装置则过滤固体颗粒、吸附压缩油。当不设置压缩机构冷却器和过滤装置时，可集中于回热式制冷机的压缩机构中完成。
[0021]所述预冷及液化模块包括依次连通的待预冷物料的料源、进料控制机构、间壁式换热器、冷端换热管路以及冷料收集组件，所述料源内待预冷物料通过间壁式换热器进行预冷，进入至冷料收集组件中，液化模块还包括物料在冷端换热管路中液化的装置，主要包
括换热器、液体收集组件、液体进出装置、液位测量仪器等。
[0022]进一步地，所述直流引出回热器结构的位置为回热器的冷端，或为回热器的冷端到回热器的热端之间区段的任意位置；
[0023]所述直流自间壁式换热器引入回热式制冷机系统的位置为回热器热端至压缩机区段、回热器热端到回热器冷端之间区段的任意位置；
[0024]所述直流的引出位置为一个或多个位置同时引出，以此形成一股直流或多股直流，所述直流上对应设置有一个或多个间壁式换热器。
[0025]进一步地，所述膨胀机构设于一股直流上或分别设于多股直流上；
[0026]所述膨胀机构为单个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，包括回热式制冷模块、膨胀及压缩模块和预冷及液化模块；所述回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流外部循环单元；所述回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置(1)、回热器、冷端换热器(12)；所述直流外部循环单元中，直流(28)自任意位置引出制冷机单元，经过多个通道，之后再回到回热器，完成直流循环；所述直流外部循环单元中设有直流控制阀(20)，以此控制直流流量大小；所述膨胀及压缩模块包括设于直流外部循环单元上第一温度区域的膨胀机构、设于直流外部循环单元上第二温度区域上的压缩机构、缓冲气库、压缩机构冷却器和过滤装置，所述第二温度区域的温度高于第一温度区域；所述预冷及液化模块包括依次连通的待预冷物料的料源(21)、进料控制机构(22)、间壁式换热器(30)、冷端换热管路(24)以及冷料收集组件(25)，所述料源(21)内待预冷物料通过间壁式换热器(30)进行预冷，进入至冷料收集组件(25)中，液化模块还包括物料在冷端换热管路(24)中液化的装置。2.根据权利要求1所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述直流(28)引出回热器结构的位置为回热器的冷端，或为回热器的冷端到回热器的热端之间区段的任意位置；所述直流(28)自间壁式换热器引入回热式制冷机系统的位置为回热器热端至压缩机区段、回热器热端到回热器冷端之间区段的任意位置；所述直流(28)的引出位置为一个或多个位置同时引出，以此形成一股直流或多股直流，所述直流(28)上对应设有一个或多个间壁式换热器。3.根据权利要求2所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述膨胀机构设于一股直流上或分别设于多股直流上；所述膨胀机构为单个膨胀机构、串联的多个膨胀机构、并联的多个膨胀机构、串并联组合的多个膨胀机构中的一种；所述膨胀机构在直流上的位置为冷端或冷端至热端之间的任一位置。4.根据权利要求3所述的一种耦合膨胀机构和回热式制冷机的高效预冷及液化系统，其特征在于，所述膨胀机构包括小孔阀、小孔、毛细管道、狭缝、多孔介质中的一种，以此通过摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹强，王苗苗，陈超杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：新型
国别省市：