一种间隙式制冷机高效预冷及液化系统
阅读说明：本技术 一种间隙式制冷机高效预冷及液化系统 (Efficient precooling and liquefying system of clearance type refrigerating machine ) 是由 曹强 李芃 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种间隙式制冷机高效预冷及液化系统,包括回热式制冷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内部循环单元；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、膨胀活塞和内部间隙结构；直流从特定位置引入内部间隙结构,待预冷物料在进口与气缸外壁换热组件处进行预冷,进入到冷料收集组件中。液化系统中物料则在预冷后进入冷端换热管路中被液化,进入至液体收集组件中。与现有技术相比,本发明通过引出与回热内交变流进行换热的直流,与被待预冷物料通过气缸壁进行间壁式换热,可有效降低热阻,从而提高预冷及液化效率。(The invention relates to a high-efficiency precooling and liquefying system of a clearance type refrigerator, which comprises a regenerative refrigerating module and a precooling and liquefying module; the regenerative refrigeration module comprises a regenerative refrigerator unit and a direct-current internal circulation unit; the regenerative refrigerator unit comprises a compressor device, a regenerator, a cold end heat exchanger, an expansion piston and an internal gap structure which are connected in sequence; the direct current is introduced into the internal gap structure from a specific position, and the material to be precooled is precooled at the inlet and the heat exchange assembly of the outer wall of the cylinder and enters the cold material collecting assembly. And the material in the liquefaction system enters a cold end heat exchange pipeline after precooling to be liquefied and enters a liquid collection assembly. Compared with the prior art, the direct current for exchanging heat with the regenerative internal alternating current is led out, and the direct current and the material to be precooled exchange heat in a wall type through the cylinder wall, so that the thermal resistance can be effectively reduced, and the precooling and liquefying efficiency can be improved.)
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种回热式制冷机预冷及液化系统。
背景技术
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。
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。
间隙是在靠近承压容器壁面部分形成的空间，一般为环状结构，径向长度相对于直径较小。承压容器内部承受工质的工作压力，外部为环境压力或真空，承压容器包括膨胀活塞式结构中的气缸和脉管制冷机中的承压管。
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。
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，直流由于最早由Gedeon正式提出并进行了理论论证而也被称作Gedeon直流。之后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。1997年，陈国邦等人在一台两级脉管制冷机中引入了一股直流，降低了脉管中部的温度，减少了损失，提高了制冷效率。1998年，王超通过数值模拟和实验结合的方法，发现一定直流可以显著地提高GM制冷机的制冷性能，并证明在脉管制冷机的回热器外盘绕待液化的氦气，可提高液化效率。
2019年，曹强提出了通过制冷循环的回热器中引入直流减少实际气体损失，在热力学分析的基础上，揭示了在实际气体效应显著的回热器中加入直流的工作机理，得出了回热器中直流量的理论表达式及加入直流后回热器COP的理论值。结果表明，有直流的回热器可以显著提高COP。
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30MPa，运行温度范围达到33K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。
采用膨胀活塞的回热式制冷机由于效率高，在中小型预冷及液化系统中应用广泛。当前将预冷流道在回热器管壁外侧盘绕或对流预冷，换热热阻大。而随着冷量增大，回热器结构尺寸变大，径向热阻也随之大。这些导致预冷及液化效率低，单位体积的预冷及液化成本高。
发明内容
本发明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间隙式制冷机高效预冷及液化系统，采用直流的回热式制冷机高效预冷及液化系统，通过膨胀活塞间隙或增加通道形成的间隙连通回热器冷端和热端，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，流经间隙，通过气缸壁与预冷及液化模块换热，预冷待预冷物料，再回到回热器热端，完成循环。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本申请的目的是保护一种间隙式制冷机高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块和液化模块；
所述回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流内部循环单元；
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、膨胀活塞和内部间隙结构；对于脉管制冷机，没有膨胀活塞和内部间隙结构，通过冷端换热器后依次连接脉管、脉管热端换热器和调相机构。
所述直流内部循环单元为：直流从特定位置引入内部间隙结构，直流通过间隙与待预冷物料通过气缸壁进行间壁式换热，利用直流携带的回热器内部的冷量预冷待预冷物料，之后再回到回热器，完成直流内部循环，通过直流控制阀控制循环流量；
所述预冷及液化模块包括依次连通的料源、进料控制机构、进料与气缸外壁换热组件、冷端换热管路以及冷料收集组件，所述料源内在进料与气缸外壁换热组件处进行预冷，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。
进一步地，所述内部间隙结构包括膨胀活塞与气缸形成的间隙、在回热器的承压管内由多层通道形成的间隙、在脉管承压管内由多层通道形成的间隙。多层指两层、三层或更多层数。
由多层通道从而形成内部间隙结构的位置包括回热器部分和脉管部分，或回热器部分和脉管部分同时使用。
进一步地，所述直流引入内部间隙结构的位置为回热器冷端，或回热器冷端到回热器热端之间的任意位置；
所述直流自内部间隙结构引出的位置包括回热器热端、回热器热端到回热器冷端之间的任意位置。该直流引出位置要比直流引入位置的温度高。
进一步地，所述直流自内部间隙结构引出后可直接引入回热器，或引入低压组件后再引入回热器，或由高压组件驱动，构成循环；
所述低压组件为有阀压缩机(GM型)的低压管路或在无阀压缩机(斯特林型)及有阀压缩机中设置单向阀形成的低压腔；所述低压管路为压缩之前的包括低压配气管、低压储气罐等结构；设置单向阀形成的低压腔包括沿直流移动方向设置的低压气库和低压单向阀，所述低压气库设于直流控制阀的下游。
所述高压组件为有阀压缩机(GM型)的高压管路或在无阀压缩机(斯特林型)及有阀压缩机中设置单向阀形成的高压腔。所述要压管路为压缩之后的高压配气管、低压储气罐等结构；
进一步地，所述回热式制冷机单元为：带有膨胀活塞机构的吉福德-麦克马洪(Gifford-Mcmahon,GM)制冷机、索尔维(Solvey)制冷机、斯特林制冷机、维勒米尔(Vurlleumier,VM)制冷机，以及不带膨胀活塞机构的脉管制冷机，也可以是以上几种结构形式进行多级耦合的混合结构形式。所述脉管制冷机包括GM型脉管制冷机和斯特林型脉管制冷机。
脉管制冷机可通过由多层通道形成在回热器部分或脉管部分形成内部间隙结构。带有膨胀活塞机构的制冷机也可由多层通道形成在回热器部分的间隙结构。
进一步地，所述脉管制冷模块还包括依次连接的冷端连管、脉管冷端换热器、脉管、脉管热端换热器和调相机构，所述冷端连管由冷端换热器引出。
进一步地，所述回热式制冷模块为回热器内置式结构或回热器外置式结构；
所述回热器内置式结构中，回热器内置于膨胀活塞中，回热器随膨胀活塞一起运动；
所述回热器外置式结构中，膨胀活塞和回热器分体式设置，一般回热器不动，膨胀活塞运动；
所述回热式制冷模块包括单级结构和多级耦合结构，所述多级耦合结构包括多级热耦合结构、多级气耦合结构、热耦合与气耦合混合结构。多级结构可实现更低的制冷温度，并提供多个温区的冷量。多级包括两级和两级以上级数。
进一步地，所述进料与气缸外壁换热组件的结构形式包括与气缸壁通过导热进行换热的进料管路，例如进料管盘绕着与气缸壁进行热接触，以及进料与气缸壁进行对流换热的结构。
进一步地，进料控制机构为压力控制阀门、毛细管、喷嘴或多孔介质形成的阻力元件。
进一步地，所述回热式制冷模块中的平均工作压力一般大于1倍的大气压，取为1-500倍的大气压(即0.1-50MPa)，预冷及液化模块工作压力一般与回热式制冷模块中的压力不同，常为接近于大气压，但在高压低温气体储存系统中可实现高的压力，故可包括0.01至2000倍的大气压(即0.001-200MPa)。
进一步地，所述预冷及液化模块包括预冷功能、液化功能，以及预冷功能和液化功能两种的组合，待预冷物料的液化量占待预冷物料总量的比例为0％-100％。
所述待预冷物料包括气体、液体或固体，以及气态、液态、固态三种物质相态中任意两种或三种的混合。
所述待预冷物料包括纯净物和多种物质组成的混合物。
进一步地，所述的回热式制冷模块的直流内部循环单元包括在制冷机中引出单路直流和多路直流。例如，在回热器与膨胀活塞并行放置的结构中可分别在回热器与膨胀活塞处形成两路直流，在脉管制冷机中可通过回热器、脉管分别形成两路直流，也可按照温度段形成多路直流；所述的预冷及液化模块中通过气缸壁进行间壁式换热的位置包括单个位置和多个位置，例如，在回热器与膨胀活塞并行放置的结构中可在回热器气缸与膨胀活塞气缸处形成两处换热，在脉管制冷机中可通过回热器、脉管分别形成两处换热，所述多个位置的待预冷、待液化的工质为相同的工质，或多种不同的工质。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本发明采用直流的回热式制冷机高效预冷及液化系统，使得直流在回热器内部吸收冷量，流经通过膨胀活塞间隙，通过气缸壁与预冷及液化模块换热，预冷待预冷物料，再回到回热器热端，完成循环。传统的制冷机通过回热器外壁预冷，由于回热器与气缸之间存在气隙，待预冷物料与回热器换热存在很大的气隙热阻。随着冷量增大，回热器结构尺寸变大，径向热阻也增大。而引出的直流与回热填料和交变流紧密接触，由此做到几乎无换热温差，可有效降低热阻。
2)本发明中的回热器可以吸收一定量直流的焓流，且合适大小的直流造成冷端焓流的增大远小于回热器吸收的总焓流，因此对引出直流的充分利用，可提高制冷机预冷及液化能力。特别是在工质接近临界温区，由于实际气体效应，存在一个最大允许直流量，在该直流范围内，实际回热器的COP受直流影响而下降很小。
3)本发明的采用直流的回热式制冷机高效预冷及液化系统产生的低温液体可作为恒温冷源，满足稳定恒温的低温需求。
4)本发明结构形式的小型低温制冷机能明显提高液化效率，且设备较小、可移动，能用来液化氦气、氢气、氮气、甲烷等液化温度较低的气体，促进移动式小型制冷机预冷及液化装置的大规模应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的二级GM制冷机高效液化系统的结构示意图。
图2是实施例2中采用单级斯特林制冷机高效预冷系统示意图。
图3是实施例3中采用二级斯特林型脉管制冷机高效预冷及液化系统示意图。
图1中：1、压缩装置；2、压缩机低压储气罐；3、压缩机冷却器和过滤装置；4、压缩机高压储气罐；5、GM型压缩机高低压配气阀；6、制冷机进气通道；7、制冷机气缸；8、第一级回热器；9、第一级膨胀活塞密封机构；10、第一级膨胀活塞与气缸的间隙；11、第一级膨胀活塞；12、第一级冷端换热器；13、第一级膨胀腔；14、第二级膨胀活塞密封机构；15、第二级膨胀活塞与气缸的间隙；16、第二级冷端换热器；17、第二级膨胀腔；28、直流；18、级间直流连接通道；19、第一级至热端直流连接通道；20、直流控制阀；21、料源；22、进料控制机构；23、气缸外壁换热组件；24、冷端换热组件；25、待预冷物料收集组件；26、第二级回热器；27、第二级膨胀活塞。
具体实施方式
本实施例中的间隙式制冷机高效预冷及液化系统，包括回热式制冷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内部循环单元；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、膨胀活塞和内部间隙结构；
直流内部循环单元为：直流28从特定位置引入内部间隙结构，利用回热器内部的冷量预冷待待预冷物料，之后再经过压缩机1回到回热器，完成直流内部循环，通过直流控制阀20控制循环流量。所述直流循环管路上还设有直流内部循环控制组件。内部间隙结构包括膨胀活塞与气缸形成的间隙、在回热器或脉管的承压管内由多层通道从而形成的间隙。
预冷及液化模块包括依次连通的料源21、进料控制机构22、进料与气缸外壁换热组件23、冷端换热管路24以及待预冷物料收集组件25，所述料源21内部物料在进料与气缸外壁换热组件23处进行预冷，进入至冷料收集组件25中。对于气体则在冷端换热管路24中被液化后，进入至冷料收集组件25中。
直流28引入内部间隙结构的位置为回热器冷端，或回热器冷端到回热器热端之间的任意位置。直流28自内部间隙结构引出的位置包括回热器热端、回热器热端到回热器冷端之间的任意位置。具体实施时，所述直流28自内部间隙结构引出后可直接引入回热器，或引入低压组件后再引入回热器，或由高压组件驱动；所述低压组件为低压管路或设置单向阀形成的低压腔；所述高压组件为高压管路或通过设置单向阀形成的高压腔。
作为实施例中可选实施方式，所述的料源包括处于较高温度的料源和冷料收集组件中蒸发的气体，以及处于较高温度的料源与蒸发的气体两者的组合，当所述的料源冷料收集组件中蒸发的气体时，将冷料收集组件与气缸外壁换热组件相连，冷料收集组件中预装一定量的低温液体，当冷料收集组件中液体吸热气化，将被低温制冷机再次液化，只要取冷的功率低于液化功率，可将冷料收集组件改造为恒温冷源。该实施方式用于补偿外界漏热时，该液化系统实质上已改造为再液化系统。
所述预冷及液化模块的进料数量以满足该物料的热容与直流的热容在各温区相匹配为最大值，也即从最低温度至较高温度的范围内积分的物料总热容恰好可等于直流的总热容的工况，进料数量的范围在该最大值与零之间。当进料数量小于最大值时，该直流可降低膨胀间隙相关损失，例如穿梭损失、泵气损失，从而提高制冷效率。而所述进料数量为零的工况下，该间隙式制冷机高效预冷及液化系统可保留回热式制冷模块，而去除预冷及液化模块，专注于制冷效率的提高；当然也可以同时保留回热式制冷模块和预冷及液化模块。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的采用直流的回热式制冷机高效液化系统包括二级GM制冷机模块和液化模块。
二级GM制冷机模块包括回热式制冷机单元和直流内部循环单元。回热式制冷机单元包括压缩装置1、压缩机低压储气罐2、压缩机冷却器和过滤装置3、压缩机高压储气罐4、GM型压缩机高低压配气阀5、制冷机进气通道6、制冷机气缸7、第一级膨胀活塞11、第一级回热器8、第一级膨胀活塞密封机构9、第一级膨胀活塞与气缸的间隙10、第二级膨胀活塞27、第二级回热器26、第一级冷端换热器12、第一级膨胀腔13、第二级膨胀活塞密封机构14、第二级膨胀活塞与气缸的间隙15、第二级冷端换热器16、第二级膨胀腔17。直流内部循环单元包括直流28、级间直流连接通道18、第一级至热端直流连接通道19、直流控制阀20。
液化模块包括依次连通的气源21、进气控制机构22、气缸外壁换热组件23、冷端换热组件24、液体收集组件25。
本实施例的工作过程为：
按上述流程完成系统安装，将高压气源以外的系统部件和管路进行多次气体置换，充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。先运行压缩机1，制冷机开始降温，当回热器冷端换热器16的温度降低至工质液化温度以下，调节直流控制阀20和进料控制机构22的阀门，控制直流流量和待液化气体流量，并调节待液化气体的压力，直至获得稳定液化率。
实施例2
如图2所示，本实施例的采用直流的回热式制冷机高效液化系统包括单级斯特林制冷机模块和液体预冷模块。
单级斯特林制冷机模块包括回热式制冷机单元和直流内部循环单元。回热式制冷机单元包括活塞式压缩装置1、压缩机冷却器3、制冷机进气通道6、制冷机气缸7、第一级膨胀活塞11、第一级回热器8、第一级膨胀活塞密封机构9、第一级膨胀活塞与气缸的间隙10、第一级冷端换热器12、第一级膨胀腔13。直流内部循环单元包括直流28、直流出气缸连接通道19、直流控制阀20、低压气库30、低压单向阀31。
液体预冷模块包括依次连通的液体源21、进液控制机构22、气缸外壁换热组件23、冷端换热组件24、液体收集组件25。
本实施例的工作过程为：
按上述流程完成系统安装，将单级斯特林制冷机模块的系统部件和管路进行多次气体置换，充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。先运行活塞式压缩机1，制冷机开始降温，当回热器冷端换热器12的温度降低至设定温度以下，调节低压单向阀31的大小，使得低压气库30中的压力稳定在交变流平均压力之下，打开进液控制机构22，使得待预冷液体从液体源21经过气缸外壁换热组件23和冷端换热组件24被持续冷却，直至流入液体收集组件25。调节直流控制阀20和进液控制机构22，控制直流流量和待预冷液体流量，直至获得稳定预冷流率。
实施例3
如图3所示，本实施例的采用直流的回热式制冷机高效液化系统包括二级脉管制冷机模块和预冷及液化模块。
二级脉管制冷机模块包括回热式制冷机单元和直流内部循环单元。回热式制冷机单元包括活塞式压缩装置1、压缩机冷却器3、制冷机进气通道6、第一级回热器8、气体在第一级回热器8分为两路，第一路依次相连第一级冷端连管40、第一级脉管冷端换热器41、第一级脉管42、第一级脉管热端换热器43、第一级调相机构44；第二路依次相连第一级冷端换热器12、第二级回热器26、第二级冷端换热器16、第二级冷端连管46、第二级脉管冷端换热器47、第二级脉管48、第二级脉管热端换热器49、第二级调相机构50。
直流内部循环单元分为两路，包括直流28、第二级回热器侧插入通道27、第二级回热器侧间隙15、第一级回热器侧插入通道11、第一级回热器侧间隙10、第一级至热端直流连接通道19、回热器侧直流控制阀20、低压气库30、低压单向阀31，另一路直流包括流向脉管侧的直流54、第二级脉管侧插入通道51、第二级脉管侧间隙52、回热器侧直流控制阀55。
预冷及液化模块包括两路，两路待预冷、待液化的工质不同。其中一路为回热器侧预冷模块，包括依次连通的气源21、进料控制机构22、缸外壁换热组件23、气体收集组件25；另一路为脉管侧液化模块，包括依次连通的气源56、进气压力控制机构57、缸外壁换热组件58、冷端换热组件59、液体收集组件60。
本实施例的工作过程为：
按上述流程完成系统安装，将高压气源以外的系统部件和管路进行多次气体置换，充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。先运行活塞式压缩机1，制冷机开始降温，当回热器冷端换热器16的温度降低至脉管侧工质液化温度以下，调节低压单向阀31的大小，使得低压气库30中的压力稳定在交变流平均压力之下。
对于预冷模块，打开直流控制阀20和进料控制机构22的阀门，使直流通过第二级回热器26而流动，穿过第二级回热器侧插入通道27中的小孔流出回热器，进入第二级回热器侧间隙15，沿第二级回热器侧间隙15、第一级回热器侧间隙10、第一级至热端直流连接通道19的密封部分流动，待预冷气体经过气缸外壁换热组件23被冷却，直至流入气体收集组件25。调节直流控制阀20和进料控制机构22的阀门，控制直流流量和待预冷气体流量，并调节待预冷气体的压力，直至获得稳定预冷流率。
对于液化模块，打开直流控制阀55和进料控制机构57的阀门，使直流通过第二级回热器26、第二级冷端连管46、第二级脉管冷端换热器47，进入第二级脉管侧间隙52、经冷端向热端流动。待液化气体流出气源56，经过气缸外壁换热组件58和冷端换热组件59被持续冷却，直至流入液体收集组件60。调节直流控制阀55和进料控制机构57的阀门，控制直流流量和待液化气体流量，并调节待预冷气体的压力，直至获得稳定液化流率。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。