專利名稱：一種深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，尤其涉及一種可提供外輸制冷量的低溫制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)最早提出于20世紀(jì)30年代，由于其在80K直至230K溫區(qū)的制冷中有著優(yōu)良的性能，逐漸發(fā)展為應(yīng)用于這一廣泛溫區(qū)的主要的制冷方式。尤其20世紀(jì)70年代以來(lái)，深冷混合工質(zhì)節(jié)流技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于天然氣液化中，使得該技術(shù)得到了迅速發(fā)展。除液化天然之外，深冷混合工質(zhì)節(jié)流技術(shù)還可以應(yīng)用于某些特殊用途的冷卻要求，如大型氫、氦制冷(液化)系統(tǒng)的預(yù)冷，或?yàn)槠渌笮拖到y(tǒng)提供低溫預(yù)冷等等。目前針對(duì)這種低溫預(yù)冷的需求，主要解決方式有三種，一種是驅(qū)動(dòng)其他流體實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)與被冷卻對(duì)象進(jìn)行冷量傳遞的載冷技術(shù)。在混合制冷劑循環(huán)中得到冷卻的載冷齊U，被泵送到被冷卻對(duì)象處，起到冷量輸送作用。這種方式應(yīng)用于深冷溫區(qū)的預(yù)冷時(shí)，一是輸送泵低溫下運(yùn)行的密封問(wèn)題不好解決，二是深冷溫區(qū)下多數(shù)流體凝固或粘度增大，難以選擇合適的載冷劑。第二種方式是應(yīng)用液氮蒸發(fā)所釋放的冷量做預(yù)冷，這種方式一是液氮的消耗量比較大，二是在所需預(yù)冷溫度和液氮溫度不匹配的時(shí)候，預(yù)冷系統(tǒng)不可逆損失比較大，經(jīng)濟(jì)上很不合算，另外還有液氮的運(yùn)輸，保存等諸多方面的問(wèn)題。還有一種解決方式是近年來(lái)發(fā)展的雙混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是利用兩組壓縮機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)，使其中一個(gè)制冷系統(tǒng)冷卻另一個(gè)制冷系統(tǒng)形成復(fù)疊制冷來(lái)產(chǎn)生低溫冷量。例如CN 1330760A提供了一種雙混合工質(zhì)天然氣液化技術(shù)，該液化系統(tǒng)中通過(guò)采用高沸點(diǎn)混合工質(zhì)的預(yù)冷級(jí)將低溫級(jí)及原料氣冷卻至某一中間溫度，然后由低溫級(jí)繼續(xù)提供冷量使天然氣液化。另外的方案還有CN101120218A以及本申請(qǐng)人曾提出的CN1330760A，預(yù)冷級(jí)通過(guò)多股流換熱器將冷量傳遞給低溫級(jí)，再將低溫級(jí)節(jié)流以獲得低溫冷量供給固定溫度負(fù)荷或分布式負(fù)荷應(yīng)用。以上技術(shù)的共同點(diǎn)是預(yù)冷及低溫系統(tǒng)分別采用獨(dú)立循環(huán)，在多股流換熱器中傳遞預(yù)冷冷量。這種方式所共有的缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)組多、控制難度高、可靠性低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的系統(tǒng)流程部件多，操作復(fù)雜，以及難以尋找合適載冷劑等問(wèn)題。本發(fā)明技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其包括同一壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷回路及外輸制冷劑回路；其特征在于壓縮機(jī)CU出口與冷卻換熱器AC相連，冷卻換熱器AC出口分二路分別與所述制冷回路和所述外輸制冷劑回路相連；所述制冷回路包括由管路依次相連的第一分配閥DV1、回?zé)釗Q熱器HX的第一高溫通道、第一節(jié)流閥RVl和回?zé)釗Q熱器HX的低溫通道，然后與壓縮機(jī)⑶入口相連；所述外輸制冷劑回路包括由管路依次相連的第二分配閥DV2、回?zé)釗Q熱器HX的第二高溫通道、第二節(jié)流閥RV2和用戶換熱器UHX，用戶換熱器UHX的出口與制冷回路的低壓管道相連，并一同連接至壓縮機(jī)⑶入口 ；所述的回?zé)釗Q熱器HX為I臺(tái)回?zé)釗Q熱器或2 5臺(tái)回?zé)釗Q熱器組成的多級(jí)回?zé)釗Q熱器組。當(dāng)回?zé)釗Q熱器(HX)為2 5臺(tái)回?zé)釗Q熱器組成的多級(jí)回?zé)釗Q熱器組，外輸制冷劑回路中的用戶換熱器UHX出口與制冷回路的低壓管道的連接點(diǎn)為外輸制冷劑回路的外輸制冷劑與制冷回路的循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)，該混合點(diǎn)位于所述多級(jí)回?zé)釗Q熱器組中任意一個(gè)回?zé)釗Q熱器的低溫通道出口，該混合點(diǎn)的循外輸制冷劑與循環(huán)制冷劑在混合點(diǎn)溫度相同或接近。外輸制冷劑與循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)可為I 5個(gè)，各混合點(diǎn)前的外輸制冷劑管路上分別設(shè)置截止閥，通過(guò)開(kāi)啟相應(yīng)的截止閥，選擇外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)。所述外輸制冷劑回路中的外輸制冷劑流量與全部制冷劑循環(huán)流量的比值< 20%。所述的深冷混合工質(zhì)為氮?dú)狻⒓淄?、乙烷、丙烷、異丁烷和異戊烷中的兩種或兩種以上組分組成的混合制冷工質(zhì)。所述的制冷回路的低壓管道為制冷回路中的第一節(jié)流閥RVl與壓縮機(jī)⑶入口之間的管路及處于其間的回?zé)釗Q熱器HX的低溫通道。所述的外輸制冷劑循環(huán)可采用一次節(jié)流循環(huán)、帶有分離器的分離循環(huán)或內(nèi)復(fù)疊循環(huán)，這些均屬于本行業(yè)普通技術(shù)人員應(yīng)知。本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有技術(shù)相比，不需要載冷劑循環(huán)因而可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；易于冷量的較遠(yuǎn)距離輸運(yùn)；可通過(guò)返回點(diǎn)的位置設(shè)置以實(shí)現(xiàn)與用戶分布溫度熱負(fù)荷良好匹配；制冷劑在室溫端分離，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。


圖I是本發(fā)明的實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)(流程)示意圖；圖2是本發(fā)明的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)(流程)示意圖，其中，回?zé)釗Q熱器組包含兩臺(tái)回?zé)釗Q熱器，外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑混合點(diǎn)位于第2回?zé)釗Q熱器的低溫通道出口。圖3是本發(fā)明的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)(流程)示意圖，其中，回?zé)釗Q熱器組包含3臺(tái)回?zé)釗Q熱器，在第I臺(tái)及第2臺(tái)回?zé)釗Q熱器間設(shè)置一個(gè)氣液分離器；外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑混合點(diǎn)可通過(guò)調(diào)整閥門(mén)來(lái)改變。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例I本實(shí)施例I的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)為用戶換熱器UHX提供_170°C 0°C的分布負(fù)荷冷量?；旌现评鋭┎捎玫?dú)?、甲烷、乙烷、丙烷和異丁烷的混合?任意比)。混合制冷劑在壓縮機(jī)⑶中壓縮至2. OMPa,經(jīng)過(guò)冷凝器AC后冷卻至20°C，然后分成兩股流體其中經(jīng)過(guò)第一分配閥DVl的制冷劑(約占全部制冷劑流量的90%)作為循環(huán)制冷劑進(jìn)入制冷回路，在回?zé)釗Q熱器HX的第一高溫通道中被冷卻至_170°C，然后經(jīng)過(guò)第一節(jié)流閥RVl節(jié)流至O.3MPa，進(jìn)入回?zé)釗Q熱器HX的低溫通道，為兩個(gè)高溫通道的流體提供冷量；流經(jīng)第二分配閥DV2的制冷劑(約占全部制冷劑流量的10%)作為外輸制冷劑進(jìn)入外輸制冷劑回路，在回?zé)釗Q熱器HX的第二高溫通道中被冷卻至_170°C后進(jìn)入用戶換熱器UHX，為用戶換熱器UHX提供分布式冷負(fù)荷的同時(shí)被加熱至0°C，然后在回?zé)釗Q熱器HX的低溫通道出口處與循環(huán)制冷劑混合，一同進(jìn)入壓縮機(jī)⑶入口。整個(gè)系統(tǒng)采用單壓縮機(jī)循環(huán)，系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)低溫冷量的遠(yuǎn)距離輸送；制冷劑在室溫端分離，可保證外輸制冷劑的流量及成分穩(wěn)定；可為用戶換熱器提供大溫度跨度的分布負(fù)荷冷量。實(shí)施例2本實(shí)施例2的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)為用戶換熱器UHX提供_170°C _120°C的分布負(fù)荷冷量。其與實(shí)施例I中的系統(tǒng)不同之處在于，由于用戶所需的分布式負(fù)荷溫度
跨度較小，回?zé)釗Q熱器選用兩個(gè)回?zé)釗Q熱器(第一回?zé)釗Q熱器HXl及第二回?zé)釗Q熱器HX2)組成換熱器組的形式。通過(guò)設(shè)計(jì)，使得第一回?zé)釗Q熱器HXl的冷端溫度與第二回?zé)釗Q熱器HX2的熱端溫度在_120±5°C范圍內(nèi)，外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑混合位置位于第二回?zé)釗Q熱器HX2的低溫出口 ；這樣，從用戶換熱器UHX出來(lái)的_120°C外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑混合時(shí)的混合溫差較小，可以避免大溫差混合帶來(lái)的有效能損失，提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)其它部分與實(shí)施例I相同。實(shí)施例3本實(shí)施例3的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)為用戶換熱器UHX提供三個(gè)不同溫區(qū)(_170°C -120°C、-170°C -70°C和_170°C (TC)的分布負(fù)荷冷量。其與實(shí)施例I中的系統(tǒng)不同之處在于I)回?zé)釗Q熱器組包含三個(gè)回?zé)釗Q熱器(第一回?zé)釗Q熱器HX1、第二回?zé)釗Q熱器HX2和第三回?zé)釗Q熱器HX3)；2)外輸制冷劑回路采用帶分離器的一次節(jié)流循環(huán)；3)系統(tǒng)共包含三個(gè)外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)(A、B、C)，可根據(jù)用戶換熱器UHX的需求，通過(guò)截止閥(第一截止閥HV1、第二截止閥HV2和第三截止閥HV3)的調(diào)節(jié)選擇其中的一個(gè)。本實(shí)施例3中第一回?zé)釗Q熱器HXl冷端溫度與第二回?zé)釗Q熱器HX2熱端溫度為-70°C ±5°C，第二回?zé)釗Q熱器HX2冷端溫度與第三回?zé)釗Q熱器HX3熱端溫度為-120°C ± 5°C ;第一回?zé)釗Q熱器HXl及第二回?zé)釗Q熱器HX2之間設(shè)有一個(gè)平衡閃蒸式氣液分離器SPl，外輸制冷劑從第一回?zé)釗Q熱器HXl的第二高溫出口出來(lái)后進(jìn)入氣液分離器SPl的入口，在其中分離成氣液兩相，其氣相部分(主要成分為氮?dú)?、甲烷和乙烷的混合?從分離器第一出口出來(lái)后進(jìn)入第二回?zé)釗Q熱器HX2的第二高溫入口 ；液相部分(主要成為丙烷和異丁烷)從分離器第二出口出來(lái)后經(jīng)過(guò)第三節(jié)流閥RV3節(jié)流至O. 3MPa后與從第二回?zé)釗Q熱器HX2低溫出口出來(lái)的制冷循環(huán)制冷劑混合，一同進(jìn)入第一回?zé)釗Q熱器HXl低溫入口。本實(shí)施例3中外輸制冷劑與循環(huán)制冷劑回路混合的三個(gè)混合點(diǎn)(混合點(diǎn)A、混合點(diǎn)B和混合點(diǎn)C)分別位于三個(gè)回?zé)釗Q熱器(第一回?zé)釗Q熱器HX1、第二回?zé)釗Q熱器HX2和第三回?zé)釗Q熱器HX3)的低溫出口處，并在混合前的外輸制冷劑管路上分別設(shè)置截止閥(HV1、HV2、HV3)。根據(jù)不同的用戶換熱器(UHX)出口溫度(_120°C、-70°C和O°C )可以通過(guò)開(kāi)啟相應(yīng)的截止閥(第一截止閥HV1、第二截止閥HV2和第三截止閥HV3)選擇外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)(混合點(diǎn)A、混合點(diǎn)B或混合點(diǎn)C)，以實(shí)現(xiàn)較小的混合溫差。系統(tǒng)其它部分與實(shí)施例I相同。本實(shí)施例3中增加的氣液分離器起到的作用是將外輸制冷劑內(nèi)的高沸點(diǎn)工質(zhì)在進(jìn)入用戶換熱器之前分離出來(lái)，減小了用戶換熱器UHX容積過(guò)大或者傳輸管路過(guò)長(zhǎng)而造成
的對(duì)混合制冷劑系統(tǒng)循環(huán)濃度的影響。
權(quán)利要求
1.一種深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其包括同一壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷回路及外輸制冷劑回路；其特征在于壓縮機(jī)(CU)出口與冷卻換熱器(AC)相連，冷卻換熱器(AC)出口分二路分別與所述制冷回路和所述外輸制冷劑回路相連； 所述制冷回路包括由管路依次相連的第一分配閥(DV1)、回?zé)釗Q熱器(HX)的第一高溫通道、第一節(jié)流閥(RVl)和回?zé)釗Q熱器(HX)的低溫通道，然后與壓縮機(jī)(⑶)入口相連； 所述外輸制冷劑回路包括由管路依次相連的第二分配閥(DV2)、回?zé)釗Q熱器(HX)的第二高溫通道、第二節(jié)流閥(RV2)和用戶換熱器(UHX)，用戶換熱器(UHX)的出口與制冷回路的低壓管道相連，并一同連接至壓縮機(jī)(⑶)入口 ； 所述的回?zé)釗Q熱器(HX)為I臺(tái)回?zé)釗Q熱器或2 5臺(tái)回?zé)釗Q熱器組成的多級(jí)回?zé)釗Q熱器組。
2.按照權(quán)利要求I所述的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的回?zé)釗Q熱器(HX)為2 5臺(tái)回?zé)釗Q熱器組成的多級(jí)回?zé)釗Q熱器組，外輸制冷劑回路中的用戶換熱器(UHX)出口與制冷回路的低壓管道的連接點(diǎn)為外輸制冷劑回路的外輸制冷劑與制冷回路的循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)，該混合點(diǎn)位于所述多級(jí)回?zé)釗Q熱器組中任意一個(gè)回?zé)釗Q熱器的低溫通道出口，該混合點(diǎn)的循外輸制冷劑與循環(huán)制冷劑在混合點(diǎn)溫度相同或接近。
3.按照權(quán)利要求2所述的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述外輸制冷劑與循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)為I 5個(gè)，各混合點(diǎn)前的外輸制冷劑管路上分別設(shè)置截止閥，通過(guò)開(kāi)啟相應(yīng)的截止閥，選擇外輸制冷劑與制冷循環(huán)制冷劑的混合點(diǎn)。
4.按權(quán)利要求I所述的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述外輸制冷劑回路中的外輸制冷劑流量與全部制冷劑循環(huán)流量的比值< 20%。
5.按權(quán)利要求I所述的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的深冷混合工質(zhì)為氮?dú)?、甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷和異戊烷中的兩種或兩種以上組分組成的混合制冷工質(zhì)。
6.按權(quán)利要求I所述的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的制冷回路的低壓管道為制冷回路中的第一節(jié)流閥(RVl)與壓縮機(jī)(CU)入口之間的管路及處于其間的回?zé)釗Q熱器(HX)的低溫通道。
7.按照權(quán)利要求I所述的深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述的外輸制冷劑循環(huán)采用一次節(jié)流循環(huán)、帶有分離器的分離循環(huán)或內(nèi)復(fù)疊循環(huán)。
全文摘要
一種深冷混合工質(zhì)節(jié)流制冷系統(tǒng)，其包括同一壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷回路及外輸制冷劑回路；壓縮機(jī)出口與冷卻換熱器相連，冷卻換熱器出口分別與制冷回路和外輸制冷劑回路相連；制冷回路包括依次相連的第一分配閥、回?zé)釗Q熱器的第一高溫通道、第一節(jié)流閥、回?zé)釗Q熱器的低溫通道，然后與壓縮機(jī)入口相連；外輸制冷劑回路包括依次相連的第二分配閥、回?zé)釗Q熱器的第二高溫通道、第二節(jié)流閥、用戶換熱器，用戶換熱器的出口與制冷回路的低壓管道相連，并一同連接至壓縮機(jī)的入口；回?zé)釗Q熱器為1臺(tái)回?zé)釗Q熱器或2～5臺(tái)回?zé)釗Q熱器組成的多級(jí)回?zé)釗Q熱器組；可實(shí)現(xiàn)低溫冷量較遠(yuǎn)距離輸運(yùn)；無(wú)需載冷劑，避免了載冷劑循環(huán)泵帶來(lái)的可靠性等問(wèn)題；系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。
文檔編號(hào)F25B1/00GK102840705SQ20121033347
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者公茂瓊, 吳劍峰, 程逵煒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所