一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统的制作方法

1.本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统。


背景技术：

2.利用实际气体节流特性进行制冷的节流制冷技术是最早使用的制冷技术之一。由于采用气体节流制冷方式，系统简单可靠，所以无论是在普冷领域还是在低温领域至今都被广泛采用。基于节流的制冷机有两种不同的循环方式：一次节流循环和自复叠循环。复叠式制冷循环包括经典复叠制冷循环和自复叠制冷循环。经典复叠制冷循环系统比较复杂，从设计制造到生产维护都需要比较多的投入。自复叠制冷循环在二十世纪三十年代就被首次提出，之后采用氮烃类多元混合工质作为制冷剂成功地液化了天然气。
3.透平膨胀机利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称速度型膨胀机。工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。采用透平膨胀机可获得低温，透平膨胀低温技术也得到看快速发展。但传统气体透平膨胀低温技术存在机械运动部件、加工要求高、运行存在不可靠和不稳定的隐患等。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统，用以解决或部分解决传统气体透平膨胀低温技术存在机械运动部件、加工要求高、运行存在不可靠和不稳定隐患的问题。
5.本发明实施例提供一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统，包括压缩机、冷凝器、超音速旋流分离器和蒸发器，所述压缩机的出口与所述冷凝器的入口相连，所述冷凝器的出口依次串联连接有至少一个所述超音速旋流分离器，所述超音速旋流分离器的气体出口通过回流管路连接于所述压缩机的入口，所述蒸发器的入口连接于所述超音速旋流分离器的液体出口，所述蒸发器的出口连接于所述回流管路。
6.在上述方案的基础上，所述冷凝器的出口连接有多个所述超音速旋流分离器时，多个所述超音速旋流分离器一一对应连接有多个所述蒸发器。
7.在上述方案的基础上，所述冷凝器的出口连接有多个所述超音速旋流分离器时，多个所述超音速旋流分离器共同连接于一个所述蒸发器。
8.在上述方案的基础上，还包括逆流换热器，所述冷凝器和所述超音速旋流分离器之间以及相邻的两个超音速旋流分流器之间的至少一处设有所述逆流换热器，其中所述冷凝器和所述超音速旋流分离器之间以及相邻的两个超音速旋流分离器之间至少一处的管路流经所述逆流换热器的高温侧，所述回流管路流经所述逆流换热器的低温侧。
9.在上述方案的基础上，所述制冷系统的制冷工质包括co2或h2o、n2或ar、ne或h2以及he中的至少两种。
10.在上述方案的基础上，所述制冷系统的制冷工质的种类数大于所述超音速旋流分离器的数量。
11.在上述方案的基础上，所述超音速旋流分离器的末端连接有扩压器，所述扩压器的出口形成所述超音速旋流分离器的气体出口。
12.在上述方案的基础上，所述超音速旋流分离器还包括依次相连的旋流装置、laval喷管膨胀器和旋流气液分离器，所述旋流气液分离器上设有液体收集装置，所述液体收集装置上设有所述液体出口，所述旋流气液分离器的气体出口连接于所述扩压器的入口，所述扩压器的出口连接有导向叶片。
13.在上述方案的基础上，所述laval喷管膨胀器包括依次相连的稳定段、亚音速收缩段、喉部和超音速扩张段，其中所述稳定段连接于所述旋流装置的出口。
14.本发明实施例提供的一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统，设置基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，与传统气体透平膨胀低温技术相比，超音速旋流分离器无运动部件，加工难度低，运行可靠性和稳定性大幅提高。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明实施例中多级超音速低温制冷系统的第一连接示意图；
17.图2是本发明实施例中多级超音速低温制冷系统的第二连接示意图；
18.图3是本发明实施例中单级超音速低温制冷系统的连接示意图；
19.图4是本发明实施例中超音速旋流分离器的结构示意图。
20.附图标记：
21.1、压缩机；11、大功率压缩机；2、冷凝器；21、高效冷凝器；3、逆流换热器；31、一级逆流换热器；32、二级逆流换热器；33、三级逆流换热器；4、超音速旋流分离器；41、一级超音速旋流分离器、42、二级超音速旋流分离器；43、三级超音速旋流分离器；401、旋流装置；402、laval喷管膨胀器；403、旋流气液分离器；404、扩压器；405、导向叶片；406、液体收集装置；4021、稳定段；4022、亚音速收缩段；4023、喉部；4024、超音速扩张段；5、蒸发器；51、一级蒸发器；52、二级蒸发器；53、三级蒸发器。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.参考图1，本发明实施例提供一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统，包括压缩机1、冷凝器2、超音速旋流分离器4和蒸发器5。压缩机1的出口与冷凝器2的入口相连。冷凝器2的出口依次串联连接有至少一个超音速旋流分离器4，超音速旋流分离器4的气
体出口通过回流管路连接于压缩机1的入口。蒸发器5的入口连接于超音速旋流分离器4的液体出口，蒸发器5的出口连接于回流管路。
24.基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器4最早应用在1989年，用于气液的分离过程。后被引入到天然气处理加工领域，主要用于天然气的脱水、脱重烃。超音速旋流分离器4既具有制冷效应，气液分离功能，且末端设有扩压器404。本实施例提供的制冷系统提出设置超音速旋流分离器4代替传统制冷系统中气体透平膨胀装置。既利用超音速旋流分离器4的制冷效应，达到传统节流装置降温的效果；又利用超音速旋流分离器4的扩压功能，可实现对未冷凝工质的增压升温作用。从而可弥补传统透平膨胀装置对制冷工质的压降。
25.本实施例提供的一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统，设置基于超音速制冷效应的超音速旋流分离器4作为膨胀降温元件，与传统气体透平膨胀低温技术相比，超音速旋流分离器4无运动部件，加工难度低，运行可靠性和稳定性大幅提高。较蒸汽压缩式制冷系统中传统的节流装置如节流阀、膨胀机等，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器4自身无转动部件)、长期可靠的优点。
26.研究表明在相同压降的情况下，超音速旋流分离器4内温降较传统节流装置如节流阀、膨胀机、涡流管更大，具有更好的制冷效果。此外，超音速旋流分离器4具有节流阀、膨胀机、涡流管等所不具有的优点，即可通过扩压器404进行升压，大大减少气体的压力损失。
27.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，冷凝器2的出口和压缩机1的入口之间依次串联连接有多个超音速旋流分离器4。形成多级制冷。多个超音速旋流分离器4的入口和气体出口依次首尾相连，最末端的超音速旋流分离器4的气体出口通过回流管路连接于压缩机1的入口。
28.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，多个超音速旋流分离器4一一对应连接有多个蒸发器5。即每个超音速旋流分离器4均连接有一个蒸发器5。多个蒸发器5分别连接于回流管路。
29.或者，参考图2，多个超音速旋流分离器4共同连接于一个蒸发器5。即多个超音速旋流分离器4均连接于一个蒸发器5，可获得更高的制冷量。进一步地，如图2所示，在多个超音速旋流分离器4共同连接于一个蒸发器5时，该蒸发器5可设置多个入口与多个超音速旋流分离器4一一对应相连，可设置一个出口用于汇总流出制冷工质。另外，该蒸发器5内还可设置多个独立的换热管道，即具有多个入口和多个出口，多个换热管道与多个超音速旋流分离器4一一对应相连，多个出口可分别连接于回流管路。蒸发器5的具体形式和数量不做限定。
30.设置多个超音速旋流分离器4时制冷系统采用混合工质。使得不同超音速旋流分离器4处对不同的工质进行液化，从而获得不同的制冷温度。制冷工质在回路中循环流动形成复叠式制冷循环，可用两种或两种以上不同的制冷剂，由两个或两个以上单级制冷系统组合而成。自复叠制冷循环可以实现从低于80k的液氮温区到230k的传统蒸气压缩制冷循环制冷温区，无论是在普冷领域还是在半导体工业、低温医学中的血液、药品保存、食品的冷冻储存、气体液化等深冷领域都具有比较大的实用价值。
31.自复叠制冷循环具有很多优点：首先，仅采用单台压缩机1，结构紧凑，控制简单；其次，低温端没有运动部件，稳定性好可靠性高；再次，由于高沸点组元在较高温度形成液体经节流回到低压通道即回流管路，从而避免了在低温下有固相析出，堵塞节流元件，进一
步提高了系统的可靠性；另外，高沸点组元在较高温度节流返回低压通道即回流管路，减少下一级换热器负荷，减少循环中高沸点组元在低温段带来的流动损失和回热损失；最后，高沸点组元在较高温度节流返回低压通道即回流管路，有效改变了高低压气流的水当量配比，从而提高回热效率。
32.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1和图3，一种机械压缩式驱动的超音速低温制冷系统还包括逆流换热器3。冷凝器2和超音速旋流分离器4之间以及相邻的两个超音速旋流分流器之间的至少一处设有逆流换热器3，其中冷凝器2和超音速旋流分离器4之间以及相邻的两个超音速旋流分离器4之间至少一处的管路流经逆流换热器3的高温侧，回流管路流经逆流换热器3的低温侧。
33.逆流换热器3的高温侧即温度较高的一侧，为换热器中的热源。逆流换热器3的低温侧即温度较低的一侧，为换热器中的冷源。具体的，可在冷凝器2和超音速旋流分离器4之间设置逆流换热器3；也可在相邻两个超音速旋流分离器4之间设置逆流换热器3；还可在冷凝器2和超音速旋流分离器4之间以及相邻两个超音速旋流分离器4之间均设置逆流换热器3。设置逆流换热器3有利于提高能量利用率，提高制冷效率。
34.在上述实施例的基础上，进一步地，制冷系统的制冷工质包括co2或h2o、n2或ar、ne或h2以及he中的至少两种。该制冷工质对环境友好，能够通过相变获得较好的制冷效果。即不同种类的制冷工质相互间的液化温度的差值大于等于预设差值。
35.不同种类的制冷工质的液化温度呈阶梯变化，彼此差异较大；co2、n2、ne以及he四种工质的液化温度彼此差异较大，呈阶梯式依次降低，可作为四种阶层的制冷工质来选用，实现多级制冷；而co2和h2o液化温度相差不大，作为同一阶层制冷工质替换选用；n2和ar液化温度相差不大，作为同一阶层制冷工质替换选用；ne和h2液化温度相差不大，作为同一阶层制冷工质替换选用。在高温第一级制冷中，co2为冷凝工质，其余(ar或n2，ne或h2，he等均为等熵膨胀气体，以混合物形式存在；接着，第二级制冷，ar或n2为冷凝工质，ne或h2和he为等熵膨胀工质；第三级制冷，ne或h2为冷凝工质，he为等熵膨胀工质。
36.进一步地，上述各实施例所述的制冷系统中的制冷工质也可为其他气体，以能够实现液化通过相变获得较好的制冷效果为目的，具体不做限定。优选的，制冷系统中的制冷工质为至少两种液化温度不同的气体混合物。在多级制冷时，混合气体的各组分会根据液化温度的不同依次产生液化，从而获得多级制冷效果。
37.进一步地，可采用不同的制冷工质组合实现不同的制冷温区。可采用不同的制冷工质组合以实现从制冷温区到低温温区的宽范围制冷。
38.在上述实施例的基础上，进一步地，制冷系统的制冷工质的种类数大于超音速旋流分离器4的数量。即制冷工质具体种类数至少与超音速旋流分离器4的数量相同，且制冷工质中不同种类的工质具有不同的液化温度。从而在每个超音速旋流分离器4处液化一种工质，通过在不同超音速旋流分离器4中液化不同的工质，获得不同的制冷温度梯度。
39.本实施例针对现有低温制冷技术存在的以下问题：传统混合工质自复叠节流制冷技术存在工质不环保等问题；传统气体透平膨胀低温技术存在机械运动部件、加工要求高、运行存在不可靠和不稳定的隐患等。本实施例提供一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷实现方法及系统，系统采用co2、n2(或ar)、ne(或h2)、he等混合气体作为循环工质可实现从120k-20k温区范围内的闭式低温制冷循环，工质对环境友好，膨胀制冷效率更高；采用
基于超音速制冷效应的多级超音速旋流分离器4作为膨胀降温元件，同时起到传统自复叠制冷循环中气液分离器和节流阀的作用，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器4自身无转动部件)、长期可靠等优点。
40.与传统混合工质自复叠节流制冷技术相比，本系统采用的工质环保且膨胀制冷效率更高；与传统气体透平膨胀低温技术相比，超音速旋流分离器4无运动部件，加工难度低，运行可靠性和稳定性大幅提高。
41.在上述实施例的基础上，进一步地，超音速旋流分离器4的末端连接有扩压器404，扩压器404的出口形成超音速旋流分离器4的气体出口。超音速旋流分离器4具有液体出口，液体出口与蒸发器5的入口相连，超音速旋流分离器4中未冷凝的气态工质则直接进入扩压器404中然后排出。超音速旋流分离器4具有气液分离的作用。液体出口设在扩压器404之前，用于流出液体。通入超音速旋流分离器4的制冷工质温度会进一步降低，温度降低液化后产生的制冷工质液体会从液体出口汇集流出；而未液化的制冷工质气体则直接流入扩压器404中，与蒸发器54回流的制冷工质汇合，进行扩压。
42.在上述实施例的基础上，进一步地，超音速旋流分离器4还包括依次相连的旋流装置401、laval喷管膨胀器402和旋流气液分离器403，旋流气液分离器403上设有液体收集装置406，液体收集装置406上设有液体出口，旋流气液分离器403的气体出口连接于扩压器404的入口，扩压器404的出口连接有导向叶片405。
43.在上述实施例的基础上，进一步地，laval喷管膨胀器402包括依次相连的稳定段4021、亚音速收缩段4022、喉部4023和超音速扩张段4024，其中稳定段4021连接于旋流装置401的出口。
44.参考图4，超音速旋流分离器4一般由旋流装置401、laval喷管膨胀器402、旋流气液分离器403及扩压器404等4部分构成。气体膨胀制冷及液化过程均主要发生在laval喷管膨胀器402内。laval喷管膨胀器402可分为稳定段4021、亚音速收缩段4022、喉部4023及超音速扩张段4024等4部分。工作原理具体为：气体进入旋流装置401旋转，具有一定的加速度；在laval喷管膨胀器402内急剧膨胀至超音速，形成低温低压环境(温度的降低是由于部分气体的热量转化为动能)，部分气体发生凝结液化形成气液两相流动；在旋转产生的切向速度和强烈旋流场离心力作用下液滴被甩到管壁，在旋流气液分离器403内由专门的液体出口排出，而气体经扩压器404排出，实现气液分离；经扩压器404减速、增压、升温后，使气体经超音速旋流分离器4损失的压力能大部分得以恢复，大大减少气体的压力损失。
45.在上述实施例的基础上，进一步地，图1提供一种机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷实现方法及系统。系统主要由压缩机1，冷凝器2，逆流换热器3，超音速旋流分离器4，蒸发器5组成。逆流换热器3由完全相同的一级逆流换热器31，二级逆流换热器32，三级逆流换热器33组成。超音速旋流分离器4由完全相同的一级超音速旋流分离器41，二级超音速旋流分离器42，三级超音速旋流分离器43组成。每一级超音速旋流分离器4均由旋流装置401，laval喷管膨胀器402，旋流气液分离器403，扩压器404，导向叶片405，液体收集装置406组成。laval喷管膨胀器402由稳定段4021，亚音速收缩段4022，喉部4023，超音速扩张段4024组成。蒸发器5由完全相同的一级蒸发器51，二级蒸发器52，三级蒸发器53组成。系统采用co2、n2(或ar，n2与ar液化温度接近)、ne(或h2，ne和h2液化温度接近)、he等混合气体作为循环工质可实现从120k-20k范围内的闭式低温制冷循环。
46.当系统工作时，压缩机1将低温低压的co2、n2(ar)、ne(h2)、he混合蒸气从低压通道即回流管路吸回，经压缩后形成高温高压的co2、n2(ar)、ne(h2)、he混合气体。冷凝器2将压缩机1排出的高温高压混合气体冷却并使其放热，经一级逆流换热器31后形成气液混合物进入一级超音速旋流分离器41。co2、n2(ar)、ne(h2)、he气液混合物进入一级超音速旋流分离器41，首先经过旋流装置401后形成旋流流动状态，然后进入laval喷管膨胀器402，依次流经稳定段4021、亚音速收缩段4022、喉部4023和超音速扩张段4024，气液混合物在laval喷管膨胀器402内急剧膨胀至超音速，产生制冷效应，形成低温低压环境(温度的降低是由于部分气体的热量转化为动能)，高沸点的co2首先发生凝结液化，在旋转产生的切向速度和强烈旋流场离心力作用下co2液滴被甩到管壁，在旋流气液分离器403内由专门的液体收集装置406排出，进入一级蒸发器51，在一级蒸发器51内蒸发(沸腾)变为co2蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，使环境或需要被冷却物质的温度下降，co2蒸气从一级蒸发器51排出进入低压通道。
47.剩下的n2(ar)、ne(h2)、he混合气体通过扩压器404，经过导向叶片405稳定地流出一级超音速旋流分离器41，进入二级逆流换热器32。经扩压器减速、增压、升温后，使气体经超音速旋流分离器损失的压力能大部分得以恢复，大大减少气体的压力损失。此后过程与上述过程一致，不再赘述。需要说明的是，经过二级制冷后n2(ar)凝结，在二级蒸发器52内蒸发(沸腾)变为n2(ar)蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，从二级蒸发器52排出进入低压通道。经过三级制冷后ne(h2)凝结，在三级蒸发器53内蒸发(沸腾)变为ne(h2)蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，从三级蒸发器53排出进入低压通道，进而形成一个封闭的制冷循环。
48.该多级制冷系统采用co2、n2(ar)、ne(h2)、he等混合气体作为循环工质可实现从120k-20k温区范围内的闭式低温制冷循环，工质对环境友好，膨胀制冷效率更高；采用基于超音速制冷效应的多级超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，同时起到传统自复叠制冷循环中气液分离器和节流阀的作用，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器自身无转动部件)、长期可靠等优点。需要强调的是，本系统中布置的逆流换热器、超音速旋流分离器和蒸发器的数量及位置均可由具体的制冷需求进行调整；本系统中采用的混合工质亦可根据具体的制冷需求进行选择和配比。
49.在上述实施例的基础上，进一步地，图3提供一种机械压缩式驱动的单级超音速低温制冷实现方法及系统。与图1所示实施例不同的是该实施例采用大功率压缩机11和高效冷凝器21，采用h2和he二元混合气体进行制冷循环，结构简单紧凑，可实现20k温区的低温制冷。
50.当系统工作时，大功率压缩机11将低温低压的h2和he二元混合蒸气从低压通道吸回，经压缩后形成高温高压的h2和he二元混合气体。高效冷凝器21将大功率压缩机11排出的高温高压混合气体冷却并使其放热，经逆流换热器3后充分换热后形成气液混合物进入超音速旋流分离器4。h2和he气液混合物进入超音速旋流分离器4，首先经过旋流装置401后形成旋流流动状态，然后进入laval喷管膨胀器402，依次流经稳定段4021、亚音速收缩段4022、喉部4023和超音速扩张段4024，气液混合物在laval喷管膨胀器402内急剧膨胀至超音速，产生制冷效应，形成低温低压环境(温度的降低是由于部分气体的热量转化为动能)，h2发生凝结液化，在旋转产生的切向速度和强烈旋流场离心力作用下h2液滴被甩到管壁，在
旋流气液分离器403内由专门的液体收集装置406排出，进入蒸发器5，在蒸发器5内蒸发(沸腾)变为h2蒸气，吸收环境或需要被冷却物质的热量，使环境或需要被冷却物质的温度下降，h2蒸气从蒸发器5排出进入低压通道，经逆流换热器3充分换热后吸入大功率压缩机11。剩下的he气通过扩压器404，经过导向叶片405稳定地流出超音速旋流分离器4，进入低压通道，经逆流换热器3充分换热后吸入大功率压缩机11，从而形成封闭的制冷循环。
51.经扩压器减速、增压、升温后，使气体经超音速旋流分离器损失的压力能大部分得以恢复，大大减少气体的压力损失。需要强调的是，该实施例只是列举了一种简单的结构形式，本系统中采用的大功率压缩机和高效冷凝器可根据具体的制冷需求进行选型；本系统中采用的混合工质亦可根据具体的制冷需求进行选择和配比。
52.上述各实施例中提供的机械压缩式驱动的多级超音速低温制冷系统采用co2、n2(ar)、ne(h2)、he等混合气体作为循环工质可实现从120k-20k温区范围内的闭式低温制冷循环，工质对环境友好，膨胀制冷效率更高；采用基于超音速制冷效应的多级超音速旋流分离器作为膨胀降温元件，同时起到传统自复叠制冷循环中气液分离器和节流阀的作用，具有效率高、压降小、温降大、能耗低、稳定性好(超音速旋流分离器自身无转动部件)、长期可靠等优点。与传统混合工质自复叠节流制冷技术相比，本系统采用的工质环保，膨胀制冷效率更高；与传统气体透平膨胀低温技术相比，超音速旋流分离器无运动部件，加工难度低，运行可靠性和稳定性大幅提高。
53.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。