冷却和/或液化系统及方法与流程

冷却和/或液化系统及方法
1.本发明涉及一种制冷装置以及一种使用这种装置的冷却和/或液化系统及方法。
2.本发明更具体地涉及一种用于在-100摄氏度与-273摄氏度之间、尤其在-100摄氏度至-253摄氏度之间的温度下制冷的低温制冷装置，该制冷装置包括工作回路，该工作回路形成环路并且装有工作流体，该装置包括冷却交换器，该冷却交换器旨在通过与在该工作回路中循环的工作流体进行热交换而从至少一个构件中提取热量，该工作回路形成循环，该循环串联地包括：用于压缩工作流体的机构；用于冷却工作流体的机构；用于使工作流体膨胀的机构；以及用于加热工作流体的机构，其中，该用于冷却该工作流体的机构和该加热机构包括共用热交换器，该工作流体根据其要被冷却还是加热而在该回路的两个单独通路部分中逆流地穿过该共用热交换器，该装置被配置用于确保该共用热交换器的所述两个通路部分中具有相等质量流量。
3.本发明尤其涉及低温制冷机或液化器，例如具有“涡轮布雷顿”循环或“涡轮布雷顿冷却器”的类型，其中循环气体(氦气、氮气或另一纯气体或混合物)经过产生冷量的热力循环，该冷量可以传递到要冷却的构件或气体。
4.这些装置用于多种多样的应用，特别是用于冷却储箱中的天然气(例如在船舶中)。液化天然气例如被过冷以避免其汽化，或者气态部分被冷却以便再液化。
5.例如，可以使天然气流在由制冷机/液化器的循环气体冷却的热交换器中循环。
6.在此交换器中冷却的气体可能含有杂质(比如
…
)，这些杂质可能在交换器达到的低温下凝固。这可能阻塞热交换器并影响系统的效率。
7.一种解决方案可以包括用电加热器主动加热热交换器。然而，这在能量方面是昂贵的，并且通常不适合爆炸性环境。
8.本发明的目的是克服上述现有技术的所有或部分缺点。
9.为此，根据本发明的、在其他方面也符合在上面的前序部分中给出的其一般定义的装置的实质性特征在于，该装置包括绕过这两个通路部分之一的旁通管道，所述旁通管道包括旁通阀，该旁通阀在打开时改变这两个通路部分之一中的质量流量。
10.此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
[0011]-当打开的旁通阀改变这两个通路部分之一中的质量流量以确保所述两个通路部分中具有不同质量流量，从而与该装置在这两个部分中以相同的质量流量进行操作时相比，确保在该冷却交换器处进行给定量的加热或较少的冷却时，
[0012]-该旁通管道和该旁通阀被配置用于将提供给所讨论的通路部分中的工作流体的质量流量减少给定量，
[0013]-该旁通管道和该旁通阀被配置用于将提供给所讨论的通路部分中的质量流量减少2％至30％、并且优选地减少5％至15％，
[0014]-该装置具有旁通管道以形成被提供用于加热共用热交换器中的工作流体的通路部分的旁路，所述旁通管道包括在共用热交换器上游连接至工作回路的上游端和在共用热交换器下游连接至该回路的下游端，
[0015]-该旁通管道的上游端在膨胀机构的下游、在该膨胀机构与共用热交换器之间、或
者在膨胀机构的上游、在共用热交换器与膨胀机构之间连接至工作回路，
[0016]-该旁通管道的下游端在共用热交换器与压缩机构之间连接至回路或者在该压缩机构内，
[0017]-该装置具有旁通管道以形成被提供用于冷却共用热交换器中的工作流体的通路部分的旁路，所述旁通管道包括在共用热交换器上游连接至工作回路的上游端和在共用热交换器下游连接至该回路的下游端，
[0018]-该旁通管道的上游端在压缩机构与共用热交换器之间连接至工作回路或者在压缩机构内，
[0019]-该旁通管道在共用热交换器与膨胀机构之间或在膨胀机构与共用热交换器之间连接至工作回路，
[0020]-该装置包括连接至旁通阀的电子控制器，该电子控制器被配置用于控制旁通阀的开口以确保共用热交换器的温度根据给定曲线升高、和/或将共用热交换器的温度升高的速度限制为低于给定阈值，
[0021]-该装置包括传感器，用于测量共用热交换器的代表性温度，并且该电子控制器被配置用于根据用于测量交换器的代表性温度的传感器获得的测量值来控制旁通阀的开口，
[0022]-该压缩机构包括一个或多个压缩机和用于使得(多个)压缩机旋转的至少一个驱动马达，该装置的制冷能力是可变的并且通过调节(多个)驱动马达的旋转速度来控制，并且该电子控制器被配置用于在旁通阀打开时降低该装置的制冷能力，
[0023]-该旁通阀是逐渐打开的阀、和/或允许获得给定校准流量的全有阀或全无阀或与给定流量限制构件相关联的阀。
[0024]
本发明还涉及一种用于冷却和/或液化流体流、尤其天然气流的系统，该系统包括根据上文或下文中的任一特征的制冷装置，该系统包括循环管道，用于使所述流体流与制冷装置的冷却冷却交换器进行热交换而冷却，其中，该制冷装置被配置用于在该旁通阀关闭时冷却该冷却交换器以冷却在该管道中循环的流体；以及加热该冷却交换器以排出已经在所述冷却交换器中凝固的杂质。
[0025]
本发明还涉及一种用于使用这种系统来冷却和/或液化流体流、尤其天然气流的方法，该方法包括以下步骤：在不打开旁通阀的情况下，经由制冷装置的操作来冷却该冷却交换器以冷却在该管道中循环的流体，该方法包括以下步骤：除霜并排出在该冷却步骤期间已经在所述冷却交换器中凝固的杂质，该除霜并排出杂质的步骤包括在旁通阀处于打开位置的情况下，经由制冷装置的操作来加热冷却交换器。
[0026]
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上述或下述特征的任何组合的任何替代性的设备或方法。
[0027]
通过阅读以下参考附图给出的描述，进一步的特定特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0028]
[图1]示出了示意性部分视图，展示了可以实施本发明的系统的示例的结构和操作，
[0029]
[图2]示出了示意性部分视图，展示了根据本发明的制冷和/或液化装置的一个可能的示例性实施例的结构和操作。
[0030]
[图1]中的冷却和/或液化系统包括制冷装置1，该制冷装置在冷却交换器8处供应
冷(冷却能力)。该系统包括管道25，用于供被放置成与此冷却交换器8进行热交换的待冷却流体流循环。例如，流体是从储箱16泵送、然后被冷却(优选地在储箱16外)、然后返回至储箱16(例如，在储箱16的气相中滴下)的液态天然气。这可以将内容物冷却或过冷并且限制汽化的发生。例如，来自储箱16的液体在重新注入储箱16中之前被过冷至低于其饱和温度(其温度下降几度k、尤其5至20k、并且具体地14k)。在变体中，这种制冷可以应用于来自储箱的汽化气体以尤其将其再液化。
[0031]
低温制冷装置包括工作回路10(优选地闭合回路)，该工作回路形成循环环路。此工作回路10装有工作流体(氦气、氮气、氖气、氢气、或另一适当的气体或混合物，例如氦气与氩气、或氦气与氮气、或氦气与氖气、或氦气与氮气及氖气)。
[0032]
工作回路10形成循环，该循环串联地包括：用于压缩工作流体的机构2、3；用于冷却工作流体的机构6；用于使工作流体膨胀的机构7；以及用于加热工作流体的机构6、8。
[0033]
装置1包括冷却热交换器8，该冷却热交换器旨在通过与在工作回路10中循环的工作流体进行热交换而从至少一个构件25中提取热量。
[0034]
用于冷却和加热工作流体的机构通常包括共用热交换器6，工作流体根据其要被冷却还是加热而在工作回路的两个单独通路部分中逆流穿过该共用热交换器。
[0035]
冷却热交换器8例如位于膨胀机构7与共用热交换器6之间。如图所示，冷却热交换器8可以是与共用热交换器6分开的热交换器。然而，在变体中，此冷却热热交换器8可以由共用热交换器6的一部分构成(这意味着，这两个交换器6、8可以是一件式，即可以具有共享同一交换结构的分开的流体回路)。
[0036]
因此，以相对热的状态离开压缩机构2、3的工作流体在进入膨胀机构7中之前在共用热交换器6中冷却。以相对冷的状态离开压缩机构7和热交换器8以便与待冷却流体交换热的工作流体本身在返回到压缩机构2、3中之前在共用热交换器6中被冷却，以开始新的循环。
[0037]
通常，在正常操作模式中(工作气体经过压缩、冷却、膨胀和加热的循环并在冷却交换器8处产生冷量)，相等的质量流量在共用热交换器6中的两个通路部分中循环(相等的质量流量是指相等或基本上相等的流量，即相差不超过百分之几的流量)。这种循环在示意性描绘中用箭头示意性指示，并且在描述中使用的术语“上游”和“下游”指代回路中工作流体的循环方向。
[0038]
该装置包括绕过这两个通路部分之一的旁通管道9，所述旁通管道9设有旁通阀11。此旁通阀11在打开时在工作回路中产生热力学不平衡，这导致热量产生并且因此在冷却交换器8处产生给定量的加热。
[0039]
因此，如[图2]所示，如果在正常操作模式中，则流体流(被液化的天然气)可以在冷却交换器8中冷却。在此流体含有杂质(二氧化碳等)的事件中，这些杂质可能在被冷却时凝固，冷却交换器8中可能出现堵塞17或阻塞。
[0040]
因此，通过暂时打开旁通阀11，交换器8可以被充分加热以升华或液化这些随后易于排出的杂质。优选地，在此除霜加热期间，待冷却流体流可以被中断(或减少)。
[0041]
可以通过关闭旁通阀11来恢复正常操作模式(冷却)。
[0042]
例如，旁通阀11被配置用于将提供给所讨论的通路部分中的质量流量减少2％至30％、并且优选地减少5％至15％。例如，旁通阀11是逐渐打开的阀、和/或被设计用于允许
获得给定校准流量的全有阀或全无阀或与给定流量限制构件相关联的阀。
[0043]
如使用[图2]中的实线所示，旁通管道9可以形成被提供用于加热共用热交换器6中的工作流体的通路部分(即，加热离开压缩机构2、3然后到达膨胀机构7的流体的共用热交换器部分)的旁路。因此，旁通管道9具有在共用热交换器6上游连接至工作回路10的上游端、和在共用热交换器6下游连接至回路10的下游端。在此使用实线的示例中，旁通管道9的上游端在膨胀机构7和冷却交换器8的下游、在冷却交换器8与共用热交换器6的入口之间连接至工作回路10。
[0044]
此旁通管道9的下游端在共用热交换器6与压缩机构2、3的入口之间连接至工作回路10。
[0045]
当然，此示例绝不是限制性的。因此，[图2]使用虚线展示了旁通管道9的其他非限制性实施例变体。
[0046]
例如，旁通管道9的上游端可以连接在膨胀机构7的上游、在共用热交换器6与膨胀机构7之间在共用热交换器6的出口之间。旁通管道9的下游端可以连接在共用热交换器6与压缩机构2、3之间(或者例如在压缩机构2、3内，即在两个压缩级之间)。
[0047]
这些布置具有以下优点：与正常循环相比，压缩机构2、3入口处的工作流体的温度几乎没有受到干扰(如果有的话)。
[0048]
类似地，在变体中，旁通管道9被配置为形成被提供用于冷却共用热交换器6中的工作流体的通路部分的旁路。因此，旁通管道9可以包括在共用热交换器6上游、例如在压缩机构2、3的出口与共用热交换器6之间连接至工作回路10的、或者在压缩机构2、3内的上游端。类似地，旁通管道9的下游端可以在共用热交换器6下游、在共用热交换器6与膨胀机构7之间或者在此膨胀机构7下游、例如在冷却热交换器8的出口与共用热交换器6的入口之间连接至工作回路10。
[0049]
这些布置具有以下优点：旁通阀11布置在装置的热部分(在非低温温度下)中，被容许进入旁通管道9中的工作流体流处于相对高的压力下(在压缩机构的出口处)，这使得可以使用简单且相对小的阀。
[0050]
该装置可以包括连接至旁通阀11的电子控制器12。电子控制器12可以包括微处理器或计算机、并且可以被配置用于动态地控制旁通阀11的开口以确保共用热交换器6的温度根据给定曲线升高、和/或将共用热交换器6的温度升高的速度限制为低于给定阈值。这可以防止共用热交换器6和/或冷却交换器8太快升温，这在例如具有铝板的交换器的情况下是有利的。
[0051]
为此目的，装置1可以包括包括至少一个传感器13，用于测量共用热交换器6的代表性温度、将其信号传送至电子控制器12。电子控制器12可以被配置用于根据此传感器3获得的测量值来控制旁通阀11的开口(持续时间和/或截面)，例如阀11的开口可以取决于此温度测量值。
[0052]
压缩机构2、3包括一个或多个压缩机、和用于使(多个)压缩机2、3旋转的至少一个驱动马达14、15，该装置的制冷能力优选地是可变的并且通过调节(多个)驱动马达14、15的旋转速度(循环速度)来控制。优选地，可以通过改变(多个)马达的旋转速度来使装置1产生的冷量适配0％至100％的标称或最大能力。这样的架构可以在广泛操作范围上维持高性能水平(例如在50％的标称冷量时维持97％的标称性能)。
[0053]
虽然冷却交换器8的瞬时加热(尤其进行除霜)可以以冷却循环的正常循环速度来实现，但是优选地，电子控制器12(或另一专用电子控制器)可以被配置用于在旁通阀11打开时降低装置的(多个)马达的速度。例如，马达减速至其最大或标称速度的约1％至60％、尤其20％至30％。
[0054]
马达的标称速度或最大速度是指在最大制冷能力的情况下马达可以产生的最大速度。此最大或标称速度是建议操作制冷装置1的最大速度，并且如果需要可以低于马达本身可以实现的最大速度。
[0055]
在所描绘的示例中，制冷装置包括膨胀涡轮机和形成两个压缩级的两个压缩机。这意味着，压缩机构包括两个串联的压缩机2、3，优选地为离心式的，并且膨胀机构包括单一涡轮机7，优选地向心涡轮机。当然，可以设想任何其他数量和布置的(多个)压缩机和(多个)涡轮机，例如三个压缩机和一个涡轮机、或三个压缩机和两个涡轮机、或两个压缩机和两个涡轮机等。
[0056]
在所展示的示例中，冷却交换器4、5设置在每个压缩机的出口处(例如，通过被环境温度下的水或任何其他冷却剂或流体冷却)。这可以实现等熵或等温或基本等温压缩。当然，可以设想任何其他布置(例如，没有具有一个或多个压缩级的冷却交换器4、5)。类似地，加热交换器可以设置或不设置在所有或一部分膨胀涡轮机7的出口处以实现等熵或等温膨胀。还优选地，工作流体的加热和冷却优选地是等压的，但不限于此。
[0057]
例如，装置1包括两个高速马达14、15(例如，每分钟10000转或每分钟数万转)以分别驱动这两个压缩级2、3。涡轮机可以联接至压缩级2、3之一的马达2，这意味着装置可以具有涡轮机8以形成膨胀机构，该膨胀机构联接至压缩级2(具体地第一个)的驱动马达2。
[0058]
因此，(多个)涡轮机7的功率可以有利地被回收并且用于减少(多个)马达的消耗。因此，通过增大马达的速度(并且因此工作气体循环中的流量)，增大了所产生的制冷能力并且因此增大了液化器的电消耗(反之亦然)。压缩机2、3和(多个)涡轮机7优选地直接联接至所讨论的马达的输出轴(没有齿轮传动机构)。
[0059]
马达的输出轴优选地安装在磁性类型或动态气体类型的轴承上。这些轴承用于支撑压缩机和涡轮机。
[0060]
此外，装置的全部或一部分、尤其其冷构件可以被容纳在隔热的密封外壳(尤其包括以下冷部件的真空腔室：冷却交换器8、涡轮机7、以及可选地共用的逆流热交换器)中。