[发明专利]多级压缩混合工质制冷/液化系统

说明书

本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，提供一种多压力级混合工质深冷节流制冷系统，前级压缩冷却后经分离器分离的液相混合冷剂不再经过后级压缩，可减少整体压缩功耗，同时可大幅降低低温级换热器换热面积，能够实现回热换热器中热当量的匹配及更好利用多级压缩机提供的多个压力级，可满足各种深冷需求场合，如气体液化，特别是天然气液化、空气分离、化工尾气液化回收、煤层气液化等；本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，采用普冷温区商业压缩机，相对于传统高压制冷循环，大幅降低成本，且相对于低压制冷循环，本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，低温级蒸发器制冷剂压力提高，单位冷剂液化能力显著增强。

技术领域

本发明涉及制冷及低温技术领域，尤其涉及一种多级压缩混合工质制冷/液化系统。

背景技术

采用回热措施的深冷多元混合工质节流制冷机广泛应用于能源、化工及低温工程领域，用于实现器件冷却和工业气体的液化等方面，其中在天然气液化领域的应用是混合工质节流制冷技术的最重要体现之一。多元混合工质的采用使制冷机设计和运行具有了更多的选择自由度。因此，针对不同的冷却对象和应用要求，出现了各种各样的制冷流程系统，仅以液化天然气领域就有不少于数十种流程形式出现。这些制冷系统的出现是基于提高效率、降低成本和减少系统复杂性等不同要求而提出的。而上述要求也是新制冷流程不断出现的促动力。

现有混合工质深冷节流制冷流程的共同特征就是：利用压缩机将多元混合工质压缩到一个高压力级，经冷却器将压缩热带走；恢复到环境温度的高压混合工质进入间壁式换热器被返流低压混合工质冷却，然后进入节流元件实现节流制冷，混合工质自身压力降低到一个低压级，进入蒸发器为被冷却物体提供冷量，然后进入换热器冷却高压来流混合工质；自身温度恢复接近室温，进入压缩机，完成一个制冷循环。上述循环持续进行就可以在设定温度连续提供冷量。从热力学角度出发，混合工质在上述过程分别经理了4个阶段：压缩阶段(包括冷凝放热)，回热阶段，节流膨胀阶段和冷量提供阶段。针对不同应用要求，各阶段可能会相互重合，例如在气体液化阶段，冷量提供不仅是只在最低温度的蒸发器，而是和回热阶段复合在一起，即返流低温工质同时为来流高压工质和被冷却物(如天然气)提供冷量。因此，现有技术基本为一级压缩即存在高压和低压两个压力级。

所述回热过程实际是循环制冷工质中低压流体冷却高压流体，使高压工质在节流前温度降低，从而减少节流损失的过程，在这个过程中，低压工质将冷量传给高压工质，而自身温度恢复接近环境温度。根据低温热力学理论，回热过程效率是影响到制冷系统总效率的关键因素。对于同种制冷工质，在气相区，由于压力对比热的影响，高压流体的比热大于低压流体比热，即相同流量下高压工质的热当量总是大于低压流体的热当量，因此回热换热器内高、低压两侧热当量总是不能很好的匹配，这就造成了回热换热器内冷热两股流体热力学本征上换热不匹配，造成回热损失，这已经不是通过传热学强化措施能够解决的问题。在两相区，相变潜热对当量比热具有极大贡献，而相同工质低压流体的相变较高压工质大，因此在两相区有可能使低压流体热当量增加。因此解决回热换热器内热当量不匹配的办法有两种：第一种是通过调整混合组元，改变高低压两侧的相变温区来条件两侧流体比热，是回热换热器内两侧流体尽量处于两相区，这需要增加高沸点组元配比浓度；第二是采用相分离措施，减少高压侧流体流量，将处于两相区的高压流体的气液相分离，气相进入回热换热器进一步冷却，液相则直接节流膨胀，实现制冷效应进入低压侧冷却气相工质(如Missimer，D.J.,US patent 3698202,1972)。上述两个措施是分别调节热当量参数中的比热和流量。对应各自系统所采用的压缩机等关键部件，上述两种方法经过优化设计均可以有较高的热力学效率。