[发明专利]一种液氮减压低温冷却系统

说明书

本发明公开了一种液氮减压低温冷却系统，涉及低温技术领域，包括负压液氮贮罐、常压液氮贮罐、离心压缩机组和换热器；离心压缩机组包括离心压缩机，其气体入口处设有换热器，负压液氮贮罐的气体出口通过换热器与离心压缩机组的第一级的气体入口连通；换热器的低温气体出口处气体温度高于其入口处的气体温度；制冷系统还包括气体引射器，其第一入口与离心压缩机组的最后一级连通；常压液氮贮罐通过换热器后与气体引射器的第二入口连通；通过第一入口的气流利用压力差引射出常压液氮贮罐中的气体，并排至空气中。本发明有效地得到负压状态下的低温液氮，同时控制常压液氮贮罐的气枕压力，利用压缩机产生的热量和压力，提高了系统的性能。

技术领域

本发明涉及低温技术领域，尤其涉及一种液氮减压低温冷却系统。

背景技术

低温液体的冷量是很好的冷源，如液氧、液氮、液氢、液态甲烷等，尤其是液氮，作为冷却工质价格低廉且安全。但是在大气压下，液氮的蒸发温度为77K，相对较高，不能满足某些工况的冷却要求。为了得到更低的温度，过冷液氮冷却系统被国内外广泛采用。

过冷液氮冷却系统按其冷源的不同分为两种：第一种是以小型低温制冷机为冷源的闭式过冷液氮冷却系统；另一种是以低温液氮低压气化进行制冷，一般是开式或半开式等循环方式。以小型低温制冷机为冷源的闭式过冷液氮冷却系统，这种系统不需要消耗液氮，运行稳定可靠，但是系统较为庞大，操作复杂，需要设计合理的低温传热结构并且制冷机价格昂贵。低温液氮气化制冷系统现场运行能耗低、设备相对紧凑可移动，已经有了较为广泛的应用。

在低温液氮气化制冷系统中，为了使低温液氮的气化温度降低，需要使用减压抽空系统使得液氮容器内的气枕压力降低至负压，当液氮的饱和蒸汽压降至0.018MPa时，液氮的饱和温度可以降低至65K，可以看出减压降温的效果显著。在以往的设计研究中，减压抽空系统是用真空泵连续抽出低温气体，使得低温液体不断蒸发，带走自身热量来获得低温。然而普通的真空泵没办法达到很大的流量，在需要冷量很大的情况下，需要利用别的装置达到减压抽空的效果。NASA的X33液氧过冷系统中，采用三级串联的离心压缩机作为减压抽空系统，直接抽吸用于冷却液氧的液氮换热器中产生的低温氮气，得到低温低压的液氮。

直接抽吸低温气体的离心压缩机组冷却液氮系统面临有以下几点问题：

(1)离心压缩机在整体结构上分为常温和低温工作部分，常温下包括驱动装置即三相异步电机、轴承、变频控制器等，低温下包括冷压机叶轮、出口叶片扩压器、蜗壳组成的气体流通部分，整体结构上需要解决离心冷压缩机的结构复杂，难以维护等问题；(2)离心冷压缩机组的第一级入口处于整个系统的最低温度最低压强点，这对于其运行具有很不好的影响，温度低导致气流的当地音速很低，容易导致气流音速或者超音速运动，使得整体压缩机的性能急剧下降；(3)如果仅仅使用低温液氮直接冷却较高温度的工质，可能导致换热温差过大，通过分析液氮的沸腾曲线可以发现当过热度超过30K时，有可能成为膜态沸腾，恶化传热工况。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种液氮减压低温冷却系统，本发明结构紧凑，压缩机入口工质经过预热，换热效率高。本发明改善了现有技术，通过加入回热系统提高离心压缩机组第一级的进气温度，同时加入气体引射器，利用压缩机的余压引射出常压液氮贮罐内蒸发的气相氮，使得系统有效地得到负压状态下的低温液氮，同时控制常压液氮贮罐的气枕压力，兼顾利用压缩机产生的热量和压力，提高整个液氮过冷系统的性能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是避免压缩机第一级温度过低，避免换热温差过大导致膜态沸腾。

为实现上述目的，本发明提供了一种液氮减压低温冷却系统，包括负压液氮贮罐、常压液氮贮罐、离心压缩机组、第一换热器和第二换热器；所述离心压缩机组包括依次连通的第一离心压缩机、第二离心压缩机和第三离心压缩机；所述负压液氮贮罐的气体通过所述第一换热器进入所述第一离心压缩机；所述第一离心压缩机的气体通过所述第二换热器进入所述第二离心压缩机；所述第二离心压缩机的气体通过所述第一换热器进入所述第三离心压缩机。