[发明专利]一种采用回热式制冷机冷端与热端直流的氢、氦节流液化系统

说明书

本发明公开了一种采用回热式制冷机冷端与热端直流的氢、氦节流液化系统，属于低温制冷技术领域，包括回热式制冷机模块、热端直流模块、冷端直流模块、节流液化模块、气相循环模块；各模块相互连通，形成工质流动闭合回路；回热式制冷机冷端和热端通过直流管路和直流流量阀引出直流；热端直流制冷工质通过与回流低温工质换热降温后与冷端直流工质混合进入节流液化模块进行节流液化产生液体工质；液体工质输出冷量进行制冷后通过气相循环模块进入压缩装置背压腔，完成循环。与现有使用回热式制冷机的小型氢、氦液化技术相比，本发明结构简单，安装便利，换热效率与系统综合液化效率高。

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，尤其是涉及一种采用回热式制冷机冷端与热端直流的氢、氦节流液化系统。

背景技术

脉管制冷机和GM制冷机等回热式制冷机因其结构简单、运行可靠、振动低等优势，是当前国内外小型氢、氦液化与再冷凝系统的主要制冷技术。

以氦气为例。1989年，日本三菱集团等人用Gd_xEr_1-xRh化合物作为三级回热器填料研制了最低无负荷温度可达到3.3K、冷量20mW@4.2K的三级GM制冷机，并首次在不使用JT级的情况下实现了氦液化。1997年德国吉森大学G.Thummes、王超等人改进了一台两级脉管低温制冷机，首次使用了利用制冷机的回热器对氦气进行预冷的方式。目前，使用单台制冷机的氦液化的发展主要归功于制冷机性能的提升以及对制冷机回热器富余冷量的发现与利用。利用回热器壁面的富余冷量将氦气在到达冷凝器之前逐渐预冷，极大地减小了显热对饱和温度下制冷量的消耗。但是对于氦气和氦气，室温至液化温度的显热与气液相变潜热的比值分别达到70余倍，如果以单台制冷机液化常压室温氦气，意味着冷端单位冷量可以液化的氦气需要从回热器及一级冷端各温度区间吸收70余倍的富余冷量才足以完全吸收显热，否则将耗费高品位冷量用于吸收显热从而造成液化效率的降低，这对于目前的低温制冷机提出了更高的性能要求。因此，目前单台制冷机的氦液化效率仍处于较低水平，以1W@4.2K制冷量的脉管制冷机为例，其理论液化量为33L/day，而实际BOG再冷凝仅为18L/day，室温液化则更少为10-12L/day，仅为理想液化量的30％-60％，能耗高达11-19kW·h/L。单机液化量低下导致许多场合需要多台制冷机联合运行才能满足所需氢、氦液化量，造成成本高、能耗高、系统运行复杂等问题。因此，充分利用制冷机的现有冷量进一步提高单机氢、氦的液化能力，是当前小型氢、氦液化器发展的主要方向，而提高液化量的关键在于充分利用回热器富余冷量减小待液化气体过热度的同时强化冷凝器处的膜状冷凝传热。

现有的将待液化气体通过盘管式换热器、自然对流换热或环形翅片换热器在回热器管壁外侧预冷的模式，其均属于非接触式换热，换热热阻较大。此外，饱和氦气和氢气在制冷机冷端的膜状冷凝理论的不完善导致氢、氦冷凝器的设计存在偏差，使得回热式制冷机液化氢气、氦气的效率较低，单位体积的液化成本较高。而根本原因均在于间接预冷和间接冷凝液化方式存在较大的传热损失。

发明内容

本发明提供了一种采用回热式制冷机冷端与热端直流的氢、氦节流液化系统，能够克服上述传统小型氦液化器预冷与冷凝过程存在的技术缺陷，同时也利用了J-T制冷机深低温相变制冷效率高的优势。

一种采用回热式制冷机冷端与热端直流的氢、氦节流液化系统，包括回热式制冷机模块、热端直流模块、冷端直流模块、节流液化模块和气相循环模块；各模块相互连通，形成氦气或氢气工质流动闭合回路；

所述的节流液化模块包括通过低温管路依次连通的缓冲腔、间壁式换热器高压通道、节流阀和储液器；所述的气相循环模块包括由回流管路依次连通的间壁式换热器低压通道、换热组件低压通道、控制阀和小型压缩装置；

所述回热式制冷机模块中的压缩机传输管上设有旁通，与热端直流模块连接；所述回热式制冷机模块中的回热器冷端换热器下端设有开口，与冷端直流模块连接；