制冷和/或液化装置以及相关方法 |
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| 申请号 | CN201380065911.6 | 申请日 | 2013-11-08 | 公开(公告)号 | CN104854413A | 公开(公告)日 | 2015-08-19 |
| 申请人 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司; | 发明人 | J-M·伯恩哈特; F·杜兰德; V·赫卢安; P·巴亚霍克斯; G·弗拉维安; | ||||
| 摘要 | 一种用于制冷和/或 液化 包含氦气的工作气体的装置，该装置包括用于工作气体的环路式工作回路，该工作回路相继包括压缩站(1)、冷箱(2)、在经冷却的工作气体与使用物(10)之间进行热交换的热交换系统(14)，该装置还包括附加的预冷却系统，该预冷却系统包括诸如液氮的辅助 低温 流体 的至少一个容积(3)，冷箱(2)包括工作气体的第一冷却级，该第一冷却级包括布置在压缩站(1)的出口处的第一交换器(5)、以及第二 热交换器 (15)和第三热交换器(25)，第一热交换器(5)属于 铝 制板翅式热交换器，第二热交换器(15)属于管式或 焊接 板式热交换器，该装置的特征在于，第二热交换器(15)和第三热交换器(25)在第一热交换器(5)的下游与工作回路既 串联 连接又并联连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于包含氦气或由纯氦气组成的工作气体的制冷和/或液化的装置，所述装置包括用于所述工作气体的、形式为环路的工作回路并且相继包括： |
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| 说明书全文 | 制冷和/或液化装置以及相关方法技术领域[0001] 本发明涉及一种制冷和/或液化装置以及对应的方法。 [0002] 本发明更具体地涉及一种用于包含氦气或由纯氦气组成的工作气体的制冷和/或液化的装置，该装置包括用于工作气体的、形式为环路的工作回路并且相继包括： [0003] -配备有至少一个压缩机的工作气体压缩站， [0005] -用于经冷却的工作气体与使用物之间的热交换的系统， [0006] -使已从热交换系统通过的工作气体返回到压缩站的至少一个返回管道，该返回管道包括用于将工作气体加温的至少一个交换器，该装置还包括用于在压缩站的出口处预冷却工作气体的附加系统，该预冷却系统包括诸如液氮的辅助低温流体的至少一个容积/容器，该容积经由至少一个热交换器与工作回路连接，以便选择性地将冷能(制冷量/负大卡，frigorie)从辅助流体转移到工作气体，该冷箱包括第一工作气体冷却级，该第一工作气体冷却级包括布置在压缩站的出口处的第一热交换器、以及第二热交换器和第三热交换器，第一热交换器属于铝制板翅式热交换器，第二热交换器属于焊接板式或焊接管式热交换器，该第二热交换器浸在用于辅助冷却流体的浴槽中。 [0007] 本发明尤其涉及氦制冷器/液化器，该氦制冷器/液化器产生极低的温度(例如在氦的情形中为4.5K)以便连续冷却使用物，例如超导电缆或等离子体生成装置(“TOKAMAK”)的构件。制冷/液化装置尤其是指冷却且在合适的情况下液化摩尔质量低的气体如氦气的极低温度(深冷温度)的制冷装置和/或液化装置。 背景技术[0008] 使用物被冷却意思是指使用物需要从较高的起始温度(例如300K或以上)下降至确定的低的标称工作温度(例如80K左右)。制冷/液化装置通常不适合于这种冷却。 [0009] 有时，当在很长的时间(几十天)内将重型构件(例如超导磁体)从环境温度冷却到80K时，(向使用物给送和从使用物返回的)较热和较冷的氦流以对流方式从共同的交换器通过。不过，为使该装置正确工作，有必要限制这些氦流之间的温差(例如限制在40K到50K之间的最大温差)。 [0010] 为此，该装置包括在该冷却期间供给冷能的辅助预冷却系统。 [0011] 如尤其在文章(U.Wagner的“用于氦制冷循环中的液氮预冷却的方案(Solutions for liquid nitrogen pre-cooling in helium refrigeration cycles)”，CERN-2000)所说明的，该预冷却系统通常包括经由至少一个热交换器向工作气体供给冷能的液氮(处于例如80K的恒温下)的容积。 [0012] 但是，这些已知的预冷却系统确实存在制约因素或缺点。 [0013] 因而，有必要将处于80K下的氦与(处于环境温度下或处于它从待冷却的使用物返回时的温度下的)较热的氦混合。 [0014] 为了限制液氮的消耗，还有必要随着使用物逐渐冷却而从自待冷却的使用物返回的氦中回收冷能。这些与温差和性能有关的制约因素需要根据各种工况(冷却、正常工作)而有所不同的热交换器技术。 [0015] 因而，在正常工作期间(除冷却阶段以外)，交换器需要具有很高的性能(即低压降)并且不应面临显著的温差。适合于这种正常工作的热交换器包括铝钎焊板翅式热交换器。该类型的交换器通常可以耐受对流流体之间在50K以上的温差。 [0016] 在重型使用物的冷却期间，交换器中所需的热交换性能不是很高，但却保持较高。相比而言，温差(由于处于恒温下的液氮)变得较大(大于50K)。 [0017] 当回路和交换器中的氦温度依然较高时，压降远远大于正常工作中所需的压降。 [0018] 用于解决这些问题的已有方案使得位于通向冷箱的入口处的主交换器是必需的，所述冷箱提供氦与氮之间的热交换。其它方案允许根据流体(氦或氮)的性质来将该主交换器分成利用不同热交换器技术制造的若干独立的部段。 [0019] 这些方案并未提供针对上述问题的令人满意的方案，因为该装置既不适合于正常工作也不适合于冷却阶段。 发明内容[0020] 本发明的一个目的是减轻上文中公开的现有技术的缺点的全部或一部分。 [0021] 为此，根据本发明的装置在按照其在以上背景技术中给出的一般定义的其它方面的基本特征在于，第二和第三热交换器在第一热交换器下游与工作回路既串联连接又并联连接，也就是说在第一热交换器中冷却的工作气体能被选择性地容许进入第二热交换器和/或第三热交换器，并且第二热交换器浸在液化辅助气体的第一容积中。 [0022] 此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个以下特征： [0024] -所述回路包括旁通支路，该旁通支路用于选择性地绕开第三热交换器，从而允许来自第一热交换器和/或第二热交换器的工作气体选择性地避开工作回路中的第三热交换器， [0026] -用于气化的辅助流体的所述第一排出管道包括用于选择性地绕开第一热交换器的旁通支路， [0027] -第三交换器属于实现工作气体与辅助流体之间的选择性热交换的类型，所述装置包括选择性给送管道，该选择性给送管道将第一容积与第三热交换器连接，以便在第三热交换器中将冷能从辅助流体转移到工作气体， [0028] -所述装置包括被选择性地给送来自辅助流体源的辅助流体的第二流体容积，并且所述第三热交换器浸在所述第二容积中，以便允许工作气体与第二容积的辅助流体之间的冷能的交换， [0029] -所述装置包括排出气化的辅助流体的第二排出管道，该第二排出管道将第二容积的上端经由通过第一热交换器的通路与远程辅助流体回收系统连接， [0030] -用于气化的辅助流体的所述第二排出管道包括用于选择性地绕开第一热交换器的旁通支路， [0031] -所述第二和第三热交换器经由管道和阀的网络在第一热交换器的出口处与工作回路既串联连接又并联连接，所述管道和阀在两个热交换器与用于绕开第二热交换器的旁通管路之间形成并联连接和串联连接， [0032] -所述第一容积经由连接至辅助流体源并配备有阀的传送管道被选择性地给送辅助流体， [0033] -所述第一热交换器属于在处于不同相应温度下的不同工作气流之间进行热交换的类型，并且该第一热交换器包括被给送离开压缩站的所谓的热高压工作气体的第一通路、与第一通路对流并由用于所谓的冷低压工作气体的返回管道给送的第二通路和与第一通路对流并经由使尚未从热交换系统通过的工作气体从冷箱返回的工作回路返回管道被给送所谓的中压工作气体的第三通路。 [0034] 本发明还涉及一种使用根据上述或下述特征中的任何一个特征的用于工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物的方法，在该装置中经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在250K到400K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过第一热交换器中的热交换来冷却并然后分流成两个流，其中第一流在第二热交换器中且然后在第三热交换器中被冷却，而第二流直接在第三热交换器中被冷却，在第一容积中气化的辅助流体在不向第一热交换器移交冷能的情况下排出。 [0035] 本发明还涉及一种使用根据上述或下述特征中的任何一个特征的用于工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物的方法，在该装置中经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在250K到150K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过在第一热交换器中、继而在第二热交换器中的热交换来冷却，并然后分流成两个流，其中第一流在第三热交换器中冷却而第二流避开第三交换器，第三交换器被给送辅助流体以便在第三交换器中将冷能从辅助流体转移到工作气体，在第一容积中和/或在与第三交换器接触时气化的辅助流体在不向第一热交换器移交冷能的情况下排出。 [0036] 本发明还涉及一种使用根据上述或下述特征中的任何一个特征的用于工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物的方法，其中经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在150K到95K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过在第一热交换器中、继而在第二热交换器中、继而在第三热交换器中的热交换来冷却，在第一容积中和/或在与第三交换器接触时气化的辅助流体的至少一部分在向第一热交换器移交冷能的情况下排出。 [0037] 本发明还涉及一种使用根据上述或下述特征中的任何一个特征的用于工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物的方法，其中经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在95K到80K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过在第一热交换器中、继而仅在第三热交换器中的热交换器来冷却，在与第三交换器接触时气化的辅助流体在向第一热交换器移交冷能的情况下排出。 [0038] 本发明还涉及一种用于使用根据上述或下述特征中的任何一个特征的用于工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物的方法，其中，在可能的预冷却阶段后，该装置在所谓的标称工作中冷却使用物，离开压缩站的工作气体在所述标称工作中通过在第一热交换器中、继而仅在第三热交换器中的热交换来冷却，第三交换器被给送辅助流体以便在第三交换器中将冷能从辅助流体转移到工作气体，并且在与第三交换器接触时气化的辅助流体在向第一热交换器移交冷能的情况下排出。 [0040] 通过阅读下文参考附图给出的描述，其它特征和优点将变得显而易见，在附图中： [0041] -图1示出了简化的示意局部视图，其示出了用于冷却使用部件的液化/制冷装置的结构， [0042] -图2示意性地和部分地示出了用于冷却使用部件的液化/制冷装置的结构和运行的第一示例， [0043] -图3示意性地和部分地示出了根据第二实施例的液化/制冷装置的冷箱的细节，[0044] -图4至7分别以各种不同的工作构型示出了图3的细节。 具体实施方式[0045] 如图1所示，设备100通常可包括制冷/液化装置，该制冷/液化装置包括使氦经受工作循环以便制冷的工作回路。制冷装置2的工作回路包括配备有压缩氦的至少一个压缩机5且优选多个压缩机的压缩站1。 [0046] 在离开压缩站1时，氦进入冷箱2用以冷却氦。冷箱2包括与氦进行热交换以便冷却氦的若干热交换器5。此外，冷箱2包括一个或多个涡轮机7以使经压缩的氦膨胀。作为优选，冷箱2采用布雷顿式热力循环或任何其它合适的循环工作。至少一部分氦在离开冷箱2时液化并进入到设计成提供液氦与待冷却的使用物10之间的选择性热交换的热交换系统14中。使用物10包括例如使用超导磁体获得的磁场发生器和/或一个或多个低温冷凝泵送单元或任何其它需要极低温冷却的部件。 [0047] 如在图1中示意性地示出的，该装置还以本身已知的方式包括用于在压缩站2的出口处预冷却工作气体的附加预冷却系统。该预冷却系统包括诸如液氮的辅助低温流体的容积3。容积3经由至少一个热交换器与工作回路连接，以便选择性地将冷能从辅助流体转移到工作气体。 [0048] 例如，容积3可经由连接至辅助流体源(未示出)并装配有阀23(参看图3)的传送管道113而被给送辅助流体。 [0050] 在压缩站1的出口处，氦被允许进入冷箱2，该氦在冷箱2中通过与若干交换器5进行热交换而被冷却并在冷箱2中经涡轮机7而膨胀。 [0051] 在冷箱2中液化的氦可被储存在设置有交换器144的储器14中，交换器144用于与待冷却的使用物10(例如配备有泵的回路)进行热交换。用于氦与使用物10之间的热交换的该系统14可包括任何其它合适的结构。 [0052] 已从热交换系统14通过的低压氦经由返回管道9返回压缩站1，以便重新开始工作循环。在该返回期间，较冷的氦向热交换器5移交冷能并因而冷却沿反方向流通经过冷箱2的、到达使用物10之前的较热的氦。 [0053] 如所示出的，该工作回路可包括使尚未从热交换系统14通过的氦从冷箱2返回到压缩站1的返回管道19。 [0054] 如在图2中可见的，该装置包括预冷却系统，该预冷却系统包括处于例如80K温度下的诸如液氮的辅助低温流体的容积3。 [0055] 冷箱2包括一旦氦离开压缩站1就接收氦的第一氦冷却级。 [0056] 该第一冷却级包括第一热交换器5、第二热交换器15和第三热交换器25。 [0057] 第一热交换器5优选属于铝钎焊板翅式。这种交换器例如满足ALPEMA(铝制板翅式热交换器制造商协会)的推荐标准。 [0058] 第一热交换器5例如属于在不同相应温度下的不同氦流之间存在热交换的类型。第一交换器5可包括被给送直接离开压缩站1的所谓的热高压工作气体的第一通路6、与第一通路对流并由返回管道9给送所谓的冷低压的工作气体的第二通路、和与第一通路对流并经由返回管道19给送所谓的中压工作气体的第三通路。如下文所述，第一交换器5还包括用于辅助流体的通路段。 [0059] 第二热交换器15和第三热交换器25在第一热交换器5的下游与工作回路既串联连接又并联连接，也就是说在热交换器5中冷却的工作气体可被选择性地容许进入第二热交换器15和/或第三热交换器25中。 [0060] 如图3中更详细地示出的，第二热交换器15和第三热交换器25可经由管道6、16、26、250和阀116、126、326的网络与第一热交换器5既串联连接又并联连接，所述管道和阀形成在这两个热交换器15、25和用于绕开第二热交换器15的旁通管路250之间的并联连接和串联连接。 [0061] 如在图1中可见的，第二热交换器15优选属于浸在处于80K下的诸如液氮的辅助冷却流体的浴槽中的管式热交换器(管例如由不锈钢、铜或某种其它与深冷温度相容的合金制成)。更具体地，第二热交换器15浸在液氮的第一容积3中。如前文所述，第一容积3可经由连接至辅助流体源(未示出)并且配备有阀23的传送管道113被给送辅助流体。 [0062] 当然，本发明不限于此实施例。因而，例如，浸没的第二热交换器15可以是焊接有板的由不锈钢或某种其它金属或合金制成的热交换器，即为其技术已知的中文名称为“板壳”式热交换器的热交换器。构成第二热交换器15的这些类型的热交换器能够完美地耐受各种使用构型(浸没/非浸没)之间的较高温差，例如在60K到250K之间的温差。 [0063] 该装置包括第一排出管道30，该第一排出管道用于排出气化的辅助流体并且将第一容积3的上端经由通过第一热交换器5的通路与远程辅助流体回收系统连接。用于排出气化的辅助流体的该第一管道30还包括用于经由阀230、430的系统选择性地绕开第一热交换器5的旁通支路130。 [0064] 第三热交换器25优选为铝制板翅式交换器。第三交换器25属于采用氦与氮之间的选择性热交换的类型。为此，且如图2中可见的，该装置可包括给送管道13，该给送管道配备有至少一个阀(未示出)，所述至少一个阀将第一容积3与第三热交换器25连接(例如在环路中连接)，以便在第三热交换器25中选择性地将冷能从辅助流体转移到工作气体。 [0065] 图3示出了该装置的第一冷却级的一个替代实施方式。图3的实施方式与图2的差别仅在于第三热交换器25此次浸在辅助流体的第二容积33中(而不是被给送来自第一容积3或来自(辅助流体)源的辅助流体)。如图3所示，该第二流体容积33可以是由辅助流体源选择性地供给辅助流体的低温储器。第三热交换器25浸在所述第二容积33中，以便在合适的情况下允许工作气体与第二容积33的辅助流体之间的冷能交换。 [0066] 第二辅助容积33还包括第二排出管道330，该第二排出管道用于排出气化的辅助流体并且将第二容积30的上端经由通过第一热交换器5的通路与远程辅助流体回收系统连接。例如，第二排出管道330在第一热交换器5的上游与第一辅助流体排出管道30连接。也就是说，第二容积33中的气化的辅助流体可在通过第一热交换器5的通路和/或避开该第一热交换器5的旁通管路130之间被分流。 [0067] 图4至7分别示出了可以相继用于该装置的一个可能的工作示例中的四种不同构型。 [0068] 在冷却使用物10的第一阶段——该阶段在图4中示出，离开压缩站1的氦通过第一热交换器5中的热交换而被冷却，然后经冷却的氦被分为两个流(阀116和126打开)。这两个流中的第一流在第二热交换器15中冷却，然后在不进行热交换的情况下进入第三热交换器25(阀233关闭)。第二流不进入第二热交换器15，而是在进入第三热交换器25之前与离开第二热交换器15的第一流混合。 [0069] 在该第一阶段，第一容积3被给送辅助流体(氮)并且气化的氮在不向第一热交换器5移交冷能的情况下由排出管道30和旁通支路130排出(阀230在旁通支路130中打开且阀430关闭以免进入第一交换器5)。 [0070] 这可对应于冷却最初处于400K与250K之间的温度下的使用物的操作的开始。在该第一阶段期间，氦的温度可以是： [0071] -在第一热交换器5的出口处约等于300K， [0072] -在第三热交换器25的出口处约等于250K。 [0073] 在冷却使用物10的第二阶段——该阶段在图5中示出，离开压缩站1的氦可以通过在第一热交换器5中、继而在第二热交换器15中的热交换而被冷却(阀116打开且阀126关闭)。氦然后被分成两个流，其中第一流在第三热交换器25中冷却，而第二流从旁通管路250通过(旁通管路250中的阀326打开)。 [0074] 第一容积3和第二容积33经由相应的传送管道113、133(对应的阀213和233打开)被给送辅助流体。容积3、33中的气化的辅助流体可以在不经由第一热交换器5传送(即，经由旁通支路130)的情况下(阀430关闭且阀230打开)排出。 [0075] 这可对应于冷却最初处于250K与150K之间的温度下的使用物的操作。在该第二阶段期间，氦的温度可以是： [0076] -在第一热交换器5的出口处约等于145K， [0077] -在第二热交换器15的出口处约等于120K， [0078] -在第三热交换器25的出口处约等于80K， [0079] -在旁通支路130中约等于120K，并且 [0080] -在旁通支路130下游的接合部之后约等于95K。 [0081] 在冷却使用物10的第三阶段——该阶段在图6中示出，离开压缩站1的工作气体可相继通过在第一热交换器5中、继而在第二热交换器15中、继而在第三热交换器25中的热交换而被冷却(阀116打开，阀126关闭)。第一容积3和第二容积33中的气化的辅助流体可部分经由第一热交换器5且部分经由旁通支路130排出(阀230和430打开)。 [0082] 这可对应于冷却最初处于150K与95K之间的温度下的使用物的操作。在该第二阶段期间，氦的温度可以是： [0083] -在第一热交换器5的出口处约等于130K， [0084] -在第二热交换器15的出口处约等于100K， [0085] -在第三热交换器25的出口处约等于80K。 [0086] 在冷却使用物10的第四阶段——该阶段在图7中示出，离开压缩站1的工作气体可相继通过在第一热交换器5中、继而在第三热交换器25中的热交换(在不经由第二热交换器15传送的情况下：阀116关闭且阀126打开)而被冷却。仅第二容积33可被给送辅助流体(阀213关闭且阀233打开)。第二容积33中的气化的辅助流体可部分经由第一热交换器5且部分经由旁通支路130排出(阀230和430打开)。 [0087] 这可对应于冷却最初处于95K与80K之间的温度下的使用物的操作。在该第二阶段期间，氦的温度可以是： [0088] -在第一热交换器5的出口处约等于95K， [0089] -在第三热交换器25的出口处约等于80K。 [0090] 最后，当使用物10已达到所谓的正常工作的确定的低温时，该装置可使用同一装置提供连续冷却(将冷度/低温水平维持在该确定的温度)。 [0091] 在该连续冷却期间，该装置还可根据图7的构型而工作。也就是说，离开压缩站1的工作气体可相继通过在第一热交换器5中、继而在第三热交换器25中的热交换(不经由第二热交换器15传送的情况下)而被冷却，并且仅第二容积33可被给送辅助流体。第二容积33中的气化的辅助流体可通过第一热交换器5排出(阀230关闭且阀430打开)。 [0092] 在该工作模式期间，氦的温度可以是： [0093] -在第一热交换器5的出口处约等于90K， [0094] -在第三热交换器25的出口处约等于80K。 [0095] 上文所述的架构因而使得能以减少的设备数量将重型构件从较热温度(例如400K)冷却到较低温度(例如80K)。 [0096] 两个铝制板翅式热交换器(第一热交换器5和第三热交换器25)以及一个管式热交换器(第二热交换器15)的使用使得能优化装置在各个工作阶段的运行，所述工作阶段是预冷却和(在预冷却之后的)所谓的正常工作的工作阶段。 [0097] 这些构型尤其使得能将第二热交换器15定位在冷箱2的外部，且因此第一容积3也是如此。 [0098] 由该装置提供的另一个优点在于，它通过隔离仅用于冷却的回路和设备而限制了在正常工作期间热量向工作气体中的进入。这些设备可安装成远离冷箱并且同样减小了冷箱腔室的尺寸并且降低了其成本。 |
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