專利名稱：一種利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫氣體液化和制冷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種利用多元混合物工質(zhì)通過(guò)內(nèi)復(fù)疊節(jié)流制冷獲得液氖(或者液氫、液氦)溫度的方法。
傳統(tǒng)的通過(guò)節(jié)流制冷來(lái)獲得液氖或者液氫、液氦的方法需要采用多級(jí)預(yù)冷或者多級(jí)外部復(fù)疊的措施，例如，為獲得液氖，則需要用液氮預(yù)冷；為獲得液氦，則需要用液氮及液氫來(lái)預(yù)冷。這種傳統(tǒng)的方法需要多套獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，因此，傳統(tǒng)的系統(tǒng)流程復(fù)雜，效率不高，可靠性較差。
目前，利用混合物工質(zhì)來(lái)獲得低溫的方法主要局限在液氮溫區(qū)以上。例如，在天然氣液化工程采用的混合物工質(zhì)多級(jí)分凝節(jié)流的方法主要是獲得110K左右的溫區(qū)。此外，還有針對(duì)獲得液氮溫區(qū)(65K-80K)的多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷方法(如美國(guó)專利US5,441,658)。但這一方法還無(wú)法獲得4K-50K的低溫，即不可能獲得液氖、液氫或者液氦。
綜上所述，傳統(tǒng)的節(jié)流制冷方法或者多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷方法存在系統(tǒng)復(fù)雜，效率不高，可靠性差，或者是不能達(dá)到獲得液氖、液氫或者液氦的目的。
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)節(jié)流制冷法復(fù)雜的系統(tǒng)及其低效率和進(jìn)一步擴(kuò)展多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷法獲得4K-50K的低溫，從而提供一種采用單一的壓縮氣源，通過(guò)采用液氮溫區(qū)具有高效率的混合物制冷工質(zhì)，預(yù)冷具有低轉(zhuǎn)化溫度的氖氣(或者氫氣、氦氣)，再進(jìn)一步節(jié)流氖氣(或者氫氣、氦氣)的利用多元混合物工質(zhì)內(nèi)復(fù)疊節(jié)流制冷獲得液氖(或者液氫、液氦)的新方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷獲得液氖、液氫及液氦的方法是利用多元混合物工質(zhì)C和內(nèi)復(fù)疊節(jié)流制冷工藝。其中多元混合物工質(zhì)C由兩類物質(zhì)A、B組成，第一類物質(zhì)A為通常的混合物工質(zhì)，如美國(guó)專利US5,441,658，在液氮溫區(qū)具有較高的效率，一般由N2、Ar及5個(gè)碳原子以下的烴類、烯烴或者其衍生物的混合物組成；第二類物質(zhì)B由單一的Ne氣、H2氣、He氣或者由它們組成的混合物，其組成取決于最終所要求得到的溫度。如果需要獲得液氖溫度，則Ne的摩爾含量至少占60％；如果需要獲得液氫溫度，則氖氣摩爾含量在30％-40％,H2的摩爾含量至少在30％；如果需要獲得液氦溫度，則He的摩爾含量在20％-40％，氫的摩爾含量在20-40％，余量為氖氣。將第一類物質(zhì)A與第二類物質(zhì)B進(jìn)一步混合，得到新的多元混合物C。其中，第一類混合物的摩爾含量為50％-80％，余量為第二類物質(zhì)。其中內(nèi)復(fù)疊節(jié)流制冷工藝過(guò)程是把混合物工質(zhì)C放入

圖1所示的系統(tǒng)中，多元混合物工質(zhì)C通過(guò)壓縮機(jī)1壓縮后成為高溫高壓的氣體，進(jìn)入冷卻器2中冷卻為環(huán)境溫度左右的高壓低溫氣體，該氣體流過(guò)逆流熱交換器3受到冷卻，冷卻到80K-100K時(shí)在氣液分離器4中進(jìn)行汽液分離，分離出完全處于液態(tài)的第一類物質(zhì)A和完全處于氣態(tài)的第二類物質(zhì)B，然后通過(guò)節(jié)流閥5節(jié)流處于液態(tài)的第一類物質(zhì)A，此時(shí)，產(chǎn)生制冷并預(yù)冷第二類物質(zhì)B。第二類物質(zhì)進(jìn)一步在逆流熱交換器6中冷卻。如果是為了獲得液氖，則通過(guò)節(jié)流來(lái)自逆流熱交換器6中的氣體，即可獲得液氖；如果要獲得液氫或者液氦，則可以使逆流熱交換器中的混合氣B冷卻到30K-20K左右，在氣液分離器7中進(jìn)行氣液分離，可分離出處于液態(tài)的氖及完全處于氣態(tài)的氫氣或者氦氣。處于液態(tài)的氖通過(guò)節(jié)流閥8節(jié)流產(chǎn)生制冷效應(yīng)預(yù)冷氫氣或者氦氣，被預(yù)冷的氫氣或者氦氣繼續(xù)在逆流熱交換器9中受到冷卻，通過(guò)節(jié)流閥10節(jié)流制冷后可在蒸發(fā)器11中獲得液氫或者液氦，節(jié)流后的流體依次匯合，最終返回壓縮機(jī)，進(jìn)行下一次循環(huán)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的逐級(jí)預(yù)冷節(jié)流的方法相比，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)逐級(jí)預(yù)冷的復(fù)疊節(jié)流制冷系統(tǒng)的復(fù)雜性，因而本發(fā)明的流程簡(jiǎn)單得多，此外，由于采用了在80K溫區(qū)具有高效率的混合工質(zhì)，因此，本方法比傳統(tǒng)逐級(jí)節(jié)流的效率要高得多，其效率能提高3-5倍。與現(xiàn)有混合物工質(zhì)節(jié)流制冷方法相比，本發(fā)明能獲得更低的溫度(4K-50K)。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流獲得液氖、液氫、液氦的工藝流程圖；圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1的工藝流程圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例2的工藝流程圖；圖面說(shuō)明如下1、壓縮機(jī)；2、冷卻器；3、逆流熱交換器；4、汽液分離器；5、節(jié)流閥；6、逆流熱交換器；7、氣液分離器；8、節(jié)流閥；9、逆流熱交換器；10、節(jié)流閥；11、低溫蒸發(fā)器；12、油分離器；13、純化器；14、回油閥；15、高壓氣瓶實(shí)施例1采用一單級(jí)油潤(rùn)滑空調(diào)壓縮機(jī)用本發(fā)明的方法獲得液氖其工藝流程圖參見(jiàn)圖2。壓縮機(jī)1為0.5kW的單級(jí)油潤(rùn)滑滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，逆流熱交換器為管套管的盤(pán)管熱交換器，逆流熱交換器3的高壓管為直徑3mm、壁厚0.5mm的紫銅管；低壓管為直徑10mm、壁厚1mm。逆流熱交換器6的高壓管為直徑1mm、壁厚0.1mm的紫銅管；低壓管為直徑3mm、壁厚0.5mm的紫銅管。多元混合物C由第一類物質(zhì)A及第二類物質(zhì)B組成。第一類物質(zhì)由N2、Ar、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10按正常比例組成，其摩爾含量為70％。第二類物質(zhì)為氖氣，摩爾含量為30％。節(jié)流閥及回油閥5、7、14均為不銹鋼毛細(xì)管。單級(jí)壓縮機(jī)提供的高低壓力分別為2.0MPa、0.2MPa。多元混合物工質(zhì)由在溫度80K溫區(qū)具有高效率的工質(zhì)A及氖氣B組成。具體的工作過(guò)程是這樣的首先，包括所有組分的多元混合物工質(zhì)在壓縮機(jī)1內(nèi)壓縮，經(jīng)冷卻器2冷卻至室溫后進(jìn)入油分離器12，分離出的油由回油閥13返回壓縮機(jī)，以保證壓縮機(jī)的潤(rùn)滑。從油分離器出來(lái)的混合氣經(jīng)純化器14進(jìn)行干燥、純化，進(jìn)入逆流熱交換器3，通過(guò)逆流回?zé)崞?混合器冷卻到80K-90K的溫區(qū)，在此條件下，除氖氣外的所有高沸點(diǎn)組元將全部液化，故在分離器4中進(jìn)行汽液分離，對(duì)分離出的液體物質(zhì)A進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流后逆流熱交換器3的低壓側(cè)。分離出的低溫氣體氖繼續(xù)在逆流熱交換器6中冷卻，冷卻到一定溫度后通過(guò)節(jié)流閥7節(jié)流，最終可在低溫蒸發(fā)器11中獲得液氖。液氖在蒸發(fā)器11中受熱首先返回逆流熱交器6的低壓側(cè)，并進(jìn)一步返回逆流熱交換器3的低壓側(cè)，匯同其它工質(zhì)最終返回到壓縮機(jī)1，完成一次循環(huán)。采用此法獲得了30K低溫的液氖。
實(shí)施例2采用單一高壓氣源用本發(fā)明的方法獲得液氦流程圖參見(jiàn)圖3。高壓氣源壓力在3MPa-10MPa以上，包含有第一類物質(zhì)及第二類物質(zhì)。第一類物質(zhì)摩爾含量為60％，其中它由N2、Ar、CH4、R14、R13組成(采用通常使用的相對(duì)摩爾含量比例，30％、20％、13％、15％及25％)。第二類物質(zhì)摩爾含量為40％，為Ne、H2、He(相對(duì)摩爾含量為40％、30％及30％)。逆流熱交換器為管套管的盤(pán)管熱交換器。其具體的工作過(guò)程是這樣的首先，來(lái)自高壓氣瓶15的包括所有組分的多元混合物工質(zhì)C進(jìn)入逆流熱交換器3，逆流回?zé)崞?可使汽液分離器達(dá)到80K-90K的溫區(qū)，在此條件下，除氖氣、氫氣及氦氣外的所有高沸點(diǎn)組元將在氣液分離器4中全部液化，故在此溫度下進(jìn)行汽液分離，對(duì)分離出的液體物質(zhì)A通過(guò)節(jié)流閥5進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流后返回逆流熱交換器3。分離出的低溫氣體氖、氫及氦的混合氣B繼續(xù)在逆流熱交換器6中流過(guò)，冷卻到30K左右的溫度后在氣液分離器7中進(jìn)行第二次汽液分離，此時(shí)，氖氣全部變成液態(tài)，而氫及氦則仍為氣態(tài)。通過(guò)節(jié)流閥8節(jié)流液氖并返回逆流熱交換器6的低壓側(cè)。氣態(tài)的氫及氦氣則繼續(xù)在逆流熱交換器9中受到冷卻，冷卻到一定溫度后，通過(guò)節(jié)流閥10進(jìn)一步節(jié)流，最終可在低溫蒸發(fā)器11中獲得液氦溫度。液氦在低溫蒸發(fā)器11中受熱并依次返回各級(jí)逆流換熱器。采用此法可獲得4.5K左右低溫的液氦。
實(shí)施例3采用一兩級(jí)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)用本發(fā)明方法獲得液氫其流程如圖1所示。多元混合物工質(zhì)由在溫度80K溫區(qū)具有高效率的工質(zhì)A及氖氣與氫氣的混合氣B組成，其中，第一類物質(zhì)摩爾含量為70％，其中工質(zhì)A由N2、Ar、CH4、R14、C2H6、C3H8按30％、10％、10％、10％、15％及25％的摩爾含量相對(duì)比例組成。第二類物質(zhì)摩爾含量為30％，其中工質(zhì)B由Ne、H2按相對(duì)比例40％、60％組成。逆流熱交換器為毛細(xì)管盤(pán)管熱交換器，節(jié)流閥均采用毛細(xì)管。具體的工作過(guò)程是這樣的首先，包括所有組分的多元混合物工質(zhì)C在壓縮機(jī)1內(nèi)壓縮，經(jīng)冷卻器2冷卻至室溫后進(jìn)入逆流熱交換器3，逆流回?zé)崞骺墒蛊悍蛛x器達(dá)到80K-90K的溫區(qū)，在此條件下，除氖氣與氫氣外的所有高沸點(diǎn)組元將全部在氣液分離器4中液化，故在此溫度下進(jìn)行汽液分離，對(duì)分離出的液體物質(zhì)A進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流后由汽液分離器4返回逆流熱交換器3的低壓側(cè)。分離出的低溫氣體氖及氫的混合氣B繼續(xù)在逆流熱交換器6中流過(guò)，冷卻到30K左右的溫度后在氣液分離器7中進(jìn)行第二次汽液分離，此時(shí)，氖全部變成液態(tài)，而氫則仍為氣態(tài)。通過(guò)節(jié)流閥8節(jié)流液氖并返回逆流熱交換器6的低壓側(cè)。氣態(tài)的氫氣則繼續(xù)流過(guò)逆流熱交換器9，冷卻到一定溫度后節(jié)流后，最終可在低溫蒸發(fā)器11中獲得液氫溫度。液氫在蒸發(fā)器11中受熱并依次返回各級(jí)逆流換熱器而回到壓縮機(jī)1。采用1kW的壓縮機(jī)，獲得了20K的液氫。
實(shí)施例4按圖1的工藝流程利用本發(fā)明的方法制備液氖，液氫及液氦多元混合物工質(zhì)中第一類物質(zhì)A的摩爾含量為50％；第二類物質(zhì)B的摩爾含量為50％；其中它們組成按實(shí)施例3，和具體工藝同實(shí)施例1。部實(shí)施例5按圖1的工藝流程利用本發(fā)明的方法制備液氖，液氫及液氦制備方法完全按實(shí)施例4，但是改變多元混合物工質(zhì)配比，其多元混合物工質(zhì)中第一類物質(zhì)A的摩爾含量為80％，第二類物質(zhì)B的摩爾含量為20％。物質(zhì)A與B各自組成和工序也同實(shí)施例4相同。
權(quán)利要求
1.一種利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷獲得液氖、液氦液氫的方法，其特征在于(1)、采用摩爾含量為50％-80％的第一類物質(zhì)A，以及余量為第二類物質(zhì)B混合組成的多元混合物工質(zhì)C。其中，第一類物質(zhì)A是通常的混合物工質(zhì)；第二類物質(zhì)B包括Ne、H2、He或者由它們組成的混合物。(2)、多元混合物工質(zhì)C通過(guò)壓縮機(jī)1壓縮后成為高溫高壓的氣體，進(jìn)入冷卻器2中冷卻為環(huán)境溫度左右的高壓低溫氣體，該氣體流過(guò)逆流熱交換器3受到冷卻，冷卻到80K-100K時(shí)在氣液分離器4中進(jìn)行汽液分離，分離出完全處于液態(tài)的第一類物質(zhì)A和完全處于氣態(tài)的第二類物質(zhì)B，然后通過(guò)節(jié)流閥5節(jié)流處于液態(tài)的第一類物質(zhì)A，此時(shí)，產(chǎn)生制冷并預(yù)冷第二類物質(zhì)B；第二類物質(zhì)B進(jìn)一步在逆流熱交換器6中冷卻，為了獲得液氖，則通過(guò)節(jié)流來(lái)自逆流熱交換器6中的氣體，即可獲得液氖；要獲得液氫或者液氦，使逆流熱交換器中的混合氣B冷卻到30K-20K左右，在氣液分離器7中進(jìn)行氣液分離，可分離出處于液態(tài)的氖及完全處于氣態(tài)的氫氣或者氦氣。處于液態(tài)的氖通過(guò)節(jié)流閥8節(jié)流產(chǎn)生制冷效應(yīng)預(yù)冷氫氣或者氦氣，被預(yù)冷的氫氣或者氦氣繼續(xù)在逆流熱交換器9中受到冷卻，通過(guò)節(jié)流閥10節(jié)流制冷后可在蒸發(fā)器11中獲得液氫或者液氦，節(jié)流后的流體依次匯合，最終返回壓縮機(jī)，進(jìn)行下一次循環(huán)。
2.按權(quán)利要求1所述的利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第一類物質(zhì)A是由通常的混合物工質(zhì)N2,Ar及5個(gè)碳原子以下的碳?xì)浠衔锝M成。
3.按權(quán)利要求1,2所述的利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第二類物質(zhì)B包括Ne,H2,He或者它們組成的混合物，其中Ne的摩爾含量至少為60％。
4.按權(quán)利要求1所述的利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第二類物質(zhì)B包括Ne,H2,He或者它們組成的混合物，其中氦氣的摩爾含量在20％～40％，氫氣的摩爾含量在20％～40％，余量為氖氣。
5.按權(quán)利要求1所述的利用多元混合物工質(zhì)節(jié)流制冷獲得液氖、液氦、液氫的方法，其特征在于所述的第二類物質(zhì)B包括Ne,H2,He或者它們組成的混合物，其中氖的摩爾含量在30％～40％，氫的摩爾含量至少30％。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用多元混合物工質(zhì)和通過(guò)內(nèi)復(fù)疊節(jié)流制冷獲得4K—50K低溫的方法。本發(fā)明利用摩爾含量為50%—80%的液氮溫區(qū)的混合物工質(zhì)A與余量Ne、H
文檔編號(hào)F25J1/00GK1232955SQ9810157
公開(kāi)日1999年10月27日 申請(qǐng)日期1998年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月21日
發(fā)明者羅二倉(cāng), 周遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院低溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心