徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法

2023-12-06 17:17:36

專利名稱：徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法
技術領域：
本發明軸流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，屬於氣體膨脹製冷技術領域。
背景技術：
氣體膨脹製冷是一種常用的製冷工藝技術。提高膨脹製冷效率，在能源短缺的今天，具有重要的經濟效益和社會效益。膨脹製冷的常用設備有透平膨脹機、熱分離機、氣波制冷機以及節流閥等。其中，氣波制冷機械的結構簡單、轉速低、製冷效率較高。大連理工大學研製發明的「氣波制冷機」、「多級氣波制冷機」、「外循環耗散式氣波制冷機」等，均已獲得國家專利。然而，氣波制冷機與透平膨脹機相比，不能轉化輸出軸功是其不足。透平可以帶動同軸的壓縮機，使低壓冷氣通過回壓縮和冷交換，達到中等的壓力，具有更大的價值。而熱分離機和氣波制冷機無此能力，其輸出製冷氣的壓力較低，高壓氣的有效能量沒能充分利用。波轉子機械，能夠同時實現動態膨脹和壓縮，實現兩股流體的壓力交換。但通常波轉子不考慮膨脹製冷的效率，也不對膨脹後的低壓氣進行回流壓縮，因此也不能產生中壓的製冷氣。

發明內容
本發明的目的是，獲得一種能自行提高製冷氣壓力的自增壓式氣波製冷方法與裝置，使高壓氣體的壓力能量得到充分的利用，獲得中等壓力的製冷氣體而提高效益。本發明所採取的創新技術解決方案為:1.破除以往氣波製冷循環，製冷氣直接排走使用的慣例，而是將製冷氣引入到冷交換器的冷程中放出冷量，回溫後，再回流壓縮，升高其壓力後，再返回到冷交換器的熱程中，重新獲得低溫冷量。2.創新巧妙地利用氣波制冷機在製冷過程中所伴隨的壓縮能力，將回溫後的低壓氣升壓。以往在氣波制冷機中，高壓氣膨脹製冷時，動態壓縮滯留氣或循環氣，由滯留氣或循環氣將高壓氣能量以熱的形式傳遞散出。本發明創造性地將回溫後的低壓冷氣重新導入氣波制冷機中，作為被壓縮的對象，直接地利用高壓氣體的有效能量來使其升壓，將高壓氣能量轉換成珍貴的壓力能，而不是難以利用的低溫熱能。3.回溫後的低壓氣被壓縮後，溫度會上升，故設置冷卻器取走壓縮的熱量，使其再經過冷交換器後，溫度能趨於它從氣波制冷機出來時的低溫。4.本發明中使用新型的氣波制冷機，同時具有高壓氣膨脹氣波製冷、和低壓氣返回機中，通過氣波壓縮升壓的兩項功能，因此稱其為氣波膨脹一壓縮機。該機採用創新的徑流式波轉子結構，內圓周和外圓周處各有一對氣體進、出口，其外圓周的一對為高壓氣進口、和它膨脹製冷後的低溫低壓氣出口；內圓周的一對為回溫低壓氣進口、和它被壓縮後的中壓氣出口。
5.上述徑流式波轉子結構的氣波膨脹一壓縮機，具有多條徑向的轉動槽道，在離心力作用下，轉動槽道外圓周開口處的流體壓力大於內圓周開口處。設計將膨脹後的低壓冷氣，從各轉動槽道的外圓周開口導出，換冷後再從回溫低壓氣進口進入氣波膨脹一壓縮機內，從各轉動槽道的內圓周開口流迴轉動槽道中進行壓縮，即巧妙地利用離心力產生的壓差，作為克服冷交換器阻力、自行回流的推動力，如此能夠省去驅流風機或壓氣機，使裝置簡化。本發明的巧妙與成功之處，在於將轉動槽道內吸收和耗散高壓氣體能量的滯留氣或循環氣，換成了低壓冷交換氣，即低壓製冷氣通過冷交換器，將冷量先交換出，回溫後作為吸收高壓氣體能量的載氣，通過動態絕熱壓縮，將高壓氣能量的大部分，吸收轉換成自身的壓力能，即實現了壓力能的自交換。然後，再通過冷交換器將冷量重新取回，形成中壓冷氣，大大提高了其可用品質:如能更多地凝析出其中的重組分，和適於遠距離輸送。而對於高壓氣體來說，不僅沒有多消耗絲毫的能量，而且由於吸收它能量的低壓冷交換氣，比原滯留氣或循環氣具有較低的溫度，故能減少過程的熱交換，高壓氣膨脹後的溫度會更低。這增壓和更低溫兩者的效果，均提高了整個製冷過程的熱力學效率，即高壓氣體的壓力能量得到了充分的利用和轉化。本發明的有益效果是:獲得一種低轉速、結構相對簡單、可帶液運行，能充分高效利用高壓氣體壓力能的新型徑流式自增壓氣波製冷方法與裝置。本發明徑流式自增壓氣波製冷方法與裝置，適合用於各種帶壓氣體的膨脹製冷。如直接利用高壓氣井的天然氣壓力能製冷，脫水淨化和凝析其中的重組分，是其最實用的用途。此外，在工業廢氣的壓力能利用、低溫深冷等技術領域，也具有非常的價值。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的說明。


圖1是本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，其各個部件的連接關係流程圖。圖2是本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法中，創新徑流式波轉子結構的氣波膨脹一壓縮機簡圖。圖3是徑流式波轉子結構的氣波膨脹一壓縮機內，徑流方向的轉動槽道19的排布、和各股氣體進出口的俯視方位圖。圖4是徑流式波轉子結構的氣波膨脹一壓縮機內，外圓周轂、扇形封擋體上的各個氣體噴口、導入和導出口的俯視方位圖。圖1中，1-低溫低壓氣出口，2-高壓氣閥，3-高壓氣入口，4-中壓氣出口，5-氣波膨脹一壓縮機，6-冷卻器，7-回溫低壓氣入口，8-冷交換器，9-冷氣閥。圖2、圖3和圖4中，10-高壓氣緩衝腔，11-高壓氣噴口，12-外圓周轂，13-壓縮氣導出口，14-扇形封擋體，15-低壓氣導入口，16-低壓氣入口緩衝腔，17-低壓冷氣導出口，18冷氣緩衝腔，19-轉動槽道，20-機殼，21-轉軸，22-轉動盤。
具體實施方式
本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，其一種典型的實施方式描述如下，但不只局限於此種實施方式:參見圖1，徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，是由高壓氣閥2，氣波膨脹一壓縮機5，冷卻器6，冷交換器8，冷氣閥9所組成的單元系統；其氣波膨脹一壓縮機5的外圓周處具有高壓氣入口 3、低溫低壓氣出口 1，內圓周處有回溫低壓氣入口 7、中壓氣出口4共4個進、出氣口。參見圖2，氣波膨脹一壓縮機5的內部有一個轉動盤22，盤內有多條徑向輻射排列、周邊封閉、內外兩端部開口的轉動槽道19 ;固定的外圓周轂12上，開有兩個氣體徑向通口，弧長短的是高壓氣噴口 11，另一弧長長的是低壓冷氣導出口 17;固定的扇形封擋體14上，也開有一個徑向通口一壓縮氣導出口 13，扇形封擋體14的外部圓弧空缺處，形成軸向開口的低壓氣導入口 15。高壓氣從氣波膨脹一壓縮機5的高壓氣入口 3進入，通過其外圓周轂12上的高壓氣噴口 11，依次地短時脈衝射入與高壓氣噴口 11瞬間對齊開口的各條轉動槽道19中，通過氣波的作用，將能量傳遞給轉動槽道19內的低壓氣體，低壓氣被壓縮、升溫升壓成中壓氣，通過氣波膨脹一壓縮機5的扇形封擋體14上的壓縮氣導出口 13、從中壓氣出口 4流出；中壓氣出了氣波膨脹一壓縮機5之後，先進入冷卻器6中冷卻，放出在被壓縮時獲得的熱量，冷卻之後再進到冷交換器(8)的熱程中放熱降溫，產生中等壓力而不是低壓的冷氣輸出。而在轉動槽道19內膨脹做功後的高壓氣體變成低溫低壓氣，經氣波膨脹一壓縮機5的外圓周轂12上的低壓冷氣導出口 17、從低溫低壓氣出口 I流出；然後，低溫低壓氣直接進到冷交換器8的冷程中，將冷量交換給從冷卻器6中出來的中壓氣，使其變成裝置輸出的製冷氣。而從冷交換器8熱程中出來的已回溫的低壓氣，還要進到氣波膨脹一壓縮機5的回溫低壓氣入口 7，通過扇形封擋體14外部圓弧空缺處的低壓氣導入口 15，從轉動槽道19的內端開口進到槽道中，被從外端開口脈衝射入的高壓氣流壓縮而獲得增壓，再經扇形封擋體14上的壓縮氣導出口 13、從中壓氣出口 4流出。本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置所對應的製冷方法的基本特徵為，其氣體流程圍繞著氣波膨脹一壓縮機5，巧妙構建了回流氣波壓縮和冷交換這兩個關鍵的作用過程:一是氣體兩次進、出氣波膨脹一壓縮機5，在第二次進、出即回流過程實現了氣波壓縮；二是在第二次進入氣波膨脹一壓縮機3之前，和第二次流出氣波膨脹一壓縮機5之後，都進到冷交換器8中進行換熱。回流氣波壓縮過程直接回收利用機中氣波的能量，使氣波膨脹一壓縮機5自行將製冷後的氣體重新升壓；而冷交換過程能使氣體獲得常溫後再壓縮而提高效率，之後又重獲低溫；在保證製冷溫度降的前提下，該方法使製冷裝置進、出口總的壓力降大為減小。本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，其中的氣波膨脹一壓縮機5為創新的徑流式波轉子結構，位於轉動盤22內部的多條轉動槽道19，每條都是徑向排列、周邊封閉、只有兩端開口的流道，其兩端開口邊界的圓周面，即轉動盤22的內和外圓周面，距離固定的扇形封擋體14的外圓弧面，和外圓周轂12的內圓周面,均留有滿足不擦碰轉動的很小間隙。外圓周轂12上徑向開通的高壓氣噴口 11、低壓冷氣導出口 17，和扇形封擋體14上徑向開通的壓縮氣導出口 13、低壓氣導入口 15的各個中心，到轉動盤22軸心的連線，沿著圓周方向，都呈一定的錯位角度排布，使各個入、出口與每一條轉動槽道19的兩端開口，總是錯時地相連通、或者被轂的圓周面隔斷，以實現如下過程:高壓氣從外圓周轂12的高壓氣噴口 11進入轉動槽道19中膨脹，經過槽道的旋轉延時連通，再從該外轂的低壓冷氣導出口 17返流出；經過冷交換器8的換冷回溫，再從扇形封擋體14外部圓弧空缺處的低壓氣導入口 15，進入轉動槽道19，被後續的入槽道射流壓縮後，最終從壓縮氣導出口 13流出，這樣幾個按一定時間差，錯時流動循環的順序過程。本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置，其氣波膨脹一壓縮機5內，高壓氣噴口 11、和低壓冷氣導出口 17的各中心，到轉動盤22軸心的二條連線，沿著轉動盤22的轉向，錯開的圓周夾角α I為10 300° ;高壓氣噴口 11、和壓縮氣導出口 13的各中心，到轉動盤22軸心的二條連線，沿著轉動盤22的轉向，錯開的夾角02為0 270° ;壓縮氣導出口 13、和低壓氣導入口 15的各中心，到轉動盤22軸心的二條連線，沿著轉動盤22的轉向，錯開的圓周夾角α 3為45 315°。本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置，其氣波膨脹一壓縮機5內，外圓周轂12上的高壓氣噴口 11，其開口的圓周弧段長度，對應於機器軸心的夾角β 為I 45°，低壓冷氣導出口 17，其開口的圓周弧段長度，對應於軸心的夾角32為2 180° ;扇形封擋體14上的壓縮氣導出口 13，其開口的圓周弧段長度，對應於軸心的夾角β3為I 60°，低壓氣導入口 15，其開口的圓周弧段長度，對應於軸心的夾角34為3 330°。本發明徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，其中的冷交換器8為逆流換熱型，並具有較小的換熱溫差。`
權利要求
1.一種徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，其特徵在於:該裝置包括高壓氣閥(2)，氣波膨脹一壓縮機(5)，冷卻器(6)，冷交換器(8)和冷氣閥(9);其中氣波膨脹一壓縮機(5)的外圓周處有高壓氣入口(3)、低溫低壓氣出口(I)，內圓周處有回溫低壓氣入口(7)、中壓氣出口(4);氣波膨脹一壓縮機(5)的內部有轉動盤(22)，盤內有多條徑向輻射排列、周邊封閉、內外兩端部開口的轉動槽道(19);固定的外圓周轂(12)上，開有兩個氣體徑向通口，弧長短的是高壓氣噴口(11)，另一弧長長的是低壓冷氣導出口(17);固定的扇形封擋體(14)上，也開有一個徑向通口一壓縮氣導出口(13)，扇形封擋體(14)的外部圓弧空缺處，形成軸向開口的低壓氣導入口(15);高壓氣從氣波膨脹一壓縮機(5)的高壓氣入口(3)進入，通過其外圓周轂(12)上的高壓氣噴口(11)，依次地短時脈衝射入與高壓氣噴口(11)瞬間對齊開口的各條轉動槽道(19)中，通過氣波的作用，將能量傳遞給轉動槽道(19)內的低壓氣體，低壓氣被壓縮、升溫升壓成中壓氣，通過氣波膨脹一壓縮機(5)的扇形封擋體(14)上的壓縮氣導出口(13)、從中壓氣出口(4)流出；中壓氣出了氣波膨脹一壓縮機(5)之後，先進入冷卻器￠)中冷卻，放出在被壓縮時獲得的熱量，冷卻之後再進到冷交換器(8)的熱程中放熱降溫，產生中等壓力而不是低壓的冷氣輸出。而在轉動槽道(19)內膨脹做功後的高壓氣體變成低溫低壓氣，經氣波膨脹一壓縮機(5)的外圓周轂(12)上的低壓冷氣導出口(17)、從低溫低壓氣出口(I)流出；然後，低溫低壓氣直接進到冷交換器(8)的冷程中，將冷量交換給從冷卻器￠)中出來的中壓氣，使其變成裝置輸出的製冷氣；而從冷交換器⑶熱程中出來的已回溫的低壓氣，還要進到氣波膨脹一壓縮機(5)的回溫低壓氣入口(7)，通過扇形封擋體(14)外部圓弧空缺處的低壓氣導入口(15)，從轉動槽道(19)的內端開口進到槽道中，被從外埠脈衝射入的高壓氣流壓縮而獲得增壓，再經扇形封擋體(14)上的壓縮氣導出口(13)、從中壓氣出口(4)流出； 製冷方法的特徵在於: 氣體流程圍繞著氣 波膨脹一壓縮機(5)，構建了回流氣波壓縮和冷交換兩個過程:一是氣體兩次進、出氣波膨脹一壓縮機(5)，二是在第二次進入氣波膨脹一壓縮機(5)之前和第二次流出氣波膨脹一壓縮機(5)之後，都進到冷交換器(8)中進行換熱；回流氣波壓縮過程直接回收利用機中氣波的能量，使氣波膨脹一壓縮機(5)自行將製冷後的氣體重新升壓，而冷交換過程能使氣體獲得常溫後再壓縮而提高效率，之後又重獲低溫；在保證製冷溫度降的前提下，該方法使製冷裝置進、出口總的壓力降大為減小。
2.如權利要求1所述的徑流式自增壓氣波製冷裝置，其特徵在於，位於轉動盤(22)內部的多條轉動槽道(19)，每條都是徑向排列、周邊封閉、只有兩端開口的流道，槽道兩端開口邊界的圓周面，即轉動盤(22)的內和外圓周面，距離固定的扇形封擋體(14)的外圓弧面，和外圓周轂(12)的內圓周面，均留有滿足不擦碰轉動的間隙；外圓周轂(12)上徑向開通的高壓氣噴口(11)、低壓冷氣導出口(17)，和扇形封擋體(14)上徑向開通的壓縮氣導出口(13)、低壓氣導入口(15)的各個中心，到轉動盤(22)軸心的連線，沿著圓周方向，都呈錯位角度排布，使各個入、出口與每一條轉動槽道(19)的兩端開口，總是錯時地相連通或者被端板的端面隔斷，以實現高壓氣按時間差依次流入流出轉動槽道(19)。
3.如權利要求1或2所述的徑流式自增壓氣波製冷裝置，其特徵在於，氣波膨脹一壓縮機(5)內，高壓氣噴口(11)、和低壓冷氣導出口(17)的各中心，到轉動盤(22)軸心的二條連線，沿著轉動盤(22)的轉向，錯開的圓周夾角α I為10 300° ;高壓氣噴口(11)、和壓縮氣導出口(13)的各中心，到轉動盤(22)軸心的二條連線，沿著轉動盤(22)的轉向，錯開的夾角0 2為0 270° ;壓縮氣導出口(13)、和低壓氣導入口(15)的各中心，到轉動盤(22)軸心的二條連線，沿著轉動盤(22)的轉向，錯開的圓周夾角α3為45 315°。
4.如權利要求1或2所述的徑流式自增壓氣波製冷裝置，其特徵在於，氣波膨脹一壓縮機(5)內，外圓周轂(12)上的高壓氣噴口(11)，其開口的圓周弧段長度，對應於機器軸心的夾角β I為I 45°，低壓冷氣導出口(17)，其開口的圓周弧段長度，對應於軸心的夾角32為2 180° ;扇形封擋體(14)上的壓縮氣導出口(13)，其開口的圓周弧段長度，對應於軸心的夾角β3為I 60°，低壓氣導入口(15)，其開口的圓周弧段長度，對應於軸心的夾角34為3 330°。
5.如權利要 求1所述的徑流式自增壓氣波製冷裝置，其特徵在於，冷交換器(8)為逆流換熱型。
全文摘要
一種徑流式自增壓氣波製冷裝置及其製冷方法，能在氣波膨脹製冷的同時，直接利用高壓氣體的有效能量對製冷後的氣體進行升壓，並通過冷量交換獲得低溫中壓的製冷氣體，大大提高了其可用品質。本發明開發氣波膨脹製冷所伴隨的壓縮能力，將高壓氣能量轉換成珍貴的壓力能。不僅不多消耗能量，還能減少膨脹和壓縮過程中的熱交換，其製冷溫度更低。還巧妙利用離心壓差，使低壓氣能自行回流而不必另加驅流風機。本發明使高壓氣體的壓力能得到充分的利用和轉化，更適合於利用高壓氣井的天然氣壓力能製冷，脫水淨化和凝析其中的重組分，以及用於工業廢氣的壓力能利用、低溫深冷等技術領域。
文檔編號F25B9/00GK103206800SQ201310078579
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者胡大鵬, 趙家權, 劉培啟, 鄒久朋, 朱徹 申請人:大連理工大學