[发明专利]一种间隙式制冷机高效预冷及液化系统

说明书

本发明涉及一种间隙式制冷机高效预冷及液化系统，包括回热式制冷模块和预冷及液化模块；回热式制冷模块包括回热式制冷机单元和直流内部循环单元；回热式制冷机单元包括依次连接的压缩机装置、回热器、冷端换热器、膨胀活塞和内部间隙结构；直流从特定位置引入内部间隙结构，待预冷物料在进口与气缸外壁换热组件处进行预冷，进入到冷料收集组件中。液化系统中物料则在预冷后进入冷端换热管路中被液化，进入至液体收集组件中。与现有技术相比，本发明通过引出与回热内交变流进行换热的直流，与被待预冷物料通过气缸壁进行间壁式换热，可有效降低热阻，从而提高预冷及液化效率。

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种回热式制冷机预冷及液化系统。

背景技术

回热式制冷机是一种交变流动形式的制冷技术，利用回热器实现气体工质与回热填料之间的周期性的热量存储与释放，利用气体的膨胀产生制冷效应。回热器一般具有大的单位体积比表面积，结构形式包括丝网、丸状填料、间隙式等等。

直流是在一个周期内某截面正向流动与反向流动的气流质量不相等，出现沿一个方向流动的净质量流量。直流又称直流循环质量流。

间隙是在靠近承压容器壁面部分形成的空间，一般为环状结构，径向长度相对于直径较小。承压容器内部承受工质的工作压力，外部为环境压力或真空，承压容器包括膨胀活塞式结构中的气缸和脉管制冷机中的承压管。

回热式低温制冷机具有可靠性高、结构简单、效率高等优点，在气体液化、超导冷却等低温技术中得到广泛应用。

理想的回热式低温制冷机在运行中并不存在直流。随着双向进气结构在脉管制冷机的引入形成了一个由双向进气阀，回热器和脉管构成的闭合回路。这种回路引发了直流流动，直流由于最早由Gedeon正式提出并进行了理论论证而也被称作Gedeon直流。之后一系列的理论和实验表明，一定流量的直流都具有提高脉管制冷机制冷性能的潜力。1997年，陈国邦等人在一台两级脉管制冷机中引入了一股直流，降低了脉管中部的温度，减少了损失，提高了制冷效率。1998年，王超通过数值模拟和实验结合的方法，发现一定直流可以显著地提高GM制冷机的制冷性能，并证明在脉管制冷机的回热器外盘绕待液化的氦气，可提高液化效率。

2019年，曹强提出了通过制冷循环的回热器中引入直流减少实际气体损失，在热力学分析的基础上，揭示了在实际气体效应显著的回热器中加入直流的工作机理，得出了回热器中直流量的理论表达式及加入直流后回热器COP的理论值。结果表明，有直流的回热器可以显著提高COP。

低温气体液化是低温工程一项重要工业应用，工业上对于空气、天然气、氢气、氦气等工质存在大量的需求。液化效率的提升将显著地降低设备成本，降低能耗。

低温气态储存在产业中也是一项重要应用，尤其对于液化温度很低的氢气而言。目前在氢能汽车中已有加注压力达到30MPa，运行温度范围达到33K至室温的方案。相应气态的预冷也存在大量的冷量需求。

低温液体的预冷包括获得低温的乙醇等低温液体，实现恒温器或冷却功能。低温固体的预冷包括用于储冷的蓄冷器等。

采用膨胀活塞的回热式制冷机由于效率高，在中小型预冷及液化系统中应用广泛。当前将预冷流道在回热器管壁外侧盘绕或对流预冷，换热热阻大。而随着冷量增大，回热器结构尺寸变大，径向热阻也随之大。这些导致预冷及液化效率低，单位体积的预冷及液化成本高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种间隙式制冷机高效预冷及液化系统，采用直流的回热式制冷机高效预冷及液化系统，通过膨胀活塞间隙或增加通道形成的间隙连通回热器冷端和热端，形成稳定的直流循环，使得直流循环在回热器内部吸收冷量，流经间隙，通过气缸壁与预冷及液化模块换热，预冷待预冷物料，再回到回热器热端，完成循环。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：