氦制冷与液化系统与方法

技术领域

本发明涉及化工领域，主要涉及一种氦制冷与液化系统与方法。

技术背景

化工领域中，通常利用低温泵制造超高真空系统的真空，并利用低温制冷机低温下的巨大的抽吸能力维持这种超高真空，而低温制冷机需要工作在液氦温区，这就需要大量且高质量的液氦，常用的氦制冷与液化的系统结构复杂，能耗高且效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能耗低、性能稳定的氦制冷与液化系统与方法。

本发明的氦制冷与液化的系统，包括氦气压缩机以及节流阀，氦气压缩机的出口通过第一管路与节流阀的进口连通，节流阀的出口通过管路与液氦储罐连通，所述液氦储罐的气相出口通过第二管路与氦气压缩机的进口连通，以使被所述节流阀节流降温后的氦气回流至氦气压缩机，第一管路经过一级热交换器、二级热交换器、三级热交换器、四级热交换器、五级热交换器、六级热交换器，第二管路经过六级热交换器、五级热交换器、四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器，所述液氦储罐的液相出口通过第三管路与六级热交换器、五级热交换器之间的第二管路连接，第三管路经过六级热交换器，氦制冷与液化的系统还包括一级膨胀机、二级膨胀机，一级膨胀机的进气管连接于第一管路上，所述一级膨胀机的出气管与二级膨胀机的进气口连接，所述二级膨胀机的出气管连接于液氦储罐与六级热交换器之间的第三管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，一级膨胀机的进气管连接于二级热交换器、三级热交换器之间的第一管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，所述一级膨胀机的出气管经过四级热交换器。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，还包括第一低温泵系统，所述第一低温泵系统安装于液氦储罐与六级热交换器之间的第三管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，，还包括预冷管路，所述预冷管路通过一级热交换器，以使预冷管路内的液氮为一级热交换器预冷。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，还包括第四管路，所述第四管路的一端连接于所述二级膨胀机的出气管上，所述第四管路的另一端连接于六级热交换器与五级热交换器之间的第二管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，包括氦气压缩机以及节流阀，氦气压缩机的出口通过第一管路与节流阀的进口连通，节流阀的出口通过管路与液氦储罐连通，所述液氦储罐的气相出口通过第二管路与氦气压缩机的进口连通，以使被所述节流阀节流降温后的氦气回流至氦气压缩机，第一管路经过一级热交换器、二级热交换器、三级热交换器、四级热交换器、五级热交换器，第二管路经过五级热交换器、四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器，所述液氦储罐的液相出口通过第三管路与五级热交换器、四级热交换器之间的第二管路连接，第三管路经过五级热交换器，氦制冷与液化的系统还包括一级膨胀机、二级膨胀机，一级膨胀机的进气管连接于第一管路上，所述一级膨胀机的出气管与二级膨胀机的进气口连接，所述二级膨胀机的出气管连接于液氦储罐与五级热交换器之间的第三管路上，一级膨胀机的进气管连接于一级热交换器、二级热交换器之间的第一管路上，氦制冷与液化的系统还包括第一低温泵系统，所述第一低温泵系统安装于液氦储罐与五级热交换器之间的第三管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，还包括第二低温泵系统，所述第二低温泵系统安装于一级膨胀机的出气管上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，所述一级膨胀机的出气管经过三级热交换器。

本发明的氦制冷与液化方法，包括：

为一级热交换器预冷；

压缩氦气，使氦气增压后依次经过一级换热器、二级换热器降温后，分成两股，一股氦气进入一级膨胀机膨胀降温降压，然后进入四级换热器降温后，进入二级膨胀机膨胀降温降压，返回五级换热器；另一股氦气依次进入三级换热器、四级换热器、五级换热器、六级换热器降温后，经节流阀减压为气液两相的氦；

气液两相的氦进入液氦储罐，液氦储罐的氦气进入六级换热器复温后，回五级换热器，液氦储罐的液氦一部分输送出去，另外一部分进入低温泵系统，为低温泵提供冷量，然后回六级换热器，最后汇合的氦气，依次经五级换热器、四级换热器、三级换热器、二级换热器、一级换热器复温后回到压缩机入口。

本发明的技术方案具有能耗低，性能稳定等优点。

附图说明

图1为本发明的氦制冷与液化的系统的第一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的氦制冷与液化的系统的第一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本发明的氦制冷与液化的系统，包括氦气压缩机C1以及节流阀V3，氦气压缩机的出口通过第一管路1与节流阀的进口连通，节流阀的出口通过管路与液氦储罐V1连通，液氦储罐的气相出口通过第二管路2与氦气压缩机的进口连通，以使被节流阀节流降温后的氦气回流至氦气压缩机，第一管路经过一级热交换器E1、二级热交换器E2、三级热交换器E3、四级热交换器E4、五级热交换器E5、六级热交换器E6，第二管路经过六级热交换器、五级热交换器、四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器，液氦储罐的液相出口通过第三管路与六级热交换器、五级热交换器之间的第二管路连接，第三管路经过六级热交换器，氦制冷与液化的系统还包括一级膨胀机T1、二级膨胀机T2，一级膨胀机的进气管连接于第一管路上，一级膨胀机的出气管与二级膨胀机的进气口连接，二级膨胀机的出气管连接于液氦储罐与六级热交换器之间的第三管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，一级膨胀机的进气管连接于二级热交换器、三级热交换器之间的第一管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，一级膨胀机的出气管经过四级热交换器。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，还包括第一低温泵系统F2，第一低温泵系统安装于液氦储罐与六级热交换器之间的第三管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，还包括预冷管路，预冷管路通过一级热交换器，以使预冷管路内的液氮为一级热交换器预冷。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，还包括第四管路L1，第四管路的一端连接于二级膨胀机的出气管上，第四管路的另一端连接于六级热交换器与五级热交换器之间的第二管路上。

采用液氮预冷，并且生产液氦时，实施过程如下：

低压氦气进入氦气压缩机C1增压后，依次经过一级热交换器E1、二级热交换器E2降温后，分成两股，一股氦气进入一级膨胀机T1膨胀降温降压，然后进入四级热交换器E4降温后，进入二级膨胀机T2膨胀降温降压，经过第四管路L1返回五级热交换器E5。另外一股氦气依次进入三级热交换器E3、四级热交换器E4、五级热交换器E5、六级热交换器E6降温后，经节流阀V3减压，气液两相的氦进入液氦储罐V1，液氦储罐的氦气进入六级热交换器复温后，回五级热交换器，液氦储罐的液氦一部分输送出去，另外一部分进入第一低温泵系统F2，为低温泵提供冷量，然后回六级热交换器E6，最后汇合的氦气，依次经五级热交换器、四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器复温，最终回到压缩机入口。

一级热交换器E1采用液氮预冷，液氮N1进入换热器，换热复温后，气氮N2从换热器排出。

采用液氮预冷，不生产液氦时，实施过程如下：

低压氦气进入氦气压缩机C1增压后，依次经过一级热交换器E1、二级热交换器E2降温后，氦气全部进入一级膨胀机T1膨胀降温降压，然后进入四级热交换器E4降温后，进入二级膨胀机T2膨胀降温降压，通过管线L2进入第一低温泵系统F2，为其提供冷量后，回到六级热交换器E6，然后依次经过五级热交换器、四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器复温，最终回到氦气压缩机入口。

一级热交换器E1采用液氮预冷，液氮N1进入换热器，换热复温后，气氮N2从换热器排出。

实施例二

结合图2所示，本发明的氦制冷与液化的系统，包括氦气压缩机C1以及节流阀V3，氦气压缩机的出口通过第一管路1与节流阀的进口连通，节流阀的出口通过管路与液氦储罐V1连通，液氦储罐的气相出口通过第二管路与氦气压缩机的进口连通，以使被节流阀节流降温后的氦气回流至氦气压缩机，第一管路1经过一级热交换器E1、二级热交换器E2、三级热交换器E3、四级热交换器E4、五级热交换器E5，第二管路2经过五级热交换器、四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器，液氦储罐的液相出口通过第三管路3与五级热交换器、四级热交换器之间的第二管路2连接，第三管路经过五级热交换器，氦制冷与液化的系统还包括一级膨胀机T1、二级膨胀机T2，一级膨胀机的进气管连接于第一管路上，一级膨胀机的出气管与二级膨胀机的进气口连接，二级膨胀机的出气管连接于液氦储罐与五级热交换器之间的第三管路上，一级膨胀机的进气管连接于一级热交换器、二级热交换器之间的第一管路上，氦制冷与液化的系统还包括第一低温泵系统F2，第一低温泵系统安装于液氦储罐与五级热交换器之间的第三管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，一级膨胀机的进气管连接于一级热交换器、二级热交换器之间的第一管路上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，还包括第二低温泵系统F1，第二低温泵系统安装于一级膨胀机的出气管上。

本发明的氦制冷与液化的系统，其中，一级膨胀机的出气管经过三级热交换器。

不采用液氮预冷，生产液氦时，实施过程如下：

低压氦气进入氦气压缩机C1增压后，经过一级热交换器E1降温后，分成两股，一股氦气进入一级膨胀机T1膨胀降温降压，为80K温区的低温泵提供冷量后，进入三级热交换器E3降温后，进入二级膨胀机T2膨胀降温降压，经过第四管路L1返回四级热交换器E4。另外一股氦气依次进入二级热交换器E2、三级热交换器E3、四级热交换器E4、五级热交换器E5降温后，经节流阀V3减压，气液两相的氦进入液氦储罐V1，液氦储罐的氦气进入五级热交换器复温后，回四级热交换器，液氦储罐的液氦一部分输送出去，另外一部分进入第一低温泵系统F2，为低温泵提供冷量，然后回五级热交换器E5，最后汇合的氦气，依次经四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器复温，最终回到氦气压缩机入口。

实施例4，不采用液氮预冷，不生产液氦时，实施过程如下：

低压氦气进入氦气压缩机C1增压后，经过一级热交换器E1降温后，氦气全部进入一级膨胀机T1膨胀降温降压，为80K温区的低温泵提供冷量后，进入三级热交换器E3降温后，进入二级膨胀机T2膨胀降温降压，进过管线L2进入第一低温泵系统F2，为低温泵提供冷量，然后回五级热交换器、四级热交换器、三级热交换器、二级热交换器、一级热交换器复温，最终回到压缩机入口。

本发明的氦制冷与液化方法，包括：

为一级热交换器预冷；

压缩氦气，使氦气增压后依次经过一级换热器、二级换热器降温后，分成两股，一股氦气进入一级膨胀机膨胀降温降压，然后进入四级换热器降温后，进入二级膨胀机膨胀降温降压，返回五级换热器；另一股氦气依次进入三级换热器、四级换热器、五级换热器、六级换热器降温后，经节流阀减压为气液两相的氦；

气液两相的氦进入液氦储罐，液氦储罐的氦气进入六级换热器复温后，回五级换热器，液氦储罐的液氦一部分输送出去，另外一部分进入低温泵系统，为低温泵提供冷量，然后回六级换热器E6，最后汇合的氦气，依次经五级换热器、四级换热器、三级换热器、二级换热器、一级换热器复温后回到压缩机入口。

本发明的技术方案具有能耗低，性能稳定等优点。

换热器可以是板翅式换热器，也可以是绕管式换热器。氦气压缩机可以是螺杆式，活塞式压缩机。透平膨胀机可以是活塞式膨胀机、螺杆式膨胀机。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。