СПОСОБ И УСТАНОВКА ОХЛАЖДЕНИЯ
COOLING METHOD AND APPARATUS

Настоящее изобретение относится к холодильной установке и способу охлаждения.
Изобретение относится, в частности, к установке и способу низкотемпературного охлаждения, в которых газ с низкой молярной массой (например, водород или гелий) используется в качестве охлаждающей текучей среды для достижения очень низких температур охлаждения (например, 4,5 K для гелия). Достижение охлаждения с температурами 30 K и ниже обычно требует использования хладагента, такого как гелий. Гелий сжимается на горячем конце цикла или цепи и затем охлаждается и расширяется в холодной части цикла (в холодильной камере). Основная часть хладагента нагревается посредством теплообмена и возвращается в исходное состояние на ступени сжатия. В некоторых применениях часть рабочего газа может быть сжижена.
Сжатие циклов ожижения/охлаждения гелия обычно использует одну или более ступеней компрессорных машин (компрессоров) со смазываемыми винтами с последующей системой отделения масла.
Если необходимо иметь несколько холодильников, каждый холодильник соединен со своей собственной компрессорной станцией. В зависимости от требуемых расходов, каждый уровень сжатия может быть разделен на несколько параллельных компрессоров. Первичные системы обработки масла и охлаждения могут быть общими для нескольких компрессоров или отдельными для каждого.
После сжатия и удаления из него масла газ с низкой молекулярной массой охлаждается и расширяется в турбинах криогенного расширения холодильной камеры для достижения требуемого уровня температуры. Затем холод, не используемый пользователем холодильника/ожижителя, передается к рабочей текучей среде под высоким давлением, чтобы охлаждать ее в теплообменниках. Рабочий газ под низким и средним давлением цепи возвращается к входу компрессоров.
Для систем охлаждения большого размера, например больше чем 20 кВт, эквивалентных 4,5 K, необходимо использовать несколько отдельных параллельно холодильников, соединенных с охлаждаемым физическим объектом. Колеблющиеся тепловые нагрузки охлаждаемого прикладного устройства вызывают колебания на выходе компрессоров компрессорной станции. Затраты на компрессорную станцию (оборудование, встраивание и установка) являются относительно высокими по сравнению с общей стоимостью установки.
Циклы охлаждения (которые вырабатывают холод) обычно являются “замкнутыми” у каждого холодильника. То есть выход рабочей текучей среды цикла, которая входит в холодильную камеру, происходит в основном из той же холодильной камеры. С другой стороны, эти выходы цикла являются “разомкнутыми” или комбинированными у охлаждаемого прикладного устройства (выход рабочей текучей среды из холодильников является общим для охлаждаемого прикладного устройства и затем возвращается к каждому холодильнику через соответствующую распределительную систему).
Целью изобретения является способ и установка охлаждения прикладного устройства посредством нескольких холодильников/ожижителей, расположенных параллельно, которые решают все или некоторые из приведенных выше проблем. В частности, целью изобретения является предложение способа и установки охлаждения, которые являются менее дорогими, и/или более компактными, и/или более эффективными, и/или более гибкими в использовании, чем известные системы.
Для этого установка охлаждения того же прикладного устройства содержит несколько холодильников/ожижителей, расположенных параллельно, причем параллельные холодильники/ожижители используют рабочий газ той же природы, имеющий низкую молярную массу, то есть имеющий среднюю величину общей молярной массы менее чем 10 г/моль, такой как чистый газообразный гелий, причем каждый холодильник/ожижитель содержит станцию для сжатия рабочего газа, холодильную камеру, предназначенную для охлаждения рабочего газа у выхода из компрессорной станции, причем рабочий газ, охлажденный соответствующими холодильными камерами холодильников/ожижителей, приводится в теплообмен с прикладным устройством в целях подачи холода к последнему, причем единственная компрессорная станция сжимает рабочий газ для каждой из соответствующих отдельных холодильных камер холодильников/ожижителей, расположенных параллельно, причем единственная компрессорная станция содержит только компрессорные машины типа со смазываемым винтом и системы для удаления масла из рабочей текучей среды, выходящей из компрессорных машин, так что компрессорные машины и системы удаления масла являются общими для холодильников/ожижителей, расположенных параллельно.
Более того, варианты осуществления изобретения могут содержать один или более из следующих признаков:
- единственная компрессорная станция содержит множество компрессорных машин, образующих несколько уровней давления рабочей текучей среды,
- переход от одного уровня давления к последующему более высокому уровню давления достигается посредством одной или более компрессорных машин, расположенных последовательно, или посредством несколько компрессорных машин, расположенных параллельно,
- переход от по меньшей мере одного уровня давления к последующему более высокому уровню давления достигается через две компрессорные машины, расположенные параллельно, причем система удаления масла расположена на выходе из двух компрессорных машин, причем система удаления масла содержит либо единственный маслоотделитель, являющийся общим для двух компрессорных машин, расположенных параллельно, либо два маслоотделителя, расположенные, соответственно, у двух компрессорных машин, расположенных параллельно,
- установка содержит по меньшей мере одну конечную систему удаления масла, расположенную на выходе из последнего уровня сжатия, то есть перед соединением текучей среды, питающим текучей средой холодильную камеру,
- установка содержит по меньшей мере один теплообменник для охлаждения рабочей текучей среды на выходе компрессорной машины,
- установка содержит три компрессорные машины, создающих три уровня давления, увеличивающихся над уровнем давления текучей среды у входа компрессорной станции, причем первая и вторая компрессорные машины расположены последовательно и образуют у их соответствующего выхода текучей среды уровни давления, соответственно называемые “низким” и “высоким”, причем третья компрессорная машина питается у ее входа текучей средой, выходящей из холодильных камер под так называемым “средним” уровнем давления, промежуточным между низким и высоким уровнями, причем третья компрессорная машина образует у ее выхода текучей среды также “высокий” уровень давления,
- установка содержит четвертую компрессорную машину, расположенную параллельно со второй компрессорной машиной, причем выход четвертой компрессорной машины присоединен к входу третьей компрессорной машины,
- выходы третьей компрессорной машины и второй компрессорной машины присоединены к общей точке, образуя одинаковый высокий уровень давления,
- выход третьей компрессорной машины и выход второй компрессорной машины присоединены по меньшей мере к одной холодильной камере в разных местах, образуя соответствующие и отдельные высокие уровни давления текучей среды.
Другой целью изобретения является разработка установки охлаждения того же прикладного устройства посредством единственного холодильника/ожижителя или нескольких холодильников/ожижителей, расположенных параллельно, причем холодильник(и)/ожижитель(и) использует рабочий газ той же природы, имеющий низкую молярную массу, то есть имеющий среднюю величину общей молярной массы менее чем 10 г/моль, такой как чистый газообразный гелий, причем каждый холодильник/ожижитель содержит станцию для сжатия рабочего газа, холодильную камеру, предназначенную для охлаждения рабочего газа, выходящего из компрессорной станции, причем рабочий газ, охлажденный каждой из соответствующих холодильных камер холодильников/ожижителей, приводится в теплообмен с прикладным устройством в целях подачи холода к последнему, причем единственная компрессорная станция обеспечивает сжатие рабочего газа для каждой из соответствующих отдельных холодильных камер холодильника(ов)/ожижителя(ей), причем компрессорная станция содержит только компрессорные машины типа со смазываемым винтом и системы для удаления масла из рабочей текучей среды, выходящей из компрессорных машин, и причем компрессорная станция содержит множество компрессорных машин, образующих несколько уровней давления для рабочей текучей среды, причем переход от одного уровня давления к более высокому последующему уровню давления достигается через одну или более компрессорные машины, расположенные последовательно, или через несколько компрессорных машин, расположенных параллельно, причем компрессорная станция содержит по меньшей мере две компрессорные машины, образующие по меньшей мере два уровня увеличения давления, превосходящего уровень давления текучей среды у входа компрессорной станции, две основные компрессорные машины, расположенные последовательно и образующие у их соответствующего выхода текучей среды уровни давления, соответственно, называемые “низким” и “высоким”, другую дополнительную компрессорную машину, питаемую у ее входа текучей средой, выпускаемой из холодильных камер под так называемым “средним” уровнем давления, являющимся промежуточным между низким и высоким уровнями, причем эта дополнительная компрессорная машина образует у ее выхода текучей среды также “высокий” уровень давления.
Согласно другим возможным особенностям,
- выходы дополнительной компрессорной машины и основной компрессорной машины присоединены к общей трубе, образующей тот же высокий уровень давления,
- выходы дополнительной компрессорной машины и основной компрессорной машины присоединены по меньшей мере к одной холодильной камере у отдельных мест, образуя соответствующие отдельные высокие уровни давления текучей среды.
Изобретение также подразумевает способ охлаждения того же прикладного устройства посредством установки охлаждения и/или ожижения, содержащей несколько холодильников/ожижителей, расположенных параллельно, причем параллельные холодильники/ожижители используют рабочий газ той же природы, имеющий низкую молярную массу, то есть имеющий среднюю величину общей молярной массы менее чем 10 г/моль, такой как чистый газообразный гелий, причем каждый холодильник/ожижитель содержит станцию для сжатия рабочего газа, соответствующую холодильную камеру, предназначенную для охлаждения рабочего газа, выходящего из компрессорной станции, причем рабочий газ, охлажденный соответствующими холодильными камерами холодильников/ожижителей, приводится в теплообмен с прикладным устройством в целях подачи холода к нему, причем единственная компрессорная станция сжимает рабочий газ для каждой отдельной холодильной камеры холодильников/ожижителей, расположенных параллельно, причем единственная компрессорная станция содержит только компрессорные машины типа со смазываемым винтом и системы для удаления масла из рабочей текучей среды, выходящей из компрессорных машин, так что компрессорные машины и системы удаления масла являются общими для холодильников/ожижителей, расположенных параллельно.
Согласно другим возможным особенностям:
- когда изменяется тепловая нагрузка охлаждаемого прикладного устройства, изменения мощности установки достигаются посредством изменения режима только некоторых из компрессорных машин общей компрессорной станции,
- прикладное устройство, охлаждаемое холодильниками/ожижителями параллельно, расположено в той же камере и содержит охлаждаемые сверхпроводящие элементы.
Изобретение может также подразумевать любые альтернативные устройство или способ, содержащие любую комбинацию приведенных выше и ниже признаков.
Другие особенности и преимущества будут понятны из прочтения последующего описания, данного со ссылкой на чертежи, в которых:
- на фиг.1 упрощенно показаны структура и работа установки согласно изобретению,
- на фиг.2 показан частичный схематичный вид структуры и работы первого примерного варианта осуществления согласно изобретению,
- на фиг.3 показан частичный схематичный вид структуры и работы второго примерного варианта осуществления согласно изобретению,
- на фиг.4 показан частичный схематичный вид структуры и работы третьего примерного варианта осуществления согласно изобретению.
Установка охлаждения, схематично показанная на фиг.1, содержит несколько холодильников/ожижителей (L/R), расположенных параллельно, которые охлаждают один и тот же физический объект (то есть то же прикладное устройство 1).
Холодильники/ожижители (L/R), расположенные параллельно, используют рабочий газ одинаковой природы, имеющий малую молярную массу, то есть имеющий среднюю величину общей молярной массы меньше чем 10 г/моль, такой как, например, чистый газообразный гелий.
Каждый холодильник/ожижитель (L/R) использует станцию 2 для сжатия рабочего газа и холодильную камеру 3, предназначенную для охлаждения рабочего газа, выходящего из компрессорной станции 2. Рабочий газ, охлажденный посредством каждой из соответствующих холодильных камер 3 холодильников/ожижителей (L, R), приводится в теплообмен, через распределительный контур 11, с прикладной системой 1 для подачи холода к последней.
Согласно преимущественной особенности, единственная компрессорная станция 2 сжимает рабочий газ для каждой из отдельных соответствующих холодильных камер 3 холодильников/ожижителей L/R, расположенных параллельно.
Там, где это применимо, компрессорная станция 2 может быть присоединена к так называемому “горячему” буферу 12 для хранения рабочей текучей среды. Согласно другой преимущественной особенности, единственная компрессорная станция 2 содержит компрессорные машины только типа со смазываемым винтом и системы для удаления смазки из рабочей текучей среды у выхода из компрессорных машин. Таким образом, компрессорные машины (компрессоры со смазываемым винтом) и системы удаления масла являются общими для холодильников/ожижителей, расположенных параллельно.
Эта конфигурация позволяет ограничить количество машин и предметов оборудования, необходимых для сжатия рабочей текучей среды.
Это также позволяет концентрировать изменения нагрузки на ограниченном количестве компрессоров с подходящим регулирующим средством (например, вариаторы частоты, перепускные клапаны и так далее).
К тому же, там, где это применимо, это также позволяет группировать компрессорные станции по типу компрессора или по функции (цикл охлаждения и/или подача пользователю), а не по циклам охлаждения.
Там, где это применимо, архитектура также позволяет обеспечивать несколько давлений цикла текучей среды на функцию или на компрессорную станцию.
На фиг.2 проиллюстрирован первый возможный примерный вариант осуществления согласно изобретению. Как может быть видно на фиг.2, единственная общая компрессорная станция 2 содержит множество компрессорных машин EC1, EC2, EC3, образующих несколько уровней VLP, LP, MP, HP, HP1, HP2 давления для рабочей текучей среды.
У входа компрессорной станции 2 текучая среда, выходящая из одной или более холодильных камер 3, приходит под так называемым “очень низким” давлением (“very low” pressure (VLP)). Это давление очень низкого уровня зависит от прикладной системы 1, и этот очень низкий уровень давления может не присутствовать в некоторых прикладных системах (то есть первый уровень давления в компрессорной станции называется “низким”, иначе говоря, включенным в диапазон, приведенный ниже). Первая компрессорная машина EC1 обеспечивает повышение давления в рабочей текучей среде до так называемого “низкого” давления (“low” pressure LP), которое выше, чем очень низкое давление VLP. У выхода из этой первой компрессорной машины EC1 текучая среда может быть освобождена от масла в маслоотделителе 4 и затем охлаждена в теплообменнике 5. Затем выход первой компрессорной машины EC1 присоединен к входу второй компрессорной машины EC2, которая сжимает текучую среду от основного давления LP до высокого давления HP. Вход этой второй компрессорной машины EC2 также принимает текучую среду с этим низким уровнем давления LP, выходящим из холодильных камер 3. Как и ранее, у выхода из этой второй компрессорной машины EC2 текучая среда может быть освобождена от масла в маслоотделителе 4 и затем охлаждена в теплообменнике 5. Перед возвращением к холодильным камерам 3 текучая среда может быть подвергнута последнему, более выборочному удалению масла в конечной системе 14 удаления масла. Третья компрессорная машина EC3 расположена в компрессорной станции 2. Эта третья компрессорная машина EC3 получает на своем входе текучую среду из камер 3 под так называемым “средним” давлением (“medium” pressure MP), промежуточным между низким LP и высоким HP уровнями. Эта третья компрессорная машина EC3 также образует у ее выхода текучей среды “высокий” уровень давления (“high” pressure level HP) для рабочей текучей среды. У выхода из этой второй компрессорной машины EC2 текучая среда может быть освобождена от масла в маслоотделителе 4 и затем охлаждена в теплообменнике 5. Рабочая текучая среда высокого давления впрыскивается выше по потоку от конечной системы 14 удаления масла (труба присоединена к выходу второй компрессорной машины EC2).
Следовательно, это решение объединяет несколько компрессорных машин со смазываемым винтом между низким давлением LP и высоким давлением HP и, к тому же, имеет уровень сжатия между промежуточным давлением MP и тем же высоким давлением HP.
Преимуществом этой конфигурации является уменьшение размера систем 4 первичной обработки масла 4 (система удаления масла 4 перед конечным удалением 14 масла), в частности, в части цикла между низким давлением LP и высоким давлением HP. Эта архитектура также позволяет одновременно сохранять гибкость при изменениях расхода и давления, возможных в этой части цепи (в частности, между средним давлением MP и высоким давлением HP).
С другой стороны, это решение является менее гибким в отношении возможности изменения расхода рабочей текучей среды при низком давлении LP, поскольку объединенные компрессорные машины являются взаимозависимыми, и флуктуации труднее поддаются управлению.
Каждая из ступеней сжатия, осуществленных компрессорной машиной, конечно же, могут быть заменены двумя (или более) компрессорами, расположенными параллельно. Причиной этого является то, что, в зависимости от необходимых расходов рабочей текучей среды, каждый уровень сжатия может быть разделен на несколько компрессоров, расположенных параллельно. В этом случае, системы первичной обработки масла (удаления масле) и охлаждения могут быть общими для нескольких компрессоров или быть отдельными для каждого.
Согласно очень низкому уровню VLP давления и степени сжатия первой компрессорной машины EC1 выход первой компрессорной машины EC1 также может быть присоединен к входу третьей компрессорной машины EC3 под так называемым “средним” уровнем давления MP. Остальная архитектура остается такой же.
Вариант на фиг.3 отличается от варианта на фиг.1 только тем, что установка содержит четвертую компрессорную машину EC12, расположенную параллельно второй компрессорной машине EC2. Таким же образом, как для второй компрессорной машины EC2, вход текучей среды четвертой компрессорной машины EC12 присоединен как к выходу первой компрессорной машины EC1, так и к входу текучей среды под этим низким давлением из холодильных камер 3. Выход четвертой компрессорной машины EC12 для этой части присоединен к входу третьей компрессорной машины EC3 (вход третьего компрессора EC3 также принимает текучую среду под средним давлением MP от холодильных камер).
Как и ранее, как вторая EC2, так и четвертая EC4 компрессорные машины, расположенные параллельно, могут иметь у их выхода отдельную систему 4 удаления масла и отдельный теплообменник 5. В варианте эти системы 4 удаления масла и теплообменник 5 могут быть общими и, следовательно, использоваться совместно.
Как упомянуто выше, согласно требуемым расходам рабочей текучей среды, каждый уровень сжатия может быть разделен на несколько машин (компрессоров), расположенных параллельно.
Также, как упомянуто выше, это решение объединяет несколько компрессоров между низким давлением LP и высоким давлением HP и дополнительно обеспечивает уровень сжатия между промежуточным давлением MP и тем же высоким давлением HP.
Тем не менее, в случае фиг.3, часть потока рабочей текучей среды под низким давлением LP проходит через компрессорные машины EC12, которые сжимают текучую среду только до промежуточного давления MP.
Последние компрессорные машины EC12 могут быть оснащены вариаторами скорости для реагирования на изменения расхода текучей среды низкого давления. Рециркуляция текучей среды между низким давлением LP и средним давлением MP также возможна для реагирования на изменения нагрузки.
Компрессор или компрессоры EC2, объединенные между низким давлением LP и высоким давлением HP, могут функционировать с постоянным расходом и независимо от колебаний нагрузки (прикладная система 1) и рабочего цикла. Колебания расходов и давлений поглощаются группой компрессоров EC1, EC3, EC12 между очень низким входным давлением VLP и более высокими уровнями (LP->MP->HP).
Вариант на фиг.4 отличается от варианта на фиг.3 только тем, что выходы третьей компрессорной машины EC3 и второй компрессорной машины EC2 присоединены по меньшей мере к одной холодильной камере 3 в разных местах, образуя соответствующие отдельные высокие уровни HP1, HP2 давления текучей среды. К тому же, на фиг.4, канал, содержащий четвертую компрессорную машину EC12 и ее расположенные ниже по потоку элементы (маслоотделитель 4 и теплообменник 5) был показан пунктирными линиями (для того, чтобы лучше показать его необязательных характер).
В этой конфигурации фиг.4 каждый выход высокого давления HP1, HP2 третьей EC3 и второй EC2 компрессорных машин содержит, ниже по потоку от соответствующего теплообменника 5, соответствующий конечный маслоотделитель 14. Две конечные системы 14 удаления масла являются, фактически, неотъемлемыми из-за разности давлений между двумя трубопроводами.
Как упомянуто выше, часть потока текучей среды под низким давлением LP сжимается прямо до высокого давления HP2. В этой конфигурации на фиг.4 это высокое давление HP2 является независимым от высокого давления HP1, достигаемого у выхода компрессоров, которые сжимают между средним давлением MP и высоким давлением HP1.
Эта архитектура также позволяет оптимизировать размеры и эффективности разных типов компрессоров на разных ступенях сжатия.
Изменения расхода и давления текучей среды, получающиеся, соответственно, на двух высоких уровнях HP1 и HP2 давления, следовательно, также могут быть управляемыми более независимо.
Цепь, содержащая ступень сжатия между средним давлением MP и высоким давлением HP1, в целом питает большинство турбин уменьшения давления цикла холодильных камер 3, которые являются источником охлаждения системы. Следовательно, изменение этого цикла обеспечивает непосредственное изменение производительности охлаждения холодильников/ожижителей L/R.
С другой стороны, цепь текучей среды высокого давления HP2, выходящего из второй компрессорной машины EC2, может быть использована предпочтительно для питания прикладной системы 1 и/или расширительной цепи охлаждения типа Джоуля-Томсона у холодного конца цикла.
Изобретение, в частности, может применяться для узла охлаждения/ожижения с высокой производительностью ожижения или охлаждения, использующего гелий или редкий газ.
В качестве неограничивающего примера (цепь с тремя ступенями сжатия, но образующая четыре уровня давления), соответствующие уровни давления: очень низкий VLP, низкий LP, средний MP и высокий HP, ступеней сжатия, а также соответствующие степени сжатия и расходы рабочего газа могут лежать в следующих диапазонах.
Ступень сжатия
Давление всасывания соответствующей компрессорной машины
Расходы в компрессорной машине
Степени сжатия ступени сжатия
(в бар)
(в г/с)
(без размерности)
VLP
0,05->1,0
10->500
2->15
LP
1,0->2,5
500->2000
2->5
HP
3->6
800->4500
2->5
Архитектура компрессорных станций в проиллюстрированных примерах может преимущественно применяться также к установке, использующей единственный ожижитель/холодильник (а не несколько параллельных).