СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
COOLING METHOD AND DEVICE

Настоящее изобретение относится к 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 К для гелия). Обеспечение охлаждения при температурах 30 К и ниже, как правило, требует использования холодильного агента, такого как гелий. Гелий сжимается на горячем конце контура или схемы циркуляции и затем охлаждается и расширяется в холодной части контура (в холодильной камере (cold box)). Большая часть холодильного агента нагревается за счет теплообмена и подвергается рециркуляции на стадии сжатия. В некоторых случаях применения часть рабочего газа может быть подвергнута сжижению.
При сжатии в циклах сжижения/охлаждения гелия, как правило, используются одна или несколько ступеней винтовых компрессионных машин (компрессоров) с принудительной смазкой, за которыми следует система отделения масла.
Если необходимо наличие нескольких аппаратов для охлаждения, каждый аппарат для охлаждения соединен с его собственной компрессионной станцией. В соответствии с требуемыми интенсивностями каждый уровень сжатия может быть разделен на несколько компрессоров, расположенных параллельно. Системы первичного маслообеспечения и охлаждения могут быть общими для нескольких компрессоров или могут быть специально предназначены для каждого компрессора.
После сжатия газа с низкой молекулярной массой и отделения масла от него газ с низкой молекулярной массой охлаждается и расширяется в криогенных турбодетандерах в холодильной камере для достижения требуемого уровня температуры. Отводимое тепло, не используемое пользователем аппарата для охлаждения/ожижения, передается затем рабочей текучей среде под высоким давлением для охлаждения ее в теплообменниках. Рабочий газ под низким и средним давлением в контуре возвращается к входу в компрессоры.
Для больших систем охлаждения, например, с мощностью, превышающей 20 кВт, эквивалентной 4,5 К, необходимо использовать несколько отдельных аппаратов для охлаждения, соединенных параллельно с одним и тем же объектом, подвергаемым воздействию и подлежащим охлаждению. Изменяющиеся тепловые нагрузки, создаваемые объектом, подвергаемым воздействию и подлежащим охлаждению, вызывают колебания на выходе компрессоров компрессионной станции. Затраты на компрессионную станцию (оборудование, интеграция и ввод в эксплуатацию) являются сравнительно высокими в сравнении с общими затратами на установку. Холодильные циклы (в которых генерируется холод) обычно являются «замкнутыми» в каждом аппарате для охлаждения. То есть получаемый на выходе цикла поток рабочей текучей среды, который поступает в холодильную камеру, выходит главным образом из данной той же самой холодильной камеры. С другой стороны, данные получаемые на выходе цикла потоки являются «открытыми» или соединяются в объекте, подвергаемом воздействию и подлежащем охлаждению (выходящие потоки рабочей текучей среды, подаваемые аппаратами для охлаждения, совместно используются для объекта, подвергаемого воздействию и подлежащего охлаждению, и затем возвращаются в каждый аппарат для охлаждения через соответствующую систему распределения). Задача изобретения состоит в разработке способа и установки для охлаждения объекта, подвергаемого воздействию, посредством нескольких аппаратов для охлаждения/ожижителей, расположенных параллельно, которые позволяют решить по меньшей мере часть из вышеуказанных проблем. В частности, задачей изобретения является разработка способа и установки для охлаждения, которые являются менее дорогими и/или обеспечивают большую компактность, и/или большую эффективность, и/или большую гибкость при использовании по сравнению с известными системами.
Для решения задачи предложена установка для криогенного охлаждения одного и того же объекта, посредством нескольких аппаратов для охлаждения и/или ожижения, расположенных параллельно, при этом в аппаратах для охлаждения и/или ожижения, расположенных параллельно, используется один и тот же рабочий газ, имеющий низкую молекулярную массу, то есть имеющий среднюю общую молекулярную массу, составляющую менее 10 г/моль, такой как газообразный гелий, при этом каждый аппарат для охлаждения и/или ожижения содержит станцию для сжатия рабочего газа, холодильную камеру, предназначенную для охлаждения рабочего газа на выходе из компрессионной станции до криогенной температуры, по меньшей мере, близкой к температуре его сжижения, при этом рабочий газ, охлажденный посредством каждой из соответствующих холодильных камер аппаратов для охлаждения и/или ожижения, вводится в теплообмен с объектом, подвергаемым воздействию, с целью подвода холода к последнему, в которой все компрессионные станции аппаратов для охлаждения и/или ожижения образуют одну компрессионную станцию, обеспечивающую сжатие рабочего газа для каждой из соответствующих отдельных холодильных камер аппаратов для охлаждения/ожижителей, расположенных параллельно, при этом данная одна компрессионная станция содержит только компрессионные машины типа винтовых машин с принудительной смазкой и системы для отделения масла от рабочей текучей среды на выходе компрессионных машин, так что компрессионные машины и системы отделения масла совместно используются аппаратами для охлаждения/ожижителями, расположенными параллельно.
Кроме того, варианты осуществления изобретения могут содержать один или несколько следующих признаков:
- компрессионная станция содержит множество компрессионных машин, обеспечивающих образование несколько уровней давления для рабочей текучей среды;
- переход от одного уровня давления к следующему более высокому уровню давления достигается посредством одной или нескольких компрессионных машин, используемых последовательно, или посредством нескольких компрессионных машин, расположенных параллельно;
- переход от, по меньшей мере, одного уровня давления к следующему более высокому уровню давления достигается посредством двух компрессионных машин, расположенных параллельно, при этом система отделения масла расположена у выхода из двух компрессионных машин, при этом система отделения масла содержит или один элемент для отделения масла, общий для двух компрессионных машин, расположенных параллельно, или два элемента для отделения масла, предназначенных соответственно для двух компрессионных машин, расположенных параллельно;
- установка содержит, по меньшей мере, одну систему конечного отделения масла, расположенную на выходе из последней одной ступени сжатия, то есть перед соединением для текучей среды, обеспечивающим подачу текучей среды в холодильную камеру;
- установка содержит, по меньшей мере, один теплообменник для охлаждения рабочей текучей среды, расположенный по потоку за компрессионной машиной;
- установка содержит три компрессионные машины, обеспечивающие образование трех возрастающих уровней давления, превышающих уровень давления текучей среды на входе компрессионной станции, при этом первая и вторая компрессионные машины расположены последовательно и обеспечивают образование - на их соответствующем выходе для текучей среды - уровней давления, соответственно называемых «низким» и «высоким», при этом на вход третьей компрессионной машины подается текучая среда, выходящая из холодильных камер при так называемом «среднем» уровне давления, промежуточном между низким и высоким уровнями, при этом выходы третьей компрессионной машины и второй компрессионной машины соединены с общим трубопроводом, в котором обеспечивается образование одного и того же высокого уровня давления;
- установка содержит три компрессионные машины, обеспечивающие образование трех возрастающих уровней давления, превышающих уровень давления текучей среды на входе компрессионной станции, при этом первая и вторая компрессионные машины расположены последовательно и обеспечивают образование - на их соответствующем выходе для текучей среды - уровней давления, соответственно называемых «низким» и «высоким», при этом на вход третьей компрессионной машины подается текучая среда, выходящая из холодильных камер при так называемом «среднем» уровне давления, промежуточном между низким и высоким уровнями, причем на выходе для жидкости третьей компрессионной машины обеспечивается также образование высокого уровня давления;
- установка содержит три компрессионные машины, обеспечивающие образование трех возрастающих уровней давления, превышающих уровень давления текучей среды на входе компрессионной станции, при этом первая и вторая компрессионные машины расположены последовательно и обеспечивают образование - на их соответствующем выходе для текучей среды - уровней давления, соответственно называемых «низким» и «высоким», при этом на вход третьей компрессионной машины подается текучая среда, выходящая из холодильных камер при так называемом «среднем» уровне давления, промежуточном между низким и высоким уровнями, причем установка содержит четвертую компрессионную машину, расположенную параллельно второй компрессионной машине, причем выход четвертой компрессионной машины подсоединен ко входу третьей компрессионной машины.
Изобретение относится также к способу охлаждения одного и того же объекта, подвергаемого воздействию, посредством установки для охлаждения и/или ожижения, содержащей несколько аппаратов для охлаждения и/или ожижения, расположенных параллельно, при этом в аппаратах для охлаждения и/или ожижения, расположенных параллельно, используется один и тот же рабочий газ, имеющий низкую молекулярную массу, то есть имеющий среднюю общую молекулярную массу, составляющую менее 10 г/моль, такой как газообразный гелий, при этом каждый аппарат для охлаждения/ожижитель содержит станцию для сжатия рабочего газа, соответствующую холодильную камеру, предназначенную для охлаждения рабочего газа, выходящего из компрессионной станции, при этом рабочий газ доводят до криогенной температуры, близкой к температуре его сжижения, на выходе из холодильной камеры, при этом рабочий газ, охлажденный посредством соответствующих холодильных камер аппаратов для охлаждения/ожижителей, вводят в теплообмен с объектом, подвергаемым воздействию, с целью подвода холода к нему, в котором одна компрессионная станция обеспечивает сжатие рабочего газа для каждой отдельной холодильной камеры аппаратов для охлаждения и/или ожижителей, расположенных параллельно, при этом данная одна компрессионная станция содержит только компрессионные машины типа винтовых машин с принудительной смазкой и системы для отделения масла от рабочей текучей среды, выходящей из компрессионных машин, так что компрессионные машины и системы отделения масла совместно используются аппаратами для охлаждения и/или ожижения, расположенными параллельно.
Целесообразно, чтобы при изменении тепловой нагрузки, создаваемой объектом, подвергаемым воздействию и подлежащим охлаждению, изменение мощности установки обеспечивалось посредством изменения режима только некоторых из компрессионных машин общей компрессионной станции.
Другие особенности и преимущества станут очевидными из описания, приведенного ниже со ссылкой на фигуры, чертежей, на которых:
- фиг. 1 показывает упрощенно структуру и функционирование установки в соответствии с изобретением;
- фиг. 2 показывает частичный схематический вид, иллюстрирующий структуру и функционирование первого приведенного в качестве примера варианта осуществления в соответствии с изобретением;
- фиг. 3 показывает частичный схематический вид, иллюстрирующий структуру и функционирование второго приведенного в качестве примера варианта осуществления в соответствии с изобретением;
- фиг. 4 показывает частичный схематический вид, иллюстрирующий структуру и функционирование третьего приведенного в качестве примера варианта осуществления в соответствии с изобретением. Холодильная установка, схематически показанная на фиг. 1, содержит несколько аппаратов для охлаждения/ожижения (L/R), расположенных параллельно, которые обеспечивают охлаждение одного и того же физического объекта (то есть одного и того же объекта 1, подвергаемого воздействию).
В аппаратах для охлаждения/ожижение (L/R), расположенных параллельно, используется один и тот же рабочий газ, имеющий низкую молярную массу, то есть имеющий среднюю общую молярную массу, составляющую менее 10 г/моль, например, такой как чистый газообразный гелий.
В каждом аппарате для охлаждения/ожижения (L/R) используется станция 2 для сжатия рабочего газа и холодильная камера 3, предназначенная для охлаждения рабочего газа, выходящего из компрессионной станции 2. Рабочий газ, охлажденный посредством каждой из соответствующих холодильных камер 3 аппаратов для охлаждения/ожижения (L, R), посредством распределительной схемы 11 вводится в теплообмен с объектом 1, подвергаемым воздействию, с целью подвода холода к последнему.
В соответствии с предпочтительной особенностью одна компрессионная станция 2 обеспечивает сжатие рабочего газа для каждой из соответствующих отдельных холодильных камер 3 аппаратов для охлаждения/ожижение L/R, расположенных параллельно. Компрессионная станция 2 в соответствующих случаях может быть соединена с так называемым «горячим» буфером 12 для хранения рабочей текучей среды. В соответствии с другой предпочтительной особенностью данная одна компрессионная станция 2 содержит компрессионные машины только типа винтовых машин с принудительной смазкой и системы для отделения масла от рабочей текучей среды на выходе из компрессионных машин. Таким образом, компрессионные машины (винтовые компрессоры с принудительной смазкой) и системы отделения масла совместно используются аппаратами для охлаждения/ожижения, расположенными параллельно.
Данная конфигурация обеспечивает возможность ограничения числа машин и единиц оборудования, необходимого для сжатия рабочей текучей среды.
Это также обеспечивает возможность концентрации изменений нагрузки в ограниченном числе компрессоров с соответствующими средствами регулирования (например, вариаторами частоты, клапанами регулирования и т.д.).
Кроме того, в соответствующих случаях это также обеспечивает возможность группирования компрессионных станций по типу компрессора или по функции (циклу охлаждения и/или снабжению потребителей), а не по циклам охлаждения.
В соответствующих случаях структура также обеспечивает возможность создания нескольких давлений текучей среды в цикле на каждую функцию или на каждую компрессионную станцию.
Фиг. 2 иллюстрирует первый возможный приведенный в качестве примера вариант осуществления в соответствии с изобретением. Как можно видеть на фиг. 2, одна общая компрессионная станция 2 содержит множество компрессионных машин ЕС1, ЕС2, ЕС3, обеспечивающих образование несколько уровней VLP, LP, MP, HP, НР1, HP2 давления для рабочей текучей среды.
На вход компрессионной станции 2 текучая среда, выходящая из одной или нескольких холодильных камер 3, поступает при так называемом «очень низком» давлении (VLP - very low pressure). Данный очень низкий уровень давления зависит от объекта 1, подвергаемого воздействию, и данный очень низкий уровень давления может отсутствовать для некоторых объектов, подвергаемых воздействию (то есть первый уровень давления в компрессионной станции назван «низким», то есть он включен в диапазон, указанный ниже). Первая компрессионная машина ЕС1 обеспечивает повышение давления рабочей текучей среды до так называемого «низкого» давления LP (low pressure), которое выше очень низкого давления VLP. На выходе из данной первой компрессионной машины ЕС1 может быть осуществлено отделение масла от текучей среды в элементе 4 для отделения масла и затем текучая среда может быть охлаждена в теплообменнике 5. Текучая среда, выходящая из первой компрессионной машины ЕС1, затем подается на вход второй компрессионной машины ЕС2, которая обеспечивает сжатие текучей среды от базового давления LP до высокого давления HP. На вход данной второй компрессионной машины ЕС2 также поступает текучая среда при данном низком уровне LP давления, выходящая из холодильных камер 3. Как и ранее, на выходе из данной второй компрессионной машины ЕС2 масло может быть отделено от текучей среды в элементе 4 для отделения масла, и затем текучая среда может быть охлаждена в теплообменнике 5. Перед возвратом в холодильные камеры 3 текучая среда может подвергаться последнему более избирательному отделению масла в системе 14 конечного отделения масла. Третья компрессионная машина ЕС3 расположена в компрессионной станции 2. На вход данной третьей компрессионной машины ЕС3 подается текучая среда из камер 3 при так называемом «среднем» давлении MP, промежуточном между нижним LP и высоким HP уровнями. На выходе данной третьей компрессионной машины ЕС3, предназначенном для текучей среды, также обеспечивается образования «высокого» уровня HP давления для рабочей текучей среды. На выходе из данной второй компрессионной машины ЕС2 масло может быть отделено от текучей среды в элементе 4 для отделения масла, и затем текучая среда может быть охлаждена в теплообменнике 5. Рабочая текучая среда под высоким давлением вводится до системы 14 конечного отделения масла по ходу потока (труба соединена с выходом второй компрессионной машины ЕС2).
Следовательно, данное решение обеспечивает объединение нескольких винтовых компрессионных машин с принудительной смазкой между ступенью с низким давлением LP и ступенью с высоким давлением HP и, кроме того, обеспечивает достижение уровня сжатия между промежуточным давлением MP и тем же высоким давлением HP. Данная конфигурация имеет преимущество, заключающееся в уменьшении размера систем 4 первичного отделения масла (системы 4 отделения масла перед конечным отделением 14 масла), в частности в части цикла между низким давлением LP и высоким давлением HP. Данная структура также обеспечивает возможность одновременного сохранения гибкости при изменениях скорости потока и давления, возможных в данной части схемы (в частности, между средним давлением MP и высоким давлением HP).
С другой стороны, данное решение является менее гибким в том, что касается возможности изменения скорости потока рабочей текучей среды при низком давлении LP, поскольку соединенные компрессионные машины являются взаимосвязанными, и регулирование колебаний будет затруднено.
Каждая из ступеней сжатия, реализуемая посредством компрессионной машины, само собой разумеется, может быть заменена двумя (или более) компрессорами, расположенными параллельно. Это обусловлено тем, что в зависимости от необходимых скоростей потока рабочей текучей среды каждая ступень сжатия может быть разделена на несколько компрессоров, расположенных параллельно. В этом случае системы первичного удаления масла (отделения масла) и охлаждения могут быть общими для нескольких компрессоров или могут быть специально предназначены для каждого компрессора.
С учетом очень низкого уровня VLP давления и степени сжатия, обеспечиваемой первой компрессионной машиной ЕС1, выход первой компрессионной машины ЕС1 также может быть соединен с входом третьей компрессионной машины ЕС3 при так называемом «среднем» уровне MP давления. Остальная часть структуры остается аналогичной. Вариант на фиг. 3 отличается от варианта на фиг. 1 только тем, что установка содержит компрессионную машину ЕС12, расположенную параллельно второй компрессионной машине ЕС2. Так же как в случае второй компрессионной машины ЕС2, предназначенный для текучей среды вход четвертой компрессионной машины ЕС12 соединен как с выходом первой компрессионной машины ЕС1, так и с входом для текучей среды, выходящей при данном низком давлении из холодильных камер 3. Со своей стороны, выход четвертой компрессионной машины ЕС12 соединен с входом третьей компрессионной машины ЕС3 (на вход третьей компрессионной машины ЕС3 также поступает текучая среда из холодильных камер, имеющая среднее давление MP).
Как и ранее, каждая из второй ЕС2 и четвертой ЕС12 компрессионных машин, расположенных параллельно, может иметь на выходе предназначенную для нее систему 4 отделения масла и предназначенный для нее теплообменник 5. В одном варианте данные системы 4 отделения масла и теплообменник 5 могут быть общими и, следовательно, могут использоваться совместно.
Как и ранее, с учетом требуемых скоростей потока рабочей текучей среды каждая ступень сжатия может быть разделена на несколько машин (компрессоров), расположенных параллельно.
Как и ранее, данное решение также обеспечивает объединение нескольких винтовых компрессоров с принудительной смазкой между ступенью с низким давлением LP и ступенью с высоким давлением HP и, кроме того, обеспечивает достижение уровня сжатия между промежуточным давлением MP и тем же высоким давлением HP. Однако в случае варианта по фиг. 3 часть потока рабочей текучей среды, находящейся под низким давлением LP, проходит через компрессионные машины ЕС12, которые обеспечивают сжатие текучей среды только до промежуточного давления MP.
Последние компрессионные машины ЕС12 могут быть оснащены вариаторами скорости для реагирования на колебания скорости потока текучей среды, имеющей низкое давление. Рециркуляция текучей среды между ступенями с низкими давлениями LP и ступенью со средним давлением MP также возможна для реагирования на колебания нагрузки. Компрессор или компрессоры ЕС2, соединенные между ступенью с низким давлением LP и ступенью с высоким давлением HP, могут функционировать при постоянной скорости потока и независимо от колебаний нагрузки (объекта 1, подвергаемого воздействию) и рабочего цикла. Колебания скоростей потока и давлений демпфируются группой компрессоров ЕС1, ЕС2, ЕС12 между очень низким входным давлением VLP и более высокими уровнями давления (LP->MP->HP).
Вариант на фиг. 4 отличается от варианта на фиг. 3 только тем, что выходы третьей компрессионной машины ЕС3 и второй компрессионной машины ЕС2 соединены с, по меньшей мере, одной холодильной камерой 3 в отдельных местах, в которых обеспечивается образование соответствующих отдельных высоких уровней НР1, НР2 давления для текучей среды. Кроме того, на фиг. 4 контур, содержащий четвертую компрессионную машину ЕС12 и элементы, расположенные за ней по ходу потока (устройство 4 для отделения масла и теплообменник 5), был показан пунктирными линиями (для того, чтобы лучше показать его характер как опции).
В данной конфигурации по фиг. 4 у каждого выхода третьей ЕС3 и второй ЕС2 компрессионных машин, где обеспечивается создание высокого давления, составляющего соответственно НР1 и НР2, имеется соответствующий элемент 14 для конечного отделения масла, расположенный по ходу потока за соответствующим теплообменником 5. Две системы 14 для конечного отделения масла действительно имеют существенное значение вследствие различия в давлении между двумя магистралями.
Как и ранее, часть потока текучей среды, имеющей низкое давление LP, сжимается непосредственно до высокого давления НР2. В данной конфигурации на фиг. 4 данное высокое давление НР2 не зависит от высокого давления НР1, достигаемого на выходе компрессоров, которые обеспечивают сжатие до давлений между средним давлением MP и высоким давлением НР1.
Данная структура также обеспечивает возможность оптимизации размеров и эффективностей компрессоров различных типов на разных ступенях сжатия.
Следовательно, также обеспечивается возможность более независимого регулирования при изменениях скорости потока и давления текучей среды в контурах, приводящих соответственно к двум уровням НР1 и НР2 высокого давления.
Контур, содержащий ступень сжатия до давлений между средним давлением MP и высоким давлением НР1, как правило, обеспечивает подачу к большинству понижающих давление турбин в цикле в холодильных камерах 3, которые представляют собой источник охлаждения в системе. Следовательно, изменение данного цикла обеспечивает возможность прямо пропорционального изменения холодопроизводительности аппаратов для охлаждения/ожижителей L/R. С другой стороны, текучая среда с высоким давлением НР2, выходящая из второй компрессионной машины ЕС2, может быть использована предпочтительно для подачи к объекту 1, подвергаемому воздействию, и/или в схему расширения для обеспечения охлаждения на основе эффекта Джоуля-Томсона на холодном конце цикла.
Изобретение может быть, в частности, применено для любой установки для охлаждения/ожижения с высокой производительностью ожижения или холодопроизводительностью, в которой используется гелий или редкий газ.
В качестве неограничивающего примера (схема с тремя ступенями сжатия, но с образованием четырех уровней давления) соответствующие уровни давления - очень низкий VLP, низкий LP, средний MP и высокий HP - ступеней сжатия, а также соответствующие скорости сжатия и скорости потоков рабочего газа могут быть заданы в следующих пределах.
Структуры компрессионных станций в проиллюстрированных примерах могут быть предпочтительно применены также для установки, в которой используется один ожижитель/аппарат для охлаждения (а не несколько устройств, расположенных параллельно).