用于对流体进行制冷和/或液化的设备和方法与流程

用于对流体进行制冷和/或液化的设备和方法
1.本发明涉及一种用于对流体进行制冷和/或液化的设备和方法。
2.本发明更具体地涉及一种用于对流体进行制冷和/或液化的设备，该设备包括要被冷却的流体的回路，该要被冷却的流体的回路包括：上游端，该上游端适合于连接到要被冷却的流体的源；以及下游端，该下游端适合连接到用于收集经冷却和/或液化的流体的构件，该设备包括一组热交换器，该组热交换器与要被冷却的流体的回路进行热交换，该设备包括冷却装置，该冷却装置与该组热交换器进行热交换，所述冷却装置包括制冷机，该制冷机在工作回路中具有循环气体的制冷循环，该制冷机的工作回路包括用于压缩循环气体的机构、用于冷却循环气体的系统、用于膨胀循环气体的机构以及重新加热循环气体的系统，用于膨胀循环气体的机构包括多个涡轮机，这些涡轮机刚性地连接到轴，这些轴可旋转地安装在空气静力轴承上，该设备包括用于制动涡轮机的机构，所述制动机构各自包括：制动压缩机，该制动压缩机刚性地连接到涡轮机的轴；以及制动气体回路，该制动气体回路结合制动压缩机，制动气体回路包括在制动压缩机的下游用于冷却制动气体的系统和用于膨胀制动气体的机构，该设备设置有压缩支撑气体回路，该压缩支撑气体回路包括连接到压缩支撑气体源的端部和连接到轴承的下游端部。
3.一些低温制冷机或液化器使用涡轮机来膨胀循环气体，这些涡轮机的轴承已知为“静态的”或“空气静力的”。
4.这些静态轴承上的燃气涡轮机需要持续向轴承提供加压气体，以支撑旋转轴。
5.常规地，该方法的一部分循环气体流在环境温度下被压缩，在该方法期间没有膨胀用于冷却主流体，而是被注入该方法的每个涡轮机的轴承处，以提供支撑。因此，一些压缩的循环气体没有被用来从要被冷却的应用中提取能量。
6.另一个方案由使用“动态”气体轴承组成，其中，没有注入气体来支撑旋转轴，但这种技术在启动和停止期间不是很稳健，并且需要空气楔形结构，导致对负载变化(与必要的减少间隙有关，特别是在使用轻质气体工作流体(例如氦气和氢气时))有一定程度的敏感性。
7.本发明的一个目的是克服上文陈述的现有技术的缺陷中的全部或一些缺陷。
8.为此，根据本发明的设备，在其他方面符合上述序言中给出的通用定义，其主要特征在于，压缩支撑气体源包括制动回路中的至少一个制动回路。
9.这可以消除或减少主压缩机对压缩循环气体的消耗。
10.因此，制动气体能够提供足够的压力势能，以支撑这些旋转轴中的全部或部分。
11.此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个特征：
[0012]-多个制动气体回路被流体地连接在共用回路中，其中，制动压缩机串联定位，压缩支撑气体源包括在共用回路的串联的制动压缩机的下游的一端处，
[0013]-压缩支撑气体回路包括相应的输送管，这些输送管各自包括：上游端，该上游端在串联的压缩机的下游连接到共用回路；以及下游端，该下游端连接到轴承的入口，
[0014]-压缩支撑气体回路包括相应的回流管，这些回流管各自包括：上游端，该上游端连接到轴承的出口；以及下游端，该下游端在串联的压缩机的上游连接到共用回路。
[0015]
本发明还涉及一种使用根据上述或下述任何一个特征的设备对流体进行制冷和/或液化的方法，该方法包括：在制动压缩机的下游从制动回路中的至少一个制动回路抽出至少部分制动气体流的步骤；将所述抽出的气体注入至少一个轴承以支撑涡轮机轴的步骤；回收已经在轴承中循环的制动气体的步骤；以及，将所述回收的气体返回到至少一个制动回路的步骤。
[0016]
根据其他可能的特征：
[0017]-该方法包括至少在设备的启动阶段和/或停止阶段期间从与制动回路分开的加压制动气体源注入支撑气体流的步骤，
[0018]-注入轴承的制动气体流的压力在五与六十巴之间，
[0019]-该制动气体包括以下中的至少一种：he、h2、ne、n2、o2、ar、co、co2、ch4或其他空气的化合物。
[0020]
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上述或下述特征的任何组合的任何替代性装置或方法。
[0021]
其他具体的特征和优点将在阅读参照图给出的下面的描述中变得明显，在附图中：
[0022]
[图1]描绘了展示根据本发明的制冷和/或液化设备的结构和操作的示例的示意图和局部视图。
[0023]
举例示出的设备1是用于流体的低温制冷机和/或液化器。
[0024]
此设备1包括要被冷却/液化的流体的回路2，该回路包括：上游端21，该上游端适合连接到要被冷却的流体的源；以及下游端22，该下游端适合连接到用于收集经冷却和/或液化的流体的构件。
[0025]
要被冷却的流体可以包括例如氢气、氦气、氖气或空气中的任何其他气体或其他混合物。
[0026]
为此，设备1包括一组串联的热交换器3、4，这些热交换器与要被冷却的流体的回路2进行热交换。
[0027]
设备1包括冷却装置，该冷却装置与该组热交换器3、4进行热交换。该冷却装置包括制冷机5，该制冷机在工作回路中具有气体制冷循环。此循环气体例如包括氢气、氦气、氖气等中的至少一种。
[0028]
制冷机5的工作回路(优选地是闭环回路)包括用于压缩循环气体的机构6(一个或多个压缩机)、用于冷却循环气体的系统3、4(一个或多个交换器，例如如图所示的逆流热回收交换器)、用于膨胀循环气体的机构7和用于重新加热循环气体的系统4、3(例如全部或部分上述热交换器)。
[0029]
用于膨胀循环气体的机构7包括多个涡轮机7(在本示例中是串联的，但其中一些可以并联安装，以膨胀循环气体流的单独部分)。
[0030]
在所示的示例中，每个涡轮机7均安装在安装于空气静力轴承17上的旋转轴的一端处。
[0031]
设备1包括用于涡轮机7中的每个涡轮机的单独的制动机构。
[0032]
每个制动机构均包括：制动压缩机27，该制动压缩机刚性地连接到对涡轮机7进行固持的轴的另一端处；以及制动气体回路9，该制动气体回路结合制动压缩机27。每个涡轮
机7的制动回路形成环路，该环路包括串联的在制动压缩机27的下游用于冷却制动气体的系统10(例如使用水或空气等热传递流体的制动气体交换器)以及用于在下游膨胀制动气体的机构11(例如膨胀阀或校准孔)。因此，每个制动回路均可以形成制动气体的环路，该制动气体在形成压缩机的制动轮中被压缩，然后被冷却，然后被膨胀，等等。
[0033]
设备1设置有用于对涡轮机7的轴进行支撑的压缩气体的回路。
[0034]
根据一个有利的具体特征，这种加压支撑气体代替循环气体或作为循环气体的补充由制动气体回路9提供给轴承17。
[0035]
优选地，将多个制动气体回路9(例如所有的制动气体回路)流体地连接在共用回路中，其中，制动压缩机27与中间冷却件串联定位。
[0036]
换句话说，串联的制动压缩机27可以位于共用环路中。离开最后一台制动压缩机27(下游)的制动气体可以在第一压缩机(上游)的膨胀器11中被膨胀。
[0037]
如图所示，制动压缩机27中的每个制动压缩机的制动回路可以包括旁路管，每个旁路管各自设置有阀和/或膨胀器11(和/或校准孔)，阀和/或膨胀器(和/或校准孔)将共用回路连接到在第一制动压缩机27(上游)与最后一台制动压缩机27(下游)之间的中间制动压缩机中的每个中间制动压缩机27的进入口。在一个可能的变体中，流的全部或部分可以返回到第一压缩机的进入口。
[0038]
如果适用的话，这种配置可以调节在每一级制动压缩机7中的压缩制动气体流。这种制动流可以根据每个受轴向力和径向力的旋转轴的要求来调节。
[0039]
压缩支撑气体源可以位于共用回路的在串联的制动压缩机27的最后一台制动压缩机的下游的一端处。这样就有足够的经加压的气体的流来支撑涡轮机7的轴中的所有或部分。共用制动回路结合来自各个制动回路的制动气体。
[0040]
如图所示，压缩支撑气体回路可以包括多个相应的加压气体输送管12，这些加压气体输送管各自包括：上游端，该上游端在串联的压缩机17的下游连接到共用回路；以及下游端，该下游端连接到相应的轴承17的入口。换句话说，共用回路通过相应的并联管道向轴承17提供支撑气体。
[0041]
同样，压缩支撑气体回路可以包括相应的回流管13，这些回流管各自包括：上游端，该上游端连接到轴承17的出口；以及下游端，该下游端在串联的第一制动压缩机17的上游连接到共用回路。换句话说，已经用于支撑轴承17的经加压气体的流然后返回到共用制动回路(为方便理解这些流，参照附图标记a、b和c，它们表示支撑气体的流返回到制动回路)。
[0042]
与使用来自不同的、独立的制动回路的单独的制动气体相比，这种共享的制动回路可以获得更大的工作气体流量和压力。
[0043]
共用制动回路具有高的整体压缩率，因此可以提供足够的压力势能，以支撑所有的旋转轴。例如，取决于设备，这种布置可以提供流速在每秒10与50克之间并且压力在15与50巴之间的加压支撑气体流。
[0044]
本发明具有许多优点：高的可用压缩率使得可以支撑旋转轴，同时使得可以消除为此目的的循环气体消耗。这改进了设备1的效率和成本(例如，2％至10％的量级)。
[0045]
如图所示，制冷机5的工作回路可以包括在压缩机构6的出口处的缓冲罐120，该缓冲罐用于储存经加压的循环气体，如果需要(在设备的过渡阶段，特别是启动阶段和停止阶
段期间)例如通过在缓冲罐120的下游的设置有阀28的旁路管可以将该经加压的循环气体用作轴承17中的支撑气体。由缓冲罐120供应的气体可以特别在某些过渡阶段期间和/或在涡轮机7启动的调整阶段期间使用。可替代地或另外，可以设置管(其设置有阀29)来将制动气体排放到循环压缩机6的进入口(例如在过渡阶段期间而不影响制冷机的输出)。
[0046]
如图所示，在压缩机构6与缓冲罐12之间可以设置用于冷却压缩的循环气体的系统8。
[0047]
当然，本发明并不限于该示例性实施例。因此，可以将制动回路的单独的冷却交换器10组合在单台装备内。在所示的示例中，用于冷却制动气体的四个热传递流体回路可以由共用热传递流体回路(例如，水或乙二醇水)来冷却。可以将这些回路容置在单台装备内。
[0048]
同样，制冷机5的回路可以包括一个或多个中间工作压力(例如，中间压力级，前两个上游涡轮机可以串联安装在该压力级上，其中第二涡轮机的排气将连接到该中间压力级)。