一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法与流程

1.本发明属于制冷技术应用领域，特别涉及一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法。


背景技术：

2.氢能作为21世纪最具发展潜力的清洁二次能源，具有燃烧热值高、产物无污染、零碳排、制备来源广泛等众多优点。液化储氢工艺的目标是将常温氢气逐级冷却至深冷温段，将其转化为液态进行储存和运输，具有储能密度高、储存占地少、运输效率高、可常压储存等诸多优点。对于分布式储能的中小规模液氢制备应用，氢气冷却过程的制冷效果对最终的液化效果具有重要影响，需要针对制冷循环性能进行改进和优化。
3.传统的制冷循环主要包括压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四个基本部件，具体的制冷流程为:低温低压的气态冷媒由蒸发器进入压缩机，压缩为高温高压气体后输入冷凝器，冷凝器中通过风冷、水冷等方式进行换热冷却,冷媒冷凝为中温高压液体；液态冷媒经过节流装置节流膨胀、降压后，成为低温低压的气液混合状态；两相冷媒进入蒸发器后吸热蒸发并转化为低温低压气体，之后再被压缩机吸入。冷媒在系统中经过压缩、冷凝、节流膨胀和蒸发四个基本过程后，完成一次完整的制冷循环。
4.冷媒在冷凝器中需要经过气体冷却、冷凝相变、液体过冷等进程。过热的气态冷媒首先需要冷却至气液两相饱和位置、释放显热完成后，才能进一步相变冷凝、释放潜热。根据相关研究，常用工况下r22制冷机组的显热部分可占到全部冷凝放热的15％至30％，而气相换热部分的换热效率远低于相变换热部分，显著降低了冷凝器的整体效率。如果增加冷凝器入口的液相组分，可以降低冷凝入口过热度，提高冷媒冷凝的效率。另外，冷凝器内表面液膜附着会对冷凝相变换热效率产生显著影响，液膜过厚会增加热阻、影响传热效果，因此需要考虑减少液膜在内壁的附着，提高冷媒冷凝汇聚成液排出的效率。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法，其具体技术方案如下：
6.一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法，由气液分离器、压缩机、引射器、冷凝器、引液回流阀、过滤干燥器、节流膨胀阀、蒸发器构成。
7.制冷系统为单向循环结构，气液分离器的出口与压缩机的入口相连，压缩机的出口与引射器的高压入口相连，引射器的混合出口与冷凝器的入口相连，冷凝器的出口与引液回流阀的入口相连，引液回流阀的主路出口与过滤干燥器的入口相连，引液回流阀的旁路出口与引射器的被引射入口相连，过滤干燥器的出口与节流膨胀阀的入口相连，节流膨胀阀的出口与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口与与气液分离器的入口相连。发明中所涉及到的管道耐压和保温性能良好，可以承受高压和低温条件下的长时间工作。
8.本发明的另一个目的在于提供上述系统的使用方法，系统的主要运行流程包括：
9.由气液分离器分离输出的低温、低压气相冷媒输入压缩机进行压缩，输出的高压气相冷媒输入引射器的高压入口，引射器的混合出口输出的冷媒进入冷凝器进行冷凝，冷凝后得到的液相冷媒进入引液回流阀的入口，其中一部分液相冷媒或气液混合冷媒由旁路出口分流后输入引射器的被引射入口，重新与来自压缩机出口的气相冷媒混合进入冷凝器；另外的液相冷媒由主路出口输出至过滤干燥器中进行干燥除水，经过除水的冷媒进入节流膨胀阀中进行节流膨胀、温度迅速降低，节流膨胀阀输出的低温低压冷媒进入蒸发器对氢气进行换热冷却，蒸发后输出的冷媒进入气液分离器进行气液分离，气相冷媒重新进入压缩机进行压缩。
10.进一步的，本发明中所使用的回热器、蒸发器和冷凝器可使用且不限于套管式换热器、板翅式换热器等多种类型。
11.进一步的，本发明中所使用的引射器为气液混合式引射器，高压引射入口冷媒为气态，低压被引射入口冷媒为液态或气液混合状态。高压冷媒经入射喷口膨胀后在混合室中产生低压甚至负压环境，将被引射入口端的流体吸入混合后向后输出。被引射入口管道设计为斜切锥口形状，管口在混合室内迎向引射混合出口一侧，有助于利用冷媒动压差提升引射回流效果，气液混合更加充分。
12.进一步的，本发明中所使用的引液回流阀可以实现主路和旁路出口的流量按指定比例调节，旁路出口采用喷管结构实现降压增速，有助于辅助提升引射器的抽吸引射效果。
13.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
14.冷凝器输出的一部分过冷液相冷媒经过引射回流后重新进入冷凝器，可以形成引射器-冷凝器-引液回流阀的自循环，加快冷凝器内部的冷媒循环，有效利用压缩机功率。液相冷媒经引射回流后可以对输入冷凝器的气相冷媒进行预冷、提供初始湿度，促进冷凝器内表面液膜与液滴的汇聚和排出。相比于传统冷凝器主要依靠液体自身重力下流冷凝的方案，可以有效提高冷凝效率，减少冷凝器内的液相冷媒沉积，减小附着液膜厚度、增加有效换热面积，降低冷凝排液温度、提高出液口的过冷度。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
16.图1为本发明提出的一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法的完整原理图，图2为本发明使用的引射器的基本结构示意图，图3为本发明使用的引液回流阀的基本结构示意图。
17.附图标记：
18.图1：1-气液分离器，2-压缩机，3-引射器，4-冷凝器，5-引液回流阀，6-过滤干燥器，7-节流膨胀阀，8-蒸发器。
19.图2：3a-高压引射入口，3b-被引射入口，3c-混合出口。
20.图3：5a-引液回流阀入口，5b-引液回流阀旁路出口，5c-开度控制旋钮，5d-引液回
流阀主路出口。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.实施例：
25.如图1所示，本实施例针对冷凝器进行了引射回液改进，由气液分离器1，压缩机2，引射器3，冷凝器4，引液回流阀5，过滤干燥器6，节流膨胀阀7，蒸发器构成8。
26.制冷系统为单向循环结构，气液分离器的出口与压缩机的入口相连，压缩机的出口与引射器的高压入口3a相连，引射器的混合出口3c与冷凝器的入口相连，冷凝器的出口与引液回流阀的入口5a相连，引液回流阀的主路出口5d与过滤干燥器的入口相连，引液回流阀的旁路出口5b与引射器的被引射入口3b相连，过滤干燥器的出口与节流膨胀阀的入口相连，节流膨胀阀的出口与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口与气液分离器的入口相连。
27.系统运行时，由气液分离器分离输出的低温低压气相冷媒输入压缩机进行压缩，输出的高压气相冷媒输入引射器的高压入口3a，引射器的混合出口3c输出的冷媒进入冷凝器进行冷凝，冷凝后得到的液相冷媒进入引液回流阀的入口5a，其中一部分液相或气液混合冷媒由旁路出口5b分流后输入引射器的被引射入口3b，重新与来自压缩机出口的气相冷媒混合进入冷凝器；另外的冷媒由主路出口5d输出至过滤干燥器中进行干燥除水，经过除水的冷媒输入节流膨胀阀中进行节流膨胀、温度迅速降低，节流膨胀阀输出的低温低压冷媒进入蒸发器对氢气进行换热冷却，蒸发后输出的冷媒输入气液分离器进行气液分离，气相冷媒重新进入压缩机进行压缩。
28.冷凝器输出的一部分过冷液相冷媒经过引射回流后重新进入冷凝器4，可以形成引射器冷凝器引液回流阀5的自循环，加快冷凝器4内部的冷媒循环，有效利用压缩机功率。液相冷媒经引射回流后可以对输入冷凝器4的气相冷媒进行预冷、提供初始湿度，促进冷凝器4内表面液膜与液滴的汇聚和排出，相比于传统冷凝器主要通过液体靠自身重力下流冷凝的方案，可以有效提高冷凝效率，减少冷凝器内的液相冷媒沉积，减小附着液膜厚度、增加有效换热面积，降低冷凝排液温度、提高出液口的过冷度。
29.本发明实施例中可以根据实际制冷温区需求，灵活选择冷媒类型。
30.本发明实施例中所涉及到的管道耐压和保温性能良好，可以承受高压和低温条件下的长时间工作。
31.本发明实施例在工程实际中可结合实际，进一步推广至其他气体的冷却应用场景。
32.为了进一步优化上述技术方案，本发明实施例中所使用的蒸发器和冷凝器可使用且不限于套管式换热器、板翅式换热器等多种类型。
33.为了进一步优化上述技术方案，本发明实施例中所用的引射器为气液混合式引射器，高压引射入口冷媒为气态，低压被引射入口冷媒为液态或气液混合状态。引射器工作时，高压冷媒经入射喷口膨胀后在混合室中产生低压甚至负压环境，将被引射入口端的流体吸入混合后输出。被引射入口管道设计为斜切锥口形状，管口在混合室内迎向引射混合出口一侧，有助于利用冷媒动压差提升引射回流效果，气液混合更加充分。
34.为了进一步优化上述技术方案，本发明实施例中所使用的引液回流阀可以实现主路和旁路出口的流量按指定比例调节。旁路出口采用喷管结构实现降压增速，有助于辅助提升引射器的抽吸引射效果。
35.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
36.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法，其特征在于，包括依次连接的气液分离器、压缩机、引射器、冷凝器、引液回流阀、过滤干燥器、节流膨胀阀和蒸发器；其中，所述制冷系统为单向循环结构；所述蒸发器还与所述气液分离器连接，用于对氢气进行换热冷却；所述引射器包括高压引射入口、被引射入口和混合出口；所述高压引射入口与所述压缩机连接；所述被引射入口与所述引液回流阀连接；所述混合出口与所述冷凝器连接；所述引液回流阀包括引液回流阀入口、引液回流阀旁路出口和引液回流阀主路出口；所述引液回流阀入口与所述冷凝器连接；所述引液回流阀旁路出口与所述被引射入口连接；所述引液回流阀主路出口与所述过滤干燥器连接。2.根据权利要求1所述的一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法，其特征在于，所用的引射器为气液混合式引射器，高压引射入口的冷媒为气态，低压被引射入口冷媒为液态或气液混合状态；所述被引射入口的管道为斜切锥口形状，管口在混合室内迎向所述引射混合出口一侧。3.根据权利要求1所述的一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法，其特征在于，冷凝器和蒸发器可使用且不限于套管式换热器或板翅式换热器等类型。4.根据权利要求1所述的一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法，其特征在于，还包括：所述引液回流阀在旁路出口处设置有开度控制装置；所述旁路出口为喷管结构。5.如权利要求1-4任一所述的一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统的使用方法，其特征在于，包括：由气液分离器分离输出的低温、低压气相冷媒输入压缩机进行压缩，输出的高压气相冷媒输入引射器的高压引射入口，引射器的混合出口输出的冷媒进入冷凝器进行冷凝，冷凝后得到的液相冷媒进入引液回流阀的入口，其中一部分液相冷媒或气液混合冷媒由旁路出口分流后输入引射器的被引射入口，重新与来自压缩机出口的气相冷媒混合进入冷凝器；另外的液相冷媒由主路出口输出至过滤干燥器中进行干燥除水，经过除水的冷媒进入节流膨胀阀中进行膨胀、温度迅速降低，节流膨胀阀输出的低温低压冷媒进入蒸发器对氢气进行蒸发制冷，蒸发后输出的冷媒进入气液分离器进行气液分离，气相冷媒重新进入压缩机进行压缩。

技术总结
本发明公开了一种可用于氢气冷却的引射回液强化冷凝制冷系统及其使用方法，主要包括气液分离器、压缩机、引射器、冷凝器、引液回流阀、过滤干燥器、节流膨胀阀、蒸发器等。相比于传统制冷循环，增加了引射回流循环，通过引射器将冷凝器出口的部分过冷液相冷媒经引液回流阀回流至冷凝器出口，与进入冷凝器的过热制冷剂混合，加快冷凝器内部冷媒的循环速度，有效利用压缩机功率，为冷凝器输入提供预冷和初始湿度，促进冷凝器内表面液膜与液滴的汇聚和排出，增加冷凝器内表面的有效换热面积，减少冷凝器内部液相冷媒的沉积，提高冷凝效率。提高冷凝效率。提高冷凝效率。


技术研发人员：蔡茂林 李吉冬 许末晴 苟仲武 陈建辉
受保护的技术使用者：九江湖心科技产业发展有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/12