[实用新型]一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统

说明书

本实用新型涉及一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统，通过采用增加快速降温快速复温旁路的方式，在降温阶段，使得更多冷量进入液氮预冷级换热器之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器之后的换热器的冷却降温速率，在复温阶段，使得更多的热量进入液氮预冷级换热器之后的换热器，加快对液氮预冷级换热器之后的换热器的升温速率，以此通过两路气体传输的方式，增大了液氮预冷级换热器的高压进气量，使得整个系统能够进入更多冷量和热量，从而提高了整个系统降温和复温速度，同时也减少了能耗，节约了大量运行成本。

技术领域

本实用新型涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统。

背景技术

目前在低温制冷技术领域，建设大科学工程必须在液氦或超流氦低温环境下运行，基于透平膨胀制冷的低温系统是实现大科学装置低温环境的唯一手段。基于透平膨胀制冷的低温系统正是氦气资源开采、储存、转运、回收链不可或缺的核心设备。同时，液氢是氢能利用的主要方式之一，基于透平膨胀制冷的低温系统是获取大量液氢的关键设备。一个大气压下液氢温度为20.23K(-252.92℃)，液氦的温度为4.2K(-268.95℃)，获取大量的液氢和液氦需要基于透平膨胀制冷的低温系统。

目前的20L/h氦液化器、40L/h氦液化器、80L/h氢液化器、250W@4.5K氦制冷机等中小型低温设备均采用带液氮预冷的修正克劳德循环作为主要流程。按照流程工作系统从常温启动开始降温，液氮预冷级在满足换热器降温速率要求下，可迅速从300K降温至液氮温度79K；液氮预冷级后设备，由于换热器热容较大且温度较高，导致透平受进气量限制而制冷量较小，因此液氮预冷级之后的换热器及负载降温较慢，系统降温时主要是液氮预冷级之后的换热器及负载降温产生能耗。系统复温时，液氮停止供应，液氮预冷级换热器入口的高压常温气体可将液氮预冷级换热器较快复温；但液氮预冷级之后的换热器的热容较大且温度较低，进入的气体为液氮预冷级降温后的气体，低于常温，导致液氮预冷级之后的换热器复温较慢，系统复温时主要是液氮预冷级之后的换热器及用户负载复温产生能耗。因此，上述制冷系统按照正常流程降温和复温的效率较慢，耗时长，耗能高。

实用新型内容

本实用新型的一目的是，提供一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统，该系统降温过程和复温过程效率快、耗能低且结构简单，易于实现，有利于节省大量运行成本。

一种快速降温快速复温的透平膨胀低温系统，包括低压管路，与所述低压管路形成循环回路的高压管路，设置在低压管路和高压管路之间的压缩机，设置在所述低压管路和所述高压管路形成的循环回路中的液氮预冷模块、透平换热模块、节流级换热器和负载模块，以及自所述液氮预冷模块的高压出口引出并自所述透平换热模块的低压入口或者所述节流级换热器的低压入口接入的快速降温快速复温回路；其中，所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统具有降温阶段和复温阶段，

在降温阶段，所述压缩机对所述低压管路中的气体工质进行增压，增压后的高压常温气体工质经所述高压管路输出至所述液氮预冷模块，所述高压常温气体经所述液氮预冷模块中的液氮和低压回气冷却降温后形成高压低温气体，自所述液氮预冷模块的高压出口输出，一路经由所述透平换热模块的高压入口进入所述透平换热模块，对所述透平换热模块进行冷却；另一路经由所述快速降温快速复温回路进入所述透平换热模块的低压入口，对所述透平换热模块进行冷却；以此所述高压低温气体通过两路输出，使得所述液氮预冷模块的高压进气量增大，从而使得所述液氮预冷模块输入更多液氮，使得进入所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的冷量增大，以提高所述快速降温快速复温的透平膨胀低温系统的降温速率；