專利名稱：低溫液體貯罐的操作系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說(shuō)涉及低溫貯罐的操作，并對(duì)減少貯存在這種貯罐中的低溫液體的閃蒸損失特別有用。
背景技術(shù)：
低溫液體如液態(tài)氬是要從生產(chǎn)廠運(yùn)輸?shù)较M(fèi)點(diǎn)去的。由于運(yùn)輸時(shí)向低溫液體中的漏熱，以及在消費(fèi)點(diǎn)附近向貯藏設(shè)施中輸送和在該貯藏設(shè)施中貯藏時(shí)向低溫液體中的漏熱，會(huì)發(fā)生低溫致冷劑的損失。漏熱會(huì)引起部分低溫液體汽化，而使容器中壓力升高到使蒸氣通過(guò)安全閥放入大氣的點(diǎn)。往低溫液體中的漏熱不僅會(huì)引起部分低溫液體汽化，還會(huì)使液體升溫，因而當(dāng)把低溫液體從貯藏設(shè)施送往使用點(diǎn)時(shí)會(huì)增大閃蒸損失。
有些本領(lǐng)域的技術(shù)人員曾經(jīng)用過(guò)較廉價(jià)的低溫液體，來(lái)冷凝已汽化的低溫液體的辦法來(lái)解決這一問題。例如，借助于用液態(tài)氮對(duì)著因漏熱而汽化的氣態(tài)氬進(jìn)行沸騰，使氬被冷凝并從而得到回收。汽化的氮隨后被放入大氣。事實(shí)上這是用比較廉價(jià)的低溫液體來(lái)交換比較昂貴的低溫液體。但由于液態(tài)氮的貯存和使用仍需付出相當(dāng)?shù)拇鷥r(jià)，因此上述的交換低溫液體的方法存在著它的缺點(diǎn)。
有鑒于此，本發(fā)明的目標(biāo)是要提供出一種系統(tǒng)，來(lái)冷卻貯有低溫液體的貯罐中的內(nèi)容物，以減少因貯罐漏熱而引起的損失。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀過(guò)本公開內(nèi)容后會(huì)明白，本發(fā)明已經(jīng)達(dá)成了上述的其它的目標(biāo)。本發(fā)明的一個(gè)方面是一種冷卻貯有低溫液體的貯罐中的內(nèi)容物的方法，該方法包括(A)裝備貯有低溫液體及其蒸氣的貯罐，并將蒸氣從貯罐送入熱交換器；(B)在熱交換器中借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換使至少一部分蒸氣冷凝而產(chǎn)生出冷凝的蒸氣；(C)借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換使冷凝的蒸氣過(guò)冷而產(chǎn)生出低溫液體；以及(D)將過(guò)冷的低溫液體從熱交換器送入貯罐。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是用來(lái)冷卻貯有低溫液體的貯罐的裝置，該裝置包括(A)包括至少一個(gè)罐的貯罐、熱交換器、以及將蒸氣從貯罐送入熱交換器的設(shè)備；(B)制冷系統(tǒng)，它包括產(chǎn)生載冷制冷劑流體的設(shè)備；(C)用來(lái)將載冷制冷劑流體從制冷系統(tǒng)送入熱交換器的設(shè)備；以及(D)用來(lái)將流體從熱交換器送入貯罐的設(shè)備。
在此，術(shù)語(yǔ)“間接熱交換”意指使兩種流體發(fā)生熱交換關(guān)系而相互間沒有任何物質(zhì)接觸或流體混合。
術(shù)語(yǔ)“膨脹”意指實(shí)施減壓。
術(shù)語(yǔ)“膨脹裝置”意指實(shí)現(xiàn)流體膨脹的裝置。
術(shù)語(yǔ)“壓縮”意指實(shí)施增壓。
術(shù)語(yǔ)“壓縮機(jī)”意指實(shí)施流體增壓的裝置。
術(shù)語(yǔ)“多組分制冷劑流體”意指包括有兩種或兩種以上組分的能制冷的流體。
術(shù)語(yǔ)“可變負(fù)荷制冷劑”意指兩種或兩種以上組分的混合物，其組分的比例能使這些組分的液相在混合物的始沸點(diǎn)和露點(diǎn)之間，經(jīng)歷一次連續(xù)而漸增的溫度變化?；旌衔锏氖挤悬c(diǎn)是在一定壓力下混合物全部處于液相、但一加熱就會(huì)開始形成與液相平衡的汽相的溫度?；旌衔锏穆饵c(diǎn)是在一定壓力下混合物全部處于汽相、但一取出熱就會(huì)開始形成與汽相平衡的液相的溫度。因此，混合物始沸點(diǎn)與露點(diǎn)之間的溫度區(qū)域是液相和汽相兩者平衡共存的區(qū)域。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)踐中，可變負(fù)荷制冷劑始沸點(diǎn)與露點(diǎn)之間的溫度差通常應(yīng)至少有10℃，優(yōu)選為至少20℃，最優(yōu)選至少50℃。
術(shù)語(yǔ)“過(guò)冷”意指把液體的溫度降到其在現(xiàn)有壓力下的飽和溫度以下的溫度。
圖2是本發(fā)明實(shí)踐中使用的產(chǎn)生載冷制冷劑流體用的脈動(dòng)管系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)踐中使用的產(chǎn)生載冷制冷劑流體用的磁化制冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。請(qǐng)參看

圖1，貯罐51中貯有低溫液體及其蒸氣。在圖1中，貯罐51被示為單個(gè)的罐并示為固定的。在本發(fā)明的實(shí)踐中，貯罐可包括多個(gè)單罐并優(yōu)選可通過(guò)管子互相流通。在本發(fā)明的實(shí)踐中，罐可以是移動(dòng)的，亦即可以是安裝在掛車上的或是鐵路罐車，在罐上也安裝有制冷系統(tǒng)，下面將會(huì)描述。
在本發(fā)明實(shí)踐中可能用到的低溫液體，可舉出氬、氧、氮、氫、氦、氖、氪、氙、天然氣、液化石油氣、碳?xì)浠衔?、碳氟化合物、一氧化二氮、以及包括其中一種或多種的混合物。
從貯罐51中的單個(gè)罐的上部抽出蒸氣(氣流21)，通過(guò)閥75后以氣流70被送入熱交換器3。需要時(shí)，熱交換器3可置于罐51內(nèi)部。當(dāng)蒸氣以氣流70通過(guò)熱交換器3時(shí)，借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換、優(yōu)選為逆流式間接熱交換而使蒸氣的至少一部分、優(yōu)選全部被冷凝(下面將會(huì)詳細(xì)描述)，然后借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換而過(guò)冷。隨后，該所形成的過(guò)冷低溫液體以液流71被從熱交換器3中抽出然后返回貯罐。當(dāng)貯罐包括一個(gè)以上的單罐時(shí)，過(guò)冷低溫液體可返回抽出蒸氣的同一個(gè)單罐中，也可以送入不同的單罐中。
圖1示出本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案，其中還額外地從罐51中抽出低溫液體，該液體本身又借助于與載冷制冷劑液體進(jìn)行間接熱交換而被過(guò)冷。在圖1所示該實(shí)施方案的特殊例子中，低溫液體以液流22被從貯罐51中抽出，通過(guò)液泵72后以液流73流至閥74，并以液流23在熱交換器上比氣流70送入處更冷的一點(diǎn)上送入熱交換器3。如圖1所示，優(yōu)選液流23在熱交換器3內(nèi)部與氣流70結(jié)合。液流23內(nèi)的低溫液體借助于通過(guò)熱交換器3的冷端與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換而被過(guò)冷，隨后返回貯罐。在圖1所示的實(shí)施方案中，過(guò)冷的低溫液體以液流71被返回貯罐51。必要時(shí)，優(yōu)選從貯罐的不同高度處可取出兩支或多支的低溫液體液流，來(lái)借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換而使之過(guò)冷。低溫液體送往使用點(diǎn)是以液流80從罐51中抽出的。
制冷劑液體68在通過(guò)壓縮機(jī)30時(shí)被壓縮，而形成壓縮的制冷劑流體60。除油系統(tǒng)40從制冷劑流體中除去壓縮機(jī)潤(rùn)滑油，并將油返回壓縮機(jī)30。最后除油在油分離器50內(nèi)完成。所形成的壓縮的制冷劑流體61在冷卻器1中，借助于與冷卻流體例如空氣或水進(jìn)行間接熱交換，而把壓縮熱冷卻掉，所形成的冷卻的制冷劑流體62，借助于通過(guò)預(yù)冷器或熱交換器2時(shí)，與返回的制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換，而被進(jìn)一步冷卻。所形成的冷卻的壓縮制冷劑流體63，隨后通過(guò)膨脹裝置被膨脹而產(chǎn)生冷。在圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，膨脹裝置是焦耳-湯普遜節(jié)流閥64。所形成的載冷制冷劑流體隨后通過(guò)熱交換器3，在此它被升溫，以實(shí)現(xiàn)上述的來(lái)自貯罐51的蒸氣的冷凝和液體的過(guò)冷。通常，進(jìn)入熱交換器3的制冷劑液體絕大部分或全部是液態(tài)的，而在流出熱交換器3時(shí)，通常是兩相的流體。兩相的制冷劑液體66被送入預(yù)冷器2，在此借助于與上述的冷卻的制冷劑流體62進(jìn)行間接熱交換而被加熱，通常被完全汽化。所形成的變熱的制冷劑流體以物流67被從預(yù)冷熱交換器62送到緩沖罐41并從緩沖罐41以物流68被送入壓縮機(jī)30，如此重新開始制冷循環(huán)。
任何有用的制冷劑流體都可用于本發(fā)明的實(shí)踐中。在本發(fā)明實(shí)踐中使用的制冷劑流體，優(yōu)選為能在不同溫度水平下更有效地發(fā)送致冷的多組分制冷劑流體。像圖1所示的從貯罐向熱交換器既供應(yīng)蒸氣又供應(yīng)液體的系統(tǒng)中，使用多組分制冷劑流體是特別優(yōu)選的。當(dāng)在本發(fā)明的實(shí)踐中使用多組分制冷劑流體時(shí)，該流體優(yōu)選包括選自碳氟化合物、碳?xì)浞衔?、氟氯烴、氟代醚、氫氟化醚(hydrofluoroethers)、大氣氣體和碳?xì)浠衔镏械闹辽賰煞N化合物，例如，該多組分制冷劑流體可以只包括兩種碳氟化合物。對(duì)本發(fā)明的實(shí)踐有用的多組分制冷劑優(yōu)選是可變負(fù)荷制冷劑。
另一種本發(fā)明可用的多組分制冷劑流體，優(yōu)選包括有至少一個(gè)組分是選自碳氟化合物、碳?xì)浞衔?、氟代醚的氫氟化醚；以及至少一個(gè)組分是選自碳氟化合物、碳?xì)浞衔?、氟氯烴、氟代醚、氫氟化醚、大氣氣體和碳?xì)浠衔铩?br> 另一種本發(fā)明可用的優(yōu)選多組分制冷劑流體，包括有至少兩個(gè)組分是選自碳氟化合物、碳?xì)浞衔?、氟代醚和氫氟化醚；以及至少一個(gè)組分是選自碳氟化合物、碳?xì)浞衔?、氟氯烴、氟代醚、氫氟化醚、大氣氣體和碳?xì)浠衔铩?br> 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物組成。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物和碳?xì)浞衔锝M成。在另一個(gè)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，多組分制冷劑流體僅由碳氟化合物、氟代醚、氫氟化醚和大氣氣體組成。最優(yōu)選的是多組分制冷劑流體中的每一個(gè)組分是碳氟化合物、碳?xì)浞衔?、氟代醚、氫氟化醚或大氣氣體中的任一種。
除圖1所示的為本發(fā)明的操作系統(tǒng)使用而產(chǎn)生載冷制冷劑流體的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)以外，載冷制冷劑流體還可用圖2所示的脈動(dòng)管系統(tǒng)和圖3所示的磁力制冷系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生。
現(xiàn)請(qǐng)參看圖2，基本的小孔脈動(dòng)管制冷器320是一個(gè)封閉的制冷系統(tǒng)，它使制冷劑在封閉的循環(huán)中產(chǎn)生脈動(dòng)，脈動(dòng)時(shí)把熱量從冷段傳送到熱段。脈動(dòng)的頻率和相位調(diào)整取決于系統(tǒng)的構(gòu)形。氣體的運(yùn)動(dòng)是靠壓縮機(jī)的活塞或某種另外的聲波發(fā)生器300來(lái)推動(dòng)，使氣體容積內(nèi)部產(chǎn)生出壓力波。壓縮氣體流過(guò)后冷卻器301，在此把壓縮熱轉(zhuǎn)移進(jìn)入流體302中。被壓縮的制冷劑隨后流過(guò)回?zé)岫?03，在通過(guò)時(shí)冷卻下來(lái)?；?zé)崞鲗⑦M(jìn)入的高壓工作流體在它到達(dá)冷端以前預(yù)冷下來(lái)。工作流體先進(jìn)入冷端熱交換器305，然后進(jìn)入脈動(dòng)管306，并向著脈動(dòng)管的熱端壓縮殘留在脈動(dòng)管中的流體。脈動(dòng)管熱端內(nèi)的較熱的被壓縮流體流過(guò)熱端熱交換器308，并隨后通過(guò)管道309進(jìn)入貯存器311。與壓力同相的氣體運(yùn)動(dòng)是由小孔310和貯存器的容積結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，氣體在半個(gè)循環(huán)中被貯存在貯存器中。貯存器311的容積是夠大，因此在振蕩式流動(dòng)中，貯存器內(nèi)基本上不發(fā)生壓力振蕩。通過(guò)小孔的振蕩氣流引起了加熱效應(yīng)和冷卻效應(yīng)的分離。來(lái)自波動(dòng)發(fā)生裝置/活塞300的輸入氣流停止后，管內(nèi)壓力降到較低水平。來(lái)自貯存器311的在平均壓力下的氣體，當(dāng)它通過(guò)小孔進(jìn)入壓力較低的脈動(dòng)管時(shí)會(huì)冷卻下來(lái)。在脈動(dòng)管306冷端處的氣體則被絕熱冷卻到更低，以便從冷端熱交換器吸取熱量。較低壓力的工作流體當(dāng)它流向波動(dòng)發(fā)生裝置/活塞300內(nèi)時(shí)會(huì)在回?zé)岫?03內(nèi)被升溫。熱量則被轉(zhuǎn)移到流體307內(nèi)。在本發(fā)明實(shí)踐中被用作載冷制冷劑流體的流體304，由于通過(guò)冷端熱交換器305而如圖示那樣被冷卻。
小孔脈動(dòng)管制冷器的理想工作狀態(tài)是在脈動(dòng)管中進(jìn)行絕熱的壓縮和膨脹?；钊紫葔嚎s脈動(dòng)管中的氣體。由于氣體被加熱，被壓縮氣體的壓力高于貯存器中的平均壓力，它就流過(guò)小孔進(jìn)入貯存器，并在通過(guò)位于脈動(dòng)管熱端的熱交換器時(shí)與周圍介質(zhì)進(jìn)行熱交換。當(dāng)脈動(dòng)管中的壓力降到平均壓力時(shí)，流動(dòng)就停止?；钊匾苿?dòng)并使脈動(dòng)管中的氣體絕熱膨脹。脈動(dòng)管中的低壓冷氣體被通過(guò)小孔從貯存器進(jìn)入脈動(dòng)管的氣流推向冷端。當(dāng)冷制冷劑流過(guò)位于脈動(dòng)管冷端的熱交換器時(shí)，就從被冷卻的流體中取走熱量。當(dāng)脈動(dòng)管中的壓力增高到平均壓力時(shí)，流動(dòng)就停止。然后再重復(fù)該種循環(huán)。
還可利用磁力制冷系統(tǒng)或活性磁力制冷系統(tǒng)來(lái)制冷。磁力制冷器采用絕熱去磁作用來(lái)提供低溫冷能。盡管對(duì)指定的磁性材料來(lái)說(shuō)其制冷的溫度變化范圍是有限的，但若在活性磁力制冷器構(gòu)形中使用一系列的磁性材料，則可獲得很大的溫度變化范圍。
圖3示出聯(lián)接磁力制冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。由泵或壓縮機(jī)421加以再循環(huán)的熱交換流體420，作為物流422在通過(guò)冷卻器423時(shí)被冷卻掉壓縮熱，然后作為物流424通過(guò)磁力制冷系統(tǒng)402，在此它被冷卻而產(chǎn)生物流425。物流425在熱交換器426中被升溫，并以物流427返回磁力制冷系統(tǒng)。物流425從制冷劑流體中把熱負(fù)荷Q收集起來(lái)。該制冷劑流體可能是氣態(tài)制冷劑如氦、或液態(tài)制冷劑如碳氟化合物、或相變制冷劑如氮、氬。該制冷劑在熱交換器426中被冷卻后就是本發(fā)明的操作系統(tǒng)中所用的載冷制冷劑流體。床402借助于移進(jìn)移出磁場(chǎng)而周期性地被磁化或去磁，進(jìn)出磁場(chǎng)是借助于移動(dòng)磁鐵401或?qū)⒋盆F接通或斷開。
雖然本發(fā)明是參照某些優(yōu)選實(shí)施方案來(lái)作詳細(xì)描述的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)承認(rèn)，在權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)還會(huì)有本發(fā)明的其它實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種冷卻貯有低溫液體的貯罐內(nèi)容物的方法，它包括(A)裝備貯有低溫液體及其蒸氣的貯罐，并將蒸氣從貯罐送入熱交換器；(B)在熱交換器中，借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換，使至少一部分蒸氣冷凝而產(chǎn)生出冷凝的蒸氣；(C)借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換，使冷凝的蒸氣過(guò)冷而產(chǎn)生出低溫液體；以及(D)將過(guò)冷的低溫液體從熱交換器送入貯罐。
2.權(quán)利要求1的方法，其中的制冷劑流體是多組分制冷劑流體。
3.權(quán)利要求1的方法，它還包括將低溫液體從貯罐送入熱交換器，借助于與載冷制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換，使低溫液體過(guò)冷而產(chǎn)生出額外的過(guò)冷低溫液體，并將該額外的過(guò)冷低溫液體從熱交換器送入貯罐。
4.權(quán)利要求1的方法，其中的載冷制冷劑流體是借助于壓縮制冷劑流體、冷卻該壓縮的制冷劑流體、膨脹該冷卻的壓縮制冷劑流體使之制冷而產(chǎn)生出來(lái)的，并將所形成的載冷制冷劑流體送入熱交換器。
5.權(quán)利要求1的方法，其中的載冷制冷劑流體是用脈動(dòng)管裝置產(chǎn)生出來(lái)的，在脈動(dòng)管裝置中，用脈動(dòng)來(lái)壓縮工作流體，使之膨脹以降低其溫度，并用以冷卻一種流體，該流體就變成了用于送入熱交換器中的載冷的制冷劑流體。
6.權(quán)利要求1的方法，其中的載冷制冷劑流體是用磁力制冷系統(tǒng)產(chǎn)生出來(lái)的，在該系統(tǒng)中，工作流體借助于通過(guò)可磁化顆粒的床而被冷卻，并用以冷卻一種流體，該流體就變成了用于送入熱交換器中的載冷的制冷劑流體。
7.一種用來(lái)冷卻貯有低溫液體的貯罐的內(nèi)容物的裝置，它包括(A)包括至少一個(gè)罐的貯罐、熱交換器、以及將蒸氣從貯罐送入熱交換器的設(shè)備；(B)制冷系統(tǒng)，它包括產(chǎn)生載冷制冷劑流體的設(shè)備；(C)用來(lái)將載冷制冷劑流體從制冷系統(tǒng)送入熱交換器的設(shè)備；以及(D)用來(lái)將流體從熱交換器送入貯罐的設(shè)備。
8.權(quán)利要求7的裝置，其中的制冷系統(tǒng)包括有壓縮機(jī)；預(yù)冷卻器；膨脹裝置；將制冷劑流體送入壓縮機(jī)的設(shè)備；將制冷劑流體從壓縮機(jī)送入預(yù)冷卻器的設(shè)備；以及將制冷劑流體從預(yù)冷卻器送入膨脹裝置以產(chǎn)生出載冷制冷劑流體的設(shè)備。
9.權(quán)利要求7的裝置，其中的制冷系統(tǒng)包括有脈動(dòng)管裝置，該裝置中具有內(nèi)貯工作流體的脈動(dòng)管；向工作流體提供脈動(dòng)的設(shè)備；以及借助于與制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換使工作流體升溫以產(chǎn)生出載冷制冷劑流體的設(shè)備。
10.權(quán)利要求7的裝置，其中的制冷系統(tǒng)包括有磁力制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可磁化顆粒的床；周期性地使該床磁化和去磁的設(shè)備；將工作流體通過(guò)床的設(shè)備；以及借助于與制冷劑流體進(jìn)行間接熱交換使工作流體升溫以產(chǎn)生出載冷制冷劑流體的設(shè)備。
全文摘要
一種能使低溫液體貯罐的閃蒸損失降低的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,來(lái)自貯罐的流體被載冷的制冷劑流體冷凝和過(guò)冷,該載冷的制冷劑流體是由外源制冷系統(tǒng)產(chǎn)生出來(lái)的。
文檔編號(hào)F25J1/02GK1336530SQ0112463
公開日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2001年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月1日
發(fā)明者N·H·懷特, K·K·王, W·M·格雷尼三世, D·P·博納奎斯特, A·阿查亞, B·阿曼 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司