多級斯特林制冷機(jī)說明書

一種多級斯特林制冷機(jī)所屬技術(shù)領(lǐng)域本創(chuàng)造涉及一種斯特林制冷機(jī)，具體為一種多級斯特林制冷機(jī)。背景技術(shù)隨著科技進(jìn)步，深度制冷技術(shù)在一些行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。航空航天、食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生、化肥生產(chǎn)、天然氣儲運、石油煉制等行業(yè)都離不開深度制冷技術(shù)。目前的深度制冷技術(shù)方案，主要利用林德循環(huán)經(jīng)多級壓縮和節(jié)流膨脹實現(xiàn)深度制冷。天然氣儲運是應(yīng)用深度制冷技術(shù)的代表性行業(yè)。LNG產(chǎn)品絕大部份出自大型天然氣液化廠，用于天然氣調(diào)峰和天然氣海運貿(mào)易。而微型LNG液化裝置對油井伴生氣別離儲運、垃圾場和廢水處理廠的沼氣資源回收都必不可少。為了滿足對微型LNG液化裝置的需求，在美國能源部的資助下，美國天然氣技術(shù)研究所已經(jīng)開發(fā)出一種已獲得專利權(quán)的微型天然氣液化裝置。該微型天然氣液化裝置是利用使用制冷劑的制冷系統(tǒng)，LNG日產(chǎn)量在五千到三萬加侖之間。美國天然氣技術(shù)研究所已經(jīng)許可商業(yè)化合作伙伴LindeBOC使用此項技術(shù)并在全世界范圍內(nèi)積極推行商業(yè)化。由此可見，微型天然氣液化裝置極具市場潛力。斯特林制冷機(jī)用作微型天然氣液化裝置前景樂觀。目前，小功率的斯特林制冷機(jī)已廣泛用作電子成像系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)的冷源，功率只有2到6瓦。大功率的斯特林制冷機(jī)尚無應(yīng)用實例。根本原因是工質(zhì)密封難，沒有簡單可靠的主體結(jié)構(gòu)能滿足大功率深度制冷的要求。中國創(chuàng)造專利斯特林可逆熱機(jī)〔200710050949.2〕以兩級密封技術(shù)完全杜絕了工質(zhì)泄漏，而且結(jié)構(gòu)緊湊。但是斯特林可逆熱機(jī)用作制冷機(jī)也達(dá)不到深度制冷溫度〔－100℃以下〕?！端固亓譄岜谩仓评錂C(jī)〕設(shè)計理論研究》一文揭示了制冷深度〔熱泵揚程〕和各結(jié)構(gòu)參數(shù)及運行參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。采用兩臺以上的斯特林可逆熱機(jī)串聯(lián)，完全可以到達(dá)深度制冷溫度〔－100℃以下〕。一臺斯特林可逆熱機(jī)稱為一級。有幾臺串聯(lián)就稱為幾級斯特林制冷機(jī)，兩臺以上串聯(lián)統(tǒng)稱多級斯特林制冷機(jī)。第一級的熱量流入端從環(huán)境吸入熱量，第二級的熱量流入端從第一級的熱量流出端吸入熱量。以此類推。最后一級的熱量流出端向環(huán)境放出熱量。如何實現(xiàn)熱量的級間傳遞是多級斯特林制冷機(jī)成敗的關(guān)鍵。中國創(chuàng)造專利一種斯特林熱機(jī)換熱式回?zé)崞鳌?02310000717.7〕在同級內(nèi)實現(xiàn)相位差為的兩工作腔逆流換熱，到達(dá)熱量合理利用，在兩級間實現(xiàn)相位差為的兩工作腔換熱，完成熱量兩級間可靠傳遞；中國創(chuàng)造專利多環(huán)連接型斯特林可逆熱機(jī)〔202310174097.7〕使斯特林制冷機(jī)具有較大的制冷深度，空間利用率也提高；中國創(chuàng)造專利一種斯特林熱機(jī)工況控制器〔202310035499.6〕保證各工作腔工質(zhì)均衡，運行平穩(wěn)；中國創(chuàng)造專利一種斯特林熱機(jī)換熱裝置〔202310383424.1〕使斯特林制冷機(jī)高效散熱。這些專利技術(shù)的組合應(yīng)用，確定恰當(dāng)?shù)闹评錂C(jī)級數(shù)和電機(jī)功率，可以制成滿足各種制冷深度和制冷量要求的多級斯特林制冷機(jī)。中國創(chuàng)造專利一種斯特林熱泵熱水器〔202310473554.4〕就是單級斯特林制冷機(jī)〔熱泵〕的應(yīng)用實例。創(chuàng)造內(nèi)容本創(chuàng)造的目的是應(yīng)用斯特林可逆熱機(jī)作制冷機(jī)，多級串聯(lián)，采用中國創(chuàng)造專利一種斯特林熱機(jī)換熱式回?zé)崞鳌?02310000717.7〕作級間換熱器，設(shè)計一種能到達(dá)深度制冷溫度的多級斯特林制冷機(jī)。為了實現(xiàn)上述目的，本創(chuàng)造的方案是：其結(jié)構(gòu)包括假設(shè)干級斯特林制冷機(jī)、級間換熱器、聯(lián)軸通道、工況控制器、電動機(jī)。其特征在于：所述電動機(jī)置于最后一級斯特林制冷機(jī)熱量流出端氣缸中央的二級密封腔內(nèi)。電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與各級斯特林制冷機(jī)熱機(jī)轉(zhuǎn)子在同一軸線上，并經(jīng)聯(lián)軸通道連成一體。各級斯特林制冷機(jī)的二級密封腔連通為一個密封腔。各級斯特林制冷機(jī)的活塞組卡在各自的熱機(jī)轉(zhuǎn)子上，兩端活塞分別插入熱量流入端氣缸和熱量流出端氣缸。各級斯特林制冷機(jī)工作腔數(shù)量相同，同級相位差為的兩工作腔連通同一回?zé)崞鞯膬蓚€換熱通道，相鄰兩級間相位差為的兩工作腔連通同一級間換熱器的兩個換熱通道。所有工作腔連接到同一個工況控制器。工況控制器的密閉空間與二級密封腔連通。二級密封腔及各工作腔內(nèi)充有工質(zhì)。二級密封腔內(nèi)工質(zhì)壓力是所有工作腔的最低工作壓力。所述工質(zhì)為氫氣或氦氣。所述第一級斯特林制冷機(jī)的氣缸直徑最小或沖程最短。氣缸直徑逐級增大，或沖程逐級增長。因為第一級工作溫度低、工質(zhì)密度大，最低工作壓力一樣，輸運熱量最少。所述各級斯特林制冷機(jī)可單獨連接各自的工況控制器，并將工況控制器的密閉空間與二級密封腔連通。本創(chuàng)造的優(yōu)點在于：一是制冷熱力學(xué)循環(huán)是高效的斯特林循環(huán)，相對林德循環(huán)有提高制冷能效的潛力。二是增加制冷機(jī)級數(shù)，制冷深度增大；加大電動機(jī)功率和提高工質(zhì)壓力，制冷量增加。能滿足各種制冷深度和制冷量需求。三是制冷工藝簡單、所需設(shè)備少，本錢相應(yīng)較低。四是對制冷規(guī)模適用范圍廣，不僅可用于大型空氣或天然氣液化廠，還適用于移動的車載制冷站，對沼氣和煤井瓦斯氣作液化處理。附圖說明下面結(jié)合附圖與實施例對本創(chuàng)造作進(jìn)一步說明：圖1是一種兩級斯特林制冷機(jī)整體示意圖；圖2是一種兩級斯特林制冷機(jī)主體結(jié)構(gòu)示意圖；附圖中，1、冷卻水進(jìn)口，2、熱量流出端，3、冷卻水出口，4、熱量流出端連接管通過口，5、第二級制冷機(jī)回?zé)崞鳎?、第二級制冷機(jī)回?zé)崞髋c級間換熱器連接管通過口，7、第一級制冷機(jī)回?zé)崞髋c級間換熱器連接管通過口，8、第一級制冷機(jī)回?zé)崞鳎?、熱量流入端連接管通過口，10、液化天然氣出口，11、熱量流入端，12、天然氣進(jìn)口，13、電動機(jī)，14、第二級制冷機(jī)熱量流出端氣缸，15、第二級制冷機(jī)熱量流入端氣缸，16、第一級制冷機(jī)熱量流出端氣缸，17、聯(lián)軸通道，18、第一級制冷機(jī)熱量流入端氣缸，19、工況控制器，20、級間換熱器。具體實施方式圖1圖2所示的兩級斯特林制冷機(jī)是每級具有6個工作腔、雙環(huán)連接型斯特林制冷機(jī)，兩級共有12個工作腔。用于液化天然氣制取。電動機(jī)13置于熱量流出端2中央，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與兩級制冷機(jī)熱機(jī)轉(zhuǎn)子軸同軸并連成一體。兩級斯特林制冷機(jī)的活塞組卡在各自的熱機(jī)轉(zhuǎn)子上，兩端活塞分別插入熱量流入端氣缸和熱量流出端氣缸。在兩級制冷機(jī)之間的聯(lián)軸通道17將兩級制冷機(jī)的二級密封腔連通。熱量流出端2側(cè)面下部有冷卻水進(jìn)口1，熱量流出端2頂部有冷卻水出口3。連接管經(jīng)熱量流出端連接管通過口4連通第二級制冷機(jī)熱量流出端氣缸14和第二級制冷機(jī)回?zé)崞?，連接管經(jīng)第二級制冷機(jī)回?zé)崞髋c級間換熱器連接管通過口6連通第二級制冷機(jī)回?zé)崞?和級間換熱器20，連接管連通級間換熱器20和第二級制冷機(jī)熱量流入端氣缸15，形成6個第二級制冷機(jī)工作腔。連接管連通級間換熱器20和第一級制冷機(jī)熱量流出端氣缸16，連接管經(jīng)第一級制冷機(jī)回?zé)崞髋c級間換熱器連接管通過口7連通第一級制冷機(jī)回?zé)崞?和級間換熱器20，連接管經(jīng)熱量流入端連接管通過口9連通第一級制冷機(jī)熱量流入端氣缸18和第一級制冷機(jī)回?zé)崞?，形成6個第一級制冷機(jī)工作腔。同級制冷機(jī)相位差為的兩工作腔連通同一回?zé)崞鞯膬蓚€換熱通道，兩級制冷機(jī)間相位差為的兩工作腔連通同一級間換熱器的兩個換熱通道。由于第一級制冷機(jī)工作溫度低、輸運熱量少，第一級制冷機(jī)的氣缸直徑小于第二級制冷機(jī)的氣缸直徑。12個工作腔一一對應(yīng)地連接到具有12個接口的工況控制器19，工況控制器的密閉空間與二級密封腔連通。熱量流入端11側(cè)面中部有天然氣進(jìn)口12，熱量流入端11底部有液化天然氣出口10。本創(chuàng)造的工作過程是：接通電動機(jī)電源，電動機(jī)13驅(qū)動斯特林制冷機(jī)運轉(zhuǎn)，進(jìn)行斯特林制冷循環(huán)。第一級制冷機(jī)熱量流入端氣缸18及連接管內(nèi)的工質(zhì)氦氣在等溫膨脹過程中從天然氣中吸收熱量，使天然氣溫度降低，直至－162℃以下液化。低溫吸熱后的工質(zhì)流入回?zé)崞?繼續(xù)吸收相位差為的同級工作腔工質(zhì)放出的熱量，進(jìn)入等容吸熱過程。工質(zhì)溫度升高，并流入熱量流出端氣缸16。隨后進(jìn)入等溫壓縮過程，級間換熱器20和熱量流出端氣缸16內(nèi)工質(zhì)溫度進(jìn)一步升高，而連在同一級間換熱器的第二級制冷機(jī)的工作腔正處于等溫膨脹過程，需要吸熱。熱量傳遞到第二級制冷機(jī)。最后該工作腔的工質(zhì)流回制冷機(jī)熱量流入端氣缸18，并在回?zé)崞?中加熱同級相位差為的同級工作腔工質(zhì)，進(jìn)入等容放熱過程，完成一個熱力學(xué)循環(huán)。第一級制冷機(jī)各工作腔就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)，將熱量傳遞到第二級制冷機(jī)。第二級制冷機(jī)也按同樣的工作模式將熱量傳遞到熱量流出端的冷卻水中。翻開冷卻水開關(guān)，冷卻水從冷卻水進(jìn)口1進(jìn)入熱量流出端，吸收熱量后由冷卻水出口3排出。翻開天然氣源開關(guān)，天然氣源源不斷從天然氣進(jìn)口12進(jìn)入熱量流入端，轉(zhuǎn)變成液態(tài)后，由液化天然氣出口10流出，進(jìn)入儲存容器。圖1圖2一、申請創(chuàng)造專利或?qū)嵱眯滦蛯＠仨毺峤徽f明書，一式兩份〔原件及復(fù)印件各一份〕。二、說明書應(yīng)當(dāng)打字或者印刷，字跡應(yīng)該整齊清晰，黑色，符合制版要求，字高在0.35厘米至0.45厘米之間，行距在0.25厘米至0.35厘米之間。說明書首頁用此頁，續(xù)頁可用同樣大小和質(zhì)量相當(dāng)?shù)陌准埨m(xù)寫。紙張縱向使用，只限使用正面，四周應(yīng)當(dāng)留有空白：左側(cè)和頂部各2.5厘米，右側(cè)和底部各1.5厘米。三、郵寄申請文件不得折疊。四、說明書第一頁第一行應(yīng)當(dāng)寫明創(chuàng)造名稱，該名稱應(yīng)當(dāng)與請求書中的一致，并左右居中。創(chuàng)造名稱與說明書正文之間應(yīng)空一行。說明書格式上應(yīng)包括以下五個局部，并且在每一局部第一行第一字起寫明小標(biāo)題，小標(biāo)題后空兩格或另起一行起正文。例：技術(shù)領(lǐng)域〔正文內(nèi)容〕背景技術(shù)〔正文內(nèi)容〕創(chuàng)造內(nèi)容〔正文內(nèi)容〕附圖說明〔正文