深冷处理与冷量回收系统及方法

1.本发明涉及深冷处理技术领域，尤其涉及深冷处理与冷量回收系统及方法。


背景技术：

2.目前深冷处理技术(如金属材料的冷处理、食品的低温速冻等)通常利用液氮作为制冷工质对物料进行低温处理，以改善物料的性能(比如金属材料的耐磨性和尺寸稳定性，食品的贮存时间)。深冷处理过程中，液氮喷入低温处理装置内部，吸收热量后气化，然后通常以不高于物料处理温度的温度排向环境，从而存在着大量的冷量损耗。
3.针对低温氮气直接排空存在冷量损耗的问题，现有技术通常是利用相变材料对排出的低温氮气冷量进行回收，需要时再利用换热设备将冷量送回低温处理装置，从而降低系统的能耗。但通过冷量回收装置后的实际排气温度仍然低于室温，难以百分百的回收冷量。另外，冷量回收装置是非连续性的，在冷量利用过程中，需要对通入冷量回收装置的工质气体进行除湿等处理或者额外采用氮气，增加了操作的难度和成本。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种深冷处理与冷量回收系统，将低温处理装置和冷量回收装置通过冷量循环管路相连构成闭式循环系统，实现冷量的全部回收。
5.本发明还提出一种深冷处理与冷量回收方法。
6.根据本发明第一方面实施例的深冷处理与冷量回收系统，包括低温处理装置和冷量回收装置，所述低温处理装置的第一排气口、所述冷量回收装置的第一进气口、所述冷量回收装置的第二排气口和所述低温处理装置的第二进气口依次连通形成第一冷量循环回路；所述冷量回收装置的第三排气口、所述低温处理装置的第三进气口、所述低温处理装置的第四排气口和所述冷量回收装置的第四进气口依次连通形成第二冷量循环回路。
7.根据本发明的一个实施例，所述低温处理装置包括深冷箱和供冷组件，所述第一排气口和所述第三进气口均位于所述深冷箱的顶部，所述第二进气口和所述第四排气口均位于所述深冷箱的底部，所述供冷组件设置于所述深冷箱内，且位于所述深冷箱内靠近所述第二进气口的一侧。
8.根据本发明的一个实施例，所述冷量回收装置包括蓄冷箱和所述蓄冷箱内充填的蓄冷材料，所述第一进气口和所述第三排气口均位于所述蓄冷箱的顶部，所述第二排气口与所述第四进气口均位于所述蓄冷箱的底部。
9.根据本发明的一个实施例，所述供冷组件包括风机、分散器和液氮罐，所述液氮罐与所述分散器连接，所述风机与所述分散器均位于所述深冷箱内，且所述风机位于所述分散器的下方。
10.根据本发明的一个实施例，所述分散器的上方的所述深冷箱用于充填待冷处理物料。
11.根据本发明的一个实施例，所述深冷箱内部的顶部设有第一温度检测器，所述蓄冷箱内部的顶部和底部均设有第二温度检测器。
12.根据本发明的一个实施例，所述第一排气口处设有第一排气阀，所述第一进气口处设有第一进气阀，所述第二排气口处设有第二排气阀，所述第二进气口处设有第二进气阀。
13.根据本发明的一个实施例，所述第三排气口处设有第三排气阀，所述第三进气口处设有第三进气阀，所述第四排气口处设有第四排气阀，所述第四进气口处设有第四进气阀。
14.根据本发明的一个实施例，所述第二排气口与所述第二进气口连通的管路上设有支管路，所述支管路上设有泄压阀。
15.根据本发明第二方面实施例的应用上述的深冷处理与冷量回收系统进行的深冷处理与冷量回收方法，包括：
16.初次降温处理：
17.开启液氮供应，风机正转，第二冷量循环回路关闭，第一冷量循环回路的低温处理装置的第一排气口与冷量回收装置的第一进气口的连通管路开启，冷量回收装置的第二排气口与低温处理装置的第二进气口的连通管路关闭，第二排气口连通的支管路开启；
18.当冷量回收装置中蓄冷材料中部的温度低于预设温度时，关闭第二排气口连通的支管路，停止液氮供应，风机反转，第二冷量循环回路开启，第一冷量循环回路关闭；
19.第一冷量循环处理：
20.当冷量回收装置中蓄冷材料顶部的温度高于低温处理装置内的温度时，风机正转，第一冷量循环回路开启，第二冷量循环回路关闭；
21.第二冷量循环处理：
22.当冷量回收装置中蓄冷材料底部的温度高于低温处理装置内的温度时，风机反转，第一冷量循环回路关闭，第二冷量循环回路开启；
23.所述第一冷量循环处理与所述第二冷量循环处理依次交替循环进行。
24.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果：本发明实施例的深冷处理与冷量回收系统，针对现有低温处理装置不能完全回收冷却介质冷量，以及冷量回收过程中的操作难度大、成本高等问题，提供一种冷却介质冷量可循环利用的深冷处理装置。将低温处理装置和冷量回收装置通过冷量循环管路相连构成闭式循环系统，实现冷量的全部回收。通过低温处理装置与冷量回收装置上各自设置的两组进气口和两组排气口，分别形成两条相互独立的第一冷量循环回路和第二冷量循环回路，冷却介质在第一冷量循环回路中的流向与在第二冷量循环回路中的流向相反。第一冷量循环回路使待冷处理物料在低温处理装置中与低温介质进行热交换后，气化的低温冷却介质进入冷量回收装置，在冷量回收装置内实现冷量的全部回收并将冷却介质排出，或在冷量回收装置内进行热交换降温后返回低温处理装置；第二冷量循环回路使低温处理装置中的冷却介质进入冷量回收装置，并与冷量回收装置内回收的冷量进行热交换降温，从而再次回到低温处理装置中与待冷处理物料进行热交换，极大降低了冷却介质的消耗量。
25.除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的
优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明实施例深冷处理与冷量回收系统的结构示意图。
28.附图标记：
29.1：低温处理装置；11：深冷箱；12：供冷组件；111：第一温度检测器；121：风机；122：分散器；123：液氮罐；124：液氮控制阀；125：电机；
30.2：冷量回收装置；21：蓄冷箱；22：蓄冷材料；211：第二温度检测器；
31.31：待冷处理物料；
32.41：第一排气阀；42：第二排气阀；43：第三排气阀；44：第四排气阀；
33.51：第一进气阀；52：第二进气阀；53：第三进气阀；54：第四进气阀；
34.61：第一管路；62：第二管路；63：第三管路；64：第四管路；
35.7：支管路；71：泄压阀。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
37.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为代表任何顺序和次数。
38.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
39.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述针对的不必须是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
41.如图1所示，本发明实施例提供的深冷处理与冷量回收系统，包括低温处理装置1和冷量回收装置2，低温处理装置1的第一排气口、冷量回收装置2的第一进气口、冷量回收装置2的第二排气口和低温处理装置1的第二进气口依次连通形成第一冷量循环回路；冷量回收装置2的第三排气口、低温处理装置1的第三进气口、低温处理装置1的第四排气口和冷量回收装置2的第四进气口依次连通形成第二冷量循环回路。
42.本发明实施例的深冷处理与冷量回收系统，针对现有低温处理装置不能完全回收冷却介质冷量，以及冷量回收过程中的操作难度大、成本高等问题，提供一种冷却介质冷量可循环利用的深冷处理装置。将低温处理装置1和冷量回收装置2通过冷量循环管路相连构成闭式循环系统，实现冷量的全部回收。通过低温处理装置1与冷量回收装置2上各自设置的两组进气口和两组排气口，分别形成两条相互独立的第一冷量循环回路和第二冷量循环回路，冷却介质在第一冷量循环回路中的流向与在第二冷量循环回路中的流向相反。第一冷量循环回路使待冷处理物料31在低温处理装置1中与冷却介质进行热交换后，气化的低温冷却介质进入冷量回收装置2，在冷量回收装置2内实现冷量的全部回收并将冷却介质排出，或在冷量回收装置2内进行热交换降温后返回低温处理装置1；第二冷量循环回路使低温处理装置1中的冷却介质进入冷量回收装置2，并与冷量回收装置2内回收的冷量进行热交换降温，从而再次回到低温处理装置1中与待冷处理物料31进行热交换，极大降低了冷却介质的消耗量。
43.根据本发明的一个实施例，低温处理装置1包括深冷箱11和供冷组件12，第一排气口和第三进气口均位于深冷箱11的顶部，第二进气口和第四排气口均位于深冷箱11的底部，供冷组件12设置于深冷箱11内，且位于深冷箱11内靠近第二进气口的一侧。冷量回收装置2包括蓄冷箱21和蓄冷箱21内充填的蓄冷材料22，第一进气口和第三排气口均位于蓄冷箱21的顶部，第二排气口与第四进气口均位于蓄冷箱21的底部。
44.本实施例中，深冷箱11竖直设置，其内部冷却介质的流向为自上而下或者自下而上，供冷组件12为低温处理装置1和整个系统冷量循环提供冷却介质。蓄冷箱21也竖直设置，其内部填充蓄冷材料22，冷却介质与蓄冷材料22进行热交换，并在蓄冷箱21的顶部或底部进出。
45.在第一冷量循环回路中，冷却介质与待冷处理物料31热交换后，由深冷箱11顶部的第一排气口排出，经过第一管路61后通过蓄冷箱21顶部的第一进气口进入蓄冷箱21内，经过与蓄冷材料22的热交换后，冷却介质由蓄冷箱21底部的第二排气口排出，经过第二管路62后通过深冷箱11底部的第二进气口进入深冷箱11内，与待冷处理物料31进行热交换。
46.在第二冷量循环回路中，冷却介质由深冷箱11底部的第四排气口排出，经过第三管路63后通过蓄冷箱21底部的第四进气口进入蓄冷箱21，经过与蓄冷材料22的热交换后，冷却介质由蓄冷箱21顶部的第三排气口排出，经过第四管路64后通过深冷箱11顶部的第三进气口进入深冷箱11，与待冷处理物料31进行热交换。
47.本实施例中，蓄冷箱21为带有保温材料的外部腔体，保温材料选择聚氨酯发泡材料等。蓄冷材料22为用于回收低温氮气冷量的固体蓄冷材料或相变蓄冷材料，蓄冷材料22可选择石头、不锈钢、铜等材料制作的丝网或颗粒等低温固体蓄冷材料或者二氧化碳、氨等相变蓄冷材料。
48.根据本发明的一个实施例，供冷组件12包括风机121、分散器122和液氮罐123，液氮罐123与分散器122连接，风机121与分散器122均位于深冷箱11内，且风机121位于分散器122的下方。本实施例中，冷却介质由液氮提供，风机121位于深冷箱11内部的底部，风机121上方安装有分散器122，液氮罐123通过液氮输送管路连接分散器122，以此对液氮进行均匀分散，低温氮气通过风机121控制流向。风机121正转时，低温氮气在第一冷量循环回路中流动，风机121反转时，低温氮气在第二冷量循环回路中流动。
49.本实施例中，液氮罐123与分散器122连通的液氮输送管路上设有液氮控制阀124，从而控制液氮输入的时间和流量。风机121通过外部的电机125连接，从而控制风机121的启停和转向。
50.本实施例中，冷却介质也可以是液氩等其他低温液体。冷量回收和利用过程中，通过使用系统内部的低温氮气作为工作介质，避免了已有设备需要吸收外部空气作为工作介质涉及的除湿等操作，或者已有设备需要额外引入干燥的氮气作为工作介质涉及的高成本问题。
51.根据本发明的一个实施例，分散器122的上方的深冷箱11用于充填待冷处理物料31。本实施例中，分散器122为板状结构，将深冷箱11的内部空间自上而下分隔为两部分，上部分空间用于充填待冷处理物料31，下部分空间设置风机121。分散器122将液氮分散后，由于风机121在分散器122下方，风机121转动后液氮可向上流动均匀接触上部分空间内的待冷处理物料31，热交换后液氮吸热气化形成低温氮气，在风机121作用下继续向上移动进入第一排气口，或者，由第三进气口进入深冷箱11的氮气接触上部分空间内的待冷处理物料31，热交换后在风机121作用下氮气由第四排气口排出至冷量回收装置2。
52.根据本发明的一个实施例，深冷箱11内部的顶部设有第一温度检测器111，蓄冷箱21内部的顶部和底部均设有第二温度检测器211。本实施例中，深冷箱11内布置有第一温度检测器111用于检测深冷箱11内部实时温度，蓄冷箱21内靠近顶部和底部位置处布置有用于检测蓄冷箱21内部实时温度的第二温度检测器211。氮气循环的方向可通过第一温度检测器111和第二温度检测器211的检测温度大小关系进行控制。本实施例中，第一温度检测器111与第二温度检测器211均采用温度计。
53.根据本发明的一个实施例，第一排气口处设有第一排气阀41，第一进气口处设有第一进气阀51，第二排气口处设有第二排气阀42，第二进气口处设有第二进气阀52。第三排气口处设有第三排气阀43，第三进气口处设有第三进气阀53，第四排气口处设有第四排气阀44，第四进气口处设有第四进气阀54。
54.本实施例中，冷量循环管路包括连接深冷箱11和蓄冷箱21的第一管路61、第二管路62、第三管路63和第四管路64，均布置于深冷箱11和蓄冷箱21的外部，并各自配有开关阀门，即连接第一排气口与第一进气口的第一管路61相对应设有第一排气阀41和第一进气阀51，连接第二排气口与第二进气口的第二管路62相对应设有第二排气阀42和第二进气阀52，连接第四排气口与第四进气口的第三管路63相对应设有第四排气阀44和第四进气阀
54，连接第三排气口与第三进气口的第四管路64相对应设有第三排气阀43和第三进气阀53。
55.当第一冷量循环回路开启时，即第一排气阀41、第一进气阀51、第二排气阀42和第二进气阀52打开，当第一冷量循环回路关闭时，这四个阀也相应关闭；当第二冷量循环回路开启式，即第三排气阀43、第三进气阀53、第四排气阀44和第四进气阀54打开，当第二冷量循环回路关闭时，这四个阀也相应关闭。
56.各冷量循环管路外部包有保温材料以降低冷量损耗。运行第一冷量循环回路或第二冷量循环回路时，相关的进气阀或排气阀控制可以是手动控制，也可以是自动控制，从而对低温氮气冷量进行循环回收和利用。
57.根据本发明的一个实施例，第二排气口与第二进气口连通的管路上设有支管路7，支管路7上设有泄压阀71。本实施例中，在初始降温的过程中，开启供冷组件12，液氮与待冷处理材料热交换气化形成低温氮气后，通过第一管路由深冷箱11进入蓄冷箱21，将冷量储存在蓄冷材料22中，而后经过蓄冷箱21底部与第二排气口连通的支管路7的泄压阀71排出，以此在冷量回收装置2中回收低温氮气的冷量。即第一排气阀41、第一进气阀51、第二排气阀42和泄压阀71打开，第二进气阀52、第三排气阀43、第三进气阀53、第四排气阀44和第四进气阀54均关闭。
58.本发明实施例还提供了应用上述实施例深冷处理与冷量回收系统进行的深冷处理与冷量回收方法，包括：
59.初次降温处理：
60.开启液氮供应，风机121正转，第二冷量循环回路关闭，第一冷量循环回路的低温处理装置1的第一排气口与冷量回收装置2的第一进气口的连通管路开启，冷量回收装置2的第二排气口与低温处理装置1的第二进气口的连通管路关闭，第二排气口连通的支管路7开启以排出初次降温过程中难以回收利用的高温气体；
61.当冷量回收装置2中蓄冷材料22中部的温度低于预设温度时，关闭第二排气口连通的支管路7，停止液氮供应，风机121反转，第二冷量循环回路开启，第一冷量循环回路关闭；
62.第一冷量循环处理：
63.当冷量回收装置2中蓄冷材料22顶部的温度高于低温处理装置1内的温度时，风机121正转，第一冷量循环回路开启，第二冷量循环回路关闭；
64.第二冷量循环处理：
65.当冷量回收装置2中蓄冷材料22底部的温度高于低温处理装置1内的温度时，风机121反转，第一冷量循环回路关闭，第二冷量循环回路开启；
66.第一冷量循环处理与第二冷量循环处理依次交替循环进行。
67.s1，初次降温处理：
68.液氮罐123输入的液氮经分散器122进行均匀分散后，风机121沿顺时针方向转动，由下而上吹向深冷箱11内部与待冷处理物料31进行换热，液氮吸收待冷处理物料31的热量后气化，气化后的低温氮气经过第一管路进入蓄冷箱21内部与蓄冷材料22进行换热，低温氮气将冷量储存在蓄冷材料22中，其自身温度逐步升高，达到预设温度后经蓄冷箱21底部安装的泄压阀71排出；与此同时，蓄冷材料22上部的温度逐渐降低，自上而下温度呈逐步升
高的分布，也即冷量主要储存在上半部的蓄冷材料22中。本实施例中，预设温度采用室温。
69.当蓄冷材料22中部温度低于室温时，关闭蓄冷箱21底部的泄压阀71，停止液氮罐123的液氮供应，同时改变风机121转向，变为沿逆时针方向转动。经深冷箱11底部流出的低温氮气通过第三管路63进入蓄冷箱21，再由下而上经过蓄冷材料22进行换热，低温氮气被下半部分高温的蓄冷材料22逐步加热，温度逐步升高，在中部位置温度回复至高温，而下半部分处于高温的蓄冷材料22温度逐步降低。回复至高温后的氮气进一步与上半部分的低温蓄冷材料22换热，温度逐步降低，此时上半部分的蓄冷材料22温度逐步升高，氮气在蓄冷材料22顶部降到最低温后经过第四管路64进入深冷箱11内，对待冷处理物料31进行冷却，然后再次进入蓄冷箱21内蓄冷材料22底部，依次循环。
70.s2，第一冷量循环处理：
71.当蓄冷箱21中蓄冷材料22顶部的温度高于深冷箱11内的温度时，改变风机121转向，变为沿顺时针方向转动。经深冷箱11顶部流出的低温氮气通过第一管路61进入蓄冷箱21内，再由上而下经过蓄冷材料22换热，低温氮气被上半部分高温的蓄冷材料22逐步加热，温度逐步升高，在中部位置温度回复至高温，而上半部分处于高温的蓄冷材料22温度逐步降低。回复至高温后的氮气进一步与下半部分的低温蓄冷材料22换热，温度逐步降低，此时下半部分的蓄冷材料22温度逐步升高，氮气在蓄冷材料22底部降到最低温后通过第二管路62进入深冷箱11内，对待冷处理物料31进行冷却，然后再次进入蓄冷箱21的蓄冷材料22顶部，依次循环。
72.s3，第二冷量循环处理：
73.当蓄冷箱21中蓄冷材料22底部的温度高于深冷箱11内的温度时，改变风机121转向，变为沿逆时针方向转动。经深冷箱11底部流出的低温氮气通过第三管路63进入蓄冷箱21，再由下而上经过蓄冷材料22换热，低温氮气被下半部分高温的蓄冷材料22逐步加热，温度逐步升高，在中部位置温度达到最高状态，而下半部分处于高温的蓄冷材料22温度逐步降低。回复至高温后的氮气进一步与上半部分的低温蓄冷材料22换热，温度逐步降低，此时上半部分的蓄冷材料22温度逐步升高，氮气在蓄冷材料22顶部降到最低温后通过第四管路64进入深冷箱11内，对待冷处理物料31进行冷却，然后再次进入蓄冷箱21的蓄冷材料22底部，依次循环。
74.s4，步骤s2和步骤s3过程不断循环，这两个循环过程中，停止液氮供应。各排气阀和进气阀的切换为自动过程，控制器根据第一温度检测器111测得的深冷箱11内的温度、第二温度检测器211测得的蓄冷材料22顶部和底部的温度关系自动切换。
75.考虑到低温系统不可避免地存在漏热，当长时间运行后，从冷量回收装置2出来的低温冷却介质若达不到预设温度，将通过往系统内部补充一定的液氮来获得更低的温度。不断通过第一冷量循环或第二冷量循环储存和利用低温氮气的冷量，减少了单一方向冷量回收装置的冷量不能全部回收，以及回收过程中的复杂高成本操作等问题。
76.使用时，不限定上述阀门是截止阀、电动阀、电磁阀或其他形式可通断的阀类。
77.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。