一种利用低温压缩的氢气制冷系统及其应用的制作方法

本发明涉及气体制冷，具体涉及一种利用低温压缩的氢气制冷系统及其应用。

背景技术：

1、在高压氢气和液氢的制备过程中，氢气的降温制冷都是必不可少的步骤。制冷过程涉及到膨胀-压缩循环。根据操作规范，压缩机的气体温度不得超过135℃，故对于常温压缩机而言，压比超过2.5都需要至少分为两级压缩，这大大增加了压缩机的占地。

2、在制冷系统能耗方面，一个很重要的部分是压缩机的能耗。现有的氢气制冷系统采用的是常温氢压缩机对氢气进行压缩，由于氢在常温下的密度较小，体积大，导致压缩机对其压缩的能耗较高。但是随着近几年来，由于耐低温材料不断取得突破，低温压缩机的技术逐渐成熟，在低温下对于循环氢进行压缩就成为了一种可能的方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是通过在低温下对于氢气进行压缩，降低氢气制冷系统能耗，而且减少压缩机使用级数，从而减少占地面积。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种利用低温压缩的氢气制冷系统，包含：预冷单元，深冷单元，循环单元；

3、所述预冷单元包含至少一预冷换热器，用于给原料氢流股预冷；

4、所述深冷单元包含深冷换热器、气液分离器、过冷器；所述原料氢流股离开所述预冷单元后，经过所述深冷换热器形成气液两相后，到达气液分离器，其中气相记为第一返流流股，作为冷流股回流到深冷换热器；而液相进入过冷器冷却到18k±5k后，分流为产品流股和第二返流流股；所述产品流股通往产品收集容器；所述第二返流流股节流降压后，作为冷流股依次回流至所述过冷器和所述深冷换热器；

5、所述循环单元包含至少1台低温压缩机组和若干膨胀机，所述低温压缩机组的运行温度为80~200k；所述第一、第二返流流股从深冷换热器流出后，均通向所述低温压缩机组且合并，合并后的流股记为循环氢气流股；所述循环氢气流股通过所述预冷换热器预冷后，分为膨胀流股和补充流股，所述补充流股经过所述深冷换热器后，到达所述气液分离器；所述膨胀流股经过所述深冷换热器和膨胀机降温降压后，又作为冷流股依次流向所述深冷换热器、预冷换热器，最终回到低温压缩机组且并入所述循环氢气流股；

6、所述膨胀机均包含压缩端，其利用膨胀功给气体加压；所述第一返流流股和/或第二返流流股从深冷换热器流出后，流经所述膨胀机的压缩端加压后，再通向所述低温压缩机组；所述膨胀机选用气体轴承膨胀机；轴承气为氢气，由所述压缩机组或所述膨胀机压缩端的氢气分出一股提供；所述轴承气在进入轴承前，先通过一减压阀减压至0.6~0.8mpa。

7、较佳地，所述深冷单元还设有第一j-t阀、第二j-t阀、第三j-t阀；所述原料氢流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第一j-t阀降温降压，形成气液两相；所述补充流股，经过所述深冷换热器后，还经过所述第二j-t阀降温降压，形成气液两相；所述第二返流流股经过所述第三j-t阀降温降压后，作为冷流股依次回流至所述过冷器和所述深冷换热器。

8、较佳地，所述深冷换热器的原料氢通道内设有正仲氢催化剂，用于对所述原料氢进行连续的正仲转化。

9、较佳地，所述预冷单元还包含第一净化器和第一正仲氢转化器；原料氢流股经过所述预冷换热器预冷；然后依次经过所述第一净化器和第一正仲氢转化器，转化到正仲氢含量处于平衡态后，再次经过所述预冷换热器，冷却至制冷剂设计温区。

10、较佳地，所述氢气制冷系统还设有第二净化器，所述循环氢气流股通过所述第二净化器除去杂质，所述第一净化器和所述第二净化器用于吸附杂质气体。

11、所述氢气制冷系统还设有第二正仲氢转化器；所述补充流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第二正仲氢转化器。

12、较佳地，所述预冷换热器包含换热温度依次降低的第一预冷换热器和第二预冷换热器，进一步地，所述第一预冷换热器中，原料氢气从常温被制冷至130k±10k，所述第二预冷换热器中，原料氢气从130k±10k被制冷至90k±10k；所述第一返流流股和/或第二返流流股从深冷换热器流出后，作为冷流股经过所述第二预冷换热器，再通向所述低温压缩机组。

13、进一步地，所述第一预冷换热器中，制冷剂为液态甲烷和液氮；所述第二预冷换热器中，制冷剂为液氮。

14、较佳地，所述膨胀机包含第一膨胀机和第二膨胀机，所述第一膨胀机、第二膨胀机数量均为0~3台；所述第一返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第一膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组；所述第二返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第二膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组。

15、本发明还公开了上述利用低温压缩的氢气制冷系统的应用，其可用于陆地或海上的氢气制冷。

16、本发明的有益效果包含：

17、压缩机组为运行温度在80~200k的低温压缩机组，使得相同压力下，氢气的体积大大降低，从而减少了压缩机消耗的压缩功，降低了氢气制冷系统的能耗。

18、低温压缩的情况下，实际上使得压缩机的工作温度范围更大，从而减少压缩机使用级数，并减少占地面积。

19、本发明通过设置过冷器，减少了液氢的闪蒸，使液氢蒸发损失小，安全隐患小。

20、本发明的膨胀机选用气体轴承膨胀机，可以利用氢膨胀冷却，对氢气制冷，并且再用气氢去回收膨胀过程中产生的膨胀功对气氢进行压缩，从而回收所述膨胀功；轴承气为氢气，不会对氢液化系统造成污染。

21、本发明的氢气制冷系统中，通过在预冷单元设置两级换热，并采用至少两种制冷剂对系统进行换热，充分利用其汽化潜热减少制冷剂的使用量；使用液态甲烷和液氮能满足不同温区的换热要求。

技术特征：

1.一种利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，包含：预冷单元，深冷单元，循环单元；

2.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述深冷单元还设有第一j-t阀、第二j-t阀、第三j-t阀；所述原料氢流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第一j-t阀降温降压，形成气液两相；所述补充流股，经过所述深冷换热器后，还经过所述第二j-t阀降温降压，形成气液两相；所述第二返流流股经过所述第三j-t阀降温降压后，作为冷流股依次回流至所述过冷器和所述深冷换热器。

3.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述预冷换热器包含换热温度依次降低的第一预冷换热器和第二预冷换热器。

4.如权利要求3所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述第一预冷换热器中，原料氢气从常温被冷却至130k±10k，所述第二预冷换热器中，原料氢气从130k±10k被冷却至90k±10k；所述第一返流流股和/或第二返流流股从深冷换热器流出后，作为冷流股经过所述第二预冷换热器，再通向所述低温压缩机组。

5.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述膨胀机分为第一膨胀机和第二膨胀机，所述第一膨胀机、第二膨胀机数量均为0~3台；所述第一返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第一膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组；所述第二返流流股从所述深冷换热器依次流经所述第二膨胀机的压缩端后，通向所述低温压缩机组。

6.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述深冷换热器的原料氢通道内设有正仲氢催化剂，用于对所述原料氢进行连续的正仲转化。

7.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，所述预冷单元还包含第一净化器和第一正仲氢转化器；原料氢流股经过所述预冷换热器预冷；然后依次经过所述第一净化器和第一正仲氢转化器，转化到正仲氢含量处于平衡态后，再次经过所述预冷换热器，冷却至制冷剂设计温区。

8.如权利要求7所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，还设有第二净化器，所述循环氢气流股通过所述第二净化器除去杂质，所述第一净化器和所述第二净化器用于吸附杂质气体。

9.如权利要求1所述的利用低温压缩的氢气制冷系统，其特征在于，还设有第二正仲氢转化器；所述补充流股经过所述深冷换热器后，还经过所述第二正仲氢转化器。

10.一种如权利要求1~9中任意一项所述的利用低温压缩的氢气制冷系统的应用，其特征在于，用于陆地或海上的氢气制冷。

技术总结
本发明公开了一种利用低温压缩的氢气制冷系统及其应用，包含：预冷单元，深冷单元，循环单元；预冷单元包含至少一预冷换热器；深冷单元包含深冷换热器、气液分离器；气液分离器气相记为第一返流流股；循环单元包含至少1台低温压缩机组和若干膨胀机，所述低温压缩机组的运行温度为80~200K；第一返流流股从深冷换热器流出后，均通向所述压缩单元，压缩后记为循环氢气流股；循环氢气流股预冷后，分为膨胀流股和补充流股。本发明通过设置低温压缩机组，使得相同压力下，氢气的体积大大降低，从而减少了压缩机消耗的压缩功，降低了氢气制冷系统的能耗。

技术研发人员：魏颖,何炜,冯宪高,王康
受保护的技术使用者：中太海事技术（上海）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15