轴流型自循环式气波制冷装置与方法

摘要

本发明公开一种轴流型自循环式气波制冷装置与方法，装置主要包括轴流自循环式气波制冷机、冷却器、换热器、进气压力调节阀以及产气压力调节阀。本发明可回收高压气体膨胀输出的压缩功为膨胀后气体就行再增压，并通过冷却器及换热器使装置最终获得具有一定压力的中压低温产气，提升固定压比下的制冷温降。装置核心部件轴流自循环式气波制冷机具有多级风机结构，克服了传统自增压气波制冷装置需要驱动风机实现气体循环的缺陷。内置风机级数可根据循环驱动力需求予以调整；级间连接段采用多层折流板型式，可有效回收气体动压，降低级间流动损失。本发明可以广泛应用于深冷气源供应、天然气脱水、脱重烃等领域。

权利要求

1.轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，所述的轴流自循环式气波制冷装置主要由进气压力调节阀(1)，轴流自循环式气波制冷机(3)、冷却器(7)、换热器(6)、以及产气压力调节阀(5)组成；

轴流自循环式气波制冷机(3)上设置有高压进气端口(2)、低温排气端口(4)、低压回气端口(8)以及中压排气端口(9)；其中，高压进气端口(2)与进气压力调节阀(1)相连；低温排气端口(4)与换热器(6)的低压进气口相连；低压回气端口(8)与换热器(6)的低压排气口相连；中压排气端口(9)与冷却器(7)的中压进气口相连；冷却器(7)的中压排气口与换热器(6)的中压进气口相连；换热器(6)的中压排气口与产气压力调节阀(5)相连；

轴流自循环式气波制冷机(3)的壳体(12)内具有由主轴(25)带动旋转的转鼓(24)，转鼓(24)由均匀分布的两端贯通流道(23)组成，且各流道(23)由流道间隔板分开，各流道(23)间互不相通；转鼓(24)上端设有带有高压喷嘴(11)的高压腔(26)，高压腔(26)与高压进气端口(2)连通，高压腔(26)顶部外侧通过螺栓固定于壳体(12)；转鼓(24)上端其余部分与壳体(12)之间的空间为低温腔体(28)，低温腔体(28)与低温排气端口(4)连通；壳体(12)的上、下端板内分别设置有上轴承(10)和下轴承(14)用于主轴(25)的固定，两轴承分别通过上轴承压盖(27)和下轴承压盖(15)予以限位；壳体(12)内的中部设有与中压排气端口(9)相连的中压腔体(30)，中压腔体(30)顶部设置有中压喷嘴(13)，中压腔体(30)位于转鼓(24)下端；转鼓(24)下端其余部分与壳体(12)之间的空间为低压回气腔(29)；下封头(17)通过螺栓固定于壳体(12)下端板，下封头(17)与壳体(12)下端板间设置有多级的内置风机；内置风机包括由最后一级风机扩压器(21)与最后一级风机叶轮(20)组成的最后一级内置风机，由第一级风机扩压器(19)与第一级风机叶轮(16)组成的第一级内置风机，以及中间各级内置风机；壳体(12)的下端板上设置有回气导流口(22)，使经过内置风机推动的气体进入到低压回气腔(29)，然后再流入转鼓(24)的流道(23)。

2.根据权利要求1所述的轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，内置风机级数为1～10级，每一级内置风机由一组风机扩压器和风机叶轮组成；各级内置风机中，除最后一级风机扩压器(21)外，其余各级风机扩压器均由风机蜗壳(191)与级间扩压器(192)组成，而最后一级风机扩压器(21)则只为风机蜗壳；风机蜗壳(191)与级间扩压器(192)可为一体结构，也可为分体结构并通过螺栓固接。

3.根据权利要求2所述的轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，各级风机扩压器均位于相应风机叶轮的外侧，不与风机叶轮发生接触，风机蜗壳最内端与风机叶轮直径最大的最外端的距离为0.05～10mm；最后一级风机扩压器(21)固定于壳体(12)下端板，第一级风机扩压器(19)被夹固于下封头(17)与下一级风机扩压器之间，中间各级风机扩压器被夹固于其前、后两级的风机扩压器之间；各级风机叶轮通过平键与主轴(25)连接，最后一级风机叶轮(20)由上级叶轮压固于主轴(25)轴肩，第一级风机叶轮(16)被夹固于内置风机整体的风机压盖(18)与下一级风机叶轮之间，中间各级风机叶轮则被夹固于其前、后两级的风机叶轮之间。

4.根据权利要求1或2所述的轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，各级风机叶轮的叶片可沿叶轮旋转方向前向弯曲也可后向弯曲，弯曲形式可为圆弧、幂函数曲线或指数函数曲线的连续光滑线型；叶片入口角与出口角角度范围均为0°～180°；叶片高度为5mm～

500mm。

5.根据权利要求3所述的轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，各级风机叶轮的叶片可沿叶轮旋转方向前向弯曲也可后向弯曲，弯曲形式可为圆弧、幂函数曲线或指数函数曲线的连续光滑线型；叶片入口角与出口角角度范围均为0°～180°；叶片高度为5mm～

500mm。

6.根据权利要求2或5所述的轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，各级风机扩压器的风机蜗壳(191)形状均为截面积由小到大的阿基米德螺旋线型式，单级蜗壳数量为1～

8个；级间扩压器(192)设置有2～9层挡板，从而在径向上将流域切分数量为2～9层，每层流域内，单股流体由折流板分流的流股数为2～4股；级间扩压器(192)的高度为5mm～500mm。

7.根据权利要求3所述的轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，各级风机扩压器的风机蜗壳(191)形状均为截面积由小到大的阿基米德螺旋线型式，单级蜗壳数量为1～8个；

级间扩压器(192)设置有2～9层挡板，从而在径向上将流域切分数量为2～9层，每层流域内，单股流体由折流板分流的流股数为2～4股；级间扩压器(192)的高度为5mm～500mm。

8.根据权利要求4所述的轴流自循环式气波制冷装置，其特征在于，各级风机扩压器的风机蜗壳(191)形状均为截面积由小到大的阿基米德螺旋线型式，单级蜗壳数量为1～8个；

级间扩压器(192)设置有2～9层挡板，从而在径向上将流域切分数量为2～9层，每层流域内，单股流体由折流板分流的流股数为2～4股；级间扩压器(192)的高度为5mm～500mm。

9.权利要求1～8所述的轴流自循环式气波制冷装置的制冷方法，其特征在于：高压进气由进气压力调节阀(1)调整为装置所需压力后，由高压进气端口(2)进入轴流自循环式气波制冷机(3)的高压腔(26)，再经高压喷嘴(11)喷射进入转鼓流道(23)内发生膨胀形成低压低温气体；转鼓(24)的流道(23)内原有气体被高压气体膨胀输出的膨胀功压缩升压为中压高温气，由壳体(12)上的中压喷嘴(13)排入中压腔体(30)，并由中压排气端口(9)排入至冷却器(7)消耗被压缩过程获得的热量成为中压常温气；在轴流自循环式气波制冷机(3)内置风机的驱动下，流道(23)内低压低温气由低温排气端口(4)排出至换热器(6)内，与由冷却器(7)排出的中压常温气进行冷量交换，得到装置产物中压低温气，中压低温气的气体压力可由产气压力调节阀(5)进行调节；将冷量传出的低压低温气转化为了低压常温气，并在多级的内置风机驱动下由低压回气端口(8)返回轴流自循环式气波制冷机(3)内以实现自循环，推动流道(23)内的低压低温气体排出。

10.根据权利要求9所述的轴流自循环式气波制冷方法，其特征在于，由换热器(6)排出的低压常温气在内置风机内的流动过程为：低压常温气由低压回气端口(8)首先进入第一级风机叶轮(16)直径最小的内端，经过第一级风机叶轮(16)的离心增压作用后由叶轮直径最大的外端排出，再进入第一级风机扩压器(19)内将部分动能转化为压力能，然后进入第二级风机进行与第一级相同的增压、动压回收过程；其余各级风机内的气体流动过程同上，回气由最后一级风机扩压器(21)排出后，通过壳体(12)上设置的回气导流口(22)进入设备低压回气腔(29)再流入转鼓(24)的流道(23)。

说明书

轴流型自循环式气波制冷装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气体膨胀制冷技术领域，具体涉及一种轴流型自循环式气波制 冷装置与方法。

背景技术

[0002] 气波制冷技术是一种利用激波、膨胀波等气体压力波进行气体间能量交换， 从而实现气体膨胀制冷的高效压力能综合利用技术，主要应用于深冷气源供应、 天然气脱水、
脱重烃等领域。常用气体膨胀制冷设备有膨胀机、节流阀等，其 中膨胀机虽然效率较高，但
转速高、带液能力差且加工、维护成本较高；节流 阀虽然为静设备，结构简单且加工、维护
成本低，但效率较低。

[0003] 相较之下，气波制冷机具有结构简单、持液量大、易维护等特点，且制冷 效率也相对较高，如专利轴流式自增压气波制冷装置以及制冷方法 CN103206801A、径流式自增压气
波制冷装置CN103206800A等。然而，前述专 利需要外置风机提供驱动力以实现低压低温气
由流道排出、换热、转化为低压 常温气返回流道的气体循环过程，存在推动力不易调节、装
置结构复杂以及占 用空间较大等缺陷。因此，如何提供一种既可实现压力能回收，又具备
结构简 单、易调节的自循环式气波制冷装置，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种轴流型自循环式气波制冷装置与方法，既能够在 膨胀制冷的同时回收气体压力能，又可在不需要外置设备的情况下实现低压气 体自循环，可有
效解决上述技术问题。

[0005] 本发明的技术方案：

[0006] 本发明提供的轴流型自循环式气波制冷装置由进气压力调节阀、轴流自循 环式气波制冷机、冷却器、换热器以及产气压力调节阀组成，本发明的具体工 作方法为：用于膨
胀制冷的高压进气首先流经进气压力调节阀，再由轴流自循 环式气波制冷机的高压进气
端口进入气波制冷机的高压腔，进入轴流自循环式 气波制冷机的高压进气压力可由进气
调节阀进行调节，从而使设备可满足不同 的制冷温降需求。高压腔内的高压进气会经高压
喷嘴喷射进入旋转至与高压喷 嘴接通的转鼓流道内，其在膨胀降温的同时会输出膨胀功，
为入射激波供能以 压缩流道内原有气体，使流道内原有的低压常温气升温升压为中压高
温气，实 现了压力能的回收。当流道继续旋转至与壳体上的中压喷嘴接通时，中压高温 气
由中压喷嘴排入中压腔，再由中压排气端口排入冷却器进行冷却，消耗被压 缩过程获得的
热量。在轴流自循环式气波制冷机多级的内置风机的驱动下，流 道内高压气体膨胀后形成
的低压低温气排出流道并由轴流自循环式气波制冷机 的低压排气端口排出至换热器内，
与由冷却器排出的中压常温气进行冷量交换， 得到装置产物中压低温气，此气体压力可由
产气压力调节阀进行调节，从而满 足不同工艺要求。将冷量传出的低压低温气转化为低压
常温气，并在轴流自循 环式气波制冷机多级内置风机驱动下由轴流自循环式气波制冷机
低压回气端口 返回轴流自循环式气波制冷机内以实现自循环，推动转鼓流道内的低压低
温气 体排出。

[0007] 本发明利用激波增压实现了高压气体膨胀功的回收，又通过换热器将高压 气膨胀所获得的冷量传递给升压所得的中压气，装置最终可获得具有中压压力 的低温产气，大
幅提升了装置总进、出气压比下的制冷深度，提升了设备整体 工作效率，避免了压力能的
浪费。

[0008] 本发明采取多级的内置风机结构，抽吸换热器排出的低压常温回气返回轴 流自循环式气波制冷机内，低压常温气首先进入第一级风机叶轮进行离心增压， 再进入第一级
风机扩压器的风机蜗壳进行动压回收。在风机蜗壳中，部分气体 动压转化为静压，从而提
升了回气压力，减少了气体流动损失。由于各级风机 沿轴向由下到上依次排布，因此回气
在第一级蜗壳出口处会发生转弯流动，且 仍具有很高的沿蜗壳出口切线方向的速度分量。
回气流入下级风机时的流动方 向为由外圈向内圈流动，流动截面积逐渐减小，为避免压力
能重新转化为速度 能，在风机扩压器的级间扩压器中设置了多层挡板，从而使流入级间扩
压器的 回气在向里圈流动过程中始终被分割为多个流股，保持着较大的总流通面积， 控
制了气体流速，降低了风机内的流动损耗，提升了自循环系统的整体效率。

[0009] 流出第一级级间扩压器后，经过一级升压的回气依次流入各级内置风机， 各级升压过程及原理与第一级相同，直至流出最后一级风机叶轮并进入最后一 级风机扩压器时，
回气在风机蜗壳内完成动压回收后即由设备壳体上设置的回 气导流口进入腔体内并流入
转鼓流道，而不再设置最后一级的级间扩压器。

[0010] 本发明通过各级内置风机为低压气体自循环提供驱动力，由于风机扩压器 的降速、导向作用可有效降低级间流动损失，因此通过调整风机级数使设备满 足增压需求既可
有效控制设备直径，也不会对自循环系统效率产生明显影响。 各级风机沿轴向依次安装，
相互间紧密接触但又保持相对独立，具有结构紧凑、 装配便捷且易于更换等优点。

[0011] 本发明中各级风机叶轮叶片可依据处理量与循环驱动力需求，采取不同的 结构尺寸与弯曲型式。各级风机扩压器的结构形式与尺寸同样可分别进行设计， 其中，蜗壳数
量可设置为多个，而级间扩压器内的挡板层数、单层挡板数以及 挡板弯曲形式也均可依据
气流情况逐级进行调整。

[0012] 本发明的有益效果

[0013] 本发明可利用激波增压效果，回收高压气体膨胀制冷时所输出的膨胀功， 从而使装置在固定膨胀比下获得更高的制冷深度。本发明的轴流自循环式气波 制冷机具有多级
的内置风机结构，此结构可为本发明所述制冷方法中的低压低 温气的排出、换热及转化为
低压常温气返回流道的气体循环过程提供驱动力， 从而可有效简化装置、减小设备尺寸及
占地面积；内置风机级数，风机叶轮叶 片形式，风机扩压器的扩压蜗壳尺寸、数量以及级间
扩压器的挡板形式与层数 等均可根据循环驱动力及设备尺寸需求进行设计调整，具有工
作效率高、工况 适应范围大以及安装维护方便等优点。

附图说明

[0014] 图1是轴流自循环气波制冷方法流程示意图；

[0015] 图2是轴流自循环式气波制冷机结构示意图；

[0016] 图3是风机蜗壳示意图，其中，a是图2中A‑A剖视图，b～h为不同蜗壳数 的单级风机蜗壳示意图；

[0017] 图4是图2中B‑B剖视图，即级间扩压器示意图；

[0018] 图5是内置风机结构及气体流动过程示意图；

[0019] 图6是高压腔体示意图。

[0020] 图中：1进气压力调节阀，2高压进气端口，3轴流自循环式气波制冷机，4 低温排气端口，5产气压力调节阀，6换热器，7冷却器，8低压回气端口，9中 压排气端口，10上轴承，11
高压喷嘴，12壳体，13中压喷嘴，14下轴承，15 下轴承压盖，16第一级风机叶轮，17下封头，
18风机压盖，19第一级风机扩 压器，20最后一级风机叶轮，21最后一级风机扩压器，22回气
导流口，23转 鼓流道，24转鼓，25主轴，26高压腔体，27上轴承压盖，28低温腔体，29 低压回
气腔，30中压腔体，191风机蜗壳，192级间扩压器。

具体实施方式

[0021] 本发明轴流型自循环式气波制冷装置与方法，其一种典型的实施方式描述 如下，但不止局限于此种实施方式：

[0022] 如图1所示的轴流型自循环式气波制冷装置，主要由进气压力调节阀1，轴 流自循环式气波制冷机3、冷却器7、换热器6、以及产气压力调节阀5组成。 轴流自循环式气波制冷
机3上设置有高压进气端口2、低温排气端口4、低压回 气端口8以及中压排气端口9等四个
压力端口。其中，高压进气端口2与进气 压力调节阀1相连；低温排气端口4与换热器6的低
压进气口相连；低压回气 端口8与换热器6的低压排气口相连；中压排气端口9与冷却器7的
中压进气 口相连；冷却器7的中压排气口与换热器6的中压进气口相连；换热器6的中 压排
气口则与产气压力调节阀5相连。

[0023] 如图2所示的轴流自循环式气波制冷机3的壳体12内具有由主轴25带动 旋转的转鼓24，转鼓24由均匀分布的两端贯通流道23组成，且各流道23由流 道间隔板分开，各流道
23间互不相通。转鼓24上端设有封闭的、带有高压喷 嘴11的高压腔26(如图6所示)，高压腔
26与高压进气端口2连通，高压腔 26顶部外侧通过螺栓固定于壳体12；转鼓24上端其余部
分与壳体12之间的空 间为低温腔体28，低温腔体28与低温排气端口4连通。壳体12上、下端
板内 分别设置有上轴承10和下轴承14用于主轴25的固定，两轴承分别通过上轴承 压盖27
和下轴承压盖15予以限位。壳体12内的中部设有与中压排气端口9相 连的中压腔体30，中
压腔体30顶部设置有中压喷嘴13，中压腔体30位于转鼓 24下端。转鼓24下端其余部分与壳
体12之间的空间为低压回气腔29。下封头 17通过螺栓固定于壳体12下端板，下封头17与壳
体12下端板间则设置有多级 的内置风机；多级的内置风机包括由最后一级风机扩压器21
与最后一级风机叶 轮20组成的最后一级内置风机，由第一级风机扩压器19与第一级风机
叶轮16 组成的第一级内置风机，以及中间各级内置风机。壳体12的下端板上设置有回 气
导流口22，使经过内置风机推动的气体进入到低压回气腔29，然后再流入转 鼓24的流道
23。

[0024] 高压进气由进气压力调节阀1调整为装置所需压力后，由高压进气端口2 进入轴流自循环式气波制冷机3的高压腔26，再经高压喷嘴11喷射进入转鼓流 道23内发生膨胀形
成低压低温气体；转鼓24的流道23内原有气体被高压气体 膨胀输出的膨胀功压缩升压为
中压高温气，由壳体12上的中压喷嘴13排入中 压腔，并由中压排气端口9排入至冷却器7消
耗被压缩过程获得的热量转化为 中压常温气；在轴流自循环式气波制冷机3多级的内置风
机的驱动下，流道23 内的低压低温气由低温排气端口4排出至换热器6内，与由冷却器7排
出的中 压常温气进行冷量交换，得到装置产物中压低温气，中压低温气的气体压力可 由
产气压力调节阀5进行调节；将冷量传出的低压低温气则转化为低压常温气， 并在多级的
内置风机驱动下由低压回气端口8返回轴流自循环式气波制冷机3 内以实现自循环，推动
流道23内的低压低温气体排出。

[0025] 每一级内置风机由一组风机扩压器和风机叶轮组成，内置风机级数为1～10 级，具体级数根据自循环驱动力需求确定，在装置应用过程中也可根据工况变 化进行调整。如
图3、5所示，各级风机叶轮的叶片可沿叶轮旋转方向前向弯曲 也可后向弯曲，弯曲形式可
为圆弧、幂函数曲线、指数函数曲线等连续光滑线 型；叶片入口角与出口角角度范围均为
0°～180°；叶片高度为5mm～500mm，具 体值根据设备处理量确定。各级内置风机中，除最后
一级风机扩压器21外，其 余各级风机扩压器均由如图3所示的风机蜗壳191与如图4所示的
级间扩压器 192组成，而最后一级风机扩压器21则只为风机蜗壳。风机蜗壳191与级间扩 
压器192可为一体结构，也可为分体结构并通过螺栓固接。各级风机扩压器的 蜗壳形状191
均为截面积由小到大的阿基米德螺旋线型式，单级蜗壳数量为1～8 个。级间扩压器192设
置有2～9层挡板，从而在径向上将流域切分数量为2～9 层，每层流域内，单股流体由折流
板分流的流股数为2～4股；级间扩压器192 的高度为5mm～500mm，具体值由设备处理量以
及上一级的风机蜗壳出流角度确 定。

[0026] 各级风机扩压器均位于相应风机叶轮的外侧，不与风机叶轮发生接触，风机 蜗壳最内端与风机叶轮直径最大的最外端的距离为0.05～10mm。设备最后一级 风机扩压器21
固定于壳体12下端板，第一级风机扩压器19则被夹固于封头17 与下一级风机扩压器之间，
中间各级风机扩压器则被夹固于其前、后两级的风 机扩压器之间。设备各级风机叶轮通过
平键与主轴25连接，最后一级风机叶轮 20由上级叶轮压固于主轴25轴肩，第一级风机叶轮
16则被夹固于内置风机整 体的风机压盖18与下一级风机叶轮之间，中间各级风机叶轮则
被夹固于其前、 后两级的风机叶轮之间。

[0027] 如图5所示，由换热器6排出的低压常温气在内置风机内的流动过程为： 低压常温回气由低压回气端口8首先进入第一级风机叶轮16直径最小的内端， 经过第一级叶轮16的
离心增压作用后由叶轮直径最大的外端排出，再进入第一 级风机扩压器19内将部分动能
转化为压力能，然后进入第二级风机进行与第一 级相同的增压、动压回收过程。其余各级
风机内的气体流动过程同上，回气由 最后一级风机扩压器21排出后，通过壳体12上设置的
回气导流口22进入设备 低压回气腔再流入转鼓24的流道23。

[0028] 本发明中各级内置风机叶轮叶片的形式、几何尺寸以及扩压器形式及尺寸 均相对独立，各部件可以完全一致也可以互不相同。