多級(jí)斯特林制冷機(jī)說明書

一種多級(jí)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(jí)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(chǔ)運(yùn)、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(jí)壓縮和節(jié)流膨脹實(shí)現(xiàn)深度制冷。天然氣儲(chǔ)運(yùn)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(yùn)貿(mào)易。而微型LNG液化裝置對(duì)油井伴生氣別離儲(chǔ)運(yùn)、垃圾場(chǎng)和廢水處理廠的沼氣資源回收都必不可少。為了滿足對(duì)微型LNG液化裝置的需求，在美國(guó)能源部的資助下，美國(guó)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(guó)天然氣技術(shù)研究所已經(jīng)許可商業(yè)化合作伙伴L(zhǎng)indeBOC使用此項(xiàng)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(chǎng)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(shí)例。根本原因是工質(zhì)密封難，沒有簡(jiǎn)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(guó)創(chuàng)造專利斯特林可逆熱機(jī)〔200710050949.2〕以兩級(jí)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(jì)理論研究》一文揭示了制冷深度〔熱泵揚(yáng)程〕和各結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。采用兩臺(tái)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(tái)斯特林可逆熱機(jī)稱為一級(jí)。有幾臺(tái)串聯(lián)就稱為幾級(jí)斯特林制冷機(jī)，兩臺(tái)以上串聯(lián)統(tǒng)稱多級(jí)斯特林制冷機(jī)。第一級(jí)的熱量流入端從環(huán)境吸入熱量，第二級(jí)的熱量流入端從第一級(jí)的熱量流出端吸入熱量。以此類推。最后一級(jí)的熱量流出端向環(huán)境放出熱量。如何實(shí)現(xiàn)熱量的級(jí)間傳遞是多級(jí)斯特林制冷機(jī)成敗的關(guān)鍵。中國(guó)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(jí)內(nèi)實(shí)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(jí)間實(shí)現(xiàn)相位差為的兩工作腔換熱，完成熱量?jī)杉?jí)間可靠傳遞；中國(guó)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(guó)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(yùn)行平穩(wěn)；中國(guó)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(jí)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(jí)斯特林制冷機(jī)。中國(guó)創(chuàng)造專利一種斯特林熱泵熱水器〔202310473554.4〕就是單級(jí)斯特林制冷機(jī)〔熱泵〕的應(yīng)用實(shí)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(jí)串聯(lián)，采用中國(guó)創(chuàng)造專利一種斯特林熱機(jī)換熱式回?zé)崞鳌?02310000717.7〕作級(jí)間換熱器，設(shè)計(jì)一種能到達(dá)深度制冷溫度的多級(jí)斯特林制冷機(jī)。為了實(shí)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(jí)斯特林制冷機(jī)、級(jí)間換熱器、聯(lián)軸通道、工況控制器、電動(dòng)機(jī)。其特征在于：所述電動(dòng)機(jī)置于最后一級(jí)斯特林制冷機(jī)熱量流出端氣缸中央的二級(jí)密封腔內(nèi)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與各級(jí)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(jí)斯特林制冷機(jī)的二級(jí)密封腔連通為一個(gè)密封腔。各級(jí)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(jí)斯特林制冷機(jī)工作腔數(shù)量相同，同級(jí)相位差為的兩工作腔連通同一回?zé)崞鞯膬蓚€(gè)換熱通道，相鄰兩級(jí)間相位差為的兩工作腔連通同一級(jí)間換熱器的兩個(gè)換熱通道。所有工作腔連接到同一個(gè)工況控制器。工況控制器的密閉空間與二級(jí)密封腔連通。二級(jí)密封腔及各工作腔內(nèi)充有工質(zhì)。二級(jí)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(jí)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(jí)增大，或沖程逐級(jí)增長(zhǎng)。因?yàn)榈谝患?jí)工作溫度低、工質(zhì)密度大，最低工作壓力一樣，輸運(yùn)熱量最少。所述各級(jí)斯特林制冷機(jī)可單獨(dú)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(jí)密封腔連通。本創(chuàng)造的優(yōu)點(diǎn)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(duì)林德循環(huán)有提高制冷能效的潛力。二是增加制冷機(jī)級(jí)數(shù)，制冷深度增大；加大電動(dòng)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(jiǎn)單、所需設(shè)備少，本錢相應(yīng)較低。四是對(duì)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(dòng)的車載制冷站，對(duì)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(shí)施例對(duì)本創(chuàng)造作進(jìn)一步說明：圖1是一種兩級(jí)斯特林制冷機(jī)整體示意圖；圖2是一種兩級(jí)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(jí)制冷機(jī)回?zé)崞鳎?、第二級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞髋c級(jí)間換熱器連接管通過口，7、第一級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞髋c級(jí)間換熱器連接管通過口，8、第一級(jí)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(dòng)機(jī)，14、第二級(jí)制冷機(jī)熱量流出端氣缸，15、第二級(jí)制冷機(jī)熱量流入端氣缸，16、第一級(jí)制冷機(jī)熱量流出端氣缸，17、聯(lián)軸通道，18、第一級(jí)制冷機(jī)熱量流入端氣缸，19、工況控制器，20、級(jí)間換熱器。具體實(shí)施方式圖1圖2所示的兩級(jí)斯特林制冷機(jī)是每級(jí)具有6個(gè)工作腔、雙環(huán)連接型斯特林制冷機(jī)，兩級(jí)共有12個(gè)工作腔。用于液化天然氣制取。電動(dòng)機(jī)13置于熱量流出端2中央，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與兩級(jí)制冷機(jī)熱機(jī)轉(zhuǎn)子軸同軸并連成一體。兩級(jí)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(jí)制冷機(jī)之間的聯(lián)軸通道17將兩級(jí)制冷機(jī)的二級(jí)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(jí)制冷機(jī)熱量流出端氣缸14和第二級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞?，連接管經(jīng)第二級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞髋c級(jí)間換熱器連接管通過口6連通第二級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞?和級(jí)間換熱器20，連接管連通級(jí)間換熱器20和第二級(jí)制冷機(jī)熱量流入端氣缸15，形成6個(gè)第二級(jí)制冷機(jī)工作腔。連接管連通級(jí)間換熱器20和第一級(jí)制冷機(jī)熱量流出端氣缸16，連接管經(jīng)第一級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞髋c級(jí)間換熱器連接管通過口7連通第一級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞?和級(jí)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(jí)制冷機(jī)熱量流入端氣缸18和第一級(jí)制冷機(jī)回?zé)崞?，形成6個(gè)第一級(jí)制冷機(jī)工作腔。同級(jí)制冷機(jī)相位差為的兩工作腔連通同一回?zé)崞鞯膬蓚€(gè)換熱通道，兩級(jí)制冷機(jī)間相位差為的兩工作腔連通同一級(jí)間換熱器的兩個(gè)換熱通道。由于第一級(jí)制冷機(jī)工作溫度低、輸運(yùn)熱量少，第一級(jí)制冷機(jī)的氣缸直徑小于第二級(jí)制冷機(jī)的氣缸直徑。12個(gè)工作腔一一對(duì)應(yīng)地連接到具有12個(gè)接口的工況控制器19，工況控制器的密閉空間與二級(jí)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(dòng)機(jī)電源，電動(dòng)機(jī)13驅(qū)動(dòng)斯特林制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行斯特林制冷循環(huán)。第一級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)間換熱器的第二級(jí)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(jí)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(jí)相位差為的同級(jí)工作腔工質(zhì)，進(jìn)入等容放熱過程，完成一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)。第一級(jí)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(jí)制冷機(jī)。第二級(jí)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(chǔ)存容器。圖1圖2一、申請(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)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(gè)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