用于液化气体的设备和方法
1.本发明涉及一种用于液化气体的设备和方法。
2.更具体地，本发明涉及一种用于液化比如氢气的气体流的设备，该设备包括冷却回路，该冷却回路设置有上游端和下游端，该上游端旨在被连接到要液化的加压气体的源，该下游端旨在被连接到用于使用经液化气体的部件，该设备包括在上游端与下游端之间的一组旨在液化所述气体的部件，并且包括用于冷却该气体的至少一个交换器和被安装在由至少一个气体静压型轴承所支撑的旋转轴上的至少一个膨胀涡轮，该冷却回路包括加压气体注入导管，该注入导管具有上游端和下游端，该上游端旨在接收由该源供应的加压气体，该下游端被连接到该轴承以支撑该旋转轴，该设备包括用于回收已在该轴承中使用的气体的导管，该回收导管包括被连接到该轴承的上游端、以及下游端。
3.液化气体通常包含用于膨胀气体的一个或多个阶段，从而利用供应给工作气体的压力能，该气体通常在环境温度下被压缩。
4.这些膨胀阶段通常通过内流式涡轮来执行，该内流式涡轮从该工作流体(氦气、氢气、氖气、氮气、氧气等或其混合物)中提取热量，以便将其转移到要液化的流体中。
5.在气体液化器中使用了几种技术来支撑旋转轴，在该旋转轴的末端处附接有涡轮。
6.因此，油楔效应轴承使用了合成油的闭合回路，该闭合回路将此流体连续注入该轴中，以便支撑所述轴。通常安装提升泵，以补偿与将流体注入特定喷嘴相关联的压力损失。
7.另一种已知的解决方案使用了磁性轴承(有源或无源)。根据此技术，磁体被定位在转子上，该磁体允许所述转子借助于在该涡轮发动机的固定件上与之相对安装的磁体来进行磁性支撑。
8.就其本身而言，动压气体轴承技术使用了由涡轮旋转形成的气体垫。封闭气体体积中的反作用效应(与涡轮发动机的固定件的特定几何形状相关联)能够使该旋转轴得到支撑。
9.气体静压型轴承技术使用了在该轴上连续注入工作气体，以允许其能够连续地得到支撑。此解决方案是非常可靠的，并且膨胀的气体几乎没有污染。然而，此解决方案为此消耗了工作气体。此技术还导致在压缩站处的更大耗电。
10.一种优化在轴承中使用的气体流的方式包含压缩已在轴承中使用的气体流。例如，在主循环压缩机中或者在与设备组并联的压缩机中，将此气体压缩到合适的压力水平。然而，此方法为避免连续地损失此产物而导致了更高能耗和附加的投资成本。另一种解决方案包含将此气体压缩在高压瓶或罐中，以用于其的回收(以气态形式出售，用于附加的市场)。
11.然而，这些解决方案不完美且不令人满意。
12.本发明的目的是克服上述现有技术的全部或一些缺点。
13.为此，还根据上述前序部分中提供的通用定义的根据本发明的设备的基本特征在于，该气体回收导管的下游端被连接到该冷却回路、在其上游端与下游端之间，以便回收利
用已用于支撑该轴承的旋转轴的气体中的至少一些气体，以液化所述气体。
14.这允许在使用气体静压型轴承技术而支撑的涡轮的情况下，创新地从一个或多个轴承中回收气体，其中该轴承气体与该要液化的流体相同。
15.此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
[0016]-该回收导管包括至少一个气体流量控制阀，特别是膨胀阀；
[0017]-该回收导管包括用于与至少一个冷却热交换器进行热交换的部分；
[0018]-该回收导管包括被连接到该至少一个膨胀涡轮的出口的下游端；
[0019]-该回收导管在其上游与下游端之间与该冷却回路的至少一个气体冷却交换器进行热交换；
[0020]-该回收导管经由在一个或多个交换器中的一个或多个通道与该冷却回路的一个或多个气体冷却交换器进行热交换，该一个或多个通道与为该冷却回路(2)提供的通道是分开的，即该冷却回路的气体和在该回收导管中循环的气体在下游混合之前并行且分开地被冷却；
[0021]-该回收导管包括被连接到该冷却回路的上游端的下游端；
[0022]-该回收导管包括压缩机，该压缩机被配置为在气体被重新注入该冷却回路之前压缩该气体；
[0023]-该至少一个膨胀涡轮被安装在该旋转轴的第一端上，其中该旋转轴的另一端支撑位于用于工作气体的环路中的压缩机，所述回路包括与冷却交换器进行热交换的部分，以便冷却由该压缩机压缩的气体；
[0024]-该注入导管的下游端包括用于将气体注入该轴承中的至少一个喷嘴，该至少一个喷嘴被配置为确保在该轴承中所述气体压力的受控降低并将从该轴承输出的所述气体的压力保持在确定阈值以上。
[0025]-本发明还涉及一种用于在液化设备中液化比如氢气的气体流的方法，该设备包括冷却回路，该冷却回路设置有被连接到要液化的加压气体的源的一端、以及旨在被连接到用于使用经液化气体的部件的下游端，该设备包括在该上游端与下游端之间的一组旨在液化所述气体的部件，并且包括用于冷却该气体的至少一个交换器和被安装在由至少一个气体静压型轴承支撑的旋转轴上的至少一个膨胀涡轮，该设备的回路包括加压气体注入导管，该注入导管具有上游端和下游端，该上游端旨在接收由该源供应的加压气体，该下游端被连接到该气体静压型轴承以支撑该旋转轴，该设备包括用于回收已在该轴承中使用的气体的导管，该导管包括被连接到该轴承的上游端、以及下游端，该方法包括将已用于支撑该轴承的旋转轴的气体中的至少一些气体重新注入该冷却回路以液化所述气体的步骤。
[0026]
根据其他可能的特定特征：
[0027]-该要液化的气体是来自氢气、氦气、氖气、氮气、氧气、氩气中的至少一种；
[0028]-源自在该冷却回路的上游端处的源的该要液化的气体的压力范围是在5绝对巴与80绝对巴之间，从该回收导管的上游端回收的该气体的压力范围是在1.5绝对巴与20绝对巴之间。
[0029]
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上述或下述特征的任何组合的任何替代性装置或方法。
[0030]
通过阅读以下参考附图提供的描述，进一步的特定特征和优点将变得显而易见，
在附图中：
[0031]
[图1]示出了展示根据本发明的设备的结构和操作的第一示例的局部示意图；
[0032]
[图2]示出了展示根据本发明的设备的结构和操作的第二示例的局部示意图。
[0033]
例如，[图1]和[图2]中所示的液化设备1是一种用于液化氢气(h2)流的设备。当然，本发明不限于此应用，而是可以涉及任何其他气体或气体混合物。
[0034]
设备1包括冷却回路2，该冷却回路设置有上游端，该上游端被连接到要液化的加压气体(例如，压力范围在5绝对巴与80绝对巴之间的氢气)的源3。
[0035]
冷却回路2包括下游端4，该下游端旨在被连接到用于使用/回收经液化气体的部件(例如，储存器)。
[0036]
设备1通常包括在上游端与下游端4之间的一组旨在液化气体的部件5、6。特别地，这些部件包括至少一个气体冷却交换器5(特别是串联的多个交换器)和一个或多个膨胀涡轮6。
[0037]
当然，所示的液化设备1是简化的，但是可以包括任何其他合适的部件(压缩机、阀等)。
[0038]
所图示的膨胀涡轮6通常被安装在由至少一个气体静压型轴承7支撑的旋转轴上。
[0039]
冷却回路2包括加压气体注入导管8，该注入导管具有上游端，该上游端被连接到冷却回路2的上游端并接收由源3供应的加压气体。
[0040]
注入导管8具有下游端，该下游端被连接到轴承7以用于支撑旋转轴。例如，注入导管8的下游端包括至少一个喷嘴16，用于将气体注入轴承6的入口中。
[0041]
设备1包括用于已在轴承7中使用的气体的至少一个回收导管9。此回收导管9包括被连接到轴承7(在轴承的出口处)的上游端、以及下游端。根据有利的特定特征，气体回收导管9的下游端被连接到冷却回路2、在其上游端与下游端之间，以便回收利用已用于对轴承7的旋转轴进行支撑的气体中的至少一些气体，以液化所述气体和由源3供应的其余气体。
[0042]
回收导管9优选地包括至少一个气体流量控制阀11，特别是膨胀阀。
[0043]
膨胀涡轮6被提供以从要液化的气体中提取能量。例如，此涡轮6可以被安装在该方法的冷端，并且其方式为在液相中准等熵地工作。
[0044]
在[图1]的示例中，回收导管9包括被连接到膨胀涡轮6的出口的下游端。而且，回收导管9可选地在其上游端与下游端之间与冷却回路2的气体冷却交换器5进行热交换。换言之，已在轴承7中使用的气体在与在冷却回路2中获得的经液化气体混合之前被可选地冷却和液化。
[0045]
如图所示，回收导管9可选地可以经由在一个或多个交换器5中的一个或多个附加通道与冷却回路2的气体冷却交换器5进行热交换，该一个或多个附加通道与为冷却回路2提供的主通道是分开的。换言之，在冷却回路2中的气体和在回收导管9中循环的气体可以在下游混合之前在相同的交换器5中但并行且分开地被冷却。因此，在回收导管中循环的气体可以在交换器5中的全部或一些交换器的专用通道中并且以比在这些交换器的其他通道中循环的冷却回路气体更低的压力被循环和冷却。当然，回收导管9可以被连接到膨胀涡轮的下游，而不必穿过用于对冷却回路2的气体进行冷却的一个或多个交换器5。
[0046]
换言之，与[图1]中所示相反，导管9不必穿过一个或多个交换器5。
[0047]
热交换器5(例如铝翅片板式交换器)中的主通道可以被配置为在要液化的流体与冷却流体18(其可以不同于要液化的气体的类型)之间进行热交换。
[0048]
用于对轴承7的轴进行支撑的加压气体可以经由一个或多个喷嘴被注入轴承中，该一个或多个喷嘴使此加压气体部分地膨胀。
[0049]
例如，如果源的供应是30绝对巴，则轴承7可以被设计为使得轴得以支撑并使得膨胀的气体回到大约几绝对巴的中间压力(例如3绝对巴)。这不需要任何附加的成本，可以仅修改注入喷嘴的直径来实现此目标。静压轴承7中的气体注入喷嘴可以被设计为不消耗在供应气体中可用的所有压力，即，使得在离开轴承7时，气体仍具有足够的驱动压力以克服回路的其余部分(主要是通过下游热交换器5的通道)中的固有压力损失。
[0050]
此解决方案通过在并联回路中液化来自轴承的气体、然后在涡轮6的下游的主液化回路中混合来避免过量的气体消耗。
[0051]
此解决方案不需要并联的压缩机器，也不需要增加现有压缩机站的质量或体积容量。
[0052]
例如，采用由源3所供应的气体中的5％，并用于将其注入要支撑的膨胀涡轮6的轴承中。此5％最终在液化流中发现。
[0053]
在[图2]的实施例中，回收导管9包括被连接到冷却回路2的上游端的下游端。换言之，在轴承7中使用的气体被回收利用到冷却回路2的上游。在此情况下，如图所示，气体优选地在重新注入冷却回路2之前在压缩机12(或类似设备)中被压缩并在交换器10(或类似设备)中被冷却，以便适应其连结的回路2中的压力和温度条件。
[0054]
如[图2]中虚线示意性示出的，此回收、压缩和冷却的气体中的一些可以用于填充加压气体储器17。
[0055]
如示意性示出的，膨胀涡轮6可以被安装在旋转轴或轮轴的第一端上，其中该轴的另一端支撑设备1的压缩机13。此压缩机13可以是设备1的对要液化的气体进行压缩的压缩机。
[0056]
压缩机13可以位于用于工作气体的环路14(特别是闭合回路)中。此环路14可以包括与冷却交换器15进行热交换的部分，用于冷却由压缩机13压缩的气体。冷却交换器15可以通过冷流体冷却。