一种高纯气大规模存储快速液化与回收装置，利用气体在临界点以下饱和蒸气压随温度下降而迅速下降的特点，充分挖掘气瓶、齿轮泵、制冷装置、加热器的极限性能，集成已有的标准化气瓶、齿轮泵、制冷装置而达到高密度存储及快速液化、回收的目的，可用于数十吨级、百吨级的高纯气体使用领域。高纯气体使用领域。高纯气体使用领域。
【技术实现步骤摘要】
高纯气体大规模存储快速液化与回收装置
[0001]本技术涉及高纯流体介质或者昂贵流体介质的使用领域，具体是一种高纯气体大规模存储快速液化与回收装置。
技术介绍
[0002]暗物质直接探测是高能物理实验领域的前沿课题，目前国内外主流的探测器以低温液化的高纯氙作为靶物质，探测器的规模也从最初的10kg级逐步发展到现在的10吨级，例如PandaX、XENON、LZ(LUX)等系列实验，远期规划的探测器已达百吨级，探测目标也已经扩展到无中微子双贝塔衰变事例搜寻。这类实验必须在深地实验室进行，以避免宇宙射线的干扰，而深地实验室建设周期长，费用高，空间相对有限，随着实验规模的扩大，在系统设计中设备尺寸也是必须考虑的限制性条件。氙是昂贵稀少的惰性气体，在空气中约占0.1ppm，全球的产能也十份有限，巨量的氙气需要积攒多年才能满足实验规模，并且暗物质探测实验对氙气的纯度要求到6N级别，其中的氪含量需要低于1ppt甚至0.1ppt，所以氙气必须回收重复使用。以往的暗物质探测实验，以气氙形式存储、加注、回收，加注与回收过程伴随气液相变，甚至回收过程需要多次相变，能量浪费严重，操作效率低，并且大量消耗液氮。现在已经升级为不锈钢杜瓦回收、加注、存储，但这种方案占地面积仍然较大，造价昂贵，例如XENON1T实验组设计了ReStoX 系统用于存储、加注、回收液态氙，其中直径2.1m真空绝热球罐可存储7.6吨氙，然而冷却过程需要消耗大量的液氮，系统也需要配置容积10m3的液氮罐。液氙探测器一般工作在178K，而液氮沸点77K，两者温差巨大，冷量利用率低，在液氮大规模供应方便的地面实验中，这个问题并不严重，但在地下实验室则不同。由于制冷系数随制冷温度降低而减小，在实验室生产液氮并用于冷却液化氙气是极其低效的，并且生产设备也占用宝贵空间，从外界向地下实验室大规模运输液氮需要消耗大量的人力资源。前述矛盾随着实验规模的扩大而日益突出，所以必须发展不依赖大量液氮的高纯氙气大规模高密度存储、快速液化与回收技术。
[0003]本技术充分挖掘已有标准气瓶、齿轮泵的各种极限性能，以获得高密度大规模存储高纯氙气的能力，并保证高速率回收、液化灌注等。
技术实现思路
[0004]本技术旨在解决现有高纯气体大规模存储占地空间大、存储费用高以及难以快速液化快速回收的问题，本技术提供一种高纯气体大规模存储与快速液化、回收装置，特别是利用氙气临界温度接近室温并且在临界点以下饱和蒸气压随温度下降而迅速下降的特点，充分挖掘气瓶、齿轮泵、制冷装置、加热器的极限性能，集成已有的标准化钢质气瓶、齿轮泵、制冷装置而达到高密度存储及快速液化、回收的目的，可用于未来的数十吨级、百吨级的高纯氙气使用领域。
[0005]本技术的技术解决方案如下：
[0006]一种高纯气体大规模存储快速液化与回收装置，其特点在于包括存储气瓶组、加
注管路、液氙回收管路和液氙紧急回收管路，
[0007]所述的存储气瓶组包括气瓶组框架和气瓶组，所述的气瓶组框架是由框架和保温层构成的保温结构腔体，所述的气瓶组包括上托盘、下托盘和N个气瓶，每个气瓶的上下两端的肩部都分别设有上换热器、上方电动阀门、下换热器、下方电动阀门并置于所述的上托盘和下托盘之间，所述的气瓶组置于所述的气瓶组框架内的保温结构腔体中，在所述的下托盘的下方设有称重传感器，所述的上托盘设有与每个气瓶的上端相连的上部管路和上载冷剂管道，所述的下托盘设有与每个气瓶下端相连的下部管路和下载冷剂管道，所有N个气瓶立式布置在所述的气瓶组框架之内；其中N为2以上的正整数；
[0008]所述的上部管路在加注工况依次经第1减压阀、第1电动阀门与外置的高压气瓶相连并连通；在正常回收工况与第1电加热器出口连接并连通；在紧急回收工况与第3换热器的热侧进口端连接并连通；
[0009]所述的下部管路在加注工况通过管路依次连接第2电动阀门、中间换热器、第1齿轮泵、第1缓冲器、末端换热器、第2齿轮泵、第2缓冲器、第3电动阀门、第3齿轮泵与PandaX探测器的1端口相连，在所述的第2电动阀门之前的下部管路上设有第1压力传感器，所述的第1缓冲器上设有第2压力传感器，所述的第2缓冲器设有第3压力传感器，所述的第二缓冲器设有第2氙气管路，该第2氙气管路依次经第4电动阀门、第2减压阀与所述的PandaX探测器的第2 端口相连；所述的第1缓冲器设有第1氙气管路，该第1氙气管路依次经第5 电动阀门、第3减压阀与所述的PandaX探测器的第3端口相连；所述的PandaX 探测器还设有制冷系统和第4压力传感器；在紧急回收工况，所述的下部管路经第2电动阀门后与第3电加热器出口端连接并连通；
[0010]所述的液氙回收管路包括依次的第1温度计、第1电加热器、第2温度计和第2电加热器，该液氙回收管路的两端分别与所述的上部管路、所述的第3电动阀门的第3端口相连；
[0011]所述的液氙紧急回收管路，包括第3电加热器、第3温度传感器、第3换热器、第4换热器、第4齿轮泵和管路，在所述的第3电动阀门和所述的下部管路之间的管路上，所述的第3电动阀门与所述的第4换热器的1端口相连，该第4 换热器的2端口与所述的第3电加热器的一端相连，该第3电加热器的另一端和第2电动阀门的一端相连，第4齿轮泵连接在所述的第4换热器的4端口和1 端口之间，在所述的第3电加热器和第2电动阀门之间的管路上设有第3温度传感器；所述的第3换热器的两端分别与所述的上部管路和所述的第4换热器的3 端口相连；
[0012]所述的中间换热器、末端换热器还分别与第一冷冻机与第二冷冻机相连，或者分别是第一冷冻机与第二冷冻机的蒸发器。
[0013]所述的气瓶的设计压力不低于10MPa。
[0014]所述的保温结构内部的气瓶及阀门等设备可长时间工作在
‑
30℃及以下温度；所述的气瓶输出的气氙或液氙，温度在
‑
40℃至
‑
30℃之间。
[0015]所述的保温结构由低热导率材料或者采用真空绝热构成，所述的低热导率材料的热导率不大于0.1W/(m
·
K)，厚度不小于50mm，总面积不小于单个气瓶的表面积，保温结构的有效热导不大于20W/K；
[0016]所述的气瓶温控结构是用铜、铝或者其他热导率不小于100W/(m
·
K)的材料制作，内部有换热流体通路，并至少有2个换热流体的进管口和出管口，温控结构与气瓶的瓶体通
过导热胶密切配合，配合面积不小于50平方厘米，配合面的平均正应力不小于1000Pa。
[0017]所述的换热器、齿轮泵、缓冲器和电动阀门的设计压力不小于2MPa，并有保温结构。
[0018]所述的齿轮泵为无动密封的磁联轴器驱动的齿轮泵，所述的齿轮泵的驱动电机为可调速的、可正反转的步进电机、伺服电机。
[0019]所述的冷冻机为自复叠制冷机，所述的冷冻机的蒸发器有两套，一套用于冷却载冷剂，另一套可直接冷却所述的高纯气体；所述的载冷剂本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高纯气体大规模存储快速液化与回收装置，其特征在于，包括存储气瓶组、液氙回收管路和液氙紧急回收管路；所述的存储气瓶组，包括气瓶组框架(1)和气瓶组，所述的气瓶组框架(1)是由框架和包裹该框架的保温层(8)形成的保温腔体，所述的气瓶组置于所述的保温腔体中，所述的气瓶组包括上托盘(2)、下托盘(4)和置于所述的上托盘(2)和下托盘(4)之间的多个气瓶(3)，每个气瓶(3)的上下两端的肩部均分别设有上换热器(22)和下换热器(25)，每个气瓶(3)的上下瓶口均分别安装上电动阀门(24)和下电动阀门(23)，在所述的下托盘(4)的下方设有称重传感器(5)，所述的上托盘(2)上设有与每个气瓶(3)的上电动阀门(24)相连的上部管路(6)，与每个气瓶(3)的上换热器(22)相连的上载冷剂管道(7)，所述的下托盘(4)上设有与每个气瓶(3)的下电动阀门(23)相连的下部管路(10)，与每个气瓶(3)的下换热器(25)相连的下载冷剂管道(9)；所述的上部管路(6)在灌注工况依次经第1减压阀(60)、第1电动阀门(61)与外置的高压气瓶(62)相连，所述的气瓶(3)侧为第1减压阀(60)的低压侧；所述的下部管路(10)在灌注工况依次经第2电动阀门(41)、中间换热器(42)、第1齿轮泵(43)、第1缓冲器(44)、末端换热器(46)、第2齿轮泵(47)、第2缓冲器(48)、第3电动阀门(50)、第3齿轮泵(51)与PandaX探测器(100)的1端口相连，在所述的第2电动阀门(41)之前的下部管路(10)上设有第1压力传感器(63)，所述的第1缓冲器(44)上设有第2压力传感器(45)，所述的第2缓冲器(48)设有第3压力传感器(49)，所述的第2缓冲器(48)设有第2氙气管路(54)，该第2氙气管路(54)依次经第4电动阀门(56)、第2减压阀(55)与所述的PandaX探测器(100)的第2端口相连；所述的第1缓冲器(44)设有第1氙气管路(59)，该第1氙气管路(59)依次经第5电动阀门(58)、第3减压阀(57)与所述的PandaX探测器(100)的第3 端口相连；所述的液氙回收管路，包括依次连接的第1温度计(71)、第1电加热器(72)、第2温度计(73)和第2电加热器(74)，该液氙回收管路的两端分别与所述的上部管路(6)、所述的第3电动阀门(50)的第3端口相连；所述的液氙紧急回收管路，包括第3电加热器(81)、第3温度传感器(82)、第3换热器(83)、第4换热器(84)、第4齿轮泵(85)和管路(86)，在所述的第3电动阀门(50)和所述的下部管路(10)之间的管路(86)上，所述的第3电动阀门(50)与所述的第4换热器(84)的84
‑
1端口相连，该第4换热器(84)的84
‑
2端口与所述的第3电加热器(81)的入口端相连，该第3电加热器(81)的出口端和第2电动阀门(41)的一端相连，第4齿轮泵(85)连接在所述的第4换热器(84)的84
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4端口和84
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1端口之间，驱动方向为从84
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4端口向84
【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，刘江来，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：新型
国别省市：
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