CN100357674C

CN100357674C - 水冷式内复叠制冷系统

Info

Publication number: CN100357674C
Application number: CNB2006100130833A
Authority: CN
Inventors: 杨永安; 陆佩强; 严雷
Original assignee: TIANJIN BUSINESS COLLEGE
Current assignee: TIANJIN BUSINESS COLLEGE; Tianjin University of Commerce
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: CN1804507A

Abstract

本发明公开了一种水冷式内复叠制冷系统，旨在提供一种采用水冷凝方式，制冷效率高，系统平衡时间短，运行稳定，结构简单的水冷式内复叠制冷系统。包括压缩机、水冷却系统、水冷冷凝器、汽液分离器及其内的水冷却器、冷凝蒸发器及其内的高沸点工质蒸发器、保温箱体及其内的低沸点工质蒸发器、第一回热器和第二回热器，所述水冷冷凝器和汽液分离器内的水冷却器分别与所述水冷却系统连接。由于采用了水冷凝方式，在汽液分离器中采用水冷却器冷凝高沸点工质蒸汽，水冷却器中的水和冷凝器共用一套水系统，从而提高了高沸点工质的利用效率，亦即提高了整体系统的能效比。而且结构简单、系统平衡时间短，能很好的实现制冷系统控制。

Description

水冷式内复叠制冷系统

技术领域

本发明涉及一种内复叠制冷系统，更具体的说，是涉及一种水冷冷凝器和汽液分离器中采用了水冷凝方式的内复叠制冷系统。

背景技术

内复叠制冷系统(auto-cascade refrigeration)在能源、航天、军工、生物、医药、食品、材料等行业中有着非常好的的应用前景。该技术制作的制冷机基于KLEEMENKO循环原理，采用非共沸混合工质作制冷剂，整套系统只使用一台压缩机，用高沸点工质的蒸发冷凝低沸点工质，低沸点工质的蒸发获得冷量。对于双工质系统可获得-50℃～-80℃的低温。该系统由于设备少，成本低得到了广泛的应用。但目前在该系统的汽液分离器中由于采用高沸点工质蒸发来冷凝高沸点工质蒸汽的方法，高沸点工质的利用效率较低，整个系统的能效比较低。而且，由于高沸点工质和低沸点工质的分离技术的影响，使得低沸点工质中含有一定比例的高沸点工质，产生低沸点工质蒸发温度的漂移，造成系统稳定性差。

专利公开号为CN1363815A，发明名称为《深度制冷装置》的专利文献公开了一种采用精馏装置分离技术有效地分离高、低沸点工质的制冷装置，其分离效率虽然提高，但由于高沸点工质进入精馏装置和冷凝蒸发器的蒸发温度不同，按照该系统循环，会使得在高沸点工质进入精馏装置和冷凝蒸发器的分配上很难控制，且用节流后的高沸点工质经汽液分离器上部冷凝高沸点工质蒸汽后再进入冷凝蒸发器冷凝低沸点工质，势必会造成低沸点工质在汽液分离器中提前被冷凝下来，导致系统平衡时间长，能效比较低，很难实现技术的产品化和工业化。另外，实验表明，在高沸点工质中含有很少比例的低沸点工质对系统的影响很小，但低沸点工质中含有很少比例的高沸点工质会产生低沸点工质蒸发温度的漂移，造成系统稳定性差。因此在精馏塔中对高沸点工质的加热以提高高沸点工质纯度的意义不大，该装置的系统稳定性较低，而且高沸点工质的利用效率较低，整个系统的能效比较低。

专利公开号为CN1677014A，发明名称为《混合工质内复叠制冷系统》的专利文献公开了一种用高沸点工质在冷凝蒸发器和汽液分离器中采用不同蒸发温度达到分别冷凝低沸点工质和高沸点工质的目的，以达到缩短系统平衡时间、减少系统能耗的内复叠制冷系统。但由于采用风冷凝方式，会增加混合工质在风冷式冷凝器的两相流动中的阻力，系统冷凝压力会相对提高，造成压缩比增加。且在汽液分离器内高沸点工质蒸发器出口与冷凝蒸发器内高沸点工质蒸发器出口之间管接有蒸发压力调节阀平衡系统回气压力，加大了系统的不可逆损失，而且系统结构较复杂。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的缺陷，提供一种采用水冷凝方式冷凝高沸点工质蒸汽，以实现混合工质内复叠制冷系统的较好循环方式，更好地实现系统控制，制冷效率高，系统平衡时间短，运行稳定，且便于实现产品化，结构简单的水冷式内复叠制冷系统。

本发明通过下述技术方案实现：

一种水冷式内复叠制冷系统，其特征在于，包括压缩机、水冷却系统、水冷冷凝器、汽液分离器及其内的水冷却器、冷凝蒸发器及其内的高沸点工质蒸发器、保温箱体及其内的低沸点工质蒸发器、第一回热器和第二回热器，所述水冷冷凝器和汽液分离器内的水冷却器分别与所述水冷却系统连接；所述压缩机的出口与所述水冷冷凝器的入口连接，所述水冷冷凝器的出口连接到汽液分离器的中部，所述汽液分离器顶部的气体出口与所述冷凝蒸发器顶部的气体入口连接；所述汽液分离器底部的液体出口依次与第二回热器、电磁阀、高沸点工质节流元件、高沸点工质蒸发器的入口连接，所述冷凝蒸发器底部的液体出口依次与第一回热器、电磁阀、低沸点工质节流元件、低沸点工质蒸发器的入口连接，所述低沸点工质蒸发器的出口依次与第一回热器、第二回热器连接；所述高沸点工质蒸发器的出口与第二回热器的低沸点工质出口通过管道并联后连接到压缩机的入口。

所述节流元件为一段毛细管、手动或自动的阀门、孔板型减压装置中的一种或几种的组合。

一种水冷式内复叠制冷系统，其特征在于，包括压缩机、水冷却系统、汽液分离器及其内的第一水冷却器和第二冷却器、冷凝蒸发器及其内的高沸点工质蒸发器、保温箱体及其内的低沸点工质蒸发器、第一回热器和第二回热器，所述汽液分离器内的第一水冷却器和第二冷却器分别与所述水冷却系统连接；所述压缩机的出口连接到汽液分离器的中部，所述汽液分离器顶部的气体出口与所述冷凝蒸发器顶部的气体入口连接；所述汽液分离器底部的液体出口依次与第二回热器、电磁阀、高沸点工质节流元件、高沸点工质蒸发器的入口连接，所述冷凝蒸发器底部的液体出口依次与第一回热器、电磁阀、低沸点工质节流元件、低沸点工质蒸发器的入口连接，所述低沸点工质蒸发器的出口依次与第一回热器、第二回热器连接；所述高沸点工质蒸发器的出口与第二回热器的低沸点工质出口通过管道并联后连接到压缩机的入口。

本发明具有下述技术效果：

1.本发明水冷式混合工质内复叠制冷系统由于采用了水冷凝方式，在汽液分离器中采用水冷却器冷凝高沸点工质蒸汽，水冷却器中的水和冷凝器共用一套水系统，从而提高了高沸点工质的利用效率，亦即提高了整体系统的能效比。

2.在汽液分离器中采用冷却水冷凝高沸点工质蒸汽，因而使得蒸汽压缩内复叠系统更趋于合理化，能有效控制高沸点工质的纯度和蒸发温度，同时提高低沸点工质的纯度，降低低沸点工质蒸发时的温度漂移，增加了系统整体稳定性。而且，本发明的制冷系统结构简单、系统平衡时间短，能很好的实现制冷系统控制。

3.本发明的制冷系统中使用的压缩机为普通的用油润滑的制冷压缩机，压缩比小于10。本发明的制冷系统中不需要低温压缩机，而且润滑油也是普通润滑油，或者说对润滑油的使用也没有限制，因此不但可降低制冷系统生产成本，也可以降低制冷系统使用成本，方便使用，便于推广。

附图说明

图1为本发明水冷冷凝器和水冷却器共用一套水系统的水冷式内复叠制冷系统的结构示意图；

图2为本发明位于汽液分离器中的两个水冷却器共用一套水系统的水冷式内复叠制冷系统的结构示意图。

图中：1-压缩机、2-水冷冷凝器、3-汽液分离器、4-水冷却器、4-1-第一水冷却器、4-2-第二水冷却器、5-高沸点工质蒸发器、7-电磁阀、8-高沸点工质节流元件、9-电磁阀、10-低沸点工质节流元件、11-保温箱体、12-低沸点工质蒸发器、13-第一回热器、14-第二回热器、15-水冷却系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。

图1为本发明水冷冷凝器和水冷却器共用一套水系统的水冷式内复叠制冷系统的结构示意图，包括压缩机1、水冷却系统15、水冷冷凝器2、汽液分离器3及其内的水冷却器4、冷凝蒸发器6及其内的高沸点工质蒸发器5、保温箱体11及其内的低沸点工质蒸发器12、第一回热器1 3和第二回热器14，水冷冷凝器2和汽液分离器内的水冷却器4分别与水冷却系统15连接，这样，水冷冷凝器2和汽液分离器内的水冷却器4公用一套水冷却系统。压缩机1的出口与水冷冷凝器2的入口连接，水冷冷凝器2的出口连接到汽液分离器3的中部，汽液分离器3顶部的气体出口与冷凝蒸发器6顶部的气体入口连接。汽液分离器3底部的液体出口依次与第二回热器14、电磁阀7、高沸点工质节流元件8、高沸点工质蒸发器5的入口连接，冷凝蒸发器6底部的液体出口依次与第一回热器13、电磁阀9、低沸点工质节流元件10、低沸点工质蒸发器12的入口连接，低沸点工质蒸发器12的出口依次与第一回热器1 3、第二回热器14连接，高沸点工质蒸发器的出口与第二回热器的低沸点工质出口通过管道并联后连接到压缩机1的入口。本发明水冷式内复叠制冷系统合理设计并在汽液分离器3中采用水冷却器4水冷凝高沸点工质蒸汽，水冷却器4中的水和水冷冷凝器2共用一套水系统，取代了现有技术内复叠制冷系统在汽液分离器中用高沸点工质蒸发来冷凝高沸点工质蒸汽的方法，如专利公开号为CN1363815A和CN1677014A的两件专利文献中公开的技术方案，避免了现有技术的缺陷，提高了高沸点工质的利用效率，亦即提高了整体系统的能效比。

本发明制冷系统使用的压缩机1为普通的用油润滑的制冷压缩机，压缩比小于10。它的作用是压缩低压混合工质以升高其压力。本发明制冷系统中不需要低温压缩机，而且润滑油也是普通润滑油，或者说对润滑油的使用也没有限制，因此不但可降低制冷系统生产成本，也可以降低制冷系统使用成本，方便使用，便于推广。

本发明制冷系统使用的水冷冷凝器2为普通制冷循环使用的水冷式冷凝器，其作用是放出经压缩机1压缩后的高压混合工质气体的热量，使高沸点工质在其中冷凝，同时低沸点工质在其中冷却。其采用的吸热介质可以为常温水、或其他流体。

本发明制冷系统中所述的汽液分离器3及配套管路，可以采用在化工领域广泛应用的填料式精馏塔或精馏系统。在此内复叠制冷系统中起到汽液分离的目的，其作用是将两种或多种沸点不同的混合汽液工质进行分离，在本发明制冷系统中分离经冷凝器2冷凝的高沸点工质和经冷凝器2未冷凝的低沸点工质。使得低沸点工质蒸汽从上部进入冷凝蒸发器6，高沸点工质液体则沉入下部，通过第二换热器14、电磁阀7和高沸点工质节流元件8后进入冷凝蒸发器6中的高沸点工质蒸发器5。

水冷却器4的作用是冷凝汽液分离器3中的高沸点工质蒸汽，以提高低沸点工质的纯度，降低低沸点工质蒸发时的温度漂移，增加了系统整体稳定性，能很好的实现制冷系统控制。

电磁阀7、电磁阀9是普通电动截止阀，其作用是保证系统停机后工质液体不再向相应的蒸发器流动，保证压缩机1高低压两侧的压力。

高沸点工质节流元件8和低沸点工质节流元件10为减压装置，其作用是使高压工质液体减压。节流元件采用的形式不受限制，可以是一段毛细管，也可以是手动或自动的阀门，也可以是孔板型减压装置，或者是它们的任意组合。

高沸点工质蒸发器5为一蒸发器，其作用是使低压高沸点工质液体蒸发以冷凝从汽液分离器3流入到冷凝蒸发器6中的高压高沸点蒸汽。

低沸点工质蒸发器12也是一蒸发器，其一侧通过低压低温低沸点工质流体进行蒸发吸热，另一侧是被冷却物放热，被冷却物可以是流体或固体。

冷凝蒸发器6是现有技术中常用的换热器，主要作用是利用高沸点工质的蒸发冷凝低沸点工质。其一侧经过的是低压高沸点液体工质，并蒸发吸热；另一侧经过的是高压低沸点气体工质，并冷凝放热。

第一回热器13也是常用的换热器，其一侧通过低压低沸点工质蒸汽，另一侧通过高压高沸点工质液体，实现热交换。换热器采用的换热形式不受限定，可以是板式换热器、也可以是螺旋管式换热器、套管式换热器，或者是其它形式的换热器。

第二回热器14也是常用的换热器，其一侧通过低压低沸点工质蒸汽，另一侧通过高压低沸点工质液体，以实现热交换。其形式和第一回热器13相同。

保温箱体11由保温材料和支撑材料组成，以确保冷量不被流失。保温的形式可以是真空式、填料式、热屏蔽式，或者是它们的组合。

本发明的制冷系统使用的混合工质是高低沸点不同的工质对或者几种工质的组合。所述的工质可在以下物质中选择：R134a、R22、R290、R600a、R123、R23、R13、R50、R1150、R170等，例如可以选择的工质对是：R134a/R23、R600a/R170、R290/R50或R290/R170等，也可以是从空气或者天然气中分离出的气体组成的工质对。

本发明混合工质内复叠制冷系统未述及的部分适用于现有技术。

本发明制冷系统的工作过程如下：来自第二回热器14的低压低沸点工质蒸汽与经高沸点工质蒸发器5的低压高沸点工质蒸汽一同进入压缩机1，经压缩机1压缩的高压混合工质蒸汽进入水冷冷凝器2，放出热量后冷却为高压汽液混合物。其中高沸点工质冷凝为液体，低沸点工质仍为气体。高压汽液混合物进入汽液分离器3，进行两种工质的分离。在汽液分离器3中，低沸点工质蒸汽上升进入汽液分离器3的上部，高沸点工质的液体下沉到其底部。上升到汽液分离器3上部的低沸点工质蒸汽夹带的高沸点工质蒸汽被水冷却器4冷凝，下沉到汽液分离器3底部。

底部液相高沸点工质经过第二回热器14被低温低沸点工质蒸汽过冷，经电磁阀7被高沸点工质节流元件8降压后进入冷凝蒸发器6中的高沸点工质蒸发器5中，吸收低沸点工质冷凝热而蒸发为低沸点蒸汽后与第二回热器14出口处的低压低沸点工质蒸汽合并回到压缩机1。

在汽液分离器3的顶部高压低沸点工质蒸汽经水冷却器4冷却提纯后进入冷凝蒸发器6，这些低沸点工质蒸汽的纯度已经比进入汽液分离器3中的低沸点工质蒸汽纯度要高。在冷凝蒸发器6中经高沸点工质蒸发器5的冷却凝结为液体，下沉到冷凝蒸发器6的底部，此高压低沸点工质液体经第一回热器13被低温低沸点工质蒸汽过冷，通过电磁阀9、低沸点工质节流元件10降压进入保温箱体11中的低沸点工质蒸发器12进行蒸发吸热降温，实现了制冷目的。经吸热蒸发从低沸点工质蒸发器12出来的低压低沸点工质蒸汽依次进入第一回热器13及第二回热器14，分别冷却低沸点工质液体和高沸点工质液体，吸热升温后与从高沸点工质蒸发器5出口处的低压高沸点工质蒸汽合并回至压缩机1，混合气体再次被压缩，从而完成全部系统循环。

本发明的另一个实施例为在汽液分离器的上下两部分分别安装有水冷却器4-1、4-2，上述两个水冷却器共用一套水冷却系统，其结构示意图如图2所示，包括压缩机1、水冷却系统15、汽液分离器3及其内的第一水冷却器4-1和第二冷却器4-2、冷凝蒸发器6及其内的高沸点工质蒸发器5、保温箱体11及其内的低沸点工质蒸发器12、第一回热器13和第二回热器14，汽液分离器3内的第一水冷却器4-1和第二冷却器4-2分别与水冷却系统15连接，共用一套水冷却系统。压缩机1的出口连接到汽液分离器3的中部，汽液分离器3顶部的气体出口与冷凝蒸发器6顶部的气体入口连接。汽液分离器3底部的液体出口依次与第二回热器14、电磁阀7、高沸点工质节流元件8、高沸点工质蒸发器5的入口连接，冷凝蒸发器6底部的液体出口依次与第一回热器13、电磁阀9、低沸点工质节流元件10、低沸点工质蒸发器12的入口连接，低沸点工质蒸发器12的出口依次与第一回热器13、第二回热器14连接，高沸点工质蒸发器5的出口与第二回热器14的低沸点工质出口通过管道并联后连接到压缩机1的入口。该实施例与图1所示的实施例的区别在于汽液分离器的上下两部分分别安装有水冷却器，用其中的一个水冷却器代替了水冷冷凝器，其它部分与图1所示的实施例相同。其工作过程为：来自第二回热器14的低压低沸点工质蒸汽与经高沸点工质蒸发器5的低压高沸点工质蒸汽一同进入压缩机1，经压缩机1压缩的高压混合工质蒸汽进入汽液分离器3中。在汽液分离器3中，低沸点工质蒸汽上升进入汽液分离器3的上部，高沸点工质蒸汽被水冷却器4-1和4-2冷凝，下沉到汽液分离器3底部。

在汽液分离器3的顶部高压低沸点工质蒸汽经水冷却器4-1和4-2冷却提纯后进入冷凝蒸发器6，这些低沸点工质蒸汽的纯度已经比进入汽液分离器3中的低沸点工质蒸汽纯度要高。在冷凝蒸发器6中经高沸点工质蒸发器5的冷却凝结为液体，下沉到冷凝蒸发器6的底部，此高压低沸点工质液体经第一回热器13被低温低沸点工质蒸汽过冷，通过电磁阀9、低沸点工质节流元件10降压进入保温箱体11中的低沸点工质蒸发器12进行蒸发吸热降温，实现了制冷目的。经吸热蒸发从低沸点工质蒸发器12出来的低压低沸点工质蒸汽依次进入第一回热器13及第二回热器14，分别冷却低沸点工质液体和高沸点工质液体，吸热升温后与从高沸点工质蒸发器5出口处的低压高沸点工质蒸汽合并回至压缩机1，混合气体再次被压缩，从而完成全部系统循环。

尽管参照实施例对所公开的涉及一种水冷式内复叠制冷系统进行了特别描述，以上描述的实施例是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。

Claims

1.一种水冷式内复叠制冷系统，其特征在于，包括压缩机、水冷却系统、水冷冷凝器、汽液分离器及其内的水冷却器、冷凝蒸发器及其内的高沸点工质蒸发器、保温箱体及其内的低沸点工质蒸发器、第一回热器和第二回热器，所述水冷冷凝器和汽液分离器内的水冷却器分别与所述水冷却系统连接；所述压缩机的出口与所述水冷冷凝器的入口连接，所述水冷冷凝器的出口连接到汽液分离器的中部，所述汽液分离器顶部的气体出口与所述冷凝蒸发器顶部的气体入口连接；所述汽液分离器底部的液体出口依次与第二回热器、电磁阀、高沸点工质节流元件、高沸点工质蒸发器的入口连接，所述冷凝蒸发器底部的液体出口依次与第一回热器、电磁阀、低沸点工质节流元件、低沸点工质蒸发器的入口连接，所述低沸点工质蒸发器的出口依次与第一回热器、第二回热器连接；所述高沸点工质蒸发器的出口与第二回热器的低沸点工质出口通过管道并联后连接到压缩机的入口。

2.根据权利要求1所述的水冷式内复叠制冷系统，其特征在于，所述节流元件为一段毛细管、手动或自动的阀门、孔板型减压装置中的一种或几种的组合。

3.一种水冷式内复叠制冷系统，其特征在于，包括压缩机、水冷却系统、汽液分离器及其内的第一水冷却器和第二冷却器、冷凝蒸发器及其内的高沸点工质蒸发器、保温箱体及其内的低沸点工质蒸发器、第一回热器和第二回热器，所述汽液分离器内的第一水冷却器和第二冷却器分别与所述水冷却系统连接；所述压缩机的出口连接到汽液分离器的中部，所述汽液分离器顶部的气体出口与所述冷凝蒸发器顶部的气体入口连接；所述汽液分离器底部的液体出口依次与第二回热器、电磁阀、高沸点工质节流元件、高沸点工质蒸发器的入口连接，所述冷凝蒸发器底部的液体出口依次与第一回热器、电磁阀、低沸点工质节流元件、低沸点工质蒸发器的入口连接，所述低沸点工质蒸发器的出口依次与第一回热器、第二回热器连接；所述高沸点工质蒸发器的出口与第二回热器的低沸点工质出口通过管道并联后连接到压缩机的入口。

4.根据权利要求3所述的水冷式内复叠制冷系统，其特征在于，所述节流元件为一段毛细管、手动或自动的阀门、孔板型减压装置中的一种或几种的组合。