CN101526279A - 冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷量回收式双运行模式复叠制冷循环方法，采用压缩机，冷凝器、节流阀、冷凝蒸发器及蒸发器为部件，在常规两级复叠制冷循环的基础上，在低温级循环中增加了一个回热器，低温级压缩机后增加了一个冷凝器，高温级蒸发冷凝器后加一个气体冷却器。当系统在高温级循环的辅助下启动并运行稳定后，可以关闭高温级循环让低温级循环独立稳定运行，低温级循环通过自身回热及冷凝器放热，使系统的温度继续维持在复叠运行时的温度值。该循环可用于－30℃～－120℃温区的低温冰箱或低温恒温箱；也可用于－30℃～－120℃温区的低温预冷设备，使负荷分步降温，若所需冷量较小，可以由低温级循环独立运行来提供冷量。

Description

冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机
技术领域
本发明属于复叠式低温制冷循环领域，适用于制冷温度在-30℃～-120℃的温度范围，尤其适用于低温预冷设备，低温冰箱及低温恒温室等的冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机。
背景技术
随着科学技术的不断发展，-30℃～-120℃温区低温设备在能源、医疗、低温电子、低温生物保存、军工等研究领域的需求日益广泛，研制更加高效、可靠的该温区制冷设备显得极具价值。获得-30℃以下温区通常可采用两级压缩式制冷循环或复叠式制冷循环。
两级压缩式制冷循环中，制冷剂的压缩过程分为两个阶段进行，即来自蒸发器的低压制冷剂蒸气先进入低压压缩机压缩到中间压力后，经中间冷却器冷却后进入高压压缩机压缩到冷凝压力，再排入冷凝器中。这样可使各级压比大大减小，又由于经过中间冷却可以使压缩机的耗功减少，可靠性、经济性均有所提高。但由于使用的是单一制冷剂，受蒸发压力、制冷剂临界温度和凝固点的限制。当蒸发温度过低时，存在压缩机吸气压力过低，输气系数低等缺陷而不能正常运行。
复叠式制冷循环有两种：常规复叠制冷循环和自然复叠制冷循环。自然复叠制冷系统是一种采用多元混合工质的制冷系统，它使用单台压缩机，通过自然分离、多级复叠的方法，在高沸点组分和低沸点组分之间实现了复叠，达到了制取低温的目的。自复叠制冷循环只有一台压缩机，具有结构简单、成本较低、热效率较高等许多优点，但仍然存在着混合工质组分配比以及充灌量最优值难确定，工质泄露后不能直接补充制冷剂等问题，使得设计的系统实际制冷量达不到设计值。因此常规复叠制冷循环仍然是获得-30℃以下温区最有效可靠的方法。
常规两级复叠制冷循环由两个单独的制冷系统组成，分别称为高温级部分及低温级部分。高温部分采用高、中沸点的制冷剂，低温部分采用低沸点的制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内吸收被冷却对象的热量(即制取冷量)，通过冷凝蒸发器传给高温部分的制冷剂，然后由高温部分制冷剂通过冷凝器传给冷却介质(空气或水)。
然而，常规两级复叠制冷循环在运行中仍存在着一些问题。首先，在蒸发温度很低的情况下，低温级循环压缩机吸气温度很低，压缩机吸气温度过低会影响压缩机的稳定运行，同时使得润滑油回油变得很困难；其次，若用于低温冰箱、低温恒温箱等设备，当低温室的温度已经被冷却到所需温度后，同时开启两台压缩机可能出现冷量过多、开停机频繁等问题；再次，预冷流体时，通过低温级蒸发器将流体从环境温度直接冷却到-30℃以下，换热器温差很大，火用损失很大。因此，有必要对常规两级复叠制冷循环进行改进使其得到更广范、可靠和高效的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现高、低温级循环两级复叠运行，也能够低温级循环在高温级循环辅助启动后通过自身回热而独立运行的冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括高温级制冷循环、低温级制冷循环，所说的高温级制冷循环包括高温级压缩机以及依次与高温级压缩机相连通构成闭合回路的高温级冷凝器、高温级节流阀、蒸发冷凝器，所说的低温级制冷循环包括低温级压缩机以及依次与低温级压缩机相连通构成闭合回路的蒸发冷凝器、低温级节流阀和低温级蒸发器，由低温级蒸发器输出冷量，所说的低温级蒸发器与低温级压缩机之间连接有低温级回热器，低温级压缩机的输出端还设置有与低温级回热器相连通的低温级冷凝器，且低温级回热器的输出端与蒸发冷凝器相连通。
本发明的蒸发冷凝器与高温级压缩机之间还连接有高温级气体冷却器，负荷回路依次与高温级气体冷却器、低温级蒸发器相连。
本发明的有益效果是：第一，在低温级制冷循环中增加了一个低温级回热器，低温级制冷剂从低温级蒸发器出来后经低温级回热器再进入低温级压缩机，低温级压缩机吸气温度比常规两级复叠制冷循环要高出很多，低温级压缩机的稳定性有所保证，与此同时，由于温度的升高，润滑油的回油效果也要变好；第二，用于低温冷箱等冷量要求较小的情况下，可以关闭高温级循环，让低温级循环独立运行提供冷量，很好地解决了冷量过剩时系统频繁启停机的问题，且低温级独立运行时只需一台压缩机运行，起到了节能的效果；第三，用于预冷流体时，被冷却流体先经高温级制冷系统的高温级冷却器冷却后再被低温级循环蒸发器冷却，分步降温，冷量阶梯利用，减小了换热器的温差，从而使火用损失减小，提高了系统的运行效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明采用两台压缩机，冷凝器、节流阀、冷凝蒸发器及低温级蒸发器为部件，在常规两级复叠制冷循环的基础上，低温级循环中增加了一个自身的回热器，并在低温级压缩机后增加一个冷凝器，在高温级蒸发冷凝器后加一个气体冷却器。当系统在高温级循环的辅助下启动并运行稳定后，可以关闭高温级循环让低温级循环独立稳定运行，低温级循环通过回热器的自身回热及冷凝器的放热，使系统温度继续维持在两级复叠运行时的温度值。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明采用两台压缩机，冷凝器、节流阀、冷凝蒸发器及低温级蒸发器为部件，在常规两级复叠制冷循环的基础上，低温级循环中增加了一个自身的回热器，并在低温级压缩机后增加一个冷凝器，在高温级蒸发冷凝器后加一个气体冷却器。当系统在高温级循环的辅助下启动并运行稳定后，可以关闭高温级循环让低温级循环独立稳定运行，低温级循环通过回热器的自身回热及冷凝器的放热，使系统温度继续维持在两级复叠运行时的温度值。
实施例1，参见图1，本实施例包括高温级制冷循环和低温级制冷循环，高温级制冷循环包括高温级压缩机C1以及与高温级压缩机C1相连通构成闭合回路的高温级冷凝器E1、高温级节流阀J1和蒸发冷凝器G1形成的高温级回路1-2-3-4-1，低温级制冷循环包括低温级压缩机C2以及与低温级压缩机C2相连通构成闭合回路的蒸发冷凝器G1、低温级节流阀J2和低温级蒸发器G2形成的低温级回路5-6-7-8-9-10-11-5，所说的低温级蒸发器G2与低温级压缩机C2之间连接有低温级回热器G3，低温级压缩机C2的输出端还设置有与低温级回热器G3相连通的低温级冷凝器E2，且低温级回热器G3的输出端与蒸发冷凝器G1相连通。
本循环可用于低温冰箱、低温恒温箱等冷量需求不大的设备。本循环即为低温预冷设备系统循环负荷回路不通负荷时的情况。启动阶段循环流程为：高温级压缩机C1的高压排气口连着高温级冷凝器E1，制冷剂在高温级冷凝器E1中被冷却，然后通过高温级节流阀J1节流后在蒸发冷凝器G1中将冷量传给低温级循环的制冷剂，再进入高温级压缩机C1被压缩，如此循环；低温级压缩机C2的高压排气口连着低温级冷凝器E2，制冷剂在低温级冷凝器E2中被冷却后进入低温级回热器G3被进一步冷却，再流过蒸发冷凝器G1被冷却至过冷状态，经低温级节流阀J2节流后在低温级蒸发器G2中将冷量传给被冷却对象，然后经低温级回热器G3进一步复温再流入低温级压缩机C2被压缩。待系统运行稳定且低温室被冷却到了预期的温度后，低温室需要的冷量会变小，低温级循环大部分冷量可用来实现自身的回热，且低温级冷凝器E2可以向外界介质放出热量，从而使得7点的温度降低，当低温级回热器G3出口8的温度和蒸发冷凝器G1的出口9的温度接近时，表示高温级对低温级的作用消失，此时可关闭高温级压缩机，低温级循环可通过自身的回热及低温级冷凝器的冷却作用实现单级运行。
实施例2，参见图2，本实施例在蒸发冷凝器G1与高温级压缩机C1之间还连接有高温级气体冷却器G4，其它连接关系同实施例1。系统由高温级回路1-2-3-4-5-1，低温级回路6-7-8-9-10-11-12-6及外界负荷管路13-14-15组成，负荷回路依次与高温级气体冷却器G4、低温级蒸发器G2相连。循环流程为：高温级压缩机C1的高压排气口连着高温级冷凝器E1，制冷剂在高温级冷凝器E1中被冷却，然后通过高温级节流阀J1节流后在蒸发冷凝器G1中将冷量传给低温级循环的制冷剂，再进入高温级气体冷却器G4初步冷却外界负荷，最后进入高温级压缩机C1被压缩，如此循环；低温级压缩机C2的高压排气口连着低温级冷凝器E2，制冷剂在低温级冷凝器E2中被初步冷却后进入低温级回热器G3被进一步冷却，再流过蒸发冷凝器G1被冷却至过冷状态，经低温级节流阀J2节流后在低温级蒸发器G2中将外界负荷进一步冷却，然后经低温级回热器G3复温后流入低温级压缩机C2被压缩。这样，外界负荷先经高温级循环冷却后再被低温级循环冷却，实现了被冷却介质的分步降温，冷量阶梯利用，减小了换热器的温差，提高了系统的运行效率。若外界负荷的初始温度很低且所需冷量很小时，低温级循环大部分冷量可用来实现自身的回热，且低温级冷凝器可以向外界介质放出热量，从而使得低温级冷凝器出口8的温度降低，当低温级回热器G3出口9的温度和蒸发冷凝器G1的出口10的温度接近时，表示高温级对低温级的作用消失，此时可关闭高温级压缩机，低温级循环可通过自身的回热及低温级冷凝器的冷却作用实现单级运行。
本发明在常规两级复叠制冷循环的基础上，在低温级循环中增加一个低温级回热器，并在低温级压缩机后增加一个低温级冷凝器，系统由高温级回路，低温级回路以及负荷回路组成，高温级循环采用高、中沸点的制冷剂；低温级循环采用低沸点的制冷剂，高、低温级由一个蒸发冷凝器联系起来，它即是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。高温级可独立运行，成为一个单级制冷循环给负荷提供冷量；两级复叠运行时，负荷经高温级气体冷却器冷却及低温级蒸发器冷却，可达-30℃以下温度。低温级循环带有自身的回热器，若所需冷量较小时，系统在高温级循环的辅助下启动并运行稳定后，可以关闭高温级循环让低温级循环独立稳定运行，使其温度继续维持在两级复叠运行时的温度值。若将该循环用于低温冰箱、低温恒温箱等设备时，负荷回路中不带负荷，用低温级循环的蒸发器冷却低温室，当温度被冷却到所需温度后，可以关闭高温级循环让低温级循环独立稳定运行，使温度继续维持在所需温度值。

Claims (2)

1、一种冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机，包括高温级制冷循环、低温级制冷循环，所说的高温级制冷循环包括高温级压缩机(C1)以及依次与高温级压缩机(C1)相连通构成闭合回路的高温级冷凝器(E1)、高温级节流阀(J1)、蒸发冷凝器(G1)，所说的低温级制冷循环包括低温级压缩机(C2)以及依次与低温级压缩机(C2)相连通构成闭合回路的蒸发冷凝器(G1)、低温级节流阀(J2)和低温级蒸发器(G2)，由低温级蒸发器(G2)输出冷量，其特征在于：所说的低温级蒸发器(G2)与低温级压缩机(C2)之间连接有低温级回热器(G3)，低温级压缩机(C2)的输出端还设置有与低温级回热器(G3)相连通的低温级冷凝器(E2)，且低温级回热器(G3)的输出端与蒸发冷凝器(G1)相连通。
2、根据权利要求1所述的冷量回收式双运行模式复叠低温制冷机，其特征在于：所说的蒸发冷凝器(G1)与高温级压缩机(C1)之间还连接有高温级气体冷却器(G4)，负荷回路依次与高温级气体冷却器(G4)、低温级蒸发器(G2)相连。
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