CN101776358A - 一种变浓度混合工质自复叠制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变浓度混合工质自复叠制冷机。本发明包括正常浓度回路、第一变浓度回路、第二变浓度回路和第三变浓度回路四个部分，正常浓度回路具有依次连接的压缩机、冷凝器、精馏装置、回热器、第一节流元件、蒸发器、第二节流元件、气液分离器，第一变浓度回路具有依次连接的第三截止阀13、储液罐9、第四截止阀14，第二变浓度回路具有依次连接的第一截止阀11、储气罐7、第二截止阀12，第三变浓度回路具有依次连接的第五截止阀15、储气罐8、第六截止阀。本发明明显改善制冷机在开始降温阶段的动态运行特性，还可以实现更低的制冷温度和提升制冷机的热力学效率。特别适用于既需要快速降温，又需要较低制冷温度的场合，有良好的应用前景。

Description

一种变浓度混合工质自复叠制冷机

技术领域

本发明属于混合工质制冷领域，尤其涉及一种变浓度混合工质自复叠制冷机。

背景技术

混合工质制冷机的制冷温区可以衔接普冷温区和深冷温区。在普冷领域，利用焦耳-汤姆逊效应的蒸汽压缩式制冷机占据了主导地位；在低温领域，利用焦耳-汤姆逊效应的林德循环和自复叠制冷循环也获得了广泛的应用。由于采用单纯工质的林德循环系统运行压力较高，且系统热效率较低。所以，在长时间使用和系统效率要求较高的场合中没有竞争优势，混合工质的应用可以很好地解决这个问题。

采用多元混合工质的自复叠制冷机可以在保持较高系统运行效率的情况下长时间地稳定运行，在近几十年得到了迅速的发展。专利ZL 99203770.0中提出在低温自复叠制冷机中采用精馏装置代替气液分离器，降低了系统的复杂性，提高了制冷机低温下运行的热效率。专利ZL 00136709.9中提出在低温自复叠制冷机中采用分凝分离器，可以实现类似的效果。专利ZL 200410031158.1中提出采用多压力级自复叠制冷机，解决低温时压比过大的问题。专利ZL 00136710.2中提出采用涡流管替代制冷机中的节流阀可以产生更大的制冷效应和实现更低的制冷温度。虽然这些制冷机实现比较低的制冷温度，但是通常存在这样的问题：当制冷目标温度比较低时，由于需要采用低沸点浓度较高的多元混合工质，在制冷机开始降温阶段，混合工质通过节流元件的气相比例偏大、流量过小，使得压缩机的排气压力过高、吸气压力过低，从而会导致压缩机的压比和排气温度过高，压缩机的寿命将会大大降低甚至导致压缩机因压力保护而不能开机。

针对这一问题，本发明提出一种变浓度混合工质自复叠制冷机，在制冷机中采用三个变浓度回路，在不同的制冷温度位启停这三个变浓度回路，可以实现开始降温阶段混合工质中高沸点组分比例相对较大，而在稳定运行阶段低沸点组分比例相对偏多。从而，可以明显降低压缩机在开始降温阶段的压比、排气温度和改善制冷机的动态运行特性。同时，还可以实现更低的制冷温度和提升制冷机的热力学效率。特别适用于既需要快速降温、又需要较低制冷温度的场合，有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种变浓度混合工质自复叠制冷机，包括正常浓度回路、第一变浓度回路、第二变浓度回路和第三变浓度回路四个部分；正常浓度回路：压缩机的排气口与冷凝器的进气口相连，冷凝器的出口与精馏装置的第一端口相连，精馏装置的第二端口分别与第一截止阀的第一端口和回热器的第一端口相连，精馏装置的第三端口分别与第三截止阀的第一端口和第二节流元件的第一端口相连，精馏装置的第四端口与回热器的第四端口相连，精馏装置的第五端口分别与第四截止阀的第二端口、第六截止阀的第二端口、第二截止阀的第二端口和压缩机的吸气口相连；回热器的第二端口与气液分离器的第一端口相连，回热器的第三端口与蒸发器的第二端口相连，回热器的第五端口与第二节流元件的第二端口相连，回热器的第三端口、第四端口与第五端口在回热器内部相连；气液分离器的第二端口与第五截止阀的第一端口相连，气液分离器的第三端口与第一节流元件的第一端口相连；第一节流元件的第二端口与蒸发器的第一端口相连；第一变浓度回路：第三截止阀的第一端口分别与第二节流元件的第一端口和精馏装置的第三端口相连，第三截止阀的第二端口与储液罐的第一端口相连，储液罐的第二端口与第四截止阀的第一端口相连，第四截止阀的第二端口分别与第二截止阀的第二端口、第六截止阀的第二端口、精馏装置的第五端口和压缩机的吸气口相连；第二变浓度回路：第一截止阀的第一端口分别与回热器的第一端口和精馏装置的第二端口相连，第一截止阀的第二端口与储气罐的第一端口相连，储气罐的第二端口与第二截止阀的第一端口相连，第二截止阀的第二端口分别与第四截止阀的第二端口、第六截止阀的第二端口、精馏装置的第五端口和压缩机的吸气口相连；第三变浓度回路：第五截止阀的第一端口与气液分离器的气相的第二端口相连，第五截止阀的第二端口与储气罐的第一端口相连，储气罐的第二端口与第六截止阀16的第一端口相连，第六截止阀的第二端口分别与第四截止阀的第二端口、第二截止阀的第二端口、精馏装置的第五端口和压缩机的吸气口相连。

所述的冷凝器、蒸发器或回热器为沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器。。所述的第一节流元件或第二节流元件是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。所述的第一截止阀，第二截止阀，第三截止阀，第四截止阀，第五截止阀或第六截止阀是手动截止阀或自动截止阀。第一截止阀，第二截止阀，第三截止阀，第四截止阀，第五截止阀或第六截止阀是双向截止阀。系统所用的制冷剂为二元或二元以上的混合制冷剂。

本发明与现有技术相比，可以实现以下的有益效果：

1)能够优化开始降温阶段，提高降温速率。开始降温阶段混合工质中高沸点组分比例的增加，可以有效降低制冷机的开机压力，改善该阶段压缩机排气压力过高、压比偏大的问题，改善制冷机的动态运行特性。

2)能够优化降温最终阶段，使制冷机达到更低的制冷温度和提高制冷机的热力学效率。降温最终阶段混合工质中低沸点组分比例的增加，可以改善回热器中高、低压侧混合工质的水当量匹配，从而可以降低系统所能达到的最低温度，提高制冷机的热力学性能。

3)三个变浓度回路有结构简单、调节能力强和操作方便。在制冷机设计时可视所需实现的最低制冷温度设置单个或两个或三个变浓度回路；在制冷机运行时可视所需实现的最低制冷温度启用单个或两个或三个变浓度回路。

附图说明

附图是本发明的系统流程图。图中：压缩机1、冷凝器2、精馏装置3、回热器4、第一节流元件5、蒸发器6、储气罐7、储气罐8、储液罐9、第二节流元件10、第一截止阀11、第二截止阀12、第三截止阀13、第四截止阀14、第五截止阀15、第六截止阀16、气液分离器17

具体实施方式

如附图所示，变浓度混合工质自复叠制冷系统，分为正常浓度回路、第一变浓度回路、第二变浓度回路和第三变浓度回路四个部分。

正常浓度回路：压缩机1的排气口1b与冷凝器2的进气口2a相连，冷凝器2的出口2b与精馏装置3的第一端口3a相连，精馏装置3的第二端口3b分别与第一截止阀11的第一端口11a和回热器4的第一端口4a相连，精馏装置3的第三端口3c分别与第三截止阀13的第一端口13a和第二节流元件10的第一端口10a相连，精馏装置3的第四端口3d与回热器4的第四端口4d相连，精馏装置3的第五端口3e分别与第四截止阀14的第二端口14b、第六截止阀16的第二端口16b、第二截止阀12的第二端口12b和压缩机1的吸气口1a相连；回热器4的第二端口4b与气液分离器17的第一端口17a相连，回热器4的第三端口4c与蒸发器6的第二端口6b相连，回热器4的第五端口4e与第二节流元件10的第二端口10b相连，回热器4的第三端口4c、第四端口4d与第五端口4e在回热器4内部相连；气液分离器17的第二端口17b与第五截止阀15的第一端口15a相连，气液分离器17的第三端口17c与第一节流元件5的第一端口5a相连；第一节流元件5的第二端口5b与蒸发器6的第一端口6a相连。

第一变浓度回路：第三截止阀13的第一端口13a分别与第二节流元件10的第一端口10a和精馏装置3的第三端口3c相连，第三截止阀13的第二端口13b与储液罐9的第一端口9a相连，储液罐9的第二端口9b与第四截止阀14的第一端口14a相连，第四截止阀14的第二端口14b分别与第二截止阀12的第二端口12、第六截止阀16的第二端口16b、精馏装置3的第五端口3e和压缩机1的吸气口1a相连。

第二变浓度回路：第一截止阀11的第一端口11a分别与回热器4的第一端口4a和精馏装置3的第二端口3b相连，第一截止阀11的第二端口11b与储气罐7的第一端口7a相连，储气罐7的第二端口7b与第二截止阀12的第一端口12a相连，第二截止阀12的第二端口12b分别与第四截止阀14的第二端口14b、第六截止阀16的第二端口16b、精馏装置3的第五端口3e和压缩机1的吸气口1a相连。

第三变浓度回路：第五截止阀15的第一端口15a与气液分离器17的气相的第二端口17b相连，第五截止阀15的第二端口15b与储气罐8的第一端口8a相连，储气罐8的第二端口8b与第六截止阀16的第一端口16a相连，第六截止阀16的第二端口16b分别与第四截止阀14的第二端口14b、第二截止阀12的第二端口12b、精馏装置3的第五端口3e和压缩机1的吸气口1a相连。

上述所说的冷凝器2、蒸发器6或回热器4为沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器。

上述所说的气液分离器17与普通制冷装置中的气液分离器类似。

上述所说的精馏装置3与普通制冷装置中的精馏装置类似。

上述所说的第一节流元件5或第二节流元件10是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

上述所说的第一截止阀11，第二截止阀12，第三截止阀13，第四截止阀14，第五截止阀15或第六截止阀16是手动截止阀或自动截止阀。

上述所说的第一截止阀11，第二截止阀12，第三截止阀13，第四截止阀14，第五截止阀15或第六截止阀16为双向截止阀。

上述所说的各个部件之间的连接采用制冷剂管路连接，低温管路外包裹保温防水材料。

系统所用的制冷剂为二元或二元以上的混合制冷剂。

如附图所示，实施例采用R134a(沸点为-26℃)、R23(沸点为-81℃)和R50(沸点为-161℃)的混合物R50/R23/R134a作为制冷剂。以下是详细的工作流程：

开机前，首先确认第一截止阀11、第二截止阀12、第三截止阀13、第四截止阀14、第五截止阀15、第六截止阀16都处于关闭状态。开机后，由压缩机1排出的高温高压R50/R23/R134a混合制冷剂气体流过冷凝器2，冷凝后成为气液两相入精馏装置3。经过精馏分离，富含高沸点组分的液态R50/R23/R134a混合制冷剂从精馏装置3的第三端口3c流出并进入第二节流元件10节流降压降温，随后进入回热器4的第五端口4e与来自蒸发器6的富含低沸点组分的R50/R23/R134a混合制冷剂混合。富含低沸点组分的气态R50/R23/R134a混合制冷剂从精馏装置3的第二端口3b流出并进入回热器4，被回热器4低压侧的R50/R23/R134a混合制冷剂冷却后部分液化，随后进入气液分离器17分离。其中的液相R50/R23/R134a混合制冷剂从气液分离器17的第三端口17c流出，进入第一节流元件5节流降压降温，随后进入蒸发器6吸热蒸发。部分蒸发后的R50/R23/R134a混合制冷剂离开蒸发器6后，进入回热器4第三端口4c与来自第二节流元件10的富含高沸点组分R50/R23/R134a混合制冷剂混合，一并继续在回热器4中吸热冷却高压侧的富含低沸点组分的R50/R23/R134a混合制冷剂，随后流出回热器4进入精馏装置3的第四端口3d，在精馏装置3中的换热器继续吸热，提供精馏过程所需的冷量，最后从精馏装置3的第五端口3e流出，回到压缩机1的吸气口1a。随着时间的延续，制冷机的制冷温度不断下降，足够长时间后，在环境温度和热负荷不变的条件下，制冷机达到稳定运行状态，制冷温度在正常R50/R23/R134a混合制冷剂浓度下达到了最低极限。此时，分别启用第一变浓度回路、第二变浓度回路和第三变浓度回路可以实现更低的制冷温度。

启用第一变浓度回路：打开第三截止阀13和第四截止阀14，将富含高沸点组分R50/R23/R134a混合制冷剂储存到储液罐9，一段时间后关闭第三截止阀13和第四截止阀14，使制冷机中参与循环的富含高沸点组分R50/R23/R134a混合制冷剂减少，因此相应地提高了流过压缩机的R50/R23/R134a混合制冷剂低沸点组分总浓度，可以比正常浓度制冷实现更低的制冷温度。

启用第二变浓度回路：打开第一截止阀11和第二截止阀12，将富含低沸点组分R50/R23/R134a混合制冷剂从储气罐7中放出，使制冷机中参与循环的富含低沸点组分R50/R23/R134a混合制冷剂增加，因此相应地提高了流过压缩机的R50/R23/R134a混合制冷剂低沸点组分总浓度，可以比正常浓度制冷和启用第一变浓度回路制冷实现更低的制冷温度。

启用第三变浓度回路：打开第五截止阀15和第六截止阀16，将低沸点组分所占比例更高的R50/R23/R134a混合制冷剂从储气罐8中放出，因此相应地提高了流过压缩机的R50/R23/R134a混合制冷剂的低沸点组分总浓度，可以比正常浓度制冷、启用第一变浓度回路制冷和启用第二变浓度回路制冷实现更低的制冷温度。

经过足够长时间运行后，在环境温度和热负荷不变的条件下，制冷机达到稳定运行状态，制冷温度在改变R50/R23/R134a混合制冷剂浓度下达到了最低极限。关机前，依次停用第三变浓度回路、第二变浓度回路和第一变浓度回路，可以逐步减小停机时R50/R23/R134a混合制冷剂的低沸点组分浓度。

停用第三变浓度回路：关闭第五截止阀15和第六截止阀16，将低沸点组分含量最多的R50/R23/R134a混合制冷剂储存到储气罐8。此时，流过压缩机的R50/R23/R134a混合制冷剂的低沸点组分总浓度减小。

停用第二变浓度回路：关闭第一截止阀11和第二截止阀12，将富含低沸点组分的R50/R23/R134a混合制冷剂储存到储气罐7中。此时，流过压缩机的R50/R23/R134a混合制冷剂的低沸点组分总浓度继续减小。

停用第一变浓度回路：打开第三截止阀13和第四截止阀14，将富含高沸点组分R50/R23/R134a的混合制冷剂从储液罐9放出。此时，流过压缩机的R50/R23/R134a混合制冷剂的低沸点组分总浓度继续减小。

在停用三个变浓度回路后即可停机，这三个变浓度回路可在下个开机循环中继续单个启用或两两同时启用或三个同时启用。

Claims (6)

1.一种变浓度混合工质自复叠制冷机，其特征在于包括正常浓度回路、第一变浓度回路、第二变浓度回路和第三变浓度回路四个部分；正常浓度回路：压缩机(1)的排气口(1b)与冷凝器2的进气口(2a)相连，冷凝器(2)的出口(2b)与精馏装置(3)的第一端口(3a)相连，精馏装置(3)的第二端口(3b)分别与第一截止阀(11)的第一端口(11a)和回热器(4)的第一端口(4a)相连，精馏装置(3)的第三端口(3c)分别与第三截止阀(13)的第一端口(13a)和第二节流元件(10)的第一端口(10a)相连，精馏装置(3)的第四端口(3d)与回热器(4)的第四端口(4d)相连，精馏装置(3)的第五端口(3e)分别与第四截止阀(14)的第二端口(14b)、第六截止阀(16)的第二端口(16b)、第二截止阀(12)的第二端口(12b)和压缩机(1)的吸气口(1a)相连；回热器(4)的第二端口(4b)与气液分离器(17)的第一端口(17a)相连，回热器(4)的第三端口(4c)与蒸发器(6)的第二端口(6b)相连，回热器(4)的第五端口(4e)与第二节流元件(10)的第二端口(10b)相连，回热器(4)的第三端口(4c)、第四端口(4d)与第五端口(4e)在回热器(4)内部相连；气液分离器(17)的第二端口(17b)与第五截止阀(15)的第一端口(15a)相连，气液分离器(17)的第三端口(17c)与第一节流元件(5)的第一端口(5a)相连；第一节流元件(5)的第二端口(5b)与蒸发器(6)的第一端口(6a)相连；第一变浓度回路：第三截止阀(13)的第一端口(13a)分别与第二节流元件(10)的第一端口(10a)和精馏装置(3)的第三端口(3c)相连，第三截止阀(13)的第二端口(13b)与储液罐(9)的第一端口(9a)相连，储液罐(9)的第二端口(9b)与第四截止阀(14)的第一端口(14a)相连，第四截止阀(14)的第二端口(14b)分别与第二截止阀(12)的第二端口(12b)、第六截止阀(16)的第二端口(16b)、精馏装置(3)的第五端口(3e)和压缩机(1)的吸气口(1a)相连；第二变浓度回路：第一截止阀(11)的第一端口(11a)分别与回热器(4)的第一端口(4a)和精馏装置(3)的第二端口(3b)相连，第一截止阀(11)的第二端口(11b)与储气罐(7)的第一端口(7a)相连，储气罐(7)的第二端口(7b)与第二截止阀(12)的第一端口(12a)相连，第二截止阀(12)的第二端口(12b)分别与第四截止阀(14)的第二端口(14b)、第六截止阀(16)的第二端口(16b)、精馏装置(3)的第五端口(3e)和压缩机(1)的吸气口(1a)相连；第三变浓度回路：第五截止阀(15)的第一端口(15a)与气液分离器(17)的气相的第二端口(17b)相连，第五截止阀(15)的第二端口(15b)与储气罐(8)的第一端口(8a)相连，储气罐(8)的第二端口(8b)与第六截止阀(16)的第一端口(16a)相连，第六截止阀(16)的第二端口(16b)分别与第四截止阀(14)的第二端口(14b)、第二截止阀(12)的第二端口(12b)、精馏装置(3)的第五端口(3e)和压缩机(1)的吸气口(1a)相连。

2.根据权利要求1所述的一种变浓度混合工质自复叠制冷机，其特征在于所述的冷凝器(2)、蒸发器(6)或回热器(4)为沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器。

3.根据权利要求1所述的一种变浓度混合工质自复叠制冷机，其特征在于所述的制冷剂为二元或二元以上的混合制冷剂。。

4.根据权利要求1所述的一种变浓度混合工质自复叠制冷机，其特征在于所述的第一节流元件(5)或第二节流元件(10)是手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

5.根据权利要求1所述的一种变浓度混合工质自复叠制冷机，其特征在于所述的第一截止阀(11)，第二截止阀(12)，第三截止阀(13)，第四截止阀(14)，第五截止阀(15)或第六截止阀(16)是手动截止阀或自动截止阀。

6.根据权利要求1所述的一种变浓度混合工质自复叠制冷机，其特征在于所述的第一截止阀(11)，第二截止阀(12)，第三截止阀(13)，第四截止阀(14)，第五截止阀(15)或第六截止阀(16)是双向截止阀。

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