CN101782289B - 高效螺杆式自复叠制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效螺杆式自复叠制冷系统。它包括用于两元混合制冷剂循环运行的螺杆式制冷压缩机、冷凝器、气液分离器、第一节流元件、冷凝蒸发器、第二节流元件和蒸发器，其特殊之处在于：在螺杆式制冷压缩机上设置有经济器补气口，在气液分离器的液体出口与第一节流元件之间或/和在冷凝蒸发器的高压液出口与第二节流元件之间设置有经济器组件，所述经济器组件主要由辅助节流元件和经济器组成，其利用螺杆式制冷压缩机的经济器补气口，回收制冷剂自身被节流并在经济器中蒸发的一小部分气体，通过直接或间接地降低低沸点制冷剂液体的温度，可显著提高整个制冷系统在低温工况下的制冷量和制冷系数，非常适于对现有的螺杆式自复叠制冷系统进行低成本的升级换代改造。
Description
技术领域
本发明涉及超低温度和大制冷量的制冷系统，具体地指一种高效螺杆式自复叠制冷系统。
背景技术
在石油、化工、制药、军工、电子和食品等工业或商业领域，为了满足生产工艺和科学研究对环境的深冷低温要求，普遍采用螺杆式复叠制冷系统以获得较大的制冷量和较低的蒸发温度，一般用来获取-60℃～-125℃的低温。传统的螺杆式复叠制冷系统通常由高温级制冷系统和低温级制冷系统两个部分组成，高温级制冷系统使用中温制冷剂，低温级制冷系统使用低温制冷剂，每个部分都是一个完整的单级螺杆式压缩制冷系统。在高温级制冷系统中，中温制冷剂的蒸发是用来使低温级制冷系统中的低温制冷剂冷凝的，而只有低温制冷剂在蒸发时才会制取冷量。上述高温级制冷系统和低温级制冷系统共用一个冷凝蒸发器，它既是高温级制冷系统的蒸发器，又是低温级制冷系统的冷凝器。由于传统螺杆式复叠制冷系统需要两台专门的螺杆式压缩机，因而其存在结构复杂、控制繁琐、可靠性低、降温速度慢、占地面积大、造价偏高等缺陷，已不能适应市场对深冷低温的需求，越来越多的行业改用螺杆式自复叠制冷系统来获取深冷低温。
目前，已有的螺杆式自复叠制冷系统是一种采用两元混合制冷剂工质的制冷系统，它采用一台常规的螺杆式制冷压缩机，通过自然分离、两级复叠的方法在高沸点工质和低沸点工质之间实现复叠，达到获取低温的目的。其结构如本说明书附图部分给出的图1所示，主要由用于两元混合制冷剂循环运行的螺杆式制冷压缩机1、冷凝器2、气液分离器3、第一节流元件4、冷凝蒸发器5、第二节流元件6和蒸发器7等部件组成。其制冷循环为：螺杆式制冷压缩机1从蒸发器7和冷凝蒸发器5中吸入两种非共沸混合制冷剂，该混合制冷剂被压缩后进入冷凝器2中，被冷凝的高沸点制冷剂液体和未被冷凝的低沸点制冷剂气体被送入气液分离器3(兼作贮液器)中进行分离；高沸点制冷剂液体通过第一节流元件4后，在冷凝蒸发器5中蒸发成气体，然后被螺杆式制冷压缩机1吸入；低沸点制冷剂气体则在冷凝蒸发器5中被冷凝成液体，再通过第二节流元件6后，在蒸发器7中蒸发成气体，实现系统制冷量后仍被螺杆式制冷压缩机1吸入，从而完成自复叠制冷循环。
上述螺杆式自复叠制冷系统是利用了非共沸混合制冷剂工质在各组份沸点相差很大的条件下所表现出来的特性，采用相分离器来实现混合工质的分流，通过冷凝蒸发器5和蒸发器7等部件的特定组合来实现自复叠循环，其运行时的启动工况、排气压力、排气温度均在常规单级螺杆式制冷压缩机允许的范围之内，相对于传统螺杆式复叠制冷系统具有结构简单、控制方便、可靠性高、安全性好、寿命长、成本低等一系列的优点。但是，由于常规的螺杆式制冷压缩机随着运行蒸发温度的逐步降低，特别是当蒸发温度达到-40℃以后，其排气压力和吸气压力之比将达到20左右，导致其容积效率偏低、制冷量和制冷性能系数下降、经济性变差，进而限制了螺杆式自复叠制冷系统在工商业低温制冷领域的推广使用。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种在低温工况下可显著提高制冷量和制冷系数的高效螺杆式自复叠制冷系统。
为实现上述目的，本发明所设计的高效螺杆式自复叠制冷系统，包括用于两元混合制冷剂循环运行的螺杆式制冷压缩机、冷凝器、气液分离器、第一节流元件、冷凝蒸发器、第二节流元件和蒸发器，螺杆式制冷压缩机的排气口与冷凝器的输入端相连，冷凝器的输出端与气液分离器的气液混合进口相连，气液分离器的气体出口与冷凝蒸发器的高压气进口相连，气液分离器的液体出口通过第一节流元件与冷凝蒸发器的低压供液口相连，冷凝蒸发器的高压液出口通过第二节流元件与蒸发器的输入端相连，冷凝蒸发器的低压回气口和蒸发器的输出端同时与螺杆式制冷压缩机的吸气口相连，其特殊之处在于：在螺杆式制冷压缩机上设置有经济器补气口，在气液分离器的液体出口与第一节流元件之间或/和在冷凝蒸发器的高压液出口与第二节流元件之间设置有经济器组件，所述经济器组件的低压回气口与螺杆式制冷压缩机的经济器补气口相连。
进一步地，在气液分离器的液体出口与第一节流元件之间设置的经济器组件由第一辅助节流元件和第一经济器构成，气液分离器的液体出口分为两路，一路直接与第一经济器的高压进液口相连，另一路通过第一辅助节流元件与第一经济器的低压供液口相连，第一经济器的高压出液口通过第一节流元件与冷凝蒸发器的低压供液口相连，第一经济器的低压回气口与螺杆式制冷压缩机的经济器补气口相连。
进一步地，在冷凝蒸发器的高压液出口与第二节流元件之间设置的经济器组件由第二辅助节流元件和第二经济器构成，冷凝蒸发器的高压液出口分为两路，一路直接与第二经济器的高压进液口相连，另一路通过第二辅助节流元件与第二经济器的低压供液口相连，第二经济器的高压出液口通过第二节流元件与蒸发器的输入端相连，第二经济器的低压回气口与螺杆式制冷压缩机的经济器补气口相连。
经济器组件的工作原理是从冷凝器或贮液器出来的冷凝液体不直接经过节流元件，而是首先进入经济器中进一步冷却，出来后的制冷剂液体温度可下降数十度，从而显著提高制冷系统的制冷量和制冷系数。经济器中制冷剂液体的冷却是依靠辅助节流元件节流后进入经济器中的低压制冷剂液体，它吸收高压制冷剂液体的热量而蒸发，蒸发出来的低压制冷剂气体送回螺杆式制冷压缩机中循环利用。本发明对现有的螺杆式自复叠制冷系统进行改进，将经济器组件应用于其两元混合制冷剂循环流程结构中，与带经济器补气口的螺杆式制冷压缩机配合使用，其优点是可以直接或/和间接降低低沸点制冷剂冷凝液体的温度，使低沸点制冷剂冷凝液体产生过冷度，从而大幅度提高本系统的制冷量和制冷系数。并且，蒸发温度愈低，本系统的制冷效果愈明显，特别适合在较低的蒸发温度下经济运行。同时，本系统与双级压缩制冷循环系统相比，不仅结构大为简化、可靠性和安全性较高、占地面积较小、制造成本大幅下降，而且运行效果与双级压缩制冷循环系统相当，极为经济适用。
附图说明
图1为现有的螺杆式自复叠制冷系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1所描述的高效螺杆式自复叠制冷系统的结构示意图；
图3为本发明实施例2所描述的高效螺杆式自复叠制冷系统的结构示意图；
图4为本发明实施例3所描述的高效螺杆式自复叠制冷系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的高效螺杆式自复叠制冷系统作进一步的详细描述：
图1所示现有的螺杆式自复叠制冷系统，主要由用于两元混合制冷剂循环运行的螺杆式制冷压缩机1、冷凝器2、气液分离器3、第一节流元件4、冷凝蒸发器5、第二节流元件6和蒸发器7组成，其具体结构如下：螺杆式制冷压缩机1的排气口与冷凝器2的输入端相连，冷凝器2的输出端与气液分离器3的气液混合进口相连，气液分离器3的气体出口与冷凝蒸发器5的高压气进口相连，气液分离器3的液体出口通过第一节流元件4与冷凝蒸发器5的低压供液口相连，冷凝蒸发器5的高压液出口通过第二节流元件6与蒸发器7的输入端相连，冷凝蒸发器5的低压回气口和蒸发器7的输出端同时与螺杆式制冷压缩机1的吸气口相连。其工作过程已在前面的背景技术部分进行了详细描述，于此不再赘述。
图2所示本发明实施例1的高效螺杆式自复叠制冷系统，其主体部分与图1所示结构基本相同。其不同之处是：在螺杆式制冷压缩机1上设置有经济器补气口，在气液分离器3的液体出口与第一节流元件4之间设置有经济器组件，该经济器组件由第一辅助节流元件8和第一经济器9构成，气液分离器3的液体出口分为两路，一路直接与第一经济器9的高压进液口相连，另一路通过第一辅助节流元件8与第一经济器9的低压供液口相连，第一经济器9的高压出液口通过第一节流元件4与冷凝蒸发器5的低压供液口相连，第一经济器9的低压回气口则与螺杆式制冷压缩机1的经济器补气口相连。
上述实施例1的工作原理是通过降低高沸点制冷剂液体的温度来间接降低低沸点制冷剂液体的温度，从而获得更大的制冷量和制冷系数。其运行过程如下：螺杆式制冷压缩机1从蒸发器7和冷凝蒸发器5中吸入两种非共沸混合制冷剂，该混合制冷剂被压缩后进入冷凝器2中，被冷凝的高沸点制冷剂液体和未被冷凝的低沸点制冷剂气体被送入气液分离器3中进行分离。所分离出的高沸点制冷剂液体又分流为两部分，其中一部分直接进入第一经济器9，另一部分则通过第一辅助节流元件8后再进入第一经济器9，后者吸收前者的热量而沸腾蒸发，蒸发后的高沸点制冷剂气体被输送至螺杆式制冷压缩机1的经济器补气口；与此同时，前者在放出热量而降低温度后，流向第一节流元件4，通过第一节流元件4减压后进入冷凝蒸发器5，蒸发成气体后被螺杆式制冷压缩机1吸入。所分离出的低沸点制冷剂气体直接进入冷凝蒸发器5，被冷凝成低沸点制冷剂液体后，再通过第二节流元件6进入蒸发器7中蒸发成气体，实现系统制冷量后被螺杆式制冷压缩机1吸入。
图3所示本发明实施例2的高效螺杆式自复叠制冷系统，其主体部分与图1所示结构基本相同。其不同之处是：在螺杆式制冷压缩机1上设置有经济器补气口，在冷凝蒸发器5的高压液出口与第二节流元件6之间设置有经济器组件，该经济器组件由第二辅助节流元件10和第二经济器11构成，冷凝蒸发器5的高压液出口分为两路，一路直接与第二经济器11的高压进液口相连，另一路通过第二辅助节流元件10与第二经济器11的低压供液口相连，第二经济器11的高压出液口通过第二节流元件6与蒸发器7的输入端相连，第二经济器11的低压回气口与螺杆式制冷压缩机1的经济器补气口相连。
上述实施例2的工作原理是通过直接降低低沸点制冷剂液体的温度来获得更大的制冷量和制冷系数。其运行过程如下：螺杆式制冷压缩机1从蒸发器7和冷凝蒸发器5中吸入两种非共沸混合制冷剂，该混合制冷剂被压缩后进入冷凝器2中，被冷凝的高沸点制冷剂液体和未被冷凝的低沸点制冷剂气体被送入气液分离器3中进行分离。所分离出的高沸点制冷剂液体通过第一节流元件4进入冷凝蒸发器5，蒸发成气体后被螺杆式制冷压缩机1吸入。所分离出的低沸点制冷剂气体直接进入冷凝蒸发器5中，被冷凝成低沸点制冷剂液体。低沸点制冷剂液体又分流为两部分，其中一部分直接进入第二经济器11，另一部分则通过第二辅助节流元件10后再进入第二经济器11，后者吸收前者的热量而沸腾蒸发，蒸发后的低沸点制冷剂气体被输送至螺杆式制冷压缩机1的经济器补气口；与此同时，前者在放出热量而降低温度后，流向第二节流元件6，通过第二节流元件6减压后进入蒸发器7中蒸发成气体，实现系统制冷量后被螺杆式制冷压缩机1吸入。
图4所示本发明实施例3的高效螺杆式自复叠制冷系统，其主体部分与图1所示结构基本相同。其不同之处是：在螺杆式制冷压缩机1上设置有经济器补气口，在气液分离器3的液体出口与第一节流元件4之间设置有由第一辅助节流元件8和第一经济器9构成的经济器组件，在冷凝蒸发器5的高压液出口与第二节流元件6之间设置有由第二辅助节流元件10和第二经济器11构成的经济器组件。实施例3将实施例1和实施例2中的经济器组件结合在一个制冷系统中，其具体连接关系在实施例1和实施例2中已作了详细描述，于此不再复述。
上述实施例3的工作原理是通过间接与直接相结合的方式来降低低沸点制冷剂液体的温度，从而获得更大的制冷量和制冷系数。其运行过程如下：螺杆式制冷压缩机1从蒸发器7和冷凝蒸发器5中吸入两种非共沸混合制冷剂，该混合制冷剂被压缩后进入冷凝器2中，被冷凝的高沸点制冷剂液体和未被冷凝的低沸点制冷剂气体被送入气液分离器3中进行分离。
所分离出的高沸点制冷剂液体又分流为两部分，其中一部分直接进入第一经济器9，另一部分则通过第一辅助节流元件8后再进入第一经济器9，后者吸收前者的热量而沸腾蒸发，蒸发后的高沸点制冷剂气体被输送至螺杆式制冷压缩机1的经济器补气口；与此同时，前者在放出热量而降低温度后，流向第一节流元件4，通过第一节流元件4减压后进入冷凝蒸发器5，蒸发成气体后被螺杆式制冷压缩机1吸入。
所分离出的低沸点制冷剂气体直接进入冷凝蒸发器5中，被冷凝成低沸点制冷剂液体。低沸点制冷剂液体又分流为两部分，其中一部分直接进入第二经济器11，另一部分则通过第二辅助节流元件10后再进入第二经济器11，后者吸收前者的热量而沸腾蒸发，蒸发后的低沸点制冷剂气体被输送至螺杆式制冷压缩机1的经济器补气口；与此同时，前者在放出热量而降低温度后，流向第二节流元件6，通过第二节流元件6减压后进入蒸发器7中蒸发成气体，实现系统制冷量后被螺杆式制冷压缩机1吸入。
上述实施例1～3中，选用带经济器补气口的JLG20III型螺杆式制冷压缩机为制冷主机，其理论排量为1120m3/h，采用R22和R23为混合制冷剂，充注质量百分数分别为0.65和0.35，配以其它制冷辅机组成完整的高效螺杆式自复叠制冷系统，其中的第一节流元件4、第二节流元件6、第一辅助节流元件8和第二辅助节流元件10均可以采用常规的节流阀如机械节流阀、气动节流阀、热力膨胀阀或电动膨胀阀等。在蒸发温度分别为-60℃、-65℃、-70℃、-75℃和-80℃，冷凝温度为+35℃的五种低温制冷工况下，对实施例1～3的制冷量和制冷系数进行对比试验，结果如表1所示：
表1：实施例1～3的制冷量和制冷系数对比试验
从表1的试验数据可以看出：在相同低温制冷工况下，本发明实施例1～3的制冷量和制冷系统均比现有螺杆式自复叠制冷系统高，且随着实施例1～3中低沸点制冷剂R23冷凝液体温度的逐渐降低，其制冷量和制冷系数均逐渐增大，说明本发明的高效螺杆式自复叠制冷系统在低温工况下可显著提高制冷量和制冷系数。
Claims (4)
1.一种高效螺杆式自复叠制冷系统，包括用于两元混合制冷剂循环运行的螺杆式制冷压缩机(1)、冷凝器(2)、气液分离器(3)、第一节流元件(4)、冷凝蒸发器(5)、第二节流元件(6)和蒸发器(7)，螺杆式制冷压缩机(1)的排气口与冷凝器(2)的输入端相连，冷凝器(2)的输出端与气液分离器(3)的气液混合进口相连，气液分离器(3)的气体出口与冷凝蒸发器(5)的高压气进口相连，气液分离器(3)的液体出口通过第一节流元件(4)与冷凝蒸发器(5)的低压供液口相连，冷凝蒸发器(5)的高压液出口通过第二节流元件(6)与蒸发器(7)的输入端相连，冷凝蒸发器(5)的低压回气口和蒸发器(7)的输出端同时与螺杆式制冷压缩机(1)的吸气口相连，其特征是：在螺杆式制冷压缩机(1)上设置有经济器补气口，在气液分离器(3)的液体出口与第一节流元件(4)之间或/和在冷凝蒸发器(5)的高压液出口与第二节流元件(6)之间设置有经济器组件，所述经济器组件的低压回气口与螺杆式制冷压缩机(1)的经济器补气口相连。
2.根据权利要求1所述的高效螺杆式自复叠制冷系统，其特征是：在气液分离器(3)的液体出口与第一节流元件(4)之间设置的经济器组件由第一辅助节流元件(8)和第一经济器(9)构成，气液分离器(3)的液体出口分为两路，一路直接与第一经济器(9)的高压进液口相连，另一路通过第一辅助节流元件(8)与第一经济器(9)的低压供液口相连，第一经济器(9)的高压出液口通过第一节流元件(4)与冷凝蒸发器(5)的低压供液口相连，第一经济器(9)的低压回气口与螺杆式制冷压缩机(1)的经济器补气口相连。
3.根据权利要求1所述的高效螺杆式自复叠制冷系统，其特征是：在冷凝蒸发器(5)的高压液出口与第二节流元件(6)之间设置的经济器组件由第二辅助节流元件(10)和第二经济器(11)构成，冷凝蒸发器(5)的高压液出口分为两路，一路直接与第二经济器(11)的高压进液口相连，另一路通过第二辅助节流元件(10)与第二经济器(11)的低压供液口相连，第二经济器(11)的高压出液口通过第二节流元件(6)与蒸发器(7)的输入端相连，第二经济器(11)的低压回气口与螺杆式制冷压缩机(1)的经济器补气口相连。
4.根据权利要求1所述的高效螺杆式自复叠制冷系统，其特征是：
在气液分离器(3)的液体出口与第一节流元件(4)之间设置的经济器组件由第一辅助节流元件(8)和第一经济器(9)构成，气液分离器(3)的液体出口分为两路，一路直接与第一经济器(9)的高压进液口相连，另一路通过第一辅助节流元件(8)与第一经济器(9)的低压供液口相连，第一经济器(9)的高压出液口通过第一节流元件(4)与冷凝蒸发器(5)的低压供液口相连，第一经济器(9)的低压回气口与螺杆式制冷压缩机(1)的经济器补气口相连；
在冷凝蒸发器(5)的高压液出口与第二节流元件(6)之间设置的经济器组件由第二辅助节流元件(10)和第二经济器(11)构成，冷凝蒸发器(5)的高压液出口分为两路，一路直接与第二经济器(11)的高压进液口相连，另一路通过第二辅助节流元件(10)与第二经济器(11)的低压供液口相连，第二经济器(11)的高压出液口通过第二节流元件(6)与蒸发器(7)的输入端相连，第二经济器(11)的低压回气口与螺杆式制冷压缩机(1)的经济器补气口相连。
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2010
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