CN101995114A - 利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统 - Google Patents

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利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统，其结构：第一高压气瓶出口接第一换热器第一高压入口，第一换热器第一高压出口接第二换热器高压入口；第二换热器高压出口接节流元件入口，节流元件出口接蒸发器入口；蒸发器出口接第二换热器低压入口，第二换热器低压出口接引射器低压入口；第二高压气瓶出口接第一换热器第二高压入口，第一换热器第二高压出口接引射器高压入口；引射器出口接第一换热器低压入口，第一换热器低压出口通大气；第二高压气瓶内物质沸点高于第一高压气瓶内物质沸点。结构简单，高沸点物质通过引射器实现对低沸点物质的预冷和引射，而降低低沸点物质节流后压力以实现更低制冷温度，并提高低沸点物质的单位流量制冷量。

Description

利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统
技术领域
本发明涉及一种节流制冷机系统，特别涉及一种利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统。
背景技术
在制冷和低温工程中，节流是获得低温的古老而重要的方法。根据实际气体的Joule-Thomosn效应，在实际气体的转回温度以下，实际气体节流后温度下降，另外再采取自身回热换热措施(recuperation)，可以获取深度制冷。回热换热器的原理就是利用节流后的较低温度的低压气流通过间壁式换热器冷却高压气流，使其节流前的温度降低，而实现更低的节流制冷温度。例如采取开式高压氮气在节流制冷器内节流，可以获取接近液氮温度制冷，从而作为红外探测器冷却等应用。在此类专门设计的节流制冷器内，由于其热容小，制冷效应相对大，其降温速率可以实现数秒内从环境温度降低至85K左右的低温。由于回热换热器低压返流侧传热的需要，其通道内必然存在流动阻力，因此即使采用氮气节流制冷，其最低温度通常比77K高，一般只能实现约85K左右的制冷效果。另外根据纯工质Joule-Thomson节流制冷原理，其最大制冷量受制于节流制冷器环境温度端的等温节流效应。因此对于纯工质来讲，降低高温端的温度可以提高制冷量。
引射器是利用射流的紊动扩散作用，使不同压力的两股流体相互混合并进行能量交换的流体设备，主要包括吸入室、喷嘴、混合段和扩压段四部分。其中较高压力的气流通过喷嘴可以实现对较低压力流体的抽吸作用，并且引射效应可以抵消流动阻力的影响，降低制冷温度。因此合理利用引射器可以实现较低的节流后压力，以此可降低最低制冷温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统；可以实现以较高沸点的纯工质或高温级混合工质为工作介质引射较低沸点纯工质或者混合工质，并且同时实现预冷效应，以最终实现获得低温制冷并且提高制冷量的目的。
本发明的技术方案如下：
如附图1所示，本发明提供的利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统，其包括第一高压气瓶1、第一换热器2、第二换热器3、节流元件4、蒸发器5、引射器6、第二高压气瓶7及管路；所述第一高压气瓶1出口连接第一换热器2第一高压气体入口，第一换热器2第一高压气体出口连接第二换热器3高压入口；第二换热器3高压出口连接节流元件4入口，节流元件4出口连接蒸发器5入口；蒸发器5出口连接第二换热器3低压入口，第二换热器3低压出口连接引射器6低压入口；
第二高压气瓶7出口连接第一换热器2第二高压气体入口，第一换热器2第二高压气体出口连接引射器6高压入口；引射器6出口连接第一换热器2低压入口，第一换热器2低压出口直接连通大气境；
所述第二高压气瓶7内物质的沸点高于所述第一高压气瓶1内物质的沸点。
当所述的第一高压气瓶1内物质为Ne时，第二高压气瓶7物质为N2、Ar或者二者的混合物。
当所述的第一高压气瓶1内物质为N2、Ar或者二者的混合物时，第二高压气瓶1内物质为四氟甲烷、三氟甲烷或者二者的混合物。
本发明的利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统，其结构简单，可通过利用高沸点物质实现对低沸点物质的预冷，并且通过引射器的引射效应由高沸点物质实现对低沸点物质节流后低压流体的引射，进一步降低低沸点物质节流后的压力，从而可获取更低的制冷温度。同时利用高沸点工质的预冷效果，可提升整体制冷系统的制冷量和降温速率，并可延长工作时间，对于某些应用场合具有重要意义。
通常工质节流后其最低制冷温度受到低压通道的流动阻力的影响比常压沸点温度高。例如对于N2，其常规节流后所能够实现的制冷温度仅在83～85K左右，而且其最大制冷量受节流制冷器所处环境侧N2的等温节流效应制约。根据热力学原理，其等温节流效应随温度降低而增大，因此，如果采取预冷，其单位流量的制冷量显然增大，并且引射效应可以抵消流动阻力的影响，降低制冷温度。
附图说明
附图1为本发明的利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的思想做进一步阐述。
实施例1：
一种可获得77K低温的利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统：
如附图1所示，第一高压气瓶1内装氮气；第二高压气源瓶7内装三氟甲烷(CF4，R23)；
从第一高压气瓶1出来的高压氮气工质经过第一换热器2后进入第二换热器3高压入口，然后进入节流元件4节流后进入蒸发器5，提供冷量，然后进入第二换热器3低压通道(低压入口至低压出口)，提供对高压来流的自身冷却效果(Recuperation)，随后进入引射器6低压入口(低压引射入口)；
从第二高压气源瓶7的R23流体经过第一换热器2的第二高压通道(第二高压入口至第二高压出口)进入引射器6高压入口，通过引射器喷嘴提高流速并实现对低温工质的引射，然后进入第一换热器2低压通道(低压入口至低压出口)提供冷量，同时实现对N2和R23的高压气体的冷却，自身温度恢复，然后由第一换热器2的低压出口排入大气环境。
在上述工作过程中，R23首先通过引射器6使自身压力降低，并且降温，进入第一换热器2后可以实现对自身R23的高压预冷，同时实现对高压N2的预冷，另外还可以实现对N2节流后的引射；实际上R23引射后可实现对N2高压气流在200K温区的预冷，同时实现使N2节流后压力接近甚至第一0.1MPa(绝对压力)，使N2节流后完全实现77K甚至以下的制冷，并提高单位流量的制冷量。
实施例2
一种可获得30K低温的利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统：
如附图1所示，第一高压气瓶1内装Ne；第二高压气瓶的制冷剂可以为高压N2、高压Ar或者二者的混合物；
其流程结构与实施例1完全相同，不同之处在于：从第一高压气瓶1出来的高压工质气体为Ne，而从第二高压气瓶出来的制冷剂可以为高压N2、Ar或者二者的混合物；经过第二高压气体的引射预冷，可以使Ne在进入第二换热器3之前的温度降低至85～90K，然后经第二换热器3自身冷却后可以实现30K温区的制冷。
实施例3
一种可获得70K低温的利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统
如附图1所示，其流程结构与实施例1完全相同，不同之处在于：从第一高压气瓶1出来的高压工质气体为N2，而从第二高压气瓶出来的制冷剂可以为高压R14和R23的混合物。经过第二高压气体的引射预冷，可以使N2在进入第二换热器3之前的温度降低至150K左右，然后经第二换热器3自身冷却，并经引射器引射后，节流时低压可以降低至绝对压力在0.03MPa的真空状态，可以实现70K温区的制冷。

Claims (3)

1.一种利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统，其特征在于：其包括第一高压气瓶(1)、第一换热器(2)、第二换热器(3)、节流元件(4)、蒸发器(5)、引射器(6)、第二高压气瓶(7)及管路；所述第一高压气瓶(1)出口连接第一换热器(2)第一高压气体入口，第一换热器(2)第一高压气体出口连接第二换热器(3)高压入口；第二换热器(3)高压出口连接节流元件(4)入口，节流元件(4)出口连接蒸发器(5)入口；蒸发器(5)出口连接第二换热器(3)低压入口，第二换热器(3)低压出口连接引射器(6)低压入口；
第二高压气瓶(7)出口连接第一换热器(2)第二高压气体入口，第一换热器(2)第二高压气体出口连接引射器(6)高压入口；引射器(6)出口连接第一换热器(2)低压入口，第一换热器(2)低压出口直接连通大气境；
所述第二高压气瓶(7)内物质的沸点高于所述第一高压气瓶(1)内物质的沸点。
2.如权利要求1所述的利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统，其特征在于：所述的第一高压气瓶(1)内物质为Ne，第二高压气瓶(7)物质为N2、Ar或者二者的混合物。
3.如权利要求1所述的一种利用高沸点物质引射预冷低沸点物质的节流制冷系统，其特征在于：所述的第一高压气瓶(1)内物质为N2、Ar或者二者的混合物，第二高压气瓶(7)内物质为四氟甲烷、三氟甲烷或者二者的混合物。
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