CN102287949B - 一种带涡流管的自复叠系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带涡流管的自复叠系统，包括涡流管和第二冷凝器，压缩机依次串联第一冷凝器、气液分离器，气液分离器的气体出口与涡流管的进口相连，涡流管的热端出口连接第二冷凝器的进口，涡流管的冷端出口与第二冷凝器的出口连成一路后，与冷凝蒸发器、回热器、第二节流阀、蒸发器、回热器依次串联；气液分离器的液体出口连接第一节流阀，第一节流阀的出口与回热器的冷端流体出口连成一路后，与冷凝蒸发器的冷端流体进口相连，冷凝蒸发器的冷端流体出口连接压缩机。本发明还提供了精馏型带涡流管的自复叠系统和双温制冷的带涡流管的自复叠系统。本发明对高压低沸点为主工质的能量实现有效的利用，回收普通节流带来的能量损失。

Description

一种带涡流管的自复叠系统

技术领域

本发明属于低温制冷技术，尤其涉及一种带涡流管的自复叠系统。

背景技术

经典复叠制冷循环，随着复叠级数的增加，系统结构变复杂，效率下降，经济性变差。自行复叠制冷循环，又称为自复叠制冷循环或自动复叠制冷循环或内复叠制冷循环，可以根据所要达到的制冷温度，选择两种或两种以上组分的混合工质，在循环中布置一个或多个气液分离器对混合工质进行分凝分离，或采用精馏装置进行分离。

图1所示为传统自复叠制冷系统中的一种系统。图中低压混合制冷剂蒸汽经过压缩机1压缩成高温高压的混合制冷剂，然后流到第一冷凝器2中，进行冷却冷凝，再进入气液分离器3中进行气液分离，气液分离出来的以高沸点工质为主的饱和高压液体经过第一节流阀9节流到系统低压。气液分离出来的以低沸点工质为主的饱和气体混合物进入冷凝蒸发器10放热，再依次通过回热器6、第二节流阀7节流至系统低压，进入第一蒸发器8进行蒸发吸热，产生制冷。吸热过程结束后的低沸点为主的工质从第一蒸发器8流出进入回热器6，用于回收其剩余的冷量。然后再与前述的通过第一节流阀9节流的低压高沸点为主的工质汇合进入冷凝蒸发器10吸热，最后被压缩机1吸入完成整个循环流程。

上面所述的自复叠系统类型在制取低温时，系统的性能系数(COP)通常很低，即要在低温下获得大的制冷量就必须输入非常多的机械功，同时为了达到更低的制冷温度，如在气体液化循环中，通常需要多级的分离过程，增加了系统的复杂度。

目前对自复叠制冷循环效果改进的方法通常是选用不同的制冷工质、优化工质组成及配比、提高高低沸点组分气液分离效果等，例如中国专利公开号CN200710164848.8，“精馏型混合工质自复叠气体液化系统”公开了一种带有精馏装置的气体液化系统，其具有依次连接的压缩机、冷凝器、干燥过滤器、精馏装置、第一换热器、第二换热器、第一节流阀、第三换热器、气液分离器。该系统利用精馏装置来代替气液分离器，用来冷却分离混合工质气体，以减少传统混合工质气体液化系统中分离级数过多的问题。虽然该系统能够有效的简化系统结构，但精馏装置的设计相对气液分离器来说较复杂，增加了系统分析的复杂程度。

涡流管具有温度分离效应，可将气流分离为冷气流和热气流。但现有技术中用涡流管来增加对外放热的系统，通常用来获得高温，达到热泵的效果。例如中国专利申请号200710018736.1，“一种带有涡流管的高温热泵系统”公开了一种带有压缩机以及与压缩机的排气管相连接的涡流管的高温热泵系统，虽然该系统利用涡流管提高气流的温度，在水的二次加热后，可以达到更高的温度。但这种利用压缩机消耗能量来实现放热过程本质上不是一种对于现有损失能量的回收利用，而是利用高品位的电能来产生低品位的热能的方式。

发明内容

本发明提供一种带涡流管的自复叠系统，利用涡流管回收普通节流过程的压力损失，对高压低沸点为主工质的能量实现有效的利用，用于对环境额外放热，提高了系统的COP，达到了节能的效果。

一种带涡流管的自复叠系统，包括压缩机、第一冷凝器、气液分离器、第一节流阀、冷凝蒸发器、回热器、第二节流阀、第一蒸发器、涡流管和第二冷凝器，所述的压缩机依次串联所述的第一冷凝器，气液分离器，所述的气液分离器的气体出口与所述的涡流管的进口相连，所述的涡流管的热端出口连接所述的第二冷凝器的进口，所述的涡流管的冷端出口与所述的第二冷凝器的出口连成一路后，与所述的冷凝蒸发器的热端流体进口、冷凝蒸发器的热端流体出口、回热器的热端流体进口、回热器的热端流体出口、第一节流阀、第一蒸发器、回热器的冷端流体进口、回热器的冷端流体出口依次串联；所述的气液分离器的液体出口连接所述的第一节流阀，所述的第一节流阀的出口与所述的回热器的冷端流体出口连成一路后，与所述的冷凝蒸发器的冷端流体进口相连，冷凝蒸发器的冷端流体出口连接所述的压缩机。

此外，本发明还提供了一种精馏型带涡流管的自复叠系统，包括压缩机、第一冷凝器、精馏装置、第一节流阀、回热器、第二节流阀、第一蒸发器、涡流管和第二冷凝器，所述的压缩机依次串联所述的第一冷凝器，精馏装置，所述精馏装置的顶部气体出口与精馏装置顶部设有的顶部换热器的第一进口相连，顶部换热器的第一出口与所述的涡流管的进口相连，所述的涡流管的热端出口连接所述的第二冷凝器的进口，所述的涡流管的冷端出口与所述的第二冷凝器的出口连成一路后，与所述的回热器的热端流体进口、回热器的热端流体出口、第一节流阀、第一蒸发器、回热器的冷端流体进口、回热器的冷端流体出口依次串联；所述的精馏装置的底部液体出口连接第一节流阀，所述的第一节流阀的出口与所述的回热器的冷端流体出口连成一路后，与所述顶部换热器的第二进口相连，所述的顶部换热器的第二出口连接所述的压缩机。

此外，本发明还提供了一种双温制冷的带涡流管的自复叠系统，包括压缩机、第一冷凝器、气液分离器、第一节流阀、回热器、第二节流阀、第一蒸发器、第二蒸发器、涡流管和第二冷凝器，所述的压缩机依次串联所述的第一冷凝器、气液分离器，所述的气液分离器的气体出口与所述的涡流管的进口相连，所述的涡流管的热端出口连接所述的第二冷凝器的进口，所述的涡流管的冷端出口与所述的第二冷凝器的出口连成一路后，与所述的回热器的热端流体进口、回热器的热端流体出口、第一节流阀、第一蒸发器、回热器的冷端流体进口、回热器的冷端流体出口依次串联；所述的气液分离器的液体出口依次串联第一节流阀、第二蒸发器；所述的第二蒸发器的出口与所述的回热器的冷端流体出口连成一路后，与所述的压缩机相连。

本发明自复叠系统中使用的流体工质为由卤代烃或/与醇类或/与无机物等制冷剂组成的混合工质。

本发明在传统自复叠系统中增设了涡流管与第二冷凝器的组合：利用涡流管对本身不能对环境放热的高压低沸点工质为主的气体进行分离，得到高于环境温度的气体；利用第二冷凝器将这部分的气体对环境进行额外放热。整个装置对传统自复叠系统中未利用到的气液分离装置分离出来的高压低沸点工质为主的气体进行再利用，回收了直接节流带来的能量损失，使得在消耗同样压缩机功率的情况下，在相同的制冷温度下产生更多的制冷量，从而有效地提高了系统的COP。本发明的第一个方案提供的带涡流管的自复叠系统就能大幅改善图1所示系统的COP。

另外，本发明只在传统自复叠系统中额外增加一个涡流管与一个冷凝器，使得系统结构比较简单，同时由于涡流管与第二冷凝器并非运动部件，故能充分发挥本发明自复叠系统在气液分离器至第一蒸发器间无运动部件的优势，并且由于在循环机理上属于自复叠制冷循环，因此在多种不同的非共沸制冷剂组合下都能工作，适用范围广。

附图说明

图1是传统自复叠制冷系统中的一种系统的流程示意图；

图2是本发明采用R23/R600a混合制冷剂作为工质的带涡流管的自复叠系统的流程示意图；

图3是本发明采用R23/R134a混合制冷剂作为工质的带涡流管的精馏型自复叠系统的流程示意图；

图4是本发明采用R23/R600a混合制冷剂作为工质的双温制冷的带涡流管的自复叠系统的流程示意图；

其中：1、压缩机；2、第一冷凝器；3、气液分离器；4、涡流管；5、第二冷凝器；6、回热器；7、第二节流阀；8、第一蒸发器；9、第一节流阀；10、冷凝蒸发器；11、精馏装置；12、第二蒸发器；13、顶部换热器。

具体实施方式

本发明是在传统自复叠系统上增加了涡流管和冷凝器，可适用于各类自复叠系统，以下实施例仅是作为示例性，并非限制本发明的范围。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参见图2，图2是本发明采用R23/R600a混合制冷剂作为工质的带涡流管的自复叠系统的流程示意图。一种带涡流管的自复叠系统包括压缩机1、第一冷凝器2、气液分离器3、涡流管4、第二冷凝器5、回热器6、第二节流阀7、第一蒸发器8、第一节流阀9、冷凝蒸发器10。压缩机1的气体出口与第一冷凝器2的气体进口相连，第一冷凝器2的出口与气液分离器3的进口相连，气液分离器3的顶部气体出口与涡流管4的进口相连，气液分离器3的底部液体出口与第一节流阀9的进口相连，涡流管4的热端出口与第二冷凝器5的气体进口相连，涡流管4的冷端出口与第二冷凝器5的出口汇聚成一路后，与冷凝蒸发器10的热端流体进口相连接，冷凝蒸发器10的热端流体出口与回热器6的热端流体进口连接，回热器6的热端流体出口与第二节流阀7的进口连接，第二节流阀7的出口与第一蒸发器8的制冷剂进口相连接，第一蒸发器8的制冷剂出口与回热器6的冷端流体进口相连接，回热器6的冷端流体出口与第一节流阀9的出口连接汇聚成一路后，与冷凝蒸发器10的冷端流体进口相连接，冷凝蒸发器10的冷端流体出口与压缩机1的气体进口相连接。

在本实施例中，选用的工质为R23与R600a所组成的混合制冷剂。其中高沸点工质为R600a，低沸点工质为R23。低压混合制冷剂蒸汽经过压缩机1压缩成高温高压的制冷剂，然后流到第一冷凝器2，冷却冷凝到环境温度30℃。此时的气液混合物在气液分离器3中进行气液分离。气液分离出来的以高沸点工质为主的饱和高压液体经过第一节流阀9节流到系统低压。气液分离出来的以低沸点工质为主的饱和气体混合物以高压状态进入涡流管4。涡流管4的热端出口流出高温中压的气体，其在第二冷凝器5中对环境放出大量的热，再次冷却冷凝到环境温度30℃后，与涡流管4的冷端出口流出的低温中压流体混合，进入冷凝蒸发器10中放热。经过冷凝蒸发器10后的低沸点为主的工质，进入回热器6中再次降温，然后通过第二节流阀7节流至系统低压，进入第一蒸发器8中，进行蒸发吸热，产生-60℃的低温。吸热过程结束后的低沸点为主的工质从第一蒸发器8流出进入回热器6，用于回收其剩余的冷量。然后再与前述的通过第一节流阀9节流的低压高沸点为主的工质汇合进入冷凝蒸发器10中，蒸发吸热，最后被压缩机1吸入完成整个循环流程。

通过对本实施例与图1所示的自复叠系统的模拟计算，得到表1与表2。

表1COP比较

表1中，系统冷凝温度为30℃，蒸发温度为-60℃，涡流管进出口压比为2，冷热流体比为0.45。由表1可以看出，本实施例自复叠系统在COP上有显著的提高。

表2第一蒸发器进口温度比较

表2中，系统冷凝温度30℃，蒸发温度-60℃。由表2可以看出，在同样压缩机耗功，同样工质组成配比的情况下，本实施例自复叠系统所获得的第一蒸发器8进口温度比图1所示的自复叠系统低了10℃以上，这对单级压缩式自复叠系统降温效果的提升有着重要的意义。

总的来看，本实施例自复叠系统，结构较简单，但是相对图1所示的自复叠系统，性能的提升有很明显的效果，且整个系统由于未增加额外的运动部件，可保证系统的稳定运行，对于节能减排、可持续发展有着深远的意义。

实施例2

参见图3，图3是本发明采用R23/R134a混合制冷剂作为工质的带涡流管的精馏型自复叠系统的流程示意图。一种带涡流管的精馏型自复叠系统包括压缩机1、第一冷凝器2、精馏装置11、涡流管4、第二冷凝器5、回热器6、第二节流阀7、第一蒸发器8、第一节流阀9。压缩机1的气体出口与第一冷凝器2的气体进口相连，第一冷凝器2的出口与精馏装置11的底部进口相连，精馏装置11的顶部气体出口与精馏装置11顶部设有的顶部换热器13的第一进口相连，顶部换热器13的第一出口与涡流管4的进口相连，精馏装置11的底部液体出口与第一节流阀9的进口相连，涡流管4的热端出口与第二冷凝器5的气体进口相连，涡流管4的冷端出口与第二冷凝器5的出口汇聚成一路后，与回热器6的热端流体进口相连接，回热器6的热端流体出口与第二节流阀7的进口连接，第二节流阀7的出口与第一蒸发器8的制冷剂进口相连接，第一蒸发器8的制冷剂出口与回热器6的冷端流体进口相连接，回热器6的冷端流体出口与第一节流阀9的出口连接汇聚成一路后，与顶部换热器13的第二进口相连，顶部换热器13的第二出口与压缩机1的气体进口相连接。

在本实施例中，选用的工质为R23与R134a所组成的混合制冷剂。其中高沸点工质为R134a，低沸点工质为R23。低压混合制冷剂蒸汽经过压缩机1压缩成高温高压的制冷剂，然后流至第一冷凝器2，被冷却冷凝到环境温度30℃。此时的气液混合物在精馏装置11中进行连续冷凝蒸发实现气液分离。精馏出来的以高沸点工质为主的饱和高压液体经过第一节流阀9节流到系统低压。精馏出来的以低沸点工质为主的饱和气体混合物以高压状态进入涡流管4。涡流管4的热端出口流出高温中压的气体，其在第二冷凝器5中对环境放出大量的热，并再次被冷却冷凝到环境温度30℃。然后，第二冷凝器5出来的气体与涡流管4的冷端出口流出的低温中压流体混合进入回热器6中放热。经过回热器6后的低沸点为主的工质通过第二节流阀7节流至系统低压，进入第一蒸发器8中，进行蒸发吸热，产生-45℃的低温。吸热过程结束后的低沸点为主的工质从第一蒸发器8流出，然后进入回热器6，用于回收其剩余的冷量。回热器6出来的流体再与前述的通过第一节流阀9节流的低压高沸点为主的工质汇合，在精馏装置11顶部换热器13中吸热，最后再被压缩机1吸入完成整个循环流程。

通过对本实施例自复叠系统与本实施例系统不带涡流管与第二冷凝器的精馏型自复叠系统的模拟计算，得到表3：

表3COP比较

表3中，系统冷凝温度为30℃，蒸发温度为-45℃，涡流管进出口压比为1.3，涡流管冷热流体比为0.49。由表3可以看出，在涡流管进出口压比小的情况下，本实施例带涡流管的精馏型自复叠系统比该系统不带涡流管与第二冷凝器也有明显地提高。

实施例3

根据图4所示，图4是本发明采用R23/R600a混合制冷剂作为工质的双温制冷的自复叠系统的流程示意图。参照图2，当涡流管4进出口流体压比较大时，则不需要高沸点工质在冷凝蒸发器10处蒸发吸热，来实现对进入第一蒸发器8的低沸点工质为主的流体进行预冷。这种情况下，可将经过气液分离后的高沸点工质直接用来产生相对较高温度位的制冷，得到图4所示系统。所述的一种双温制冷的带涡流管的自复叠系统包括压缩机1、第一冷凝器2、气液分离器3、涡流管4、第二冷凝器5、回热器6、第二节流阀7、第一蒸发器8、第一节流阀9、第二蒸发器12。压缩机1的气体出口与第一冷凝器2的气体进口相连，第一冷凝器2的出口与气液分离器3的进口相连，气液分离器3的顶部气体出口与涡流管4的进口相连，气液分离器3的底部液体出口与第一节流阀9的进口相连，第一节流阀9的出口与第二蒸发器12的制冷剂进口相连，涡流管4的热端出口与第二冷凝器5的进口相连，涡流管4的冷端出口与第二冷凝器5的出口汇聚成一路后，与回热器6的热端流体进口相连接，回热器6的热端流体出口与第二节流阀7的进口连接，第二节流阀7的出口与第一蒸发器8的制冷剂进口相连接，第一蒸发器8的制冷剂出口与回热器6的冷端流体进口相连接，回热器6的冷端流体出口与第二蒸发器12的制冷剂出口连接汇聚成一路后，与压缩机1的气体进口相连接。

在本实施例中，选用的工质为R23与R600a所组成的混合制冷剂。其中高沸点工质为R600a，低沸点工质为R23。低压混合制冷剂蒸汽经过压缩机1压缩成高温高压的制冷剂，然后流至第一冷凝器2，被冷却冷凝到环境温度30℃。此时的气液混合物在气液分离器3中进行气液分离。气液分离出来的以高沸点工质为主的饱和高压液体经过第一节流阀9节流到系统低压，然后进入第二蒸发器12中，进行蒸发吸热，产生0℃的相对较高温度位的制冷。气液分离出来的以低沸点工质为主的饱和气体混合物以高压状态进入涡流管4。涡流管4的热端出口流出高温中压的气体，其在第二冷凝器5中对环境放出大量的热，并被再次冷却冷凝到环境温度30℃。第二冷凝器5流出的流体与涡流管4的冷端出口流出的低温中压流体混合，进入回热器6中放热，然后通过第二节流阀7节流至系统低压，进入第一蒸发器8，进行蒸发吸热，产生-60℃的相对较低温度位的制冷。吸热过程结束后的以低沸点为主的工质从第一蒸发器8流出并进入回热器6，用于回收其剩余的冷量，然后再与第二蒸发器12出来的低压高沸点为主的工质混合，最后再被压缩机1吸入完成整个循环流程。

通过对本实施例自复叠系统的模拟计算得到该系统的性能参数，见表4：

表4各温度区间的COP

表4中，系统冷凝温度为30℃，涡流管进出口压比为2.5，涡流管冷热流体比为0.45，该系统实现了两个温度位的制冷。由表4可以看出，本实施例自复叠系统具有很好的制冷效果，能在不降低低温制冷效果的情况下，充分利用制冷剂工质热物性的特点来实现两个温度位制冷，有利于有这种特殊要求使用场合的系统的利用。

Claims (3)

1.一种带涡流管的自复叠系统，包括压缩机、第一冷凝器、气液分离器、第一节流阀、冷凝蒸发器、回热器、第二节流阀、第一蒸发器，其特征在于：还包括涡流管和第二冷凝器，所述的压缩机依次串联所述的第一冷凝器、气液分离器，所述的气液分离器的气体出口与所述的涡流管的进口相连，所述的涡流管的热端出口连接所述的第二冷凝器的进口，所述的涡流管的冷端出口与所述的第二冷凝器的出口连成一路后，与所述的冷凝蒸发器的热端流体进口、冷凝蒸发器的热端流体出口、回热器的热端流体进口、回热器的热端流体出口、第二节流阀、第一蒸发器、回热器的冷端流体进口、回热器的冷端流体出口依次串联；所述的气液分离器的液体出口连接第一节流阀，所述的第一节流阀的出口与所述的回热器的冷端流体出口连成一路后，与所述的冷凝蒸发器的冷端流体进口相连，冷凝蒸发器的冷端流体出口连接所述的压缩机。

2.一种精馏型带涡流管的自复叠系统，包括压缩机、第一冷凝器、精馏装置、第一节流阀、回热器、第二节流阀、第一蒸发器，其特征在于：还包括涡流管和第二冷凝器，所述的压缩机依次串联所述的第一冷凝器、精馏装置，所述精馏装置的顶部气体出口与精馏装置顶部设有的顶部换热器的第一进口相连，顶部换热器的第一出口与所述的涡流管的进口相连，所述的涡流管的热端出口连接所述的第二冷凝器的进口，所述的涡流管的冷端出口与所述的第二冷凝器的出口连成一路后，与所述的回热器的热端流体进口、回热器的热端流体出口、第二节流阀、第一蒸发器、回热器的冷端流体进口、回热器的冷端流体出口依次串联；所述的精馏装置的底部液体出口连接第一节流阀，所述的第一节流阀的出口与所述的回热器的冷端流体出口连成一路后，连接所述顶部换热器的第二进口，所述的顶部换热器的第二出口连接所述的压缩机。

3.一种双温制冷的带涡流管的自复叠系统，包括压缩机、第一冷凝器、气液分离器、第一节流阀、回热器、第二节流阀、第一蒸发器、第二蒸发器，其特征在于：还包括涡流管和第二冷凝器，所述的压缩机依次串联所述的第一冷凝器、气液分离器，所述的气液分离器的气体出口与所述的涡流管的进口相连，所述的涡流管的热端出口连接所述的第二冷凝器的进口，所述的涡流管的冷端出口与所述的第二冷凝器的出口连成一路后，与所述的回热器的热端流体进口、回热器的热端流体出口、第一节流阀、第一蒸发器、回热器的冷端流体进口、回热器的冷端流体出口依次串联；所述的气液分离器的液体出口依次串联第一节流阀、第二蒸发器；所述的第二蒸发器的出口与所述的回热器的冷端流体出口连成一路后，与所述的压缩机相连。

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