CN102338496B

CN102338496B - 一种带涡流管的多温区制冷系统

Info

Publication number: CN102338496B
Application number: CN 201110293044
Authority: CN
Inventors: 韩晓红; 李鹏; 王征; 陈光明; 唐黎明; 乔晓刚
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102338496A

Abstract

本发明公开了一种带涡流管的多温区制冷系统，压缩机连接第一冷凝器，第一冷凝器连接气液分离装置，气液分离装置气体出口连接涡流管，涡流管的热端出口依次串联第二冷凝器、第一膨胀阀、第一蒸发器、第一减压阀；涡流管的冷端出口依次串联第二膨胀阀和第二蒸发器，第二膨胀阀外并列一第一旁通阀；气液分离装置液体出口依次串联第三膨胀阀、第三蒸发器和第二减压阀；第一减压阀的出口、第二蒸发器的出口以及第二减压阀的出口连成一路后，连接压缩机。本发明解决了大型超市等一些场所现有针对不同制冷温度和保存环境而需不同冷藏设备的问题。利用涡流管的能量分离效应，采用一套制冷系统和设备实现多个温区制冷，并利用产热量，提高了系统效率。

Description

一种带涡流管的多温区制冷系统

技术领域

本发明属于制冷系统领域，特别涉及能实现多温区制冷调节的带涡流管的制冷系统。

背景技术

在很多领域，对产品冷冻、冷藏、冷鲜的要求越来越高，特别是在食品、生物、医药等领域，对保存环境有着很高的要求。而在这些场合，不同产品类型，对存储环境温度的要求也不尽相同，对制冷系统及其调节维护来说是一个挑战。例如在大型超市，一般设有供消费者选购冷鲜肉类、海鲜、乳品、蔬菜等的专门区域，这些商品的保存温度和环境要求相差很大，超市往往需要购置多种冷饮柜，鲜肉柜，蔬菜柜等来分别满足不同产品的质量和新鲜度的要求。由于温度和环境要求的不同，这些不同的保鲜柜采用不同的制冷系统及调控方式，会带来很多问题：1)需要针对不同的产品购置不同的专用冷藏柜，根据统计，一般中型超市需配备三种以上冷藏设备，投资较大，设备分散，占用空间大，容易产生噪音，管理维护困难，工作量大，需要安排专门人员；2)市售冷藏设备一般制冷效率不高，压缩机性能系数(COP)低，现在主流高效冷藏柜压缩机COP也仅在1.6左右，而且在国内市场很多还达不到这一要求，而一些专用冷冻柜，制冷效率更低，能耗大。同时使用多种分散的冷藏设备，压缩机和其它部件损失大，造成综合制冷性能低下，耗电量大，在大型超市的耗电中，50％-70％是由超市各种冷柜及空调制冷系统所消耗的，而冷藏柜的能耗比例在逐年增加；3)调节和系统匹配性能差，有些冷藏设备只在部分负荷下运行，效率低，浪费能源，而其他设备可能临时增加负荷，又无法满足储存要求，很多情况下两者无法互补，这样就造成了能源分配的不平衡和浪费。此外，在这些冷藏设备中，制冷系统的冷凝热量往往直接排放，冷凝载冷剂温度不够高，冷凝热量往往无法利用，不仅是对能源的浪费，还对周边环境构成热污染。不仅在商场，一些医疗机构也会用到多种类型的冷藏设备，保存药品，血液，冰袋等等，同样面临着以上问题。

此外，在一些以往的涡流管装置中，涡流管制冷系统效率较低，冷热流体不能得到充分的同时利用，往往造成能量的浪费，例如公开号为CN101922800A的中国发明专利提出了一种逆流式多级冷凝热泵热水器，它主要是将涡流管热端出口的高温低压气体进行利用，并未利用其冷端低压气体，使其效率较低，不利于节能。公开号为CN101135503A的中国发明专利提出了一种带有涡流管的高温热泵系统，虽然将涡流管冷热端的制冷剂分别进行利用，但是并未重视热端出来的制冷剂在将热量释放后可继续产生制冷效应的特点，使其应用范围受到限制，效率较低。

发明内容

本发明提供了一种带涡流管的多温区制冷系统，采用一套制冷系统和设备，解决了超市等一些场所现有针对不同制冷温度和环境要求而需不同冷藏设备的问题。

一种带涡流管的多温区制冷系统，包括压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀、第一蒸发器、气液分离装置、涡流管、第二膨胀阀、第二蒸发器、第三膨胀阀、第三蒸发器和第二冷凝器，所述压缩机的出口连接所述第一冷凝器的进口，所述第一冷凝器的出口连接气液分离装置的进口，气液分离装置的气体出口连接涡流管的进口，涡流管的热端出口依次串联第二冷凝器的制冷剂进口、第二冷凝器的制冷剂出口、第一膨胀阀、第一蒸发器、第一减压阀；涡流管的冷端出口依次串联第二膨胀阀和第二蒸发器，所述第二膨胀阀外并列一第一旁通阀；气液分离装置的液体出口依次串联第三膨胀阀、第三蒸发器和第二减压阀；所述第一减压阀的出口、第二蒸发器的出口以及第二减压阀的出口连成一路后，连接压缩机的进口。

作为优选，所述第一冷凝器的冷却介质回路上设有第二旁通阀，作为调节介质流量使用。当各蒸发器承担的负荷发生变化时，调节第一冷凝器中冷却介质回路上的第二旁通阀改变介质流量，可改变制冷剂冷凝后进入气液分离装置时的气液比例。同时调节涡流管的冷流分量，最终可使流经第一蒸发器、第二蒸发器、第三蒸发器的制冷剂流量分配比例发生变化，各蒸发器的制冷量也会随之改变，适应负荷的变化，调配性能好，同时可达到节能目的。

本发明的工作流程为：自压缩机出来的高压制冷剂气体在第一冷凝器中被部分冷凝，成为干度一定的饱和气液两相状态，进入气液分离装置，饱和气、液态制冷剂分别聚集在气液分离装置的上、下部；气液分离装置中的高压气态制冷剂流向涡流管的入口作为驱动气流，进入涡流管的气体制冷剂经过冷热分离效应，在涡流管冷端出口，制冷剂达到低温低压，会出现完全不液化的气相、部分液化的气液两相、完全液化的饱和液相以及过冷液相四种状态；在涡流管热端出口，制冷剂达到高温高压，为过热气相状态；涡流管热端出口的高温热气流进入第二冷凝器，被冷凝为过冷液，释放热量，所释放的热量可用于加热其他流体，产生制热效应；过冷制冷剂液体经第一膨胀阀节流膨胀后进入第一蒸发器蒸发，吸收周围热量，产生较高温区的制冷效应，蒸发吸热后的制冷剂蒸汽进入第一减压阀；若涡流管冷端出口为饱和液态或过冷液态，则其经过第二膨胀阀节流膨胀，进入第二蒸发器蒸发吸收周围热量，产生低温区的制冷效应；若涡流管冷端出口为气态或气液混合态，则其经过第一旁通阀直接进入第二蒸发器，吸收周围热量，同样产生低温区的制冷效应；来自气液分离装置液体出口的饱和液态制冷剂经第三膨胀阀节流膨胀后进入第三蒸发器蒸发，吸收周围热量，产生中温区的制冷效应，蒸发吸热后的制冷剂蒸汽进入第二减压阀；来自第一减压阀出口、第二减压阀出口、第二蒸发器出口的气流汇合，进入压缩机进口，被压缩，完成循环。每个温区内的具体温度位通过调节各蒸发器前膨胀阀的开度来实现。

本发明带涡流管的多温区制冷系统与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)引入了涡流管，利用其能量分离效应，产生冷热流体。同时，涡流管热端出来的高温热气流可用于加热其他流体，使第二冷凝器作为某些需热流体的加热源。如此节省了其它用热所需的能量。高温热气流释放热量加热其他流体后，进一步利用了其制冷效应，节能性好，效率高；随负荷变化时的调节性能好，减少了能量浪费。

(2)采用一套制冷系统和设备，不再需要分别购置冷藏设备，可以集中组合布置，减少了投资成本和空间占用，便于维护管理，降低了噪音，调节性能好；本发明由一台压缩机、三个蒸发器、两个冷凝器、一个气液分离装置和一台涡流管组成，减少了冷藏设备分散布置时，使用多台压缩机的效率损失，系统综合供冷效率高，降低耗电量。

附图说明

图1为本发明一种带涡流管的多温区制冷系统的流程示意图；

图2为一种传统单温区蒸汽压缩式制冷系统的流程示意图；

其中：1、压缩机；2、第一冷凝器；3、气液分离装置；4、涡流管；5、第二膨胀阀；6、第二蒸发器；7、第一旁通阀；8、第二冷凝器；9、第一膨胀阀；10、第一蒸发器；11、第一减压阀；12、第三膨胀阀；13、第三蒸发器；14、第二减压阀；15、第二旁通阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例

图1示出一种带涡流管的多温区制冷系统流程，压缩机1出口与第一冷凝器2进口相连，第一冷凝器2出口与气液分离装置3进口相连，气液分离装置3的气体出口与涡流管4的进口相连，涡流管4热端出口与第二冷凝器8的制冷剂进口相连，第二冷凝器8的制冷剂出口与第一膨胀阀9进口相连，第一膨胀阀9出口与第一蒸发器10进口相连，第一蒸发器10出口与第一减压阀11进口相连；涡流管4冷端出口分别与第二膨胀阀5进口和第一旁通阀7进口相连，第二膨胀阀5的出口和第一旁通阀7的出口相连于一路后，连接第二蒸发器6的进口；气液分离装置3的液体出口与第三膨胀阀12的进口相连，第三膨胀阀12的出口与第三蒸发器13的进口相连，第三蒸发器13的出口与第二减压阀14的进口相连，第二减压阀14的出口、第一减压阀11的出口、第二蒸发器6的出口连接为一路后，与压缩机1的进口相连。第一冷凝器2的冷却介质回路上安装第二旁通阀15。第二冷凝器8的冷却介质进口、出口连接需要加热的流体，利用涡流管热端出来的高温热气流来加热需要加热的流体。

在本实施例中，系统中循环的制冷剂工质为R600a。计算手段为EES软件编程。工作流程和工况条件：自压缩机1出来的高压制冷剂气体在第一冷凝器2中被部分冷凝，成为干度一定的饱和气液两相状态，设定初始条件，干度：Q₂＝0.6，冷凝温度：T_2C＝57℃，对应的冷凝压力：P_2C＝0.81Mpa；两相混合物进入气液分离装置3，饱和气、液态制冷剂分别聚集在气液分离装置3上、下部，气液比例Q₃＝0.6；气液分离装置3中的高压气态制冷剂(57℃、0.81Mpa)流向涡流管4的入口作为驱动气流，进入涡流管4的气体制冷剂发生冷热分离效应，设定涡流管工况：涡流管长度L＝0.6m，冷流分量u＝0.3，涡流管进出口压比为P_in∶P_out＝4∶1，气流在冷端出口被液化过冷(此实施例中状态是确定的)，温度T_4L＝-26.7℃，压力P_4L＝0.2Mpa，热端出口气流达到高温高压的过热状态，温度T_4H＝77.3℃，压力P_4H＝0.56Mpa；涡流管4热端出口的热气流(77.3℃，0.56Mpa)进入第二冷凝器8，被冷凝为过冷液，释放热量，产生制热效应，冷凝温度T_8C＝65℃；来自第二冷凝器8的过冷制冷剂液体经第一膨胀阀9节流膨胀，节流过程为等焓，节流后干度Q＝0～1，进入第一蒸发器10蒸发，吸收周围热量，产生较高温区的制冷效应，已知进入第一蒸发器10时的干度和焓值，可获得蒸发温度T₁₀＝5℃-11℃，压力P₁₀＝0.19Mpa～0.23Mpa，蒸发吸热后的制冷剂蒸汽进入第一减压阀11；涡流管4冷端出口的过冷液体(-26.7℃，0.2Mpa)进入第二膨胀阀5节流膨胀，节流过程为等焓，节流后干度Q＝0～1，进入第二蒸发器6蒸发，吸收周围热量，产生低温区的制冷效应，已知进入第二蒸发器6时的干度和焓值，可获得蒸发温度T₆＝-25℃～-18℃，压力P₁₀＝0.06Mpa～0.08Mpa；来自气液分离装置3液体出口的饱和制冷剂液进入第三膨胀阀12节流膨胀，节流过程为等焓，节流后干度Q＝0～1，进入第三蒸发器13蒸发，吸收周围热量，产生中温区的制冷效应，已知进入第三蒸发器13时的干度和焓值，可获得蒸发温度T₁₃＝-10℃～0℃，压力P₁₃＝0.11Mpa～0.16Mpa，蒸发吸热后的制冷剂蒸汽进入第二减压阀14；来自第一减压阀11出口、第二减压阀14出口、第二蒸发器6出口的气流汇合，进入压缩机1进口，被压缩，完成循环，满足了多温区储存的需要。调节每个蒸发器之前的膨胀阀可达到具体的温度位，例如，第三蒸发器13产生中温区(-10℃-0℃)的制冷效应时，调节第三膨胀阀12的开度，可使蒸发温度达到-5℃。

当三个蒸发器承担的负荷发生变化时(例如鲜肉存储量增大，乳制品存量减少等)，调节第二旁通阀15改变第一冷凝器2中冷却介质的流量，可改变制冷剂冷凝后进入气液分离装置3时的气液比例，同时调节涡流管4的冷流分量，这样最终使流经第一蒸发器10、第二蒸发器6、第三蒸发器13的制冷剂流量分配比例发生变化，各蒸发器的制冷量也会随之改变，适应负荷的变化，调配性能好，同时可达到节能目的。涡流管4热端出来的高温制冷剂在第二冷凝器8中可用于加热其他流体，获得的高温流体可作他用，如超市的生活热水等，节省了其他用热所需的能量。

下面将本实施例与不同温度下的传统单温区蒸汽压缩式制冷系统的性能系数(COP)进行对比。为保证对比的有效性，将本实施例分别与处于三个不同蒸发温度下的传统制冷系统进行性能对比，三个不同的蒸发温度分别对应本实施例中三个蒸发器内的蒸发温度，而这些蒸发温度是大型超市常用的冷藏器蒸发温度。传统单温区蒸汽压缩式制冷系统如图2所示，压缩机1与第一冷凝器2、第一膨胀阀9、第一蒸发器10串联，形成一个回路。在均选用R600a工质的情况下，经理论循环计算，得到本实施例与不同温度下的传统单温区蒸汽压缩式制冷系统在超市冷柜常用温位下的性能对比，见表1。计算工况条件相同：本实施例的系统(图1)，第一蒸发器10蒸发温度T₁₀＝7.5℃、第二蒸发器6蒸发温度T₆＝-25℃、第三蒸发器13蒸发温度T₁₃＝-7℃，第一冷凝器2冷凝温度T_2C＝57℃，气液比Q₂＝0.6，第二冷凝器2冷凝温度T_8C＝63.6℃；传统制冷系统(图2)，第一蒸发器10三个不同蒸发温度，T_{1_1}＝7.5℃、T_{1_2}＝-7℃、T_{1_3}＝-25℃，第一冷凝器2冷凝温度均为T_4c＝57℃。由表1可见，单纯考虑制冷效应时，本带涡流管的多温区制冷系统COP值与传统制冷系统相比，具有一定地提高(参看下表COP1栏)。特别是相对于蒸发温度为-25℃时，本带涡流管的多温区制冷系统对于传统制冷系统的COP提高明显。而同时考虑制冷制热效应时，本系统的性能系数要远高于传统制冷系统(参看下表COP2栏)。

表1本制冷系统与传统制冷系统的性能对比

Claims

1.一种带涡流管的多温区制冷系统，其特征在于：包括压缩机（1）、第一冷凝器（2）、第一膨胀阀（9）、第一蒸发器（10）、气液分离装置（3）、涡流管（4）、第二膨胀阀（5）、第二蒸发器（6）、第三膨胀阀（12）、第三蒸发器（13）和第二冷凝器（8），所述压缩机（1）的出口连接所述第一冷凝器（2）的进口，所述第一冷凝器（2）的出口连接气液分离装置（3）的进口，气液分离装置（3）的气体出口连接涡流管（4）的进口，涡流管（4）的热端出口依次串联第二冷凝器（8）的制冷剂进口、第二冷凝器（8）的制冷剂出口、第一膨胀阀（9）、第一蒸发器（10）、第一减压阀（11）；涡流管（4）的冷端出口依次串联第二膨胀阀（5）和第二蒸发器（6），所述第二膨胀阀（5）外并列一第一旁通阀（7）；气液分离装置（3）的液体出口依次串联第三膨胀阀（12）、第三蒸发器（13）和第二减压阀（14）；所述第一减压阀（11）的出口、第二蒸发器（6）的出口以及第二减压阀（14）的出口连成一路后，连接压缩机（1）的进口；所述第一冷凝器（2）的冷却介质回路上设有第二旁通阀（15）；所述制冷系统中循环的制冷剂工质为R600a。