CN104180548B - 复叠式制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复叠式制冷系统，水合物反应器的低压气体进气口和高压气体排气口分别连接低压储气罐和高压储气罐，低压储气罐与高压储气罐之间通过冷凝器、蒸发器、膨胀阀和单向阀连接；水合物反应器是一个高压绝热密封容器，内部连有盘管和喷淋装置，外部设有冷却水温的低温冷源和蒸发器换热，避免了热源的使用，节约了能耗。该系统的优点是避免了使用高压压缩机，反应器绝热层采用气凝胶、真空绝热板、聚氨酯发泡三层复合绝热，避免了冷量散失，同时将热源用空调蒸发器代替，不仅节约了能源，而且使系统得以高效利用，因而提高了系统的效率、可靠性，节省了成本，特别适用于各种低温复叠、多级制冷系统。

Description

复叠式制冷系统

技术领域

本发明涉及一种低温级制冷系统，特别涉及一种低温级制冷系统的增压系统优化的复叠式制冷系统。

背景技术

随着国际社会对臭氧空洞和气候变暖问题深入的关注和高度的重视，我国已于2010年全面完成了CFC类工质的替代。但R134a、R410A、R290作为新的替代产物，虽然不破坏臭氧层但其全球变暖潜值也很高。因此，HFCs作为过渡制冷剂无法实现对环境的零污染，寻找新型替代制冷剂也是当前所面临的问题，而二氧化碳作为新一代制冷剂，已开始应用于各领域中。

CO2与水在较低的温度与较高的压力下，可以形成气体水合物，在一立方米的水内可以吸纳约200倍的标准体积的CO2。由于在0℃以上CO2水合物的相平衡曲线有一转折点，高于该温度时相平衡压力会急剧的增长，因此，我们可以在该转折温度以下利用较低的压力促使水合物合成，然后在高于转折点的温度下将水合物分解，就可以获得比较高的气体压力。因此，利用这样的二氧化碳水合反应，可以替代压缩机，同时可以解决制冷剂的污染问题及二氧化碳压缩机制造难的问题。

这种情况下，CO2进行水合反应的反应器也尤为重要，其绝热保温性能决定了水合反应的速率等因素，因此利用高压绝热喷淋装置作为反应器，可以有效控制水合物的合成与分解，同时热源采用盘管式换热器。

发明内容

本发明是要提供一种复叠式制冷系统，该系统利用CO2在低温低压下在高压绝热密封容器内与喷淋水形成水合物，在温度升高后水合物分解时放出高压气体，实现高低压力循环来替代压缩机，同时利用高温级制冷系统产生的低温冷冻水作为低温级制冷系统的冷却水，对反应器产生的高温高压的气体进行冷却后送入膨胀阀，最后进入蒸发器完成低温级制冷循环。

本发明所采用的技术方案是：一种复叠式制冷系统，包括由高温级制冷系统压缩机、高温级制冷系统冷凝器、高温级制冷系统膨胀阀、高温级制冷系统蒸发器构成的高温级制冷系统，由低温级制冷系统冷凝器、低温级制冷系统膨胀阀、低温级制冷系统蒸发器构成的低温级制冷系统，低温级制冷系统通过冷却水路连接高温级制冷系统，其特征在于：该系统还包括水合物反应器，所述水合物反应器内部装设换热盘管和喷淋装置，外部设有冷却水温的低温冷源，换热盘管连接低温级制冷系统热源，所述水合物反应器的低压气体进气口连接接有CO2气罐的低压储气罐，高压气体排气口连接高压储气罐，低压储气罐与高压储气罐之间通过低温级制冷系统冷凝器、低温级制冷系统蒸发器、低温级制冷系统膨胀阀和单向阀连接，从喷淋装置喷出的喷淋水利用CO2在低温下形成水合物，吸收气体而同时放热，在温度升高后水合物分解时放出高压气体，实现高低压力循环来替代低温级制冷系统压缩机；高温级制冷系统产生的低温冷冻水作为低温级制冷系统的冷却水，对水合物反应器产生的高温高压的气体进行冷却后送入低温级制冷系统膨胀阀，并进入低温级制冷系统蒸发器完成低温级制冷循环。

水合物反应器为高压绝热密封容器，高压绝热密封容器的绝热层由气凝胶、真空绝热板、聚氨酯发泡三层复合构成，高压绝热密封容器内不装有水合物生成促进装置或水中加入水合物生成促进剂。

低温冷源为恒温槽，恒温槽与喷淋装置连接，为喷淋装置提供低温水喷雾，用于增加气体与水的接触面积，吸收气体。

低温级制冷系统热源为盘管式换热器，盘管式换热器中的盘管与水合物反应器内的换热盘管连接，与水合物换热，换热后的冷冻水可为空调的末端供冷水。

低温级制冷系统冷凝器，其管程内通过冷却水，冷却水是高温级制冷系统提供的低温冷冻水；其壳程内通制过冷剂蒸汽。

低压储气罐上设有充气口，进气口和排气口，其进气口连接低温级制冷系统蒸发器，用于储存来自低温级制冷系统蒸发器的气体。

高压储气罐上设有进气口和排气口，其进气口连接水合物反应器，用于储存来自水合物分解释放的高压气体；其排气口经由单向阀连接低温级制冷系统冷凝器和低温级制冷系统膨胀阀，用于提供高压节流气体。

本发明的有益效果是：水合物反应器内的喷淋水在低温下将形成水合物，吸收气体而同时放热，直至系统压力达到系统低压压力（略高于水合物生成最低压力）。之后，开启热源，其盘管内的水循环将使水合物吸收热量而分解，放出气体，通过压力控制阀，使气体在达到控制压力时开始排气，之后顺次进入低温级制冷系统的冷凝器，节流膨胀装置，蒸发器等，最后进入低压储气罐，完成一个循环。之后，使水合物容器再次处于低温状态，打开反应器进气阀，低压储气罐的气体被吸入反应器中形成水合物，直至储气罐内气体压力达到低压压力，如此反复循环，达到连续制冷目的。因此，本发明解决了高压压缩机制造难所带来的问题，尤其适用于复叠式制冷系统，多级压缩制冷系统等。

附图说明

图1是本发明的制冷系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作详细说明。

如图１所示，本发明的复叠式制冷系统，包括水合物反应器17，低温冷源22，热源10，高温级制冷系统压缩机19，高温级制冷系统冷凝器20，高温级制冷系统膨胀阀21,高温级制冷系统蒸发器18，低温级制冷系统冷凝器12，低温级制冷系统膨胀阀13，低温级制冷系统蒸发器14，低压储气罐15，高压储气罐11，CO2气罐16，第一单向阀1，第二单向阀2，第三单向阀3，第四单向阀4，第五单向阀5，第六单向阀6，第七单向阀7，第八单向阀8，第九单向阀9。

高温级制冷系统102由高温级制冷系统压缩机19、高温级制冷系统冷凝器20、高温级制冷系统膨胀阀21、高温级制冷系统蒸发器18构成。低温级制冷系统101由低温级制冷系统冷凝器12、低温级制冷系统膨胀阀13、低温级制冷系统蒸发器14构成。低温级制冷系统101通过冷却水路100连接高温级制冷系统102。

水合物反应器17的低压气体进气口和高压气体排气口分别连接低压储气罐15和高压储气罐11，低压储气罐15与高压储气罐11之间通过低温级制冷系统冷凝器12，低温级制冷系统膨胀阀13，低温级制冷系统蒸发器14，第一单向阀1和第五单向阀5连接。

水合物反应器17是一个绝热高压密封容器，绝热层采用气凝胶、真空绝热板、聚氨酯发泡三层复合绝热，容器上设有低压气体进气口和高压气体排气口，容器内设有水喷淋装置，水温可通过容器外部的低温冷源22调节。

水合物反应器17可以带有水合物生成促进装置，如搅拌器，也可以在水中加入水合物生成促进剂，如表面活性剂、乳化液等。

低温冷源22用于提供水合物反应器中的低温喷淋水，喷淋水为加入添加剂的溶液，该添加剂可以促进水合反应的进行，采用喷淋的形式与反应器内CO2进行水合反应；也可以是其他形式的换热器。

热源10为通过换热器连接的盘管，管内为水路，通过盘管内水与水合物换热。

低温级制冷系统冷凝器12冷却水由高温级制冷系统蒸发器18流出的低温冷冻水提供。

低温级制冷系统膨胀阀13和高温级制冷系统膨胀阀21用于降压降温，也可以是节流阀或毛细管。

低温级制冷系统蒸发器14和高温级制冷系统蒸发器18用于低温液体的蒸发而制冷；热源10用于加热反应器中的水合物，使其分解。

低压储气罐15用于储存来自低温级制冷系统蒸发器14的气体，其上有充气口，进气口和排气口。

高压储气罐11用于储存来自水合物反应器17中水合物分解释放的高压气体，其上有进气口和排气口。

第一单向阀1两端分别连接蒸发器出口和低压储气罐的进气口；第二单向阀2两端分别连接CO2气瓶出气口和低压储气罐的进气口；第三单向阀3两端分别连接低压储气罐的排气口和水合物反应器的进气口；第四单向阀4两端分别连接水合物反应器的排气口和高压储气罐的进气口；第五单向阀5两端分别连接高压储气罐的排气口和冷凝器的进口端；第六单向阀6两端分别连接恒温槽和喷淋装置；第七单向阀7两端分别连接恒温槽和反应器底部；第八单向阀8两端分别连接热源和水合物反应器之间的供水管路；第九单向阀9两端分别连接热源和水合物反应器之间的回水管路。

第二单向阀2，第三单向阀3，第四单向阀4，第五单向阀5，第六单向阀6，第七单向阀7在正压差下自动打开，在反压差下自动关闭。第一单向阀1两端分别连接低温级制冷系统蒸发器14出口和低压储气罐15）进气口；第二单向阀2两端分别连接CO2气罐16出气口和低压储气罐15的进气口；第三单向阀3两端分别连接低压储气罐15的排气口和水合物反应器17的进气口；第四单向阀4两端分别连接水合物反应器17的排气口和高压储气罐11的进气口；第五单向阀5两端分别连接高压储气罐11的排气口和低温级制冷系统冷凝器12的进口端；第六单向阀6两端分别连接低温冷源22和喷淋装置；第七单向阀7两端分别连接低温冷源22和反应器底部。

本发明的制冷系统的工作过程为：首先，按照系统图联成封闭系统，抽出管道中的空气，启动高温级制冷系统，所提供的低温冷冻水作为低温级制冷系统冷凝器12的冷却水，同时打开冷却水路的单向阀，打开低温冷源22和喷淋装置，使水合物反应器17中进入反应所需温度的水。然后打开第一单向阀1和第三单向阀3，第四单向阀4，第五单向阀5，通过低压储气罐15的第二单向阀2向系统充入低压压力气体。关闭第一单向阀1和第四单向阀4，使低压储气罐15和水合物反应器17中的压力升高到系统循环所需高压后，关闭第二单向阀2，之后系统进入工作循环过程。

开启恒温槽，将低温冷源温度22设定在0℃以下，当温度稳定后，开启第六单向阀6和第七单向阀7，低温冷源22从喷淋器中喷出，流入水合物反应器17，水合物开始生成，直至内压力达到系统所需低压压力（略高于水合物生成最低压力）。关闭第五单向阀5，第六单向阀6，第七单向阀7，开启热源10的循环流路，此时水合物反应器17中的水合物分解释放出气体，水合物反应器17的容器内压力升高，第三单向阀3自动关闭，第四单向阀4也在压差作用下自动打开。随着水合物的继续分解，高压储气罐11中的压力达到系统高压值，系统完成压缩过程。关闭热源10的循环流路，开启第六单向阀6和第七单向阀7，水合物又开始形成，导致反应器17内的压力下降，第四单向阀4自动关闭，打开第一单向阀1，第三单向阀3和第五单向阀5自动打开，启动高温级制冷系统，所提供的低温冷冻水作为低温级制冷系统冷凝器12的冷却水，同时打开冷却水路的单向阀，来自高压储气罐11的高压CO2顺次进入低温级制冷系统冷凝器12、低温级制冷系统膨胀阀13、低温级制冷系统蒸发器14和低压储气罐15，最后被吸入水合物反应器17的容器中形成水合物；直至高压储气罐11中的压力下降到低压压力，第五单向阀5自动关闭，第四单向阀4也随之关闭，系统完成制冷过程。此后，关闭第六单向阀6、第七单向阀7，开启热源10的循环流路，打开第八单向阀8和第九单向阀9，水合物反应器17中的水合物分解释放气体，压力升高，第三单向阀3自动关闭，第四单向阀4自动打开，重复压缩过程。如此反复循环，可连续提供冷量。

本发明属于一种新型的复叠式制冷系统，其中高压绝热喷淋式反应器可以代替传统的复叠式制冷系统的低温级压缩机，以提供高压的制冷剂气体，同时低温级制冷系统冷凝器所需冷却水可由高温级制冷系统的低温冷冻水提供，循环中热源与水合物换热后的冷冻水也可用于制冷，达到能源的再利用。

本发明并不限于上述实施方式，在本发明的实质范围内，做出的任何变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种复叠式制冷系统，包括由高温级制冷系统压缩机（19）、高温级制冷系统冷凝器（20）、高温级制冷系统膨胀阀（21）、高温级制冷系统蒸发器（18）构成的高温级制冷系统，由低温级制冷系统冷凝器（12）、低温级制冷系统膨胀阀（13）、低温级制冷系统蒸发器（14）构成的低温级制冷系统，低温级制冷系统通过冷却水路连接高温级制冷系统，其特征在于：该系统还包括水合物反应器(17)，所述水合物反应器(17)内部装设换热盘管和喷淋装置，外部设有冷却水温的低温冷源(22)，换热盘管连接低温级制冷系统热源（10），所述水合物反应器(17)的低压气体进气口连接接有CO2气罐（16）的低压储气罐（15），高压气体排气口连接高压储气罐（11），低压储气罐（15）与高压储气罐（11）之间通过低温级制冷系统冷凝器（12）、低温级制冷系统蒸发器（14）、低温级制冷系统膨胀阀（13）和单向阀连接，从喷淋装置喷出的喷淋水利用CO2在低温下形成水合物，吸收气体而同时放热，在温度升高后水合物分解时放出高压气体，实现高低压力循环来替代低温级制冷系统压缩机；所述高温级制冷系统产生的低温冷冻水作为低温级制冷系统的冷却水，对水合物反应器(17)产生的高温高压的气体进行冷却后送入低温级制冷系统膨胀阀（13），并进入低温级制冷系统蒸发器（14）完成低温级制冷循环。

2.根据权利要求1所述的复叠式制冷系统，其特征在于：所述水合物反应器（17）为高压绝热密封容器，高压绝热密封容器的绝热层由气凝胶、真空绝热板、聚氨酯发泡三层复合构成，高压绝热密封容器内装有水合物生成促进装置或水中加入水合物生成促进剂。

3.根据权利要求1所述的复叠式制冷系统，其特征在于：所述低温冷源（22）为恒温槽，恒温槽与喷淋装置连接，为喷淋装置提供低温水喷雾，用于增加气体与水的接触面积，吸收气体。

4.根据权利要求1所述的复叠式制冷系统，其特征在于：所述低温级制冷系统热源（10）为盘管式换热器，盘管式换热器中的盘管与水合物反应器(17)内的换热盘管连接，与水合物换热，换热后的冷冻水可为空调的末端供冷水。

5.根据权利要求1所述的复叠式制冷系统，其特征在于：所述低温级制冷系统冷凝器（12），其管程内通过冷却水，冷却水是高温级制冷系统提供的低温冷冻水；其壳程内通制过冷剂蒸汽。

6.根据权利要求1所述的复叠式制冷系统，其特征在于：所述低压储气罐（15）上设有充气口，进气口和排气口，其进气口连接低温级制冷系统蒸发器（14），用于储存来自低温级制冷系统蒸发器（14）的气体。

7.根据权利要求1所述的复叠式制冷系统，其特征在于：所述高压储气罐（11）上设有进气口和排气口，其进气口连接水合物反应器（17），用于储存来自水合物分解释放的高压气体；其排气口经由单向阀连接低温级制冷系统冷凝器（12）和低温级制冷系统膨胀阀（13），用于提供高压节流气体。