CN105352213A - 蒸汽与空气复叠式制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于，包括:高温极制冷装置，包括依次连接的高温极压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器，其中循环流动有高温极制冷剂；低温极制冷装置，包括依次连接膨胀机、热交换器、空压机，热交换器同蒸发器临近，用来进行热交换，将从需冷空间吸收的热量释放出去，其中，空气作为低温极制冷剂。低温极因采用无毒无害的空气，可以降低管路密封要求，节省成本；危险毒害的制冷剂同需冷空间有低温极制冷系统的隔离，制冷剂泄漏量减少并缩小泄漏影响范围；空气作为低温极制冷装置的传热介质，直接接触换热，带走热量，减少换热器的金属消耗和换热器的换热损耗，提高了效率，节能。

Description

蒸汽与空气复叠式制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷机械，特别是一种利用空气作为工作介质的制冷机械系统。

背景技术

环保制冷剂的研发和替代是环境保护的迫切问题，一些GWP、ODP较低的制冷剂存在安全、换热性能等限制或不足，而如氨制冷系统，为了安全，需要设法减少充注量；又如二氧化碳，需要注意系统承压能力和密封。

蒸汽压缩式制冷在冷库和冷加工领域得到广泛应用，但温度越低，性能系数越低，而且制冷剂物性限制更低温度的实现，为实现更低的温度，除了多级压缩，通常还会采用复叠式制冷，但需要加装膨胀容器，还要注意制冷剂回油问题，低压系统还容易因为负压导致空气渗入影响换热。

传统制冰系统都需要制冷剂与水通过低温换热器间壁式换热，不但需要考虑传热温差，而且需要设置低温换热器，由于结垢、腐蚀，低温换热器需要定期清洗和更换；静态冰蓄冷随着附着在换热器上的冰层增厚，换热效率恶化；传统动态制冰虽然制冷效率高于静态冰蓄冷，但需要刮冰刀，或定期对低温换热器融冰。

空气作为制冷剂不但环保而且容易获取，密封要求较蒸汽压缩式制冷系统低，甚至如果是开式空气制冷系统，膨胀后的低温空气直接送入至冷间，无需换热器，能减少换热器的耗材，也无需考虑换热器传热温差，更重要的是不存在有毒有害制冷剂的泄露污染和毒害。

传统空气制冷系统考虑的是通过多级压缩带中间冷却来逐步实现低温，虽然在低于-50℃时逐渐呈现比蒸汽压缩式制冷系统的优势，但需要多级压缩，设备繁多，系统复杂昂贵，故应用范围没有蒸汽压缩式制冷系统广。

发明内容

本发明是为解决上述问题而提出的，提供了一种蒸汽与空气复叠式制冷系统，用于解决上述有毒有害制冷剂的泄露污染和毒害问题。

本发明提供的一种蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于，包括:高温极制冷装置，包括依次连接的高温极压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器，其中循环流动有高温极制冷剂；低温极制冷装置，包括依次连接膨胀机、热交换器、空压机，热交换器同蒸发器临近，用来同蒸发器进行热交换，将从需冷空间吸收的热量释放出去，其中，空气作为低温极制冷剂。

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，还可以具有这样的特征：其中，低温极制冷装置还包括回热器，串接在热交换器后，用来回收需冷空间回空压机的高温极制冷剂冷量来进一步冷却经蒸发器出来的高温极制冷剂。

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，还可以具有这样的特征：其中，高温极制冷剂为卤代烃制冷剂或液氨。

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，还可以具有这样的特征：其中，膨胀机和空压机共轴，由同一部电机驱动。

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，还可以具有这样的特征：其中，高温极制冷装置还包括串接在高温极压缩机和冷凝器之间的第二压缩机和中冷器，用来进行中间完全冷却双级压缩。

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，还可以具有这样的特征：其中，高温极制冷装置还包括串接在高温极压缩机和冷凝器之间的第二压缩机和板式换热器，用来进行中间不完全冷却双极压缩。

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，还可以具有这样的特征：其中，低温极制冷装置还包括串接在压缩机和热交换器之间的四通阀。

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，还可以具有这样的特征：其中，热交换器为间壁式热交换器。冷流体为经节流的高温极制冷剂，热流体为经空压机压缩的低温极制冷剂。

发明作用与效果

本发明提供的蒸汽与空气复叠式制冷系统，包括常规的高温极制冷装置和低温极制冷装置，其中低温极制冷装置使用空气作为低温极制冷剂，具有：

常规的高温极制冷装置制冷剂等工作介质不与需冷空间直接接触，作为低温极制冷剂的空气可直接送入需冷空间，可以降低管路密封的要求，大大的节省成本；

更重要的是，危险毒害的制冷剂同需冷空间有了低温极制冷装置的隔离，不容易因为制冷剂的泄漏而发生爆炸和毒害事故，泄漏量减少并缩小泄漏影响范围；

使用空气作为低温极制冷装置的传热介质和制冷剂，由于其于需冷空间可以直接接触换热，带走热量，这样不仅可以减少换热器的金属消耗，同时也减少了换热器的换热损耗，提高了效率，节能。

附图说明

图1为本发明的实施例1的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图；

图中，1：高温极压缩机；2：冷凝器；3：节流元件；4：蒸发器；5：电动机；6：空压机；7：回热器；8：膨胀机；9：需冷空间；10：传动轴；

图2为本发明的实施例1的蒸汽与空气复叠式制冷系统进行制冰蓄冷应用的示意图；

图中，与图1相同的部件给予与图1相同的标号，其中，11：进水阀；12：泵；13：单向阀，而9为需冷空间，这里为对应的冰水桶；

图3为本发明的实施例2的蒸汽与空气复叠式制冷系统对的示意图；

图中，序号与含义同图1相同；

图4为本发明的实施例3的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图；

图中，与图1相同的部件给予与图1相同的标号，11：高温极高压级压缩机；12：中冷器；13：手动节流阀；14：过滤器；15：浮球节流阀(第二节流元件)；16：过冷盘管；

图5为本发明的实施例4的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图；

图中，与图1相同的部件给予与图1相同的标号，11：高温极高压级压缩机；12：第二节流元件；13：板式换热器；

图6为本发明的实施例5的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图；

图中，与图1相同的部件给予与图1相同的标号，11：四通换向阀；

图7为氨/空气复叠式制冷系统实验设备图

图8为氨/二氧化碳复叠式制冷系统实验设备图

图9为带回热的空气制冷热力循环T-s图

图10为不带回热的空气制冷热力循环T-s图

图11为CO₂制冷热力循环p-h图

图12为氨制冷热力循环p-h图

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本发明的蒸汽与空气复叠式制冷系统作具体阐述。

说明：间壁式热交换器结合到蒸发器中，组成一体式的蒸发器(4)，其共同用来更好的同蒸发器接触提高传热效率和节省材料；

同时空压机和膨胀机同轴，使用电动机带动运转；制冷剂使用的是卤代烃制冷剂(如134a)或液氨，空气作为工作介质即低温极制冷剂。

实施例1

图1为本实施例的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图

高温极制冷装置：如图1所示，高温极的压缩机(1)排气管与冷凝器(2)进口相连，冷凝器出口接节流元件(3)进口，节流元件出口接蒸发器(4)低温侧进口，蒸发器低温侧出口接高温极压缩机(1)吸气管。

低温极制冷装置：低温极的空压机(6)由电机(5)驱动，空压机排气管与蒸发器(4)高温侧进口相连，蒸发器高温侧出口接回热器(7)高温侧进口，回热器高温侧出口与膨胀机(8)进口相连，膨胀机出口接需冷却空间(9)进口，需冷却空间出口接回热器(7)低温侧进口，回热器低温侧出口与空压机(6)进气管相连。

实施例1原理：高温极的压缩机(1)把制冷剂蒸汽压缩至冷凝器(2)进行冷凝，冷凝后的制冷剂通过节流元件(3)降压，降压后的制冷剂进入蒸发器(4)吸收低温极的空气热量进行蒸发，蒸发的制冷剂吸入高温极压缩机(1)实现循环。低温极的空压机(6)由电机(5)驱动，通过压缩空气把空气排至蒸发器(4)冷却，冷却后的空气进入回热器(7)二次冷却，回热器冷却后出来的空气进入与空压机(6)同轴的膨胀机(8)膨胀再次降温，从膨胀机膨胀出的低温空气进入需冷却空间(9)吸热，吸热后的空气进入回热器(7)冷却从高温极蒸发器(4)冷却过的空气，然后吸入空压机(6)，完成循环。

实施例的作用和有益效果

使用本实施例的蒸汽与空气复叠式制冷系统，由于还包括回热器，膨胀机和空压机共轴，由同一部电机驱动，同时使用空气作为制冷剂，使得：

在需要较低的空间温度时，蒸汽压缩式制冷系统的制冷剂充注量因采用空气进行复叠式制冷而得到减少，例如对于氨双级压缩-35℃的急冻系统，改用本发明方案，氨只需单级压缩，可省去中冷器，相应减少当中氨充注量，系统安全性增加；

回热器(7)参与热量回收，串接在热交换器后，用来回收从需冷空间送入空压机吸气端的一部分冷量，实现节能目的；

因空气直接送入需冷空间，故无需低温换热器，无需考虑换热温差，设计和运行控制得到简化；

因空气环境友好且容易获取，所以降低系统承压和密封要求，也因此不像传统蒸汽压缩复叠式制冷那样需设置膨胀容器；

空气经过膨胀机膨胀的过程也为膨胀机做功，因膨胀机与空压机同轴，故减少空压机功耗。

图2为实施例1的蒸汽与空气复叠式制冷系统进行制冰蓄冷应用的示意图

高温极制冷装置：与实施例1高温极制冷装置相同。

低温极制冷装置：与实施例1不同点在于，需冷却空间则具体化为冰水桶(9)，从膨胀机(8)出来的低温空气直接通入冰水桶中，进水阀(11)可为冰水桶补水，制取的冰水通过泵(12)和单向阀(13)输送到外界。.

该应用作用和有益效果

在上述技术方案基础上，采用冰水蓄冷时，低温空气直接与水换热，换热效率高；

空气通入水的过程能妨碍冰晶形成核的发生和成长，助于水以低于0℃的过冷态存在，水过冷度提高。

实施例2

图3为本实施例的蒸汽与空气复叠式制冷系统对的示意图

高温极制冷装置：与实施例1高温极制冷装置相同。

低温极制冷装置：与实施例1不同点在于，压缩机(6)与蒸发器(4)之间的管路是断开的与外界环境相通，蒸发器(4)高温侧进口的空气不是来自于空压机(6)排气，而是外界环境，空压机(6)把来自需冷却空间的空气排出室外。

实施例的作用和有益效果

在实施例1技术方案基础上，在系统起始运行时，经空压机压缩的高温高压空气可以直接排走而不参与循环，蒸发器引入较低的室外空气，从而避免空压机排气高于外界环境时使蒸发器冷负荷较高，降温速率慢。

实施例3

图4为本实施例的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图

该实施例是对实施例1向更低温度应用领域的拓展，按照现有技术，把高温极的单级压缩改为中间完全冷却双级压缩：依次串接的高温极高压级压缩机(11)、中冷器(12)、手动节流阀(13)、过滤器(14)、浮球节流阀(第二节流元件)(15)、过冷盘管(16)接入实施例1的压缩机(1)之间组成。中间完全冷却双级压缩，通过两级压缩实现更高的压缩比，从而制得更低的低温。

实施例的作用和有益效果

在实施例1技术方案基础上增加了高温极高压级压缩机(11)、中冷器(12)、手动节流阀(13)、过滤器(14)、浮球节流阀(第二节流元件)(15)、过冷盘管(16)完成中间完全冷却二级压缩，实现更低温度的制冷。

实施例4

图5为本实施例的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图

该实施例是对实施例1向更低温度应用领域的拓展，按照现有技术，把高温极的单级压缩改为中间不完全冷却双级压缩：依次串接的高温极高压级压缩机(11)、第二节流元件(12)、板式换热器(13)组成。

实施例的作用和有益效果

在实施例1技术方案基础上增加了高温极高压级压缩机(11)、中冷器(12)、手动节流阀(13)、过滤器(14)、浮球节流阀(第二节流元件)(15)、过冷盘管(16)完成中间完全冷却二级压缩，中间不完全冷却双级压缩，通过两级压缩实现更高的压缩比，从而制得更低的低温。

实施例5

图6为本实施例的蒸汽与空气复叠式制冷系统的示意图

在实施例1的基础上在空压机(6)的排气口与四通换向阀(11)进口相接，四通换向阀(11)出口与蒸发器(4)高温侧进口相连，此时实现实施例1的正压冷间制冷循环；当四通换向阀换向后，实现图3的负压冷间制冷循环。

开式可切换正负压蒸汽与空气复叠制冷系统能先后在系统刚开启与稳定运行时实现降低高压级冷负荷的作用。

其原理是：系统刚启动时，需冷空间(9)尚未达到足够低温，此时空压机(6)排气温度较高，此时适宜把高温排气排出制冷系统，把室外相对低温的空气排入需冷空间；当需冷空间温度达到足够低时，此时空压机排气温度可低于室外空气温度，此时通过切换四通换向阀，把空压机较低温的排气循环利用。通过这种切换方法，高温极蒸发器高温侧进入的空气保持在低于外界环境温度。

实施例的作用和有益效果

通过四通阀的切换：实现低温极制冷的工作介质循环和实时更新的切换，可以适应不同的工作环境，方便快捷状态切换来适应从而降低蒸发器冷负荷，节能。

为了进一步说明本发明提供实施例的技术方案的实施效果，下面结合实验模拟结果来进一步说明。

实验模拟技术过程说明

实验系统流程设计

图7氨/空气复叠式制冷系统实验设备图

图8氨/二氧化碳复叠式制冷系统实验设备图

制冷系统原理和实验设备搭建如图7、8所示，作为高温级的氨进行了完全中冷的二级压缩，重力供液，而低温级用空气或CO₂作为冷媒，假设用户需求冷负荷40kW，冷间温度-50℃，高温极冷凝温度40℃。

低温极空气制冷系统热力计算

图9为带回热的空气制冷热力循环T-s图

图10为不带回热的空气制冷热力循环T-s图

初始条件设定

假设氨制冷系统蒸发温度为-40℃，蒸发器传热温差7℃，空气膨胀机膨胀比为2，空压机压缩比为2，绝热系数1.4，空气密度1.2kg/m3，空气比热容1.003kJ/(kg·k)。

由文献(1.赵雁纪.空气制冷与蒸气压缩制冷在气候环境模拟试验中应用的经济性分析[J].低温工程,2000,(3):42.)可知有回热的空气制冷系统与无回热的制冷系统理论COP是一样的，实际中为了明显改善系统性能，一般会采用回热循环(2.郭宪民,张森林,赵硕,等.回热器对低温空气制冷系统性能影响的实验研究[J].热科学与技术,2014,(3):255.)，但不同系统节能效果取决于具体设备、环境，为不缺乏一般性，本文仍以无回热空气制冷系统为研究对象。

空气制冷有回热热力循环T-s图如图9所示，无回热热力循环如图10所示。

计算过程与结果

空气单位制冷量:q＝h₁-h₄(1)

单位压缩比功: $w=c_p\[{(p_2/p_1)}^{\frac{k-1}{k}}-1\](T_1-T_4)---\left(2\right)$

空气质量流量:q_m＝Q/q(3)

空气压缩理论功耗:W_s＝q_mw(4)

氨制冷冷负荷:Q_k＝q_m(h₂-h₃)/η_换热(5)

式中:Q为用户需求制冷量

c_p为空气定压比容

T为空气温度

η_换热为氨蒸发器换热效率，这里取95％

表1空气制冷循环状态参数

表2空气制冷循环计算结果

低温极CO₂制冷系统热力计算

图11为CO₂制冷热力循环p-h图

初始条件设定

氨蒸发温度与蒸发器传热温差同前，CO₂系统中假设压缩机吸气无过热，冷凝无过冷，蒸发器传热温差为5℃。图11为CO2制冷热力循环p-h图。

计算过程与结果

CO₂单位制冷量:q＝h₁-h₄(6)

CO₂单位压缩比功:w＝h₂-h₁(7)

CO₂质量流量:q_m＝Q/q(8)

CO₂压缩理论功耗:W_s＝q_mw(9)

氨制冷冷负荷:Q_k＝q_m(h₂-h₃)/η_换热(10)

表3CO₂制冷循环状态参数

表4CO₂制冷循环计算结果

高温极NH₃制冷系统热力计算

图12为氨制冷热力循环p-h图

初始条件设定

假设低压级压缩机吸气过热5℃，冷凝无过冷，由于冷凝压力p^k与蒸发压力p_o的比过大，需要带中冷的二级压缩，中冷压力参照最大COP决定。

中冷压力: $p_m=\sqrt{p_k{p}_o}---\left(11\right)$

计算过程与结果

NH3单位制冷量:q＝h₁-h₈(12)

低压级压缩比功:w_D＝h₂-h₁(13)

高压级压缩比功:w_G＝h₄-h₃(14)

低压级质量流量:q_mD＝Q_k/q(15)

高压级质量流量: $q_{mG}=q_{mD}\frac{h_2-h_7}{h_3-h_5}---\left(16\right)$

低压级压缩理论功耗:W_D＝q_mDw_D(17)

高压级压缩理论功耗:W_G＝q_mGw_G(18)

冷凝负荷:Q_l＝q_mG(h₄-h₅)(19)

表5NH₃制冷循环状态参数

表6NH₃与空气复叠时制冷循环计算结果

表7NH₃与CO₂复叠时制冷循环计算结果

COP比较

基于以上工况可分别计算出各自COP。制冷系数(COP,CoefficientOfPerformance)

$COP=\frac{Q}{W_D+W_G+W_s}---\left(20\right)$

对于氨/空气复叠制冷系统，其COP＝1.27。

对于氨/CO2复叠制冷系统，其COP＝1.57。

实验数据结论

在要求-50℃的冷间环境下，送风温度可达-76.3℃的氨/空气复叠制冷系统与蒸发温度为-55℃的氨/CO2复叠制冷系统理论上COP相差不大。如果空气制冷加上回热过程，将减少空压机压缩比，减少压缩功耗，增加膨胀前过冷度，从而在COP上得到提升，此时空气制冷将比CO₂制冷的潜力相当或更出色。

上述实验模拟计算显示本发明的蒸汽与空气复叠式制冷系统完全理论可行，满足工业制冷要求。

Claims (8)

1.一种蒸汽与空气复叠式制冷系统，用来为需冷空间降温，其特征在于，包括：

高温极制冷装置，包括依次连接的高温极压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器，其中循环流动有高温极制冷剂；

低温极制冷装置，包括依次连接膨胀机、热交换器、空压机，所述热交换器同所述蒸发器临近，用来同所述蒸发器进行热交换，将从所述需冷空间吸收的热量释放出去；

其中，空气作为低温极制冷剂。

2.根据权利要求1所述的蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于：

其中，所述低温极制冷装置还包括回热器，串接在所述热交换器后，用来回收需冷空间回所述空压机的所述高温极制冷剂冷量来进一步冷却经所述蒸发器出来的所述高温极制冷剂。

3.根据权利要求1所述的蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于：

其中，所述高温极制冷剂为卤代烃制冷剂或液氨。

4.根据权利要求1所述的蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于：

其中，所述膨胀机和空压机共轴，由同一部电机驱动。

5.根据权利要求1所述的蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于：

其中，所述高温极制冷装置还包括串接在所述高温极压缩机和所述冷凝器之间的第二压缩机和中冷器，用来进行中间完全冷却双级压缩。

6.根据权利要求1所述的蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于：

其中，所述高温极制冷装置还包括串接在所述高温极压缩机和所述冷凝器之间的第二压缩机和板式换热器，用来进行中间不完全冷却双极压缩。

7.根据权利要求1所述的蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于：

其中，所述低温极制冷装置还包括串接在所述压缩机和所述热交换器之间的四通阀。

8.根据权利要求1所述的蒸汽与空气复叠式制冷系统，其特征在于：

其中，所述热交换器为间壁式热交换器。