CN105605819A - 一种超低温自复叠式制冷装置及制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低温自复叠式制冷装置及制冷方法，制冷装置包括通过预冷换热器联系起来的预冷单元和多元制冷剂循环单元；主压缩机、主冷凝器、预冷换热器的介质通道I？B、回热器、第一气液分离器、第一分换热器的高温介质流道I？A、第二气液分离器、第二分换热器的高温介质流道I？A、主节流元件、主蒸发器的介质通道II？A、第二分换热器的低温介质流道II？B、第一分换热器的低温介质流道I？B、回热器的介质通道IIIB顺次连接；在介质通道IIIA的出口端和介质通道IIIB的进口端之间设置包括依次连接的泄压阀、储液罐和第二节流元件的泄压旁路。使用该制冷装置的制冷方法。本发明具有启动时间短，可快速达到目标温度，以及运行安全、节能的优点。

Description

一种超低温自复叠式制冷装置及制冷方法

技术领域

本发明属于深度制冷技术领域，具体地说，涉及一种超低温自复叠式制冷装置及制冷方法。

背景技术

超低温制冷技术有着很多的应用，如天然气、沼气的液化，模拟太空环境，食品加工与保存，科学研究等。

利用蒸气压缩式制冷原理实现超低温的方式主要有复叠式制冷、混合制冷剂制冷和膨胀机制冷等工艺。复叠式制冷工艺具有各制冷子循环系统彼此独立，相互影响少，操作稳定，适应性强，设计计算简单，能耗较低的优点，但具有冷热介质的平均温差较大，流程复杂，机组多的缺点；混合制冷剂制冷工艺，流程相对简单，压缩机组少，对制冷剂纯度要求不高，但能耗比复迭式制冷循环高20％左右；膨胀制冷循环工艺能耗最低，流程简单，处理能力大，但设备初期投入大，需要提供维持透平机旋转的大流量高压制冷剂。

多元混合工质制冷技术，采用的压缩机是在普冷领域广泛使用的单级油润滑压缩机，目前已成为一种高效的实现超低温的制冷方式；但是，由于制冷系统中的多元混合工质与普冷工质在物性上存在巨大差别，普冷领域的油润滑压缩机压缩多元混合工质时，其运行参数与压缩普冷工质均具有很大变化。

对于普冷运行工况，由于温区跨度相对较小及工质本身的特性，一旦环境温度确定，压缩机冷凝压力也就确定，当系统达到制冷温度时，蒸发压力同样也就确定，因此系统在整个运行过程中压力工况，包括排气压力值和压比等参数变化不大。

然而，对于多元混合工质深冷系统，由于采用了强非共沸工质，整个过程中工质在冷凝器内基本为气相放热，在少数情况下会出现少量液相工质，运行时高压侧压力基本不受环境温度控制，而基本由工质充注量和系统结构参数决定。在制冷机启动过程初期，整个系统均处于较高温度，系统内工质绝大部分为气相，随着制冷温度的降低，制冷系统中除冷凝器外的其他部件内工质的液相含量则逐步增加，并在制冷温度达到极限值时达到最高。

由于气相与液相的比容相差很大，以及对于固定通道面积的节流元件，其气相工质的通过能力要较液相工质少很多；因此，对于一个容积固定的制冷系统，在一定工质充注量的情况下，必然会导致包括高压、吸气压力值和压比等参数变化很大。当实际工质充注量满足系统正常运行获得较低温度的需要时，压缩机在启动、运行工况时的压比过大，造成排气压力和排气温度值过高，吸气压力和吸气温度值很低，极易引发压缩机过载或无法正常运行，甚至损坏；特别是当压缩机停止运行后，系统温度恢复至常温，混合制冷剂中的最低沸点、低沸点、中沸点、高沸点制冷剂均变成气态，体积膨胀，系统压力急剧增大，如果此时启动系统，则制冷剂将被压缩机由低压侧吸入，然后排入高压侧，高压侧的压力将要比系统的平衡压力高出很多，系统的管道存在着被爆破的危险。

目前，针对深冷或超低温多元混合工质制冷系统的高压安全技术已有公开报道。ZL03121465.7采用主节流元件和辅助节流元件和旁通节流元件，实现对系统流量的控制，力图保证系统压力不至于过高；但是，节流元件开口变化的局限性，使得快速闪蒸的制冷剂气体难以快速平衡到低压侧，即使所有的节流元件全部打开，由于系统容纳制冷剂气体的体积没有增大，仍然存在高压爆管的可能。芮胜军等(自动复叠制冷系统压力特性，化工学报，2012，63(12)：176-180)通过高低压旁通管路和膨胀容器稳定并降低了高压侧的压力，以及停机状态下低温、中温制冷工质以气态形式存在时的系统压力；但是在启动阶段，当旁通电磁阀打开后，大量制冷工质进入膨胀容器经节流后直接返回到压缩机，使得进入冷凝器的制冷工质大大减少，严重影响了系统的制冷效果，延迟了达到目标温度的时间。

发明内容

本申请首先提供一种超低温自复叠式制冷装置，该制冷装置具有启动时间短，可快速达到目标温度，以及运行安全、节能的优点；具体的技术方案如下：

一种超低温自复叠式制冷装置，包括预冷单元和多元制冷剂循环单元；

预冷单元包括通过管道依次连接形成循环系统的预冷压缩机、预冷冷凝器、预冷节流元件和预冷换热器；

多元制冷剂循环单元包括主压缩机、主冷凝器、预冷换热器、回热器、第一气液分离器、第一分换热器、第二气液分离器和第二分换热器、主节流元件和主蒸发器；

上述预冷单元中的预冷换热器与多元制冷剂循环单元中的预冷换热器为同一设备，预冷换热器设置有介质通道IA和介质通道IB，其中介质通道IA通过管道连接在预冷压缩机和预冷节流元件之间；

回热器设置有介质通道IIIA和介质通道IIIB；

第一分换热器设置有高温介质流道IA和低温介质流道IB；

第二分换热器设置有高温介质流道IIA和低温介质流道IIB；

主蒸发器为一换热器，其设置有介质通道IIA和介质通道IIB；

依制冷剂的流动方向，主压缩机的排气端经主冷凝器连接预冷换热器的介质通道IB的进口，介质通道IB的出口连接回热器的介质通道IIIA的进口，回热器的介质通道IIIA的出口连接第一气液分离器的进口，第一气液分离器的排气口经第一分换热器的高温介质流道IA连接第二气液分离器的进口，第二气液分离器的排气口经第二分换热器的高温介质流道IA连接主节流元件的进口；主节流元件的出口经主蒸发器的介质通道IIA连接第二分换热器的低温介质流道IIB的进口，低温介质流道IIB的出口经第一分换热器的低温介质流道IB连接回热器的介质通道IIIB的进口，介质通道IIIB的出口连接主压缩机的回气端；

上述第一气液分离器的出液口与第一分换热器的低温介质流道IB的进口之间设置有一个第一分节流元件、或两个以上并联的第一分节流元件；

上述第二气液分离器的出液口与第二分换热器的低温介质流道IIB的进口之间设置有一个第二分节流元件、或两个以上并联的第二分节流元件；

主蒸发器的介质通道IIB用于冷量输出；

在回热器的介质通道IIIA的出口端和介质通道IIIB的进口端之间还设置有泄压旁路，从介质通道IIIA的出口端开始，泄压旁路包括依次连接的泄压阀、储液罐和第二节流元件。

节流元件的种类很多，如常用的毛细管能够满足本申请的需要，不再赘述。

本发明超低温自复叠式制冷装置在开始运行时，首先是启动预冷单元，然后再启动多元制冷剂循环单元，在启动多元制冷剂循环单元时，主压缩机将吸入的制冷剂压缩后排出，送至主冷凝器初步冷却，再送入预冷换热器冷却冷凝，从预冷换热器流出的制冷剂经回热器的介质通道IIIA流出后，根据具体的运行压力，制冷剂的流动分为如下两种情况：

(一)、当多元制冷剂循环单元的高压侧的压力低于泄压阀的启动压力设定值时，制冷剂流经第一气液分离器、第一分换热器、第二气液分离器、第二分换热器、主节流元件和主蒸发器后，经回热器的介质通道IIIB流回主压缩机。

(二)、当多元制冷剂循环单元的高压侧的压力达到或超过泄压阀的启动压力设定值时，制冷剂分成两路，一路经泄压旁路上的泄压阀、储液罐和第二节流元件后，再经回热器的介质通道IIIB返回主压缩机；另一路流经第一气液分离器、第一分换热器、第二气液分离器、第二分换热器、主节流元件和主蒸发器后，经回热器的介质通道IIIB流回主压缩机。

在制冷剂的流动过程中，无论是否流经泄压旁路，流经回热器的介质通道IIIB的制冷剂的流量几乎相同，流经介质通道IIIB的制冷剂吸收流经介质通道IIIA的制冷剂的冷量，使介质通道IIIA中的制冷剂的温度更低。

第二节流元件的设置，保证了制冷剂以气体状态进入主压缩机，避免制冷剂中的液体对主压缩机造成冲击，产生液击事故。

随着制冷剂温度的降低，多元制冷剂循环单元内的压力降低，当低于泄压阀的启动压力设定值时，泄压阀恢复至关闭状态，主压缩机吸出储液罐内的制冷剂，使超低温自复叠式制冷装置中所有的制冷剂全部参与制冷。

在现有技术中，为防止启动时高压侧的压力过高，通常在主压缩机的进出口设置旁通管路，使从主压缩机出口出来的制冷剂，部分经旁通管路回流到主压缩机的进口，由于主压缩机进出口间较大的压力差，在主压缩机刚启动的一段时间内，从主压缩机出口排出的制冷剂，其中很大一部分通过旁通管路返回到主压缩机，只有较少的一部分可以沿常规循环管路进行循环，该处以及下文所述的常规循环管路就是前文所说的制冷剂流经第一气液分离器、第一分换热器、第二气液分离器、第二分换热器、主节流元件和主蒸发器后，经回热器的介质通道IIIB流回主压缩机的管路。由于冷量无法及时有效地在高压侧的制冷剂中进行传递，延长了制冷剂的冷却冷凝，也就延长了制冷装置达到设定温度的时间；在制冷装置的启动过程中，主压缩机的效率较低，制冷装置的整体效能低。

而在本发明中，用于防止高压侧压力过高的泄压旁路被设置在回热器远离主压缩机的一侧，从主压缩机出口排出的制冷剂，在流过回热器位于高压侧的介质通道IIIA后才有可能被分流为两路，一路沿常规循环管路进行循环，一路沿泄压旁路进入到低压侧，然后经回热器位于低压侧的介质通道IIIB返回到主压缩机；进入到泄压旁路中的制冷剂在经过第二节流元件后降压气化，在流经介质通道IIIB时，吸收介质通道IIIA中制冷剂的热量，使流经介质通道IIIA的制冷剂加速冷却和冷凝，从而加快了整个多元制冷剂循环单元中制冷剂温度的降低速度，缩短整个制冷装置到达设定温度，进入工作状态的时间。

多元制冷剂循环单元中制冷剂温度降低速度的加快，缩短了整个制冷装置的启动时间，提高了制冷装置的效率，可起到节能的效果。

当然，泄压旁路还具有安全保障功能，在制冷装置启动阶段，通过泄压旁路对制冷剂的分流，使高压侧的压力维持在安全限度内，保证了制冷装置的安全运行。

在本发明中，第一气液分离器、第一分换热器和第一分节流元件组成一个自复叠循环子系统；第二气液分离器、第二分换热器和第二分节流元件组成另一个自复叠循环子系统，每个自复叠循环子系统独立运行，相互影响小，操作稳定，适应性强。

进一步，泄压旁路还包括开关阀，开关阀布置在储液罐和第二节流元件之间。

在泄压管路上未安装开关阀时，在制冷装置的运行过程中，当高压侧的压力达到或超过泄压阀的启动压力设定值后，泄压阀开启，部分制冷剂流入到储液罐内，并经第二节流元件节流后返回到循环系统中；由于储液罐的接入，高压侧容积增大，高压侧的压力会有所降低；但制冷剂会通过泄压旁路分流后又继续被主压缩机吸入，排入至高压侧，因而高压侧的压降幅值平缓；进入回热器的制冷剂流量较大，高压侧流经回热器的制冷剂气体冷却、冷凝量较大。随着回热器温度的不断降低，循环系统的压力不断降低并达到平衡，泄压阀自动关闭，储液罐中的制冷剂陆续返回到循环系统中。

当在泄压管路上安装开关阀后，在启动阶段可以将开关阀关闭，开关阀关闭后，当高压侧的压力达到或超过泄压阀的启动压力设定值时，泄压阀打开，制冷剂泄压进入储液罐；由于流入到储液罐内的制冷剂无法返回到循环系统中，循环系统压降迅速，能在短时间内降低到泄压阀的启动压力设定值下；但进入回热器的制冷剂流量较小，高压侧流经回热器的制冷剂气体冷却冷凝量较小，冷却冷凝时间延长；同时流回主压缩机的制冷剂量也减少，压缩机功耗降低。待高压侧的压力降低到泄压阀的启动压力设定值以下时，泄压阀自动关闭，根据制冷装置的运行状态，开启开关阀，使储液罐中的制冷剂返回到循环系统中；待循环系统中的第一断开阀和第二断开阀关闭时，关闭开关阀。开关阀的设置更利于高压侧的压力保护。

进一步，上述第一分节流元件至少有两个，其中至少有一个第一分节流元件的进口端设置有第一断开阀；上述第二分节流元件至少有两个，其中至少有一个第二分节流元件的进口端设置有第二断开阀。

在本发明中，至少有一个第一分节流元件的进口安装了第一断开阀，至少有一个第二分节流元件的进口安装了第二断开阀，在制冷装置启动阶段和停机阶段，第一断开阀和第二断开阀打开，以增大制冷剂的过流通道，加大制冷剂的循环速度。

在制冷装置的启动阶段，制冷剂过流通道的加大，可以使制冷剂的循环速度加快，使冷量在制冷剂内快速扩散，加快了制冷剂中低沸点制冷剂的液化，使主蒸发器及早获得了制冷剂中的凝结为液态的低沸点制冷剂，缩短制冷装置的启动时间，在制冷装置的压力稳定后，关闭第一断开阀和第二断开阀，这样在保证了制冷装置压力稳定的基础上，还有利于制冷装置在低负荷下运行，实现了良好的节能效果。

在制冷装置的停机阶段，制冷剂过流通道的加大，可以使逐渐气化的制冷剂有足够的过流通道，避免循环系统的压力超过系统的安全压力，确保制冷装置的平稳运行。

在多元制冷剂循环单元内填充有多元制冷剂，多元制冷剂为惰性气体和非共沸点的烷烃类制冷剂的混合物；多元制冷剂优选为任意比例的氩气、四氟化碳、乙烷和异丁烷的混合物。

在本发明中，多元制冷剂循环单元内填充多元制冷剂，具体包括氩气、四氟化碳、乙烷和异丁烷，其中的异丁烷的主要作用是降低主压缩机的润滑油的凝固点，以防止润滑油进入低沸点制冷剂的蒸发段而凝固堵塞节流元件；在靠近主压缩机的回热器中，最远至靠近主压缩机排气口的第一气液分离器，润滑油随高沸点的异丁烷一起完全被分离出来。

本申请还提供一种制冷方法，该制冷方法采用上述超低温自复叠式制冷装置，可实现沼气液化、天然气等气体的液化。具体步骤如下：

L1、启动预冷单元，使预冷单元中的预冷制冷剂循环流动起来；

L2、启动多元制冷剂循环单元；包括如下步骤：

(1)、在启动多元制冷剂循环单元前，首先开启第一断开阀和第二断开阀，然后启动多元制冷剂循环单元，主压缩机将吸入的制冷剂压缩排出，送至主冷凝器初步冷却后，再送入预冷换热器冷却冷凝；

当多元制冷剂循环单元的高压侧的压力达到或超过泄压阀的启动压力设定值后，泄压阀开启；从预冷换热器流出的制冷剂流经回热器的介质通道IIIA后分成两路，一路经泄压旁路上的泄压阀、储液罐和第二节流元件后，再经回热器的介质通道IIIB返回主压缩机；另一路流经第一气液分离器、第一分换热器、第二气液分离器、第二分换热器、主节流元件和主蒸发器后，流回主压缩机；当多元制冷剂循环单元的高压侧的压力低于泄压阀的启动压力设定值后，泄压阀关闭；

流经介质通道IIIB的制冷剂吸收流经介质通道IIIA中的制冷剂的冷量，加速冷却和冷凝；

进入第一气液分离器中的制冷剂呈气液混合状态，其中的液体从第一气液分离器的出液口流向第一分节流元件，节流后流经第一分换热器的低温介质流道IB，吸收高温介质流道IA中来自第一气液分离器出气口的气体的热量后，流经回热器的介质通道IIIB后返回主压缩机；

进入第二气液分离器中的制冷剂呈气液混合状态，其中的液体从第二气液分离器的出液口流向第二分节流元件，节流后流经第二分换热器的低温介质流道IIB，吸收高温介质流道IIA中来自第二气液分离器出气口的气体的热量后，流经第一分换热器的低温介质流道IB和回热器的介质通道IIIB后返回主压缩机；

(2)、当超低温自复叠式制冷装置正常工作后，装置内的温度较低，多元制冷剂循环单元内的压力降低，管路内的压力低于泄压阀的启动压力设定值，泄压阀处于关闭状态，主压缩机将储液罐内的制冷剂吸出，使超低温自复叠式制冷装置中所有的制冷剂全部参与制冷；

(3)、待多元制冷剂循环单元内的压力稳定后，关闭第一断开阀和第二断开阀；

L3、超低温自复叠式制冷装置正式运行：

洁净的原料气在一定压力的作用下，流经主蒸发器的介质通道IIB，吸收多元制冷剂循环单元在主蒸发器产生的冷量，冷却冷凝液化；

L4、停机：

完成原料气的液化后，在超低温自复叠式制冷装置准备停机时，先打开第一断开阀和第二断开阀，多元制冷剂循环单元中的制冷剂逐渐气化。

该制冷方法可以使制冷装置的启动时间和停机时间缩短，而且可以保证制冷装置的平稳运行，在正常运行阶段，由于制冷装置内的制冷剂全部参与运行，有效地提高了制冷装置的运行效率，使制冷装置具有良好的节能效果。

相比较现有技术将旁通管路直接设置在主压缩机的进出口之间，本发明可使启动时间缩短30～40％，并由此可节约能耗15～20％。

附图说明

图1是本发明的第一种实施例。

图2是本发明的第二种实施例。

图3是本发明的第三种实施例。

图4是本发明的第四种实施例。

图中标记：

11-预冷冷凝器，13-预冷压缩机，14-预冷节流元件；

21-主压缩机，22-主冷凝器，23-预冷换热器，25-回热器；

231-介质通道IA，232-介质通道IB，251-介质通道IIIA，252-介质通道IIIB；

26-泄压旁路，261-泄压阀，262-开关阀，263-第二节流元件，264-储液罐；

31-第一气液分离器，32-第一分换热器，33-第一分节流元件A，34-第一分节流元件B；

321-高温介质流道IA，322-低温介质流道IB，331-第一断开阀；

41-第二气液分离器，42-第二分换热器，43-第二分节流元件A，44-第二分节流元件B；

421-高温介质流道IIA，422-低温介质流道IIB，431-第二断开阀；

51-主节流元件，60-主蒸发器；601-介质通道IIA，602-介质通道IIB。

具体实施方式

为进一步说明本发明的内容、特点及效果，兹以下述实施例，并配合附图详细说明。

需要说明的是，附图中的双点划线仅用于表示各个单元的组成范围，不代表任何具体的设备。

实施例1：

参阅图1，一种超低温自复叠式制冷装置，包括预冷单元1和多元制冷剂循环单元2。

预冷单元1包括通过管道依次连接形成循环系统的预冷压缩机13、预冷冷凝器11、预冷节流元件14和预冷换热器23；在本实施例中，预冷冷凝器11为风冷式冷凝器，预冷节流元件14采用毛细管式节流阀。

多元制冷剂循环单元2包括主压缩机21、主冷凝器22、预冷换热器23、回热器25、第一气液分离器31、第一分换热器32、第二气液分离器41和第二分换热器42、主节流元件51和主蒸发器60。

预冷单元中的预冷换热器23与多元制冷剂循环单元中的预冷换热器23为同一设备，预冷换热器23设置有介质通道IA231和介质通道IB232，其中介质通道IA231通过管道连接在预冷压缩机13和预冷节流元件14之间；

回热器25设置有介质通道IIIA251和介质通道IIIB252；第一分换热器32设置有高温介质流道IA321和低温介质流道IB322；第二分换热器42设置有高温介质流道IIA421和低温介质流道IIB422；主蒸发器60为一换热器，其设置有介质通道IIA601和介质通道IIB602。

依制冷剂的流动方向，主压缩机21的排气端经主冷凝器22连接预冷换热器23的介质通道IB232的进口，介质通道IB232的出口连接回热器25的介质通道IIIA251的进口，回热器25的介质通道IIIA251的出口连接第一气液分离器31的进口，第一气液分离器31的排气口经第一分换热器32的高温介质流道IA321连接第二气液分离器41的进口，第二气液分离器41的排气口经第二分换热器42的高温介质流道IA421连接主节流元件51的进口；主节流元件51的出口经主蒸发器60的介质通道IIA601连接第二分换热器42的低温介质流道IIB422的进口，低温介质流道IIB422的出口经第一分换热器32的低温介质流道IB322连接回热器25的介质通道IIIB252的进口，介质通道IIIB252的出口连接主压缩机21的回气端；

在本实施例中，上述第一气液分离器31的出液口与第一分换热器32的低温介质流道IB322的进口之间设置有一个第一分节流元件，为第一分节流元件B34。当然也可以设置两个或两个以上的第一分节流元件，例如三个或五个。

在本实施例中，上述第二气液分离器41的出液口与第二分换热器42的低温介质流道IIB422的进口之间设置有一个第二分节流元件，为第二分节流元件B44。当然也可以设置两个或两个以上的第二分节流元件，例如三个或五个。

在回热器25的介质通道IIIA251的出口端和介质通道IIIB252的进口端之间还设置有泄压旁路26，从介质通道IIIA251的出口端开始，泄压旁路26包括依次连接的泄压阀261、储液罐264和第二节流元件263。

主蒸发器60的介质通道IIB602用于冷量输出，介质通道IIB602的两端分别形成待液化物料的物料进口72和物料出口74。

在本实施例中，主冷凝器22为风冷式冷凝器，所有节流元件均采用毛细管式节流元件。所有阀门均采用电磁阀，以方便实现装置的自动控制与远程操作。

实施例2：

参阅图2，本实施例是在实施例1基础上的改进，在储液罐264和第二节流元件263之间还设置了开关阀262。开关阀262采用电磁阀，以方便实现装置的自动控制与远程操作。

实施例3：

参阅图3，本实施例是在实施例1基础上的改进，在本实施例中，第一分节流元件有两个，在第一分节流元件B34的基础上，增设一个与第一分节流元件B34并联的第一分节流元件A33，并且在第一分节流元件A33的进口端设置有第一断开阀331。当然也可以设置三个、或更多的第一分节流元件，也可以在更多的第一分节流元件的进口端设置第一断开阀。

第二分节流元件有两个，在第二分节流元件B44的基础上，增设一个与第二分节流元件B44并联的第二分节流元件A43，并且在第二分节流元件A43的进口端设置有第二断开阀431。当然也可以设置三个、或更多的第二分节流元件，也可以在更多的第二分节流元件的进口端设置第二断开阀。

第一断开阀331和第二断开阀431均采用电磁阀，以方便实现装置的自动控制与远程操作。

在本实施例中，多元制冷剂循环单元2中的制冷剂为多元制冷剂，多元制冷剂可以采用由惰性气体和非共沸点的烷烃类制冷剂的混合物，具体到本实施例，多元制冷剂由氩气、四氟化碳、乙烷和异丁烷混合而成。

该超低温自复叠式制冷装置可用于天然气、沼气等气体的液化，以下将本实施例用于沼气的液化，以具体说明本发明是如何运行的。

超低温自复叠式制冷装置将沼气液化主要通过下列三步运行：

L1、启动预冷单元1

为方便描述，将预冷单元A中的制冷剂称为预冷制冷剂，在现有技术中，已有众多的制冷剂可作为预冷制冷剂，在本申请中采用R22作为预冷制冷剂。

超低温自复叠式制冷装置运行时，先启动预冷单元1。启动预冷压缩机13，预冷压缩机13将R22吸入，压缩成高压气体，送入预冷冷凝器11冷凝为液态，液态的R22经预冷节流元件14节流降压，在预冷换热器23中气化产生冷量，气化后的R22再次被预冷压缩机13吸入，进入下一个循环。节流后的液态R22在预冷换热器23中气化产生的冷量，用于冷却多元制冷剂循环单元2中的多元制冷剂。

L2、启动多元制冷剂循环单元2；包括如下步骤：

在本实施例中，泄压阀261的启动压力设定值为1.4MPa。

(1)在启动多元制冷剂循环单元2前，首先开启第一断开阀331和第二断开阀431，泄压阀261自动启闭，制冷装置启动后，主压缩机21将吸入的多元制冷剂压缩排出，送至主冷凝器22初步冷却后，再送入预冷换热器23冷却冷凝，其中的异丁烷和乙烷冷凝成液体，四氟化碳和氩气仍保持气态。

当多元制冷剂循环单元的高压侧的压力达到或超过1.4MPa后，泄压阀261开启；从预冷换热器23流出的多元制冷剂流经回热器25的介质通道IIIA251后分成两路，一路经泄压阀261、储液罐264和第二节流元件263后，再经回热器25的介质通道IIIB252返回主压缩机21；另一路流经第一气液分离器31、第一分换热器32、第二气液分离器41、第二分换热器42、主节流元件51和主蒸发器60后流回主压缩机21；当主压缩机21高压侧的压力低于1.4MPa后，泄压阀261关闭；流经介质通道IIIB252的多元制冷剂吸收流经介质通道IIIA251中的多元制冷剂的冷量，使多元制冷剂加速冷却和冷凝；两路分流保证了制冷装置在启动状态下，高压侧的压力不至于过高而引发主压缩机过热。

在回热器25的介质通道IIIA251中，多元制冷剂得到来自在主蒸发器60、第一分换热器32、第二分换热器42中蒸发后，流经介质通道IIIB252的多元制冷剂的残余冷量再次冷却，气态四氟化碳和氩气温度进一步降低，液态异丁烷和乙烷形成一定的过冷度；从而加快了整个多元制冷剂循环单元中制冷剂温度的降低速度，缩短了整个制冷装置到达设定温度，进入工作状态的时间。

进入第一气液分离器31中的气态四氟化碳和氩气，从第一气液分离器31的排气口流至第一分换热器32的高温介质流道IA321时，吸收来自第一分节流元件A33和第一分节流元件B34节流后在低温介质流道IB322中气化的乙烷和异丁烷的冷量，四氟化碳发生液化，氩气降温。液化后的四氟化碳与气态的氩气一起流向第二气液分离器41，其中的液态四氟化碳从第二气液分离器41的出液口流向第二分节流元件A43和第二分节流元件B44，经节流后流向第二分换热器42的低温介质流道IIB422，吸收高温介质流道IIA421中来自第二气液分离器41的排气口流出的气态氩气的热量后气化，然后流向第一分换热器32的低温介质流道IB322，与气化了的乙烷、异丁烷以及润滑油一起经回热器25的介质通道IIIB252后，被主压缩机21吸入。

进入第二气液分离器41中的气态氩气从第二气液分离器41的排气口流出，在通过第二分换热器42的高温介质流道IIA421时，被来自经第二分节流元件A43和第二分节流元件B44节流后在低温介质流道IIB422中气化的四氟化碳冷却冷凝而液化后，流向主节流元件51，经节流后在主蒸发器60中气化，形成温度极低的环境，以将沼气液化；气化后的氩气经第二分换热器42的低温介质流道IIB422，与气化了的四氟化碳、乙烷和异丁烷、以及润滑油一起经回热器25的介质通道IIIB252后，被主压缩机21吸入。

随着多元制冷剂循环单元2内的多元制冷剂被不断地冷却和液化，多元制冷剂循环单元2内的压力不断地降低，当压力稳定地保持在泄压阀261的启动压力设定值之下时，泄压阀261保持关闭状态，主压缩机21吸出储液罐264内的多元制冷剂，使制冷装置中所有的制冷剂全部参与制冷，提高了制冷效率；待压力稳定后，先依次关闭第一断开阀331和第二断开阀431，如此，既保证了制冷装置的压力稳定，同时又实现制冷装置的低能耗运行，具有良好的节能效果。

在制冷装置的工作过程中，如果高压侧的压力偏高，达到1.4MPa时，泄压阀261将自动打开，管道内的多元制冷剂将流入储液罐264，实现泄压；当高压侧的压力低于1.4MPa时，泄压阀261将自动关闭。

当制冷装置在准备停机时，先依次打开第一断开阀331和第二断开阀431；多元制冷剂循环单元中的多元制冷剂逐渐气化，当多元制冷剂循环单元中管路内的压力达到1.4MPa时，泄压阀261开启，多元制冷剂进入到储液罐264内。

L3、超低温自复叠式制冷装置正式运行：

洁净的原料气在一定压力的作用下，流经主蒸发器60的介质通道IIB602，吸收多元制冷剂循环单元在主蒸发器60产生的冷量，冷却冷凝液化；

L4、停机：

完成原料气的液化后，在超低温自复叠式制冷装置准备停机时，先打开第一断开阀331和第一断开阀431，多元制冷剂循环单元中的多元制冷剂逐渐气化。

采用该制冷装置在零下160～170℃对沼气进行液化时，相比较现有技术中，将旁通管路设置在主压缩机的进口的制冷装置，其启动时间缩短30～40％，冷凝沼气的单位能耗可降低15～20％。

参阅图4，在本实施例中，在储液罐264和第二节流元件263之间还可以设置开关阀A268，当设置开关阀A268后，在制冷装置的启动过程中，可以预先关闭开关阀A，根据装置的运行情况，保持开关阀A的关闭状态或开启开关阀A。在制冷装置正常运行过程中，如果由于高压侧的压力过高，部分多元制冷剂流入到储液罐264中，这部分多元制冷剂可根据制冷装置的具体运行情况，在适当的时候开启开关阀A，使这部分多元制冷剂返回到多元制冷剂循环单元2中，参与制冷。当然，在制冷装置准备停机时，可以保持开关阀A为开启状态。

Claims (6)

1.一种超低温自复叠式制冷装置，包括预冷单元、多元制冷剂循环单元；其特征在于：

预冷单元包括通过管道依次连接形成循环系统的预冷压缩机(13)、预冷冷凝器(11)、预冷节流元件(14)和预冷换热器(23)；

多元制冷剂循环单元包括主压缩机(21)、主冷凝器(22)、预冷换热器(23)、回热器(25)、第一气液分离器(31)、第一分换热器(32)、第二气液分离器(41)和第二分换热器(42)、主节流元件(51)和主蒸发器(60)；

上述预冷单元中的预冷换热器(23)与多元制冷剂循环单元中的预冷换热器(23)为同一设备，预冷换热器(23)设置有介质通道IA(231)和介质通道IB(232)，其中介质通道IA(231)通过管道连接在预冷压缩机(13)和预冷节流元件(14)之间；

回热器(25)设置有介质通道IIIA(251)和介质通道IIIB(252)；

第一分换热器(32)设置有高温介质流道IA(321)和低温介质流道IB(322)；

第二分换热器(42)设置有高温介质流道IIA(421)和低温介质流道IIB(422)；

主蒸发器(60)为一换热器，其设置有介质通道IIA(601)和介质通道IIB(602)；

依制冷剂的流动方向，主压缩机(21)的排气端经主冷凝器(22)连接预冷换热器(23)的介质通道IB(232)的进口，介质通道IB(232)的出口连接回热器(25)的介质通道IIIA(251)的进口，回热器(25)的介质通道IIIA(251)的出口连接第一气液分离器(31)的进口，第一气液分离器(31)的排气口经第一分换热器(32)的高温介质流道IA(321)连接第二气液分离器(41)的进口，第二气液分离器(41)的排气口经第二分换热器(42)的高温介质流道IA(421)连接主节流元件(51)的进口；主节流元件(51)的出口经主蒸发器(60)的介质通道IIA(601)连接第二分换热器(42)的低温介质流道IIB(422)的进口，低温介质流道IIB(422)的出口经第一分换热器(32)的低温介质流道IB(322)连接回热器(25)的介质通道IIIB(252)的进口，介质通道IIIB(252)的出口连接主压缩机(21)的回气端；

上述第一气液分离器(31)的出液口与第一分换热器(32)的低温介质流道IB(322)的进口之间设置有一个第一分节流元件、或两个以上并联的第一分节流元件；

上述第二气液分离器(41)的出液口与第二分换热器(42)的低温介质流道IIB(422)的进口之间设置有一个第二分节流元件、或两个以上并联的第二分节流元件；

主蒸发器(60)的介质通道IIB(602)用于冷量输出；

在回热器(25)的介质通道IIIA(251)的出口端和介质通道IIIB(252)的进口端之间还设置有泄压旁路(26)，从介质通道IIIA(251)的出口端开始，泄压旁路(26)包括依次连接的泄压阀(261)、储液罐(264)和第二节流元件(263)。

2.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于：泄压旁路(26)还包括开关阀(262)，开关阀(262)布置在储液罐(264)和第二节流元件(263)之间。

3.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于：

所述第一分节流元件至少有两个，其中至少有一个第一分节流元件的进口端设置有第一断开阀；

所述第二分节流元件至少有两个，其中至少有一个第二分节流元件的进口端设置有第二断开阀。

4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的制冷装置，其特征在于：在多元制冷剂循环单元内填充有多元制冷剂，多元制冷剂为惰性气体和非共沸点的烷烃类制冷剂的混合物。

5.根据权利要求4所述的制冷装置，其特征在于：多元制冷剂为任意比例的氩气、四氟化碳、乙烷和异丁烷的混合物。

6.一种制冷方法，其特征在于：该制冷方法采用权利要求3所述的超低温自复叠式制冷装置，具有如下步骤：

L1、启动预冷单元，使预冷单元中的预冷制冷剂循环流动起来；

L2、启动多元制冷剂循环单元；包括如下步骤：

(1)、在启动多元制冷剂循环单元前，首先开启第一断开阀和第二断开阀，然后启动多元制冷剂循环单元，主压缩机(21)将吸入的制冷剂压缩排出，送至主冷凝器(22)初步冷却后，再送入预冷换热器(23)冷却冷凝；

当多元制冷剂循环单元的高压侧的压力达到或超过泄压阀(261)的启动压力设定值后，泄压阀(261)开启；从预冷换热器(23)流出的制冷剂流经回热器(25)的介质通道IIIA(251)后分成两路，一路经泄压旁路(26)上的泄压阀(261)、储液罐(264)和第二节流元件(263)后，再经回热器(25)的介质通道IIIB(252)返回主压缩机(21)；另一路流经第一气液分离器(31)、第一分换热器(32)、第二气液分离器(41)、第二分换热器(42)、主节流元件(51)和主蒸发器(60)后，流回主压缩机(21)；当多元制冷剂循环单元的高压侧的压力低于泄压阀(261)的启动压力设定值后，泄压阀(261)关闭；

流经介质通道IIIB(252)的制冷剂吸收流经介质通道IIIA(251)中的制冷剂的冷量，加速冷却和冷凝；

进入第一气液分离器(31)中的制冷剂呈气液混合状态，其中的液体从第一气液分离器(31)的出液口流向第一分节流元件，节流后流经第一分换热器(32)的低温介质流道IB(322)，吸收高温介质流道IA(321)中来自第一气液分离器(31)出气口的气体的热量后，流经回热器(25)的介质通道IIIB(252)后返回主压缩机(21)；

进入第二气液分离器(41)中的制冷剂呈气液混合状态，其中的液体从第二气液分离器(41)的出液口流向第二分节流元件，节流后流经第二分换热器(42)的低温介质流道IIB(422)，吸收高温介质流道IIA(421)中来自第二气液分离器(41)出气口的气体的热量后，流经第一分换热器(32)的低温介质流道IB(322)和回热器(25)的介质通道IIIB(252)后返回主压缩机(21)；

(2)、当超低温自复叠式制冷装置正常工作后，装置内的温度较低，多元制冷剂循环单元内的压力降低，管路内的压力低于泄压阀的启动压力设定值，泄压阀(261)处于关闭状态，主压缩机(21)将储液罐(264)内的制冷剂吸出，使超低温自复叠式制冷装置中所有的制冷剂全部参与制冷；

(3)、待多元制冷剂循环单元内的压力稳定后，关闭第一断开阀(331)和第二断开阀(431)；

L3、超低温自复叠式制冷装置正式运行：

洁净的原料气在一定压力的作用下，流经主蒸发器(60)的介质通道IIB(602)，吸收多元制冷剂循环单元在主蒸发器(60)产生的冷量，冷却冷凝液化；

L4、停机：

完成原料气的液化后，在超低温自复叠式制冷装置准备停机时，先打开第一断开阀和第二断开阀，多元制冷剂循环单元中的制冷剂逐渐气化。