CN107356007B - 一种自复叠三温变容量输出制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种自复叠三温变容量输出制冷系统，包括由压缩机、冷凝器、回热器、液分离器、电子膨胀阀、蒸发冷凝器、第一电子膨胀阀、蒸发器、机头喷液冷却阀、分流管、合流管，通过本发明的一种自复叠三温变容量输出制冷系统，提供了一种自复叠制冷系统，实现各种不同蒸发温度的制冷能量输出，简化了对于温度有不同要求的应用场合的制冷系统，同时自动控制多个冷端输出的冷量，达到系统平衡，精确调控多使用场合变负荷工况的冷量输出。
Description
技术领域
本发明涉及制冷领域，尤其是一种自复叠三温变容量输出制冷系统。
背景技术
目前使用的低温冷冻箱，多采用多级蒸气压缩式复叠制冷循环，这种复叠制冷循环系统需要采用多台压缩机，并且只能获取一个蒸发温度。不仅增加成本，而且大大限制了使用范围。自复叠制冷统采用一套压缩机，在高低沸点组分间实现自然复叠，利用低沸点制冷剂实现低温制冷，具有结构简单、制冷温度低、适应性强等优点。如果采用自复叠制冷循环系统，仅需要一台压缩机就可以完成系统循环，两种或两种以上非共沸混合制冷剂在相同的蒸发压力和冷凝压力下工作，可以获得单一或多个不同的蒸发温度。
自复叠制冷统采用单级压缩机，在高低沸点组分间实现自然复叠，利用低沸点制冷剂实现低温制冷，具有结构简单、制冷温度低、适应性强等优点，在低温医疗、低温超导、低温电子、低温真空、气体液化以及冷冻干燥等领域得到广泛应用。由于所需的制冷温度越来越低，自复叠制冷循环系统逐渐由两级发展为多级。目前的自复叠系统大多只能获取单一蒸发温度和单一制冷量。
而自复叠双温冰箱，负荷变化相对稳定，温控精度要求较低，只能输出2种蒸发温度且能量调节范围有限。但低温康复舱、环控舱、人工气候室等领域负荷变化较大，温度控制精度要求较高，传统自复叠双温冰箱技术无法满足使用需求。
发明内容
为克服现有的缺陷，本发明提出一种自复叠三温变容量输出制冷系统。
一种自复叠三温变容量输出制冷系统，包括由压缩机、冷凝器、回热器、第一液分离器、第一电子膨胀阀、第一蒸发冷凝器、二气液分离器、第五电子膨胀阀、第二蒸发冷凝器、第三电子膨胀阀、第三蒸发器、第二电子膨胀阀、第二蒸发器、第一电子膨胀阀、第一蒸发器、机头喷液冷却阀、第一分流管、第二分流管、第一合流管、第二合流管、第三合流管、第四合流管，
所述压缩机连通所述冷凝器；冷凝器通过所述回热器连通所述第一液分离器，第一液分离器通过所述第一蒸发冷凝器连通所述二气液分离器，二气液分离器通过所述第二蒸发冷凝器连接所述第三电子膨胀阀并连通所述第三蒸发器，第三蒸发器依次通过所述第一合流管、第二蒸发冷凝器、所述第三合流管、所述第二合流管、第一蒸发冷凝器、所述第四合流管、回热器并连通压缩机。
所述第一液分离器通过第二分流管连接所述第一电子膨胀阀，第一电子膨胀阀连通所述第一蒸发器，第一蒸发器依次通过第四合流管和回热器连通压缩机。
所述第一液分离器通过第一蒸发冷凝器连接所述第一电子膨胀阀，第一电子膨胀阀依次通过第二合流管、第一蒸发冷凝器、第四合流管和回热器并连通压缩机。
所述二气液分离器通过第一分流管连接所述第二电子膨胀阀，第二电子膨胀阀连通所述第二蒸发器，第二蒸发器依次通过第三合流管、第二合流管、第一蒸发冷凝器、第四合流管、回热器并连通压缩机。
所述二气液分离器依次通过第一分流管和第二蒸发冷凝器连接第五电子膨胀阀，第五电子膨胀阀依次通过第一合流管、第二蒸发冷凝器、第三合流管、第二合流管、第一蒸发冷凝器、第四合流管和回热器并连通压缩机。
可选地，所述自复叠三温变容量输出制冷系统还包括喷液冷却阀，其中，压缩机通过所述液冷却阀连通第一液分离器。
系统运行流程：
混合制冷剂首先通过容量可调的压缩机变成高温高压的气体，高温高压的气体混合物在冷凝器中通过与外界空气或水进行换热，释放一定的热量，再被由系统返回至压缩机的制冷剂在回热器中再次冷却进入第一气液分离器，此时的制冷剂中部分高沸点的制冷剂已经凝结。
通过第一气液分离器将已经凝结的液态制冷剂和气态制冷剂分离。部分液态制冷剂通过第一电子膨胀阀节流后，进入第一蒸发器，进行较高温度的制冷，吸热后的制冷剂返回回热器，再回到压缩机完成高温级的制冷循环；部分液态制冷剂进入第一蒸发冷凝器过冷后，经第四电子膨胀阀节流后与经过第二蒸发器和第二蒸发冷凝器回来的低温制冷剂混合后进入第一蒸发冷凝器冷却进入第一蒸发冷凝器的另外两股流，再与经过第一蒸发器的制冷剂混合后回到回热器进行冷量回收升温后返回压缩机。第一气液分离器分离出来的气体在第一蒸发冷凝器被进一步冷却，送至第二气液分离器。
由第一气液分离器出来的气态制冷剂在第一蒸发冷凝器中被冷却后在第二级气液分离器进行分离，分离后的部分液体通过第二级电子膨胀阀节流进入第二级蒸发器，进入中温制冷，然后经由第一蒸发冷凝器、回热器进行冷量回收后返回压缩机；部分液体通过第五电子膨胀阀节流后与经过第三级蒸发器回来的低温制冷剂混合后进入第二蒸发冷凝器冷却进入第二蒸发冷凝器的另外两股流，再与经过第二蒸发器和第四电子膨胀阀节流后的制冷剂混合后回到回热器进行冷量回收升温，同第一级蒸发冷凝器的情况。
第二级气液分离器分离出来的气态制冷剂，通过第二级蒸发冷凝器进行冷凝，冷凝后的液态制冷剂节流后进入第三级蒸发器，进行低温制冷，通常第三级的蒸发温度都是零下100℃以下，出蒸发器时的温度仍然比较低含有大量冷量，这部分冷量通过各级蒸发冷凝器和回热器逐渐回收，避免能量浪费，同时使得返回压缩机的制冷剂温度不至于过低，尤其不允许高沸点制冷剂的呈液态存在，造成压缩机液击，损坏压缩机。
三级自复叠制冷系统通过对于混合制冷剂的逐级冷却，从而逐级分离不同沸点的制冷剂，利用制冷剂沸点不同，实现不同温度的制冷。同时，由蒸发器返回的制冷剂由于含有大量冷量，也可以通过逐级利用，避免造成冷量浪费。
通过第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、第三电子膨胀阀的阀门开度，可以精准调节第一蒸发器、第二蒸发器、第三蒸发器的能量输出。第一、二、三电子膨胀阀可以是一个或者多个电子膨胀阀并联。
压缩机为容量可调的压缩机组，可以是数码涡旋压缩机、变频压缩机或多个压缩机并联。以配合第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、第三电子膨胀阀实现各级温度大范围能量调节输出。
通过本发明的一种自复叠三温变容量输出制冷系统，提供了一种自复叠制冷系统，实现各种不同蒸发温度的制冷能量输出，简化了对于温度有不同要求的应用场合的制冷系统，同时自动控制多个冷端输出的冷量，达到系统平衡，精确调控多使用场合变负荷工况的冷量输出。
通过容量可变的压缩机以及两个设置在气液分离器后的电子膨胀阀对能量进行调节，有效控制各个蒸发器的能量输出。该发明解决了一套压缩机的制冷系统输出多个蒸发温度且各级蒸发器能量输出都可以精确控制的问题，可以满足对于温度梯度有不同要求的使用场合。系统运行稳定，降低了设备成本。并采用三股流换热器作为蒸发冷凝器和热回收器，回收低温级回气冷量，提高吸气温度，提高冷凝效果。确保系统运行稳定性，降低运行成本。
附图说明
图1为自复叠三温变容量输出制冷系统实施例1示意图。
图2为自复叠三温变容量输出制冷系统实施例2示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种自复叠三温变容量输出制冷系统进行详细描述。
实施例1
图1示出一种自复叠三温变容量输出制冷系统，制冷剂为R600a，R23，R14的非共沸三元混合物。
混合制冷剂经压缩机1压缩后，排入冷凝器2，高温高压的混合气体在冷凝器2中不完全冷凝，其中绝大部分的高温工质制冷剂R600a、少数中温工质制冷剂R23和极少数的低温工质制冷剂R14冷凝为液体，从冷凝器2出来的气液混合制冷剂流经回热器3进一步冷却，使混合工质中的高沸点组分得到充分的冷凝，然后进入第一级气液分离器4中，在重力的作用下气态冷媒与R600a和少量R23/R14的混合制冷剂液体实现自动分离。分离出来的液体制冷剂在第一气液分离器4液体出口：部分液体经过第一级电子膨胀阀14节流后进入第一级蒸发器15蒸发制冷，本例中要求第一级蒸发温度在-20℃，然后回流至压缩机完成第一级制冷循环，回流过程时经过回热器3，进一步进行热量回收。部分液体制冷剂经过第一蒸发冷凝器6降温后流经第四电子膨胀阀5节流，与第二级、第三级回流压缩机的制冷剂混合进入第一蒸发冷凝器6冷却其它两股制冷剂。
仍为气体的中温、低温混合工质由第一气液分离器4的上部流出，经第一蒸发冷凝器6继续降温后进入第二气液分离器7，进入第二气液分离器7的制冷剂主要为R14和R23以及极少量的R600a混合物，从第二气液分离器7液体出口R23和少量R14/R600a混合制冷剂分为两部分，一部分制冷剂经过第二电子膨胀阀12后在第二蒸发器13中产生制冷作用第二级蒸发温度设定在-60℃然后回流至压缩机并完成第二级制冷循环；另一部分含R23和少量R14/R600a的混合制冷剂经过第五电子膨胀阀8节流后，与第三级蒸发器11返回压缩机的制冷剂混合，进入第二蒸发冷凝器9，降低回路的温度，对冷量进行回收，提高回气温度.
第二气液分离器7上部的R14和少量R23/R600a混合制气体冷剂经过第二蒸发冷凝器9冷凝后，经过第三电子膨胀阀10节流后，进入第三蒸发器11后进行相变制冷设计第三级蒸发器的蒸发温度为-100℃，然后从各级蒸发器出口流出来的气体再依次经过蒸发冷凝器和回热器进行冷量回收后重新混合进入压缩机，完成一次循环。
各级均可实现能量在0-100％之间的调节，当中间电子膨胀阀完全关闭时，可以不制冷，3级蒸发器可以独立调控。第一级电子膨胀阀14开大，第一级蒸发器15输出冷量增加，反之减少。第二级电子膨胀阀12开大，第二级蒸发器13输出冷量增加，反之减少。第三级电子膨胀阀10开大，第三级蒸发器11输出冷量增加，反之减少。
压缩机1为容量可调的压缩机组，当用冷端负荷降低时，压缩机1自动卸载，以匹配冷端蒸发器的冷量输出调节。
该系统通过压缩机和电子膨胀阀的综合调节能力，能够灵活调节三级蒸发器的制冷量输出，确保冷箱及其它用冷场合内的温度调控精度。满足大范围负荷变工况调节需求。
实施例2
如图2所示，与实施例1流程相似，增加了喷液冷却阀16和相应的连接管路。
制冷剂可选用R600a，R23，R14和少量甲烷的非四元混合物，第一级蒸发温度设计为‐20℃，第二级蒸发温度设计为‐65℃，第三级蒸发温度设计为‐115℃。
系统工作流程与实施例1相似，当排气温度较高时，喷液冷却阀16开启，部分高温制冷剂喷入。
对于压缩机1的机头带喷液冷却口的，每个机头配置1套喷液冷却阀16。对于压缩机1机头不带喷液冷却口的，喷液口接口位于总吸气管上。
冷凝器可以是风冷、水冷或者蒸发冷形式。
本系统由容量可调的压缩机可以是数码涡旋压缩机、变频压缩机或多个压缩机、冷凝器、回热器、气液分离器、蒸发冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器以及将以上零部件有机连接起来的管路等组成。在整个系统中，压缩机和冷凝器都只有一套，分别用于冷媒的压缩，和压缩后的高温高压冷媒的冷却。系统中有两个气液分离器和两个蒸发冷凝器，以及三个蒸发器，冷媒在蒸发器中吸收热量之前，分别经过三级电子膨胀阀。系统包括但不仅限于以上零部件，还包括膨胀罐、截止阀等零部件。系统中的冷媒根据需要的温度，可以为R600a，R23，R14的非共沸三元混合物。也可以为R600a，R23，R14，甲烷的四元混合物。制冷剂种类以及制冷剂配比会对系统性能系数造成影响，根据系统零部件的不同，冷媒种类以及冷媒配比会有所不同，均在本发明的范围内。冷凝器部分可以为翅片管式换热器也可以为壳管式水冷式换热器或冷却塔提供的外部散热。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
Claims (8)
1.一种自复叠三温变容量输出制冷系统，包括由压缩机(1)、冷凝器(2)、回热器(3)、第一液分离器(4)、第四电子膨胀阀(5)、第一蒸发冷凝器(6)、二气液分离器(7)、第五电子膨胀阀(8)、第二蒸发冷凝器(9)、第三电子膨胀阀(10)、第三蒸发器(11)、第二电子膨胀阀(12)、第二蒸发器(13)、第一电子膨胀阀(14)、第一蒸发器(15)、机头喷液冷却阀(16)、第一分流管(a 1)、第二分流管(a2)、第一合流管(b 1)、第二合流管(b2)、第三合流管(b 3)、第四合流管(b4)，其特征在于，所述压缩机(1)连通所述冷凝器(2)；冷凝器(2)通过所述回热器(3)连通所述第一液分离器(4)，第一液分离器(4)通过所述第一蒸发冷凝器(6)连通所述二气液分离器(7)，二气液分离器(7)通过所述第二蒸发冷凝器(9)连接所述第三电子膨胀阀(10)并连通所述第三蒸发器(11)，第三蒸发器(11)依次通过所述第一合流管(b 1)、第二蒸发冷凝器(9)、所述第三合流管(b 3)、所述第二合流管(b2)、第一蒸发冷凝器(6)、所述第四合流管(b4)、回热器(3)并连通压缩机(1)。
2.根据权利要求1所述的自复叠三温变容量输出制冷系统，其特征在于，所述第一液分离器(4)通过第二分流管(a2)连接所述第一电子膨胀阀(14)，第一电子膨胀阀(14)连通所述第一蒸发器(15)，第一蒸发器(15)依次通过第四合流管(b4)和回热器(3)连通压缩机(1)。
3.根据权利要求1所述的自复叠三温变容量输出制冷系统，其特征在于，所述第一液分离器(4)通过第一蒸发冷凝器(6)连接所述第四电子膨胀阀(5)，第四电子膨胀阀(5)依次通过第二合流管(b2)、第一蒸发冷凝器(6)、第四合流管(b4)和回热器(3)并连通压缩机(1)。
4.根据权利要求1所述的自复叠三温变容量输出制冷系统，其特征在于，所述二气液分离器(7)通过第一分流管(a 1)连接所述第二电子膨胀阀(12)，第二电子膨胀阀(12)连通所述第二蒸发器(13)，第二蒸发器(13)依次通过第三合流管(b 3)、第二合流管(b2)、第一蒸发冷凝器(6)、第四合流管(b4)、回热器(3)并连通压缩机(1)。
5.根据权利要求1所述的自复叠三温变容量输出制冷系统，其特征在于，所述二气液分离器(7)依次通过第一分流管(a 1)和第二蒸发冷凝器(9)连接第五电子膨胀阀(8)，第五电子膨胀阀(8)依次通过第一合流管(b1)、第二蒸发冷凝器(9)、第三合流管(b3)、第二合流管(b2)、第一蒸发冷凝器(6)、第四合流管(b4)和回热器(3)并连通压缩机(1)。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的自复叠三温变容量输出制冷系统，其特征在于，所述自复叠三温变容量输出制冷系统还包括机头喷液冷却阀(16)，其中，压缩机(1)通过所述机头喷液冷却阀(16)连通第一液分离器(4)。
7.根据权利要求1所述的自复叠三温变容量输出制冷系统，其特征在于，制冷系统中，制冷剂为R600a，R23，R14的非共沸三元混合物。
8.根据权利要求1所述的自复叠三温变容量输出制冷系统，其特征在于，压缩机(1)为容量可调的压缩机组，当用冷端负荷降低时，压缩机(1)自动卸载，以匹配冷端蒸发器的冷量输出调节。
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- 2016-06-13 CN CN201610414353.5A patent/CN107356007B/zh active Active
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