CN107477898A - 一种多级串联式大型低温制冷系统 - Google Patents

一种多级串联式大型低温制冷系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多级串联式大型低温制冷系统，属大型低温制冷领域。该系统主要由压缩单元、串联式制冷单元、低温换热器、膨胀机、节流阀和储液罐等组成。该系统中制冷剂在压缩单元中压缩至所需状态，然后进入第一级制冷单元的换热器换热，然后经膨胀机进一步降温；如此依次进入各级制冷单元，最后经低温换热器和节流阀，进入储液罐。而储液罐中未被液化的气体会被引出，进入低温换热器，随后依次进入第N级、N‑1级…和第一级制冷单元中的换热器与高压制冷剂换热，最后返回到压缩单元入口，完成一个循环。本发明采用换热器和膨胀机串联的结构，降低高低压流体换热温差，提高能量利用率的同时，便于灵活调节系统制冷量和工作特性参数。

Description

一种多级串联式大型低温制冷系统
技术领域
本发明是一种多级串联式大型低温制冷系统。主要由多级压缩单元、N(N＝1，2，3…)级串联式制冷单元、低温换热器、膨胀机、节流阀和储液罐等串联而成；所述串联式制冷单元由一个换热器和一个膨胀机串联而成。本发明采用换热器和膨胀机串联的结构，降低高低压流体换热温差，提高系统循环效率的同时，便于灵活调节系统制冷量和工作特性参数。属低温制冷和低温气体液化领域。
背景技术
21世纪低温制冷技术飞速发展，成为自然科学中的重要分支，渗透到科学技术的各个领域，如能源交通、航空和航天、现代工业、科学研究和生物医疗等部门。这对低温制冷系统的设计也提出了更高的要求。低温制冷系统的设计是否合理也直接影响着系统的工作效率和投资成本。
目前来说，大型低温制冷系统主要利用换热器和膨胀机来实现降温。传统的低温制冷循环，为达到储液罐进出口的要求温度，制冷单元由两个换热器和一个膨胀机组成，且膨胀机和其中一个换热器并联。制冷剂经过第一个换热器后分流，分别进入膨胀机和换热器，降温后进入膨胀机的制冷剂与低压回流制冷剂汇合，返回压缩机；进入换热器的制冷剂则进入下一级制冷单元。此类系统为降低两股制冷剂汇合时的损和漏热，必须尽量实现温度匹配，导致膨胀机和换热器之间的工作压力、温度和流量的耦合难度加大，且引起的不匹配性会产生较大的熵产和损，系统不同负荷下的运行调试也十分困难。
本发明基于夹点分析技术，首先对低压回流制冷剂进行优化，去除传统的合流步骤，使其能够等流量等压换热，即T-H图中的冷流组合曲线为一条直线，斜率为k＝1/mcp；而高压制冷剂由于整体温度高于低压侧回流制冷剂，所以等压比热容cp较大，斜率k较小，使得高、低压两侧制冷剂的温差在热交换的过程中逐渐加大，不利于能量的有效利用。因此，根据夹点分析技术，将换热过程分为多个制冷单元，每个制冷单元中换热器与膨胀机串联。这样高压制冷剂可以通过膨胀机降压降温，使其与低压侧回流制冷剂的温差重新回到夹点温差。制冷单元级数越多，热组合曲线与冷组合曲线越接近于平行，能量的有效利用率越高。所以本发明不仅了实现了不同品质能量的有效利用，提高了系统的工作效率。而且系统结构简化，便于灵活调节系统制冷量和工作特性参数。同时解决了并联系统的膨胀机和换热器之间的流量耦合的难题。在T-S图中，同样可以看出，低压侧回流制冷剂在换热器中等压升温，然后在压缩机中等温压缩成高压制冷剂，之后开始降温。降温过程被分为多级，每级都包含等压降温和等熵降温，使得高压制冷剂的降温曲线和低压侧回流制冷剂的升温曲线越来越接近。这样不仅减小了储液罐两侧的压差，也极大的提高了膨胀机的做功效率。
发明内容
一种多级串联式大型低温制冷系统，系统中制冷剂在压缩单元中压缩至所需状态，然后进入第一级串联式制冷单元的换热器中与低压回流制冷剂进行换热，温度降低，然后经膨胀机进一步降温降压，减小高低压流体之间的换热温差；再依次进入各级串联式制冷单元，最后经低温换热器进一步降温后，通过节流阀的节流作用全部或部分液化，最后进入储液罐。而储液罐中未被液化的气体会被引出，进入最后一级低温换热器与高压制冷剂进行换热，随后依次进入第N级、N-1级…和第一级串联式制冷单元中的换热器与高压制冷剂换热，最后返回到压缩机入口，完成一个循环。本发明采用换热器和膨胀机串联的结构，降低高低压流体换热温差，提高系统循环效率的同时，便于灵活调节系统制冷量和工作特性参数。
为实现上述目的，一种多级串联式大型低温制冷系统主要包含以下结构：储液罐(1)、换热器(2)、压缩机(3)、膨胀机(4)、节流阀(5)等。
各部分连接关系如下：压缩单元(3)的出口与第一级串联式制冷单元的换热器(2)高温侧的入口相连，每级换热器(2)高温侧的出口与该级膨胀机(4)的入口相连，膨胀机(4)的出口与下一级串联式制冷单元的换热器(2)高温侧的入口相连，第N级串联式制冷单元的膨胀机(4)出口与低温换热器(2) 高温侧入口相连，低温换热器(2)高温侧的出口与节流阀(5)相连，节流阀(5)的另一侧与储液罐(1) 的入口相连，储液罐(1)的出口与低温换热器(2)低温侧的入口相连，低温换热器(2)低温侧的出口与第N级串联式制冷单元的换热器(2)低温侧入口相连，如此依次连接N-1级…和第一级串联式制冷单元中的换热器(2)，第一级换热器(2)低温侧的出口与压缩机(3)的入口相连。
本系统的优点在于：①解决了并联系统的膨胀机和换热器之间流量等参数耦合难的问题。②结构简单，便于运行调试。③降低高低压流体换热温差，实现了不同品质能量的梯级利用，提高了大型低温制冷系统的工作效率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为低温换热器与节流阀相连的五级串联式大型低温制冷系统结构示意图。
图2为低温换热器与节流阀相连的三级串联式大型低温制冷系统结构示意图。
图3为本发明的多级串联式制冷单元与并联式制冷单元相联的结构示意图。
图4为本发明的多级串联式制冷单元与分流式多级并联制冷单元相联的结构示意图。
图5为本发明与带中压湿膨胀机的制冷单元相联的结构示意图。
图6为本发明多级串联式大型低温制冷系统的T-H图。
图7为本发明多级串联式大型低温制冷系统的T-S图。
图中：1—储液罐；2—换热器；3—压缩单元；4—膨胀机；5—节流阀；6—冷组合曲线；7—热组合曲线。
具体实施方式
下面结合附图所举实施例，对本发明进行详细描述。以下仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例一
图1为一种低温换热器与节流阀相连的五级串联式大型低温制冷系统结构示意图。由图可以看出，系统中制冷剂在压缩单元(3)中压缩至所需状态，然后进入第一级串联式制冷单元的换热器(2)中与低压回流制冷剂进行换热，温度降低，之后经膨胀机(4)降温降压，减小高低压流体之间的换热温差；再依次进入各级串联式制冷单元，最后经低温换热器(2)进一步降温后，经节流阀(5)降温降压使制冷剂液化，最后进入储液罐(1)；而储液罐(1)中未被液化的气体会被引出，进入低温换热器(2)与高压制冷剂进行换热，随后依次进入第五级、四级…和第一级串联式制冷单元中的换热器(2)与高压制冷剂换热，最后返回到压缩单元(3)，完成一个循环。
实施例二
图2为低温换热器与节流阀相连的三级串联式大型低温制冷系统结构示意图。由图可以看出，系统中制冷剂在压缩单元(3)中压缩至所需状态，然后进入第一级串联式制冷单元的换热器(2)中与低压回流制冷剂进行换热，温度降低，之后经膨胀机(4)降温降压，减小高低压流体之间的换热温差；再依次进入各级串联式制冷单元，最后经低温换热器(2)进一步降温后，经节流阀(5)降温降压使制冷剂液化，最后进入储液罐(1)；而储液罐(1)中未被液化的气体会被引出，进入低温换热器(2)与高压制冷剂进行换热，随后依次进入第三级、二级和第一级串联式制冷单元中的换热器(2)与高压制冷剂换热，最后返回到压缩单元(3)，完成一个循环。
实施例三
图3为本发明的多级串联式制冷单元与并联式制冷单元相联的结构示意图。由图可以看出制冷剂在压缩单元(3)中压缩至所需状态，然后进入换热器(2)与低压回流制冷剂进行换热，温度降低；之后制冷剂分流，一部分进入膨胀机(4)，降温降压后与第一级制冷单元低压出口处的回流制冷剂汇合；另一部分则进入下一个换热器(2)与该换热器(2)的低压回流制冷剂换热，温度降低，而后进入第一级串联式制冷单元的换热器(2)中与低压回流制冷剂进行换热，温度降低，之后经膨胀机(4)降温降压，减小高低压流体之间的换热温差；再依次进入各级串联式制冷单元，最后经低温换热器(2)进一步降温后，经节流阀(5)降温降压使制冷剂液化，最后进入储液罐(1)；而储液罐(1)中未被液化的气体会被引出，进入低温换热器(2)与高压制冷剂进行换热，随后依次进入第N级、N-1级…和第一级串联式制冷单元中的换热器(2)以及前两个换热器(2)与高压制冷剂换热，最后返回到压缩单元(3)，完成一个循环。
实施例四
图4为本发明的多级串联式制冷单元与分流式多级并联制冷单元相联的结构示意图。由图可以看出，该系统在原本串联式大型低温制冷系统的基础上串联了一级分流式并联制冷单元。系统中制冷剂经压缩单元(3)至所需状态后，经第一个换热器，温度降低；之后制冷剂分流，一部分依次流经膨胀机(4)、换热器(2)、膨胀机(4)降温降压后与第一级制冷单元流出的低压回流制冷剂汇合，另一部分则依次经过三个换热器(2)，降低温度，再依次进入各级串联式制冷单元，最后经低温换热器(2)进一步降温后，经节流阀(5)降温降压使制冷剂液化，最后进入储液罐(1)；而在储液罐(1)中未被液化的气体会被引出，进入低温换热器(2)与高压制冷剂进行换热，随后依次进入第N级、N-1级…和第一级串联式制冷单元中的换热器(2)与高压制冷剂换热，后依次流经四个换热器，最后返回到压缩单元(3)，完成一个循环。
实施例五
图5为本发明与带中压湿膨胀机的制冷单元相联的结构示意图。由图可以看出，系统中制冷剂在压缩单元(3)中压缩至所需状态，然后进入第一级串联式制冷单元的换热器中与低压回流制冷剂进行换热，温度降低，之后经膨胀机(4)降温降压，减小高低压制冷剂之间的换热温差；再依次进入各级串联式制冷单元，直至N级后，进入换热器(2)与低压回流制冷剂进行换热，温度降低；之后制冷剂分流，一部分则进入膨胀机(4)，温度进一步降低后与最靠近储液罐(1)的换热器(2)出口处的低压回流制冷剂汇合；另一部分则进入下一个换热器(2)与该换热器(2)的低压回流制冷剂换热，温度降低，而后进入最靠近储液罐(1)的换热器(2)，之后进入节流阀(5)进一步降温降压液化，最后进入储液罐(1)；而储液罐(1)中未被液化的气体会被引出，进入换热器(2)与高压制冷剂进行换热，然后与膨胀机(4)分流出的制冷剂合流，经过两个换热器(2)后，依次进入第N级、N-1级…和第一级串联式制冷单元中的换热器(2)与高压制冷剂换热，最后返回到压缩单元(3)，完成一个循环。
图6为本发明多级串联式大型低温制冷系统的T-H图。由图可以看出低压回流制冷剂的冷组合曲线(6) 为一条直线，斜率为k＝1/mcp；而高压制冷剂的热组合曲线(7)则分为多级，每级中先是斜率k小于冷流组合曲线(6)的一段直线，然后由于膨胀机的作用，制冷机的温度降低，与低压回流制冷剂的温差重新达到夹点温差。级数越多，热组合曲线(7)越接近与一条直线，与冷组合曲线(6)越接近于平行，能量的有效利用率越高。
图7为本发明多级串联式大型低温制冷系统的T-S图。由图可以看出，低压回流制冷剂在各级换热器 (2)中等压换热，然后在压缩单元中等温压缩至所需状态，之后开始降温。降温过程被分为多级，每级都包含换热器中的等压降温和膨胀机中的等熵降温，使得高压制冷剂的降温曲线和低压回流制冷剂的升温曲线越来越接近。储液罐两侧的压差减小，膨胀机做功效率高。N级后，在储液罐(1)中未被液化的气体会被引出，进入换热器(2)与高压制冷剂进行换热，开始等压升温过程。

Claims (6)

1.本发明提供一种多级串联式大型低温制冷系统,主要由压缩单元、N(N＝1，2，3…)级串联式制冷单元、低温换热器、膨胀机、节流阀和储液罐等串联而成；所述串联式制冷单元由一个换热器和一个膨胀机串联组成；系统中制冷剂在压缩单元中压缩至所需状态，然后进入第一级串联式制冷单元的换热器中与低压回流制冷剂进行换热，温度降低，之后经膨胀机进一步降温降压，减小高低压流体之间的换热温差；再依次进入各级串联式制冷单元，最后经低温换热器进一步降温后，通过节流阀的节流作用全部或部分液化，最后进入储液罐。而储液罐中未被液化的气体会被引出，进入最后一级低温换热器与高压制冷剂进行换热，随后依次进入第N级、N-1级…和第一级串联式制冷单元中的换热器与高压制冷剂换热，最后返回到压缩机入口，完成一个循环。本发明采用换热器和膨胀机串联的结构，降低高低压流体换热温差，提高系统循环效率的同时，便于灵活调节系统制冷量和工作特性参数；各部分连接关系如下：压缩单元的出口与第一级串联式制冷单元的换热器高温侧的入口相连，每级换热器高温侧的出口与该级膨胀机的入口相连，膨胀机的出口与下一级串联式制冷单元的换热器高温侧的入口相连，如此循环，直至第N级串联式制冷单元的膨胀机出口与低温换热器高温侧入口相连，低温换热器高温侧的出口与节流阀相连，节流阀的另一侧与储液罐的入口相连，储液罐的出口与低温换热器低温侧的入口相连，低温换热器低温侧的出口与第N级串联式制冷单元的换热器低温侧入口相连，如此依次连接N-1级…和第一级串联式制冷单元中的换热器，第一级换热器低温侧的出口与压缩机的入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种多级串联式大型低温制冷系统，其特征在于：换热器的高温侧和膨胀机依次串联，使制冷剂高温侧温度梯级降低，使热组合曲线和冷组合曲线趋于平行，保证不同品质能量的有效利用。
3.根据权利要求1所述的一种多级串联式大型低温制冷系统，其特征在于：低温换热器与储液罐之间可连接节流阀，也可连接湿膨胀机。
4.根据权利要求1所述的一种多级串联式大型低温制冷系统，其特征在于：系统中的制冷剂可以为氦、氖、氢、氮、甲烷和天然气等。
5.根据权利要求1所述的一种多级串联式大型低温制冷系统，其特征在于：压缩单元为多级压缩中间冷却系统。
6.根据权利要求1所述的一种多级串联式大型低温制冷系统，其特征在于：所述串联式制冷单元还可以进一步与并联式制冷单元进行连接。
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