CN107906786A - 基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统 - Google Patents
基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统。包括双级热泵系统、复叠循环系统，双级热泵系统的蒸发器与复叠循环系统的冷凝器集成于一台冷凝蒸发器，冷凝蒸发器分别通过双级循环制冷剂进、出口和复叠循环制冷剂进、出口连接在双级热泵系统和复叠循环系统中，在冷凝蒸发器中复叠循环制冷剂和双级循环制冷剂换热，使复叠循环获得较低的冷凝温度。本发明的优点在于利用双级热泵和复叠循环的耦合系统制取医学上所需的低温环境，系统操作简单，负荷变化易于调节，与普通途经制取低温相比，耦合系统性能提高约20%。另外，采用膨胀机代替节流阀回收膨胀功，又可以使耦合系统的性能提高约10%。
Description
技术领域
本发明涉及热泵制取低温环境的耦合技术，具体是一种基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统。
背景技术
目前，需求低温环境的领域日益增多，相应的获取低温的方式也各不相同。制冷温度范围一般划分为：制冷（普冷）≥-153℃；低温（深冷）≥-153℃～-273℃；极低温≤-273℃。制冷温度的获得可采用单级压缩和双级压缩，深冷温度可采用复叠循环制取，极低温度仅能靠超导等方式获得。
低温保存是最常见的长期保存方法。医学上细胞在低温下可以长期保存的机制在于低温下细胞的新陈代谢急速减慢。保存温度越低，新陈代谢越慢，保存时间也就越长。比如，各个血液中心的血液常常在-5℃下保存，保存时间一般为1个月；如果在-196℃下保存，应该能保存几个世纪。由于低温冰箱制取低温极限一般为-86℃，而常压下液氮的沸点为-196℃，所以这两个温度是经常采用的保存温度。低温冰箱通常采用双级压缩或复叠循环，但冰箱耗电很高。工业上液态氮是由空气加压和冷却后，借由空气中各组分之沸点不同加以分离，液态氮的制备也属于高耗能。另外，温度范围-120℃～-150℃的低温环境在医学上也日益广泛应用，传统的双级压缩、复叠循环以及液氮制冷都有一定的局限性。
鉴于上述分析，传统制取低温通常采用双级压缩或复叠循环，更低温度一般靠液氮提供。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统，不仅实现了医学上所需的低温环境的制取，同时也较大程度提高了制冷系统的效率，为寻求高效制取低温环境的方案提供依据。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统，包括双级热泵系统、复叠循环系统，其特征在于：双级热泵系统的蒸发器与复叠循环系统的冷凝器集成于一台冷凝蒸发器，冷凝蒸发器分别通过双级循环制冷剂进、出口和复叠循环制冷剂进、出口连接在双级热泵系统和复叠循环系统中，在冷凝蒸发器中复叠循环制冷剂和双级循环制冷剂换热，使复叠循环获得较低的冷凝温度。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其优点在于：
耦合系统操作简单，负荷变化易于调节，与普通途经制取低温相比，耦合系统性能可提高约20%。
进一步的，本发明优选方案是：
双级热泵系统和复叠循环系统分别设置双级循环膨胀机和复叠循环膨胀机，双级循环膨胀机一端连接双级循环冷凝器，另一端连接冷凝蒸发器；复叠循环膨胀机一端连接冷凝蒸发器，另一端依次通过中间冷却器、复叠循环节流阀连接至复叠循环蒸发器。
复叠循环系统包括复叠循环压缩机、复叠循环油分离器、冷凝蒸发器、复叠循环膨胀机、中间冷却器、复叠循环节流阀、冷冻室、复叠循环蒸发器、复叠循环气液分离器，复叠循环压缩机经复叠循环油分离器连接冷凝蒸发器；冷凝蒸发器的制冷剂出口分成两支路，一支路经复叠循环膨胀机连接中间冷却器，并依次经复叠循环节流阀、复叠循环蒸发器、复叠循环气液分离器连接至复叠循环压缩机，另一支路连接至中间冷却器，并经另一个复叠循环气液分离器连接至复叠循环压缩机；复叠循环蒸发器连接冷冻室。
双级热泵系统包括双级循环低压级压缩机、双级循环中间冷凝器、双级循环高压级压缩机、双级循环油分离器、双级循环冷凝器、双级循环膨胀机、冷凝蒸发器、双级循环气液分离器，双级循环低压级压缩机的一端与双级循环中间冷凝器一端连接，双级循环中间冷凝器的另一端连接双级循环高压级压缩机，双级循环高压级压缩机经双级循环油分离器连接双级循环冷凝器，双级循环冷凝器连接双级循环膨胀机，双级循环膨胀机连接冷凝蒸发器，冷凝蒸发器经双级循环气液分离器连接至双级循环低压级压缩机的另一端。
上述优选方案中，采用膨胀机代替节流阀回收膨胀功，又可以使耦合系统的性能提高约10%。
附图说明
图 1 是本发明实施例的系统结构示意图；
图 2双级热泵和复叠循环耦合系统T-s图；
图中：复叠循环压缩机1；复叠循环油分离器2；冷凝蒸发器3；复叠循环膨胀机4；中间冷却器5；复叠循环节流阀6；冷冻室7；复叠循环蒸发器8；复叠循环气液分离器9；双级循环低压级压缩机10；双级循环中间冷凝器11；双级循环高压级压缩机12；双级循环油分离器13；双级循环冷凝器14；双级循环膨胀机15；双级循环气液分离器16。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
参见图1，一种基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统，包括双级热泵系统和复叠循环系统两部分，具体的，由复叠循环压缩机1、复叠循环油分离器2、冷凝蒸发器3、复叠循环膨胀机4、中间冷却器5、复叠循环节流阀6、冷冻室7、复叠循环蒸发器8、复叠循环气液分离器9、双级循环低压级压缩机10、双级循环中间冷凝器11、双级循环高压级压缩机12、双级循环油分离器13、双级循环冷凝器14、双级循环膨胀机15、双级循环气液分离器16、双级循环制冷剂和复叠循环制冷剂构成。
复叠循环系统由复叠循环压缩机1、复叠循环油分离器2、冷凝蒸发器3、复叠循环膨胀机4、中间冷却器5、复叠循环节流阀6、冷冻室7、复叠循环蒸发器8、复叠循环气液分离器9构成，复叠循环压缩机1经复叠循环油分离器2连接冷凝蒸发器3；冷凝蒸发器3的制冷剂出口分成两支路，一支路经复叠循环膨胀机4连接中间冷却器5，并依次经复叠循环节流阀6、复叠循环蒸发器8、复叠循环气液分离器9连接至复叠循环压缩机1，另一支路连接至中间冷却器5，并经另一个复叠循环气液分离器9连接至复叠循环压缩机10；复叠循环蒸发器8连接冷冻室7。
双级热泵系统由双级循环低压级压缩机10、双级循环中间冷凝器11、双级循环高压级压缩机12、双级循环油分离器13、双级循环冷凝器14、双级循环膨胀机15、冷凝蒸发器3、双级循环气液分离器16构成，双级循环低压级压缩机10的一端与双级循环中间冷凝器11一端连接，双级循环中间冷凝器11的另一端连接双级循环高压级压缩机12，双级循环高压级压缩机12经双级循环油分离器13连接双级循环冷凝器14，双级循环冷凝器14连接双级循环膨胀机15，双级循环膨胀机15连接冷凝蒸发器3，冷凝蒸发器3经双级循环气液分离器16连接至双级循环低压级压缩机10的另一端。
本发明的工作过程简述如下：
双级循环制冷剂在双级循环低压级压缩机10中压缩，进入双级循环中间冷凝器11放热，再经双级循环高压级压缩机12压缩后进入双级循环油分离器13，在双级循环冷凝器14放热后进入双级循环膨胀机15膨胀做功，然后经冷凝蒸发器3吸收热量，最后回到双级循环低压级压缩机10，从而完成整个双级循环。
复叠循环制冷剂在复叠循环压缩机1中压缩，经复叠循环油分离器2进入冷凝蒸发器3，在冷凝蒸发器3中复叠循环制冷剂和双级循环制冷剂换热，从而使复叠循环获得较低的冷凝温度。冷凝蒸发器3既是双级热泵的蒸发器，同时也是复叠循环的冷凝器，这也是该耦合循环制取低温的关键。从冷凝蒸发器3中流出的复叠循环制冷剂分成两部分，一部分经复叠循环膨胀机4膨胀做功后进入中间冷却器5，并与来自冷凝蒸发器3中流出的另一部分制冷剂进行换热。中间冷却器5中气态制冷剂经复叠循环气液分离器9进入复叠循环压缩机1；中间冷却器5中另一部分制冷剂经复叠循环节流阀6进入复叠循环蒸发器8定压吸热，最后低压饱和气态制冷剂经复叠循环气液分离器9和另一部分来自中间冷却器5的制冷剂混合，然后进入复叠循环压缩机1完成整个循环。
在该耦合循环中，冷冻室7的低温是通过与复叠循环蒸发器8进行换热获得的，也就是冷冻室7的热量不断地被复叠循环蒸发器8中制冷剂带走。该耦合系统采用膨胀机代替节流阀回收膨胀功，进而提高了耦合系统的性能。该耦合系统操作简单、负荷变化易于调节，系统性能又能较大程度提高。
参见图2，图2中，P为压力，T为温度。该耦合系统不仅采用膨胀机代替节流阀回收膨胀功，进而使耦合系统的性能提高约10%。同时，该耦合系统实现了双级压缩和复叠循环的完美结合，系统操作简单，负荷变化易于调节，与普通途经制取低温相比，耦合系统性能可提高约20%。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统，包括双级热泵系统、复叠循环系统，其特征在于：双级热泵系统的蒸发器与复叠循环系统的冷凝器集成于一台冷凝蒸发器（3），冷凝蒸发器（3）分别通过双级循环制冷剂进、出口和复叠循环制冷剂进、出口连接在双级热泵系统和复叠循环系统中，在冷凝蒸发器（3）中复叠循环制冷剂和双级循环制冷剂换热，使复叠循环获得较低的冷凝温度。
2.根据权利要求1所述的基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统，其特征在于：双级热泵系统和复叠循环系统分别设置双级循环膨胀机（15）和复叠循环膨胀机（4），双级循环膨胀机（15）一端连接双级循环冷凝器（14），另一端连接冷凝蒸发器（3）；复叠循环膨胀机（4）一端连接冷凝蒸发器（3），另一端依次通过中间冷却器（5）、复叠循环节流阀（6）连接至复叠循环蒸发器（8）。
3.根据权利要求1或2所述的基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统，其特征在于：复叠循环系统包括复叠循环压缩机（1）、复叠循环油分离器（2）、冷凝蒸发器（3）、复叠循环膨胀机（4）、中间冷却器（5）、复叠循环节流阀（6）、冷冻室（7）、复叠循环蒸发器（8）、复叠循环气液分离器（9），复叠循环压缩机（1）经复叠循环油分离器（2）连接冷凝蒸发器（3）；冷凝蒸发器（3）的制冷剂出口分成两支路，一支路经复叠循环膨胀机（4）连接中间冷却器（5），并依次经复叠循环节流阀（6）、复叠循环蒸发器（8）、复叠循环气液分离器（9）连接至复叠循环压缩机（1），另一支路连接至中间冷却器（5），并经另一个复叠循环气液分离器（9）连接至复叠循环压缩机（1）；复叠循环蒸发器（8）连接冷冻室（7）。
4.根据权利要求1或2所述的基于双级热泵和复叠循环制取医学上低温环境的耦合系统，其特征在于：双级热泵系统包括双级循环低压级压缩机（10）、双级循环中间冷凝器（11）、双级循环高压级压缩机（12）、双级循环油分离器（13）、双级循环冷凝器（14）、双级循环膨胀机（15）、冷凝蒸发器（3）、双级循环气液分离器（16，双级循环低压级压缩机（10）的一端与双级循环中间冷凝器（11）一端连接，双级循环中间冷凝器（11）的另一端连接双级循环高压级压缩机（12），双级循环高压级压缩机（12）经双级循环油分离器（13）连接双级循环冷凝器（14），双级循环冷凝器（14）连接双级循环膨胀机（15），双级循环膨胀机（15）连接冷凝蒸发器（3），冷凝蒸发器（3）经双级循环气液分离器（16）连接至双级循环低压级压缩机（10）的另一端。
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