CN1084628A

CN1084628A - 实现劳伦兹循环的制冷系统

Info

Publication number: CN1084628A
Application number: CN 93117555
Authority: CN
Inventors: 冷晓壮
Original assignee: BEIJING HOUSEHOLD ELECTRIC APPLIANCE INST MINISTRY OF LIGHT INDUSTRY
Current assignee: BEIJING HOUSEHOLD ELECTRIC APPLIANCE INST MINISTRY OF LIGHT INDUSTRY
Priority date: 1993-09-18
Filing date: 1993-09-18
Publication date: 1994-03-30

Abstract

一种双蒸发器电冰箱的制冷系统，该制冷系统模拟劳伦兹循环，其特征是在低温蒸发器与高温蒸发器之间设置低温换热器，使穿过该换热器的连接管与毛细管之间进行间接热交换，系统所用工质为非共沸混合工质。本制冷系统可有效地减少换热温差，提高能量的使用效率。

Description

本发明涉及一种实现劳伦兹循环的制冷系统，更具体的说，是一种实现劳伦兹循环的双蒸发器冰箱制冷系统。

目前家用电冰箱普遍采用蒸汽压缩制冷方式，制冷的基本原理采用逆卡诺循环，采用外界作功的方式从低温热源（冰箱内储藏的物品）吸热（即制冷），向高温热源（环境）放热。其理论循环的过程如图1所示，即它由两个等温过程和两个绝热过程构成。

在家用电冰箱中的制冷系统主要由四大基本工作部件构成，即压缩机、冷凝器、节流装置（毛细管）、蒸发器。许多家用电冰箱采用双蒸发器结构，换热器采用自然对流蒸发器和冷凝器。图3给出了典型的双蒸发器电冰箱制冷回路。这种制冷系统的两个蒸发器工作在不同的换热温度下。它采用纯工质或共沸混合物作制冷剂，高温蒸发器的换热温差较大，产生较大的不可逆失。另外，由于现有的这种冰箱制冷系统采用的制冷剂为CFC-12纯工质或共沸点混合物R502（用于较低温度），所以对大气臭氧层有严重的破坏作用。

因此，本发明的目的是提供一种采用对大气臭氧层破坏性很小的非共沸点混合物作制冷剂的、可以减少换热温差、提高能量的使用效率的冰箱制冷系统。

本发明的制冷系统由压缩机、冷凝器、毛细管、低温换热器、高温换热器、低温蒸发器和高温蒸发器组成。压缩机出口通过管路与冷凝器的入口相接，冷凝器出口管路上接有毛细管，毛细管的另一端与低温蒸发器的入口相接，低温蒸发器出口通过管路与高温蒸发器相接;低温蒸发器与高温蒸发器之间的连接管路穿过低温换热器，高温蒸发器的出口通过管路与压缩机入口相接，高温蒸发器与压缩机之间的该管路穿过高温换热器。毛细管先穿过高温换热器，与高温蒸发器与压缩机之间的管路穿过高温换热器的部分之间进行间接热交换。然后毛细管从高温换热器出来又经过低温换热器，与低温蒸发器和高温蒸发器之间的管路经过低温换热器的部分之间进行间接热交换。该系统采用的制冷剂为非共沸点混合物制冷剂。

现在参照附图对本发明的实施例进行详细描述，其中：

图1为逆卡诺循环温熵图;

图2为劳伦兹循环的温熵图;

图3为现有技术的双蒸发器冰箱制冷系统的方框图;

图4为本发明的冰箱制冷系统的方框图;

图5为图3的现有技术冰箱制冷系统与图4的本发明冰箱制冷系统的实际温熵比较图。其中细实线为图3系统的过程曲线，粗实线为图4的系统（即本发明的系统）的过程曲线。

请参见图1，图1表示纯工质在恒温热源T和冷源T₀之间进行逆卡诺循环的温熵图。1-2是可逆绝热压缩过程，在过程中工质温度由T。升高到T;2-3是可逆等温压缩过程，工质在T温度下向同温度的热源放出热量;3-4是可逆绝热膨胀过程，在膨胀中工质温度由T降到T_O;4-1是可逆等温膨胀过程，工质在T_O温度下向同温度的冷源吸入热量，最后回复到原来的状态。

图2表示劳伦兹循环的温熵图。实际制冷循环中，被冷却物体（冷源）的温度常常是变化的，环境介质（热源）吸热时的温度也不是恒定值。当冷源和热源温度是变数的条件下，工质实现卡诺循环所消耗的功并非最小。高温热源之间的可逆循环;可依据冷源和热源的性质而以不同的方式来实现。只要满足工质与变温冷源、热源之间热交换时的温差各处均为无限小以及工质与对其作用的物体之间保持机械平衡条件，则工质进行的循环即是耗功最小的可逆循环。本发明的制冷系统就是在劳伦兹循环原理（即由两个变温过程和两个绝热过程组成的制冷循环）的基础上提出来的。温熵图上的理论过程如图2所示。1-2为绝热压缩过程，2-3为冷凝过程，3-4为等熵节流，4-1为蒸发过程。与卡诺循环的主要区别在于冷凝过程2-3、蒸发过程4-1均为变温过程。利用这一循环原理，通过对制冷系统的特殊设计及采用非共沸点混合物制冷剂可以有效地减少换热温差，提高能量的使用效率。

图3为典型的现有技术的双蒸发器电冰箱制冷回路，其工作过程如下：气态制冷剂首先被压缩机2吸入气缸，压缩机2通过作功对其进行绝热压缩，到一定压力时排出高温高压的过热气体，制冷剂在压力的推动下进入冷凝器3进行散热，制冷剂压力保持不变，温度从制冷剂的过热状态冷却到饱和气态，从饱和气态等温变化到饱和液态，然后过冷，在冷凝器3中完成冷凝散热过程;制冷剂过冷液进入毛细管4进行节流，节流完成后制冷剂压力下降至设计压力进入低温蒸发器5a;在低温蒸发器5a中保持压力不变，等温蒸发吸收热量（即在低温室产生冷量），然后进入高温蒸发器5b，在同样压力下及温度下进一步蒸发吸收热量（即在冷藏室产生冷量）完成蒸发过程，利用制冷剂的回气与毛细管4进行回热换热，改善毛细管4工作状态，同时回气过热，最后回到压缩机2完成一个制冷循环。其共同的特点是两个蒸发器工作在不同的换热温度下。在采用纯工质或共沸点混合物的条件下，高温蒸发器5b的换热温差较大，产生较大的不可逆损失。

图4表示本发明的新的制冷系统，在该制冷系统中，冷冻室蒸发器面积不作改变，通过调整冷藏室蒸发器的面积和两级内部热交换器，来模拟劳伦兹循环系统。图4的系统主要由压缩机2、冷凝器3、毛细管4、低温换热器7、高温换热器6、低温蒸发器5a和高温蒸发器5b构成。压缩机2的出口通过管路与冷凝器3的入口相连，冷凝器3出口管路上接有毛细管4，毛细管4与低温蒸发器5a的入口相接，低温蒸发器5a的出口通过管路8与高温蒸发器5b相接，低温蒸发器5a与高温蒸发器5b之间的连接管路8穿过低温换热器7，高温蒸发器5b的出口通过管路9与压缩机2入口相接，高温蒸发器5b与压缩机2之间的管路9穿过高温换热器6。毛细管4先穿过高温换热器6，与高温蒸发器5a与压缩机2之间的管路9穿过高温换热器6的部分之间进行间接热交换。然后毛细管4从高温换热器出来又经过低温换热器7，与低温蒸发器5a与高温蒸发器5b之间的管路8经过低温换热器7的部分之间进行间接热交换。比较图3和图5我们可以看出，电冰箱系统变化是非常小的，而且比较容易实现。毛细管被使用在两级热交换器内，对双蒸发器冰箱而言，在材料及生产设备上几乎没有增加附加成本。

图5为图3的现有技术冰箱制冷系统与本发明的冰箱制冷系统的温熵比较图。其中细实线为现有制冷系统的纯工质的过程曲线。图中1点为压缩机排出口（冷凝器进口），1到2点为过热蒸汽冷却过程，从2点开始到3点为饱蒸汽冷凝过程，纯工质在该过程中保持等温等压;从3点开始在冷凝器中过冷，到4点结束，进入毛细管节流，4点到5点与10点到11点在换热器中换热，到7点完成节流进入低温蒸发器开始蒸发，7点到8点为低温蒸发器;8点到10点为高温蒸发器;11点进入压缩机吸气管进口;12到13为压缩过程。

图5中的粗实线为本发明制冷系统工质的过程曲线。图中1点为压缩机排气口（冷凝器进口），1到2点为过热蒸汽冷却过程，从2点开始到3点为饱和蒸汽冷凝过程，非共沸混合物为等压变温过程;从3点开始在冷凝器中过冷;到4点结束，进入毛细管节流;4点到5点与10点到11点为高温换热器换热，5点到6点与8点到9点为低温换热器换热，到7点完成节流进入低温蒸发器开始蒸发，7点到8点为低温蒸发器;9点到10点为高温蒸发器;11点进入压缩机吸气管进口;12到13点为压缩过程。

图中上面的水平虚线表示环境温度，下面的二条倾斜虚线表示两个冷源的温度，从图5的温熵比较图中可以看出，本发明系统工质的换热温差要明显小于现有技术系统的换热温差，从而减小了不可逆损失。

本发明系统所使用的非共沸制冷剂可以以下列制冷剂混合物中选取：

混合物	质量百分组成	ODP	化学分子式
				L301	RC270/HCFC-123FC270 50%-95%HCFC-123 5%-50%	＜0.0100.02	C₃H₆CHCl₂CF₃
L302	RC270/HFC-134A/HCFC123RC270 10%-60%HFC-134A 20%-80%HCFC-123 5%-40%	＜0.01000.02	C₃H₆CH₂FCF₃CHCl₂CF₃
				L303	HFC-143A/HFC-134a/HCFC-123HFC-143A 10%-35%HFC-134a 30%-70%HCFC-123 10%-35%	＜0.01000.02	CH₂CF₃CH₂FCF₃CHCl₂CF₃
L304	HCFC-22/HFC-152A/HCFC-123HCFC-22 10%-40%HFC-152A 30%-80%HCFC-123 10%-40%	＜0.030.0500.02	CHClF₂CH₃CHF₂CHCl₂CF₃
				L305	HFC-32/HFC-134AHFC-32 10%-40%HFC-134A 60%-90%	000	CH₂F₂CH₂FCF₃

上述混合工质都具有较低的能耗。特别地，混合物的ODP均低于0.03，这意味着我们能用具有非常低的ODP及较高能效比的制冷剂来替代CFC-12，并且采用混合物时压缩比接近CFC-12。

试验结果表明HCFC22/HFC152a/HCFC123的混合物具有非常优秀的节能效果，比基础试验节能20%。同时该混合物的组分单体易于得到，因此不失为一非常有希望的过渡替代物。

试验表明非共沸混合物需要较大的高温蒸发器，其低温中间热交换器对能耗有较大影响。

试验采用的混合物制冷剂在实际的冰箱系统中的压比在11左右，与采用CFC-12时相当。对家用双门电冰箱而言，所需的改动是很小的，仅将毛细管与蒸发管组成低温换热器，这一改动不涉及原材料成本的增加和生产工艺改造。该技术同样适用于多门电冰箱及风冷电冰箱。

上面对本发明的实施例作了描述，本领域的专业技术人员可以理解，这些描述不是限制性的，在不脱离本发明的保护范围之内，可以对本发明作各种改进。

Claims

1、一种双蒸发器冰箱制冷系统，包括压缩机、冷凝器、毛细管、高温蒸发器、低温蒸发器及高温换热器组成，压缩机出口通过管路与冷凝器的入口相接，冷凝器出口管路上接有毛细管，毛细管的另一端与低温蒸发器的入口相接，低温蒸发器的出口通过管路与高温蒸发器相接，在压缩机与高温蒸发器之间设有高温换热器，压缩机进口与高温蒸发器相连的管路穿过该高温换热器，毛细管从冷凝器的出口延伸并穿过高温换热器，在高温换热器中这两管进行间接热交换，其特征是在低温蒸发器与高温蒸发器之间设置低温换热器，低温蒸发器与高温蒸发器之间的连接管穿过该低温换热器，从高温换热器延伸出的毛细管穿过该低温换热器并在低温换热器之内与穿过的连接管进行间接热交换，系统所用工质为非共沸混合工质。