CN109269146A - 一种使用努森泵的真空制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用努森泵的真空制冷系统，包括：努森泵装置，其包括至少一组努森泵组；第一真空阀，努森泵装置的每组努森泵组的主进口与第一真空阀的出口连接；第二真空阀，努森泵装置的每组努森泵组的主出口与排气口连接，该第二真空阀的进口与所述排气口连接；冷凝器，其内腔出口分别与第一真空阀的进口和第二真空阀的出口连接；真空容器，其气相出口通过真空管与冷凝器的内腔入口连接；以及冷冻水换热器，其低温通道的进出口均与真空容器连接。本发明真空制冷系统可以直接与工业生产过程相结合，以充分利用工业上产生的余(废)热，环保节能，结构简单，运行可靠。

Description

一种使用努森泵的真空制冷系统

技术领域

本发明涉及真空制冷技术领域，特别涉及一种使用努森泵的真空制冷系统。

背景技术

随着社会、经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，能源与环境问题日益凸显。我国已是世界最大的能源消费国和CO₂排放国，其中工业能耗能源所占比例最大，而且工业生产过程往往伴随大量余(废)热排放，其中至少有一半未得到合理利用，造成能源浪费和环境污染；如能合理利用这些余(废)热资源，可有效提高能源利用率，为我国节能减排目标的实现提供有力支撑。

工业生产环节有很多地方需要冷量，如一些工艺流程或设备的降温冷却、以及适宜生产环境的营造等。目前主要采用两类方案解决冷量需求问题。一是使用能效较高的蒸气压缩式制冷系统；二是利用工业余(废)热驱动的制冷系统(如吸收式、吸附式、喷射式制冷等)。这两类方案均各自存在一些问题。蒸气压缩式制冷需消耗高品位的电能或机械能，且其广泛使用的HCFCs和HFCs类制冷剂因消耗臭氧层或产生温室效应等环境问题已处于淘汰进程之中。吸收式、吸附式制冷通常以氨—水或水—溴化锂溶液为工质对，氨具有毒性且易燃易爆，若泄漏会造成环境污染和引发安全事故；溴化锂也有一定毒性且具腐蚀性，也会污染环境，如操作不当还容易结晶，影响制冷效果。吸附式制冷系统一般是间歇运行，若设计成连续运行则需增加吸附床，使系统结构和操作程序变得复杂。工业上应用的喷射式制冷其形式通常为蒸汽喷射真空制冷，不仅要消耗大量的蒸汽，噪声较大，且要设置专用装置抽吸系统中的不凝性气体并排至外界环境，导致系统构造较复杂。

可见，研发既能有效利用余(废)热驱动，又可避免现有蒸气压缩式、吸收式、吸附式及蒸汽喷射真空制冷缺点的新型制冷技术具有重要意义。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用努森泵的真空制冷系统，从而克服现有的制冷系统的结构复杂、制冷工质不环保以及需要消耗高品位能源的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种使用努森泵的真空制冷系统，包括：努森泵装置，其包括至少一组努森泵组，该努森泵装置的每组所述努森泵组的冷腔换热器的进口与冷却介质入口管连接，且该努森泵装置的每组所述努森泵组的冷腔换热器的出口与冷却介质出口管连接；该努森泵装置的每组所述努森泵组的热腔换热器的进口与载热介质入口管连接，且该努森泵装置的每组所述努森泵组的热腔换热器的出口与载热介质出口管连接；第一真空阀，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的主进口与该第一真空阀的出口连接；第二真空阀，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的主出口与排气口连接，该第二真空阀的进口与所述排气口连接；冷凝器，其内腔出口分别与所述第一真空阀的进口和所述第二真空阀的出口连接；该冷凝器的低温管道入口与所述冷却介质入口管连接，该冷凝器的低温管道出口与所述冷却介质出口管连接，且该冷凝器的低温管道出口设置有一冷却介质输送装置；真空容器，其气相出口通过真空管与所述冷凝器的内腔入口连接，该真空容器的第一冷冻水进口与所述冷凝器的冷凝水出口连接，且所述冷凝器的冷凝水出口设置有一循环水泵；以及冷冻水换热器，其低温通道的进口与所述真空容器的冷冻水出口连接，且该冷冻水换热器的低温通道的出口与所述真空容器的第二冷冻水进口连接。

优选地，上述技术方案中，还包括除污器，所述除污器的进口与所述排气口连接，且所述除污器的出口与所述第二真空阀的进口连接。

优选地，上述技术方案中，还包括三通阀，所述三通阀的第一进口与所述冷冻水换热器的低温通道的出口连接，所述三通阀的第二进口与补水管连接，且所述三通阀的出口与所述真空容器的第二冷冻水进口连接。

优选地，上述技术方案中，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的冷腔的底部设置有一凝结水出口，且每个所述凝结水出口均与所述冷凝器的冷凝水进口连接。

优选地，上述技术方案中，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的微通道组薄膜的两侧均设置有一金属保护网。

优选地，上述技术方案中，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的热腔换热器和冷腔换热器均为翅片管式换热器。

优选地，上述技术方案中，所述冷凝器的外表面和所述真空容器的外表面均设置有绝热层。

优选地，上述技术方案中，所述真空容器内的制冷工质为水。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明真空制冷系统的每组努森泵组的热腔换热器可利用工业余(废)热对热腔进行加热，冷腔换热器利用冷却介质对冷腔进行冷却，以使热腔和冷腔具有适宜的温差，确保热流逸效应发生的外部条件并产生较显著的热流逸效应，该真空制冷系统可以直接与工业生产过程相结合，以充分利用工业上产生的余(废)热，不需要消耗太多的高品位能源，环保节能，且该真空制冷系统的努森泵装置无运动部件，结构简单，运行可靠，系统的制冷量可以根据实际需要进行调整。

2.本发明的努森泵装置的每个微通道组薄膜的两侧均设置有一金属保护网，以增强微通道组薄膜的结构强度。

3.本发明的真空制冷系统中的制冷工质为水，对环境无危害。

附图说明

图1是根据本发明的使用努森泵的真空制冷系统的结构示意图。

图2是根据本发明的单个努森泵的结构示意图。

主要附图标记说明：

1.排气口，2-1.冷却介质入口管，2-2.冷腔换热器，2-3.冷却介质出口管，3-1.载热介质入口管，3-2.热腔换热器，3-3.载热介质出口管，4.努森泵组，4-1.冷腔，4-2.热腔，4-3.微通道组薄膜，4-4.连接通道组薄膜，4-5.金属保护网，4-6.凝结水出口，4-7.努森泵，5-1.第一真空阀，5-2.第二真空阀，6-1.循环水泵，6-2.冷却介质输送装置，7.冷凝器，7-1.内腔入口，7-2.内腔出口，7-3.低温管道入口，7-4.低温管道出口，8.除污器，9.真空管，10.真空容器，10-1.气相出口，10-2.第一冷冻水进口，10-3.第二冷冻水进口，11.冷冻水换热器，12.三通阀，13.补水管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1和图2显示了根据本发明优选实施方式的一种使用努森泵的真空制冷系统的结构示意图，该真空制冷系统包括努森泵装置、第一真空阀5-1、第二真空阀5-2、冷凝器7、真空容器10以及冷冻水换热器11。

参考图1和图2，努森泵装置包括至少一组努森泵组4，每组所述努森泵组4包括基体和至少一个努森泵4-7，基体上设置有一主进口和一主出口，每个所述努森泵4-7包括冷腔4-1、冷腔换热器2-2、热腔4-2、热腔换热器3-2以及微通道组薄膜4-3，冷腔4-1和热腔4-2通过微通道组薄膜4-3分隔，微通道组薄膜4-3由具有微米孔或纳米孔的多孔材料制作而成，且多孔材料的平均孔径不大于空气分子的平均自由程。其中，多孔材料为多孔气凝胶薄膜，多孔气凝胶薄膜的边缘通过密封圈密封设置在基体内。由于微通道组薄膜4-3的平均孔径不大于空气分子的平均自由程，当热腔4-2的温度高于冷腔4-1的温度以满足空气发生热流逸效应的条件时，进入到冷腔4-1内的空气的分子便通过微通道组薄膜4-3流入到热腔4-2中，并因空气分子在热腔4-2中聚集而压力升高，这就实现了空气从低压状态流向高压状态，即热腔4-2对冷腔4-1抽真空。当微通道组薄膜4-3所输送的空气中含有水蒸气时，只要满足空气发生热流逸效应的条件，水蒸气也一定满足该条件。当努森泵组4的努森泵4-7的数量为一个时，该努森泵4-7的冷腔4-1与基体的主进口连接，且该努森泵4-7的热腔4-2与基体的主出口连接；当努森泵4-7的数量为两个或两个以上时，所有的努森泵4-7以前一个努森泵4-7的热腔4-2与后一个努森泵4-7的冷腔4-1通过连接通道组薄膜4-4进行连接的方式依次串联起来，且第一个努森泵4-7的冷腔4-1与基体的主进口连接，最后一个努森泵4-7的热腔4-2与基体的主出口连接，当空气依序经过所有串联的努森泵4-7后，就能实现努森泵组4对冷凝器7抽真空，进而对真空容器10抽真空。其中，连接通道组薄膜4-4为一个连接冷腔4-1与热腔4-2多孔薄膜，以使前一级努森泵4-7的热腔4-2内的空气通过多孔薄膜流入下一级努森泵4-7的冷腔4-1内。因为努森泵组4中努森泵4-7串联的数量越多，努森泵组4的抽吸能力越强，真空容器10内能够达到的真空度就越高，所以努森泵装置的每组努森泵组4串联的努森泵4-7的数量应根据真空容器10所要求的压力来确定。同时，努森泵组4在排气口1和冷凝器7的内腔出口7-2之间并联数目越多，抽速越大，可以缩短努森泵装置的抽气时间。每个努森泵4-7的冷腔4-1内设置有一个冷腔换热器2-2，且每个努森泵4-7的热腔4-2内设置有一个热腔换热器3-2。设置热腔换热器3-2和冷腔换热器2-2是为了更有效地产生和维持热腔4-2与冷腔4-1的温差，确保产生较显著的热流逸效应。优选地，努森泵装置的每组努森泵组4的热腔换热器3-2和冷腔换热器2-2均为翅片管式换热器；由于微通道组薄膜4-3的厚度一般较小、材料一般较脆，所以需要在努森泵装置的每组所述努森泵组4的微通道组薄膜4-3的两侧均设置有一金属保护网4-5，即微通道组薄膜4-3采用两片金属保护网4-5夹持并固定在努森泵组4的基体上，以增强微通道组薄膜4-3的结构强度。

参考图1，努森泵装置的每组努森泵组4的冷腔换热器2-2的进口与冷却介质入口管2-1连接，且努森泵装置的每组努森泵组4的冷腔换热器2-2的出口与冷却介质出口管2-3连接；努森泵装置的每组努森泵组4的热腔换热器3-2的进口与载热介质入口管3-1连接，且努森泵装置的每组努森泵组4的热腔换热器3-2的出口与载热介质出口管3-3连接。当努森泵装置的努森泵组4的数量为两个或两个以上时，这些努森泵组4并联地与第一真空阀5-1连接，即努森泵装置的每组努森泵组4的主进口与第一真空阀5-1的出口连接。且这些努森泵组4并联地与排气口1连接，即努森泵装置的每组努森泵组4的主出口均与排气口1连接，且第二真空阀5-2的进口与排气口1连接。其中，努森泵装置内的努森泵组4的数量可以根据系统要求的制冷量来确定。冷凝器7的内腔出口7-2分别与第一真空阀5-1的进口和第二真空阀5-2的出口连接，冷凝器7的低温管道入口7-3与冷却介质入口管2-1连接，冷凝器7的低温管道出口7-4与冷却介质出口管2-3连接，且冷凝器7的低温管道出口7-4设置有一载冷介质输送装置6-2。真空容器10的气相出口10-1通过真空管9与冷凝器7的内腔入口7-1连接，真空容器10的第一冷冻水进口10-2与冷凝器7的冷凝水出口连接，且冷凝器7的冷凝水出口设置有一循环水泵6-1。冷冻水换热器11的低温通道的进口与真空容器10的冷冻水出口连接，冷冻水换热器11的低温通道的出口与真空容器10的第二冷冻水进口10-3连接。优选地，真空容器10内的制冷工质为水，且真空容器10内的水所占的体积不宜过大，用水作为制冷工质，对环境无危害。

该真空制冷系统的工作过程为：系统刚启动时，努森泵装置对冷凝器7抽真空，进而对真空容器10抽真空，即真空容器10内的空气通过真空管9流进冷凝器7中，与冷凝器7内的空气汇合后再通过努森泵装置输送至排气口1，通过排气口1将空气排放至外界环境中，以降低冷凝器7内的压力，从而降低真空容器10内的压力。随着努森泵装置不断抽气，使真空容器10内的压力不断降低，进而使其内的部分水在低压下闪发为水蒸气。随着真空容器10和冷凝器7内的空气不断排出，闪发的水蒸气逐渐增多，此时真空容器10的气相空间逐渐充满水蒸气，这些水蒸气和残存的部分空气均通过真空管9进入冷凝器7内，其中大部分水蒸气被冷凝为液态水，未被冷凝的水蒸气及不凝性空气则被努森泵装置抽走，如此真空容器10的真空度将达到指定的范围，该真空制冷系统进入稳定运行状态。因部分水的闪发过程吸收了容器内剩余部分水的热量，故剩余部分水被冷却为温度更低的冷冻水，真空容器10内的冷冻水通过冷冻水换热器11将冷量供给外界需要冷量的场所，与外界需要冷量的场所进行热交换后的冷冻水再流回真空容器10中进行闪发过程，如此循环。外部冷源的低温的冷却介质通过冷却介质入口管2-1流经冷凝器7内的低温管道，与来自真空容器10中的水蒸气和空气进行热交换，以降低水蒸气和空气的温度，从而使大部分水蒸气被冷凝成液态水并汇集于冷凝器7的底部，通过循环水泵6-1输送回真空容器10内循环使用，热交换后的冷却介质温度升高，通过冷却介质输送装置6-2输送至冷却介质出口管2-3中，流回外部冷源放热降温重新变成低温的冷却介质，再输送回冷凝器7中，如此循环，而在冷凝器7中未被冷凝的水蒸气及不凝性空气则被努森泵装置抽走。其中，第一真空阀5-1和第二真空阀5-2的作用相当于调节阀，两者共同作用可以调节真空容器10内的真空度，进而调节真空容器10内冷冻水的温度。当冷冻水出水温度要求较低温度时，真空容器10内所需的真空度较高，此时，打开第一真空阀5-1，同时关闭第二真空阀5-2，通过努森泵装置持续抽吸以使真空容器10内的压力不断降低，直至达到所要求的真空度，此时冷冻水可获得较低的温度，因为真空制冷系统的冷冻水循环流动会把热量带入真空容器10内，使真空容器10内的压力不断升高，并且真空制冷系统很难做到完全密封，可能存在一定的漏气，使真空容器10内的压力不断升高，因此需要调节第一真空阀5-1的开度，以维持真空容器10的压力恒定，从而使冷冻水维持某一恒定温度；当冷冻水出水温度要求较高温度时，真空容器10内所需的真空度较低，保持第一真空阀5-1处于打开状态，同时打开第二真空阀5-2，使外界空气通过第二真空阀5-2流进真空容器10中或流经第一真空阀5-1，然后同时调节第二真空阀5-2的开度和第一真空阀5-1的开度使真空容器10内压力逐渐上升，直至达到所要求的真空度，此时冷冻水可获得较高的温度，关闭第二真空阀5-2，通过调节第一真空阀5-1的开度，以维持真空容器10的压力恒定，从而使冷冻水维持该温度恒定。

继续参考图1，优选地，努森泵装置的每个冷腔4-1的底部设置有一凝结水出口4-6，且每个凝结水出口4-6均与冷凝器7的冷凝水进口连接。真空容器10中闪发的水蒸气与其内的空气一并进入冷凝器7中，大部分水蒸气被冷凝为液态水，通过第一循环水泵6-1输送回真空容器10内循环使用，而在冷凝器7中未被冷凝的水蒸气及不凝性空气被输送至努森泵装置的各组努森泵组4内，其中大部分水蒸气在努森泵组4的各级冷腔4-1内被冷凝为液态水，通过凝结水出口4-6流出后返回冷凝器7中循环使用，而空气和少部分仍未被冷凝的水蒸气通过排气口1排放至外界环境中。因为冷凝器7和真空容器10都处于低压低温状态，所以冷凝器7的外表面和真空容器10的外表面均设置有绝热层，提高冷凝器7和真空容器10的保温效果，更好地维持冷凝器7和真空容器10的低温状态。

继续参考图1，进一步优选地，该真空制冷系统还包括三通阀12，三通阀12可为电动三通阀，三通阀12的第一进口与冷冻水换热器11的低温通道的出口连接，三通阀12的第二进口与补水管13连接，且三通阀12的出口与真空容器10的第二冷冻水进口10-3连接。因为冷凝器7中会有少部分未被冷凝的水蒸气随空气通过排气口1排放至外界环境中，因此真空容器10内的冷冻水会逐渐散失，当真空容器10内水分散失较多时，可通过补水管13对真空容器10进行补水，其补水量可通过三通阀12进行调节。

继续参考图1，进一步优选地，该真空制冷系统还包括除污器8，除污器8的进口与排气口1连接，且除污器8的出口与第二真空阀5-2的进口连接。除污器8可对从外界环境进入冷凝器7及真空容器10的空气进行净化，防止空气内的杂质、微生物等污染源进入系统内，进而造成管路堵塞，影响系统的制冷效果。

本发明的努森泵装置的冷却介质入口管2-1和冷却介质出口管2-3均与外部冷源连接，外部冷源的低温的冷却介质通过冷却介质入口管2-1流经努森泵装置的各个冷腔换热器2-2，冷却各个冷腔4-1，保持冷腔4-1的低温状态，进行热交换升温后的冷却介质再从冷却介质出口管2-3流回外部冷源进行放热，以重新降温，如此循环。努森泵装置的载热介质入口管3-1和载热介质出口管3-3均与外部热源连接，外部热源的载热介质通过载热介质入口管3-1流经努森泵装置的各个热腔换热器3-2，给各个热腔4-2加热，保持热腔4-2的高温状态，进行热交换降温后的载热介质再从载热介质出口管3-3流回外部热源进行吸热，以重新升温，如此循环。其中，外部热源的载热介质可以利用低品位热能来加热，而低品位热能为工业上产生的余(废)热、太阳能或地热能等，不需要消耗高品位能源，节能环保。本发明的真空制冷系统不需要消耗过多的高品位能源，且该真空制冷系统的努森泵装置无运动部件，结构简单，运行可靠，整个系统的制冷效率与抽真空效率较高，且其制冷量以及抽真空性能可以根据实际需要进行调整。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，包括：

努森泵装置，其包括至少一组努森泵组，该努森泵装置的每组所述努森泵组的冷腔换热器的进口与冷却介质入口管连接，且该努森泵装置的每组所述努森泵组的冷腔换热器的出口与冷却介质出口管连接；该努森泵装置的每组所述努森泵组的热腔换热器的进口与载热介质入口管连接，且该努森泵装置的每组所述努森泵组的热腔换热器的出口与载热介质出口管连接；

第一真空阀，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的主进口与该第一真空阀的出口连接；

第二真空阀，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的主出口与排气口连接，该第二真空阀的进口与所述排气口连接；

冷凝器，其内腔出口分别与所述第一真空阀的进口和所述第二真空阀的出口连接；该冷凝器的低温管道入口与所述冷却介质入口管连接，该冷凝器的低温管道出口与所述冷却介质出口管连接，且该冷凝器的低温管道出口设置有一冷却介质输送装置；

真空容器，其气相出口通过真空管与所述冷凝器的内腔入口连接，该真空容器的第一冷冻水进口与所述冷凝器的冷凝水出口连接，且所述冷凝器的冷凝水出口设置有一循环水泵；以及

冷冻水换热器，其低温通道的进口与所述真空容器的冷冻水出口连接，且该冷冻水换热器的低温通道的出口与所述真空容器的第二冷冻水进口连接。

2.根据权利要求1所述的使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，还包括除污器，所述除污器的进口与所述排气口连接，且所述除污器的出口与所述第二真空阀的进口连接。

3.根据权利要求1所述的使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，还包括三通阀，所述三通阀的第一进口与所述冷冻水换热器的低温通道的出口连接，所述三通阀的第二进口与补水管连接，且所述三通阀的出口与所述真空容器的第二冷冻水进口连接。

4.根据权利要求1所述的使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的冷腔的底部设置有一凝结水出口，且每个所述凝结水出口均与所述冷凝器的冷凝水进口连接。

5.根据权利要求1所述的使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的微通道组薄膜的两侧均设置有一金属保护网。

6.根据权利要求1所述的使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，所述努森泵装置的每组所述努森泵组的热腔换热器和冷腔换热器均为翅片管式换热器。

7.根据权利要求1所述的使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，所述冷凝器的外表面和所述真空容器的外表面均设置有绝热层。

8.根据权利要求1所述的使用努森泵的真空制冷系统，其特征在于，所述真空容器内的制冷工质为水。