CN1092852A

CN1092852A - 单级多次冷凝制冷技术

Info

Publication number: CN1092852A
Application number: CN 94112017
Authority: CN
Inventors: 潘尚尧
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1994-01-14
Publication date: 1994-09-28

Abstract

一种单级多次冷凝的制冷技术及装置，将高温、中温、低温制冷剂放置于一个系统中，经过2或3次蒸发冷凝，制取所需要的低温。相应的制冷装置由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、2或3组蒸发冷凝器、分凝器依次连接组成为一个封闭的循环系统。本发明压差小、压缩比小，系统工作效率高、使用寿命长、结构简单，并可选用制冷剂以避开CFC的禁用规定。本发明可广泛应用于金属材料冷处理、低温粉碎、真空干燥、低温保藏以及速冻冷库等。

Description

本发明属于低温制冷技术领域，是一种单级多次冷凝制取低温的方法及其装置。

采用单级（一台制冷压缩机）压缩制取低于-30℃的低温往往受到两个制约因素：1.制冷剂、2.制冷压缩机。例如蒸发温度为-30℃，冷凝温度为54.4℃，采用R₁₂制冷剂，高压为1.26MP（兆帕），低压为0MP，压差为1.26MP，压比为13.6，压缩机的效率很低。而采用R₂₂为制冷剂，高压为2.3MP，低压为0.063MP，压差约为2.2MP，压比为14，制冷量比R₁₂约大60%，但压差也将增大约60%。而为了压缩机的寿命（减少磨损）和控制排气温度，一般将压缩机的压差控制在1.6MP，压比控制为12。否则压缩机的寿命和效率将降低。尤其用全封闭制冷压缩机，为了降低蒸发温度，蒸发压力只好降低，这带来两个大问题：（1）压比增大，压缩机效率迅速下降（压缩机的余隙容积一般为3～4%，压比若为12，仅此排气量将损失36～48%）;（2）全封闭压缩机的电机的铁铜损耗产生的焦耳热部分靠外壳散到大气中，大部分要靠低压回气冷却，低压压力下降，蒸气流量减小，则吸入气伐内的吸气温度升高，这又使排气温度升高。电机由于得不到充分冷却而致温升太高以至烧毁。这就是冰箱、冰柜及各种低温设备中采用全封闭制冷压缩机最常见的故障。大型装置一般用两级压缩（如4个气缸，三个作为第一级，一个作为第二级）减少压缩比，降低排气温度，而小型装置往往用复叠式制冷即用R₁₂作为第一级，R₂₂甚至更低的制冷剂作为第二级来获得低温，前一种方法压缩机制造复杂，且同一种制冷剂低压压力低，单位容积制冷量相对较小，为此要增大排气量，而这又使得相应的冷凝器、蒸发器及连接管路伐门都要放大，这无疑使整个装置笨重。后一种方法系统也复杂，每级要有压缩机、冷凝器（或冷却器）、分油器、干燥过滤器、蒸发器等等，多一台压缩机，可靠性则下降50%，而用开起式或半封闭制冷压缩机还有制冷剂泄漏之虞。人们在寻求这样一种制冷方法或装置，只要用一种流程可使整个系统的高压压力低，低压压力高，能工作在同样的高温环境温度和蒸发温度条件下，而且压差、压缩比、排温都下降，电机温升也下降，同样冷量的容积流量减小，制冷辅机、管道可减小，可靠性和效率均能提高又而节约能量。

本发明的目的在于提供一种能使整个系统在同样的高温环境温度和蒸发温度条件下工作，而且压差小、压缩比小、结构简单、可靠性好、效率高的单级制冷方法及其装置。

本发明的基本原理是采用两种以上的高温、中温、低温沸点的制冷剂，经多次冷凝蒸发，亦即环境温度冷凝高温制冷剂，高温制冷剂蒸发冷凝中温制冷剂，中温制冷剂蒸发冷凝低温制冷剂，低温制冷剂蒸发冷却负载，从而实现低温制冷的目的。根据上述原理，本发明采用多种制冷剂，使之相继蒸发冷凝制冷。具体步骤如下：将高温、中温、低温三种沸点的制冷剂放置于一个系统中，由制冷压缩机将三种制冷剂气体压缩后送冷凝器散热，使多数高温制冷剂冷凝为液体，少量高温制冷剂和大部分中、低温制冷剂仍为气体状态。经过干燥过滤，然后进入第一个蒸发冷凝器，进行第一次冷凝，回收一部分冷量。此时，温度下降到-10℃左右。少量中温制冷剂冷凝。经过第一个分凝器进行气液分离。这时温度可降到-40℃～60℃。分离出来的液体经过第一个毛细管道进入第二个蒸发冷凝器的低压管道，气体直接进入第二个蒸发冷凝器，进行第二次冷凝。高温制冷剂在其中蒸发，中温制冷剂在其中冷凝为液体。低温制冷剂和小部分中温制冷剂仍为气体状态。再经过第二个分凝器，使中、低温制冷剂气、液分离。这时温度可降到-80℃～-100℃。分离出来的液体经过第二个毛细管道进入第三个蒸发冷凝器的低压管道，气体直接进入第三个蒸发冷凝器，进行第三次冷凝。中温制冷剂在其中蒸发，低温制冷剂在其中冷凝成液态，经过第三个毛细管道进入负载蒸发器，在其中汽化、吸收热量。此时，可使温度降低到-120℃～-150℃。三种制冷剂经过蒸发冷凝器中的低压管道汇合，最后吸入压缩机，往复循环，实现低温制冷的目的。

如果我们的目标温度不需要达到-120℃～150℃，例如只需要达到-60℃左右时，上述方法中可省去第三次冷凝步骤，即制冷剂经过第二个蒸发冷凝器进行第二次冷凝后，直接经过毛细管道进入负载蒸发器即可。

本发明中高温制冷剂可选用R₁₁（CFCL₃）、R₁₂（F₂CL₂）、R₂₁（CHFCL₂）、R_141b（C₂H₃FCL₂）、R_142b（C₂H₃E₂CL）中的一种或几种，它们均可以在室温条件下冷凝为液态。中温制冷剂可选用R₁₃（CF₃Cl）、R₃₂（CH₂F₂）、R₂₃（CHF₃）、R₅₀₃（R₁₃+R₂₃）、C₂H₆（乙烷）中的一种或几种。低温制冷剂可选用R₁₄（CF₄）、C₂H₄（乙烯）、CH₄（甲烷）、N₂（氮气）中的一种或几种。其中，除了R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄以外，其余均为无氟制冷剂。因此，本发明技术可以根据CFC关于禁用R₁₂、R₅₀₂的规定，选择不破坏臭氧层的制冷剂，获得上述两种制冷剂常用温度，而且制冷量比它们大、压差、压比较它们小。例如，高温制冷剂选用R_141b（C₂H₃FCL₂）、中温制冷剂选用R₂₃（CH₂F₂）、低温制冷剂选用R₁₄（CF₄）即可避开CFC的禁用条款，获得制冷量大、压差和压比小的制冷剂配合。本发明中，高温、中温、低温三种沸点制冷剂的用量根据系统制冷量的要求及系统中蒸发冷凝器、分凝器的大小按通常办法确定。

相应于上述的制冷工艺，本发明设计了专门的单级多次冷凝的制冷装置，它由压缩机、分凝器、干燥过滤器以及2或3组蒸发冷凝器、分凝器、毛细管道组成。其中压缩机、冷凝器、干燥过滤器顺次连接，然后依次连接第一个蒸发冷凝器、第一个分凝器、第二个蒸发冷凝器、第二个分凝器、第三个蒸发冷凝器。第一个分凝器与第二个蒸发冷凝器的低压管之间有一段毛细管连通，第二个分凝器与第三个蒸发冷凝器的低压管道之间也有一段毛细管道连通。第三个蒸发冷凝器的高压端经过一段毛细管道与负载蒸发器连接，低压端与负载蒸发器的低压端连接。第一个蒸发冷凝器低压管与压缩机的低压端连接，构成一个循环制冷系统。

如果设计的制冷温度只需在-60℃左右，则只要进行二次冷凝即可。相应的制冷装置为单级二次冷凝装置，即在上述系统中去掉一组蒸发冷凝器、分凝器、毛细管道。这样该装置由压缩机、冷凝器、干燥过滤器顺次连接，然后依次连接第一个蒸发冷凝器、分凝器、第二个蒸发冷凝器，分凝器与第二个蒸发冷凝器之间有一毛细管道连通，第二个蒸发冷凝器的高压端与负载蒸发器之间有毛细管连通，低压端与负载蒸发器的低压端连通。

为了防止制冷装置在起动阶段其中的高压过高发生意外，在本发明设计的制冷装置的高、低压系统之间可增加设置一个由单向阀、膨胀容器和毛细管道构成的减压系统。该减压系统可连接在压缩机的高、低压端之间，也可连接在负载蒸发器前面的高、低压端之间。还可连接在其他位置的高低压系统之间。这样，当机器启动时，由于整个系统尚未冷却下来，中、低温制冷剂会使系统压力很高。当高压超过设定压力（例如2MP）时，单向阀自动打开，将高压气体送入膨胀容器，使压力降低（至压力低于设定压力时，单向阀自动关闭）。然后再经毛细管道将膨胀容器中的气体缓慢送入低压系统，进入压缩机。

上述制冷装置中冷凝器可采用风冷凝器，也可采用水冷凝器，干燥过滤器可采用分子筛过滤器，蒸发冷凝器采用双套管式冷凝器，分凝器采用扩散式紫铜罐。各部件的有关参数根据负载的大小确定。一般来说，如果压缩机的功率选用0.8～2.5千瓦，冷凝器则采用4～8m²风冷凝器，也可用水冷凝器。干燥过滤器采用分子筛过滤器，其直径为30～50mm，长度为80～120mm。蒸发冷凝器采用双套管冷凝器，其外管直径为14～18mm，内管直径为10～14mm，长度为6～10m，分凝器采用扩散式紫铜罐，直径为36～40mm，高度为150～250mm，毛细管道内径为0.8～1.5mm，长度为200～3000mm。单向阀采用5mm、2.3MP阀。膨胀容器容积为0.01～1m³。

下面结合附图和实施例进一步描述本发明。

附图为本发明的结构及工艺流程示意图。其中1为压缩机，2为冷凝器，3为干燥过滤器，4为负载蒸发器，5为单向阀，6为膨胀容器，减压系统设置在压缩机的高、低压端之间。E₁、E₂、E₃分别为第一、第二、第三个蒸发冷凝器，F₁、F₂分别为第一、第二个分凝器，D₁、D₂、D₃、D₄分别为第一、第二、第三、第四根毛细管道。箭头方向指示出装置内制冷剂的流程路线。

实施例。要求设计的制冷温度为-100℃，负载蒸发器4选用4m²吹风蒸发器。压缩机1选用1.1千瓦全封闭制冷压缩机。高温制冷剂采用R₁₁，数量为500g，中温制冷剂采用R₁₃，数量为500克，低温制冷剂采用R₁₄，数量为450g。装置采用单级三次冷凝的制冷系统，其中冷凝器采用6.2m风机冷凝器，设定环境温度为32℃，干燥过滤器采用分子筛过滤器，直径为40mm，长度为100mm，蒸发冷凝器E₁、E₂、E₃分别采用双套管结构形式，管道使用高效率传热管，其外管直径为16mm，内管直径为12mm，长度为10m。分凝器F₁、F₂采用扩散式紫铜罐，直径为38mm，高度为200mm，毛细管道D₁、D₂、D₃、D₄的内径为1mm，长度为500mm，单向阀5采用5mm、2.3MP阀，膨胀容器容积为0.01m³。上述装置制冷量大约为600瓦，一般可用于200升～400升的冷冻试验箱。

使用本发明提出的方法和装置制取低温，高低压力可以工作在压缩机规定的使用工况，且压差小，压缩比小，降低油温和排气温度，从而提高了压缩机的使用寿命和效率。例如-100℃装置采用单级压缩三次分凝，高压为1.3MP，低压为0.2MP，压差为1.1MP，压缩比为4.5，压缩机效率为65%，油温小于70℃，排温小于100℃。而压缩机规定工况为压差小于1.6MP，压缩比小于12。如果采用通常制冷方法的单级制冷装置，采用R₅₀₂制冷剂，冷凝温度为54.4℃，蒸发温度为-40℃时，高压为2.3MP，低压为0.033MP（表压），压差为2.3MP，压缩比为23，这时压缩机效率约10～20%，油温约80℃，排气温度大于100℃，而且该装置不可能制取更低的温度。本发明装置结构简单、体积缩小，与三级复叠式制冷装置相比，可以省去1～2套压缩机、分油器等，使系统大为简化，能耗减少二分之一到三分之一。本发明的制冷剂可选用无氟制冷剂，避开CFC的禁用规定，避免对臭氧层的破坏，符合国际上提倡的无氟制冷剂的发展方向。此外，本发明装置的接头部分可以全部焊接，没有一个活动接头，避免了制冷剂的泄漏。

本发明的用途十分广泛。例如电工方面的环境试验、材料老练处理：化工方面的反应流程、脱水、气体回收、油品试验等;金属材料的冷处理：低温粉碎，如橡胶、塑料、生物制品的低温粉碎：真空干燥，如药物低温干燥，大蒜粉真空干燥、10^-6乇真空镀膜;医药方面的低温保存，如骨、血、皮肤等组织或器官的低温保存。本发明可用于速冻装置，如速冻冷库。以45MP全封闭机器配套，生产能力可达到8～10吨/日，能耗较二级压缩每小时可节电50KW，且可风冷却，整个设备投资节省一半。

Claims

1、一种单级多次冷凝的制冷技术，由多种冷凝剂经多次蒸发冷凝制取低温，其特征在于将高温、中温、低温三种沸点的制冷剂放置于一个系统中，由制冷压缩机将三种制冷剂气体压缩后送冷凝器散热，大多数高温制冷剂冷凝为液体，而少量高温制冷剂和大部分中、低温制冷剂仍为气体状态，经过干燥过滤，然后进入第一个蒸发冷凝器，进行第一次蒸发冷凝，回收一部分冷量，然后经过第一个分凝器进行气液分离，液体经过第一个毛细管道送入第二个蒸发冷凝器的低压管道，气体直接进入第二个蒸发冷凝器，进行第二次蒸发冷凝，高温制冷剂在其中蒸发，中温制冷剂被冷凝，然后将气体状态的部分中温制冷剂和低温制冷剂送入第二个分凝器，进行气液分离，然后再把液体经过第二个毛细管道送入第三个蒸发冷凝器的低压管道，气体直接进入第三个蒸发冷凝器，进行第三次蒸发冷凝，使中温制冷剂在其中蒸发，低温制冷剂冷凝成液体，然后将液态低温制冷剂经过第三个毛细管道送入负载蒸发器，在其中汽化吸收热量，使温度降低，三种制冷剂经过三个蒸发冷凝器的低压管道，送入压缩机，往复循环。

2、根据权利要求1所述的单级多次冷凝的制冷技术，其特征在于所使用的高温制冷剂为R₁₁、R₁₂、R₂₁、R_141b，R_142b之一种或几种，中温制冷剂为R₁₃、R₃₂、R₂₃、R₅₀₃、C₂H₆之一种或几种，低温制冷剂为R₁₄、C₂H₄、CH₄、N₂之一种或几种。

3、根据权利要求2所述的单级多次冷凝的制冷技术，其特征在于高温制冷剂选用R_141b，中温制冷剂选用R₂₃，低温制冷剂选用R₁₄。

4、一种单级多次冷凝的制冷装置，由压缩机、冷凝器、干燥过滤器以及2或3组蒸发冷凝器、分凝器、毛细管道组成，其特征在于压缩机、冷凝器、干燥过滤器顺次连接，然后依次连接第一个蒸发冷凝器、第一个分凝器，第二个蒸发冷凝器、第二个分凝器、第三个蒸发冷凝器，第一个分凝器与第二个蒸发冷凝器的低压管之间有一毛细管道连通，第二个分凝器与第三个蒸发冷凝器的高压端与负载蒸发器之间也有一毛细管连通，低压端与负载蒸发器的低压端连通，第一个蒸发冷凝器的低压管与压缩机的低压端连接，构成循环制冷系统。

5、根据权利要求4所述的单级多次冷凝制冷装置，其特征在于该装置中省去一组蒸发冷凝器、分凝器、毛细管道，构成单级二次冷凝系统。

6、根据权利要求4或5所述的单级多次冷凝制冷装置，其特征在于装置的高低压系统之间设置有由单向阀、膨胀容器和毛细管道顺次连接构成的减压装置。

7、根据权利要求6所述的单级多次冷凝制冷装置，其特征在于由单向阀、膨胀容器、毛细管道顺次连接的减压装置连接在压缩机的高低压端之间。

8、根据权利要求4、5或7所述的单级多次冷凝制冷装置，其特征在于压缩机采用0.8～2.5千瓦功率的制冷压缩机，冷凝器采用4～8m²的风冷器或水冷凝器，干燥过滤器采用分子筛过滤器，其直径为30～50mm，长度为80～120mm，蒸发冷凝器采用双套管冷凝器，其外管直径为14～18mm，内径为10～14mm，长度为6～10m，分凝器采用扩散式紫铜罐，直径为36～40mm，高度为150～250mm，毛细管道内径为0.8～1.5mm，长度为200～3000mm，单向阀采用5mm、2.3MP，膨胀容器容积为0.01～1m³。