CN109737623A - 一种新型增效低温自复叠制冷系统及工作过程 - Google Patents
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Abstract
一种新型增效低温自复叠制冷系统及工作过程，该系统在第一气液分离器液相出口后设置节流阀，节流阀出口处设置第二气液分离器；冷凝器出口的高压两相制冷剂流体进入第一气液分离器被分离为富含低沸点组分的气相和富含高沸点组分的液相两股流体；其中富含高沸点组分的液相流体经节流阀节流后，进入第二气液分离器被分离为气相和液相；在第二气液分离器中，低沸点工质将会再次以气相被分离出来且与第一气液分离器气相出口制冷剂混合，形成低沸点组分更高的制冷剂流体后，经蒸发冷凝器冷凝和节流阀节流后，进入蒸发器吸热。本发明通过引入第二气液分离器，使得最终进入蒸发器的低沸点组分比例提高，产生了更多的制冷量，从而提高制冷效率。
Description
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，具体涉及一种新型增效低温自复叠制冷系统及工作过程。
背景技术
随着生物医疗技术、航空航天技术等的不断发展，对低温制冷技术应用的需求越来越迫切，尤其对零下60度以下低温环境的需求更加广泛。目前，获取-60℃以下的低温环境可采用的低温制冷方法主要有：外复叠式制冷和自复叠式制冷、多(双)级蒸气压缩式制冷、混合工质节流制冷等。
这其中，自复叠制冷系统仅通过使用一台制冷压缩机，利用二元或多元非共沸混合物制冷剂即可实现多级自动复叠制冷循环，由此获得所需要的低温制冷温度。与其他低温制冷方法相比较，自复叠制冷系统具有结构简单，维护便易，成本低廉等优点，因此近些年来其在低温冰箱、航空航天应用、天然气液化等领域获得广泛应用。然而，常规自复叠制冷循环系统的制冷效率(即循环性能系数COP)往往比较低，实际能达到的制冷温度不够低。主要原因是在常规自复叠制冷循环系统中，虽然在冷凝器出口设计了气液分离器，将富含高沸点组分的液态制冷剂和富含低沸点组分的气态制冷剂进行了气液相分离，利用节流降温后的富含高沸点组分制冷剂去冷却富含低沸点组分制冷剂，富含低沸点组分制冷剂进入蒸发器吸热。然而，在这过程中，不同沸点组分的气液分离过程均是在冷凝压力下进行的，不同工质物性的差异导致了分离后的液相高沸点组分制冷剂仍然含有一定量的低沸点组分，同样的，经分离后的气相低沸点组分制冷剂仍然含有一定量的高沸点组分，这部分高沸点组分也会一并进入蒸发器吸热，这有碍于蒸发器获取更低的制冷温度，进而影响系统的制冷效率。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种新型增效低温自复叠制冷系统及工作过程，通过有效地在传统自复叠制冷系统配置辅助气液分离器和辅助节流装置，尽可能充分提高进入蒸发器制冷剂的低沸点组分比例，从而改善系统性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种新型增效低温自复叠制冷系统，包括管路上连接的压缩机101、冷凝器102、第一气液分离器103、第二气液分离器105、蒸发冷凝器107、蒸发器110以及第一节流阀104，第二节流阀106，第三节流阀108和第四节流阀109；压缩机101出口与冷凝器102入口相连，冷凝器102出口与第一气液分离器103入口相连；第一气液分离器103有两个出口，分别为气相出口和液相出口，其中：第一气液分离器103气相出口与第三节流阀108相连；第一气液分离器103液相出口与第一节流阀104入口相连；第一节流阀104出口与第二气液分离器105入口相连，第二气液分离器105有两个出口，分别为气相和液相：第二气液分离器105气相出口连接第三节流阀108出口后再与蒸发冷凝器107高压侧入口相连；第二气液分离器105液相出口与第二节流阀106入口相连，第二节流阀106出口与蒸发冷凝器107低压侧入口相连；蒸发冷凝器107高压侧出口与第四节流阀109入口相连，第四节流阀109出口与蒸发器110入口相连，蒸发器110出口连接蒸发冷凝器107低压侧出口后再与压缩机101入口相连，完成整个循环系统。
本发明所述系统在第一气液分离器103液相出口后设置第一节流阀104，第一节流阀104出口处设置第二气液分离器105；第一气液分离器103气相出口后设置第三节流阀108；第二气液分离器105气相出口连接第三节流阀108出口后再与蒸发冷凝器107高压侧入口相连；第二气液分离器105液相出口与第二节流阀106入口相连；从冷凝器102出来的高压非共沸气液两相混合物制冷剂流体进入第一气液分离器103被分离为富含低沸点组分的气相和富含高沸点组分的液相两股流体；其中富含高沸点组分的液相流体经过第一节流阀104节流为两相流体后，再次进入第二气液分离器105被分离为气相和液相；第二气液分离器105中，富含高沸点组分混合制冷剂中含有的少量低沸点工质将会再次以气相被分离出来并且与第三节流阀108出口的富含低沸点组分的气相制冷剂混合，经蒸发冷凝器107冷凝和第四节流阀109节流后，进入蒸发器110吸热。由此，提高了最终进入蒸发器110制冷剂的低沸点组分比例，这可以让循环系统实现更低的制冷温度和达到更高的制冷量和制冷系数，提高系统性能。
在第一气液分离器103液相出口后设置第一节流阀104，将第一气液分离器103液相出口富含高沸点组分的制冷剂流体节流为气相和液相，实现富含低沸点组分的气态制冷剂和富含高沸点组分的液态制冷剂的再次分离。
在第二气液分离器105的液相出口后设置第二节流阀106，使得这部分制冷剂节流降温，进入蒸发冷凝器107低压侧入口，吸收蒸发冷凝器107高压侧的制冷剂流体热量成为气相制冷剂流体后，与蒸发器110出口的饱和制冷剂气体混合，进入压缩机101。
在第一气液分离器103气相出口后设置第三节流阀108，富含低沸点工质的制冷剂气体节流降压后与第二气液分离器105气相出口的富含低沸点工质的制冷剂气体混合，成为低沸点工质组分比例更高的制冷剂气体后，进入蒸发冷凝器107高压侧入口，被冷却为饱和液体后，通过第四节流阀109降压节流，进入蒸发器110实现制冷目标。
所述新型增效低温自复叠制冷系统的工作过程，压缩机101出口的过热制冷剂蒸气进入冷凝器102中被部分冷凝，部分冷凝后的高压非共沸气液两相混合物制冷剂流体进入第一气液分离器103被分离为富含低沸点组分的气相和富含高沸点组分的液相两股流体；其中富含高沸点组分的液相流体经过第一节流阀104节流为两相流体后，再次进入第二气液分离器105被分离为气相流体和液相流体，这个过程中，混合制冷剂中的低沸点工质将会再次以气相被分离出来；而第二气液分离器105出口的液相流体将会再次被第二节流阀106节流后，进入蒸发冷凝器107低压侧入口吸热；从第一气液分离器103出来的气相富含低沸点组分的制冷剂流体经过第三节流阀108降压后，与第二气液分离器105排出的气相富含低沸点组分的制冷剂混合后，一同进入蒸发冷凝器107高压侧被冷凝，随后流经第四节流阀109节流降温，进入蒸发器110吸热，产生冷量气化后，与蒸发冷凝器107低压侧出口的富含高沸点组分的制冷剂混合，进入压缩机101，完成整个循环。
相比较于常规的自复叠制冷循环系统，第二气液分离器105的引入，可以将第一气液分离器103液相出口的富含高沸点组分制冷剂混合物中的低沸点组分进一步分离出来，与第一气液分离器103气相出口富含低沸点组分制冷剂混合，形成低沸点组分更高的制冷剂流体，使得最终进入蒸发器110的制冷剂混合物中的低沸点组分比例提高，使得蒸发器能够获得的温度更低，产生更多的制冷量输出，从而有效的提高了该自复叠制冷系统的制冷效率。该项发明技术可以应用于航空航天低温环境、医疗低温冰箱和低温冷柜领域，这对此类低温制冷装置节能技术的发展有着积极的推动作用。
附图说明
图1是本发明一种新型增效低温自复叠制冷系统及工作过程实施方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种新型增效低温自复叠制冷系统及其工作过程，该系统包括管路上连接的压缩机101，压缩机101出口与冷凝器102入口相连，冷凝器102出口与第一气液分离器103入口相连。第一气液分离器103有两个出口，分别为气相和液相，其中：第一气液分离器103气相出口与第三节流阀108相连；第一气液分离器103液相出口与第一节流阀104入口相连。第一节流阀104出口与第二气液分离器105入口相连，第二气液分离器105有两个出口，分别为气相和液相：第二气液分离器105气相出口连接第三节流阀108出口后再与蒸发冷凝器107高压侧入口相连；第二气液分离器105液相出口与第二节流阀106入口相连，第二节流阀106出口与蒸发冷凝器107低压侧入口相连。蒸发冷凝器107高压侧出口与第四节流阀109入口相连，第四节流阀109出口与蒸发器110入口相连，蒸发器110出口分别与蒸发冷凝器107低压侧出口和压缩机101入口相连，完成整个循环系统。
本发明所述系统在第一气液分离器103液相出口后设置第一节流阀104，第一节流阀104出口处设置第二气液分离器105；第一气液分离器103气相出口后设置第三节流阀108。第二气液分离器105气相出口连接第三节流阀108出口后再与蒸发冷凝器107高压侧入口相连；第二气液分离器105液相出口与第二节流阀106入口相连。从冷凝器102出来的高压非共沸气液两相混合物制冷剂流体进入第一气液分离器103被分离为富含低沸点组分的气相和富含高沸点组分的液相两股流体。其中富含高沸点组分的液相流体经过第一节流阀104节流为两相流体后，再次进入第二气液分离器105被分离为气相和液相。在第二气液分离器105中，少量低沸点工质将会再次以气相被分离出来并且与第三节流阀108出口的富含低沸点组分的气相制冷剂混合，形成低沸点组分更高的制冷剂流体后，经蒸发冷凝器107冷凝和第四节流阀109节流后，进入蒸发器110吸热。
如图1所示，本发明所涉及的一种新型增效低温自复叠制冷系统的工作过程为：压缩机101出口的过热制冷剂蒸气(图中2点处)进入冷凝器102中被部分冷凝(图中3点处)，部分冷凝后的高压非共沸气液两相混合物制冷剂流体进入第一气液分离器103被分离为富含低沸点组分的气相(图中3V点处)和富含高沸点组分的液相(图中3L点处)两股流体。其中富含高沸点组分的液相流体(图中3L点处)经过第一节流阀104节流为两相流体(图中4点处)后，再次进入第二气液分离器105被分离为气相流体(图中4V点处)和液相流体(图中4L点处)，这个过程中，混合制冷剂中的低沸点工质将会再次以气相被分离出来。而第二气液分离器105出口的液相流体(图中4L点处)将会再次被第二节流阀106节流后(图中10点处)，进入蒸发冷凝器107低压侧入口吸热。从第一气液分离器103出来的气相富含低沸点组分的制冷剂流体(图中3V点处)经过第三节流阀108降压后(图中5点处)，与第二气液分离器105排出的气相富含低沸点组分的制冷剂(图中4V点处)混合后(图中6点处)，一同进入蒸发冷凝器107高压侧被冷凝(图中7点处)，随后流经第四节流阀109节流降温(图中8点处)，进入蒸发器110吸热，产生冷量气化后(图中9点处)，与蒸发冷凝器107低压侧出口的富含高沸点组分的制冷剂(图中11点处)混合(图中1点处)，进入压缩机101，完成整个循环。
整个系统工作过程中存在有三个不同的工作压力,依次是压缩机101排气压力、第二气液分离器105工作压力和压缩机101吸气压力。可通过调节第一节流阀104的开度，控制第二气液分离器105的工作压力的同时，调节进入第二气液分离器105的混合制冷剂的干度，实现第二气液分离器105混合制冷剂中低沸点组分的气相分离比例。
Claims (7)
1.一种新型增效低温自复叠制冷系统，包括管路上连接的压缩机(101)、冷凝器(102)、第一气液分离器(103)、第二气液分离器(105)、蒸发冷凝器(107)、蒸发器(110)以及第一节流阀(104)，第二节流阀(106)，第三节流阀(108)和第四节流阀(109)；压缩机(101)出口与冷凝器(102)入口相连，冷凝器(102)出口与第一气液分离器(103)入口相连；第一气液分离器(103)有两个出口，分别为气相和液相，其中：第一气液分离器(103)气相出口与第三节流阀(108)相连；第一气液分离器(103)液相出口与第一节流阀(104)入口相连；第一节流阀(104)出口与第二气液分离器(105)入口相连，第二气液分离器(105)有两个出口，分别为气相和液相：第二气液分离器(105)气相出口连接第三节流阀(108)出口后再与蒸发冷凝器(107)高压侧入口相连；第二气液分离器(105)液相出口与第二节流阀(106)入口相连，第二节流阀(106)出口与蒸发冷凝器(107)低压侧入口相连；蒸发冷凝器(107)高压侧出口与第四节流阀(109)入口相连，第四节流阀(109)出口与蒸发器(110)入口相连，蒸发器(110)出口连接蒸发冷凝器(107)低压侧出口后再与压缩机(101)入口相连，完成整个循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种新型增效低温自复叠制冷系统，其特征在于：在第一气液分离器(103)液相出口后设置第一节流阀(104)，第一节流阀(104)出口处设置第二气液分离器(105)；第一气液分离器(103)气相出口后设置第三节流阀(108)；第二气液分离器(105)气相出口连接第三节流阀(108)出口后再与蒸发冷凝器(107)高压侧入口相连；第二气液分离器(105)液相出口与第二节流阀(106)入口相连；从冷凝器(102)出来的高压非共沸气液两相混合物制冷剂流体进入第一气液分离器(103)被分离为富含低沸点组分的气相和富含高沸点组分的液相两股流体；其中富含高沸点组分的液相流体经过第一节流阀(104)节流为两相流体后，再次进入第二气液分离器(105)被分离为气相和液相；在第二气液分离器(105)中，低沸点工质将会再次以气相被分离出来并且与第三节流阀(108)出口的富含低沸点组分的气相制冷剂混合，形成低沸点组分更高的制冷剂流体后，经蒸发冷凝器(107)冷凝和第四节流阀(109)节流后，进入蒸发器(110)吸热。
3.根据权利要求1所述的一种新型增效低温自复叠制冷系统，其特征在于：在第一气液分离器(103)液相出口后设置第一节流阀(104)，将第一气液分离器(103)液相出口富含高沸点组分的制冷剂流体节流为气相和液相，实现富含低沸点组分的气态制冷剂和富含高沸点组分的液态制冷剂的再次分离。
4.根据权利要求1所述的一种新型增效低温自复叠制冷系统，其特征在于：在第二气液分离器(105)的液相出口后设置第二节流阀(106)，使得这部分制冷剂节流降温，进入蒸发冷凝器(107)低压侧入口，吸收蒸发冷凝器(107)高压侧的制冷剂流体热量成为气相制冷剂流体后，与蒸发器(110)出口的饱和制冷剂气体混合，进入压缩机(101)。
5.根据权利要求1所述的一种新型增效低温自复叠制冷系统，其特征在于：在第一气液分离器(103)气相出口后设置第三节流阀(108)，富含低沸点工质的制冷剂气体节流降压后与第二气液分离器(105)气相出口的富含低沸点工质的制冷剂气体混合，成为低沸点工质组分比例更高的制冷剂气体后，进入蒸发冷凝器(107)高压侧入口，被冷却为饱和液体后，通过第四节流阀(109)降压节流，进入蒸发器(110)实现制冷目标。
6.权利要求1至5任一项所述新型增效低温自复叠制冷系统的工作过程，其特征在于：压缩机(101)出口的过热制冷剂蒸气进入冷凝器(102)中被部分冷凝，部分冷凝后的高压非共沸气液两相混合物制冷剂流体进入第一气液分离器(103)被分离为富含低沸点组分的气相和富含高沸点组分的液相两股流体；其中富含高沸点组分的液相流体经过第一节流阀(104)节流为两相流体后，再次进入第二气液分离器(105)被分离为气相流体和液相流体，这个过程中，混合制冷剂中的低沸点工质将会再次以气相被分离出来；而第二气液分离器(105)出口的液相流体将会再次被第二节流阀(106)节流后，进入蒸发冷凝器(107)低压侧入口吸热；从第一气液分离器(103)出来的气相富含低沸点组分的制冷剂流体经过第三节流阀(108)降压后，与第二气液分离器(105)排出的气相富含低沸点组分的制冷剂混合后，一同进入蒸发冷凝器(107)高压侧被冷凝，随后流经第四节流阀(109)节流降温，进入蒸发器(110)吸热，产生冷量气化后，与蒸发冷凝器(107)低压侧出口的富含高沸点组分的制冷剂混合，进入压缩机(101)，完成整个循环。
7.根据权利要求6所述的工作过程，其特征在于：整个系统工作过程中存在三个不同的工作压力,依次是压缩机(101)排气压力、第二气液分离器(105)工作压力和压缩机(101)吸气压力；通过调节第一节流阀(104)的开度，控制第二气液分离器(105)工作压力的同时，调节进入第二气液分离器(105)的混合制冷剂的干度，实现第二气液分离器(105)混合制冷剂中低沸点组分的气相分离比例。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190510 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |