CN110953741A - 一种带多级水冷却器的四级复叠制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复叠制冷领域，提供一种带多级水冷却器的四级复叠制冷装置，包含四个相对独立的制冷循环复叠而成，在复叠制冷循环的第二、三、四级压缩机高温排气管路设置水冷却器，引入系统外部低廉、易获取的冷却水，可有效提高制冷量与制冷效率，同时本发明在复叠制冷循环的第二、三、四级高温管路配置预冷回热器和过冷回热器，既可提高制冷效率，又可保证压缩机的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及复叠制冷领域，尤其涉及一种带多级水冷却器的四级复叠制冷装置。
背景技术
当前，复叠式制冷系统（含经典复叠、自复叠制冷系统等）是获取-100℃～-150℃低温的重要途径，其在低温冰箱、超导、血浆保存、气体液化、低温净化等领域有着广泛的应用。但目前行业采用的复叠制冷装置仍存在着有待完善的地方：一是制冷效率低，投入大量电能只能获取非常有限的低温冷量；二是复叠制冷系统的复杂性导致工况容易产生波动与偏移，引发压缩机吸气过热、润滑恶化甚至烧毁。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提出了一种技术可行、高效的带多级水冷却器的四级复叠制冷装置。
本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。
一种带多级水冷却器的四级复叠制冷装置，其特征在于：包含四个相对独立的制冷循环复叠而成，第一级制冷循环包含一级压缩机、一级油分离器、一级冷凝器、一级膨胀阀、二级冷凝蒸发器；第二级制冷循环包含二级压缩机、二级油分离器、二级水冷却器、二级预冷回热器、二级冷凝蒸发器、二级过冷回热器、二级膨胀阀、三级冷凝蒸发器、二级膨胀容器；第三级制冷循环包含三级压缩机、三级油分离器、三级水冷却器、三级预冷回热器、三级冷凝蒸发器、三级过冷回热器、三级膨胀阀、四级冷凝蒸发器、三级膨胀容器；第四级制冷循环包含四级压缩机、四级油分离器、四级水冷却器、四级预冷回热器、四级冷凝蒸发器、四级过冷回热器、四级膨胀阀、四级膨胀容器；
每一级制冷循环均配置了压缩机，用于对低温低压的气态制冷剂进行压缩，实现制冷剂的增温增压，为制冷剂循环提供动力；
每一级制冷循环均配置了油分离器，油分离器用于对压缩机排气中的制冷剂气体与润滑油进行分离，将润滑油回收；
第二、三、四级制冷循环均配置了水冷却器，采用套管式换热器型式，在复叠制冷循环的第二、三、四级压缩机高温排气管路设置水冷却器，引入冷却水对压缩机的高温排气进行初步冷却；
第二、三、四级制冷循环均配置了预冷回热器，采用板式换热器型式，其内部实现气态高温制冷剂与压缩机低温回气进行换热，实现高温制冷剂的预冷与压缩机回气的过热；
第二、三、四级制冷循环均配置了冷凝蒸发器，采用板式换热器型式，每一级的蒸发过程与下一级的冷凝过程在冷凝蒸发器中进行复叠热交换，即上一级的蒸发过程释放的制冷量用于下一级冷凝过程的冷却，从而实现各级蒸发温度逐步下降，最终第四级膨胀阀后制冷剂实现-120℃～-150℃的低温；
第二、三、四级制冷循环均设置了过冷回热器，采用板式换热器型式，其内部实现液态高温制冷剂与压缩机低温回气进行换热，实现液态制冷剂的过冷与压缩机回气的过热；
在复叠制冷循环的第二、三、四级高温管路配置预冷回热器和过冷回热器；
每一级制冷循环均配置了膨胀阀，用于对各级制冷剂液体进行膨胀，获取低温的气液两相制冷剂，为蒸发过程做准备；
第二、三、四级制冷循环均设置了膨胀容器，其通过三通管路连接在压缩机吸气管上，用于增加系统容积，当制冷剂体积膨胀时收纳一部分制冷剂；
第一级制冷循环配置了一级冷凝器，采用板式换热器型式，配置高效的水过滤器；或采用套管式换热器。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）引入系统外部低廉、易获取的冷却水，可有效提高制冷量与制冷效率。
具体来说，在复叠制冷循环的第二、三、四级压缩机高温排气管路设置水冷却器。其目的在于引入低廉、易获取的冷却水对压缩机的高温排气进行初步冷却，用冷却水带走大量的高温热量。一是有效减轻后续的冷却负担，节约宝贵的低温制冷量，从而有效提高制冷量与制冷效率；二是并可有效减少冷凝蒸发器与回热器等的尺寸。
（2）设置预冷回热器和过冷回热器，既可提高制冷效率，又可保证压缩机的安全运行。
具体来说，在复叠制冷循环的第二、三、四级高温管路配置预冷回热器和过冷回热器。一是可进一步提高制冷剂高温侧的冷却效果，保证膨胀前的过冷度，提高膨胀后的含液量，从而提高制冷量和制冷效率；二是可对压缩机吸气进行充分加热，避免未蒸发完全的制冷剂液滴进入压缩机引起液击，并有效恢复压缩机吸气温度，避免吸气温度过低引起润滑恶化、甚至电机烧毁等故障。
附图说明
图1是本发明带多级水冷却器的四级复叠制冷装置的结构图。
图2是本发明的制冷流程原理图。
其中：1.一级压缩机、2.一级油分离器、3.一级冷凝器、4.一级膨胀阀、5.二级冷凝蒸发器；6.二级压缩机、7.二级油分离器、8.二级水冷却器、9.二级预冷回热器、10.二级过冷回热器、11.二级膨胀阀、12.三级冷凝蒸发器、13.二级膨胀容器、14.三级压缩机、15.三级油分离器、16.三级水冷却器、17.三级预冷回热器、18.三级过冷回热器、19.三级膨胀阀、20.四级冷凝蒸发器、21.三级膨胀容器、22.四级压缩机、23.四级油分离器、24.四级水冷却器、25.四级预冷回热器、26.四级过冷回热器、27.四级膨胀阀、28.四级膨胀容器。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本实施例提供一种带多级水冷却器的四级复叠制冷装置，包含四个相对独立的制冷循环复叠而成，第一级制冷循环包含一级压缩机1、一级油分离器2、一级冷凝器3、一级膨胀阀4、二级冷凝蒸发器5；第二级制冷循环包含二级压缩机6、二级油分离器7、二级水冷却器8、二级预冷回热器9、二级冷凝蒸发器5、二级过冷回热器10、二级膨胀阀11、三级冷凝蒸发器12、二级膨胀容器13；第三级制冷循环包含三级压缩机14、三级油分离器15、三级水冷却器16、三级预冷回热器17、三级冷凝蒸发器12、三级过冷回热器18、三级膨胀阀19、四级冷凝蒸发器20、三级膨胀容器21；第四级制冷循环包含四级压缩机22、四级油分离器23、四级水冷却器24、四级预冷回热器25、四级冷凝蒸发器20、四级过冷回热器26、四级膨胀阀27、四级膨胀容器28。
四级复叠制冷循环由四个相对独立的制冷循环复叠而成，用于实现约-120℃～-150℃的低温，并送往外部负载提供低温冷量。主要部件功能分述如下：
1.压缩机
每一级制冷循环均配置了压缩机，用于对低温低压的气态制冷剂进行压缩，实现制冷剂的增温增压，为制冷剂循环提供动力。
2.油分离器
每一级制冷循环均配置了油分离器。由于压缩机排气中会夹带润滑油，油分离器用于对制冷剂气体与润滑油进行分离，将润滑油回收。
3.水冷却器
第二、三、四级制冷循环均配置了水冷却器，采用套管式换热器型式，不易堵塞。其作用在于引入廉价、易获取的冷却水对压缩机的高温排气进行初步冷却，用冷却水带走大量的高温热量，减轻高温制冷剂后续的冷却负担，节约宝贵的低温制冷量，从而有效提高制冷量与制冷效率，并可有效减少冷凝蒸发器与回热器等的尺寸。
4.预冷回热器
第二、三、四级制冷循环均配置了预冷回热器，其采用板式换热器型式，高效、紧凑。其内部实现气态高温制冷剂与压缩机低温回气进行换热，实现高温制冷剂的预冷与压缩机回气的过热。高温制冷剂的预冷可有效增强冷却效果，降低冷凝蒸发器冷却负担；而对压缩机回气进行加热可保证液态制冷剂充分蒸发，避免液击。
5.冷凝蒸发器
第二、三、四级制冷循环均配置了冷凝蒸发器，其采用板式换热器型式，高效、紧凑。冷凝蒸发器是复叠式制冷循环的核心设备，每一级的蒸发过程与下一级的冷凝过程在冷凝蒸发器中进行复叠热交换，即上一级的蒸发过程释放的制冷量用于下一级冷凝过程的冷却，从而实现各级蒸发温度逐步下降，最终第四级膨胀阀后制冷剂实现约-120℃～-150℃的低温。
6.过冷回热器
第二、三、四级制冷循环均设置了过冷回热器，其采用板式换热器型式，高效、紧凑。其内部实现液态高温制冷剂与压缩机低温回气进行换热，实现液态制冷剂的过冷与压缩机回气的过热。液态制冷剂的过冷可有效提高膨胀后的制冷剂含液量（即降低干度），提高制冷量及制冷效率；而对压缩机回气进行加热可保证液态制冷剂充分蒸发，避免液击。
对压缩机回气进行过热可保证液态制冷剂充分蒸发，避免液击。
7.膨胀阀
每一级制冷循环均配置了膨胀阀，其用于对各级制冷剂液体进行膨胀，获取低温的气液两相制冷剂，为蒸发过程做准备。
8.膨胀容器
第二、三、四级制冷循环均设置了膨胀容器，其通过三通管路连接在压缩机吸气管上。当制冷装置停机时，由于制冷剂温度不断回升，制冷剂体积膨胀、压力升高，这种效应对于第二、三、四级的低温制冷剂尤为突出。设置膨胀容器可以有效增加系统容积，当制冷剂体积膨胀时收纳一部分制冷剂，避免压力升高过大损坏设备与管系。
9.一级冷凝器
第一级制冷循环配置了一级冷凝器。由于第一级冷凝过程不存在复叠过程，其直接采用水冷。冷凝器型式可采用板式换热器型式，优点是结构紧凑、换热高效，缺点是容易堵塞，必须配置高效的水过滤器；其型式也可采用套管式换热器，优点是不容易堵塞，缺点是体积较大。可根据使用场景灵活选择。
补充说明：
1.制冷剂
四个制冷循环分别采用不同的制冷剂，第一/二/三/四级制冷剂可分别采用R22/R13/R14/R50，或R22/R23/R14/R50，或R134a/R13/R14/R50，或R134a/R23/R14/R50。
2.冷却水来源
可采用市政管网供给的常温自来水，经过过滤后作为水冷却器的冷却水，也可采用冷水机组制取的冷冻水，二者均价格低廉、易获取。
3.外部负载
外部负载即第四级低温能量的用户，一般是低温冰箱、超导、血浆保存、气体液化、低温净化等设备的换热器，在该换热器中第四级制冷剂进行蒸发，将低温冷量释放给用户。
如图2所示，本实施例的工作流程如下：
其包含四个相对独立的制冷循环，每个循环的流程基本类似，每一级与下一级在冷凝蒸发器中进行复叠换热。
以第二级循环为例，气态制冷剂被二级压缩机6吸入后进行压缩，实现升温升压；高温高压的制冷剂随后进入二级油分离器7中，制冷剂中带出的压缩机润滑油实现分离与回收；净化后的制冷剂再进入二级水冷却器8与水换热，实现初步预冷；随后制冷剂进入二级预冷回热器9中，与返程去压缩机的低温制冷剂换热，增强预冷效果；预冷完成的制冷剂再进入二级冷凝蒸发器5中与上一级的制冷剂进行换热，第二级制冷剂在其中完成冷凝过程，冷凝为液态制冷剂，第一级制冷剂则完成蒸发过程，即复叠换热；完成冷凝后的制冷剂进入二级过冷回热器10中，与返流去压缩机方向的低温制冷剂进行换热，实现过冷；随后过冷状态的液态制冷剂进入二级膨胀阀11中进行节流膨胀，成为气液两相状态，并实现降温降压，再进入三级冷凝蒸发器12中与三级制冷剂换热，第二级制冷剂完成蒸发过程，从气液两相状态完全转变成气态，第三级制冷剂获取冷量，从气态冷凝为液态；第二级制冷剂随后分别经过二级过冷回热器10和二级预冷回热器9，完成回热升温过程后，返回压缩机中，完成整个第二级的循环过程。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种带多级水冷却器的四级复叠制冷装置，其特征在于：包含四个相对独立的制冷循环复叠而成，第一级制冷循环包含一级压缩机、一级油分离器、一级冷凝器、一级膨胀阀、二级冷凝蒸发器；第二级制冷循环包含二级压缩机、二级油分离器、二级水冷却器、二级预冷回热器、二级冷凝蒸发器、二级过冷回热器、二级膨胀阀、三级冷凝蒸发器、二级膨胀容器；第三级制冷循环包含三级压缩机、三级油分离器、三级水冷却器、三级预冷回热器、三级冷凝蒸发器、三级过冷回热器、三级膨胀阀、四级冷凝蒸发器、三级膨胀容器；第四级制冷循环包含四级压缩机、四级油分离器、四级水冷却器、四级预冷回热器、四级冷凝蒸发器、四级过冷回热器、四级膨胀阀、四级膨胀容器；
每一级制冷循环均配置了压缩机，用于对低温低压的气态制冷剂进行压缩，实现制冷剂的增温增压，为制冷剂循环提供动力；
每一级制冷循环均配置了油分离器，油分离器用于对压缩机排气中的制冷剂气体与润滑油进行分离，将润滑油回收；
第二、三、四级制冷循环均配置了水冷却器，采用套管式换热器型式，在复叠制冷循环的第二、三、四级压缩机高温排气管路设置水冷却器，引入冷却水对压缩机的高温排气进行初步冷却；
第二、三、四级制冷循环均配置了预冷回热器，采用板式换热器型式，其内部实现气态高温制冷剂与压缩机低温回气进行换热，实现高温制冷剂的预冷与压缩机回气的过热；
第二、三、四级制冷循环均配置了冷凝蒸发器，采用板式换热器型式，每一级的蒸发过程与下一级的冷凝过程在冷凝蒸发器中进行复叠热交换，即上一级的蒸发过程释放的制冷量用于下一级冷凝过程的冷却，从而实现各级蒸发温度逐步下降，最终第四级膨胀阀后制冷剂实现-120℃～-150℃的低温；
第二、三、四级制冷循环均设置了过冷回热器，采用板式换热器型式，其内部实现液态高温制冷剂与压缩机低温回气进行换热，实现液态制冷剂的过冷与压缩机回气的过热；
在复叠制冷循环的第二、三、四级高温管路配置预冷回热器和过冷回热器；
每一级制冷循环均配置了膨胀阀，用于对各级制冷剂液体进行膨胀，获取低温的气液两相制冷剂，为蒸发过程做准备；
第二、三、四级制冷循环均设置了膨胀容器，其通过三通管路连接在压缩机吸气管上，用于增加系统容积，当制冷剂体积膨胀时收纳一部分制冷剂；
第一级制冷循环配置了一级冷凝器，采用板式换热器型式，配置高效的水过滤器；或采用套管式换热器。
2.根据权利要求1所述的带多级水冷却器的四级复叠制冷装置，其特征在于：四个制冷循环分别采用不同的制冷剂，第一/二/三/四级制冷剂分别采用R22/R13/R14/R50，或R22/R23/R14/R50，或R134a/R13/R14/R50，或R134a/R23/R14/R50。
3.根据权利要求1所述的带多级水冷却器的四级复叠制冷装置，其特征在于：采用市政管网供给的常温自来水，经过过滤后作为水冷却器的冷却水，或采用冷水机组制取的冷冻水。
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