CN113915787B - 一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，采用压缩机梯级压缩的流程结构，使中压混合工质压缩过程能耗低于低压混合工质压缩过程能耗，降低压缩机总能耗，第一蒸发器和第二蒸发器串联流程实现低温冷量梯级利用和低沸点组分的梯级压缩，满足物质保存对低温温度的需求；精馏柱采用两级节流和两级精馏串联流程获得更低制冷温度；两个蒸发冷凝器串联结构流程实现富含高沸点组分的混合工质的分级汽化和梯级压缩；多级回热器可以回收一部分冷量，进而有效减少节流损失，提高制冷效率。本发明减少节流损失、降低压缩机排气温度和平均压缩比，节省高品位电能，满足了多蒸发温度位的低温制冷场合需求，节能效果显著，运行可靠稳定。

Description

一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统。

背景技术

混合工质制冷技术最早在1936年被Podbielniak提及，而在1959年被科学家A Pkleemenko采用碳氢化合物作制冷剂成功的应用在液化天然气领域。由于低沸点的工质可以获得较低的制冷温度，高沸点的工质因其比热较大，往往可得到更大的制冷量，因此在低温节流制冷系统中多采用高、低沸点工质混合作为制冷剂。而非共沸制冷剂由于蒸发和冷凝过程中存在温度滑移，在变温热源情况下可以有效减小传热温差，这在一定程度上能够弥补单一制冷剂在热物性方面的缺陷。非共沸混合工质同时也具备各纯质制冷工质近似平均的性质，能实现纯质制冷工质的优势互补、并具有潜在节能的可能性。基于混合工质及其节流制冷系统的结构简单、制冷温区宽等特点，该系统被广泛应用于低温生物、医疗、军事军工及天然气液化等领域，同时在系列深冷冰箱及低温速冻箱行业均已实现产业化推广。

根据现有的改进自复叠制冷循环系统以及该系统的控制方法来看，该系统与传统的自复叠系统相比，在冷凝器与气液分离器之间增加了回热器和节流装置两个部件，不仅能够使两股流体在蒸发冷凝器内更加充分地换热，而且能够防止压缩机吸气带液，提升整个系统的蒸发压力，降低压缩机的压比，提高压缩机的效率，从而提高系统的制冷量，改善循环系统的性能。但此系统仅采用了一级节流和一次蒸发吸热，不能很好的使富含高沸点组分的混合工质和富含低沸点组分的混合工质更高程度的提纯，进而不能实现更低的制冷温度和有效减少节流损失。

发明内容

为解决现有技术不足，本发明的目的在于提供一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统。

本发明的技术方案是：一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，包括压缩机、冷凝器、第一气液分离器、第二气液分离器、第一蒸发冷凝器和第二蒸发冷凝器；所述压缩机上设有高压排气口、中压吸气口和低压吸气口，所述高压排气口通过冷凝器与所述第一气液分离器的入口连接；第一气液分离器顶部气相出口分离出的低沸点工质依次连接至第一蒸发冷凝器和第二蒸发冷凝器的冷凝侧，并在其中与第一气液分离器底部液相出口分离出的高沸点工质换热，第二蒸发冷凝器输出的低沸点工质连接至第一蒸发器形成第一蒸发温度位，第一蒸发器出口连接至第二气液分离器，第二气液分离器底部液相出口连接至第二蒸发器形成第二蒸发温度位。

进一步优化，所述第一气液分离器底部液相出口分离出的高沸点工质一部分经过第一蒸发冷凝器后连接至第三气液分离器的入口，第三气液分离器底部液相出口连接至第二蒸发冷凝器。

进一步优化，所述第一气液分离器底部液相出口分离出的高沸点工质经第二回热器的高温侧一部分连接至第一蒸发冷凝器，第二蒸发冷凝器输出的高沸点工质经第二回热器的低温侧连接至压缩机的低压吸气口。

进一步优化，所述第二蒸发冷凝器输出的低沸点工质经第一回热器的高温侧连接至第一蒸发器，第二蒸发器输出的低沸点工质经第一回热器的低温侧与输入第二蒸发冷凝器的高沸点工质汇流。

进一步优化，所述第一气液分离器的顶部出口连接有精馏柱，第一气液分离器的底部出口连接第二回热器后分为两条支路，其中一条支路连接至第一蒸发冷凝器另一支路连接至精馏柱，并与第一气液分离器顶部出口输入精馏柱的低沸点工质换热。

进一步优化，第二气液分离器的顶部出口经第四回热器的低温侧与第三气液分离器的顶部出口汇流，之后经第三回热器的低温侧通道连接至压缩机的中压吸气口，第三气液分离器底部液相出口经第四回热器的高温侧连接至第二蒸发冷凝器。

进一步优化，所述精馏柱中设有第一精馏换热器和第二精馏换热器，第一气液分离器顶部出口输出的低沸点工质依次经过第一精馏换热器和第二精馏换热器，第二回热器连接至精馏柱的一条支路经第一精馏换热器与低沸点工质换热后连接至第三回热器高温侧，之后连接至第二精馏换热器与低沸点工质换热。

进一步优化，第二精馏换热器输出的高沸点介质与第二蒸发冷凝器输出的高沸点介质汇流后经第二回热器的低温侧连接至压缩机的低压吸气口。

进一步优化，还包括第一节流部件、第二节流部件、第三节流部件、第四节流部件和第五节流部件，所述第一节流部件设置在第一回热器和第一蒸发器之间，所述第二节流部件设置在第二蒸发器和第二气液分离器之间，所述第三节流部件设置在第二回热器和第一蒸发冷凝器之间，，所述第四节流部件设置在第二蒸发冷凝器和第四回热器之间，所述第五节流部件设置在冷凝器和第一气液分离器之间。

进一步优化，该系统采用的制冷剂为高沸点工质和低沸点工质混合组成的二元或二元以上的非共沸混合工质，所述低沸点工质为R1150、R50、R23等HC或HFC类工质，所述高沸点工质为R134a、R152a、R600、R600a等HC或HFC类工质。

本发明的有益效果为：

采用压缩机梯级压缩的流程结构，使中压混合工质压缩过程能耗低于低压混合工质压缩过程能耗，从而降低压缩机总能耗，第一蒸发器和第二蒸发器串联流程实现了低温冷量梯级利用和低沸点组分的梯级压缩，并满足物质保存对低温温度的多种需求；精馏柱采用两级节流和两级精馏串联流程可以获得更低制冷温度；第一蒸发冷凝器和第二蒸发冷凝器串联结构流程可以实现富含高沸点组分的混合工质的分级汽化和梯级压缩，克服传统的混合工质低温压缩循环制冷效率低的缺陷，节省压缩机耗功量；多级回热器可以回收一部分冷量，进而有效减少节流损失，提高了制冷效率。本发明的优点是减少节流损失、降低压缩机排气温度和平均压缩比，节省高品位电能，满足了多蒸发温度位的低温制冷场合需求，节能效果显著，运行可靠稳定，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记：1、压缩机，2、冷凝器，3、第一气液分离器，4、精馏柱，5、第一精馏换热器，6、第二精馏换热器，7、第一蒸发冷凝器，8、第二蒸发冷凝器，9、第一回热器，10、第一节流部件，11、第一蒸发器，12、第二气液分离器，13、第二节流部件，14、第二蒸发器，15、第二回热器，16、第三节流部件，17、第三气液分离器，18、第四节流部件，19、流量调节阀，20、第三回热器，21、第五节流部件，22、第四回热器。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，包括压缩机1、冷凝器2、第一气液分离器3、精馏柱4、第一精馏换热器5、第二精馏换热器6、第一蒸发冷凝器7、第二蒸发冷凝器8、第一回热器9、第一蒸发器11、第二气液分离器12、第二蒸发器14、第二回热器15、第三回热器20、第四回热器22、第三气液分离器17、第一节流部件10、第二节流部件13、第三节流部件16、第四节流部件18、第五节流部件21和流量调节阀19。

所述压缩机1的高压排气口通过冷凝器2与所述第一气液分离器3的入口连接，使从压缩机1高压排气口出来的高温高压气态混合工质经冷凝器2冷凝放热成高温高压的气液两相混合工质进入所述第一气液分离器3进行闪蒸分离，所述压缩机1中压吸气口通过第三回热器20低温侧通道与所述第三气液分离器3的顶部工质出口连接，使来自所述气液分离器12的气态混合工质与来自所述第三气液分离器17的气态混合工质混合后经第三回热器20低温侧通道换热后进入所述压缩机1中压吸气口，进而被压缩成高温高压的气体，所述压缩机1低压吸气口与所述第二回热器15低温侧通道连接，使来自第二精馏换热器6的气态工质与来自第二蒸发冷凝器8低压侧通道的气态工质混合后经第二回热器15低温侧通道进入所述压缩机1低压吸气口，进而被压缩成高温高压的气体。

所述第一气液分离器3工质入口通过冷凝器2与所述压缩机1高压排气口连接，使来自冷凝器2的高温高压气液两相混合工质在第一气液分离器3中闪蒸分离成富含高沸点组分的液相混合工质和富含低沸点组分的气相混合工质，其中从所述第一气液分离器3顶部工质出口流出的富含低沸点组分的气相混合工质经精馏柱4两次精馏成更高纯度的富含低沸点组分的气相混合工质依次进入第一蒸发冷凝器7高压侧通道和第二蒸发冷凝器8高压侧通道，被两次冷凝成的高压液态混合工质经所述第一回热器9高温侧通道过冷、第一节流部件10节流降压及第一蒸发器11蒸发吸热后进入第二气液分离器12再次闪蒸分离，从所述第二气液分离器12底部工质出口流出的液相混合工质经第二节流部件13再次节流降压、第二蒸发器14蒸发吸热及第一回热器9低温侧通道过热后与来自第三气液分离器17底部工质出口的液相混合工质经第四回热器22换热及第四节流部件18节流降压成的气液两相混合工质混合，混合后的气液两相混合工质进入第二蒸发冷凝器8低压侧通道汽化吸热后经第二回热器15低温侧通道进入所述压缩机1低压吸气口，从所述第一气液分离器3底部工质出口流出的富含高沸点组分的液相混合工质经所述第二回热器15高温侧通道过冷后流入所述第三节流部件16节流降压成较低温度气液两相混合工质，其中第三节流部件16出口的一个支路的气液两相混合工质经所述第一蒸发冷凝器7低压侧通道部分液态工质汽化吸热后进入所述第三气液分离器17进一步闪蒸分离成气相和液相混合工质，从所述第三气液分离器17顶部工质出口流出的气相混合工质与从第二气液分离器12顶部工质出口流出并经第四回热器22换热后的气相混合工质混合后经所述第三回热器20低温侧通道过热后进入压缩机1中压吸气口，进而被所述压缩机1压缩成高温高压气体，第三节流部件16出口的另一个支路的气液两相混合工质经流量调节阀19进入所述第一精馏换热器5部分液态工质汽化吸热后进入第三回热器20高温侧通道部分气相工质冷凝，然后流入第五节流部件21再次节流降温进入第二精馏换热器6汽化吸热成低压气态混合工质后经第二回热器15低温侧通道进入所述压缩机1低压吸气口。

所述第一气液分离器3的作用是使来自冷凝器2的高温高压气液两相混合工质分离为富含低沸点组分的气相混合工质从其顶部工质出口流出和富含高沸点组分的液相混合工质从其底部工质出口流出，所述第二气液分离器12的作用是使来自第一蒸发器11的富含低沸点组分的中压气液两相混合工质闪蒸分离，进一步提纯气相混合工质的浓度，从而获得更低的蒸发温度，所述第三气液分离器17的作用是使来自第一蒸发冷凝器7低温侧通道的富含高沸点组分的中压气液两相混合工质闪蒸分离，进一步提纯高沸点组分工质的浓度，从而减少压缩机耗功。

所述精馏柱4的内部设有第一精馏换热器5和第二精馏换热器6，其目的在于使来自第一气液分离器3顶部工质出口流出的富含低沸点组分的气相混合工质先被具有较低温度的第一精馏换热器5冷却精馏提纯为较高纯度的富含低沸点组分的气相混合工质，再被具有更低温度的第二精馏换热器6进一步冷却精馏提纯成更高纯度的富含低沸点组分的气相混合工质，从而达到更低的制冷温度。

所述压缩机1设有中压吸气口，其利用非共沸混合工质在气液分离器中闪蒸分离成气相和液相混合工质的特点，使得进入压缩机1中压吸气口的气相混合工质具有更高的纯度以及进入蒸发器中的富含低沸点组分的混合工质具有更高的浓度，更好的实现了富含高沸点组分的工质补气和富含低沸点组分的工质进入蒸发器的功能，从而可以有效提升系统蒸发压力，拓宽蒸发器匹配度调节范围，有效减小功耗，进一步增加系统能效。

所述流量调节阀19设置第三节流部件16出口与第一精馏换热器5之间，通过调节阀门开度的大小，进而控制进入到所述压缩机1中压吸气口的富含高沸点组分的工质流量和进入到所述精馏柱4的富含高沸点组分的工质流量，因此可以使系统更好的适应环境温度的变化，从而获得更低的制冷温度，同时也能提高蒸发压力和压缩机的吸气温度，有效减少功耗，实现更节能效果。

所述第一蒸发器11设置在第一节流装置10和第二气液分离器12之间，使来自第一气液分离器3的富含低沸点组分的气相混合工质经过两次冷凝放热、一次过冷及一次节流降压成富含低沸点组分的中压气液两相混合工质进入第一蒸发器11进行等压蒸发，在第一蒸发器11内蒸发吸热，从而实现第一蒸发温度位的低温制冷效果。

所述第二蒸发器14设置在第二节流装置13和第一回热器9之间，使从第一蒸发器11出来的富含低沸点组分的中压气液两相混合工质经第二气液分离器12进一步闪蒸分离后，富含更高纯度的气相混合工质经第二节流部件13再次节流降压成低压气液两相混合工质进入第二蒸发器14内等压蒸发吸热，从而实现第二蒸发温度位的更低温制冷效果。

工作原理为：压缩机1高压排气口出来的高温高压气态混合工质经冷凝器2冷凝放热成高压的气液两相混合工质，进入第一气液分离器3进行闪蒸分离，其中富含高沸点组分的液相混合工质从第一气液分离器3底部流出，从第一气液分离器3顶部流出的富含低沸点组分的气相混合工质进入精馏柱4内被具有较低温度的第一精馏换热器5冷却精馏提纯成较高纯度的富含低沸点组分的气相混合工质，然后被具有更低温度的第二精馏换热器6进一步冷却精馏提纯成更高纯度的富含低沸点组分的气相工质，该气相工质先进入第一蒸发冷凝器7放热被部分冷凝成气液两相工质，再进入第二蒸发冷凝器8放热并被全部冷凝成高压的液态工质，之后，经第一回热器9过冷后进入第一节流部件10节流降压成中压气液两相工质后，在第一蒸发器11中获得-40~-60℃的第一蒸发温度位制冷效果并用于物质冷冻保存，第一蒸发器11出口的气液两相工质进入第二气液分离器12被闪蒸分离成气相和液相两种混合工质，其中，第二气液分离器12顶部出口的气态混合工质经第四回热器22与第三气液分离器17顶部出口的气态混合工质混合后经第三回热器20低温侧换热流路过热后，被压缩机1的中压吸气口吸入压缩成高温高压气体，第二气液分离器12底部出口的液相工质进入第二节流部件13经再次节流降压而变成更低温度的制冷工质进入第二蒸发器14获得-80~-100℃的第二蒸发温度位的低温制冷效果用于物质低温保存，第一气液分离器3底部流出的富含高沸点组分的液相混合工质经第二回热器15高温侧换热流路过冷后，流入第三节流部件16被节流降压成较低温度的气液两相混合工质，其中第三节流部件16出口的一支路的混合工质进入第一蒸发冷凝器7的低温侧通路吸热且部分液态工质汽化，第一蒸发冷凝器7的低温侧通道出口的气液两相混合物进入第三气液分离器17经过闪蒸过程实现气相和液相分离，第三气液分离器17底部出口的液态混合工质经第四回热器22过冷并进入第四节流部件18被二级节流降压成气液两相混合工质后，进入第二蒸发冷凝器8低温侧通道吸热并使从精馏柱4顶部出口高压气态工质完全冷凝成液体，第二蒸发冷凝器8低温侧通道出口的气态工质经第二回热器15低温侧通道从压缩机1低压吸气口被吸入压缩机1内压缩成高温高压气体，第三节流部件16出口的另一支路的混合工质经流量调节阀19进入第一精馏换热器5，部分液态工质吸热汽化，第一精馏换热器5出口的气液两相混合工质经第三回热器20高温侧通道实现部分气相工质被冷凝成液体，然后经过第五节流部件21被二级节流降温进入第二精馏换热器6吸热汽化而使得精馏柱4的低沸点组分气态工质被二级提纯，之后第二精馏换热器6出口的低压气态混合工质通过第二回热器15低温侧换热流路过热后从压缩机1低压吸气口被吸入压缩机1内压缩成高温高压气体，自此，完成了一个完整的循环。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，其特征在于，包括压缩机（1）、冷凝器（2）、第一气液分离器（3）、第二气液分离器（12）、第一蒸发冷凝器（7）和第二蒸发冷凝器（8）；所述压缩机（1）上设有高压排气口、中压吸气口和低压吸气口，所述高压排气口通过冷凝器（2）与所述第一气液分离器（3）的入口连接；第一气液分离器（3）顶部气相出口分离出的低沸点工质依次连接至第一蒸发冷凝器（7）和第二蒸发冷凝器（8）的冷凝侧，并在其中与第一气液分离器（3）底部液相出口分离出的高沸点工质换热，第一气液分离器（3 ）底部液相出口分离出的高沸点工质经第二回热器（15）的高温侧一部分连接至第一蒸发冷凝器（7），第二蒸发冷凝器（8）输出的高沸点工质经第二回热器（15）的低温侧连接至压缩机（1）的低压吸气口，第二蒸发冷凝器（8）输出的低沸点工质经第一回热器（9）的高温侧连接至第一蒸发器（11）形成第一蒸发温度位，第二蒸发器（14）输出的低沸点工质经第一回热器（9）的低温侧与输入第二蒸发冷凝器（8）的高沸点工质汇流；

第一蒸发器（11）出口连接至第二气液分离器（12），第二气液分离器（12）底部液相出口连接至第二蒸发器（14）形成第二蒸发温度位;第二气液分离器（12）的顶部出口经第四回热器（22）的低温侧与第三气液分离器（17）的顶部出口汇流，之后经第三回热器（20）的低温侧通道连接至压缩机（1）的中压吸气口，第三气液分离器（17）底部液相出口经第四回热器（22）的高温侧连接至第二蒸发冷凝器（8）；

还包括第一节流部件（10）、第二节流部件（13）、第三节流部件（16）、第四节流部件（18）和第五节流部件（21），所述第一节流部件（10）设置在第一回热器（9）和第一蒸发器（11）之间，所述第二节流部件（13）设置在第二蒸发器（14）和第二气液分离器（12）之间，所述第三节流部件（16）设置在第二回热器（15）和第一蒸发冷凝器（7）之间，所述第四节流部件（18）设置在第二蒸发冷凝器（8）和第四回热器（22）之间，所述第五节流部件（21）设置在冷凝器（2）和第一气液分离器（3）之间。

2.如权利要求1所述的一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，其特征在于，所述第一气液分离器（3）底部液相出口分离出的高沸点工质一部分经过第一蒸发冷凝器（7）后连接至第三气液分离器（17）的入口，第三气液分离器（17）底部液相出口连接至第二蒸发冷凝器（8）。

3.如权利要求1所述的一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，其特征在于，所述第一气液分离器（3）的顶部出口连接有精馏柱（4），第一气液分离器（3）的底部出口连接第二回热器（15）后分为两条支路，其中一条支路连接至第一蒸发冷凝器（7），另一支路连接至精馏柱（4），并与第一气液分离器（3）顶部出口输入精馏柱（4）的低沸点工质换热。

4.如权利要求3 所述的一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，其特征在于，所述精馏柱（4）中设有第一精馏换热器（5）和第二精馏换热器（6），第一气液分离器（3）顶部出口输出的低沸点工质依次经过第一精馏换热器（5）和第二精馏换热器（6），第二回热器（15）连接至精馏柱（4）的一条支路经第一精馏换热器（5）与低沸点工质换热后连接至第三回热器（20）高温侧，之后连接至第二精馏换热器（6）与低沸点工质换热。

5.如权利要求4所述的一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，其特征在于，第二精馏换热器（6）输出的高沸点介质与第二蒸发冷凝器（8）输出的高沸点介质汇流后经第二回热器（15）的低温侧连接至压缩机（1）的低压吸气口。

6.根据权利要求1所述一种双蒸发温度位的低温混合工质制冷系统，其特征在于，该系统采用的制冷剂为高沸点工质和低沸点工质混合组成的二元或二元以上的非共沸混合工质，所述低沸点工质为R1150、R50、R23，所述高沸点工质为R134a、R152a、R600、R600a。

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