CN114659377A - 一种气体冷凝回收系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体冷凝回收系统及控制方法。气体冷凝回收系统包括一级制冷系统、二级制冷系统和回收管路系统，压力维持阀使得一级蒸发器内的蒸发温度高于0℃，一级制冷系统内流动的第一制冷剂和二级制冷系统内流动的第二制冷剂不同，使得二级蒸发器内的蒸发温度低于一级蒸发器内的蒸发温度，气体通过回收管路系统依次经过一级蒸发器和二级蒸发器，在一级蒸发器内除湿，二级蒸发器内分离出VOCs。气体冷凝回收系统通过先除湿后分离的双级制冷方式，在除去VOCs的同时能够缓解蒸发器结霜结冰现象，在结霜结冰后通过融霜管路和融冰管路进行快速节能的除霜除冰，并且在两级制冷系统之间设置蒸发冷凝器形成了复叠制冷，节省了制冷能耗。

Description

一种气体冷凝回收系统及控制方法

技术领域

本发明涉及环境保护及有害气体分离处理领域，尤其涉及一种气体冷凝回收系统及控制方法。

背景技术

VOCs（volatile organic compounds）是挥发性有机物的简称，存在于多种工厂尾气、设备尾气中，对环境和人体会造成危害。目前广泛采用地回收气体中VOCs的方法之一是冷凝法，其原理是通过对包含VOCs的气体进行降温，使得气体中的VOCs结露冷凝并与其他成分分离，形成液体再回收利用。

目前市场上所用的制冷系统在运行使用过程中经常遇到容易结霜的难题。其主要原因是包含VOCs的气体成分一般比较复杂，内含一定比例的湿空气、烷类、烯烃类等多种成分。为了冷凝分离出VOCs，冷侧的温度一般需要低于-40℃，在冷却的过程中，湿空气中的水分就会在换热器（蒸发器）上结霜。冷侧的温度与进气温度的温差越大，进气的相对湿度越高，就越容易快速结霜。结霜结冰以后会增加换热器的传热热阻，降低换热效果及制冷量，使得换热器的出口温度及冷凝量达不到要求，甚至引起整个制冷系统无法正常运行，因此需要定期融霜。但是如果融霜间隔时间太短，融霜持续时间太长，则对冷凝回收过程的持续性与效果产生较大的负面影响，因此工程上通常需要两个分别独立运作的蒸发器切换投入使用，以保障冷凝过程的持续进行及冷凝温度的稳定，但是该种方法造成设备成本高，能耗也高。

基于以上所述，亟需一种气体冷凝回收系统，能够减少结霜现象和实现快速融霜，提升冷凝回收过程的持续性，并降低设备的成本和能耗。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种气体冷凝回收系统，能够长时间地持续进行气体回收，并且具有较低的设备成本与能耗标准。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种气体冷凝回收系统，其特征在于，包括一级制冷系统、二级制冷系统以及回收管路系统；上述一级制冷系统包含依次连接的压力维持阀、一级压缩器、冷凝器、一级节流装置、蒸发冷凝器的蒸发部和一级蒸发器组成的第一制冷剂的循环管路，上述一级蒸发器的蒸发温度为第一预设温度，上述压力维持阀被配置为使得上述第一预设温度高于0℃；上述二级制冷系统包括依次连接的二级压缩器、上述蒸发冷凝器的冷凝部、二级节流装置和二级蒸发器组成的第二制冷剂的循环管路，上述蒸发部与上述冷凝部接触并能够进行热交换，上述二级蒸发器内的蒸发温度为第二预设温度，上述第二预设温度低于上述第一预设温度；上述二级压缩器的排气端与上述二级蒸发器的进气端之间设置有融霜管路，上述融霜管路上设置有融霜电磁阀，上述融霜电磁阀用于控制上述融霜管路的通断；上述回收管路系统包括与上述一级蒸发器连通的进气管和排水管、串联管以及与上述二级蒸发器连通的出气管和排液管，上述串联管连通上述一级蒸发器与上述二级蒸发器；上述排液管上设置有融冰套管，上述二级压缩器与上述融冰套管连通形成融冰管路，上述融冰管路上设置有融冰电磁阀，上述融冰电磁阀用于控制上述融冰管路的通断。

可选地，上述一级制冷系统还包括一级油分离器，上述一级油分离器串联在上述一级压缩器和上述冷凝器之间，上述一级油分离器的第一排油口与上述一级压缩器连通。

可选地，上述一级制冷系统还包括一级储液器和一级过滤器，上述一级储液器和上述一级过滤器串联在上述冷凝器和上述一级节流装置之间。

可选地，上述二级制冷系统还包括二级油分离器，上述二级油分离器串联在上述二级压缩器和上述冷凝部之间，上述二级油分离器的第二排油口与上述二级压缩器连通。

可选地，上述二级制冷系统还包括二级储液器和二级过滤器，上述二级储液器和上述二级过滤器串联在上述冷凝部和上述二级节流装置之间。

可选地，上述一级蒸发器内设置有一级温度传感器，上述二级蒸发器内设置有二级温度传感器。

可选地，上述融冰套管设置有融冰温度传感器。

可选地，上述二级制冷系统还包括膨胀容器和卸荷阀，上述膨胀容器和上述卸荷阀串联，上述膨胀容器和上述卸荷阀的串联管路与上述二级压缩器并联。

可选地，上述进气管上设置有气体进口阀，上述排水管上设置有排水阀，上述出气管上设置有气体出口阀，上述排液管上设置有排液阀。

本发明所提供的气体冷凝回收系统的有益效果在于：通过设置双级制冷系统并在双级制冷系统中设置融霜管路和融冰管路，一方面先用一级制冷系统除去待处理气体中的水分再用二级制冷系统除去VOCs的方式能够减少气体冷凝回收系统中结霜的概率，另一方面通过设置融霜管路和融冰管路能够在该气体冷凝回收系统中出现结霜结冰时进行及时快速地除霜除冰，避免因为频繁的除霜除冰多次中断气体回收的过程，并且由于设置了一体化的蒸发凝结器，使得一级制冷系统为二级制冷系统的放热过程提供冷却，提高了整个系统的能量利用率，也省去了单独为二级制冷设置冷源的设备成本。

本发明的第二个目的在于提供一种控制方法，该控制方法能够控制上述气体冷凝回收系统以避免出现结冰结霜等影响长时间气体冷凝回收的现象。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种控制方法，用于控制上述的气体冷凝回收系统，包括：判断一级蒸发器内的温度是否低于第一预设温度；若上述一级蒸发器内的温度低于上述第一预设温度，减小压力维持阀的开度，否则，增大上述压力维持阀的开度；判断二级蒸发器内是否结霜；若上述二级蒸发器内结霜，打开融霜电磁阀以对上述二级蒸发器进行融霜；判断排液管是否结冰；若上述排液管结冰，打开上述融冰电磁阀进行融冰。

本发明所提供的控制方法的有益效果在于：该控制方法能够控制上述的气体冷凝回收系统先以结露的方式除去待处理气体中的水分，减小后续处理工序中结霜结冰的概率，并且应用该控制方法的气体冷凝回收系统能够快速地除冰除霜，进一步延长气体冷凝回收系统的持续工作时间，保障冷凝过程的持续进行。

附图说明

图1是本发明所提供的气体冷凝回收系统的结构示意图；

图2是本发明所提供的一级制冷系统的结构示意图；

图3是本发明所提供的二级制冷系统的结构示意图；

图4是本发明所提供的二级制冷系统的融霜状态示意图；

图5是本发明所提供的二级制冷系统的融冰状态示意图；

图6是本发明所提供的回收管路系统的结构示意图。

图中：

100、一级制冷系统；101、一级压缩器；102、一级油分离器；103、冷凝器；1031、风冷设备；104、一级储液器；105、一级过滤器；106、一级节流装置；107、蒸发部；108、一级蒸发器；1081、一级温度传感器；109、压力维持阀；

200、二级制冷系统；201、二级压缩器；202、二级油分离器；203、冷凝部；204、二级储液器；205、二级过滤器；206、二级节流装置；207、二级蒸发器；2071、二级温度传感器；208、融霜电磁阀；209、融冰电磁阀；210、融冰套管；2101、融冰温度传感器；211、卸荷阀；212、膨胀容器；

300、回收管路系统；301、气体进口阀；302、排水阀；303、气体出口阀；304、排液阀。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面根据图1至图6介绍本发明所提供的气体冷凝回收系统。

如图1所示，本发明提供了一种气体冷凝回收系统，该气体冷凝回收系统包括一级制冷系统100、二级制冷系统200和回收管路系统300。待处理气体通过回收管路系统300依次流入一级制冷系统100和二级制冷系统200，并在流入一级制冷系统100内后完成部分水分结露，在流入二级制冷系统200完成VOCs结露。

具体地，如图2所示，一级制冷系统100包括包含压力维持阀109、一级压缩器101、冷凝器103、一级节流装置106、一级蒸发器108和蒸发冷凝器的蒸发部107，压力维持阀109、一级压缩器101、冷凝器103、一级节流装置106、一级蒸发器108和蒸发部107通过管路依次首尾连接形成允许第一制冷剂流动的第一回路。待处理气体流入一级蒸发器108内，并在一级蒸发器108内完成热交换后流出一级蒸发器108。一级制冷系统100内的第一制冷剂依次经过一级压缩器101、冷凝器103、一级节流装置106、蒸发部107、一级蒸发器108、压力维持阀109并回流至一级压缩器101中。在此流动过程中，由一级压缩器101排出的高温第一制冷剂在冷凝器103处放热降温，并在蒸发部107和一级蒸发器108内吸热升温，使得一级蒸发器108内的蒸发温度维持在第一预设温度。由于压力维持阀109与一级蒸发器108串联，使得一级蒸发器108内的蒸发温度更稳定地维持在高于0℃的第一预设温度，保证待处理气体在一级蒸发器108内能够持续结露运行而非结霜运行，从而保证进入一级蒸发器108的待处理气体中的水分以结露的方式而非结冰的方式分离，凝结的水在一级蒸发器108中依靠重力的作用克服表面张力持续排放，不仅保证了一级蒸发器108的制冷效果，同时也去除了气体成分中的大部分水分，从而减少了进入二级制冷系统200中的待处理气体中的水分，延长了二级制冷系统200的除霜间隔时间，为二级制冷系统200的工作创造了有利条件。可选地，在本实施例中，如图2所示，冷凝器103处设置有风冷设备1031，该风冷设备1031用于使冷凝器103降温。

如图3所示，二级制冷系统200包括二级压缩器201、蒸发冷凝器的冷凝部203、二级节流装置206和二级蒸发器207，二级压缩器201、冷凝部203、二级节流装置206和二级蒸发器207通过另一管路依次首尾连通形成允许第二制冷剂流动的第二回路。二级制冷系统200内的第二制冷剂依次流过二级压缩器201、冷凝部203、二级节流装置206、二级蒸发器207并回流至二级压缩器201中。二级制冷系统200内的第二制冷剂在流经冷凝部203时向蒸发部107放热降温，在流经二级蒸发器207时吸热升温，使得二级蒸发器207内保持第二预设温度。且第二制冷剂不同于第一制冷剂，使得二级蒸发器207内的第二预设温度低于一级蒸发器108内的第一预设温度，以确保在第二预设温度下，待处理气体中的VOCs能够以结露的方式分离。第二预设温度的大小在此不做限制，根据需求灵活调整。

由于二级蒸发器207内的蒸发温度较低，因此仍然存在结霜的风险，为了能够实现及时除霜，如图4所示，二级压缩器201的排气端与二级蒸发器207的进气端之间设置有融霜管路，该融霜管路中设置有融霜电磁阀208。当二级蒸发器207内出现结霜结冰时，打开融霜电磁阀208使得融霜管路导通，从二级压缩器201排气端流出的高温第二制冷剂得以直接进入二级蒸发器207内，从而使二级蒸发器207内的温度升高、霜冻融化，待融霜完成后再关闭融霜电磁阀208，使得二级蒸发器207内的温度降回至第二预设温度。可选地，当融霜电磁阀208开启时，高温第二制冷剂不再经过冷凝部203降温，有利于提高融霜效率。此外，相较于现有技术中的电加热融霜方式，这种气加热融霜方式与电加热融霜方式相比，不仅更加节能与安全，融霜时间短，融霜效果好，且不必设置额外的电加热设备，使得整个气体冷凝回收系统结构简单，成本较低。

如图6所示，回收管路系统300包括进气管、排水管、串联管、出气管和排液管。其中，进气管和排水管分别与一级蒸发器108连通，出气管和排液管分别与二级蒸发器207连通，串联管将一级蒸发器108和二级蒸发器207串联。待处理气体通过进气管进入一级蒸发器108，并在一级蒸发器108内与第一制冷剂发生热交换，待处理气体中的部分水分结露后通过排水管排出，其余成分通过串联管进入二级蒸发器207，进入二级蒸发器207内的待处理气体与第二制冷剂发生热交换，除湿后的待处理气体中的VOCs结露后通过排液管排出，剩余成分通过出气管排出。

由于从排液管内的剩余气体的温度较低，因此排液管存在结冰的风险，从而导致排液管堵塞。为了避免排液管堵塞，如图5所示，排液管上设置有融冰套管210，二级压缩器201与融冰套管210连通形成融冰管路，融冰管路中设置有融冰电磁阀209以控制该融冰管路是否导通。在本实施例中，当排液管上出现低温结冰的现象后，打开融冰电磁阀209，从二级压缩器201排气端流出的高温第二制冷剂直接通过融冰管路进入融冰套管210，使得融冰套管210带动排液管升温，融化冰霜，待融冰完成后再关闭融冰电磁阀209。

本发明所提供的气体冷凝回收系统通过设置双级制冷系统并在双级制冷系统中设置融霜管路和融冰管路，一方面先用一级制冷系统100除去水分再用二级制冷系统200除去VOCs的方式能够减少气体冷凝回收系统中结霜的概率，另一方面通过设置融霜管路和融冰管路能够在该气体冷凝回收系统中出现结霜结冰时进行及时快速的除霜除冰，并且由于设置了一体化的蒸发冷凝器，使得一级制冷系统100为二级制冷系统200的放热过程提供冷却，提高了整个系统的能量利用率，也省去了单独为二级制冷系统200设置冷源的设备成本。

进一步地，在一级制冷系统100和二级制冷系统200中还设置有油分离器、储液器和过滤器。

在本实施例中，如图2所示，一级制冷系统100还包括一级油分离器102、一级储液器104和一级过滤器105，一级油分离器102串联在一级压缩器101和冷凝器103之间，一级油分离器102的第一排油口与一级压缩器101连通，一级储液器104和一级过滤器105串联在冷凝器103和一级节流装置106之间。如图3所示，二级制冷系统200包括二级油分离器202、二级储液器204和二级过滤器205，二级油分离器202串联在二级压缩器201和冷凝部203之间，二级油分离器202的第二排油口与二级压缩器201连通，二级储液器204和二级过滤器205串联在冷凝部203和二级节流装置206之间。油分离器将压缩器排出的高压蒸汽中的润滑油进行分离，能够保证压缩器安全高效地运行，储液器则在制冷系统中起到贮藏、气液分离、过滤、消音和缓冲制冷剂的作用，过滤器则能够进一步地防止水分或杂质影响到整个制冷系统的正常高效运行。通过在制冷系统中设置油分离器、储液器和过滤器，能够使得整个系统安全高效地运行，防止出现液击、噪音等异常工作现象。

在一些实施例中，参照图3所示，二级制冷系统200还包括膨胀容器212和卸荷阀211，膨胀容器212和卸荷阀211串联，膨胀容器212和卸荷阀211的串联管路与二级压缩器201并联。膨胀容器212具有一定的储液稳压功能，并且在二级压缩器201的排气端压力超过设定值时，卸荷阀211打开使得膨胀容器212泄压，能够进一步保障整个系统的运行安全。

在一些实施例中，参照图6所示，回收管路系统300的进气管上设置有气体进口阀301，排水管上设置有排水阀302，出气管上设置有气体出口阀303，排液管上设置有排液阀304。通过设置气体进口阀301、排水阀302、气体出口阀303和排液阀304，能够更安全更精确地控制待处理气体在回收管路系统300中的流动，以及水分和VOCS从回收管路系统300中流出。

可选地，在本实施例中，第二制冷剂采用R23或R508B，可以在二级蒸发器207中实现温度达到-80℃，满足VOCs中绝大部分非水成分的冷凝需求。

在一些其他实施例中，如图1所示，一级蒸发器108内设置有一级温度传感器1081，二级蒸发器207内设置有二级温度传感器2071，通过温度传感器能够方便快捷地监控一级蒸发器108和二级蒸发器207内的温度是否分别保持在第一预设温度和第二预设温度，也能够及时反馈一级蒸发器108和二级蒸发器207内的结霜结冰情况，方便进行自动化管理。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，融冰套管210设置有融冰温度传感器2101，该融冰温度传感器2101能够及时快速地反馈排液阀304与二级蒸发器207的连通管路上是否结冰，使得融冰电磁阀209能够通过融冰温度传感器2101检测到的温度进行闭环开关动作，与电加热相比，更加节能与安全。

本发明还提供一种用于控制上述实施例中气体冷凝回收装置的控制方法。具体地，控制方法包括：

判断一级蒸发器108内的温度是否低于第一预设温度；

若一级蒸发器108内的温度低于第一预设温度，减小压力维持阀109的开度，否则，增大所述压力维持阀109的开度；

判断二级蒸发器207内是否结霜；

若二级蒸发器207内结霜，打开融霜电磁阀208以对二级蒸发器207进行融霜；

判断排液管是否结冰；

若排液管结冰，打开融冰电磁阀209进行融冰。

通过使用上述控制方法，能够有效的避免和解决气体冷凝回收系统出现的结冰结霜等影响长时间气体冷凝回收的现象。

可选地，在一些具体的实施例中，通过时间控制器，间隔预设时间有选择地控制融霜电磁阀208和/或融冰电磁阀209进行预设时长的开关动作，控制方式更简单。

该控制方法能够控制上述的气体冷凝回收系统先以结露的方式除去待处理气体中的水分，减小后续处理工序中结霜结冰的概率，并且应用该控制方法的气体冷凝回收系统能够快速地融霜和/或融冰，进一步延长气体冷凝回收系统的持续工作时间，保障冷凝过程的持续进行。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体冷凝回收系统，其特征在于，包括一级制冷系统（100）、二级制冷系统（200）以及回收管路系统（300）；

所述一级制冷系统（100）包含依次连接的压力维持阀（109）、一级压缩器（101）、冷凝器（103）、一级节流装置（106）、蒸发冷凝器的蒸发部（107）和一级蒸发器（108）组成的第一制冷剂的循环管路，所述一级蒸发器（108）的蒸发温度为第一预设温度，所述压力维持阀（109）被配置为使得所述第一预设温度高于0℃；

所述二级制冷系统（200）包括依次连接的二级压缩器（201）、所述蒸发冷凝器的冷凝部（203）、二级节流装置（206）和二级蒸发器（207）组成的第二制冷剂的循环管路，所述蒸发部（107）与所述冷凝部（203）接触并能够进行热交换，所述二级蒸发器（207）内的蒸发温度为第二预设温度，所述第二预设温度低于所述第一预设温度；

所述二级压缩器（201）的排气端与所述二级蒸发器（207）的进气端之间设置有融霜管路，所述融霜管路上设置有融霜电磁阀（208），所述融霜电磁阀（208）用于控制所述融霜管路的通断；

所述回收管路系统（300）包括与所述一级蒸发器（108）连通的进气管、排水管和串联管以及与所述二级蒸发器（207）连通的出气管和排液管，所述串联管连通所述一级蒸发器（108）与所述二级蒸发器（207）；

所述排液管上设置有融冰套管（210），所述二级压缩器（201）与所述融冰套管（210）连通形成融冰管路，所述融冰管路上设置有融冰电磁阀（209），所述融冰电磁阀（209）用于控制所述融冰管路的通断。

2.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述一级制冷系统（100）还包括一级油分离器（102），所述一级油分离器（102）串联在所述一级压缩器（101）和所述冷凝器（103）之间，所述一级油分离器（102）的第一排油口与所述一级压缩器（101）连通。

3.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述一级制冷系统（100）还包括一级储液器（104）和一级过滤器（105），所述一级储液器（104）和所述一级过滤器（105）串联在所述冷凝器（103）和所述一级节流装置（106）之间。

4.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述二级制冷系统（200）还包括二级油分离器（202），所述二级油分离器（202）串联在所述二级压缩器（201）和所述冷凝部（203）之间，所述二级油分离器（202）的第二排油口与所述二级压缩器（201）连通。

5.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述二级制冷系统（200）还包括二级储液器（204）和二级过滤器（205），所述二级储液器（204）和所述二级过滤器（205）串联在所述冷凝部（203）和所述二级节流装置（206）之间。

6.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述一级蒸发器（108）内设置有一级温度传感器（1081），所述二级蒸发器（207）内设置有二级温度传感器（2071）。

7.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述融冰套管（210）设置有融冰温度传感器（2101）。

8.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述二级制冷系统（200）还包括膨胀容器（212）和卸荷阀（211），所述膨胀容器（212）和所述卸荷阀（211）串联，所述膨胀容器（212）和所述卸荷阀（211）的串联管路与所述二级压缩器（201）并联。

9.根据权利要求1所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，所述进气管上设置有气体进口阀（301），所述排水管上设置有排水阀（302），所述出气管上设置有气体出口阀（303），所述排液管上设置有排液阀（304）。

10.一种控制方法，用于控制如权利要求1-9中任一项所述的气体冷凝回收系统，其特征在于，包括：

判断一级蒸发器（108）内的温度是否低于第一预设温度；

若所述一级蒸发器（108）内的温度低于所述第一预设温度，减小压力维持阀（109）的开度，否则，增大所述压力维持阀（109）的开度；

判断二级蒸发器（207）内是否结霜；

若所述二级蒸发器（207）内结霜，打开融霜电磁阀（208）以对所述二级蒸发器（207）进行融霜；

判断排液管是否结冰；

若所述排液管结冰，打开所述融冰电磁阀（209）进行融冰。

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