CN116202248B - 一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法，包括压缩机、第一气液分离器和第二气液分离器；所述压缩机高压排气口的制冷剂工质经过冷凝后形成气液两相混合工质，且高压排气口一端与第一气液分离器的工质进口相连；第一气液分离器，用于将所述压缩机排出的制冷剂工质分离为低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质；第二气液分离器，用于对所述第一气液分离器排出冷凝后的气液两相混合工质进行分离，其中第二气液分离器的工质进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连；本发明通过两台或多台并联压缩机或串联压缩机或一台分级压缩机，实现混合工质组分的梯级压缩，降低压缩机能耗和压缩机排气温度。

Description

一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法

技术领域

本发明属于混合工质低温制冷技术，具体涉及一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法。

背景技术

自复叠制冷循环通过单台压缩机应用混合制冷工质实现内部复叠循环制冷，获得-40℃ —-200℃范围的低温制冷温度，特别适用于小型低温装置。由于采用一台压缩机实现复叠制冷，其结构简单，低温端无运动部件，运行性能可靠，具有使用寿命长、成本低廉等特点，广泛应用于低温实验环境、气体液化与分离、生命科学及低温医疗、真空冷冻干燥和微电子等领域。传统自复叠制冷因压缩机吸气压力低，压比较大，导致制冷效率较低。此外，随着蒸发温度的降低，压缩机的吸气压力下降，压缩比升高，压缩机效率降低，从而导致该制冷循环制冷性能系数和制冷量显著降低。其主要原因是因为低沸点组分作为制冷流体不能有效的分离，而制冷流体中低沸点组分的存在大大降低了蒸发压力，导致压缩比增加，性能降低。为了解决该问题，可以通过采用精馏装置实现混合工质的有效分离，但普遍存在的问题是当环境温度升高，精馏效果会变差，要求较为苛刻。

发明内容

为解决上述系统所存在的不足，本发明旨在提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法，本发明通过两台或多台并联压缩机或串联压缩机或一台分级压缩机，实现混合工质组分的梯级压缩，降低压缩机能耗和压缩机排气温度；通过实现对不同组分的梯级压缩，降低压缩机能耗，该系统节能效果显著，运行可靠稳定。

本发明的目的之一是提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统，包括压缩机、第一气液分离器和第二气液分离器；

所述压缩机包括低压吸气口、中压吸气口和高压排气口，其中高压排气口的制冷剂工质经过冷凝后形成气液两相混合工质，且高压排气口一端与第一气液分离器的工质进口相连；

第一气液分离器，用于将所述压缩机排出的制冷剂工质分离为低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质；第一气液分离器的底部液体出口分为第一支路和第二支路，两个支路的高沸点组分液体工质均通过节流装置节流降压后排出，第一气液分离器的顶部气体出口排出的低沸点组分气态工质冷凝为气液两相混合工质；

第二气液分离器，用于对所述第一气液分离器排出冷凝后的气液两相混合工质进行分离，其中第二气液分离器的工质进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连；

第二气液分离器的顶部气体出口与所述第二支路的出口并连后，将制冷剂工质最终汇入压缩机的低压吸气口；

第二气液分离器的底部液体出口与所述第一支路的出口并连后，将制冷剂工质最终汇入压缩机的中压吸气口。

作为优选方案，还包括第一蒸发冷凝器，所述第一蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热管道和低压侧换热管道，高压侧换热管道的进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连，高压侧换热管道的制冷剂出口与第二气液分离器的底部液体出口相连；

低压侧换热管道的进口分别与第二气液分离器的底部液体出口、第一支路的出口相连，低压侧换热通道的出口与第一分凝器的进口相连；所述第一分凝器的出口与压缩机的中压吸气口相连。

作为优选方案，所述第一分凝器设置在第一气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第一气液分离器的气相工质进行精馏提纯，从而提高气相工质中低沸点组分的纯度。

作为优选方案，还包括第二蒸发冷凝器，所述第二蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热通道和低压侧换热通道，所述第二蒸发冷凝器的高压侧换热通道的进口与第二气液分离器的顶部气体出口相连；

所述第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道进口通过第二节流装置与第二气液分离器的底部液体出口相连，用于提供第二气液分离器流出的顶部气体出口排出的气相工质冷凝所需要的冷量；第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道出口与第一蒸发冷凝器的低压侧换热通道的进口相连。

作为优选方案，还包括第二分凝器，所述第二分凝器设置在第二气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第二气液分离器的气相工质进行精馏提纯，提高气相组分中低沸点组分的纯度。

作为优选方案，还包括第一回热器，所示第一回热器包括能够实现换热的低压侧管道和高压侧通道，其中第一回热器的低压侧管道进口与第二分凝器的出口相连，第一回热器的低压侧管道出口与所述压缩机的低压吸气口相连，第一回热器的高压侧管道的进口与所述压缩机的高压排气口一端相连，用于回收压缩机所排出的制冷剂工质的热量。

作为优选方案，还包括第二回热器，所述第二回热器包括能够实现换热的低压侧通道和高压侧通道，其中第二回热器的高压侧通道的进口与所述第二蒸发冷凝器的高压侧通道出口相连，第二回热器的高压侧通道出口、第三节流装置、蒸发器和第二回热器的低压侧通道进口依次串联。

作为优选方案，所述第二分凝器的进口共接有两个支路，其中一支路通过第四节流装置与第一气液分离器的底部液体出口相连，另一支路与第二回热器的低压侧通道出口相连。

作为优选方案，所述压缩机为多级压缩机，包括低压吸气口、中压吸气口和高压排气口；

或；所述压缩机包括两个并联设置的单级压缩机，其中一个单级压缩机的进气口为低压吸气口，另一个单级压缩机的进气口为中压吸气口，两个单级压缩机的高压排气口并联设置，

或；所述压缩机包括两个串联设置的单级压缩机，其中一个单级压缩机的进气口为低压吸气口，另一个单级压缩机的进气口为中压吸气口，其中具有低压吸气口的单级压缩机的排气口与另一单级压缩机的中压吸气口串联。

本发明的目的之二是提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统的制冷循环方法，具体步骤如下：

步骤一、所述压缩机的高压排气口排出的高温高压过热制冷剂蒸汽进入冷凝器实现冷凝而成为气液两相混合物，该气液两相混合物流入第一回热器被进一步冷却而使气相中的低沸点组分被冷凝成液体，并进一步流入第一气液分离器进行闪蒸分离，分离成富含低沸点组分的气相混合工质和富含高沸点组分的液相混合工质；

步骤二、第一气液分离器底部液相出口流出的液相混合工质分为两支路，第一气液分离器底部液相出口所流出的一部分液相混合工质经第一节流装置节流降压成较低温度、较低压力的制冷剂，先后流入第一蒸发冷凝器和第一分凝器被梯级利用，第二气液分离器所流出的液相混合工质经第二节流装置节流降压成低温低压制冷剂后，依次经过第二蒸发冷凝器、第一蒸发冷凝器和第一分凝器被梯级利用；且第一气液分离器流出的液相混合工质和第二气液分离器所流出的液相混合工质混合后，依次进入第一蒸发冷凝器和第一分凝器，并在较高蒸发压力下实现对第一气液分离器顶部所流出的气相混合工质所含的低沸点组分的梯级精馏和梯级冷凝过程，然后被吸入压缩机的中压吸气口进行低压缩比的压缩过程；

步骤三、第二气液分离器顶部气体出口所流出的低沸点组分气相混合工质先经第二蒸发冷凝器被冷凝成制冷剂液体，再流入第二回热器成过冷液体，经第三节流装置节流降压成低温低压制冷剂在蒸发器内低温制冷，从而完成第一级低温冷量利用，然后依次进入第二回热器、第二分凝器和第一回热器实现冷量梯级利用；第一气液分离器流出的另一部分液相混合工质经第四节流装置节流降压成低温低压的制冷剂，并先后流入第二分凝器和第一回热器实现冷量梯级利用；第一气液分离器流出的部分液相混合工质和第二气液分离器所流出的低沸点组分的气相混合工质混合后进入第二分凝器，在低蒸发压力下实现对第二气液分离器顶部所流出的气相混合工质所含的低沸点组分的冷量梯级利用和梯级精馏，所形成的气相混合工质被吸入压缩机的低压吸气口完成高压缩比的压缩过程。

本发明至少具有如下有益效果：

其一、本发明通过多级冷凝和分凝技术提高低沸点组分纯度，从而获取更低的制冷温度，通过冷量梯级利用提升系统能效比，达到节省高品位电能目的。通过第一气液分离器和第二气液分离器对混合工质组分实现分离和提纯；通过第一分凝器与第二分凝器实现低沸点组分的梯级提纯。该系统的流程结构通过耦合工作能实现低沸点组分梯级冷凝、低沸点组分的梯级精馏和分级蒸发压力下冷量的梯级利用效果，从而提升系统能效比，获得更低的制冷温度。

其二、优化了制冷循环工艺；通过结合上述特定的制冷系统的结构，实现了对不同组分的梯级压缩，能够有效降低压缩机能耗，具体分析如下：通过两台或多台并联压缩机或串联压缩机或一台分级压缩机，实现混合工质组分的梯级压缩，降低压缩机能耗和压缩机排气温度；采用两台并联的压缩机或具有第一吸气口和第二吸气口的多级压缩机或两台串联的压缩机，使来自两个气液分离器底部的富含高沸点组分的混合工质只通过压缩机的中压吸气口，来实现低压缩比的压缩过程，使来自气液分离器顶部的富含低沸点组分的混合工质以及小部分来自气液分离器底部的富含高沸点组分的混合工质流入压缩机的低压吸气口，来实现高压缩比的压缩过程，从而实现混合工质组分的梯级压缩过程，降低压缩机能耗。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

附图标记：1、压缩机，1a、第一压缩机、1b、第二压缩机，2、冷凝器，3、第一回热器，4、第一气液分离器，5、第一节流装置，6、第一蒸发冷凝器，7、第一分凝器，8、第二气液分离器，9、第二节流装置，10、第二蒸发冷凝器，11、第二回热器，12、第三节流装置，13、蒸发器，14、第四节流装置，15、第二分凝器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统，包括第一压缩机1a、第二压缩机1b、冷凝器2、第一回热器3、第一气液分离器4、第一节流装置5、第一蒸发冷凝器6、第一分凝器7、第二气液分离器8、第二节流装置9、第二蒸发冷凝器10、第二回热器11、第三节流装置12、蒸发器13、第四节流装置14、第二分凝器15；第一压缩机1a与第二压缩机1b排气口并联连接通过第一回热器3高压侧通道连接至第一气液分离器4，在第一气液分离器4内完成对低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质的分离。本发明包括两个环路，分别为高压环路与低压环路。富含高沸点组分的液态工质从第一气液分离器4底部流出经第一支路与从第二气液分离器8底部流出的高沸点液态工质经第二蒸发冷凝器10蒸发侧混合，依次过第一蒸发冷凝器6蒸发侧与第一分凝器7后，再进入第一压缩机1a的吸气口形成高压环路；低压环路通过第一气液分离器4顶部出口经第一蒸发冷凝器6冷凝侧进入第二气液分离器8，再经第二气液分离器8顶部出口过第二回热器10冷凝侧、第二回热器11的高压侧和第三节流装置12后进入蒸发器13，后与第一气液分离器4底部流出高沸点液态工质经第二支路排出混合后流入第二分凝器15，后进入第二压缩机1b吸气口形成低压环路。

本方案中，第一压缩机1a、第二压缩机1b并联排气口过冷凝器2与第一回热器3的冷凝侧连接，第一回热器3连接至第一气液分离器4。在第一气液分离器4内完成含低沸点组分气态工质和含高沸点组分液态工质的第一次分离。第一气液分离器4顶部分离出的气态工质进入第一蒸发冷凝器6冷凝侧连接至第二气液分离器8，在第二气液分离器8内进行气液态高低沸点制冷剂的第二次分离。第二气液分离器8底部出口的高沸点液态制冷剂过第二蒸发冷凝器10的蒸发侧，与第一气液分离器4底部出口的第一支路高沸点工质混合过第一蒸发冷凝器6蒸发侧和第一分凝器7，第一分凝器7与第一压缩机1a吸气口连接。第二气液分离器8顶部分离出的低沸点气态工质流经第二蒸发冷凝器10冷凝侧，进入第二回热器11冷凝侧后流入第三节流装置12后进入蒸发器13。蒸发器13出口的低沸点工质通过第二回热器11蒸发侧与第一气液分离器4底部出口第二支路的高沸点工质混合，进入第二分凝器15与第一回热器3蒸发侧连接至第二压缩机1b的吸气口。

本方案，还包括第一节流装置5，第二节流装置9，第三节流装置12，第四节流装置14，第一节流装置5和第四节流装置14分别设置在第一气液分离器4底部出口的第一支路与第二支路上；第三节流装置12设置在第二回热器11高压侧通道与蒸发器13的进口之间。第二节流装置9设置在第二气液分离器8底部出口和第二蒸发冷凝器10的蒸发侧通道进口之间。

本方案中，第二回热器11低压通道出口与第四节流装置14出口并联后，再与第二分凝器15的入口相连。

本实施例，第一分凝器7设置在第一气液分离器4内部且位于液面上方空间，用于对第一气液分离器4中的气相工质进行精馏提纯；第二分凝器15设置在第二气液分离器8内部且位于液面上方空间，用于对第二气液分离器8的气相工质进行精馏提纯。

如图1所示，第一压缩机1a、第二压缩机1b并联排气口排出的高温高压的气态混合工质经冷凝器2和第一回热器3冷凝侧换热成为高压的两相态混合工质进入气液分离器4进行闪蒸分离，通过第一气液分离器4分离成富含低沸点组分（70%以上）的气相混合工质以及富含高沸点组分的液相混合工质。气液分离器4逸出的高压气相工质通过第一蒸发冷凝器6冷凝侧与来自第一气液分离器4底部流经第一节流装置5的大部分液相工质和第二气液分离器8底部的液相工质混合进入第一蒸发冷凝器6蒸发侧通道的制冷剂工质进行换热预冷，用以降低从第一气液分离器4中逸出的富含低沸点组分的气相混合工质温度以气液两相的状态进入第二气液分离器8，从而来实现气液两相工质的而第二次分离。气液分离器4底部的液态工质与第二气液分离器8底部富含高沸点的液态工质节流降压过后混合进入第一蒸发冷凝器6低压侧通道，从而用于冷却第一气液分离器4逸出进入第一蒸发冷凝器6的气相工质，随后制冷剂工质再由第一蒸发冷凝器6的低压侧通道进入第一分凝器7。第一分凝器7对第一气液分离器4中的气相工质进行精馏提纯，提高气相组分中低沸点组分的纯度，同时气相组分中的高沸点组分被冷却为液相流至第一气液分离器4底部，来实现二元非共沸工质的高效分离与预冷，从第一分凝器7排出至第一压缩机1a的吸气口，完成高压环路的循环。

第一气液分凝器4的制冷剂工质经过第一分凝器7的精馏提纯和气液相态的分离后，低沸点的制冷剂工质经过顶部出口进入第一蒸发冷凝器6冷凝侧后实现冷凝，并以气液两相状态进入第二气液分离器8，该两相工质通过第二气液分离器8实现第二次的气液相态的分离，分离后富含高沸点的液态工质进入第二蒸发冷凝器10蒸发侧通道后，与第一气液分离器4底部大部分液相混合工质经第一节流装置5节流降压后，两者混合进入第一蒸发冷凝器6的蒸发侧通道吸收第一气液分离器4顶部逸出气相制冷剂的热量进入第一分凝器7，最后进入第一压缩机1a的吸气口。第二气液分离器8顶部逸出的富含低沸点组分气体进入第二蒸发冷凝器10，实现与第二气液分离器8底部经第二节流装置节流降压流出的富含高沸点组分的液态制冷剂换热，第二蒸发冷凝器10的冷凝侧通道连接至第二回热器11冷凝侧（高压侧通道），利用第二气液分离器8中高沸点组分的节流降压来吸收低沸点组分气体热量。富含低沸点组分的气液两相的高压制冷剂进入第二回热器11冷凝侧换热成为饱和液体，从第二回热器11流出的富含低沸点组分的饱和液体经过第三节流装置12节流降压，流入蒸发器13进行蒸发吸热的过程最后变成低压的两相态制冷剂，后连接至第二回热器11的蒸发侧（低压侧通道），用以吸收进入蒸发器13之前制冷剂的热量，确保第二蒸发冷凝器10的冷凝侧排出的制冷剂在第二回热器11中能够冷却成为饱和或过冷液体。从第一气液分离器4底部流出的高沸点制冷剂通过第二支路与从第二回热器11中低压侧通道出来的制冷剂混合连接至第二压缩机1b的吸气口，至此低压环路完成。

本方案，第二回热器11出口与第一气液分离器4底部流出小部分液相混合工质经第四节流装置14节流降压后的高沸点制冷剂混合后连接至第二分凝器15，为第二气液分离器8所闪蒸分离95%以上低沸点组分含量的气相混合工质的第二级精馏提供冷量，气相组分中的高沸点组分被冷凝流至第二气液分离器8底部流出，从而进一步提高了气相组分中低沸点组分的浓度，第二分凝器15连接至第一回热器3蒸发侧，用以冷却第一压缩机1a,第二压缩机1b并联排气口排出的高温高压的制冷剂蒸汽，随后进入第二压缩机1b的低压吸气口。

本方案，第三节流装置12设置在第二回热器11与蒸发器13之间，经第二回热器11冷凝侧流出的饱和或过冷液体经过第三节流装置12节流降压后成为低温低压的低沸点液态工质后，流入蒸发器13，经第三节流装置12的降压作用能使得蒸发器获得更低的制冷温度。第一节流装置5与第二节流装置9通过对第一气液分离器4，第二气液分离器8底部高沸点制冷剂的节流降压，混合后通过第一蒸发冷凝器6吸收第一蒸发冷凝器6中冷凝侧中气态组分的热量，后通过第一分凝器7精馏提纯第一气液分离器4中的低沸点组分。第四节流装置14对第一气液分离器4底部小部分液相混合工质的节流降压，与第二回热器11中排出的低沸点组分混合以后，进入第二分凝器15进一步精馏提纯第二气液分离器8中的低沸点组分。

本方案的工作原理为：低压缩比的第一压缩机1a、高压缩比的第二压缩机1b所排出的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器2实现对混合工质的部分冷凝成为气液两相混合物，该两相混合物流入第一回热器3被进一步冷却来使得气相中的低沸点组分被部分冷凝成液体，随后进入第一气液分离器4进行闪蒸分离过程，分离成富含低沸点组分（70%以上）的气相混合工质与富含高沸点组分的液相混合工质，其中，第一气液分离器4流出的大部分液相混合工质经第一节流装置5节流降压成为较低温度、较低压力的制冷剂流入第一蒸发冷凝器6，来为第一气液分离器4顶部逸出的气相混合工质提供冷凝效果，第一气液分离器4流出的小部分液相混合工质经第四节流装置14节流降压成为低温、低压的制冷剂后流入第二分凝器15，为第二气液分离器8所闪蒸分离的95%以上的低沸点组分含量的气相混合工质的二级精馏提供冷量；第一气液分离器4逸出的富含低沸点组分的气象制冷剂经第一蒸发冷凝器6后部分冷凝流入第二气液分离器8，进行二级的闪蒸分离过程，第二气液分离器8流出的液相混合工质（低沸点含量高于第一气液分离器4流出的液相混合工质中的低沸点组分含量）经第二节流装置9节流降压成低温低压的制冷剂，进入第二蒸发冷凝器10来提供第二气液分离器8流出的气相工质（低沸点组分含量高于99.5%）冷凝所需要的冷量，第一气液分离器4中流出的大部分液相混合工质经第二节流装置9节流降压成低温低压制冷剂，依次通过第二蒸发冷凝器10、第一蒸发冷凝器6和第一分凝器7被三级（梯级）利用，第一气液分离器4流出的大部分液相混合工质和第二气液分离器8所流出的液相混合工质在较高蒸发压力下实现对第一气液分离器4所流出的气相混合工质所含的低沸点组分的梯级精馏和梯级冷凝过程，然后被吸入第一压缩机1a进行低压缩比的压缩过程；第二气液分离器8所流出的低沸点组分含量高于99.5%的气相混合工质先经第二蒸发冷凝器10被冷凝成液体，再流入第二回热器11成过冷液体，经第三节流装置12节流降压成低温低压制冷剂在蒸发器13内实现-150——-80℃低温制冷，从而完成第一级低温冷量利用，然后依次进入第二回热器11、第二分凝器15和第一回热器3实现冷量第二级、第三级和第四级梯级利用；第一气液分离器4流出的小部分液相混合工质经第四节流装置14节流降压成低温低压的制冷剂先后流入第二分凝器15和第一回热器3实现冷量梯级利用；第一气液分离器4流出的小部分液相混合工质和第二气液分离器8所流出的低沸点组分含量高于99.5%的气相混合工质冷凝成的液体在低蒸发压力下实现对冷量梯级利用和梯级精馏，所形成的气相混合工质被吸入第二压缩机1b完成高压缩比的压缩过程，至此循环完成。

实施例2

如图2所示，本发明提供一种混合工质多级分离低温制冷系统，包括：压缩机1、冷凝器2、第一回热器3、第一气液分离器4、第一节流装置5、第一蒸发冷凝器6、第一分凝器7、第二气液分离器8、第二节流装置9、第二蒸发冷凝器10、第二回热器11、第三节流装置12、蒸发器13、第四节流装置14和第二分凝器15。

为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处，本实施例与实施例1的区别在于，如图2所示，多级压缩机1上设有高压排气口、低压吸气口和中压吸气口，多级压缩机1高压排气口通过第一回热器3高压侧连接至第一气液分离器4，在第一气液分离器4内完成对低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质的分离。富含高沸点组分的液态工质大部分从第一气液分离器4底部流出经第一节流装置5与从第二气液分离器8底部流出的高沸点液态工质混合后经第二蒸发冷凝器10蒸发侧，然后过第一蒸发冷凝器6蒸发侧与第一分凝器7，进入压缩机1中压吸气口；第一气液分离器4顶部出口经第一蒸发冷凝器6冷凝侧进入第二气液分离器8实现第二次气液分离，经第二气液分离器8顶部出口过第二蒸发冷凝器10冷凝侧后，再经第二回热器11、第三节流装置12进入蒸发器13，后与第一气液分离器4底部流出的小部分高沸点液态工质经第二支路混合后，过第二分凝器15，然后进入压缩机1的低压吸气口。

实施例3

如图3所示，本发明提供一种混合工质多级分离低温制冷系统，包括第一压缩机1a、第二压缩机1b、冷凝器2、第一回热器3、第一气液分离器4、第一节流装置5、第一蒸发冷凝器6、第一分凝器7、第二气液分离器8、第二节流装置9、第二蒸发冷凝器10、第二回热器11、第三节流装置12、蒸发器13、第四节流装置14、第二分凝器15；为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处，本实施例与实施例1的区别在于，如图3所示，压缩机为分级压缩机，包括首尾相连的第一压缩机1a和第二压缩机1b，第二压缩机1b排气口通过第一回热器3高压侧连接至第一气液分离器4，在第一气液分离器4内完成对低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质的分离。第一气液分离器4顶部出口经第一蒸发冷凝器6冷凝侧进入第二气液分离器8，经第二气液分离器8顶部出口过第二蒸发冷凝器10冷凝侧，再经第二回热器11、第三节流装置12进入蒸发器13，后与第一气液分离器4底部流出的小部分高沸点液态工质经第二节流装置14混合经第二分凝器15，随后进入第一压缩机1a吸气口。富含高沸点组分的液态工质大部分从第一气液分离器4底部流出，经第一节流装置5与从第二气液分离器8底部流出的高沸点液态工质经混合第二蒸发冷凝器10蒸发侧，并依次通过第一蒸发冷凝器6蒸发侧与第一分凝器7，与第一压缩机1a的排气口制冷剂工质混合后进入第二压缩机1b的吸气口。

本发明中，该系统采用的工质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，所述低沸点组分为R1150、R50、R170、R23等HC或HFC类工质一种或以上，所述高沸点组分为R134a、R152a、R600、R600a等HC或HFC类工质的一种。

本发明还提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统的循环方法，以实施例1为例，第一压缩机1a为低压缩比的压缩机，第二压缩机1b为高压缩比的压缩机，第一压缩机1a和第二压缩机1b所排出的高温高压过热制冷剂蒸汽进入冷凝器2实现混合工质部分冷凝而成为气液两相混合物，该气液两相混合物流入第一回热器3被进一步冷却而使气相中的低沸点组分部分被冷凝成液体，并进入第一气液分离器4进行闪蒸分离，分离成富含低沸点组分（70%以上）的气相混合工质和富含高沸点组分的液相混合工质，第一气液分离器4流出的大部分液相混合工质经第一节流装置5节流降压成较低温度、较低压力的制冷剂流入第一蒸发冷凝器6，为第一气液分离器4顶部所流出的气相混合工质冷凝提供冷量，第一气液分离器4流出的小部分的液相混合工质经第四节流装置14节流降压成低温、低压的制冷剂流入第二分凝器15，为第二气液分离器8所闪蒸分离的95%以上低沸点组分含量的气相混合工质的第二级精馏提纯提供冷量，第二气液分离器8所流出的液相混合工质（低沸点组分含量高于第一气液分离器4所流出的液相混合工质的低沸点组分含量）经第二节流装置9节流降压成低温低压制冷剂，并进入第二蒸发冷凝器10提供第二气液分离器8所流出的气相工质（低沸点组分含量高于99.5%）冷凝所需的冷量，第一气液分离器4流出的大部分液相混合工质经第一节流装置5节流降压成较低温度、较低压力的制冷剂冷量先后，流入第一蒸发冷凝器6和第一分凝器7被梯级利用，第二气液分离器8所流出的液相混合工质经第二节流装置9节流降压成低温低压制冷剂，再依次第二蒸发冷凝器10、第一蒸发冷凝器6和第一分凝器7被三级（梯级）利用，第一气液分离器4流出的大部分液相混合工质和第二气液分离器8所流出的液相混合工质在较高蒸发压力下实现对第一气液分离器4所流出的气相混合工质所含的低沸点组分的梯级精馏和梯级冷凝过程，然后被吸入第一压缩机1a进行低压缩比的压缩过程；第二气液分离器8所流出的低沸点组分含量高于99.5%的气相混合工质先经第二蒸发冷凝器10被冷凝成液体，再流入第二回热器11成过冷液体，经第三节流装置12节流降压成低温低压制冷剂在蒸发器13内实现-150—-80℃℃低温制冷，从而完成第一级低温冷量利用，然后依次进入第二回热器11、第二分凝器15和第一回热器3实现冷量第二级、第三级和第四级梯级利用；第一气液分离器4流出的小部分液相混合工质经第四节流装置14节流降压成低温低压的制冷剂先后流入第二分凝器15和第一回热器3实现冷量梯级利用；第一气液分离器4流出的小部分液相混合工质和第二气液分离器8所流出的低沸点组分含量高于99.5%的气相混合工质冷凝成的液体在低蒸发压力下实现对冷量梯级利用和梯级精馏，所形成的气相混合工质被吸入第二压缩机1b完成高压缩比的压缩过程。对于实施例2和实施例3的结构，其循环制冷原理与实施例1的大致原理相同，本处不再一一赘述。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。在文中对本发明进行了详细的阐述说明，本领域专业技术人员应当能够实现或使用本发明，并在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中做出各种变形与改进，而这些改进仍处于本发明的权利要求范围中。

Claims (3)

1.一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：包括压缩机、第一回热器、第一蒸发冷凝器、第一气液分离器、第一分凝器、第二气液分离器、第二分凝器、第二蒸发冷凝器、第二回热器和蒸发器；

所述压缩机包括低压吸气口、中压吸气口和高压排气口，其中高压排气口的制冷剂工质经过冷凝后形成气液两相混合工质，且高压排气口一端与第一气液分离器的工质进口相连；

第一气液分离器，用于将所述压缩机排出的制冷剂工质分离为低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质；第一气液分离器的底部液体出口分为第一支路和第二支路，两个支路的高沸点组分液体工质均通过节流装置节流降压后排出，第一气液分离器的顶部气体出口排出的低沸点组分气态工质冷凝为气液两相混合工质；所述第一分凝器设置在第一气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第一气液分离器的气相工质进行精馏提纯，从而提高气相工质中低沸点组分的纯度；

所述第一蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热管道和低压侧换热管道，高压侧换热管道的进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连，高压侧换热管道的制冷剂出口与第二气液分离器的进口相连；低压侧换热管道的进口分别与所述第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道出口、所述第一支路的出口相连，低压侧换热通道的出口与第一分凝器的进口相连；所述第一分凝器的出口与压缩机的中压吸气口相连；

第二气液分离器，用于对所述第一气液分离器排出冷凝后的气液两相混合工质进行分离，第二气液分离器的顶部气体出口与所述第二支路的出口并连后，将制冷剂工质最终汇入压缩机的低压吸气口；第二气液分离器的底部液体出口经第二蒸发冷凝器的低压侧换热管道与所述第一支路的出口并连后，将制冷剂工质依次经第一蒸发冷凝器的低压侧换热管道、第一分凝器后最终汇入压缩机的中压吸气口；所述第二分凝器设置在第二气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第二气液分离器的气相工质进行精馏提纯，提高气相组分中低沸点组分的纯度；所述第二分凝器的进口共接有两个支路，其中一支路通过第四节流装置与所述第二支路相连，另一支路与第二回热器的低压侧通道出口相连；

所述第二蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热通道和低压侧换热通道，所述第二蒸发冷凝器的高压侧换热通道的进口与第二气液分离器的顶部气体出口相连；所述第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道进口通过第二节流装置与第二气液分离器的底部液体出口相连，用于提供第二气液分离器流出的顶部气体出口排出的气相工质冷凝所需要的冷量；

所述第一回热器包括能够实现换热的低压侧管道和高压侧通道，其中第一回热器的低压侧管道进口与第二分凝器的出口相连，第一回热器的低压侧管道出口与所述压缩机的低压吸气口相连，第一回热器的高压侧管道的进口与所述压缩机的高压排气口一端相连，用于回收压缩机所排出的制冷剂工质的热量；

所述第二回热器包括能够实现换热的低压侧通道和高压侧通道，其中第二回热器的高压侧通道的进口与所述第二蒸发冷凝器的高压侧通道出口相连，第二回热器的高压侧通道出口、第三节流装置、蒸发器和第二回热器的低压侧通道进口依次串联。

2.根据权利要求1所述的一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：所述压缩机为多级压缩机，包括低压吸气口、中压吸气口和高压排气口；

或；所述压缩机包括两个并联设置的单级压缩机，其中一个单级压缩机的进气口为低压吸气口，另一个单级压缩机的进气口为中压吸气口，两个单级压缩机的高压排气口并联设置，

或；所述压缩机包括两个串联设置的单级压缩机，其中一个单级压缩机的进气口为低压吸气口，另一个单级压缩机的进气口为中压吸气口，其中具有低压吸气口的单级压缩机的排气口与另一单级压缩机的中压吸气口串联。

3.根据权利要求1或2所述的一种混合工质多级分离的低温制冷系统的制冷循环方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、所述压缩机的高压排气口排出的高温高压过热制冷剂蒸汽进入冷凝器实现冷凝而成为气液两相混合物，该气液两相混合物流入第一回热器被进一步冷却而使气相中的低沸点组分被冷凝成液体，并进一步流入第一气液分离器进行闪蒸分离，分离成富含低沸点组分的气相混合工质和富含高沸点组分的液相混合工质；

步骤二、第一气液分离器底部液相出口流出的液相混合工质分为两支路，第一气液分离器底部液相出口所流出的一部分液相混合工质经第一节流装置节流降压成较低温度、较低压力的制冷剂，先后流入第一蒸发冷凝器和第一分凝器被梯级利用，第二气液分离器所流出的液相混合工质经第二节流装置节流降压成低温低压制冷剂后，依次经过第二蒸发冷凝器、第一蒸发冷凝器和第一分凝器被梯级利用；且第一气液分离器流出的液相混合工质和第二气液分离器所流出的液相混合工质混合后，依次进入第一蒸发冷凝器和第一分凝器，并在较高蒸发压力下实现对第一气液分离器顶部所流出的气相混合工质所含的低沸点组分的梯级精馏和梯级冷凝过程，然后被吸入压缩机的中压吸气口进行低压缩比的压缩过程；

步骤三、第二气液分离器顶部气体出口所流出的低沸点组分气相混合工质先经第二蒸发冷凝器被冷凝成制冷剂液体，再流入第二回热器成过冷液体，经第三节流装置节流降压成低温低压制冷剂在蒸发器内低温制冷，从而完成第一级低温冷量利用，然后依次进入第二回热器、第二分凝器和第一回热器实现冷量梯级利用；第一气液分离器流出的另一部分液相混合工质经第四节流装置节流降压成低温低压的制冷剂，并先后流入第二分凝器和第一回热器实现冷量梯级利用；第一气液分离器流出的部分液相混合工质和第二气液分离器所流出的低沸点组分的气相混合工质混合后进入第二分凝器，在低蒸发压力下实现对第二气液分离器顶部所流出的气相混合工质所含的低沸点组分的冷量梯级利用和梯级精馏，所形成的气相混合工质被吸入压缩机的低压吸气口完成高压缩比的压缩过程。