CN1321300C - Co2蒸汽－固体颗粒制冷系统 - Google Patents

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Abstract

一种制冷技术领域的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统。本发明制冷工质为二氧化碳，其中，压缩机出口与冷却器进口相连，冷却器出口与节流阀进口相连，节流阀出口与气液分离器进口相连，气液分离器有两个出口，气液分离器顶部气相出口与高压流量调节阀进口相连，气液分离器底部液体出口与可调喷嘴主进口相连，高压流量调节阀出口与低压流量调节阀出口汇合后与可调喷嘴中间进口相连，可调喷嘴出口与升华器进口相连，升华器出口分成两路，一路与压缩机进口相连，另一路与低压流量调节阀进口相连，温度传感器安装在升华器出口，其信号控制可调喷嘴。本发明实现了固态制冷剂在系统中的输运，降低了供冷温度，有利于提高系统性能，且环保性好。

Description

CO2蒸汽-固体颗粒制冷系统
技术领域
本发明涉及的是一种制冷技术领域的系统，特别是一种CO2蒸汽-固体颗粒制冷系统。
背景技术
CO2是一种自然存在的物质，性质稳定，对于环境没有破坏作用，因此可以在压缩式制冷系统中作为制冷剂使用。在现有的压缩式系统中，CO2以气态、液态或气液混合的形式在制冷系统中流动。由于CO2三相点温度为-56.8℃，低于三相点温度将形成固体CO2，即干冰，因此上述采用CO2为制冷剂的制冷系统的最低蒸发温度必须高于三相点温度为-56.8℃，一般不低于-55℃。如果需要制取更低的温度，则必须解决固体CO2制冷的问题。
经对现有技术的公开文献检索发现，A.V.Rozhentsev发表于Proceedings of19th International congress of refrigeration，1995，Theme 3，Equipment andProcesses：176-183(1995年第19届国际制冷会议论文集，专题3：装置和过程176-183)的论文“A throttle-sublimation refrigerating machine using the solidcoolant with changeable porous structure”(采用可变多孔结构固态冷却剂的节流升华制冷机)介绍了将二氧化碳气液固三相混合物置于低温箱中分层，与热源进行换热来产生冷量的方法。在这种装置中，固体二氧化碳不发生流动，制冷量很小，仅在0.5W～16W之间。
为了制取较大的冷量，就需要持续不断地供应固体二氧化碳，要求固体二氧化碳在系统中不断流动，但固体输运困难，容易堵塞管道，为此需要提出新的制冷系统结构。
发明内容
本发明的目的在于针对CO2最低蒸发温度不能低于三相点的问题，提供一种CO2蒸汽-固体颗粒制冷系统，使其利用二氧化碳蒸汽-固体颗粒两相混合物升华制冷，供冷温度降低，实现了固态制冷剂的有效输运。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括压缩机、冷却器、节流阀、气液分离器、高压流量调节阀、可调喷嘴、升华器、低压流量调节阀、温度传感器。连接方式为：压缩机出口与冷却器进口相连，冷却器出口与节流阀进口相连，节流阀出口与气液分离器进口相连，气液分离器有两个出口，气液分离器顶部气相出口与高压流量调节阀进口相连，气液分离器底部液体出口与可调喷嘴主进口相连，高压流量调节阀出口与低压流量调节阀出口汇合后与可调喷嘴中间进口相连，可调喷嘴出口与升华器进口相连，升华器出口分成两路，一路与压缩机进口相连，一路与低压流量调节阀进口相连，温度传感器安装在升华器出口，可调喷嘴的控制信号与升华器出口温度传感器相连。
本发明制冷工质采用CO2。当系统工作时，压缩机吸收CO2蒸汽，并将它压缩到高压，接着高压高温的CO2流入冷却器冷却。冷却后的高压CO2流体经节流阀节流到一个中间压力(稍高于三相点压力)，进入气液分离器。从气液分离器底部排出的CO2饱和液体进入可调喷嘴，与升华器出口管路分流到低压流量调节阀的饱和CO2蒸汽以及高压流量调节阀出口的CO2混合，混合后的气液两相混合物降压变成均匀的固体颗粒，经扩压段喷射而出。而从气液分离器顶部排出的饱和蒸汽经高压流量调节阀再次节流降压，与压缩机进口管路分流而来的饱和CO2蒸汽混合流入可调喷嘴。可调喷嘴出口的气体-固体颗粒两相流，进入升华器与管外的热源进行换热。升华器进口流体中所有的固体颗粒均沉积在管内表面，且与管外热源进行充分的热交换而被完全升华，升华器出口的CO2为升华压力下的饱和蒸汽。部分升华器出口饱和蒸汽被压缩机吸入压缩到高压，另一部分通过低压流量调节阀被引射到可调喷嘴里。升华器出口管路上安装的温度传感器信号，控制可调喷嘴，调节可调喷嘴中形成的固体颗粒大小。
可调喷嘴将气液分离器底部的液体通过降压至三相压力以下来产生CO2固体颗粒，并根据温度传感器的温度信号调节喷嘴的截面积或其他参数，改变形成的固体颗粒大小。可调喷嘴的工作压力在6～7bar。
升华器用来取代蒸发器提供所需要的冷量。热源在管外流动放热给管内沉积的CO2固体颗粒，固体颗粒吸热升华。升华器由一系列并列的突扩管道构成，上游的管道内径小而短，下游管道内径大而长。在正常运行时，固体颗粒的沉积和升华达到平衡，速率相同，管内壁上有一薄层沉积的固体颗粒。
本发明与现有的气液相变制冷系统相比，具有显著的特点和积极效果。第一，采用气液分离器、可调喷嘴、升华器以及低压流量调节阀和高压流量调节阀代替了原来的蒸发器，降低了供冷温度；第二，利用喷嘴的引射作用将升华器出口蒸汽通过低压流量调节阀和气液分离器出口饱和蒸汽通过高压流量调节阀引射到可调喷嘴，降低了气固两相流中固体的含量，有效避免了固体的大量沉积和管道堵塞，实现了固态制冷剂的有效输运；第三，提高了制冷系统的能效比；第四，采用自然工质二氧化碳作为制冷剂，不破坏臭氧层，环保性好。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图中，1为压缩机，2为冷却器，3为节流阀，4为气液分离器，5为高压流量调节阀，6为可调喷嘴，7为升华器，8为低压流量调节阀，9为温度传感器。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：压缩机1、冷却器2、节流阀3、气液分离器4、高压流量调节阀5、可调喷嘴6、升华器7、低压流量调节阀8、温度传感器9。连接方式为：压缩机1出口与冷却器2进口相连，冷却器2出口与节流阀3进口相连，节流阀3出口与气液分离器4进口相连，气液分离器4有两个出口，气液分离器4顶部气相出口与高压流量调节阀5进口相连，气液分离器4底部液体出口与可调喷嘴6主进口相连，高压流量调节阀5出口与低压流量调节阀8出口汇合后与可调喷嘴6中间进口相连，可调喷嘴6出口与升华器7进口相连，升华器7出口分成两路，一路与压缩机1进口相连，另一路与低压流量调节阀8进口相连。温度传感器9设置在升华器7出口，其控制信号与可调喷嘴6相连。
本发明制冷工质采用CO2。当系统工作时，压缩机1吸收CO2蒸汽，并将它压缩到高压，接着高压高温的CO2流入冷却器2冷却。冷却后的高压CO2流体经节流阀3节流到一个中间压力(稍高于三相点压力)，进入气液分离器4。从气液分离器4底部排出的CO2饱和液体进入可调喷嘴6，与升华器7出口管路分流到低压流量调节阀8的饱和CO2蒸汽以及高压流量调节阀5出口的CO2混合，混合后的气液两相混合物降压变成均匀的固体颗粒，经可调喷嘴6扩压段喷射而出。而从气液分离器4顶部排出的饱和蒸汽经高压流量调节阀5再次节流降压，与从压缩机1进口管路分流而来并流过低压流量调节阀8的CO2蒸汽混合，流入可调喷嘴6。可调喷嘴6出口的气体-固体颗粒两相流，进入升华器7与管外的热源进行换热。升华器7进口流体中所有的固体颗粒均沉积在管内表面，且与管外热源进行充分的热交换而被完全升华，升华器7出口的CO2为升华压力下的饱和蒸汽。部分升华器7出口饱和蒸汽被压缩机1吸入压缩到高压，另一部分通过低压流量调节阀8被引射到可调喷嘴6里。升华器7出口管路上安装的温度传感器9的信号，用以控制可调喷嘴6的截面积，调节可调喷嘴6中形成的固体颗粒大小。
可调喷嘴6将气液分离器4底部的液体通过降压至三相压力以下来产生CO2固体颗粒，并根据温度传感器9的温度信号调节可调喷嘴6的面积或其他参数，使形成的固体颗粒大小改变。可调喷嘴6的工作压力在6～7bar，其流动截面调节范围为全开截面积的50％～100％。
升华器7用来取代蒸发器提供所需要的冷量。热源在管外流动放热给管内沉积的CO2固体颗粒，固体颗粒吸热升华。升华器7由一系列并列的突扩管道构成，上游的管道内径小而短，下游管道内径大而长。在正常运行时，固体颗粒的沉积和升华达到平衡，速率相同，管内壁上有一薄层沉积的固体颗粒。升华器7采用壳管式换热器。
温度传感器9采用铂电阻式温度传感器，测量范围为-80～50℃。
高压流量调节阀5、低压流量调节阀8可采用针阀。

Claims (8)

1、一种CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，包括：压缩机(1)、气体冷却器(2)、节流阀(3)、气液分离器(4)、其特征在于，还包括：高压流量调节阀(5)、可调喷嘴(6)、升华器(7)、低压流量调节阀(8)、温度传感器(9)，制冷工质采用CO2，压缩机(1)出口与冷却器(2)进口相连，冷却器(2)出口与节流阀(3)进口相连，节流阀(3)出口与气液分离器(4)进口相连，气液分离器(4)有两个出口，气液分离器(4)顶部气相出口与高压流量调节阀(5)进口相连，气液分离器(4)底部液体出口与可调喷嘴(6)主进口相连，高压流量调节阀(5)出口与低压流量调节阀(8)出口汇合后与可调喷嘴(6)中间进口相连，可调喷嘴(6)出口与升华器(7)进口相连，升华器(7)出口分成两路，一路与压缩机(1)进口相连，另一路与低压流量调节阀(8)进口相连，温度传感器(9)设置在升华器(7)出口，其信号与可调喷嘴(6)相连。
2、如权利要求1所述的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，其特征是，温度传感器(9)的温度信号用以控制可调喷嘴(6)的截面积，调节可调喷嘴(6)中形成的固体颗粒大小。
3、如权利要求1或者2所述的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，其特征是，可调喷嘴(6)，其流动截面调节范围为全开截面积的50％~100％。
4、如权利要求1或者2所述的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，其特征是，可调喷嘴(6)的工作压力在6~7bar。
5、如权利要求1所述的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，其特征是，升华器(7)由突扩管道构成，上游的管道内径小而短，下游管道内径大而长。
6、如权利要求1或者5所述的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，其特征是，升华器(7)采用壳管式换热器。
7、如权利要求1所述的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，其特征是，温度传感器(9)采用铂电阻式温度传感器，测量范围为-80~50℃。
8、如权利要求1所述的CO2蒸汽—固体颗粒制冷系统，其特征是，高压流量调节阀(5)、低压流量调节阀(8)采用针阀。
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