CN1752663A - 热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置。驱动模块制冷剂蒸汽出口经冷凝器与组分分离模块相连，驱动模块溶液出口经溶液热交换器与气体吸收器相连；组分分离模块一个出口经回热器高压通道、蒸发器、回热器低压通道、换热器后与气体吸收器相连，组分分离模块另一出口与回热器低压出口相连；气体吸收器出口与贮液器入口相连；贮液器气体出口经换热器分成两个支路，一支路经第一流量控制阀后与组分分离模块相连，另一支路经第二流量控制阀后与回热器高压通道出口相连；贮液器液体出口经溶液热交换器与驱动模块溶液入口相连。本发明采用低品位能源，可以达到0～－80℃深度制冷。该装置无运动部件，性能可靠，运行稳定，无噪声，无振动。

Description

热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置
技术领域
本发明涉及制冷装置，尤其涉及一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置。
背景技术
常规的热能驱动制冷装置，如吸收制冷机或热泵采用溴化锂或氨水作为工质，已经得到了较为广泛的应用，但存在不少缺点，例如溴化锂溶液的腐蚀性、氨水的毒性、易爆性等。特别是制冷温度不低是它的一个突出的缺陷。用溴化锂水溶液作为工质，不管热源温度多高，冷却水温度多低，其理论极限制冷温度为0℃；用氨水作工质，其最低制冷温度也只能达到-40℃左右。制冷温度不低大大限制了它的应用范围，特别是在既有大量余热又需冷冻的场合。一方面大量余热白白浪费掉，另一方面又要消耗高品位的电能来实现冷冻，这对目前用电紧张的局面十分不利。此外，由于装置中存在泵等运动部件，工作时不可避免的产生振动和噪声，因此不适用于那些对噪声有严格要求的场合，例如医院、宾馆、会议厅等。显然，如果有一种制冷装置，在热源温度不是很高的条件下，就能实现深度冷冻，同时其中没有运动部件，不会产生振动和噪声，则这样的制冷装置必定具有十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置。
热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置：驱动模块制冷剂蒸汽出口经冷凝器与组分分离模块冷凝物入口相连，驱动模块溶液出口经溶液热交换器与气体吸收器溶液入口相连；组分分离模块低沸点组分出口经回热器高压通道、蒸发器、回热器低压通道、换热器后与气体吸收器气体入口相连，组分分离模块高沸点组分出口与回热器低压出口相连；气体吸收器出口与贮液器入口相连；贮液器气体出口经换热器分成两个支路，换热器一个支路经第一流量控制阀后与组分分离模块平衡气体入口相连，换热器另一个支路经第二流量控制阀后与回热器高压通道出口相连；贮液器液体出口经溶液热交换器与驱动模块溶液入口相连。
本发明用低品位能源，如余热、废热、地热、太阳能等驱动，通过该装置就可以达到0～-80℃范围的深度制冷。该装置无运动部件，性能可靠，运行稳定，无噪声，无振动，适用于既有热源又需要深度冷冻的场合，特别适用于对环境噪声有严格要求的场合。
附图说明
图1是热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置结构示意图；
图2是本发明实施例1结构示意图；
图3是本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置中的驱动模块1制冷剂蒸汽出口经冷凝器2与组分分离模块3冷凝物入口相连，驱动模块1溶液出口经溶液热交换器11与气体吸收器9溶液入口相连；组分分离模块3低沸点组分出口经回热器4高压通道、蒸发器7、回热器4低压通道、换热器8后与气体吸收器9气体入口相连，组分分离模块3高沸点组分出口与回热器4低压出口相连；气体吸收器9出口与贮液器10入口相连；贮液器10气体出口经换热器8分成两个支路，换热器一个支路经第一流量控制阀5后与组分分离模块3平衡气体入口相连，换热器另一个支路经第二流量控制阀6后与回热器4高压通道出口相连；贮液器10液体出口经溶液热交换器11与驱动模块1溶液入口相连。
驱动模块1具有热能驱动器12、提升管13和第一气液分离器14；热能驱动器12上端出口与提升管13下端入口相连接，提升管13上端出口连接到第一气液分离器14中。
组分分离模块3具有第二气液分离器15和冷凝蒸发器16；第二气液分离器15液相出口与冷凝蒸发器16低压通道入口相连，第二气液分离器气相出口与冷凝蒸发器16高压通道入口相连，第一流量控制阀5出口与冷凝蒸发器16低压通道入口相连。
组分分离模块3具有精馏装置17和冷凝蒸发器18；精馏装置17液相出口与冷凝蒸发器18低压通道入口相连，精馏装置气相出口与冷凝蒸发器18高压通道入口相连，第一流量控制阀5出口与冷凝蒸发器18低压通道入口相连。
装置所用的制冷剂为二元或二元以上的混合制冷剂，吸收剂为能吸收这些制冷剂的溶剂，平衡气体为密度小，与制冷剂、吸收剂不发生反应、不溶于吸收剂的气体。二元或二元以上的混合制冷剂为R23、R32、R134a中的两种或三种的混合物。能吸收这些制冷剂的溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)溶液。密度小，与制冷剂、吸收剂不发生反应、不溶于吸收剂的气体为氢气或氦气。
如图2所示，实施例1采用R134a(沸点为-26℃)和R23(沸点为-81℃)混合物作为制冷剂，二甲基甲酰胺(DMF)为吸收剂，氦气为平衡气体。在该方案中驱动模块1由热能驱动器12、提升管13和第一气液分离器14组成，组分分离模块3由第二气液分离器15和冷凝蒸发器16及管路组成。
本实施例有三个主要回路组成：制冷剂回路、溶液回路和平衡气体回路。
在制冷剂回路中，混合制冷剂在热能驱动器12中被加热逸出，同时推动溶液在提升管13中提升，进入第一气液分离器14。经过第一气液分离器14的分离后，混合制冷剂蒸气进入到冷凝器2中被冷却介质冷却，部分制冷剂被冷凝成液体。然后，这些气液混合制冷剂进入第二气液分离器15中分离，分离后的气态部分主要为低沸点的制冷剂R23和少量高沸点的制冷剂R134a，液态部分主要为高沸点的制冷剂R134a和少量低沸点的制冷剂R23。液态制冷剂向第一流量控制阀5中流出的平衡气体氦气中扩散后和气态制冷剂在冷凝蒸发器16中换热，使得液态制冷剂蒸发，气态制冷剂冷凝。冷凝后的制冷剂(主要组分为R23)在回热器4中与蒸发器7流出的氦气和制冷剂的混合气体换热后向第二流量控制阀6中流出的氦气中扩散，进入蒸发器7蒸发吸热制冷。流出蒸发器7的混合气体经回热器4换热后与冷凝蒸发器16中流出的被蒸发的制冷剂(主要组分为R134a)和氦气的混合气体混合，然后，在换热器8中与从贮液器10顶部流出的平衡气体氦换热，接着进入气体吸收器9中被溶液吸收。吸收了制冷剂的浓溶液经过溶液热交换器11与从第一气液分离器14流出的稀溶液换热后流到热能驱动器12中。
在溶液回路中，从第一分离器14中流出的稀溶液在溶液热交换器11中与从贮液器10中流出的浓溶液换热后流回到气体吸收器9中，吸收制冷剂。吸收后的浓溶液经过贮液器10、溶液热交换器11后流入到热能驱动器12中。加热，从其中逸出的制冷剂蒸气推动溶液上升，经过提升管13，进入到第一气液分离器14中。
在平衡气体回路中，含有平衡气体氦气的混合气体进入气体吸收器9，其中制冷剂被稀溶液吸收，不溶的氦气进入贮液器10。由于密度很小，氦气从贮液器10的顶部流出，经过换热器8后分成两个支路，分别通过第一流量控制阀5、第二流量控制阀6和第二气液分离器15底部出口、回热器4高压通道出口的制冷剂混和，发生扩散。
上述所说的热能驱动器、冷凝器、蒸发器、气体吸收器、回热器、换热器以及溶液热交换器都为热交换器，它们可以是沉浸式或喷淋式，可以是列管式也可以是套管式或其他形式，其换热管可以是普通管也可以是强化管。
提升管主要起到提升溶液，驱动溶液循环的作用，可以是一般金属管，也可为耐压软管。
贮液器与普通制冷装置中贮液器相类似。
两个流量控制阀的作用是控制两个支路平衡气体的量，从而控制扩散后制冷剂的分压力，它们可以是毛细管、自动或手动阀门。
冷凝蒸发器为一热交换器，其高压侧为低沸点含量高的气相制冷剂在其中放热冷却并冷凝成液体，其低压侧为高沸点含量高的气液两相制冷剂在其中蒸发吸热气化。它可以是沉浸式或喷淋式，可以是列管式也可以是套管式或其他形式，其换热管可以是普通管也可以是强化管。
气液分离器的作用是将进入其中的混合物分离，低沸点的以气态从其顶部流出，高沸点的以液态从其底部流出。
由于组分分离模块中采用了气液分离器，因此，该实施方案结构简单，但制冷温度不够低。
如图3所示，实施例2采用R134a(沸点为-26℃)和R23(沸点为-81℃)混合物作为制冷剂，DMF(二甲基甲酰胺)为吸收剂，氦气为平衡气体。在该方案中驱动模块1由热能驱动器12、提升管13和第一气液分离器14组成，组分分离模块3由精馏装置17和冷凝蒸发器18及管路组成。
本实施例的其他内容与实施例1相同。
由于组分分离模块中采用了精馏装置，本实施例能实现较低温度的深度冷冻，但结构略复杂。

Claims (8)

1.一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于，驱动模块(1)制冷剂蒸汽出口经冷凝器(2)与组分分离模块(3)冷凝物入口相连，驱动模块(1)溶液出口经溶液热交换器(11)与气体吸收器(9)溶液入口相连；组分分离模块(3)低沸点组分出口经回热器(4)高压通道、蒸发器(7)、回热器(4)低压通道、换热器(8)后与气体吸收器(9)气体入口相连，组分分离模块(3)高沸点组分出口与回热器(4)低压出口相连；气体吸收器(9)出口与贮液器(10)入口相连；贮液器(10)气体出口经换热器(8)分成两个支路，换热器一个支路经第一流量控制阀(5)后与组分分离模块(3)平衡气体入口相连，换热器另一个支路经第二流量控制阀(6)后与回热器(4)高压通道出口相连；贮液器(10)液体出口经溶液热交换器(11)与驱动模块(1)溶液入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于所说的驱动模块(1)具有热能驱动器(12)、提升管(13)和第一气液分离器(14)；热能驱动器(12)上端出口与提升管(13)下端入口相连接，提升管(13)上端出口连接到第一气液分离器(14)中。
3.根据权利要求1所述的一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于所说的组分分离模块(3)具有第二气液分离器(15)和冷凝蒸发器(16)；第二气液分离器(15)液相出口与冷凝蒸发器(16)低压通道入口相连，第二气液分离器气相出口与冷凝蒸发器(16)高压通道入口相连，第一流量控制阀(5)出口与冷凝蒸发器(16)低压通道入口相连。
4.根据权利要求1所述的一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于所说的组分分离模块(3)具有精馏装置(17)和冷凝蒸发器(18)；精馏装置(17)液相出口与冷凝蒸发器(18)低压通道入口相连，精馏装置气相出口与冷凝蒸发器(18)高压通道入口相连，第一流量控制阀(5)出口与冷凝蒸发器(18)低压通道入口相连。
5.根据权利要求1所述的一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于装置所用的制冷剂为二元或二元以上的混合制冷剂，吸收剂为能吸收这些制冷剂的溶剂，平衡气体为密度小，与制冷剂、吸收剂不发生反应、不溶于吸收剂的气体。
6.根据权利要求5所述的一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于所述的二元或二元以上的混合制冷剂为氢氯氟烃混合物、氢氟烃混合物、氢氯氟烃和氢氟烃混合物。
7.根据权利要求5所述的一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于所述的能吸收这些制冷剂的溶剂为四甘醇二甲基醚或二甲基甲酰胺或二乙基甲酰胺。
8.根据权利要求5所述的一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，其特征在于所述的密度小，与制冷剂、吸收剂不发生反应、不溶于吸收剂的气体为氢气或氦气。
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