CN202304064U

CN202304064U - 一种无霜空气降温除湿系统

Info

Publication number: CN202304064U
Application number: CN2011203501494U
Authority: CN
Inventors: 孙长建; 殷岳; 李彦军; 杜垲; 周荣辉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-09-19

Abstract

一种无霜空气降温除湿系统，系统包括CO₂储液罐、手动阀、回热器、第一恒压阀、降温蒸发器、第二恒压阀、电磁阀、温度分级控制阀组、气动风扇、CO吸附剂、CO₂吸附剂和CO₂贮存间，液体CO₂经前置回热器回收冷量后经两次节流降温，达到蒸发器不结霜和冷量前置回收的目的，温度分级控制阀组分级调节降温除湿系统中CO₂流量，从而控制降温蒸发器中的蒸发量，以及控制降温除湿系统制冷量，实现分级调节系统负荷和舱内温度，气动风扇驱动救生舱内空气循环，将舱内环境控制在适宜生存的条件。

Description

一种无霜空气降温除湿系统

技术领域

本实用新型涉及制冷及空气调节领域，特别是无电力供应条件下，对极端环境的降温除湿装置及方法，为一种无霜空气降温除湿系统。

背景技术

近年来国内矿难事故频发，且总是伴随着大大小小的伤亡惨剧，矿工的生命安全得不到保障。根据世界各国对矿井事故的调查，在火灾、爆炸等事故发生现场瞬间受到伤害死亡的矿工只占事故伤亡人数的一部分，有相当一部分矿工都是因为在矿井透水或火灾、爆炸后不能及时升井或逃离高温有毒有害气体现场，导致溺水、窒息或中毒死亡的。矿难发生之后，矿井内的通道会因塌方造成堵塞，给救援工作制造难度。而因此进一步导致的井下通风不良、温度逐渐升高以及二氧化碳及有毒有害气体聚集，都时时威胁着被困矿工的生命安全。因此，在矿井下安置无电力驱动的紧急避险设施尤为重要。当矿难发生时，紧急避险设施为无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭空间。此紧急避险救生舱需要能够抵御外部的爆炸冲击、高温烟气，隔绝有毒有害气体；同时，舱体内部还能为被困矿工提供一定的氧气、食物和饮用水，以及各种应急救生工具、药品，同时能够对舱内环境进行降温除湿、除去CO₂以及净化有毒有害气体等空气处理措施，为被困矿工提供生存条件的同时，也最大限度地为救援工作赢得时间。

目前采用CO₂驱动的制冷降温系统，因CO₂节流背压无控制，致使降温蒸发器外表面温度过低而结霜，严重阻碍了系统稳定可靠运行，影响制冷效果，影响热交换，所以必须除霜。现有的除霜方法，一般采用停机进行电热除霜或人工除霜，这两种方法均存在难以接受的的缺陷，如电加热除霜虽然较快，但需要额外的电热来提供加热的热量；人工除霜费时费力；对于救生舱而言，其本身无电力驱动，电加热方式显然不适用于此，并且一旦制冷降温系统停止运行，严重威胁到避难人员的生命安全，因此现有的制冷降温系统对于救生舱而言，如何在无电源、系统要求持续运行的情况下解决结霜是一个必须解决的问题。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：紧急避险救生舱需要对舱内环境进行降温除湿、除去CO₂以及净化有毒有害气体等空气处理，现有CO₂驱动的制冷降温系统存在结霜问题，使得制冷降温系统无法稳定可靠运行，而现有的除霜方式不能满足救生舱的应用需求。

本实用新型的技术方案为：一种无霜空气降温除湿系统，设置在救生舱内部，包括CO₂储液罐、手动阀、回热器、第一恒压阀、降温蒸发器、第二恒压阀、电磁阀、温度分级控制阀组、气动风扇、CO吸附剂、CO₂吸附剂和CO₂贮存间，CO₂储液罐设置在CO₂贮存间内部，液态CO₂存储于储液罐中，所述温度分级控制阀组由多个手动阀并联组成；液态CO₂依次经手动阀、回热器、第一恒压阀，然后进入降温蒸发器，吸收救生舱内热量，蒸发后的气态CO₂经第二恒压阀再输送至回热器中，与由储液罐经手动阀输入的液态CO₂在回热器中换热，换热后的气态CO₂由电磁阀输入温度分级控制阀组，再输出至气动风扇，驱动气动风扇运转，温度分级控制阀组用于控制气态CO₂流量，降温蒸发器、CO吸附剂和CO₂吸附剂设置在气动风扇的风流方向上，气动风扇驱动救生舱内空气循环，使空气流经降温蒸发器、CO吸附剂和CO₂吸附剂；驱动气动风扇后的CO₂气体输送至CO₂贮存间，再由CO₂贮存间的出口排出救生舱；其中液态CO₂在第一恒压阀中节流至3.05±0.05MPa，第二恒压阀对降温蒸发器出口的气态CO₂二次节流至气动风扇所需的驱动压力。

在降温蒸发器的输出口和回热器气态CO₂输出口分别设置有第一安全阀和第二安全阀，第一安全阀与第二恒压阀并联，第二安全阀与电磁阀、温度分级控制阀组、气动风扇并联。

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种无霜空气降温除湿系统及其降温除湿方法，用于对矿井等环境的紧急避险救生舱进行降温除湿，液体CO₂经前置回热器回收冷量后经两次节流降温，达到蒸发器不结霜和冷量前置回收的目的，使制冷降温系统稳定可靠运行。进一步的，可根据对冷量的需求或者救生舱内温度的高低，通过调节温度分级控制阀组个数，来调节系统管路中CO₂的流量与气动风扇的风量，从而控制蒸发器中的蒸发量，达到分级调节系统负荷和舱内温度的目的，同时将舱内环境控制在适宜生存条件之下，为矿难救援争取更长的时间。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型解决了蒸发器的结霜问题：控制一次节流后的液态CO₂为3.05±0.05MPa，使CO₂液体在相变时温度在-5℃以上，蒸发外表面温度在0℃以上，接近0℃，从而根本上避免结霜的发生；二次节流后的气态CO₂在回热器中对储液罐出来的液态CO₂进行过冷，实现冷量前置回收，从而增大了单位制冷量，进而充分利用了所储存CO₂的冷量；本实用新型无霜空气降温除湿系统从根本上避免了制冷系统普遍存在的结霜问题，不需要停机来进行除霜工作，两次节流一方面控制了无霜空气降温除湿系统的制冷温度，避免结霜现象，另一方面使得液态CO₂的冷量彻底完全释放，液态CO₂所释放的冷量总量是一定的，一次性释放容易带来结霜问题，本实用新型通过恒压阀来恒定系统中CO₂的流量，保证系统稳定的进行制冷工作，另外通过回热器实现冷量前置回收，提高了液态CO₂所释放的冷量的利用率；本实用新型无霜空气降温除湿系统也不是简单的对系统中CO₂进行控制，考虑到救生舱的实际需要，无霜空气降温除湿系统的运行应当适应实时环境状态的需要，控制液态CO₂的使用量以使无霜空气降温除湿系统能够工作尽量长的时间，例如人员的数目会影响救生舱中的温度环境，则需要根据避难人员的多少调整降温效果，以免过度降温或降温不足，本实用新型设置了温度分级控制阀组，只需简单的控制温度分级控制阀组中几个手动阀的开闭，即可对气态CO₂的流量进行分级控制，操作便捷，因此本实用新型无霜空气降温除湿系统的运行是动态的，其中CO₂的流量是变化的。本实用新型在动态运行的系统环境下，适应性控制CO₂的压力，从而避免结霜，同时维持系统稳定运行，使制冷系统在救生舱中的应用满足各种实际条件，本实用新型是在对用于救生舱制冷降温除湿方式进行综合考虑和权衡设计后得到的结构及其运行方法。

2、在系统运行过程中，本实用新型的控制系统具有多级可调功能：根据被救生者对冷量的需求或者救生舱内温度的变化，通过调节温度分级控制阀组，控制系统管路中CO₂的流量与气动风扇的风量，从而控制降温蒸发器中的蒸发量，达到分级调节系统负荷和舱内温度的目的，并对救生舱内空气实现降温除湿与净化过滤循环；其次，当系统定负荷运行时，舱内温度低于设定温度时，电磁阀即关闭(此电磁阀有蓄电池供电)，使系统停止运行以阻止温度的继续下降，反之舱内温度高于设定温度时电磁阀则开启。上述两项功能可使定量储存的液态CO₂制冷剂在保证人生命极限情况下达到最长时间的使用，以维持更长的救援时间。

附图说明

图1为本实用新型系统的结构图。

图2为CO₂制冷系统压-焓图。

具体实施方式

下面结合实施例说明本实用新型。

1、系统构成

如图1所示，本实用新型系统设置在救生舱内部，包括CO₂储液罐1、手动阀2、回热器3、第一恒压阀4、降温蒸发器6、第二恒压阀7、电磁阀10、温度分级控制阀组12、气动风扇13、CO吸附剂14、CO₂吸附剂15和CO₂贮存间16。CO₂储液罐1放置在CO₂贮存间16内部，液态CO₂存储于储液罐1中，所述温度分级控制阀组12由多个手动阀并联组成。液态CO₂依次经手动阀2、回热器3、第一恒压阀4，然后进入降温蒸发器6，吸收救生舱内热量，转变为气态CO₂，气态CO₂经第二恒压阀7再输送至回热器3中，与从储液罐1经手动阀2输入的液态CO₂在回热器3中换热，换热后的气态CO₂流经电磁阀10和温度分级控制阀组12后驱动气动风扇13运转，温度分级控制阀组12用于控制气态CO₂流量，以及气动风扇的风量，从而控制降温蒸发器中的蒸发量以及降温除湿系统制冷量，实现分级调节舱内温度；降温蒸发器6、CO吸附剂14和CO₂吸附剂15设置在气动风扇13的风流方向上，气动风扇13驱动救生舱内空气循环，使空气流经降温蒸发器6、CO吸附剂14和CO₂吸附剂15；驱动气动风扇13后的CO₂气体输送至CO₂贮存间16，再由CO₂贮存间16的出口排出救生舱；其中第一恒压阀4对流入的液态CO₂节流，控制CO₂蒸发压力为3.05±0.05MPa，第二恒压阀7对降温蒸发器6流出的气态CO₂进行二次节流，控制恒压阀出口压力为气动风扇所需用的驱动压力，这里的驱动压力根据选用的气动风扇进口压力要求确定。液体CO₂经前置回热器3回收冷量后分别经第一恒压阀4和第二恒压阀7两次节流降温，达到蒸发器不结霜和冷量前置回收的目的。CO₂储液罐1放置在CO₂贮存间16内部，通过排出的CO₂对贮存间16进行降温。

为了保证蒸发器6和回热器3内CO₂气体运行安全可靠，在蒸发器6的出口和回热器3气态CO₂出口分别设置有第一安全阀9和第二安全阀11，第一安全阀9与第二恒压阀7并联，第二安全阀11与电磁阀10、温度分级控制阀组12、气动风扇13并联。当蒸发器6内压力超出设定值时，第一安全阀9自动开启，进行泄压；当回热器3内压力超过设定的可许值时，第二安全阀11自动开启，进行泄压。

第一恒压阀4与蒸发器6之间设有第一压力表5，第二恒压阀7与回热器3之间设有第二压力表8，分别用于观察第一恒压阀4和第二恒压阀7出口处的系统压力。

如图2本实用新型系统压-焓图所示，图2中的字母代表CO₂制冷剂在各个部位的工作状态点，与图1中所标位置相对应。液态CO₂存储于储液罐1中为状态A，打开手动阀2后，状态A的液态CO₂制冷剂流经回热器3，在回热器3中与状态E的气态CO₂进行换热，使液态CO₂过冷为状态B；过冷后液态CO₂由第一恒压阀4节流，成为恒定压力为3.05±0.05MPa的气液两相混合状态C，进入降温蒸发器6后吸收救生舱内热量而气化为状态D；状态D的气态CO₂再由第二恒压阀7节流到驱动气动风扇所需的压力，此时气态CO₂为状态E；状态E的气态CO₂进入回热器3，吸收状态A的液态CO₂的部分显热而温升至状态F；状态F的气态CO₂再流经电磁阀10和温度分级控制阀组12之后，驱动气动风扇13，使救生舱内空气流经CO吸附剂14和CO₂吸附剂15以及降温蒸发器6，实现空气的净化过滤与降温除湿，同时，空气的循环流动使舱内温度更趋于均匀；经过气动风扇13的CO₂气体为状态G，流入CO₂贮存间16，对贮存间16内的CO₂储液罐1进行冷却后排出舱外。

本实用新型系统中第一安全阀9和第二安全阀11所在的旁通管路主要是考虑系统安全稳定的运行。当第二恒压阀7操作不当、调节失灵或出现故障时，会引起降温蒸发器6压力过高；当电磁阀10或温度分级控制阀组12或气动风扇13操作不当、调节失灵或出现故障时，会引起回热器3压力过高。为避免这些现象的发生，系统配置了旁通管路，并由第一安全阀9和第二安全阀11来控制，如设定第一安全阀9入口端压力预设值为3.1MPa，第二安全阀11入口端压力预设值为0.4MPa，当超过预设值，安全阀自动开启，进行泄压。

2、系统控制

1)第一恒压阀4的作用为控制蒸发压力以保证降温蒸发器6表面不结霜。当救生舱内负荷变化后，降温蒸发器6中的液态CO₂气化量会发生相应的变化，第一恒压阀4可根据蒸发压力的高低自动调节其开度，当压力升高时，阀的开度自动减小，反之自动增大，从而通过自动恒定其出口处的压力来调节进入降温蒸发器6的供液量。

2)系统还可以通过温度分级控制阀组12进行人工多级调节。被困人员可根据救生舱内的温度或者人数来调节温度分级控制阀组12，如：系统按救生舱满额12人设计，当舱内负荷较小，例如人数不足满额人数的1/3时，只需开启温度分级控制阀组12中的一个。随着负荷或人数的增加，可逐级开启另两个控制阀；反之则可逐级按开启逆顺序关闭。通过调节温度分级控制阀组12控制系统中CO₂的流量以及气动风机的转速。当调节温度分级控制阀组12动作后，通过第一恒压阀4与第二恒压阀7的连锁控制，使温度分级控制阀组12前压力恒定，同时，随着温度分级控制阀组12逐个开启，阀后压力升高，致使流经气动风扇13的CO₂流量增大，其转速提高、风量增大。最终，降温蒸发器6中CO₂流量的增大以及气动风扇13风量的增大，使得降温蒸发器6蒸发量增大，增大制冷量也随之增大。

3)电磁阀10用于控制系统的停开机(由蓄电池供电)。当系统处于定负荷运行时，救生舱内温度一旦达到预设温度时，电磁阀10即关闭，使系统停止运行以阻止温度的继续下降；反之当舱内温度升高到预设值时，电磁阀10恢复开启，系统重新开始运行。

本实用新型采用CO₂作为制冷剂，利用液态CO₂节流降温之后的两相态蒸发吸热，为矿井救生舱提供必要的冷量，并通过恒压阀分级控制蒸发压力以防止结霜。气化后二次节流降温所得的气态CO₂在回热器与储液罐流出的高压液态CO₂进行换热，起到冷量前置回收的作用，之后流经电磁阀和温度分级控制阀，为气动风扇提供动力。通过气动风扇使救生舱内空气依次经过CO吸附剂、CO₂吸附剂和降温蒸发器来实现舱内空气的净化过滤和降温除湿。由电磁阀控制系统的停开机，温度分级控制阀组调节CO₂流量以及舱内温度。与已有的CO₂驱动的制冷降温系统相比，本实用新型提出了一种分级节流降压和前置冷量回收技术，控制CO₂的蒸发压力从而达到蒸发器外表面无霜的目的。通过合理布局系统结构，从根本上避免了蒸发器结霜、负荷调节困难以及系统易超压等问题的的发生。

Claims

1.一种无霜空气降温除湿系统，其特征是设置在救生舱，包括CO₂储液罐(1)、手动阀(2)、回热器(3)、第一恒压阀(4)、降温蒸发器(6)、第二恒压阀(7)、电磁阀(10)、温度分级控制阀组(12)、气动风扇(13)、CO吸附剂(14)、CO₂吸附剂(15)和CO₂贮存间(16)，CO₂储液罐(1)设置在CO₂贮存间(16)内部，液态CO₂存储于储液罐(1)中，所述温度分级控制阀组(12)由多个手动阀并联组成；液态CO₂依次经手动阀(2)、回热器(3)、第一恒压阀(4)，然后进入降温蒸发器(6)，吸收救生舱内热量，蒸发后的气态CO₂经第二恒压阀(7)再输送至回热器(3)中，与由储液罐(1)经手动阀(2)输入的液态CO₂在回热器(3)中换热，换热后的气态CO₂由电磁阀(10)输入温度分级控制阀组(12)，再输出至气动风扇(13)，驱动气动风扇(13)运转，温度分级控制阀组(12)用于控制气态CO₂流量，降温蒸发器(6)、CO吸附剂(14)和CO₂吸附剂(15)设置在气动风扇(13)的风流方向上，气动风扇(13)驱动救生舱内空气循环，使空气流经降温蒸发器(6)、CO吸附剂(14)和CO₂吸附剂(15)；驱动气动风扇(13)后的CO₂气体输送至CO₂贮存间(16)，再由CO₂贮存间(16)的出口排出救生舱；其中液态CO₂在第一恒压阀(4)中节流至3.05±0.05MPa，第二恒压阀(7)对降温蒸发器(6)出口的气态CO₂二次节流至气动风扇所需的驱动压力。

2.根据权利要求1所述的一种无霜空气降温除湿系统，其特征是在降温蒸发器(6)的输出口和回热器(3)气态CO₂输出口分别设置有第一安全阀(9)和第二安全阀(11)，第一安全阀(9)与第二恒压阀(7)并联，第二安全阀(11)与电磁阀(10)、温度分级控制阀组(12)、气动风扇(13)并联。