CN205481912U - 具有高蓄冷和快放冷的冷液机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有高蓄冷和快放冷的冷液机，包括有蓄冷箱、循环箱、三通比例调节阀、外循环泵、热负载、内循环泵、内循环电磁阀Ⅰ、制冷板换、内循环电磁阀Ⅱ、低温阻断器Ⅰ、制冰融冰板换、低温阻断器Ⅱ、单向阀、蓄冰桨箱、微冰晶处理器、制冰融冰循环泵、冰晶阻断器、冰桨发生器和压缩制冷机组，分别形成冷却液内循环系统Ⅰ、冷却液内循环系统Ⅱ、冰桨循环系统、冷却液外循环系统和压缩制冷机组循环系统。本实用新型结构紧凑，具有高效、节能、快速响应的特点，综合利用冰浆蓄冷和冷却液蓄冷，能有效地满足高能量、热密度、间歇性的散热需求或蓄冷备份需求。

Description

具有高蓄冷和快放冷的冷液机

技术领域

本实用新型涉及冷液机领域，具体是一种具有高蓄冷和快放冷的冷液机。

背景技术

具有蓄冷功能的冷液机是近年来发展一个方向，其主要目的是避免集中消耗能源，利用富电状态下蓄冷，当大功率负载需要集中散热时放冷，而这些大功率负载往往具有间歇性工作特征；或者负载散热特别重要，为降低压缩机制冷机组突然失效或性能下降的风险，对冷却液进行部分蓄冷，作为紧急备份使用。例如，在车载、舰载等条件下的高功率激光、电磁脉冲等武器系统，热负载通常表现出能量集中，热密度很高，且间歇工作等特点。针对这类冷液机，需要解决在有限的空间、时间和电力条件下，获得最佳综合解决方案，其中蓄冷技术作为其中之一。同时，随着技术的进步，促使人们在关注这类产品的能耗、效率、可靠性和实用性，以追求产品最优化的解决方案。

为满足－40℃～55℃的大跨度工作环境，具有蓄冷功能的冷液机通常采用乙二醇水溶液作为冷却液。目前液体蓄冷技术常用方法有：液体蓄冷（非相变）、静态冰蓄冷（相变）和动态冰蓄冷（冰桨）三类。若冷液机仅用液体蓄冷（非相变）方式，会造成机组体积过大，例如，1 m³，66 %乙二醇水溶液，从0 ℃降至-20 ℃，Q_{66% 乙二醇} = C·m· △t= 2.88 kJ/(kg·℃)×1102.64 kg×20 ℃=63512 kJ，式中乙二醇水溶液物性参数取平均温度-10 ℃查得。而采用1 m³水相变成冰，则Q_{100% 冰}= C·m= 335 kJ/kg×1000 kg=335000 kJ。可以看出同体积下，100 %冰蓄冷的能力是66 %乙二醇水溶液降20 ℃蓄冷时的5.3倍。所以，冷液机用液体蓄冷（非相变）方式在某些有空间尺寸要求的场合并不是理想的选择。但冷液机采用静态冰蓄冷，在工程运用中，这种蓄冷在结冰过程中，换热必须通过冰层，随着结冰厚度增加，导致热阻急剧增加，热交换效率严重下降，一般压缩机制冷机组的蒸发温度降低到－10 ℃以下才能冻结，能耗巨大；同样在融冰时，往往在冰和管间形成水环，导致热阻急剧增加，传热效率极低，负荷响应很差，无法满足未来高功率激光等快速冷却的需求。如今，动态冰蓄冷（冰桨）逐渐在一些领域内运用，这种技术使压缩机制冷机组的蒸发温度得以提高，机组效率大幅度提高，制冷速度快，冰桨的比表面积是冷球或盘管的100倍以上，放冷速度提高3～5倍，负荷响应灵敏。例如，1 m³水，产生70 %冰浆，以0 ℃计，Q_{70% 冰}= C·m= 335 kJ/kg×1000 kg×70 %=234500 kJ。可以看出同体积下，70 %冰桨蓄冷的能力是66 %乙二醇水溶液降20 ℃蓄冷时的3.7倍，这也为这类冷液机实现小型化提供了可行性，但这类冷液机通常采用乙二醇水溶液作冷却液，无法直接实现冰桨，所以需要解决技术链接，减少中间环节，来实现冰桨蓄冷和冷却液蓄冷在冷液机上的特殊运用。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种结构紧凑，具有高效、节能、快速响应的冷液机，综合利用冰浆蓄冷和冷却液蓄冷，能有效地满足高能量、热密度、间歇性的散热需求或蓄冷备份需求。

本实用新型的技术方案如下：

一种具有高蓄冷和快放冷的冷液机，包括有蓄冷箱、循环箱、三通比例调节阀、外循环泵、热负载、内循环泵、内循环电磁阀Ⅰ、制冷板换、内循环电磁阀Ⅱ、低温阻断器Ⅰ、制冰融冰板换、低温阻断器Ⅱ、单向阀、蓄冰桨箱、微冰晶处理器、制冰融冰循环泵、冰晶阻断器、冰桨发生器和压缩制冷机组，其特征在于：所述蓄冷箱的出口接所述内循环泵的入口，所述内循环泵的一路出口接所述内循环电磁阀Ⅰ的入口，所述内循环电磁阀Ⅰ的出口接制冷板换的入口，所述制冷板换的出口接所述蓄冷箱的入口，组成冷却液内循环系统Ⅰ；

所述蓄冷箱的出口接所述内循环泵的入口，所述内循环泵的另一路出口接所述内循环电磁阀Ⅱ的入口，所述内循环电磁阀Ⅱ的出口所述接低温阻断器Ⅰ的入口，所述低温阻断器Ⅰ的出口接所述制冰融冰板换的入口，所述制冰融冰板换的出口接所述低温阻断器Ⅱ的入口，所述低温阻断器Ⅱ的出口接所述单向阀的入口，所述单向阀的出口接所述蓄冷箱的入口，组成冷却液内循环系统Ⅱ；

所述蓄冰桨箱的出口接微冰晶处理器的入口，所述微冰晶处理器的出口接所述制冰融冰循环泵的入口，所述制冰融冰循环泵的出口接制所述冰融冰板换的入口，所述接制冰融冰板换的出口接所述冰晶阻断器的入口，所述冰晶阻断器的出口接冰桨发生器的入口，所述冰桨发生器的出口接蓄冰桨箱的入口，组成冰桨循环系统；

所述蓄冷箱的出口和所述循环箱的出口分别接入所述三通比例调节阀的二个入口，所述三通比例调节阀的出口接所述外循环泵的入口，所述外循环泵的出口接所述热负载的入口，所述热负载的出口接所述循环箱的入口，所述的循环箱与所述蓄冷箱之间有管路相联通，组成冷却液外循环系统；

所述压缩制冷机组的出口接所述制冷板换的入口，所述接制冷板换的出口接压缩制冷机组的入口，组成压缩制冷机组循环系统。

所述的具有高蓄冷和快放冷的冷液机，其特征在于：所述的制冷板换采用常用板式换热器。

所述的具有高蓄冷和快放冷的冷液机，其特征在于：所述的制冰融冰板换采用片距小、角孔大的板式换热器。

所述的具有高蓄冷和快放冷的冷液机，其特征在于：所述的低温阻断器Ⅰ和低温阻断器Ⅱ分别外套有电加热管。

本实用新型的蓄冷原理分3步，阐述如下：

第1步：冷却液内循环系统Ⅰ和压缩制冷机组循环系统开启，使蓄冷箱内冷却液温度由常温降至所需蓄冰桨温度（如－3 ℃～－3.5 ℃）；第2步：蓄冰桨温度保持，冷却液内循环系统Ⅱ和冰桨循环系统开启，制取冰桨，完成后冷却液内循环系统Ⅱ和冰桨循环系统关闭；第3步：冷却液内循环系统Ⅰ和压缩制冷机组循环系统继续工作，使蓄冷箱内冷却液温度进一步降至设计要求的低温（如－20 ℃）再关闭，整个蓄冷完成。

本实用新型的放冷原理阐述如下：

蓄冷完成后，对外工作时，冷却液外循环系统开启，通过调节蓄冷箱和循环箱中冷却液比例为热负载提供所需温度的冷却液，当蓄冷箱内的蓄冷用完（如>0℃），冷却液内循环系统Ⅱ和冰桨循环系统开启，继续提供二次蓄冷。

冷却液内循环系统Ⅰ：蓄冷箱→内循环泵→内循环电磁阀Ⅰ→制冷板换→蓄冷箱，依次循环系统。

冷却液内循环系统Ⅱ：蓄冷箱→内循环泵→内循环电磁阀Ⅱ→低温阻断器→制冰融冰板换→低温阻断器→单向阀→蓄冷箱，依次循环系统。

冰桨循环系统：蓄冰桨箱→微冰晶处理器→制冰融冰循环泵→制冰融冰板换→冰晶阻断器→冰桨发生器→蓄冰桨箱，依次循环系统。

冷却液外循环系统：蓄冷箱+循环箱→三通比例调节阀→外循环泵→热负载→循环箱→蓄冷箱，依次循环系统。

压缩制冷机组循环系统：压缩制冷机组→制冷板换→压缩制冷机组，依次循环系统。

冷却液内循环系统Ⅰ与压缩制冷机组循环系统实现换热，即通过制冷板换，所述的制冷板换采用常用板式换热器。

冰桨循环系统与冷却液内循环系统Ⅱ配合使用，具有冰桨蓄冷或对外放冷的两种功能，且取决于冷却液温度。

所述的制冰融冰板换具有两种功能，即蓄冷时制冰浆，放冷时融解蓄冰桨箱中的冰桨，宜采用片距小、角孔大的板式换热器。

所述的低温阻断器Ⅰ和低温阻断器Ⅱ是防止低温冷却液使制冰融冰板换产生冻结，如采用外套电热管等方式。

所述蓄冷箱和蓄冰桨箱，其容量应依据需求和所占空间综合确定，进一步列举如下：

热负载400 kW，工作0.5 h，停1 h，理论上（不考虑余量）冷液机蓄冷工作1 h，机组制冷量200 kW，放冷工作0.5 h，理论蓄冷量为720000 kJ。若蓄冷箱和循环箱取相同容量1 m³，不考虑蓄冷箱中66 %乙二醇水溶液从常温降至所需蓄冰桨温度所得的蓄冷量，简化从0 ℃降至-20 ℃蓄冷量约为63512 kJ，剩下的利用冰桨蓄冷，折算到70 %冰浆需要约2.8 m³。得知，蓄冷箱和蓄冰桨箱有效容量共计约3.8 m³，与仅用蓄冷箱11.3 m³相比，容量下降约66 %。这对空间的要求苛刻的冷液机来说，具有良好的市场应用价值。

本实用新型所采用的冷却液依据工作和环境条件采用不同浓度的乙二醇水溶液。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型充分利用冰桨蓄冷，提高了压缩制冷机组的蒸发温度，机组效率大幅度提高，使整机得到更高的节能效果。

2、本实用新型合理利用冷却液（乙二醇水溶液）蓄冷，满足了大跨度工作需求，并有效结合冰桨蓄冷，满足了快速放冷需求。

3、本实用新型避免了静态冰蓄冷热阻大、效率低，负荷响应等不足，通过三步蓄冷，使机组更安全可靠。

4、本实用新型的结构可小型化、可模块化，易于实现，可有效满足高能量、热密度、间歇性的散热需求或蓄冷备需求。

5、本实用新型中冷却液和制冰桨水相互隔离，避免了冷却液受影响。

附图说明

图1为本实用新型系统原理示意图。

图2为本实用新型结构系统原理演化模式1示意图。

图3为本实用新型结构系统原理演化模式2示意图。

具体实施方式

参见图1，一种具有高蓄冷和快放冷的冷液机，包括有蓄冷箱1、循环箱2、三通比例调节阀3、外循环泵4、热负载5、内循环泵6、内循环电磁阀Ⅰ7、制冷板换8、内循环电磁阀Ⅱ9、低温阻断器Ⅰ10、制冰融冰板换11、低温阻断器Ⅱ12、单向阀13、蓄冰桨箱14、微冰晶处理器15、制冰融冰循环泵16、冰晶阻断器17、冰桨发生器18和压缩制冷机组19，分别形成冷却液内循环系统Ⅰ、冷却液内循环系统Ⅱ、冰桨循环系统、冷却液外循环系统和压缩制冷机组循环系统。

冷却液内循环系统Ⅰ：蓄冷箱1的出口接内循环泵6的入口，内循环泵6的一路出口接内循环电磁阀Ⅰ7的入口，内循环电磁阀Ⅰ7的出口接制冷板换8的入口，制冷板换8的出口接蓄冷箱1的入口；

冷却液内循环系统Ⅱ：蓄冷箱1的出口接内循环泵6的入口，内循环泵6的另一路出口接内循环电磁阀Ⅱ9的入口，内循环电磁阀Ⅱ9的出口接低温阻断器Ⅰ10的入口，低温阻断器Ⅰ10的出口接制冰融冰板换11的入口，制冰融冰板换11的出口接低温阻断器Ⅱ12的入口，低温阻断器Ⅱ12的出口接单向阀13的入口，单向阀13的出口接蓄冷箱1的入口；

冰桨循环系统：蓄冰桨箱14的出口接微冰晶处理器15的入口，微冰晶处理器15的出口接制冰融冰循环泵16的入口，制冰融冰循环泵16的出口接制冰融冰板换11的入口，接制冰融冰板换11的出口接冰晶阻断器17的入口，冰晶阻断器17的出口接冰桨发生器18的入口，冰桨发生器18的出口接蓄冰桨箱14的入口；

冷却液外循环系统：蓄冷箱1的出口和循环箱2的出口分别接入三通比例调节阀3的二个入口，三通比例调节阀3的出口接外循环泵4的入口，外循环泵4的出口接热负载5的入口，热负载5的出口接循环箱2的入口，循环箱2与蓄冷箱1之间有管路相联通；

压缩制冷机组循环系统：压缩制冷机组19的出口接制冷板换8的入口，接制冷板换8的出口接压缩制冷机组19的入口。

在第1步蓄冷工作中，蓄冷箱1中冷却液初始温度通常为常温（如20℃），在降至制冰桨温度前已进行了部分溶液蓄冷，依据外循环泵4的供液温度需求，这部分蓄冷具体应在设计中应考虑。

冰桨蓄冷：是在蓄冷箱1内冷却液温度降至所需蓄冰桨温度（如－3℃～－3.5℃）且保持时，利用冷却液内循环系统Ⅱ与冰桨循环系统实现换热，并制取冰桨，完成第2步冰桨蓄冷。

冷却液蓄冷：是在冰桨蓄冷完成后，冰桨循环系统和冷却液内循环系统Ⅱ关闭，即相应的制冰融冰循环泵16和内循环电磁阀Ⅱ9关闭，利用冷却液内循环系统Ⅰ和压缩制冷机组循环系统继续工作，使蓄冷箱1内冷却液温度进一步降至设计要求的低温（如－20℃）再关闭，完成第3步低温蓄冷。

低温阻断器Ⅰ10和低温阻断器Ⅱ12是防止低温冷却液使制冰融冰板换11产生冻结，如采用外套电热管等方式，具体加热多少和何时加热，视具体情况而定。

放冷工作时，外循环泵4开启，通过调节蓄冷箱1和循环箱2中冷却液比例为热负载提供所需温度的冷却液，当蓄冷箱1内的蓄冷用完（如>0℃），冰桨循环系统和冷却液内循环系统Ⅱ开启，即相应的制冰融冰循环泵16和内循环电磁阀Ⅱ9开启，继续提供二次蓄冷。

制冰融冰板换11，具有两种功能，即蓄冷时制冰浆，放冷时融解蓄冰桨箱中的冰桨，宜选用片距小、角孔大的板式换热器。

蓄冷箱1和蓄冰桨箱14，具体容量大小应依据需求和所占空间综合确定。

冷却液依据工作和环境条件采用不同浓度的乙二醇水溶液。

冷桨所需水可采用去离子水或纯净水等。

图2、图3是本实用新型的两种演化模式，仍属于本实用新型的具体实施范畴。如图2增加了一台内循环泵20，相应去消去了图1中的内循环电磁阀Ⅰ7和内循环电磁阀Ⅱ9，但其工作原理仍等同图1；图3采用一只三通调节阀21，替代图1中的内循环电磁阀Ⅰ7和内循环电磁阀Ⅱ9，其中三通调节阀21不局限于三通比例调节阀，但工作原理仍等同图1。

以上所述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，但本实用新型不限于上述实施方式，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本实用新型的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有高蓄冷和快放冷的冷液机，包括有蓄冷箱、循环箱、三通比例调节阀、外循环泵、热负载、内循环泵、内循环电磁阀Ⅰ、制冷板换、内循环电磁阀Ⅱ、低温阻断器Ⅰ、制冰融冰板换、低温阻断器Ⅱ、单向阀、蓄冰桨箱、微冰晶处理器、制冰融冰循环泵、冰晶阻断器、冰桨发生器和压缩制冷机组，其特征在于：所述蓄冷箱的出口接所述内循环泵的入口，所述内循环泵的一路出口接所述内循环电磁阀Ⅰ的入口，所述内循环电磁阀Ⅰ的出口接制冷板换的入口，所述制冷板换的出口接所述蓄冷箱的入口，组成冷却液内循环系统Ⅰ；

所述蓄冷箱的出口接所述内循环泵的入口，所述内循环泵的另一路出口接所述内循环电磁阀Ⅱ的入口，所述内循环电磁阀Ⅱ的出口所述接低温阻断器Ⅰ的入口，所述低温阻断器Ⅰ的出口接所述制冰融冰板换的入口，所述制冰融冰板换的出口接所述低温阻断器Ⅱ的入口，所述低温阻断器Ⅱ的出口接所述单向阀的入口，所述单向阀的出口接所述蓄冷箱的入口，组成冷却液内循环系统Ⅱ；

所述蓄冰桨箱的出口接微冰晶处理器的入口，所述微冰晶处理器的出口接所述制冰融冰循环泵的入口，所述制冰融冰循环泵的出口接制所述冰融冰板换的入口，所述接制冰融冰板换的出口接所述冰晶阻断器的入口，所述冰晶阻断器的出口接冰桨发生器的入口，所述冰桨发生器的出口接蓄冰桨箱的入口，组成冰桨循环系统；

所述蓄冷箱的出口和所述循环箱的出口分别接入所述三通比例调节阀的二个入口，所述三通比例调节阀的出口接所述外循环泵的入口，所述外循环泵的出口接所述热负载的入口，所述热负载的出口接所述循环箱的入口，所述的循环箱与所述蓄冷箱之间有管路相联通，组成冷却液外循环系统；

所述压缩制冷机组的出口接所述制冷板换的入口，所述接制冷板换的出口接压缩制冷机组的入口，组成压缩制冷机组循环系统。

2.根据权利要求1所述的具有高蓄冷和快放冷的冷液机，其特征在于：所述的制冷板换采用常用板式换热器。

3.根据权利要求1所述的具有高蓄冷和快放冷的冷液机，其特征在于：所述的制冰融冰板换采用片距小、角孔大的板式换热器。

4.根据权利要求1所述的具有高蓄冷和快放冷的冷液机，其特征在于：所述的低温阻断器Ⅰ和低温阻断器Ⅱ分别外套有电加热管。