冷量回收式雙運行模式復疊低溫制冷機的製作方法
2023-10-18 14:00:29 1
專利名稱：冷量回收式雙運行模式復疊低溫制冷機的製作方法
技術領域：
本發明屬於復疊式低溫製冷循環領域，適用於製冷溫度在-30°C -120°C 的溫度範圍，尤其適用於低溫預冷設備，低溫冰箱及低溫恆溫室等的冷量回 收式雙運行模式復疊低溫制冷機。
背景技術：
隨著科學技術的不斷發展，-30°C -12(TC溫區低溫設備在能源、醫療、 低溫電子、低溫生物保存、軍工等研究領域的需求日益廣泛，研製更加高效、 可靠的該溫區製冷設備顯得極具價值。獲得-3(TC以下溫區通常可採用兩級壓 縮式製冷循環或復疊式製冷循環。
兩級壓縮式製冷循環中，製冷劑的壓縮過程分為兩個階段進行，即來自 蒸發器的低壓製冷劑蒸氣先進入低壓壓縮機壓縮到中間壓力後，經中間冷卻 器冷卻後進入高壓壓縮機壓縮到冷凝壓力，再排入冷凝器中。這樣可使各級 壓比大大減小，又由於經過中間冷卻可以使壓縮機的耗功減少，可靠性、經 濟性均有所提高。但由於使用的是單一製冷劑，受蒸發壓力、製冷劑臨界溫 度和凝固點的限制。當蒸發溫度過低時，存在壓縮機吸氣壓力過低，輸氣系 劍氐等缺陷而不能正常運行。
復疊式製冷循環有兩種常規復疊製冷循環和自然復疊製冷循環。自然 復疊製冷系統是一種採用多元混合工質的製冷系統，它使用單臺壓縮機，通過 自然分離、多級復疊的方法，在高沸點組分和低沸點組分之間實現了復疊， 達到了製取低溫的目的。自復疊製冷循環只有一臺壓縮機，具有結構簡單、成本較低、熱效率較高等許多優點，但仍然存在著混合工質組分配比以及充 灌量最優值難確定，工質洩露後不能直接補充製冷劑等問題，使得設計的系
統實際製冷量達不到設計值。因此常規復疊製冷循環仍然是獲得-30°C以下溫 區最有效可靠的方法。
常規兩級復疊製冷循環由兩個單獨的製冷系統組成，分別稱為高溫級部 分及低溫級部分。高溫部分採用高、中沸點的製冷劑，低溫部分採用低沸點 的製冷劑。高溫部分系統中製冷劑的蒸發是用來使低溫部分系統中製冷劑冷 凝，用一個冷凝蒸發器將兩部分聯繫起來，它既是高溫部分的蒸發器，又是 低溫部分的冷凝器。低溫部分的製冷劑在蒸發器內吸收被冷卻對象的熱量(即 製取冷量)，通過冷凝蒸發器傳給高溫部分的製冷劑，然後由高溫部分製冷劑 通過冷凝器傳給冷卻介質(空氣或水)。
然而，常規兩級復疊製冷循環在運行中仍存在著一些問題。首先，在蒸 發溫度很低的情況下，低溫級循環壓縮機吸氣溫度很低，壓縮機吸氣溫度過 低會影響壓縮機的穩定運行，同時使得潤滑油回油變得很困難；其次，若用 於低溫冰箱、低溫恆溫箱等設備，當低溫室的溫度已經被冷卻到所需溫度後， 同時開啟兩臺壓縮機可能出現冷量過多、開停機頻繁等問題；再次，預冷流 體時，通過低溫級蒸發器將流體從環境溫度直接冷卻到-3(TC以下，換熱器溫 差很大，火用損失很大。因此，有必要對常規兩級復疊製冷循環進行改進使 其得到更廣範、可靠和高效的應用。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種能夠實現高、 低溫級循環兩級復疊運行，也能夠低溫級循環在高溫級循環輔助啟動後通過 自身回熱而獨立運行的冷量回收式雙運行模式復疊低溫制冷機。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是包括高^^級製冷循環、低 溫級製冷循環，所說的高溫級製冷循環包括高溫級壓縮機以及依次與高溫級 壓縮機相連通構成閉合迴路的高溫級冷凝器、高溫級節流閥、蒸發冷凝器， 所說的低溫級製冷循環包括低溫級壓縮機以及依次與低溫級壓縮機相連通構 成閉合迴路的蒸發冷凝器、低溫級節流閥和低溫級蒸發器，由低溫級蒸發器 輸出冷量，所說的低溫級蒸發器與低溫級壓縮機之間連接有低溫級回熱器， 低溫級壓縮機的輸出端還設置有與低溫級回熱器相連通的低溫級冷凝器，且 低溫級回熱器的輸出端與蒸發冷凝器相連通。
本發明的蒸發冷凝器與高溫級壓縮機之間還連接有高溫級氣體冷卻器， 負荷迴路依次與高^顯級氣體冷卻器、低溫級蒸發器相連。
本發明的有益效果是第一，在低溫級製冷循環中增加了一個低溫級回 熱器，低溫級製冷劑從低溫級蒸發器出來後經低溫級回熱器再進入低溫級壓 縮機，低溫級壓縮機吸氣溫度比常規兩級復疊製冷循環要高出很多，低溫級 壓縮機的穩定性有所保證，與此同時，由於溫度的升高，潤滑油的回油效果 也要變好;第二，用於低溫冷箱等冷量要求較小的情況下，可以關閉高溫級 循環，讓低溫級循環獨立運行提供冷量，很好地解決了冷量過剩時系統頻繁 啟停機的問題，且低溫級獨立運行時只需一臺壓縮機運行，起到了節能的效 果；第三，用於預冷流體時，被冷卻流體先經高溫級製冷系統的高溫級冷卻 器冷卻後再被低溫級循環蒸發器冷卻，分步降溫，冷量階梯利用，減小了換 熱器的溫差，從而使火用損失減小，提高了系統的運行效率。
圖l是本發明實施例l的結構示意圖； 圖2是本發明實施例2的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
本發明採用兩臺壓縮機，冷凝器、節流閥、冷^疑蒸發器及低溫級蒸發器 為部件，在常規兩級復疊製冷循環的基礎上，低溫級循環中增加了一個自身 的回熱器，並在低溫級壓縮機後增加一個冷凝器，在高溫級蒸發冷凝器後加 一個氣體冷卻器。當系統在高溫級循環的輔助下啟動並運行穩定後，可以關 閉高溫級循環讓低溫級循環獨立穩定運行，低溫級循環通過回熱器的自身回 熱及冷凝器的放熱，使系統溫度繼續維持在兩級復疊運行時的溫度值。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
本發明採用兩臺壓縮機，冷凝器、節流閥、冷凝蒸發器及低溫級蒸發器 為部件，在常規兩級復疊製冷循環的基礎上，低溫級循環中增加了一個自身 的回熱器，並在低溫級壓縮機後增加一個冷凝器，在高溫級蒸發冷凝器後加 一個氣體冷卻器。當系統在高溫級循環的輔助下啟動並運行穩定後，可以關 閉高溫級循環讓低溫級循環獨立穩定運行，低溫級循環通過回熱器的自身回 熱及冷凝器的放熱，使系統溫度繼續維持在兩級復疊運行時的溫度值。
實施例l，參見圖l，本實施例包括高溫級製冷循環和低溫級製冷循環，
高溫級製冷循環包括高溫級壓縮機Cl以及與高溫級壓縮機Cl相連通構成閉 合迴路的高溫級冷凝器El、高溫級節流閥Jl和蒸發冷凝器Gl形成的高溫級 迴路1-2-3-4-1，低溫級製冷循環包括低溫級壓縮機C2以及與低溫級壓縮機 C2相連通構成閉合迴路的蒸發冷凝器Gl、低溫級節流閥J2和低溫級蒸發器 G2形成的低溫級迴路5-6-7-8-9-10-11-5，所說的低溫級蒸發器G2與低溫級 壓縮機C2之間連接有低溫級回熱器G3，低溫級壓縮機C2的輸出端還設置有與低溫級回熱器G3相連通的低溫級冷凝器E2,且低溫級回熱器G3的輸出端 與蒸發冷凝器G1相連通。
本循環可用於低溫冰箱、低溫恆溫箱等冷量需求不大的設備。本循環即 為低溫預冷設備系統循環負荷迴路不通負荷時的情況。啟動階段循環流程為 高溫級壓縮機Cl的高壓排氣口連著高溫級冷凝器El，製冷劑在高溫級冷凝 器E1中被冷卻，然後通過高溫級節流閥Jl節流後在蒸發冷凝器G1中將冷量 傳給低溫級循環的製冷劑，再進入高溫級壓縮機Cl被壓縮，如此循環；低溫 級壓縮機C2的高壓排氣口連著低溫級冷凝器E2，製冷劑在低溫級冷凝器E2 中被冷卻後進入低溫級回熱器G3被進一步冷卻，再流過蒸發冷凝器Gl被冷 卻至過冷狀態，經低溫級節流閥J2節流後在低溫級蒸發器G2中將冷量傳給 被冷卻對象，然後經低溫級回熱器G3進一步復溫再流入低溫級壓縮機C2被 壓縮。待系統運行穩定且低溫室被冷卻到了預期的溫度後，低溫室需要的冷 量會變小，低溫級循環大部分冷量可用來實現自身的回熱，且低溫級冷凝器 E2可以向外界介質放出熱量，從而使得7點的溫度降低，當低溫級回熱器G3 出口 8的溫度和蒸發冷凝器G1的出口 9的溫度接近時，表示高溫級對低溫級 的作用消失，此時可關閉高溫級壓縮機，低溫級循環可通過自身的回熱及低 溫級冷凝器的冷卻作用實現單級運行。
實施例2，參見圖2，本實施例在蒸發冷凝器Gl與高溫級壓縮機Cl之 間還連接有高溫級氣體冷卻器G4，其它連接關係同實施例l。系統由高溫級 迴路1-2-3-4-5-1 ，低溫級迴路6-7-8-9-10-11-12-6及外界負荷管路13-14-15組 成，負荷迴路依次與高溫級氣體冷卻器G4、低溫級蒸發器G2相連。循環流 程為高溫級壓縮機C1的高壓排氣口連著高溫級冷凝器E1，製冷劑在高溫 級冷凝器El中被冷卻，然後通過高溫級節流閥Jl節流後在蒸發冷凝器Gl中將冷量傳給低溫級循環的製冷劑，再進入高溫級氣體冷卻器G4初步冷卻外 界負荷，最後進入高溫級壓縮機C1被壓縮，如此循環；低溫級壓縮機C2的 高壓排氣口連著低溫級冷凝器E2，製冷劑在低溫級冷凝器E2中被初步冷卻 後進入低溫級回熱器G3被進一步冷卻，再流過蒸發冷凝器Gl被冷卻至過冷 狀態，經低溫級節流閥J2節流後在低溫級蒸發器G2中將外界負荷進一步冷 卻，然後經低溫級回熱器G3復溫後流入低溫級壓縮機C2被壓縮。這樣，外 界負荷先經高溫級循環冷卻後再被低溫級循環冷卻，實現了被冷卻介質的分 步降溫，冷量階梯利用，減小了換熱器的溫差，提高了系統的運行效率。若 外界負荷的初始溫度很低且所需冷量很小時，低溫級循環大部分冷量可用來 實現自身的回熱，且低溫級冷凝器可以向外界介質放出熱量，從而使得低溫 級冷凝器出口 8的溫度降低，當低溫級回熱器G3出口 9的溫度和蒸發冷凝器 Gl的出口 10的溫度接近時，表示高溫級對低溫級的作用消失，此時可關閉 高溫級壓縮機，低溫級循環可通過自身的回熱及低溫級冷凝器的冷卻作用實 現單級運行。
本發明在常規兩級復疊製冷循環的基礎上，在低溫級循環中增加一個低 溫級回熱器，並在低溫級壓縮機後增加一個低溫級冷凝器，系統由高溫級回 路，低溫級迴路以及負荷迴路組成，高溫級循環採用高、中沸點的製冷劑； 低溫級循環採用低沸點的製冷劑，高、低溫級由一個蒸發冷凝器聯繫起來， 它即是高溫部分的蒸發器，又是低溫部分的冷凝器。高溫級可獨立運行，成 為一個單級製冷循環給負荷提供冷量；兩級復疊運行時，負荷經高溫級氣體 冷卻器冷卻及低溫級蒸發器冷卻，可達-3(TC以下溫度。低溫級循環帶有自身 的回熱器，若所需冷量較小時，系統在高溫級循環的輔助下啟動並運行穩定 後，可以關閉高溫級循環讓低溫級循環獨立穩定運行，使其溫度繼續維持在兩級復疊運行時的溫度值。若將該循環用於低溫冰箱、低溫恆溫箱等設備時， 負荷迴路中不帶負荷，用低溫級循環的蒸發器冷卻低溫室，當溫度被冷卻到 所需溫度後，可以關閉高溫級循環讓低溫級循環獨立穩定運行，使溫度繼續 維持在所需溫度值。
權利要求
1、一種冷量回收式雙運行模式復疊低溫制冷機，包括高溫級製冷循環、低溫級製冷循環，所說的高溫級製冷循環包括高溫級壓縮機(C1)以及依次與高溫級壓縮機(C1)相連通構成閉合迴路的高溫級冷凝器(E1)、高溫級節流閥(J1)、蒸發冷凝器(G1)，所說的低溫級製冷循環包括低溫級壓縮機(C2)以及依次與低溫級壓縮機(C2)相連通構成閉合迴路的蒸發冷凝器(G1)、低溫級節流閥(J2)和低溫級蒸發器(G2)，由低溫級蒸發器(G2)輸出冷量，其特徵在於所說的低溫級蒸發器(G2)與低溫級壓縮機(C2)之間連接有低溫級回熱器(G3)，低溫級壓縮機(C2)的輸出端還設置有與低溫級回熱器(G3)相連通的低溫級冷凝器(E2)，且低溫級回熱器(G3)的輸出端與蒸發冷凝器(G1)相連通。
2、 根據權利要求1所述的冷量回收式雙運行模式復疊低溫制冷機，其特徵在於所說的蒸發冷凝器(Gl)與高溫級壓縮機(Cl)之間還連接有高溫 級氣體冷卻器(G4)，負荷迴路依次與高溫級氣體冷卻器(G4)、低溫級蒸發 器(G2)相連。
全文摘要
本發明公開了一種冷量回收式雙運行模式復疊製冷循環方法，採用壓縮機，冷凝器、節流閥、冷凝蒸發器及蒸發器為部件，在常規兩級復疊製冷循環的基礎上，在低溫級循環中增加了一個回熱器，低溫級壓縮機後增加了一個冷凝器，高溫級蒸發冷凝器後加一個氣體冷卻器。當系統在高溫級循環的輔助下啟動並運行穩定後，可以關閉高溫級循環讓低溫級循環獨立穩定運行，低溫級循環通過自身回熱及冷凝器放熱，使系統的溫度繼續維持在復疊運行時的溫度值。該循環可用於-30℃～-120℃溫區的低溫冰箱或低溫恆溫箱；也可用於-30℃～-120℃溫區的低溫預冷設備，使負荷分步降溫，若所需冷量較小，可以由低溫級循環獨立運行來提供冷量。
文檔編號F25B7/00GK101526279SQ20091002176
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者蘭 習, 予 侯, 劉秀芳, 趙紅利 申請人:西安交通大學