一种液体循环型制冷装置

摘要

本发明涉及一种液体循环型制冷装置，它包括制冷循环回路：从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入冷凝蒸发器（9），将冷量传递给返流的制冷剂，释放出冷量、温度升高的制冷剂送至用户系统（6）进行供冷；从用户系统（6）出来的制冷剂气体经压缩机（8）、冷凝蒸发器（9）、节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），从而形成所述的制冷循环回路。本发明由于采用液体循环泵及气体压缩机增压补冷方式，气体压缩机的压缩比大幅度降低，制冷剂气体因压缩产生的制冷量得到有效回收，功耗显著降低，设备的安装、维修等工作量有效减轻，对环境不造成影响，经济、社会、环保效益十分显著，是对传统制冷技术的一大突破。

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体循环型制冷装置，具体属制冷技术领域。

背景技术

现代制冷技术作为一门科学，是十九世纪中期和后期发展起来的，在此之前， 追溯到人类的祖先，人们很早就懂得冷的利用和简单的人工制冷了：用地窖作冷 贮室，用泉水冷却贮藏室已有5000年之久的历史。

二十世纪后，制冷技术有了更大的发展：1910年家用冰箱问世，1917年在 美国开始作为商品投放市场。1930年，氟利昂制冷工质的出现和氟利昂制冷机 的使用给制冷技术带来新的变革。二十世纪七十年代，人们对混合工质进行了大 量的研究，并开始使用共沸混合工质，为蒸汽压缩式制冷机的发展开辟了新的道 路。制冷技术发展到今天，已经从保存食品和调节一定空间的温度，扩展、渗透 到国民经济的各个部门，并与人们的日常生活有了更加紧密的联系。

各种制冷方法，概括起来，可分为两大类：输入功实现制冷和输入热量实现 制冷。蒸汽压缩式制冷、热电制冷属于输入功制冷，吸收式制冷、蒸汽喷射式制 冷、吸附式制冷属于输入热量实现制冷。图1是一种单级压缩氨制冷系统流程示 意图，图1中：1-蒸发器，2-气液分离器，3-压缩机，4-油分离器，5-冷凝器， 6-再冷却器，7-节流阀。

传统制冷技术的研究内容可概括为以下三个方面：

1）研究获得低温的方法和有关的机理以及相应的制冷循环，并对制冷循环 进行热力学的分析和计算。

2）研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工质。机械制冷要通 过制冷剂热力状态的变化才能实现，所以，制冷剂的热物理性质是进行循环分析 和计算的基础。此外，为了使制冷剂能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化 学性质。

3）研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备，它们的工作原理、性 能分析、结构设计计算以及各种制冷装置的流程组织、系统配套计算。此外，还 有热绝缘问题、制冷设备的自动化问题，等等。

传统制冷理论的主要基础是热力学，即采用同温差的卡诺逆循环分析制冷循 环过程，制冷循环的经济性指标是制冷系数，就是得到的收益和耗费的代价之比 值，并且以大气环境温度T₀与温度为T_C低温热源（如冷库）之间的一切制冷循 环，以逆向卡诺循环的制冷系数为最高：

${ϵ}_c={\left(\mathrm{COP}\right)}_{R,C}=\frac{q_2}{w_0}=\frac{T_c}{T_0-T_c}---\left(1\right)$

上式中的ε_c为制冷系数，q₂为循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功。

实际上，卡诺在“关于热动力的见解”的论文中，得出的结论为：“在两个 不同温度的恒温热源之间工作的所有热机，以可逆热机的效率为最高。”即被后 人称之为卡诺定理，按理想气体状态方程进行整理得出的卡诺循环的热效率为：

${\eta }_c=1-\frac{T_2}{T_1}---\left(2\right)$

公式（2）中的高温热源的温度T₁与低温热源的温度为T₂均高于大气环境温 度T₀，并可以得出以下几点重要结论：

1）卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质吸 热和放热时的温度，提高T₁和降低T₂，可以提高热效率。

2）卡诺循环的热效率只能小于1，绝不能等于1，因为T₁＝∞或T₂=0都不 可能实现。这就是说，在循环发动机中即使在理想情况下，也不可能将热能全部 转化为机械能，热效率当然更不可能大于1。

3）当T₁＝T₂时，循环热效率等于0，它表明，在温度平衡的体系中，热能 不可能转化为机械能，热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，从而验证 了借助单一热源连续做功的机器是制造不出的，或第二类永动机是不存在的。

4）卡诺循环及其热效率公式在热力学的发展上具有重大意义。首先，它奠 定了热力学第二定律的理论基础；其次，卡诺循环的研究为提高各种热动力机热 效率指出了方向，近可能提高工质的吸热温度和尽可能降低工质的放热温度，使 放热在接近可自然得到的最低温度即大气温度时进行。卡诺循环中所提出的利用 绝热压缩以提高气体吸热温度的方法，至今在以气体为工质的热动力机中仍普遍 采用。

5）卡诺循环的极限点是大气环境温度，对低于环境温度的制冷过程循环， 卡诺循环并没有给出明确的答案。

由于制冷系数的不完善性，国内外众多的学者对其进行研究，并提出了完善 建议。马一太等在《制冷与热泵产品的能效标准研究和循环热力学完善度的分析》 中结合Curzon和Ahlborn把有温差传热这个不可逆过程引入热力循环的分析， 以及由此创建的有限时间热力学的启发，结合CA循环效率，提出了CA正循环的 热力学完善度，使制冷和热泵产品的能效研究有了一定程度的进展。

但是运用热力学的基本理论并不能对制冷循环做出简洁、明了、直观的解释。 爱因斯坦曾对经典热力学做过评价：“一种理论，其前提越简单，所涉及的事物 越多，其适应范围愈广泛，它给人们的印象就越深刻。”对制冷领域的理论解释， 也应继承和发扬这个优点。

因此，真正找到制冷循环的正确的理论基础，在此理论基础上提出新的制冷 装置并能够应用于实际中，成为制冷技术领域研究的难点。

发明内容

本发明的目的就是为解决卡诺定理应用于制冷理论分析的不完善性，提出对 应于热力学理论的制冷理论即冷力学理论，以及应用该理论设计的新的液体循环 型制冷装置。

描述冷力学的基本公式为：

${\eta }_c=1-\frac{T_{c2}}{T_{c1}}---\left(3\right)$

公式（3）中，Tc2＜Tc1＜To，To为环境温度，均为开氏温标。

相对环境温度To而言，冷源在Tc1、Tc2下的最大冷效率为：

${\eta }_c=1-\frac{T_{c1}}{T_0}---\left(4\right)$

${\eta }_c=1-\frac{T_{c2}}{T_0}---\left(5\right)$

假设为q₂循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功，则在冷源温度为Tc1时：

$w_0=(1-\frac{T_{c1}}{T_0})q_2---\left(6\right)$

同样，在冷源温度为Tc2时：

$w_0=(1-\frac{T_{c2}}{T_0})q_2---\left(7\right)$

从公式（4）至（7）不难看出，冷力学的效率为0到1之间，由于实际过程 中不可逆性的不可避免，制冷循环效率是小于1的；环境温度To确定时，冷源 温度越低，输入同样的功，获得的制冷量越多，从而为构造新的制冷循环即电冷 高效转换指明了方向。

基于上述基本原理，本发明提出不同于传统的制冷装置（如冰箱），采用回 冷器回收制冷剂气体压缩产生的冷量，从而提高制冷装置的循环效率，使提出的 冷力学理论成为真正的能够指导制冷技术开发实践的初步完善的理论体系。

本发明的目的是通过以下措施实现的：一种液体循环型制冷装置，该装置包 括制冷循环回路，其特征在于：

所述的液体循环型制冷装置的制冷循环，是指从制冷剂贮罐1出来的液态制 冷剂2，经低温液体泵3增压后送入冷凝蒸发器9，将冷量传递给温度较高的返 流制冷剂，释放出冷量、温度升高的制冷剂送至用户系统6进行供冷；从用户系 统6出来的制冷剂气体经压缩机8压缩后进入冷凝蒸发器9，回收冷量、降低温 度，经节流阀10返回制冷剂贮罐1，从而形成液体循环型制冷装置的供冷循环 回路。

设有冷交换器4：从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增 压后送入冷凝蒸发器9、冷交换器4，将冷量传递给温度较高的返流制冷剂，释 放出冷量、温度升高的制冷剂送至用户系统6进行供冷；从用户系统6出来的制 冷剂气体经压缩机8压缩后进入冷交换器4、冷凝蒸发器9，回收冷量、降低温 度，经节流阀10返回制冷剂贮罐1，从而形成液体循环型制冷装置的供冷循环 回路。

所述的冷交换器4采用必要的强化传热措施，如增加肋片、采用板翅式换热 器、微通道换热器等，所述的冷交换器4中的换冷介质采用间接传冷方式。

所述的压缩机8可以采用变频调速装置。

本发明中的液体循环型制冷装置中未提及的其他结构不再详述，均采用现有 成熟技术进行配套设计。

所述的制冷剂贮罐1采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光 砂等隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节 功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。

设有与本发明的液体循环型制冷装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、 安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、与传统的制冷装置相比，制冷循环中的冷凝器不对外界环境产生影响；

2、由于采用液体循环泵及气体压缩机增压补冷方式，气体压缩机的压缩比 大幅度降低，制冷剂气体因压缩产生的制冷量得到有效回收，功耗显著降低；

3、设备的维修工作量较传统的制冷装置有极大程度的降低，能方便对蒸发 器进行清灰除尘，冷交换器及冷凝蒸发器因介质洁净，可以保持良好的换冷效果， 有效提高换冷效果，整个机组的使用寿命大为延长；

4、传冷、换热强化：较传统的制冷装置，可以方便地采用强化传冷元件， 机组更加高效。

附图说明

图1是现有技术中的单级压缩氨制冷系统流程示意图。

图1中：1-蒸发器，2-气液分离器，3-压缩机，4-油分离器，5-冷凝器，6- 再冷却器，7-节流阀。

图2是本发明的一种液体循环型制冷装置制冷流程示意图。

图2中：1-制冷剂贮罐，2-液态制冷剂，3-液体循环泵，3-1-液体循环泵旁 路管线，3-2-气态制冷剂管道，4-冷交换器，5-制冷剂管道，6-用冷系统，7- 气态制冷剂，8-压缩机，9-冷凝蒸发器，10-节流阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1。

如图2所示，一种液体循环型制冷装置，具体实施例如下：

从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后送入冷凝蒸发 器9、冷交换器4，将冷量传递给温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升 高的制冷剂送至用户系统6进行供冷；从用户系统6出来的制冷剂气体经压缩机 8压缩后进入冷交换器4、冷凝蒸发器9，回收冷量、降低温度，经节流阀10返 回制冷剂贮罐1，从而形成液体循环型制冷装置的供冷循环回路。

所述的冷交换器4采用必要的强化传热措施，如采用板翅式换热器、间接传 冷方式。

所述的压缩机8可以采用变频调速装置。

所述的制冷剂贮罐1采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光 砂等隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节 功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。

设有与本发明的液体循环型制冷装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、 安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉 此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属 于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的 为准。