混合工质内复叠制冷系统

摘要

本发明涉及一种混合工质内复叠制冷系统。它包括压缩机、蒸发压力调节阀、汽液分离器及其内的高沸点工质蒸发器，冷凝蒸发器及其内的高沸点工质蒸发器，以及汽液分离器内高沸点工质蒸发器与冷凝蒸发器内高沸点工质蒸发器之间管接的第三节流元件，其特征在于所述的汽液分离器内高沸点工质蒸发器与第三节流元件之间连接有第二节流元件，在所述的汽液分离器内高沸点工质蒸发器的输出端与冷凝蒸发器内高沸点工质蒸发器的输出端之间管接有蒸发压力调节阀。本发明制冷系统能有效控制高沸点工质的分配比例和蒸发温度，提高低沸点工质的纯度，降低低沸点工质蒸发时的温度漂移，增加系统整体稳定性，降温速度快，运行平稳。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合工质制冷系统，尤其在温度范围为-50℃～-80℃之间的新型混合工质内复叠制冷系统，国际专利分类号拟为Int.Cl⁷.F25B1/00。

背景技术

低温冷冻，在能源、军工、生物、医药、食品、材料等行业中有着广泛的应用。低温冷冻常用双级或多级蒸汽压缩制冷循环和复叠式蒸汽压缩制冷系统。双级或多级蒸汽压缩制冷循环使用的是单一工质，当系统冷凝压力和蒸发压力相差很大时，单一工质是多循环复叠式，有高温循环和低温循环，高温和低温制冷循环之间通过冷凝蒸发器合在一起。不同温度的制冷循环需要采用不同的制冷剂或制冷工质。每个制冷循环系统都需要使用一台压缩机。对低温级压缩机还有特殊要求：必须使用低温润滑油。因为在低温时普通润滑油会变稠，分离困难，使系统管路不畅，造成系统运行稳定性差，使用寿命短。

近年来发展起来的多级分凝循环一次节流技术，采用非共沸混合工质作制冷剂，且整套系统只使用一台压缩机，设备减少，成本降低，效率提高。该技术制作的制冷机基于KLEEMENKO循环原理(参见科里曼库，单项流动复叠循环，第十届国际制冷大会，哥本哈根，丹麦；Kleemenko A P.One-flowcascade cycle.Proc.10th Int.Congr.Refri.，Copenhagen，Denmark，1959，1：34-39)，将内复叠系统用于天然汽的液化中，采用65mol％甲烷、20mol％乙烷、15mol％正丁烷的混合物获得了最佳效果。该技术的循环通过使用汽液分离器和膨胀阀，可以提高任意级数的冷却，各级汽液分离器只有液相膨胀，从而保持膨胀过程的高效率。该类制冷机在60年代末开始进入工业应用，并迅速成为液化天然汽工业的最主要制冷机形式。该技术虽避免了采用多个压缩机，但使用多个分凝分离器使分离效率大为降低，不能提供足够的空间和时间，让各组份制冷剂之间进行传热和传质交换，达不到较好的汽液分离的效果；另外，使用油分离器会使大量的高压制冷剂随润滑油在没有制冷前就返回压缩机，造成能量浪费，而少量没有被分离的润滑油仍会被带到系统的低温部分，导致系统管路不畅。另一方面KLEEMENKO循环是基于气体压缩式制冷机的基础上实现的。用于蒸汽压缩式制冷循环，对工质的配比精确度要求不高，而与系统高沸点工质进入精馏装置和冷凝蒸发器的分配比例和温度控制有关。该技术中间温区组分过多分离，致使制冷机整体效率下降。

专利文献(公开号CN1363815A)表明，采用精溜装置分离技术能有效地分离高、低沸点工质。但由于高沸点工质进入精馏装置和冷凝蒸发器的蒸发温度不同，按照该系统循环，会使得在高沸点工质进入精馏装置和冷凝蒸发器的分配上很难控制，其分离效率虽然提高，但很难实现技术的产品化和工业化。另外，实验表明，在高沸点工质中含有很少比例的低沸点工质对系统的影响很小，但低沸点工质中含有很少比例的高沸点工质会产生低沸点工质蒸发温度的漂移，造成系统稳定性差。因此在精馏塔中对高沸点工质的加热以提高高沸点工质纯度的意义不大。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术中的缺陷，要解决的技术问题是设计一种混合工质内复叠制冷系统。它可实现混合工质内复叠制冷系统的较好循环方式，更好地实现系统控制，制冷效率高，运行稳定，且便于实现产品化。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种混合工质内复叠制冷系统，包括压缩机、蒸发压力调节阀、汽液分离器及其内的高沸点工质蒸发器，冷凝蒸发器及其内的高沸点工质蒸发器，以及汽液分离器内高沸点工质蒸发器与冷凝蒸发器内高沸点工质蒸发器之间管接的第三节流元件，其特征在于所述的汽液分离器内高沸点工质蒸发器与第三节流元件之间连接有第二节流元件，在所述的汽液分离器内高沸点工质蒸发器的输出端与冷凝蒸发器内高沸点工质蒸发器的输出端之间管接有蒸发压力调节阀。

本发明的积极效果表现在：本发明混合工质内复叠制冷系统由于在高沸点工质进入精馏装置和冷凝蒸发器时采用了分路供液设计，并设计了蒸发压力调节装置，因而使得蒸汽压缩内复叠系统更趋于合理化，能有效控制高沸点工质的分配比例和蒸发温度，提高低沸点工质的纯度，降低低沸点工质蒸发时的温度漂移，增加系统整体稳定性，可解决原有双级或多级蒸汽压缩制冷系统制冷量低和普通复叠蒸汽压缩制冷系统结构复杂、系统平衡时间长的问题，并且可解决现有内复叠制冷系统控制困难的问题。实验表明，本发明制冷系统降温速度快，运行平稳(参见图2)。

附图说明

图1是本发明混合工质内复叠制冷系统一种实施例的整体示意图。1-压缩机、2-冷凝器、3-第三回热器、4-第一节流元件、5-汽液分离器、6-高沸点工质蒸发器、7-第二回热器、8-电磁阀、9-第二节流元件、10-第三节流元件、11-蒸发压力调节阀、12-高沸点工质蒸发器、13-冷凝蒸发器、14-第一回热器、15-电磁阀、16-第四节流元件、17-低沸点工质蒸发器、18-保温箱体。

图2是依本发明思路安装的内复叠制冷系统的降温曲线实验图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明：

本发明的混合工质内复叠制冷系统(参见图1)，包括压缩机1、蒸发压力调节阀11、汽液分离器5及其内的高沸点工质蒸发器6，冷凝蒸发器13及其内的高沸点工质蒸发器12，以及汽液分离器5内高沸点工质蒸发器6与冷凝蒸发器13内高沸点工质蒸发器12之间管接的第三节流元件10，其特征在于所述的汽液分离器5内高沸点工质蒸发器6与第三节流元件10之间连接有第二节流元件9，在所述的汽液分离器5内高沸点工质蒸发器6的输出端与冷凝蒸发器13高沸点工质蒸发器12的输出端之间管接有蒸发压力调节阀11。

本发明混合工质内复叠制冷系统的新设计特点在于：1.在高沸点工质进入汽液分离器5和冷凝蒸发器13时采用分路供液设计，使用两个节流元件以实现精确控制。同时，为平衡由于高沸点工质进入汽液分离器5和冷凝蒸发器13的蒸发温度的不同造成的回汽压力差，本发明采用了蒸发压力调节阀11来实现系统的平衡；2.在汽液分离器5的结构形式上，本发明去掉了传统精馏塔中对高沸点工质的加热装置，而增大了高沸点工质在汽液分离器5中的蒸发器外表面和填料的接触面积，在汽液分离器5中实现较好的温度梯度，提高高沸点工质蒸汽的捕捉功能，从而增加进入冷凝蒸发器13的低沸点工质蒸汽的纯度，降低低沸点工质蒸发温度漂移现象，提高了系统稳定性。

本发明制冷系统中所述的汽液分离器5及配套管路，即填料式精馏塔或精馏系统是现有技术。该精馏塔在化工领域广泛应用，主要作用是分离经冷凝器2冷凝并经第三回热器3的高沸点工质和未冷凝的低沸点工质。低沸点工质气体经汽液分离器5填料的换热换质后进入冷凝蒸发器13冷凝，同时低沸点工质夹带的高沸点工质蒸汽经高沸点工质蒸发器6冷凝至液体后进入第二回热器7。

在目前的制冷系统中，高沸点工质蒸发器6的作用是冷凝低沸点工质气体夹带的高沸点工质，而高沸点工质蒸发器12的作用是冷凝低沸点工质，所以两者的蒸发温度明显不同。现有技术(如专利CN1363815A)忽视了这一差别，导致制冷系统平衡时间过长，汽液分离效果差。本发明的制冷系统中合理设计并如所述加装了第二节流元件9和蒸发压力调节阀11，是内复叠制冷系统技术的创新。新设计可更有效地控制高沸点工质蒸发器6和高沸点工质蒸发器12的蒸发温度，保证汽液分离器5内的有效温度梯度，避免低沸点工质在汽液分离器5中的冷凝，同时根据不同的季节可有效的保证低沸点工质在冷凝蒸发器13中的冷凝。

本发明制冷系统使用的压缩机1为普通的用油润滑的制冷压缩机，压缩比小于12。它的作用是压缩低压混合工质以升高其压力。本发明制冷系统中不需要低温压缩机，而且润滑油也是普通润滑油，或者说对润滑油的使用也没有限制，因此不但可降低制冷系统生产成本，也可以降低制冷系统使用成本，方便使用，便于推广。

本发明制冷系统所述的第二节流元件9与第一节流元件4、第三节流元件10和第四节流元件16一样，为减压装置。其作用是使高压液体或高压混合工质减压。所述的第二节流元件9可以是各种节流装置，例如可以是一段毛细管，也可以是自动或手动的阀门，或者是它们的任意组合。

本发明制冷系统所述的蒸发压力调节阀11是压力调节装置，用于调节不同蒸发温度的同一种或多种工质气体，使其中高压部分压力降至低压部分，以避免不同温度蒸发器的供液不均，克服现有技术的缺陷。所述的蒸发压力调节阀11实施例为普通制冷用蒸发压力调节阀。但这不受限定。其它压力恒定装置，或者随温度、压力能进行蒸发压力调节的装置都可以适用。

本发明所述的冷凝器2，为一换热器。它的作用是放出工质气体的热量。使高沸点工质在其中冷凝，低沸点工质在其中冷却。其采用的吸热介质可以为常温水、空气或其他流体。

本发明所述的第一回热器14、第二回热器7、第三回热器3，均为换热器。其一侧通过低压工质流体，另一侧通过高压工质流体或高压汽液混合工质，以实现热交换。换热器采用的换热形式不受限定，可以是板式换热器、也可以是螺旋管式换热器、套管式换热器，或者是其它形式的换热器。

所述的汽液分离器5为一汽液分离装置。其作用是将两种或多种沸点不同的混合汽液工质进行分离，使得低沸点工质气体从上部进入冷凝蒸发器13，高沸点工质液体则沉入下部。同时由于混合工质在汽液分离器5中的流速较低，使得雾状润滑油下沉，由高沸点工质带到回压缩机1，避免润滑油进入低温系统而造成系统的堵塞。

所述的低沸点工质蒸发器17也是换热器。其一侧通过低压低温低沸点工质流体进行蒸发吸热，使得低沸点工质在其中蒸发，另一侧为被冷却物放热，被冷却物可以是流体或固体。

所述的高沸点工质蒸发器6为一蒸发器。其作用是使高沸点工质液体蒸发以冷凝在低沸点工质气体中夹带的高沸点工质蒸汽。

所述的高沸点工质蒸发器12也是蒸发器。其作用是使高沸点工质液体蒸发以冷凝低沸点工质。

所述的冷凝蒸发器13也是换热器，是现有技术，主要作用是利用高沸点工质的蒸发冷凝低沸点工质。其一侧经过的是低压高沸点液体工质，并蒸发吸热；另一侧经过的是高压低沸点气体工质，并冷凝放热。

所述的电磁阀8、电磁阀15是普通电动截止阀，用以保证系统停机时高低压两侧的压力。

所述的保温箱体18由保温材料和支撑材料组成，以确保冷量不被流失。保温的形式可以是真空式、填料式、热屏蔽式，或者是它们的组合。

所述制冷系统使用的混合工质是高低沸点不同的工质对或者几种工质的组合。所述的工质可在以下物质中选择：R134a、R22、R290、R600a、R123、R23、R13、R50、R1150、R170等，例如可以选择的工质对是：R134a/R23、R600a/R170、R290/R50或R290/R170等，也可以是从空气或者天然气中分离出的气体组成的工质对。

本发明混合工质内复叠制冷系统未述及的部分适用于现有技术。

本发明制冷系统的工作过程如下(参见图1)：来自第三回热器3的低压低沸点工质与经蒸发压力调节阀11及经过高沸点工质蒸发器12的低压高沸点工质气体一同进入压缩机1，经压缩机1压缩的高压混合工质气体进入冷凝器2，放出热量冷却为高压汽液混合物。其中高沸点工质冷凝为液体，低沸点工质为仍为气体。高压汽液混合物经第三回热器3被低温低沸点工质气体冷却，经第一节流元件4节流降压进入汽液分离器5，进行两种工质的分离。在汽液分离器5中，汽相部分上升进入汽液分离器5的上部，高沸点工质的液相混合物下沉到其底部。底部液相高沸点工质经过第二回热器7再次被低温低沸点工质气体冷却，经电磁阀8后分为两路：其中一路经第二节流元件9节流降压进入汽液分离器5中的高沸点工质蒸发器6，用以冷凝由低沸点工质气体夹带的高沸点工质蒸汽，后经蒸发压力调节阀11回到压缩机1；另一路经第三节流元件10节流降压进入冷凝蒸发器13中的高沸点工质蒸发器12，冷凝低沸点工质后与蒸发压力调节阀11出口处的高沸点工质蒸汽合并回到压缩机1。

在汽液分离器5的上部低沸点工质气体经高沸点工质蒸发器6冷却提纯后进入冷凝蒸发器13，这些低沸点工质的含量已经比汽液分离器5中上部的低沸点工质含量要高。在冷凝蒸发器13中经高沸点工质蒸发器12的冷却凝结为液体，经第一回热器14再次冷却后，通过电磁阀15、第四节流元件16降压进入保温箱体18中的低沸点工质蒸发器17蒸发吸热降温，实现了制冷目的。经蒸发后从低沸点工质蒸发器17出来的低压低沸点工质气体依次进入第一回热器14、第二回热器7及第三回热器3，吸热后与低压高沸点工质蒸汽合并回至压缩机1，混合气体再次被压缩。从而完成全部系统循环。