制得低于主制冷剂冰点以下冷源的制冷方法及其制冷系统

摘要

一种制得低于主制冷剂冰点以下冷源的制冷方法及其制冷系统，属于液体蒸发制冷技术领域。该方法及系统的特征在于：蒸发器中制冷工质由主制冷剂和辅助制冷剂组成，主制冷剂为相变制冷剂，辅助制冷剂为与主制冷剂相溶但不参加相变的固态制冷剂，其中所述固态制冷剂能够降低所述相变制冷剂的冰点；同时利用安装于冷凝器与蒸发器之间的节流防冰控制阀，采用负反馈自动控制节流保证节流后水温压在主制冷剂冰点温度以上，以防主制冷剂结冰。作为一种新的制冷技术，打破了制冷工质三相平衡点温度的限制；使制冷剂的使用范围有了较大的拓展。

说明书

技术领域

本发明的制得低于主制冷剂冰点以下冷源的制冷方法及其制冷系统，属于液体蒸发制冷技术领域。

背景技术

目前，液体蒸发制冷技术包括蒸汽压缩式制冷技术、吸收式制冷技术、蒸汽喷射式制冷技术、吸附式制冷技术等制冷技术，其特点为利用制冷剂(工质)在低温低压下由液态汽化成汽态所需要的相变能量作为制冷量进行制冷。该制冷技术作为目前应用最为广泛的制冷技术，家用空调、电冰箱、商用中央空调；工业、国防等领域所需温度控制空间均作为主流制冷技术发挥重大作用。其中制冷工质的作用至为关键，一般而言，一定的温度控制范围对应某些特别的制冷剂，很多优秀的制冷剂受其工程热物理性质的限制，其制冷温度范围有限，其中汽、液、固三相平衡点限制是难以突破的。如何进一步降低目前各种制冷系统制冷剂冷源温度是本技术领域长期研究的方向。如水是最廉价、最易获得的天然环保制冷剂，具有密度小、安全无害、对设备几乎无腐蚀性等优点。水虽有比热大的优点，但水的凝固点高，所以水仅能用作制出0℃以上的冷源，一般情况下制冷温度在5℃以上，溴化锂吸收式制冷机(水为其中工质之一)作为目前大中型空调制冷的主流机型，目前正向中小型机延伸，“5℃以上”的制冷温度，使溴化锂吸收式制冷机的应用范围受到限制，如何解决溴化锂吸收式制冷机在摄氏零度以下的蒸发温度下工作，成为其扩大应用范围的技术关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制得低于制冷剂冰点以下冷源的制冷方法及其制冷系统。

一种制得低于制冷剂冰点以下冷源的制冷方法，利用制冷剂在低温低压下由液态汽化成汽态所需要的相变能量作为制冷量进行制冷，其特征在于：蒸发器中制冷工质由主制冷剂和辅助制冷剂组成，主制冷剂为相变制冷剂，辅助制冷剂为与主制冷剂相溶但不参加相变的固态制冷剂，其中所述固态制冷剂能够降低所述相变制冷剂的冰点；同时利用安装于冷凝器与蒸发器之间的节流防冰控制阀，采用负反馈自动控制节流保证节流后水温压在主制冷剂冰点温度以上，以防主制冷剂结冰。

一种制得低于制冷剂冰点以下冷源的制冷系统，包括蒸发器、冷凝器，其特征在于：所述蒸发器中制冷工质由主制冷剂和辅助制冷剂组成，主制冷剂为相变制冷剂，辅助制冷剂为与主制冷剂相溶但不参加相变的固态制冷剂，其中辅助制冷剂能够降低主制冷剂的冰点；所述冷凝器与蒸发器之间管路上设置有节流防冰控制阀；节流防冰控制阀通过安装于蒸发器入口处的温压传感器测温，确保进入蒸发器的主制冷剂温度不低于冰点，当蒸发器入口处温度接近或低于预设温度后，节流防冰控制阀的节流孔口增大，温度回升，而其他时候则按正常调节规律运行。

作为一种新的制冷技术，打破了制冷工质三相平衡点温度的限制；使制冷剂的使用范围有了较大的拓展；是液体蒸发制冷技术(包括蒸汽压缩式制冷技术、吸收式制冷技术、蒸汽喷射式制冷技术、吸附式制冷技术等制冷技术)的一次重大理论技术突破，具有较大的理论实际价值。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

图2是本发明循环制冷原理压焓图。

图3是本发明实施方式之一：双工质蒸汽喷射式制冷系统。

图4是本发明实施方式之二：三工质吸收式制冷系统。

图中标号名称：1-蒸发器  2-蒸汽升压器  3-冷凝器  4-节流防冰控制阀  5-蒸汽发生器  6-蒸器喷射器  7-凝结水泵  8-冷媒  9-冷剂水  10-工作蒸汽  11-溴化锂浓溶液  12-发生器  13-盐水  14-冷却水  15-溴化锂稀溶液  16-吸收器  17-热交换器  18-蒸发器泵  19-吸收器泵  20-发生器泵

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1示出了辅助制冷剂制冷方法及系统的基本工作循环。从蒸发器1来的主制冷剂低压汽体送入蒸汽升压器2。在蒸汽升压器2中加压后便进入冷凝器3，被冷凝器3管簇内的冷却水冷却，凝结为高压液体，具有一定液位后，高压液体制冷剂便沿节流防冰控制阀4流至蒸发器1内。由于蒸发器内的压力比冷凝器内的压力低，以水作为主制冷剂溴化锂吸收式制冷机为例，如冷凝温度45℃时，冷凝压力为9580Pa；目前溴化锂吸收式制冷机的蒸发温度为5℃时，蒸发压力为872Pa，对于水而言，如欲再降低蒸发温度，则有可能使冷剂水结冰，造成系统失效。为了防止结冰，节流防冰控制阀4应保证进入蒸发器1的上部温度不低于于0℃，一般为3～5℃，节流防冰控制阀的温压传感器安装于节流防冰控制阀4与蒸发器1的连接管的蒸发器1的的入口处，即当蒸发器3的的入口处温度接近或低于设定温度后，节流防冰控制阀4的节流孔口增大，温度回升，而其他时候则按正常调节规律运行。

凝结水经节流防冰控制阀4节流减压后成为过热水，因此其中部分水自行蒸发，由于水蒸发所需要的热量只能从其余未汽化的水中吸取，结果使其余部分的水温降低，这部分被冷却了的冷媒(水或其他载冷剂，位于蒸发器的上部)被输送到使用冷量的用户，经吸热温度升高后返回蒸发器。同样，一部分因节流防冰控制阀4节流降压而成的过热水自行蒸发吸热，其热量取自过热水自身，于是其余未汽化的过热水因热量被吸走而降温成为饱和水，重新得到冷却。如上述蒸发器实质上是一个汽水分离器，它将来自节流后的汽水混合物分离开来，由于节流过程所引起盐水的自行蒸发，是在工质内部进行。由于工质自行蒸发所产生的低温低压蒸汽不断被溴化锂浓溶液吸收，所以蒸发器内的真空度能维持不变，从而实现了制冷过程。由于盐(氯化钠或氯化钙等作为辅助制冷剂)水的凝固点可低于0℃，进入蒸发器1的冷凝水位于其底部，冷媒(水或其他载冷剂)位于蒸发器的上部，利用其高度差，可实现经节流阀减压到蒸发压力P₀后进入蒸发器的底部的温度高于0℃，蒸发器的上部温度低于于0℃(如-10℃，蒸发压力为259Pa)，沿蒸发器高度的温度是递减的，解决了节流阀的冰堵问题。

制冷剂水进入蒸发器1后，由于压力降低，并与蒸发器内盐水混合，部分盐水开始蒸发，但因为蒸发器1可为一喷淋式热交换器，喷淋液有一定量的要求，故大部分冷剂盐水则先聚积在水盘中，然后以数倍于蒸发量的制冷剂盐水用泵将其送入蒸发器的喷淋管中，经喷嘴洒到管簇上，盐水便蒸发吸热，蒸发管内的水放出热量而冷却到所需的温度，成为生产工艺或空调用的冷媒(作载冷剂)送至用户，并循环使用之。

理论分析：图2.辅助制冷剂制冷方法及系统制冷原理压焓图反映了此制冷循环的热力学原理，图中每个点对应图1部件的热力学参数，为此技术的理论基础。一般液体蒸发制冷循环的为1′-2-3-4′-1′，在冰点线(虚线所示)的上方，下限(最低蒸发温度)为冰点线；辅助制冷剂制冷循环的蒸发制冷循环的下限却可以在冰点线的下方为1-2-3-4-1，这是本发明对制冷技术的贡献。可填补制冷热力学循环的空白。

循环热力计算：

单位质量制冷量q₀＝h₁-h₄      (主制冷剂+辅助制冷剂)

冷凝散热量    q_k＝h₂-h₃      (主制冷剂)

能量输入      w＝h₂-h₁       (主制冷剂)

制冷系数$ϵ=\frac{h_1-h_4}{h_2-h_1}$

图3是双工质(氯化钠或氯化钙+水)蒸汽喷射式制冷系统。这里的蒸汽发生器5为锅炉。双工质蒸汽喷射制冷机是由蒸汽喷射器、冷凝器、蒸发器以及节流防冰控制阀和水泵等组成，其工作蒸汽由锅炉(或热电厂的汽轮机抽汽)供给。它的工作过程是这样的：从锅炉出来的压力为P₁的工作蒸汽进入喷射器6的喷嘴，在喷嘴中迅速膨胀，并在喷嘴出口处达到很大速度，形成真空状态，由于气流的引射作用，因而在吸引了与喷射器6相连接的蒸发器1内的冷蒸汽，以维持蒸发器1内的真空。工作蒸汽与被引射的蒸汽在喷射器6的扩压器内进行充分混合后，一起被压缩到冷凝压力P_k，然后进入冷凝器3被冷凝成液体，即凝结水，凝结水从冷凝器3引出后分为两路，一路用凝结水泵7送回锅炉，作为锅炉的给水，以制取工作蒸汽，另一路经节流防冰控制阀4减压到蒸发压力P₀后进入蒸发器1的底部，蒸发器1内贮有盐水(氯化钠或氯化钙等水溶液)。凝结水经节流减压后成为过热水，因此其中部分水自行蒸发，由于水蒸发所需要的热量只能从其余未汽化的水中吸取，结果使其余部分的水温降低，这部分被冷却了的冷媒(水或其他载冷剂，位于蒸发器1的上部)被输送到使用冷量的用户，经吸热温度升高后返回蒸发器1。同样，一部分因节流降压而成的过热水自行蒸发吸热，其热量取自过热水自身，于是其余未汽化的过热水因热量被吸走而降温成为饱和水，重新得到冷却。如上述蒸发器1实质上是一个汽水分离器，它将来自节流后的汽水混合物分离开来，由于节流过程所引起盐水的自行蒸发，是在工质内部进行。由于工质自行蒸发所产生的低温低压蒸汽不断被引射到喷射器6中，所以蒸发器1内的真空度能维持不变，从而实现了制冷过程。由于盐水的凝固点可低于0℃，进入蒸发器的冷凝水位于其底部，冷媒8(水或其他载冷剂)位于蒸发器1的上部，利用其高度差，可实现经节流防冰控制阀4减压到蒸发压力P₀后进入蒸发器1的底部的温度高于0℃，具体实施技术为：节流防冰控制阀4的温压传感器安装于节流防冰控制阀4与蒸发器1的连接管的蒸发器1的的入口处，确保进入蒸发器1的上部温度不低于于0℃，一般为3～5℃，即当蒸发器1的的入口处温度接近或低于设定温度后，节流防冰控制阀4的节流孔口增大，温度回升，而其他时候则按正常调节规律运行。沿蒸发器1高度的温度是递减的，解决了节流阀的冰堵问题。

图4是三工质(溴化锂+盐+水)吸收式制冷系统。图中示出了溴化锂盐水吸收式制冷机的基本工作循环。从吸收器16来的溴化锂稀溶液15首先由发生器泵20经过溶液热交换器17送入发生器12。在发生器12中受到管内通常为0.2MPa左右的工作蒸汽10加热，直至沸腾，溶液中部分水分开始蒸发析出。在蒸发过程中温度是不断上升的，这时溶液的浓度也不断增大而成为溴化锂浓溶液11。蒸发出的冷剂水蒸汽向上流经挡液板，将所携带的液滴分离后便进入冷凝器3，被冷凝器3管簇内的冷却水14冷却，凝结为水，称冷剂水9，冷剂水9积聚在冷凝器3下部的水盘内，待水盘中的冷剂水9具有一定液位后，冷剂水9便沿节流防冰控制阀4流至蒸发器1内。由于蒸发器1内的压力比冷凝器3内的压力低，如冷凝温度45℃时，冷凝压力为9580Pa；目前溴化锂吸收式制冷机的蒸发温度为5℃时，蒸发压力为872Pa，对于水而言，如欲再降低蒸发温度，则有可能使冷剂水结冰，造成系统失效。为了防止结冰，节流防冰控制阀4应保证进入蒸发器1的上部温度不低于于0℃，一般为3～5℃，节流防冰控制阀4的温压传感器安装于节流防冰控制阀4与蒸发器1的连接管的蒸发器1的的入口处，即当蒸发器1的的入口处温度接近或低于设定温度后，节流防冰控制阀4的节流孔口增大，温度回升，而其他时候则按正常调节规律运行。

凝结水经节流防冰控制阀4节流减压后成为过热水，因此其中部分水自行蒸发，由于水蒸发所需要的热量只能从其余未汽化的水中吸取，结果使其余部分的水温降低，这部分被冷却了的冷媒(水或其他载冷剂，位于蒸发器的上部)被输送到使用冷量的用户，经吸热温度升高后返回蒸发器1。同样，一部分因节流防冰控制阀4节流降压而成的过热水自行蒸发吸热，其热量取自过热水自身，于是其余未汽化的过热水因热量被吸走而降温成为饱和水，重新得到冷却。如上述蒸发器1实质上是一个汽水分离器，它将来自节流后的汽水混合物分离开来，由于节流过程所引起盐水13的自行蒸发，是在工质内部进行。由于工质自行蒸发所产生的低温低压蒸汽不断被溴化锂浓溶液11吸收，所以蒸发器1内的真空度能维持不变，从而实现了制冷过程。由于盐水13的凝固点可低于0℃，进入蒸发器1的冷凝水位于其底部，冷媒8(水或其他载冷剂)位于蒸发器的上部，利用其高度差，可实现经节流阀减压到蒸发压力P₀后进入蒸发器1的底部的温度高于0℃，蒸发器1的上部温度低于于0℃(如-10℃，蒸发压力为259Pa)，沿蒸发器1高度的温度是递减的，解决了节流阀的冰堵问题。

冷剂水进入蒸发器1后，由于压力降低，并与蒸发器内盐水13混合，部分盐水13开始蒸发，但因为蒸发器1为一喷淋式热交换器，喷淋液有一定量的要求，故大部分冷剂盐水13则先聚积在水盘中，然后以数倍于蒸发量的冷剂盐水用蒸发器泵18将其送入蒸发器的喷淋管中，经喷嘴洒到管簇上，盐水13便蒸发吸热，管簇内的水放出热量而冷却到所需的温度，成为生产工艺或空调用的载冷剂送至用户，并循环使用之。

由于吸收器16内压力比蒸发器1内的压力稍低一些，所以蒸发器1内生成的冷剂水蒸汽要向吸收器16流去。蒸汽通过管簇两侧的挡液板将其中携带的液滴分离后进入吸收器16，被喷淋的吸收液吸收，因吸收器16也是一喷淋式热交换器，为了满足一定喷淋量的要求，吸收液是由发生器12来的溴化锂溶液和一部分吸收器中的溴化锂稀溶液15混合而成，称为中间溶液。中间溶液是通过吸收器泵19送至吸收器16的喷淋管中，然后通过喷淋管的喷嘴洒在管簇上。至于在吸收过程中放出的热量则被吸收器16的底部的冷却水14吸收，中间溶液吸收了一定量的水蒸汽成为稀溶液聚积在吸收器16的底部，再由发生器泵20送至发生器12，如此循环不已。