一种基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱

摘要

本发明公开了基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱，包括压缩机、风冷冷凝器、第一热交换器、第二热交换器、干燥过滤器、毛细管、第一蒸发器、第一电动调节阀、第一气液分离器、第二蒸发器、第二电动调节阀、第三蒸发器、第三电动调节阀、第四蒸发器、第四电动调节阀和第二气液分离器；第一蒸发器的出口端与第一气液分离器的入口端连接，第四蒸发器的出口端与第一热交换器的第二入口端连接，第一热交换器的第二出口端与第二气液分离器的入口端连接；第一气液分离器的第二出口端与第二热交换器的第二入口端连接，第二热交换器的第二出口端与第二气液分离器的入口端连接。该多温冰箱解决单循环不可逆损失大，温度控制不精确的问题。

说明书

技术领域

  本发明属于制冷技术领域，涉及一种基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱。

背景技术

目前多温冰箱采用的循环大致可分为：a）单循环；b）压缩机双循环；c）分立双循环；d）旁通双循环。其中，单循环统一采用冷冻室蒸发温度，换热温差大，不可逆损失大，温度控制不准确。压缩机双循环可实现双温独立控制，但选用压缩机较小，效率降低，且成本增加，系统复杂。分立双循环无法同时向多个蒸发器提供冷量，温度控制不稳定。旁通双循环中，如果旁通回路连接冷冻蒸发器，无法解决不可逆损失大的问题；如果旁通回路连接冷藏蒸发器，大部分时间两室蒸发温度相同，不可逆损失仍然较大。

非共沸混合工质由于其在定压相变时产生温度滑移，可实现近洛伦茨循环，相比于传统工质的逆卡诺循环，非共沸混合工质的不可逆损失更小。其次，非共沸工质环保性好，被当做是传统工质的重要替代物。但是目前所应用的非共沸工质滑移温度较低，尚不能通过单一循环实现多个蒸发温度。

因此，如何克服传统多温冰箱中，单循环不可逆损失大，温度控制不精确，双循环系统复杂，现有非共沸工质滑移温度小的问题，设计一种利用单循环实现多个蒸发温度的基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱，该多温冰箱通过单循环实现多个蒸发温度的基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱，从而解决单循环不可逆损失大，温度控制不精确，双循环系统复杂的问题。

技术方案：为解决上述技术方案，本发明采用如下的技术方案：

一种基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱，该多温冰箱包括压缩机、风冷冷凝器、第一热交换器、第二热交换器、干燥过滤器、毛细管、第一蒸发器、第一电动调节阀、第一气液分离器、第二蒸发器、第二电动调节阀、第三蒸发器、第三电动调节阀、第四蒸发器、第四电动调节阀和第二气液分离器，非共沸工质通过管道在多温冰箱中流动；压缩机的出口端与风冷冷凝器的入口端连接，风冷冷凝器的出口端与第一热交换器的第一入口端连接，第一热交换器的第一出口端与第二热交换器的第一入口端连接，第二热交换器的第一出口端与干燥过滤器的入口端连接，干燥过滤器的出口端与毛细管的入口端连接，毛细管的出口端与第一蒸发器的入口端连接，第一蒸发器的出口端与第一气液分离器的入口端连接，第一气液分离器的第一出口端与第二蒸发器的入口端连接，第二蒸发器的出口端与第三蒸发器的入口端连接，第三蒸发器的出口端与第四蒸发器的入口端连接，第四蒸发器的出口端与第一热交换器的第二入口端连接，第一热交换器的第二出口端与第二气液分离器的入口端连接，第二气液分离器的出口端与压缩机的进口端连接；第一气液分离器的第二出口端与第二热交换器的第二入口端连接，第二热交换器的第二出口端与第二气液分离器的入口端连接；第一电动调节阀的入口端与毛细管的出口端连接，第一电动调节阀的出口端与第一气液分离器的入口端连接；第二电动调节阀的入口端与第一气液分离器的第一出口端连接，第二电动调节阀的出口端与第三蒸发器的入口端连接；第三电动调节阀的入口端与第二蒸发器的出口端连接，第三电动调节阀的出口端与第四蒸发器的入口端连接；第四电动调节阀的入口端与第三蒸发器的出口端连接，第四电动调节阀的出口端与第四蒸发器的出口端连接。

进一步，所述的非共沸工质为具有滑移温度大于15℃的非共沸制冷剂工质对。

进一步，所述的非共沸工质为R32/R236fa，R236ea/R143a，R32/R236ea，R236fa/R143a中的任意一种。

进一步，所述的第一蒸发器的蒸发温度为-26 ~ -20℃，第二蒸发器的蒸发温度为-20 ~ -14℃，第三蒸发器的蒸发温度为-14 ~ -8℃，第四蒸发器的蒸发温度为-8 ~ 0℃。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）实现单循环，且不可逆损失小。传统多温冰箱所采用的单循环，各个室的蒸发器的蒸发温度一样，均为冷冻室内的蒸发温度，因为冷冻室内温度很低，因此导致其他室内的蒸发器的蒸发温度也很低。这导致换热温差太大，换热温差大，导致不可逆损失大。损失指的是可用能损失，例如蒸发温度为-26℃的制冷剂可以获得-18℃的低温环境，但是传统单循环多温冰箱，利用蒸发温度为-26℃的获得-18℃的低温环境外，还直接利用这一温度的制冷剂获得-6℃，0℃，5℃的低温环境，从而增大了可用能损失。提高效率的方式是提高了蒸发温度，从卡诺循环可以看出，蒸发温度提高，系统卡诺循环效率增大。不可逆损失是指由传热温差，摩擦等带来的不可避免的损失。因此降低不可逆损失的最主要方式就是通过降低传热温差。本发明中，各蒸发器与冰箱各室的传热温差减小，不可逆损失减小。

（2）温度控制精确。本发明中，温度精确控制主要通过四个并联连接的电动调节阀进行调节，当某一个仓室内负荷变化时，通过电动调节阀控制该仓室内蒸发器里面制冷剂的流量。具体是通过感温包测量蒸发器出口温度，当温度降低时，增大电动调节阀，当温度升高时，调小电动调节阀。由于每一个舱室都有一个独立的电动调节阀与其并联，因此每个舱室都可以实现温度精确控制，而当四个舱室的温度都达到设定值时，压缩机停止工作。与双循环相比，本发明的系统结构更加简单，温度控制更为精确。

（3）本发明利用了具有大滑移温度的非共沸工质，产生了-26℃~0℃的蒸发温度，克服传统单工质的制冷循环无法实现多个蒸发温度的缺陷。本发明选取的具有大滑移温度的非共沸制冷剂，以R32/R236fa为例，在冰箱标准设计工况下，与现有常用的R134a，R600a的循环相比，压比减小38.6%（压缩机效率可大幅度提高），单位容积制冷量为R134a系统的3.1倍，R600a系统的5.7倍（压缩机尺寸可大幅度减小），cop可增加到1.89，与R134a，R600a系统相比，分别增加了30.3%和26% 。

（4）本发明在冷冻室蒸发器后设置气液分离器，以R32/R236fa为例，气液分离器使得组分从70%/30%（蒸发温度-26.13℃~-14.13℃）变化为40%/60%蒸发温度（-19.6℃~1.1℃），从而实现更大范围且适合冰箱工况的蒸发温度。

（5）本发明选取的非共沸工质，以R32/R236fa为例，在设计工况下，蒸发压力为280.11Kpa，高于大气压；而现有冰箱常用工质R600a为62.52Kpa，小于大气压，一但有空气漏入制冷系统，不凝性组分将大大降低系统效率，且存在安全隐患。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图中有：压缩机1、风冷冷凝器2、第一热交换器3、第二热交换器4、干燥过滤器5、毛细管6、第一蒸发器7、第一电动调节阀8、第一气液分离器9、第二蒸发器10、第二电动调节阀11、第三蒸发器12、第三电动调节阀13、第四蒸发器14、第四电动调节阀15、第二气液分离器16。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，本发明的一种基于大滑移温度非共沸工质的多温冰箱，包括压缩机1、风冷冷凝器2、第一热交换器3、第二热交换器4、干燥过滤器5、毛细管6、第一蒸发器7、第一电动调节阀8、第一气液分离器9、第二蒸发器10、第二电动调节阀11、第三蒸发器12、第三电动调节阀13、第四蒸发器14、第四电动调节阀15和第二气液分离器16，非共沸工质通过管道在多温冰箱中流动。压缩机1的出口端与风冷冷凝器2的入口端连接，风冷冷凝器2的出口端与第一热交换器3的第一入口端连接，第一热交换器3的第一出口端与第二热交换器4的第一入口端连接，第二热交换器4的第一出口端与干燥过滤器5的入口端连接，干燥过滤器5的出口端与毛细管6的入口端连接，毛细管6的出口端与第一蒸发器7的入口端连接，第一蒸发器7的出口端与第一气液分离器9的入口端连接，第一气液分离器9的第一出口端与第二蒸发器10的入口端连接，第二蒸发器10的出口端与第三蒸发器12的入口端连接，第三蒸发器12的出口端与第四蒸发器14的入口端连接，第四蒸发器14的出口端与第一热交换器3的第二入口端连接，第一热交换器3的第二出口端与第二气液分离器16的入口端连接，第二气液分离器16的出口端与压缩机1的进口端连接。第一气液分离器9的第二出口端与第二热交换器4的第二入口端连接，第二热交换器4的第二出口端与第二气液分离器16的入口端连接。第一电动调节阀8的入口端与毛细管6的出口端连接，第一电动调节阀8的出口端与第一气液分离器9的入口端连接。第二电动调节阀11的入口端与第一气液分离器9的第一出口端连接，第二电动调节阀11的出口端与第三蒸发器12的入口端连接。第三电动调节阀13的入口端与第二蒸发器10的出口端连接，第三电动调节阀13的出口端与第四蒸发器14的入口端连接。第四电动调节阀15的入口端与第三蒸发器12的出口端连接，第四电动调节阀15的出口端与第四蒸发器14的出口端连接。

进一步，所述的非共沸工质为具有滑移温度大于15℃的非共沸制冷剂工质对。作为优选，所述的非共沸工质为二氟甲烷（英文缩写R32）和1,1,1,3,3,3-六氟丙烷（英文缩写：R236fa）组成的工质对（即R32/R236fa），1,1,1,2,3,3-六氟丙烷（英文缩写：R236ea）和1,1,1-三氟乙烷（英文缩写：R143a）组成的工质对（即R236ea/ R143a）， 二氟甲烷（英文缩写：R32）和1,1,1,2,3,3-六氟丙烷（英文缩写：R236ea) 组成的工质对（即R32/ R236ea），1,1,1,3,3,3-六氟丙烷（英文缩写：R236fa）和1,1,1-三氟乙烷(英文缩写：R143a) 组成的工质对（即R236fa/ R143a）中的任意一种。

进一步，所述的第一蒸发器7的蒸发温度为-26 ~ -20℃，第二蒸发器10的蒸发温度为-20 ~ -14℃，第三蒸发器12的蒸发温度为-14 ~ -8℃，第四蒸发器14的蒸发温度为-8 ~ 0℃。本发明的优选方案中，非共沸工质在定压相变时，蒸发温度不断升高的特性（温度滑移），将蒸发过程分为-26~-20℃、-20~-14℃、-14~-8℃、-8~0℃四段，分别维持冷冻室蒸发器-18℃、局部冷冻室蒸发器-6℃、零度保鲜室蒸发器0℃、冷藏室蒸发器5℃。其中，-26～-20℃的蒸发过程用于维持冷冻室保持在-18℃，-20～-14℃的蒸发过程用于维持局部冷冻室的保持在-6℃，-14～-8℃的蒸发过程用于维持零度保鲜室的保持在-0℃，-8～0℃的蒸发过程用于维持冷藏室的保持在5℃。

非共沸制冷剂在定压相变时，液相中高沸点组分浓度不断升高，以R32/R236fa为例，R32/R236fa（70%/30%）经过第一蒸发器7（冷冻室蒸发器）后液相组分变为R32/R236fa（40%/60%），在第一蒸发器7处设置第一气液分离器9，将气液组分分离，从而改变后续循环中制冷剂组分组成，使得在蒸发压力为280.11Kpa时，蒸发温度由-26.13℃~-14.13℃（70%/30%）变为-19.6℃~1.1℃（40%/60%），进一步增大滑移温度范围，提供更适合多温冰箱的蒸发温度。

上述结构的多温冰箱中，第一汽液分离器9分离出的气相成分与从第一热交换器3中出来的工质在第二热交换器4中进行逆流换热。从冷藏室蒸发器14制冷剂出口流出的制冷剂经过第一热交换器3后，与经第一气液分离器9分离的制冷剂气体从第二热交换器4流出后，混合，并通入第二气液分离器16。经第一气液分离器9分离的冷剂液体进入第二蒸发器10。整个制冷循环中的四个蒸发器采用串联形式，并用一台压缩机实现4个蒸发温度。第一蒸发器7、第二蒸发器10、第三蒸发器12、第四蒸发器14分别依靠与其并联的第一电动调节阀8，第二电动调节阀11、第三电动调节阀13、第四电动调节阀15实现负荷调节。

以R32/R236fa非共沸制冷剂工质对为例，对本发明的工作过程进行阐述：压缩机1由非共沸工质冷却，压缩机1排气经过冷凝器2冷却。冷凝器2冷凝之后的非共沸工质，先与第四蒸发器14蒸发后的非共沸工质，在第一热交换器3中进行逆流换热，然后与第一气液分离器9分离的出来的气相非共沸工质在第二热交换器4中进行逆流换热，实现非共沸工质的过冷，提高效率。通过两个热交换器进行换热，使得非共沸工质的过冷度增大，从而降低了节流过程中的汽化损失，使得系统的制冷量增大。在功耗一定的情况下，机组整体效率（COP）提高。过冷之后的非共沸工质由干燥过滤器5进行干燥。干燥之后的非共沸工质经过毛细管6完成节流，直接节流到280Kpa。在第一蒸发器7蒸发过程中，非共沸工质由于温度滑移，蒸发温度从-26℃变化到-20℃，维持第一蒸发器7所工作的冷冻室温度为-18℃，对数平均温差4.3℃。从第一蒸发器7出口端流出的非共沸工质温度为-20℃，干度是0.6的气液混合物（R32/R236fa整体组分比例仍然为70%/30%）。之后非共沸工质进入第一气液分离器9中进行分离，气相通入第二热交换器4中进行换热，液相（液相中组分为40%/60%）通入第二蒸发器10中进一步蒸发。气液组分分离，使得在蒸发压力为280.11Kpa时，蒸发温度由-26.13℃~-14.13℃，70%/30%变为-19.6℃~1.1℃，40%/60%（从第一气液分离器9分离出来的液态非共沸工质的组分，在蒸发压力保持为280.11kpa时，整个蒸发过程蒸发温度为-19.6℃~1.1℃），进一步增大滑移温度范围。非共沸工质存在一个特点，就是蒸发的过程中高沸点的组分，例如本发明中的R236fa，与低沸点的组分R32，二者蒸发时难易程度不一样，低沸点组分R32要易于蒸发，因此在R32/R236fa（质量比为70%∶30%），进行蒸发时，余下的液态制冷剂中R32的组分浓度会逐渐降低，R236fa的组分浓度会升高。在第一蒸发器7的出口处，余下液态非共沸工质的组分变为R32/R236fa（60%∶40%）。第二蒸发器10的进口温度为-20℃和出口温度为-14℃。局部冷冻室设计温度-6℃，对数平均温差为10.72℃。第二蒸发器10为局部冷冻室工作，提供局部冷冻室所需要的冷量。第二蒸发器10蒸发之后的非共沸工质进入第三蒸发器12中继续蒸发。第三蒸发器12的进口温度为-14℃，出口温度为-8℃，对数平均温差为10.72℃。第三蒸发器12为零度保鲜室工作，提供零度保鲜室所需要的冷量。 蒸发过的非共沸工质进入第四蒸发器14进一步蒸发。第四蒸发器14的进口温度为-8℃、出口温度为0℃。冷藏室设计温度为5℃，对数平均温差为10.72℃。第四蒸发器14为冷藏室工作，提供冷藏室所需要的冷量。第四蒸发器14出口流出的非共沸工质经过第一热交换器3后，与从第二热交换器4第二出口流出的非共沸工质混合，通入第二气液分离器16，进行气液分离，之后由涡旋压缩机1吸入。

第一蒸发器7与第一电动调节阀8并联，第二蒸发器10与第二电动调节阀11并联，第三蒸发器12与第三电动调节阀13并联，第四蒸发器14与第四电动调节阀15并联。第一蒸发器7与第一电动调节阀8为冰箱的冷冻室工作，第一电动调节阀8用于调节冷冻室的温度。第二蒸发器10与第二电动调节阀11为冰箱的局部冷冻室工作，第二电动调节阀11用于调节局部冷冻室的温度。  第三蒸发器12与第三电动调节阀13为冰箱的零度保鲜室工作，第三电动调节阀13用于调节零度保鲜室的温度。第四蒸发器14与第四电动调节阀15为冷藏室工作，第四电动调节阀15用于调节冷藏室的温度。

本发明以具有大滑移温度的非共沸制冷剂作为循环工质，利用该工质对在定压相变时所具有的大滑移温度特性，通过串联单级压缩制冷循环，实现四个不同蒸发温度，并在冷冻室蒸发器后设置气液分离器，调节后续参与循环制冷剂的组分，增大温度滑移范围。本发明可在不增加系统复杂性的情况下，有效减小不可逆损失，增加系统效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。