CN101592412A - 可调节多温度制冷装置 - Google Patents

Abstract

可调节多温度制冷装置采用非共沸混合工质蒸汽压缩式制冷技术，使用单台压缩装置单级压缩循环在多个蒸发温度上提供制冷量，实现多套制冷机组才能完成的多温度制冷功能。其中典型的双温度制冷装置包括压缩机、冷凝器、气液分离器、回热器、节流膨胀装置、蒸发冷凝器、蒸发器和三通阀，使用非共沸混合制冷剂为工质。本装置通过对非共沸混合工质的分段冷凝实现多温度制冷；通过调节相应制冷过程的混合工质的流量和浓度，实现对所需制冷温度和制冷量的调节；利用非共沸混合工质的相变滑移温度，降低传热温差。本装置具有设备投资小、节能潜力大、调控能力强等优点，特别适用于需要多个可调制冷温度的场合，例如辐射末端加新风处理的空调***、多温度冰箱***等等。

Description

可调节多温度制冷装置

技术领域

本发明涉及一种具有几个蒸发回路的压缩制冷***，特别涉及一种对非共沸混合制冷剂进行分段冷凝和配比实现各级温度及制冷量可调节的多温度制冷的压缩制冷***，属于制冷技术领域。

背景技术

当今社会在很多场合下需要多温度供冷，但是现有蒸汽压缩制冷循环只能实现单***单温度制冷，***只有一个吸气压力，基于纯工质制冷剂的制冷循环通常只能提供一个蒸发温度，在单温度下提供制冷量，不能满足多温度制冷的需求。目前制冷行业缺乏单机多温度制冷循环方面的技术，应对市场的需求，工程上采用一些折中的技术处理。比如，在新型辐射末端(天棚辐射或者地板辐射)的暖通技术中，同时需要新风供应***，新风机组需要冷冻水供应温度7℃左右，以满足对空气的除湿要求；而为了避免表面结露，辐射末端需要的冷冻水为18～20℃左右，目前工程上针对新风和辐射末端采用分别安装两套不同机组的方法，来满足两种不同温度冷冻水的要求，这种方法除了造价较高以外，还存在两组冷冻水相互独立、不能相互调剂的缺陷。又如电冰箱，有双温度冰箱(冷冻、冷藏)和三温度冰箱(冷冻、保鲜、冷藏)，冷冻室温度要求在-18℃之间，保鲜室要求-7℃，冷藏室要求5℃，目前冰箱技术采用对制冷剂过热的方法获得较高蒸发温度的制冷量。这些现有方法降低了压缩装置的效率，引进了较大的传热温差，造成很大的不可逆传热损失；同时，各个工作室的制冷剂回路串成一线，各部分制冷量相互影响，不能适应制冷量变化的要求。总之建立在单温度制冷循环上的制冷技术，不能满足多温度制冷的需求，将其应用在多温度制冷的场所，存在造价高、COP低、供冷量不匹配等方面的缺陷。

利用非共沸混合工质的自动复叠原理，可以建立一机多温度的制冷循环。但是，到目前为止，非共沸混合工质自动复叠式制冷循环装置主要用于-60℃～-200℃的低温领域，其目的是为了在目标低温区获取最大制冷量和制冷效率，主要技术体现在对最低沸点组分高效、高纯度地分离。自动复叠只要求一个制冷温度(一个温度区间)，高沸点组分的制冷量只是用于冷凝***内的最低沸点组分，不需要在中间温度对外提供额外制冷量。因此这种装置面对多温度供冷的需要，有待于进一步改进。

为了实现非共沸工质一机多温度的制冷循环，可以选择不同压力曲线的工质组成非共沸混合工质***，采用一台压缩装置进行单级压缩，在冷凝时进行复叠式蒸发冷凝，将混合工质按照沸点特性冷凝成多个部分，含有高沸点分子浓度高的部分可以用于产生较高制冷温度的制冷量，含有低沸点浓度高的部分用于产生低温度制冷量。这样可以根据制冷温度的不同需求，复叠冷凝成多个含有不同沸点不同比例的冷凝液，满足多温度制冷循环的要求。此外，利用非共沸制冷剂具有相变滑移温度的特点，还可以通过强化传热等方法，减小换热器中的传热温差，并使整个传热过程维持近似相等的传热温差，降低不可逆传热损失，提高***COP。

对于使用非共沸混合制冷剂的单级压缩多温度制冷***，已经存在相似的专利。但是已经公开的专利与本发明提出的***存在较大差别，有些还存在明显的缺陷需要改进，比如：

授权专利号CN 2667412Y所公开的“一种单机多温蒸气压缩式制冷装置”中，采用蒸馏或精馏的方法“将混合制冷剂依次分离并全部液化”，将混合制冷剂中的各组分依次分离为单组分工质分别进行蒸发制冷，这种方法忽视了非共沸混合制冷剂具有相变滑移温度的优点，会增加换热器中的传热温差，降低换热器效率，因此使用复杂的蒸馏或精馏设备对混合制冷剂依次分离和全部液化是完全没有必要的；另外，其公开的装置具体实施方式中，采用蒸发器和冷凝蒸发器串联的方式，使用蒸发器出口的过热或部分过热的制冷剂对低沸点气态制冷剂进行冷凝，因为过热或部分过热的制冷剂的制冷量有限，因此这种串联的方式很难实现对低沸点气态制冷剂的有效冷凝，因而会降低***效率。

公开号CN 101025312A所公开的“具有可变蒸发温度的多温制冷机的制备方法”中，仅能实现“其中一级蒸发温度可以根据用户要求来进行调整”，***的灵活性和经济性不高；同时，其蒸发温度的调节是通过使用三通流量分配阀连接某一级(高温或低温)蒸发器出口和另一级(低温或高温)蒸发器入口来实现的，因为蒸发器出口的制冷剂为过热气体或部分过热的气液混合物，对于气液混合物的流量分配是很难实现的，而将过热气体与另一级蒸发器入口的液体制冷剂混合，对蒸发温度的调节作用可谓微乎其微；其次，由于制冷剂增加了一个蒸发器的流程，高温(或低温)蒸发器出口的制冷剂压力是低于另一级蒸发器的入口压力的，因此仅仅依靠三通阀并无法实现制冷剂的流量分配，反而会因为存在压差而出现与其文中所称的相反的流向，***的可靠性与现实性均存在问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于非共沸混合工质的各级温度和制冷量可调节多温度制冷装置，实现一机多温度的制冷***，利用非共沸混合工质的自动复叠原理，解决使用两套机组或利用制冷剂过热提供双温度制冷量存在的造价高、COP低、供冷量不匹配等方面的缺陷，同时解决传统非共沸混合工质自动复叠式制冷循环装置只能在一个制冷温度下提供制冷量的缺点，此外，改进现有的多温度制冷技术中使用蒸发和冷凝串联出现的两部分相互牵制、调节能力差或仅能实现单级温度调节、不能充分利用非共沸混合工质滑移温度等等缺陷。

技术方案：本发明的可调节多温度制冷装置，包括压缩机、冷凝器、气液分离器、回热器、三通阀、节流膨胀装置、高温蒸发器、蒸发冷凝器、低温蒸发器；在各蒸发回路的进口和出口之间设置回热器；高温蒸发回路的蒸发器和蒸发冷凝器并联；在高温蒸发器和低温蒸发器的节流膨胀装置前分别设置三通阀；装置使用二元或多元非共沸混合制冷剂，采用分段冷凝的方式，冷凝出多股不同浓度的混合制冷剂，满足各级制冷温度和制冷量的要求；通过引入一定比例的其他制冷温度上的液体制冷剂来改变本级混合制冷剂的浓度，实现对本级制冷温度的调节；同时利用非共沸混合制冷剂的滑移温度，通过换热器的优化设计，降低传热温差，减少换热器中的不可逆传热损失，提高制冷效率。

本发明公布的可调节多温度制冷装置，使用单台压缩机对混合制冷剂进行压缩，高温高压的混合制冷剂由压缩机出口排放至冷凝器，在其中冷凝成气液两相工质，随后在气液分离器中被分段冷凝成含高沸点组分较多的液相制冷剂和含低沸点组分较多的气相制冷剂；两部分制冷剂分别进入两个蒸发回路：液相制冷剂通过第一回热器后又分为两部分，一部分经过第一三通阀，节流膨胀后进入高温蒸发器蒸发提供制冷量QH，另一部分经节流膨胀装置后进入蒸发冷凝器对其中的气相制冷剂进行冷凝；气相制冷剂进入蒸发冷凝器被其中的液相制冷剂冷凝，之后经过第二回热器、第二三通阀，节流后进入低温蒸发器蒸发提供制冷量QL。从高温蒸发器和蒸发冷凝器出来的制冷剂混合后通过第一回热器达到过热，从低温蒸发器出来的制冷剂通过第二回热器达到过热，随后这两部分过热制冷剂混合进入压缩机，开始下一个循环。

本装置的特点还在于，高温蒸发回路中的高温蒸发器和蒸发冷凝器可以使用一台蒸发冷凝制冷器代替；同时，在各级制冷负荷较稳定而不需要调节制冷温度和制冷量时，可以省去两级蒸发回路间的三通阀；在需要两个以上蒸发温度时可通过增加中间级蒸发回路实现多温度制冷；在这些变化的基础上可以形成各种不同的***型式，使得***灵活多变，节省投资。

在本装置中，冷凝器可以使用但不限于以下形式：水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、蒸发式冷凝器；高温蒸发器(或蒸发冷凝制冷器)和低温蒸发器可以使用但不限于以下形式：壳管式蒸发器、套管式蒸发器、水箱式蒸发器、冷却排管、风机盘管；节流膨胀装置可以使用但不限于以下形式：热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管节流装置；***所使用的混合工质可以根据装置的不同应用要求采用相应的纯工质进行配比，工质可以选用但不限于以下种类：烃类制冷剂、卤代烃制冷剂、氨、水、CO₂、无机化合物制冷剂。

有益效果：

1、本发明使用单台压缩机进行单级蒸汽压缩循环，通过将非共沸工质分级冷凝成不同蒸发温度区间的多股工质，同时产生多个制冷温度下的制冷量，能够满足多温度供冷的需求。

2、本发明在高温蒸发回路中采用蒸发器和冷凝器并联的形式，可根据高温制冷负荷和低温冷凝负荷对制冷剂进行分配，避免了将蒸发器和冷凝器串联产生的冷凝量不足和灵活性差的缺陷。

3、本发明在节流膨胀装置前设置三通阀连接两级蒸发回路，可对不同沸点的制冷剂进行流量调节，根据负荷大小及负荷温度，在各级回路上配比出不同浓度和不同温度的混合制冷剂，通过换热器的优化设计，可以充分利用非共沸混合制冷剂的滑移温度，减小换热器的传热温差，降低不可逆损失，提高***效率。

4、本发明各蒸发回路均设置回热器，不仅能利用蒸发器出口制冷剂的剩余冷量提高***效率，而且能改善压缩机进口制冷剂状态，提高***可靠性。

5、本发明使用的非共沸混合制冷剂可以根据对装置的不同应用要求采用不同的组分和浓度配比，可达到最佳的***效率。

附图说明

图1为本发明的基本的双温度制冷装置的***图。

图2、图3、图4为本发明的双温度制冷装置的三种不同装置型式的***图。

图5为本发明的多温度制冷装置的***图。

具体实施方式

实施例1，参见图1。包括压缩机1、冷凝器2、气液分离器3、蒸发冷凝器4、低温蒸发器5、第一回热器6、第二回热器7、第一节流膨胀装置8、第二节流膨胀装置9、第一三通阀10、第二三通阀11、第三节流膨胀装置12、高温蒸发器13。冷凝器2将压缩机1出口的高温高压混合制冷剂部分冷凝并排放冷凝热QC，所得气液两相制冷剂进入气液分离器3中被分段冷凝为两部分：含高沸点组分较多的液相制冷剂和含低沸点组分较多的气相制冷剂。其中液相制冷剂由第一输出端3a进入高温蒸发回路，经过回热器过冷后又分为两部分：一部分经第一三通阀10和第三节流膨胀装置12进入高温蒸发器1 3在较高温度下蒸发对外提供制冷量QH，另一部分经过第一节流膨胀装置8进入蒸发冷凝器4对含低沸点组分较多的气相制冷剂进行冷凝；气相制冷剂由第二输出端3b进入高温蒸发回路的蒸发冷凝器4，在其中冷凝后进入第二回热器7产生过冷，随后经第二三通阀11和第二节流膨胀装置9进入低温蒸发器5在较低温度下蒸发对外提供制冷量QL。

从气液分离器3中分离出来的高温液相制冷剂和经过第二回热器7过冷后的低温液相制冷剂可通过第一三通阀10和第二三通阀11进行流量调节，根据相应制冷量和制冷温度的要求，对进入高温蒸发器13和低温蒸发器5中的混合制冷剂浓度和流量进行优化配比，从而可以利用非共沸混合制冷剂的相变滑移温度，减少传热温差，提高***效率；

实施例2，参见图2。与实施例1的不同在于，从气液分离器3的第一输出端3a输出的含高沸点组分多的液相制冷剂在第一回热器6中过冷后，经过第一三通阀10和第一节流膨胀装置8，进入蒸发冷凝制冷器4，制冷剂在其中蒸发对外提供制冷量QH的同时冷凝从气液分离器3的第二输出端3b输出的含低沸点组分多的气相制冷剂。此***中使用蒸发冷凝制冷器4代替了实施例1中的高温蒸发器和蒸发冷凝器，蒸发冷凝制冷器4同时具备对外提供制冷量和对气相制冷剂冷凝两个功能，并且省去了一个节流膨胀装置，因此可以减小设备体积、节省设备费用。

实施例3，参见图3。在制冷负荷和温度变化不大，各级蒸发温度和制冷量不需要调节时，可以在实施例1的基础上去除两级蒸发回路上设置的三通阀，此时应根据制冷装置的应用要求来确定制冷剂的组分和浓度。同时，仍然可以通过控制冷凝器2中的部分冷凝量来控制进入各级蒸发回路中混合制冷剂的组分，以充分利用非共沸混合制冷剂的相变滑移温度，减少不可逆传热损失。

实施例4，参见图4。对于各级温度不需要调节的情况，可在实施例3的基础上，进一步使用蒸发冷凝制冷器代替高温蒸发器和蒸发冷凝器，可以节省设备费用、减小设备体积。

实施例5，参见图5。在双温度制冷***的基础上，可以通过增加中间蒸发回路实现多温度制冷***。在多温度制冷***中，中间蒸发回路Z1包括第一级气液分离器3-1及其输出端3a-1、3b-1，第一级中间蒸发冷凝器4-1，第一级中间回热器6-1，第一级第一节流膨胀装置8-1，第一级第二节流膨胀装置10-1，制冷剂在第一级中间蒸发器11-1中蒸发对外提供制冷量Q1，其他各级中间蒸发回路Z2......Zn的组成依次类推，可对外提供制冷量Q2......Qn。在多温度制冷***中，同样可以增加级间流量调节装置，实现对各级制冷温度和制冷量的调节。

Claims (5)

1.一种可调节多温度制冷装置，其特征在于，该装置包括压缩机、冷凝器、气液分离器、回热器、三通阀、节流膨胀装置、高温蒸发器、蒸发冷凝器、低温蒸发器；回热器设置在各蒸发回路的进口和出口之间；高温蒸发回路的蒸发器和蒸发冷凝器并联；三通阀分别设置在高温蒸发器和低温蒸发器的节流膨胀装置前；装置使用二元或多元非共沸混合制冷剂，采用分段冷凝的结构，冷凝出多股不同浓度的混合制冷剂，满足各级制冷温度和制冷量的要求；通过引入一定比例的其他制冷温度上的液体制冷剂来改变本级混合制冷剂的浓度，实现对本级制冷温度的调节和对非共沸混合制冷剂滑移温度的调节。

2.如权利要求1所述的可调节多温度制冷装置，其特征在于，压缩机(1)的输出端连接冷凝器(2)的输入端，冷凝器(2)的输出端接气液分离器(3)的的输入端，高温高压的混合制冷剂由压缩机(1)的输出端进入冷凝器(2)，在其中冷凝成气液两相工质，随后进入气液分离器(3)中被分段冷凝成含高沸点组分较多的液相制冷剂和含低沸点组分较多的气相制冷剂，两部分制冷剂分别进入两个蒸发回路：液相制冷剂由气液分离器(3)的第一输出端(3a)输出，经第一回热器(6)后又分为两部分，一部分经过第一三通阀(10)和第三节流膨胀装置(12)后进入高温蒸发器(13)蒸发提供制冷量QH，一部分经过第一节流膨胀装置(8)后进入蒸发冷凝器(4)对其中的气相制冷剂进行冷凝；气相制冷剂由气液分离器(3)的第二输出端(3b)进入蒸发冷凝器(4)，被其中的液相制冷剂冷凝，之后经过第二回热器(7)、第二三通阀(11)、第一节流膨胀装置(9)后进入低温蒸发器(5)蒸发提供制冷量QL；从高温蒸发器(13)和蒸发冷凝器(4)出来的制冷剂混合后通过第一回热器(6)达到过热，从低温蒸发器(5)出来的制冷剂通过第二回热器(7)达到过热，随后这两部分过热制冷剂混合进入压缩机(1)。

3.如权利要求1所述的可调节多温度制冷装置，其特征在于，高温蒸发回路中的高温蒸发器和蒸发冷凝器可以使用一台蒸发冷凝制冷器代替；在各级制冷负荷较稳定而不需要调节制冷温度和制冷量时，省去两级蒸发回路间的三通阀；在需要两个以上蒸发温度时，通过增加中间级蒸发回路实现多温度制冷；在这些变化的基础上形成不同的***型式。

4.如权利要求1所述的可调节多温度制冷装置，其特征在于，冷凝器使用水冷式冷凝器、风冷式冷凝器或者蒸发式冷凝器；高温蒸发器、蒸发冷凝器或低温蒸发器使用壳管式蒸发器、套管式蒸发器、水箱式蒸发器、冷却排管或者风机盘管；节流膨胀装置使用热力膨胀阀、电子膨胀阀或者毛细管节流装置。

5.如权利要求1所述的可调节多温度制冷装置，其特征在于，装置所使用的混合工质根据装置的不同应用要求选用烃类制冷剂、卤代烃制冷剂、氨、水、CO₂或者其它有机化合物制冷剂进行配比。

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