CN102620462B - 热源驱动的真空制冷*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热源驱动的真空制冷***，包括蒸发室、抽气装置和冷凝室，抽气装置的抽气口与蒸发室的蒸汽出口连通，抽气装置的气体出口与冷凝室的入口连通，抽气装置包括离心涡轮和与离心涡轮同轴的向心涡轮；动力气体依次经过向心涡轮的径向连通口和轴向连通口；蒸发室的蒸汽出口连通离心涡轮的轴向连通口，冷凝室的入口连通离心涡轮的径向连通口。该真空制冷***利用动力气体驱动向心涡轮，从而带动离心涡轮进行抽真空。该真空制冷***以水为工质，无破坏臭氧层和温室气体排放，具有环保方面的优点。用高速涡轮机械，体积流量大，可以弥补水作为制冷工质因密度小到导致流量偏小的不足，同时也具有结构简单、紧凑等优点。

Description

热源驱动的真空制冷***
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，特别是涉及一种热源驱动的真空制冷***。
背景技术
真空制冷是一种已有几十年发展历史的技术。它的基本原理是利用抽真空降压的方法，使被冷却物体内的液体在真空(低压)状态下进行绝热蒸发，蒸发过程吸收热量使被冷却物体降温。真空制冷技术的突出优点在于制冷速度快，主要用于食品、水果等物品的快速制冷上。真空制冷一般用水作为工质，相对常用空调***使用氟利昂工质具有环保的优势。真空制冷***一般由抽真空室、蒸发室、冷凝器/室等部分组成。
真空制冷技术中，如何有效实现抽真空是该技术的核心与难点。水工质在低压状态下密度很低，为达到相当的制冷量，需要实现很大的体积流量，另一方面，抽出的水蒸汽往往需要在冷凝室排出热进行冷凝，此时要求有较高的压力，因此要求抽真空室能实现较大的压缩比。
真空制冷***往往是用电机驱动，如采用转子真空泵、离心压缩机等。以色列I.D.E.公司在开发用离心压缩机驱动的真空制冷上做了很多工作(见US.5520008，US.6688117，US.7013669)，但都采用电机驱动。但以电机驱动的真空制冷***以电为直接驱动能源，相对于同样以电驱动的常用空调效率低、成本高、经济效益低，适用条件有限。
用热源驱动的技术主要是喷射式制冷技术(可参考论文《太阳能喷射式制冷技术进展》)。它的工作原理是：热源加热蒸汽发生器的工质生产高压蒸汽，蒸汽进入喷射器形成高速气流，通过携带作用将蒸发室里的蒸汽抽吸出来形成蒸发器的真空低压。相关专利如ZL200520093629.1。喷射式制冷技术性能系数COP(能量与热量之间的转换比率，简称能效比)过低，一般都低于0.5，且由于喷射器携带能力有限，往往不适合以气态密度低的水作为工质，其适用性也极其有限。
如何提高真空制冷***的工作效率，降低真空制冷的成本，提高真空制冷***的适用性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种热源驱动的真空制冷***，该真空制冷***的工作制冷效率较高，成本较低，其适用性也较好。
为实现上述发明目的，本发明提供一种热源驱动的真空制冷***，包括蒸发室、抽气装置和冷凝室，所述抽气装置的抽气口与所述蒸发室的蒸汽出口连通，所述抽气装置的气体出口与所述冷凝室的入口连通，所述抽气装置包括离心涡轮和与所述离心涡轮同轴的向心涡轮；动力气体依次经过所述向心涡轮的径向连通口和轴向连通口；所述蒸发室的蒸汽出口连通所述离心涡轮的轴向连通口，所述冷凝室的入口连通所述离心涡轮的径向连通口。
优选地，所述离心涡轮和所述向心涡轮均通过空气轴承与基座连接。
优选地，所述向心涡轮的转速为10000-100000转每秒。
优选地，所述离心涡轮包括两级或多级。
优选地，所述蒸发室的温度-2℃-2℃，压力为0.0050bar-0.0065bar。
优选地，所述蒸发室的冷冻水出口设有冰水分离器和冰储存罐。
优选地，所述蒸发室温度在3.5℃-7.0℃，压力为0.008bar-0.01bar，所述离心涡轮的压缩比为4-6。
优选地，还包括设于所述向心涡轮进气侧的换热器和压气机，所述动力气体依次经过所述压气机、所述换热器和所述向心涡轮的进气口。
优选地，所述换热器与工业尾气换热。
优选地，还包括设于太阳能收集装置，所述换热器与所述太阳能收集装置换热。
本发明所提供的热源驱动的真空制冷***，包括蒸发室、抽气装置和冷凝室，所述抽气装置的抽气口与所述蒸发室的蒸汽出口连通，所述抽气装置的气体出口与所述冷凝室的入口连通，与现有技术不同的是，本发明所提供的真空制冷***中，所述抽气装置包括离心涡轮和与所述离心涡轮同轴的向心涡轮；动力气体依次经过所述向心涡轮的径向连通口和轴向连通口；所述蒸发室的蒸汽出口连通所述离心涡轮的轴向连通口，所述冷凝室的入口连通所述离心涡轮的径向连通口。动力气体经过向心涡轮进行能量转换，把热能转换成动能，通过轴带动离心涡轮。离心涡轮抽取蒸发室内的水蒸汽以维持蒸发室的真空低压。蒸发室内的液体不断进行绝热蒸发，留下的液体因蒸发吸热而被冷却。蒸发室的水蒸汽受压缩机压缩之后通到冷凝室，与冷却水进行直接接触式冷凝。涡轮高速旋转、排量大，尽管水蒸气密度较低，仍可以有效地实现蒸发室内的真空低压状态，并达到所需的制冷量。
因此，本发明所提供的热源驱动的真空制冷***，以动力气体驱动向心涡轮，从而带动离心涡轮进行抽真空。该真空制冷***以水为工质，无破坏臭氧层和温室气体排放，具有环保方面的优点。在换热方面，以水为工质，可以方便地在蒸发端、冷凝端均采用直接接触的换热方式，可实现很高的换热效率同时节省换热器。另外，用高速涡轮机械，体积流量大，可以弥补水作为制冷工质因密度小到导致流量偏小的不足。相对热源驱动的其它制冷技术，如吸收式制冷，还具有结构简单、紧凑等方面的优点。
另外，本发明所提供的真空制冷***可以利用工业余热，太阳能、地热能、生物质能等能源来驱动向心涡轮，进而驱动离心涡轮进行制冷，其中，工业余热包括水泥厂、炼钢厂、玻璃厂、化工厂排出的余热，其热源成本低，有利于降低真空制冷的成本。而且，本发明所提供的真空制冷***所制得的低温产品，可以应用的场合包括食品、水果冷却，冰浆制备，空调制冷等，其适用性得到提高。
在一种优选的实施方式中，所述离心涡轮与所述向心涡轮通过空气轴承连接。空气轴承连接可以提高传动精度，减少环境污染，同时满足更高的速度要求，减少维护次数，从而降低真空制冷***的成本。
在另一种优选的实施方式中，所述蒸发室的冷冻水出口设有冰水分离器和冰储存罐。通过冰水分离器可以将蒸发室生成的冰和水进行有效分离，同时，利用冰储存罐将冰储存起来，使工业余热、太阳能等热源的热量可以方便地储存起来，提高热源的利用效率，并降低热源的利用成本。
附图说明
图1为本发明所提供抽气装置一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明所提供真空制冷***第一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明所供真空制冷***第二种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种热源驱动的真空制冷***，该真空制冷***的工作制冷效率较高，成本较低，其适用性也较好。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明所提供的热源驱动的真空制冷***，包括蒸发室、抽气装置和冷凝室，所述抽气装置的抽气口与所述蒸发室的蒸汽出口连通，所述抽气装置的气体出口与所述冷凝室的入口连通，其特征在于，所述抽气装置包括离心涡轮和与所述离心涡轮同轴的向心涡轮；动力气体依次经过所述向心涡轮的径向连通口和轴向连通口；所述蒸发室的蒸汽出口连通所述离心涡轮的轴向连通口，所述冷凝室的入口连通所述离心涡轮的径向连通口。动力气体经过向心涡轮进行能量转换，把热能转换成动能，通过轴带动离心涡轮。离心涡轮抽取蒸发室内的水蒸汽以维持蒸发室的真空低压。蒸发室内的液体不断进行绝热蒸发，留下的液体因蒸发吸热而被冷却。蒸发室的水蒸汽受压缩机压缩之后通到冷凝室，与冷却水进行直接接触式冷凝。涡轮高速旋转、排量大，尽管水蒸气密度较低，仍可以有效地实现蒸发室内的真空低压状态，并达到所需的制冷量。
因此，本发明所提供的热源驱动的真空制冷***，以动力气体驱动向心涡轮，从而带动离心涡轮进行抽真空。该真空制冷***以水为工质，无破坏臭氧层和温室气体排放，具有环保方面的优点。在换热方面，以水为工质，可以方便地在蒸发端、冷凝端均采用直接接触的换热方式，可实现很高的换热效率同时节省换热器。另外，用高速涡轮机械，体积流量大，可以弥补水作为制冷工质因密度小到导致流量偏小的不足。相对热源驱动的其它制冷技术，如吸收式制冷，还具有结构简单、紧凑等方面的优点。
另外，本发明所提供的真空制冷***可以利用工业余热，太阳能、地热能、生物质能等能源来驱动向心涡轮，进而驱动离心涡轮进行制冷，其中，工业余热包括水泥厂、炼钢厂、玻璃厂、化工厂排出的余热，其热源成本低，有利于降低真空制冷的成本。而且，本发明所提供的真空制冷***所制得的低温产品，可以应用的场合包括食品、水果冷却，冰浆制备，空调制冷等，其适用性得到提高。
请参考图1和图2，图1为本发明所提供抽气装置一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供真空制冷***第一种具体实施方式的结构示意图。
在第一种具体的实施方式中，本发明所提供的真空制冷***由抽气装置1、冷凝室2、与蒸发室3等三个模块组成。
抽气装置1由动力气体进口104、动力气体出口101、向心涡轮蜗壳109、向心涡轮103、轴102、离心涡轮105、吸汽管106、排汽管110、离心涡轮蜗壳107、支撑架108、扩压流道111、喷射流道112等组成；冷凝室2由冷却水进水管202、淋水盘201、波纹板203、冷却水出水管204等组成；蒸发室3由隔热层301、冷冻水出水管302、冷冻水进水管303等组成，根据需要可以在蒸发室3下半部分安装搅拌器，或在蒸发室3上半部分安装液滴过滤器。其中，扩压流道111可以增大通道的面积；喷射流道112可以增加气体的流速；搅拌器可以蒸发室3的温度均匀，提高蒸发效率；过滤器可以过滤气体中的液体，提高制冷***的安全可靠性。
抽气装置1中，向心涡轮103、离心涡轮105固定在轴102上，以相同的转速转动。向心涡轮103与离心涡轮105以背靠背的形式布置。其中，轴102可以空气轴承支撑，使向心涡轮103和离心涡轮105均通过空气轴承与基座连接，空气轴承是用气体作为润滑剂的滑动轴承，空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，连接可以提高传动精度，减少环境污染，同时满足更高的速度要求，减少维护次数，从而降低真空制冷***的成本。进一步地，离心涡轮105和向心涡轮103高速转动，转速可以在10000-100000转每秒的范围，以保证制冷***中较大的气体流量，提高真空制冷效率。
高温加压气体从动力气体进口104进入向心涡轮蜗壳109，之后流量较均匀地以垂直轴102的方向流过喷射流道112，气体的内能转换成动能，接着气体再流过向心涡轮103，气体动能传给向心涡轮103，之后平行于轴102流出。向心涡轮103转矩通过轴102传给离心涡轮105，而离心涡轮105的转动使得蒸发室3内的空腔305的水蒸汽通过吸汽管106被抽吸到离心涡轮105处，水蒸汽受离心涡轮105的作用被加速，并被以垂直轴102的方向排到扩压流道111中，蒸汽在此减速增压，接着通过离心涡轮蜗壳107进入冷凝室2。
水蒸汽从蒸发室3通过抽气装置1流到冷凝室2，压力得到升高。根据压缩比的需要，离心涡轮105也可设计成两级或多级。蒸发室3内进行直接接触式的蒸发换热。由于蒸发室3内空腔305的水蒸汽被不断抽取，处于真空低压状态，蒸发室3内饱和温度低于液体温度，因此冷冻水303处于过热状态，不断蒸发，剩下的冷冻水303被吸走热量而降温。冷冻水303从出口管302抽出，冷冻水进口管304输入水以补充蒸发掉的水以及抽走的冷冻水。蒸发室3内压力与温度可根据应用要求进行调整，比如通过调节抽气装置1的转速，或冷冻水303的流量等。
压力低点可低于水的三相点，即约600帕，例如在0.0050-0.0065bar之间，蒸发室3内温度在0℃左右，例如可以在-2℃-2℃之间，此时的出口管302抽出的是冰浆。可以在下游配置冰浆分离器与储存罐，把冰从冰水混合物中分离出来并储存。冰具有很高的熔解焓，作为储冷介质可以使储冷***更加紧凑。
同时，蒸发室3的温度也可以控制在3.5℃-7.0℃，压力控制在0.008-0.010bar之间，此时离心涡轮105的压缩比在4-6之间，形成温度较低的冷冻水，可以供空调使用。
在进一步的技术方案中，水蒸汽经抽气装置1压缩进入冷凝室2，并经过淋水盘201的下汽管206、沿着波纹板203向下流动，冷却水205从冷却水进口管202进入，通过淋水盘201均匀向下喷洒。冷却水205与蒸汽主要在波纹板203之间进行直接接触冷凝换热，波纹板203可以增加接触面积提高换热效率。在冷凝室底部的冷却水205通过冷却水出水管204排出。冷却水一般采用常温水，也可利用经过预冷的水。
请参考图3，图3为本发明所供真空制冷***第二种具体实施方式的结构示意图。
第二种具体实施方式中，本发明所提供的真空制冷***包括抽气装置1、冷凝室2、蒸发室3、换热器4、压气机5、冷却水泵6、冷却塔7、空气盘管8、冷冻水泵10等组件组成。工作气体如常温常压空气，先受压气机5压缩增压，接着在换热器4上加热升温，变成高温加压气体。气体驱动抽气装置1，抽取蒸发室3内蒸汽，把蒸汽压缩使之在冷凝室2内冷凝，压气机5和换热器4可以提高进入向心涡轮103的气体压力和气体温度，从而提高真空制冷的效率。
蒸发室3内的冷冻水被冷却，引到空气盘管8给空间制冷，返回的冷冻水连同从补偿水管11来的水经冷冻水泵10输送回蒸发室3。蒸发室3内的冷冻水温度在3.5℃-7.0℃之间，压力控制在0.008-0.010bar之间。
冷凝室2内的冷却水在波纹板处与水蒸汽换热，温度升高。冷却水泵6抽取冷凝室2内的冷却水，使之升压，并在冷却塔7散热。散热后的冷却水继续用于冷却冷凝室2内的水蒸汽。冷凝室2内的冷却水温度约为30℃，压力约为0.045bar。
具体地，换热器4可以与工业尾气换热，也可以与太阳能收集装置换热，还可以与地热能、生物质能能源进行换热。其中，工业尾气可以是各种工业生产企业如化工厂、水泥厂、玻璃厂、电厂等排出的余热；太阳能收集装置收集太阳能，通过太阳能与换热器4换热，提高进入向心涡轮103的气体温度，用于真空制冷。这样可以有效降低真空制冷的成本，减少热量损失，同时防止余热对大气的污染。
以上对本发明所提供的热源驱动的真空制冷***进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种热源驱动的真空制冷***，包括蒸发室、抽气装置和冷凝室，所述抽气装置的抽气口与所述蒸发室的蒸汽出口连通，所述抽气装置的气体出口与所述冷凝室的入口连通，其特征在于，所述抽气装置包括离心涡轮和与所述离心涡轮同轴的向心涡轮；动力气体依次经过所述向心涡轮的径向连通口和轴向连通口；所述蒸发室的蒸汽出口连通所述离心涡轮的轴向连通口，所述冷凝室的入口连通所述离心涡轮的径向连通口；
还包括设于所述向心涡轮进气侧的换热器和压气机，所述动力气体依次经过所述压气机、所述换热器和所述向心涡轮的进气口。
2.根据权利要求1所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，所述离心涡轮和所述向心涡轮均通过空气轴承与基座连接。
3.根据权利要求2所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，所述向心涡轮的转速为10000-100000转每秒。
4.根据权利要求3所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，所述离心涡轮包括两级或多级。
5.根据权利要求1至4任一项所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，所述蒸发室的温度-2℃-2℃，压力为0.0050bar-0.0065bar。
6.根据权利要求5所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，所述蒸发室的冷冻水出口设有冰水分离器和冰储存罐。
7.根据权利要求1至4任一项所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，所述蒸发室温度在3.5℃-7.0℃，压力为0.008bar-0.010bar，所述离心涡轮的压缩比为4-6。
8.根据权利要求1所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，所述换热器与工业尾气换热。
9.根据权利要求1所述的热源驱动的真空制冷***，其特征在于，还包括设于太阳能收集装置，所述换热器与所述太阳能收集装置换热。
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