一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法技术方案

本发明专利技术公开一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法，包括压缩机、第一气液分离器和第二气液分离器；所述压缩机高压排气口的制冷剂工质经过冷凝后形成气液两相混合工质，且高压排气口一端与第一气液分离器的工质进口相连；第一气液分离器，用于将所述压缩机排出的制冷剂工质分离为低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质；第二气液分离器，用于对所述第一气液分离器排出冷凝后的气液两相混合工质进行分离，其中第二气液分离器的工质进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连；本发明专利技术通过两台或多台并联压缩机或串联压缩机或一台分级压缩机，实现混合工质组分的梯级压缩，降低压缩机能耗和压缩机排气温度。降低压缩机能耗和压缩机排气温度。降低压缩机能耗和压缩机排气温度。

【技术实现步骤摘要】
一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法


[0001]本专利技术属于混合工质低温制冷技术，具体涉及一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法。

技术介绍

[0002]自复叠制冷循环通过单台压缩机应用混合制冷工质实现内部复叠循环制冷，获得
ꢀ‑
40℃ —
‑
200℃范围的低温制冷温度，特别适用于小型低温装置。由于采用一台压缩机实现复叠制冷，其结构简单，低温端无运动部件，运行性能可靠，具有使用寿命长、成本低廉等特点，广泛应用于低温实验环境、气体液化与分离、生命科学及低温医疗、真空冷冻干燥和微电子等领域。传统自复叠制冷因压缩机吸气压力低，压比较大，导致制冷效率较低。此外，随着蒸发温度的降低，压缩机的吸气压力下降，压缩比升高，压缩机效率降低，从而导致该制冷循环制冷性能系数和制冷量显著降低。其主要原因是因为低沸点组分作为制冷流体不能有效的分离，而制冷流体中低沸点组分的存在大大降低了蒸发压力，导致压缩比增加，性能降低。为了解决该问题，可以通过采用精馏装置实现混合工质的有效分离，但普遍存在的问题是当环境温度升高，精馏效果会变差，要求较为苛刻。

技术实现思路

[0003]为解决上述系统所存在的不足，本专利技术旨在提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统及循环方法，本专利技术通过两台或多台并联压缩机或串联压缩机或一台分级压缩机，实现混合工质组分的梯级压缩，降低压缩机能耗和压缩机排气温度；通过实现对不同组分的梯级压缩，降低压缩机能耗，该系统节能效果显著，运行可靠稳定。
[0004]本专利技术的目的之一是提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统，包括压缩机、第一气液分离器和第二气液分离器；所述压缩机包括低压吸气口、中压吸气口和高压排气口，其中高压排气口的制冷剂工质经过冷凝后形成气液两相混合工质，且高压排气口一端与第一气液分离器的工质进口相连；第一气液分离器，用于将所述压缩机排出的制冷剂工质分离为低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质；第一气液分离器的底部液体出口分为第一支路和第二支路，两个支路的高沸点组分液体工质均通过节流装置节流降压后排出，第一气液分离器的顶部气体出口排出的低沸点组分气态工质冷凝为气液两相混合工质；第二气液分离器，用于对所述第一气液分离器排出冷凝后的气液两相混合工质进行分离，其中第二气液分离器的工质进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连；第二气液分离器的顶部气体出口与所述第二支路的出口并连后，将制冷剂工质最终汇入压缩机的低压吸气口；第二气液分离器的底部液体出口与所述第一支路的出口并连后，将制冷剂工质最终汇入压缩机的中压吸气口。
[0005]作为优选方案，还包括第一蒸发冷凝器，所述第一蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热管道和低压侧换热管道，高压侧换热管道的进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连，高压侧换热管道的制冷剂出口与第二气液分离器的底部液体出口相连；低压侧换热管道的进口分别与第二气液分离器的底部液体出口、第一支路的出口相连，低压侧换热通道的出口与第一分凝器的进口相连；所述第一分凝器的出口与压缩机的中压吸气口相连。
[0006]作为优选方案，所述第一分凝器设置在第一气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第一气液分离器的气相工质进行精馏提纯，从而提高气相工质中低沸点组分的纯度。
[0007]作为优选方案，还包括第二蒸发冷凝器，所述第二蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热通道和低压侧换热通道，所述第二蒸发冷凝器的高压侧换热通道的进口与第二气液分离器的顶部气体出口相连；所述第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道进口通过第二节流装置与第二气液分离器的底部液体出口相连，用于提供第二气液分离器流出的顶部气体出口排出的气相工质冷凝所需要的冷量；第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道出口与第一蒸发冷凝器的低压侧换热通道的进口相连。
[0008]作为优选方案，还包括第二分凝器，所述第二分凝器设置在第二气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第二气液分离器的气相工质进行精馏提纯，提高气相组分中低沸点组分的纯度。
[0009]作为优选方案，还包括第一回热器，所示第一回热器包括能够实现换热的低压侧管道和高压侧通道，其中第一回热器的低压侧管道进口与第二分凝器的出口相连，第一回热器的低压侧管道出口与所述压缩机的低压吸气口相连，第一回热器的高压侧管道的进口与所述压缩机的高压排气口一端相连，用于回收压缩机所排出的制冷剂工质的热量。
[0010]作为优选方案，还包括第二回热器，所述第二回热器包括能够实现换热的低压侧通道和高压侧通道，其中第二回热器的高压侧通道的进口与所述第二蒸发冷凝器的高压侧通道出口相连，第二回热器的高压侧通道出口、第三节流装置、蒸发器和第二回热器的低压侧通道进口依次串联。
[0011]作为优选方案，所述第二分凝器的进口共接有两个支路，其中一支路通过第四节流装置与第一气液分离器的底部液体出口相连，另一支路与第二回热器的低压侧通道出口相连。
[0012]作为优选方案，所述压缩机为多级压缩机，包括低压吸气口、中压吸气口和高压排气口；或；所述压缩机包括两个并联设置的单级压缩机，其中一个单级压缩机的进气口为低压吸气口，另一个单级压缩机的进气口为中压吸气口，两个单级压缩机的高压排气口并联设置，或；所述压缩机包括两个串联设置的单级压缩机，其中一个单级压缩机的进气口为低压吸气口，另一个单级压缩机的进气口为中压吸气口，其中具有低压吸气口的单级压缩机的排气口与另一单级压缩机的中压吸气口串联。
[0013]本专利技术的目的之二是提供一种混合工质多级分离的低温制冷系统的制冷循环方
法，具体步骤如下：步骤一、所述压缩机的高压排气口排出的高温高压过热制冷剂蒸汽进入冷凝器实现冷凝而成为气液两相混合物，该气液两相混合物流入第一回热器被进一步冷却而使气相中的低沸点组分被冷凝成液体，并进一步流入第一气液分离器进行闪蒸分离，分离成富含低沸点组分的气相混合工质和富含高沸点组分的液相混合工质；步骤二、第一气液分离器底部液相出口流出的液相混合工质分为两支路，第一气液分离器底部液相出口所流出的一部分液相混合工质经第一节流装置节流降压成较低温度、较低压力的制冷剂，先后流入第一蒸发冷凝器和第一分凝器被梯级利用，第二气液分离器所流出的液相混合工质经第二节流装置节流降压成低温低压制冷剂后，依次经过第二蒸发冷凝器、第一蒸发冷凝器和第一分凝器被梯级利用；且第一气液分离器流出的液相混合工质和第二气液分离器所流出的液相混合工质混合后，依次进入第一蒸发冷凝器和第一分凝器，并在较高蒸发压力下实现对第一气液分离器顶部所流出的气相混合工质所含的低沸点组分的梯级精馏和梯级冷凝过程，然后被吸入压缩机的中压吸气口进行低压缩比的压缩过程；步骤三、第二气液分离器顶部气体出口所流出的低沸点组分气相混合工质先经第二蒸发冷凝器被冷凝成制冷剂液体，再流入第二回热器成过冷液体，经第三节流装置节流降压成低温低压制冷剂在蒸发器内低温制冷，从而完成第一级低温冷量利用，然后依次进入第二回热器、第二分凝器和第一回热器实现冷量梯级利用；第一气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：包括压缩机、第一气液分离器和第二气液分离器；所述压缩机包括低压吸气口、中压吸气口和高压排气口，其中高压排气口的制冷剂工质经过冷凝后形成气液两相混合工质，且高压排气口一端与第一气液分离器的工质进口相连；第一气液分离器，用于将所述压缩机排出的制冷剂工质分离为低沸点组分气态工质与高沸点组分液态工质；第一气液分离器的底部液体出口分为第一支路和第二支路，两个支路的高沸点组分液体工质均通过节流装置节流降压后排出，第一气液分离器的顶部气体出口排出的低沸点组分气态工质冷凝为气液两相混合工质；第二气液分离器，用于对所述第一气液分离器排出冷凝后的气液两相混合工质进行分离，其中第二气液分离器的工质进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连；第二气液分离器的顶部气体出口与所述第二支路的出口并连后，将制冷剂工质最终汇入压缩机的低压吸气口；第二气液分离器的底部液体出口与所述第一支路的出口并连后，将制冷剂工质最终汇入压缩机的中压吸气口。2.根据权利要求1所述的一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：还包括第一蒸发冷凝器，所述第一蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热管道和低压侧换热管道，高压侧换热管道的进口与所述第一气液分离器的顶部气体出口相连，高压侧换热管道的制冷剂出口与第二气液分离器的底部液体出口相连；低压侧换热管道的进口分别与第二气液分离器的底部液体出口、第一支路的出口相连，低压侧换热通道的出口与第一分凝器的进口相连；所述第一分凝器的出口与压缩机的中压吸气口相连。3.根据权利要求2所述的一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：所述第一分凝器设置在第一气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第一气液分离器的气相工质进行精馏提纯，从而提高气相工质中低沸点组分的纯度。4.根据权利要求2或3所述的一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：还包括第二蒸发冷凝器，所述第二蒸发冷凝器包括能够实现换热的高压侧换热通道和低压侧换热通道，所述第二蒸发冷凝器的高压侧换热通道的进口与第二气液分离器的顶部气体出口相连；所述第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道进口通过第二节流装置与第二气液分离器的底部液体出口相连，用于提供第二气液分离器流出的顶部气体出口排出的气相工质冷凝所需要的冷量；第二蒸发冷凝器的低压侧换热通道出口与第一蒸发冷凝器的低压侧换热通道的进口相连。5.根据权利要求4所述的一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：还包括第二分凝器，所述第二分凝器设置在第二气液分离器的内部且位于液面上方空间，用于对第二气液分离器的气相工质进行精馏提纯，提高气相组分中低沸点组分的纯度。6.根据权利要求5所述的一种混合工质多级分离的低温制冷系统，其特征在于：还包括第一回热器，所示第一回热器包括能够实现换热的低压侧管道和高压侧通道，其中第一回热器的低压侧管道进口与第二分凝器的出口相连，第一回热器的低压侧管道出口与所述压
缩机的低压吸气口相连，第一回热器的高压侧管道的进口与所述压缩机的高压排气口一端相连，用于回收压缩机所排出的制冷剂工质的热量。7.根据权利要求6所述的一种混合工质多级分离的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈莹莹，李修真，王林，马爱华，王雨，刘晓庆，张凯，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：