一种半复叠梯级蒸发制冷系统技术方案

本发明专利技术涉及一种半复叠梯级蒸发制冷系统，系统由制冷剂回路和载冷剂流路构成；制冷剂回路包括依次换热式连接的高温级制冷剂回路、中温级制冷剂回路和低温级制冷剂回路。载冷剂依次流经各级制冷剂

【技术实现步骤摘要】
一种半复叠梯级蒸发制冷系统


[0001]本专利技术涉及蒸汽压缩式制冷领域，尤其是涉及一种半复叠梯级蒸发制冷系统。

技术介绍

[0002]当前，复叠式制冷系统(包括一般的复叠、自复叠制冷系统等)是获得
‑
20℃至
‑
150℃低温的重要途径，在工业生产、低温试验和生物医学领域有较为广泛的应用，例如气体液化、低温净化、血浆保存等。但无论是一般的复叠式系统，还是自复叠系统，都还存在一些有待完善之处。
[0003]一方面，复叠式系统中，当载冷剂的温降较大时，载冷剂和制冷剂的换热过程容易出现较大的换热损失。一般的复叠式制冷系统(例如专利CN 216769837U提出的一种复叠制冷系统)往往使用纯制冷剂或共沸制冷剂，低温级制冷剂的蒸发温度相对恒定而且很低，而载冷剂的温度由较高值逐渐下降至较低值，二者换热温差较大、温度匹配性不佳，不利于系统性能。对于自复叠制冷系统，尽管在一定程度上可以利用非共沸制冷剂的温度滑移来匹配载冷剂的冷却过程，但是温度滑移范围也比较有限。制冷剂的温度滑移过大，会导致系统的蒸发压力偏低，压缩机效率下降。针对这个问题，专利CN 108895694A提出了一种改进自复叠制冷循环系统及其控制方法，通过增设回热器和节流阀减小系统的压比。
[0004]另一方面，当运行工况发生大范围变化时，复叠式系统的调节能力较弱。对于一般的复叠式制冷系统，由于各级制冷剂回路通过冷凝蒸发器进行换热式连接，系统在稳定状态下，所有的制冷剂回路往往只能同时运行。因此当工况发生大范围变化时，系统很难通过改变压缩级数来满足要求，容易出现压缩机压比过大或者过小的情况。对于自复叠系统，由于该系统利用混合制冷剂的组分分离特性，通过单台压缩机实现多级复叠，因此一旦系统的蒸发温度大幅降低，压缩机的吸气压力会迅速下降，其压比升高、效率降低，从而导致系统的运行效率和制冷量显著下降。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种半复叠梯级蒸发制冷系统，系统由制冷剂回路和载冷剂流路构成；制冷剂回路包括依次换热式连接的高温级、中温级和低温级制冷剂回路。载冷剂依次流经各级制冷剂
‑
载冷剂换热器，被蒸发温度由高到低依次下降的各级制冷剂(纯制冷剂、共沸制冷剂或非共沸制冷剂)梯级冷却。与现有技术相比，本专利技术有以下优势：首先，载冷剂的梯级冷却有利于减小换热损失；其次，系统可以通过压缩机和阀的开关，形成四种运行模式，以适应不用的工况；第三，系统在启动阶段可以先开启高温级制冷剂回路，由高温级制冷剂和载冷剂进行换热，待高温级蒸发温度下降至一定程度，再开启低温级制冷剂回路。这样可以避免低温级压缩机由于负荷过大而启动失败，系统的启动阶段变得更加安全和方便。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术首先提供一种半复叠梯级蒸发制冷系统(A系统)，包括制冷剂回路和载冷
剂流路；
[0008]所述制冷剂回路包括高温级制冷剂回路、中温级制冷剂回路和低温级制冷剂回路，所述高温级和中温级制冷剂回路通过中温级冷凝蒸发器实现相互换热式连接，所述高温级和低温级制冷剂回路通过低温级冷凝蒸发器实现相互换热式连接；
[0009]所述中温级冷凝蒸发器的第一制冷剂通道与所述低温级冷凝蒸发器的第一制冷剂通道连接。
[0010]所述载冷剂流路包括顺序连接的高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的载冷剂通道、中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的载冷剂通道、低温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的载冷剂通道。
[0011]所述高温级制冷剂回路包括顺序连接的高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的制冷剂通道、中温级冷凝蒸发器的第一制冷剂通道、低温级冷凝蒸发器的第一制冷剂通道、高温级压缩机、高温级冷凝器的制冷剂通道、高温级节流阀。
[0012]所述中温级制冷剂回路包括顺序连接的中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的制冷剂通道、中温级压缩机、中温级冷凝蒸发器的第二制冷剂通道、中温级节流阀；
[0013]所述低温级制冷剂回路包括顺序连接的低温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的制冷剂通道、低温级压缩机、低温级冷凝蒸发器的第二制冷剂通道、低温级节流阀。
[0014]所述半复叠梯级蒸发制冷系统的高温级制冷剂循环过程为：从高温级压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入高温级冷凝器的制冷剂通道，向环境放热，冷凝成为高温高压的制冷剂液体；制冷剂液体进入高温级节流阀，节流成为低温低压的两相流；低温低压的两相流制冷剂进入高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的制冷剂通道，从流经的载冷剂中吸热进行蒸发；制冷剂继续流入中温级冷凝蒸发器和低温级冷凝蒸发器的第一制冷剂通道，依次从流经的中温级制冷剂和低温级制冷剂中吸热，最终蒸发为低温低压的制冷剂气体；低温低压的制冷剂气体流入高温级压缩机，构成高温级制冷剂循环。
[0015]进一步地，所述半复叠梯级蒸发制冷系统的高温级制冷剂回路使用的是纯制冷剂，制冷剂的饱和压力与温度一一对应。即理想的定压蒸发条件下，高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器、中温级冷凝蒸发器和低温级冷凝蒸发器中，高温级制冷剂的蒸发温度相等。考虑到实际系统中存在流动阻力，制冷剂饱和压力随着换热过程小幅下降，因此所述三个换热器中，高温级制冷剂的蒸发温度也会依次略有下降，这有助于减小中温级和低温级制冷剂回路的压比，从而提升中温级和低温级压缩机的效率。
[0016]所述半复叠梯级蒸发制冷系统的中温级制冷剂循环过程为：从中温级压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入中温级冷凝蒸发器的第二制冷剂通道，向流经的高温级制冷剂放热，冷凝成为高温高压的制冷剂液体；制冷剂液体进入中温级节流阀，节流成为低温低压的两相流；低温低压的两相流制冷剂进入中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的制冷剂通道，从流经的载冷剂中吸热，蒸发为低温低压的制冷剂气体；低温低压的制冷剂气体流入中温级压缩机，构成中温级制冷剂循环。
[0017]所述半复叠梯级蒸发制冷系统的低温级制冷剂循环过程为：从低温级压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入低温级冷凝蒸发器的第二制冷剂通道，向流经的高温级制冷剂放热，冷凝成为高温高压的制冷剂液体；制冷剂液体进入低温级节流阀，节流成为低温低压的两相流；低温低压的两相流制冷剂进入低温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的制冷剂通道，从流经的载冷剂中吸热，蒸发为低温低压的制冷剂气体；低温低压的制冷剂气体继续流入低温
级压缩机，构成低温级制冷剂循环。
[0018]所述半复叠梯级蒸发制冷系统的载冷剂冷却过程为：载冷剂依次流经高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器、中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器和低温级制冷剂
‑
载冷剂换热器的载冷剂通道，向各级制冷剂释放热量，经过梯级冷却实现大幅温降，从而达到目标温度。
[0019]所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半复叠梯级蒸发制冷系统，其特征在于，包括制冷剂回路和载冷剂流路；所述制冷剂回路包括高温级制冷剂回路、中温级制冷剂回路和低温级制冷剂回路，所述高温级和中温级制冷剂回路通过中温级冷凝蒸发器(1
‑
2)实现相互换热式连接，所述高温级和低温级制冷剂回路通过低温级冷凝蒸发器(1
‑
3)实现相互换热式连接；所述中温级冷凝蒸发器(1
‑
2)的第一制冷剂通道与所述低温级冷凝蒸发器(1
‑
3)的第一制冷剂通道连接。2.根据权利要求1所述的一种半复叠梯级蒸发制冷系统，其特征在于，所述载冷剂流路包括顺序连接的高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(1
‑
1)的载冷剂通道、中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(2
‑
1)的载冷剂通道、低温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(3
‑
1)的载冷剂通道。3.根据权利要求1所述的一种半复叠梯级蒸发制冷系统，其特征在于，所述半复叠梯级蒸发制冷系统的启动顺序为依次启动高温级压缩机、中温级压缩机和低温级压缩机。4.根据权利要求2所述的一种半复叠梯级蒸发制冷系统，其特征在于，所述高温级制冷剂回路包括顺序连接的高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(1
‑
1)的制冷剂通道、中温级冷凝蒸发器(1
‑
2)的第一制冷剂通道、低温级冷凝蒸发器(1
‑
3)的第一制冷剂通道、高温级压缩机(1
‑
4)、高温级冷凝器(1
‑
5)的制冷剂通道、高温级节流阀(1
‑
6)。5.根据权利要求4所述的一种半复叠梯级蒸发制冷系统，其特征在于，所述中温级制冷剂回路包括顺序连接的中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(2
‑
1)的制冷剂通道、中温级压缩机(2
‑
2)、中温级冷凝蒸发器(1
‑
2)的第二制冷剂通道、中温级节流阀(2
‑
3)；所述低温级制冷剂回路包括顺序连接的低温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(3
‑
1)的制冷剂通道、低温级压缩机(3
‑
2)、低温级冷凝蒸发器(1
‑
3)的第二制冷剂通道、低温级节流阀(3
‑
3)。6.根据权利要求1所述的一种半复叠梯级蒸发制冷系统，其特征在于，所述半复叠梯级蒸发制冷系统根据工况的变化，在四种模式之间切换：1)当环境温度高于环境温度阈值、载冷剂的入口温度高于入口温度阈值且温降大于第一温降阈值，系统的制冷剂回路全部运行，载冷剂依次由高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(1
‑
1)、中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(2
‑
1)和低温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(3
‑
1)进行梯级冷却，从而达到目标温度；2)当环境温度高于环境温度阈值、载冷剂的入口温度高于入口温度阈值，且温降低于第一温降阈值且大于第二温降阈值时，运行高温级和中温级制冷剂回路，载冷剂由高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(1
‑
1)和中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(2
‑
1)梯级冷却至目标温度；3)当环境温度高于环境温度阈值、载冷剂的入口温度低于入口温度阈值时，运行高温级和中温级制冷剂回路，载冷剂不流经高温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(1
‑
1)，仅由中温级制冷剂
‑
载冷剂换热器(2
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春路，德丽亚，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：