一種超低溫自復疊式制冷裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種超低溫自復疊式制冷裝置及制冷方法，制冷裝置包括通過預冷換熱器聯(lián)系起來的預冷單元和多元制冷劑循環(huán)單元；主壓縮機、主冷凝器、預冷換熱器的介質(zhì)通道I B、回熱器、第一氣液分離器、第一分換熱器的高溫介質(zhì)流道I A、第二氣液分離器、第二分換熱器的高溫介質(zhì)流道I A、主節(jié)流元件、主蒸發(fā)器的介質(zhì)通道II A、第二分換熱器的低溫介質(zhì)流道II B、第一分換熱器的低溫介質(zhì)流道I B、回熱器的介質(zhì)通道IIIB順次連接；在介質(zhì)通道IIIA的出口端和介質(zhì)通道IIIB的進口端之間設(shè)置包括依次連接的泄壓閥、儲液罐和第二節(jié)流元件的泄壓旁路。本實用新型具有啟動時間短，可快速達到目標溫度，以及運行安全、節(jié)能的優(yōu)點。
【專利說明】
一種超低溫自復疊式制冷裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型屬于深度制冷技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種超低溫自復疊式制冷裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超低溫制冷技術(shù)有著很多的應(yīng)用，如天然氣、沼氣的液化，模擬太空環(huán)境，食品加工與保存，科學研究等。
[0003]利用蒸氣壓縮式制冷原理實現(xiàn)超低溫的方式主要有復疊式制冷、混合制冷劑制冷和膨脹機制冷等工藝。復疊式制冷工藝具有各制冷子循環(huán)系統(tǒng)彼此獨立，相互影響少，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強，設(shè)計計算簡單，能耗較低的優(yōu)點，但具有冷熱介質(zhì)的平均溫差較大，流程復雜，機組多的缺點;混合制冷劑制冷工藝，流程相對簡單，壓縮機組少，對制冷劑純度要求不高，但能耗比復迭式制冷循環(huán)高20%左右;膨脹制冷循環(huán)工藝能耗最低，流程簡單，處理能力大，但設(shè)備初期投入大，需要提供維持透平機旋轉(zhuǎn)的大流量高壓制冷劑。
[0004]多元混合工質(zhì)制冷技術(shù)，采用的壓縮機是在普冷領(lǐng)域廣泛使用的單級油潤滑壓縮機，目前已成為一種高效的實現(xiàn)超低溫的制冷方式;但是，由于制冷系統(tǒng)中的多元混合工質(zhì)與普冷工質(zhì)在物性上存在巨大差別，普冷領(lǐng)域的油潤滑壓縮機壓縮多元混合工質(zhì)時，其運行參數(shù)與壓縮普冷工質(zhì)均具有很大變化。
[0005]對于普冷運行工況，由于溫區(qū)跨度相對較小及工質(zhì)本身的特性，一旦環(huán)境溫度確定，壓縮機冷凝壓力也就確定，當系統(tǒng)達到制冷溫度時，蒸發(fā)壓力同樣也就確定，因此系統(tǒng)在整個運行過程中壓力工況，包括排氣壓力值和壓比等參數(shù)變化不大。
[0006]然而，對于多元混合工質(zhì)深冷系統(tǒng)，由于采用了強非共沸工質(zhì)，整個過程中工質(zhì)在冷凝器內(nèi)基本為氣相放熱，在少數(shù)情況下會出現(xiàn)少量液相工質(zhì)，運行時高壓側(cè)壓力基本不受環(huán)境溫度控制，而基本由工質(zhì)充注量和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。在制冷機啟動過程初期，整個系統(tǒng)均處于較高溫度，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)絕大部分為氣相，隨著制冷溫度的降低，制冷系統(tǒng)中除冷凝器外的其他部件內(nèi)工質(zhì)的液相含量則逐步增加，并在制冷溫度達到極限值時達到最高。
[0007]由于氣相與液相的比容相差很大，以及對于固定通道面積的節(jié)流元件，其氣相工質(zhì)的通過能力要較液相工質(zhì)少很多；因此，對于一個容積固定的制冷系統(tǒng)，在一定工質(zhì)充注量的情況下，必然會導致包括高壓、吸氣壓力值和壓比等參數(shù)變化很大。當實際工質(zhì)充注量滿足系統(tǒng)正常運行獲得較低溫度的需要時，壓縮機在啟動、運行工況時的壓比過大，造成排氣壓力和排氣溫度值過高，吸氣壓力和吸氣溫度值很低，極易引發(fā)壓縮機過載或無法正常運行，甚至損壞;特別是當壓縮機停止運行后，系統(tǒng)溫度恢復至常溫，混合制冷劑中的最低沸點、低沸點、中沸點、高沸點制冷劑均變成氣態(tài)，體積膨脹，系統(tǒng)壓力急劇增大，如果此時啟動系統(tǒng)，則制冷劑將被壓縮機由低壓側(cè)吸入，然后排入高壓側(cè)，高壓側(cè)的壓力將要比系統(tǒng)的平衡壓力高出很多，系統(tǒng)的管道存在著被爆破的危險。
[0008]目前，針對深冷或超低溫多元混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)的高壓安全技術(shù)已有公開報道。ZL03121465.7采用主節(jié)流元件和輔助節(jié)流元件和旁通節(jié)流元件，實現(xiàn)對系統(tǒng)流量的控制，力圖保證系統(tǒng)壓力不至于過高;但是，節(jié)流元件開口變化的局限性，使得快速閃蒸的制冷劑氣體難以快速平衡到低壓側(cè)，即使所有的節(jié)流元件全部打開，由于系統(tǒng)容納制冷劑氣體的體積沒有增大，仍然存在高壓爆管的可能。芮勝軍等(自動復疊制冷系統(tǒng)壓力特性，化工學報，2012，63(12):176-180)通過高低壓旁通管路和膨脹容器穩(wěn)定并降低了高壓側(cè)的壓力，以及停機狀態(tài)下低溫、中溫制冷工質(zhì)以氣態(tài)形式存在時的系統(tǒng)壓力;但是在啟動階段，當旁通電磁閥打開后，大量制冷工質(zhì)進入膨脹容器經(jīng)節(jié)流后直接返回到壓縮機，使得進入冷凝器的制冷工質(zhì)大大減少，嚴重影響了系統(tǒng)的制冷效果，延遲了達到目標溫度的時間。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]本申請?zhí)峁┮环N超低溫自復疊式制冷裝置，該制冷裝置具有啟動時間短，可快速達到目標溫度，以及運行安全、節(jié)能的優(yōu)點;具體的技術(shù)方案如下:
[0010]一種超低溫自復疊式制冷裝置，包括預冷單元和多元制冷劑循環(huán)單元；
[0011]預冷單元包括通過管道依次連接形成循環(huán)系統(tǒng)的預冷壓縮機、預冷冷凝器、預冷節(jié)流元件和預冷換熱器；
[0012]多元制冷劑循環(huán)單元包括主壓縮機、主冷凝器、預冷換熱器、回熱器、第一氣液分離器、第一分換熱器、第二氣液分離器和第二分換熱器、主節(jié)流元件和主蒸發(fā)器；
[0013]上述預冷單元中的預冷換熱器與多元制冷劑循環(huán)單元中的預冷換熱器為同一設(shè)備，預冷換熱器設(shè)置有介質(zhì)通道I A和介質(zhì)通道I B，其中介質(zhì)通道I A通過管道連接在預冷壓縮機和預冷節(jié)流元件之間；
[0014]回熱器設(shè)置有介質(zhì)通道IIIA和介質(zhì)通道IIIB;
[0015]第一分換熱器設(shè)置有高溫介質(zhì)流道IA和低溫介質(zhì)流道I B;
[0016]第二分換熱器設(shè)置有高溫介質(zhì)流道IIA和低溫介質(zhì)流道II B；
[0017]主蒸發(fā)器為一換熱器，其設(shè)置有介質(zhì)通道IIA和介質(zhì)通道II B；
[0018]依制冷劑的流動方向，主壓縮機的排氣端經(jīng)主冷凝器連接預冷換熱器的介質(zhì)通道I B的進口，介質(zhì)通道I B的出口連接回熱器的介質(zhì)通道IIIA的進口，回熱器的介質(zhì)通道IIIA的出口連接第一氣液分離器的進口，第一氣液分離器的排氣口經(jīng)第一分換熱器的高溫介質(zhì)流道I A連接第二氣液分離器的進口，第二氣液分離器的排氣口經(jīng)第二分換熱器的高溫介質(zhì)流道I A連接主節(jié)流元件的進口；主節(jié)流元件的出口經(jīng)主蒸發(fā)器的介質(zhì)通道II A連接第二分換熱器的低溫介質(zhì)流道II B的進口，低溫介質(zhì)流道II B的出口經(jīng)第一分換熱器的低溫介質(zhì)流道I B連接回熱器的介質(zhì)通道IIIB的進口，介質(zhì)通道IIIB的出口連接主壓縮機的回氣端；
[0019]上述第一氣液分離器的出液口與第一分換熱器的低溫介質(zhì)流道I B的進口之間設(shè)置有一個第一分節(jié)流元件、或兩個以上并聯(lián)的第一分節(jié)流元件；
[0020]上述第二氣液分離器的出液口與第二分換熱器的低溫介質(zhì)流道IIB的進口之間設(shè)置有一個第二分節(jié)流元件、或兩個以上并聯(lián)的第二分節(jié)流元件；
[0021]主蒸發(fā)器的介質(zhì)通道IIB用于冷量輸出；
[0022]在回熱器的介質(zhì)通道IIIA的出口端和介質(zhì)通道IIIB的進口端之間還設(shè)置有泄壓旁路，從介質(zhì)通道IIIA的出口端開始，泄壓旁路包括依次連接的泄壓閥、儲液罐和第二節(jié)流元件。
[0023]節(jié)流元件的種類很多，如常用的毛細管能夠滿足本申請的需要，不再贅述。
[0024]本實用新型超低溫自復疊式制冷裝置在開始運行時，首先是啟動預冷單元，然后再啟動多元制冷劑循環(huán)單元，在啟動多元制冷劑循環(huán)單元時，主壓縮機將吸入的制冷劑壓縮后排出，送至主冷凝器初步冷卻，再送入預冷換熱器冷卻冷凝，從預冷換熱器流出的制冷劑經(jīng)回熱器的介質(zhì)通道IIIA流出后，根據(jù)具體的運行壓力，制冷劑的流動分為如下兩種情況:
[0025](一)、當多元制冷劑循環(huán)單元的高壓側(cè)的壓力低于泄壓閥的啟動壓力設(shè)定值時，制冷劑流經(jīng)第一氣液分離器、第一分換熱器、第二氣液分離器、第二分換熱器、主節(jié)流元件和主蒸發(fā)器后，經(jīng)回熱器的介質(zhì)通道IIIB流回主壓縮機。
[0026](二)、當多元制冷劑循環(huán)單元的高壓側(cè)的壓力達到或超過泄壓閥的啟動壓力設(shè)定值時，制冷劑分成兩路，一路經(jīng)泄壓旁路上的泄壓閥、儲液罐和第二節(jié)流元件后，再經(jīng)回熱器的介質(zhì)通道IIIB返回主壓縮機;另一路流經(jīng)第一氣液分離器、第一分換熱器、第二氣液分離器、第二分換熱器、主節(jié)流元件和主蒸發(fā)器后，經(jīng)回熱器的介質(zhì)通道IIIB流回主壓縮機。
[0027]在制冷劑的流動過程中，無論是否流經(jīng)泄壓旁路，流經(jīng)回熱器的介質(zhì)通道IIIB的制冷劑的流量幾乎相同，流經(jīng)介質(zhì)通道IIIB的制冷劑吸收流經(jīng)介質(zhì)通道IIIA的制冷劑的冷量，使介質(zhì)通道IIIA中的制冷劑的溫度更低。
[0028]第二節(jié)流元件的設(shè)置，保證了制冷劑以氣體狀態(tài)進入主壓縮機，避免制冷劑中的液體對主壓縮機造成沖擊，產(chǎn)生液擊事故。
[0029]隨著制冷劑溫度的降低，多元制冷劑循環(huán)單元內(nèi)的壓力降低，當?shù)陀谛箟洪y的啟動壓力設(shè)定值時，泄壓閥恢復至關(guān)閉狀態(tài)，主壓縮機吸出儲液罐內(nèi)的制冷劑，使超低溫自復疊式制冷裝置中所有的制冷劑全部參與制冷。
[0030]在現(xiàn)有技術(shù)中，為防止啟動時高壓側(cè)的壓力過高，通常在主壓縮機的進出口設(shè)置旁通管路，使從主壓縮機出口出來的制冷劑，部分經(jīng)旁通管路回流到主壓縮機的進口，由于主壓縮機進出口間較大的壓力差，在主壓縮機剛啟動的一段時間內(nèi)，從主壓縮機出口排出的制冷劑，其中很大一部分通過旁通管路返回到主壓縮機，只有較少的一部分可以沿常規(guī)循環(huán)管路進行循環(huán)，該處以及下文所述的常規(guī)循環(huán)管路就是前文所說的制冷劑流經(jīng)第一氣液分離器、第一分換熱器、第二氣液分離器、第二分換熱器、主節(jié)流元件和主蒸發(fā)器后，經(jīng)回熱器的介質(zhì)通道IIIB流回主壓縮機的管路。由于冷量無法及時有效地在高壓側(cè)的制冷劑中進行傳遞，延長了制冷劑的冷卻冷凝，也就延長了制冷裝置達到設(shè)定溫度的時間；在制冷裝置的啟動過程中，主壓縮機的效率較低，制冷裝置的整體效能低。
[0031]而在本實用新型中，用于防止高壓側(cè)壓力過高的泄壓旁路被設(shè)置在回熱器遠離主壓縮機的一側(cè)，從主壓縮機出口排出的制冷劑，在流過回熱器位于高壓側(cè)的介質(zhì)通道IIIA后才有可能被分流為兩路，一路沿常規(guī)循環(huán)管路進行循環(huán)，一路沿泄壓旁路進入到低壓側(cè)，然后經(jīng)回熱器位于低壓側(cè)的介質(zhì)通道IIIB返回到主壓縮機;進入到泄壓旁路中的制冷劑在經(jīng)過第二節(jié)流元件后降壓氣化，在流經(jīng)介質(zhì)通道IIIB時，吸收介質(zhì)通道IIIA中制冷劑的熱量，使流經(jīng)介質(zhì)通道IIIA的制冷劑加速冷卻和冷凝，從而加快了整個多元制冷劑循環(huán)單元中制冷劑溫度的降低速度，縮短整個制冷裝置到達設(shè)定溫度，進入工作狀態(tài)的時間。
[0032]多元制冷劑循環(huán)單元中制冷劑溫度降低速度的加快，縮短了整個制冷裝置的啟動時間，提高了制冷裝置的效率，可起到節(jié)能的效果。
[0033]當然，泄壓旁路還具有安全保障功能，在制冷裝置啟動階段，通過泄壓旁路對制冷劑的分流，使高壓側(cè)的壓力維持在安全限度內(nèi)，保證了制冷裝置的安全運行。
[0034]在本實用新型中，第一氣液分離器、第一分換熱器和第一分節(jié)流元件組成一個自復疊循環(huán)子系統(tǒng);第二氣液分離器、第二分換熱器和第二分節(jié)流元件組成另一個自復疊循環(huán)子系統(tǒng)，每個自復疊循環(huán)子系統(tǒng)獨立運行，相互影響小，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強。
[0035]進一步，泄壓旁路還包括開關(guān)閥，開關(guān)閥布置在儲液罐和第二節(jié)流元件之間。
[0036]在泄壓管路上未安裝開關(guān)閥時，在制冷裝置的運行過程中，當高壓側(cè)的壓力達到或超過泄壓閥的啟動壓力設(shè)定值后，泄壓閥開啟，部分制冷劑流入到儲液罐內(nèi)，并經(jīng)第二節(jié)流元件節(jié)流后返回到循環(huán)系統(tǒng)中；由于儲液罐的接入，高壓側(cè)容積增大，高壓側(cè)的壓力會有所降低;但制冷劑會通過泄壓旁路分流后又繼續(xù)被主壓縮機吸入，排入至高壓側(cè)，因而高壓側(cè)的壓降幅值平緩;進入回熱器的制冷劑流量較大，高壓側(cè)流經(jīng)回熱器的制冷劑氣體冷卻、冷凝量較大。隨著回熱器溫度的不斷降低，循環(huán)系統(tǒng)的壓力不斷降低并達到平衡，泄壓閥自動關(guān)閉，儲液罐中的制冷劑陸續(xù)返回到循環(huán)系統(tǒng)中。
[0037]當在泄壓管路上安裝開關(guān)閥后，在啟動階段可以將開關(guān)閥關(guān)閉，開關(guān)閥關(guān)閉后，當高壓側(cè)的壓力達到或超過泄壓閥的啟動壓力設(shè)定值時，泄壓閥打開，制冷劑泄壓進入儲液罐；由于流入到儲液罐內(nèi)的制冷劑無法返回到循環(huán)系統(tǒng)中，循環(huán)系統(tǒng)壓降迅速，能在短時間內(nèi)降低到泄壓閥的啟動壓力設(shè)定值下；但進入回熱器的制冷劑流量較小，高壓側(cè)流經(jīng)回熱器的制冷劑氣體冷卻冷凝量較小，冷卻冷凝時間延長；同時流回主壓縮機的制冷劑量也減少，壓縮機功耗降低。待高壓側(cè)的壓力降低到泄壓閥的啟動壓力設(shè)定值以下時，泄壓閥自動關(guān)閉，根據(jù)制冷裝置的運行狀態(tài)，開啟開關(guān)閥，使儲液罐中的制冷劑返回到循環(huán)系統(tǒng)中；待循環(huán)系統(tǒng)中的第一斷開閥和第二斷開閥關(guān)閉時，關(guān)閉開關(guān)閥。開關(guān)閥的設(shè)置更利于高壓側(cè)的壓力保護。
[0038]進一步，上述第一分節(jié)流元件至少有兩個，其中至少有一個第一分節(jié)流元件的進口端設(shè)置有第一斷開閥；上述第二分節(jié)流元件至少有兩個，其中至少有一個第二分節(jié)流元件的進口端設(shè)置有第二斷開閥。
[0039]在本實用新型中，至少有一個第一分節(jié)流元件的進口安裝了第一斷開閥，至少有一個第二分節(jié)流元件的進口安裝了第二斷開閥，在制冷裝置啟動階段和停機階段，第一斷開閥和第二斷開閥打開，以增大制冷劑的過流通道，加大制冷劑的循環(huán)速度。
[0040]在制冷裝置的啟動階段，制冷劑過流通道的加大，可以使制冷劑的循環(huán)速度加快，使冷量在制冷劑內(nèi)快速擴散，加快了制冷劑中低沸點制冷劑的液化，使主蒸發(fā)器及早獲得了制冷劑中的凝結(jié)為液態(tài)的低沸點制冷劑，縮短制冷裝置的啟動時間，在制冷裝置的壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉第一斷開閥和第二斷開閥，這樣在保證了制冷裝置壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還有利于制冷裝置在低負荷下運行，實現(xiàn)了良好的節(jié)能效果。
[0041]在制冷裝置的停機階段，制冷劑過流通道的加大，可以使逐漸氣化的制冷劑有足夠的過流通道，避免循環(huán)系統(tǒng)的壓力超過系統(tǒng)的安全壓力，確保制冷裝置的平穩(wěn)運行。
[0042]在多元制冷劑循環(huán)單元內(nèi)填充有多元制冷劑，多元制冷劑為惰性氣體和非共沸點的烷烴類制冷劑的混合物;多元制冷劑優(yōu)選為任意比例的氬氣、四氟化碳、乙烷和異丁烷的混合物。
[0043]在本實用新型中，多元制冷劑循環(huán)單元內(nèi)填充多元制冷劑，具體包括氬氣、四氟化碳、乙烷和異丁烷，其中的異丁烷的主要作用是降低主壓縮機的潤滑油的凝固點，以防止?jié)櫥瓦M入低沸點制冷劑的蒸發(fā)段而凝固堵塞節(jié)流元件;在靠近主壓縮機的回熱器中，最遠至靠近主壓縮機排氣口的第一氣液分離器，潤滑油隨高沸點的異丁烷一起完全被分離出來。
[0044]該制冷裝置的啟動時間和停機時間縮短，而且可以保證制冷裝置的平穩(wěn)運行，在正常運行階段，由于制冷裝置內(nèi)的制冷劑全部參與運行，有效地提高了制冷裝置的運行效率，使制冷裝置具有良好的節(jié)能效果。
[0045]相比較現(xiàn)有技術(shù)將旁通管路直接設(shè)置在主壓縮機的進出口之間，本實用新型可使啟動時間縮短30?40%，并由此可節(jié)約能耗15?20%。
【附圖說明】
[0046]圖1是本實用新型的第一種實施例。
[0047]圖2是本實用新型的第二種實施例。
[0048]圖3是本實用新型的第三種實施例。
[0049]圖4是本實用新型的第四種實施例。
[0050]圖中標記:
[0051 ]11-預冷冷凝器，13-預冷壓縮機，14-預冷節(jié)流元件；
[0052]21-主壓縮機，22-主冷凝器，23-預冷換熱器，25-回熱器；
[0053]231-介質(zhì)通道I A，232-介質(zhì)通道I B，251_介質(zhì)通道IIIA，252_介質(zhì)通道IIIB;
[0054]26-泄壓旁路，261-泄壓閥，262-開關(guān)閥，263-第二節(jié)流元件，264-儲液罐；
[0055]31-第一氣液分離器，32-第一分換熱器，33-第一分節(jié)流元件A，34-第一分節(jié)流元件B;
[0056]321-高溫介質(zhì)流道I A，322-低溫介質(zhì)流道I B，331_第一斷開閥；
[0057]41-第二氣液分離器，42-第二分換熱器，43-第二分節(jié)流元件A，44-第二分節(jié)流元件B;
[0058]421-高溫介質(zhì)流道II A，422-低溫介質(zhì)流道II B，431_第二斷開閥；
[0059]51-主節(jié)流元件，60-主蒸發(fā)器;601-介質(zhì)通道II A，602_介質(zhì)通道II B。
【具體實施方式】
[0060]為進一步說明本實用新型的內(nèi)容、特點及效果，茲以下述實施例，并配合附圖詳細說明。
[0061]需要說明的是，附圖中的雙點劃線僅用于表示各個單元的組成范圍，不代表任何具體的設(shè)備。
[0062]實施例1:
[0063]參閱圖1，一種超低溫自復疊式制冷裝置，包括預冷單元I和多元制冷劑循環(huán)單元2。
[0064]預冷單元I包括通過管道依次連接形成循環(huán)系統(tǒng)的預冷壓縮機13、預冷冷凝器11、預冷節(jié)流元件14和預冷換熱器23;在本實施例中，預冷冷凝器11為風冷式冷凝器，預冷節(jié)流元件14采用毛細管式節(jié)流閥。
[0065]多元制冷劑循環(huán)單元2包括主壓縮機21、主冷凝器22、預冷換熱器23、回熱器25、第一氣液分離器31、第一分換熱器32、第二氣液分離器41和第二分換熱器42、主節(jié)流兀件51和主蒸發(fā)器60。
[0066]預冷單元中的預冷換熱器23與多元制冷劑循環(huán)單元中的預冷換熱器23為同一設(shè)備，預冷換熱器23設(shè)置有介質(zhì)通道I A 231和介質(zhì)通道I B 232，其中介質(zhì)通道I A 231通過管道連接在預冷壓縮機13和預冷節(jié)流元件14之間；
[0067]回熱器25設(shè)置有介質(zhì)通道IIIA251和介質(zhì)通道IIIB 252;第一分換熱器32設(shè)置有高溫介質(zhì)流道I A 321和低溫介質(zhì)流道I B 322;第二分換熱器42設(shè)置有高溫介質(zhì)流道II A421和低溫介質(zhì)流道II B 422;主蒸發(fā)器60為一換熱器，其設(shè)置有介質(zhì)通道II A 601和介質(zhì)通道II B 602。
[0068]依制冷劑的流動方向，主壓縮機21的排氣端經(jīng)主冷凝器22連接預冷換熱器23的介質(zhì)通道I B 232的進口，介質(zhì)通道I B 232的出口連接回熱器25的介質(zhì)通道IIIA 251的進口，回熱器25的介質(zhì)通道IIIA 251的出口連接第一氣液分離器31的進口，第一氣液分離器31的排氣口經(jīng)第一分換熱器32的高溫介質(zhì)流道I A 321連接第二氣液分離器41的進口，第二氣液分離器41的排氣口經(jīng)第二分換熱器42的高溫介質(zhì)流道I A 421連接主節(jié)流元件51的進口；主節(jié)流元件51的出口經(jīng)主蒸發(fā)器60的介質(zhì)通道II A 601連接第二分換熱器42的低溫介質(zhì)流道II B 422的進口，低溫介質(zhì)流道II B 422的出口經(jīng)第一分換熱器32的低溫介質(zhì)流道I B 322連接回熱器25的介質(zhì)通道IIIB 252的進口，介質(zhì)通道IIIB 252的出口連接主壓縮機21的回氣端；
[0069]在本實施例中，上述第一氣液分離器31的出液口與第一分換熱器32的低溫介質(zhì)流道I B 322的進口之間設(shè)置有一個第一分節(jié)流元件，為第一分節(jié)流元件B 34。當然也可以設(shè)置兩個或兩個以上的第一分節(jié)流元件，例如三個或五個。
[0070]在本實施例中，上述第二氣液分離器41的出液口與第二分換熱器42的低溫介質(zhì)流道II B 422的進口之間設(shè)置有一個第二分節(jié)流元件，為第二分節(jié)流元件B 44。當然也可以設(shè)置兩個或兩個以上的第二分節(jié)流元件，例如三個或五個。
[0071]在回熱器25的介質(zhì)通道IIIA 251的出口端和介質(zhì)通道IIIB 252的進口端之間還設(shè)置有泄壓旁路26，從介質(zhì)通道IIIA 251的出口端開始，泄壓旁路26包括依次連接的泄壓閥261、儲液罐264和第二節(jié)流元件263。
[0072]主蒸發(fā)器60的介質(zhì)通道II B 602用于冷量輸出，介質(zhì)通道II B 602的兩端分別形成待液化物料的物料進口 72和物料出口 74。
[0073]在本實施例中，主冷凝器22為風冷式冷凝器，所有節(jié)流元件均采用毛細管式節(jié)流元件。所有閥門均采用電磁閥，以方便實現(xiàn)裝置的自動控制與遠程操作。
[0074]實施例2:
[0075]參閱圖2，本實施例是在實施例1基礎(chǔ)上的改進，在儲液罐264和第二節(jié)流元件263之間還設(shè)置了開關(guān)閥262。開關(guān)閥262采用電磁閥，以方便實現(xiàn)裝置的自動控制與遠程操作。
[0076]實施例3:
[0077]參閱圖3，本實施例是在實施例1基礎(chǔ)上的改進，在本實施例中，第一分節(jié)流元件有兩個，在第一分節(jié)流元件B 34的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個與第一分節(jié)流元件B 34并聯(lián)的第一分節(jié)流元件A 33，并且在第一分節(jié)流元件A 33的進口端設(shè)置有第一斷開閥331。當然也可以設(shè)置三個、或更多的第一分節(jié)流元件，也可以在更多的第一分節(jié)流元件的進口端設(shè)置第一斷開閥。
[0078]第二分節(jié)流元件有兩個，在第二分節(jié)流元件B44的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個與第二分節(jié)流元件B 44并聯(lián)的第二分節(jié)流元件A 43，并且在第二分節(jié)流元件A 43的進口端設(shè)置有第二斷開閥431。當然也可以設(shè)置三個、或更多的第二分節(jié)流元件，也可以在更多的第二分節(jié)流元件的進口端設(shè)置第二斷開閥。
[0079]第一斷開閥331和第二斷開閥431均采用電磁閥，以方便實現(xiàn)裝置的自動控制與遠程操作。
[0080]在本實施例中，多元制冷劑循環(huán)單元2中的制冷劑為多元制冷劑，多元制冷劑可以采用由惰性氣體和非共沸點的烷烴類制冷劑的混合物，具體到本實施例，多元制冷劑由氬氣、四氟化碳、乙烷和異丁烷混合而成。
[0081]該超低溫自復疊式制冷裝置可用于天然氣、沼氣等氣體的液化，以下將本實施例用于沼氣的液化，以具體說明本實用新型是如何運行的。
[0082]超低溫自復疊式制冷裝置將沼氣液化主要通過下列三步運行:
[0083]L1、啟動預冷單元I
[0084]為方便描述，將預冷單元A中的制冷劑稱為預冷制冷劑，在現(xiàn)有技術(shù)中，已有眾多的制冷劑可作為預冷制冷劑，在本申請中采用R22作為預冷制冷劑。
[0085]超低溫自復疊式制冷裝置運行時，先啟動預冷單元I。啟動預冷壓縮機13，預冷壓縮機13將R22吸入，壓縮成高壓氣體，送入預冷冷凝器11冷凝為液態(tài)，液態(tài)的R22經(jīng)預冷節(jié)流元件14節(jié)流降壓，在預冷換熱器23中氣化產(chǎn)生冷量，氣化后的R22再次被預冷壓縮機13吸入，進入下一個循環(huán)。節(jié)流后的液態(tài)R22在預冷換熱器23中氣化產(chǎn)生的冷量，用于冷卻多元制冷劑循環(huán)單元2中的多元制冷劑。
[0086]L2、啟動多元制冷劑循環(huán)單元2;包括如下步驟:
[0087]在本實施例中，泄壓閥261的啟動壓力設(shè)定值為1.4MPa。
[0088](I)在啟動多元制冷劑循環(huán)單元2前，首先開啟第一斷開閥331和第二斷開閥431，泄壓閥261自動啟閉，制冷裝置啟動后，主壓縮機21將吸入的多元制冷劑壓縮排出，送至主冷凝器22初步冷卻后，再送入預冷換熱器23冷卻冷凝，其中的異丁烷和乙烷冷凝成液體，四氟化碳和氬氣仍保持氣態(tài)。
[0089]當多元制冷劑循環(huán)單元的高壓側(cè)的壓力達到或超過1.4MPa后，泄壓閥261開啟；從預冷換熱器23流出的多元制冷劑流經(jīng)回熱器25的介質(zhì)通道IIIA 251后分成兩路，一路經(jīng)泄壓閥261、儲液罐264和第二節(jié)流元件263后，再經(jīng)回熱器25的介質(zhì)通道IIIB 252返回主壓縮機21 ；另一路流經(jīng)第一氣液分離器31、第一分換熱器32、第二氣液分離器41、第二分換熱器42、主節(jié)流元件51和主蒸發(fā)器60后流回主壓縮機21;當主壓縮機21高壓側(cè)的壓力低于1.4MPa后，泄壓閥261關(guān)閉；流經(jīng)介質(zhì)通道IIIB 252的多元制冷劑吸收流經(jīng)介質(zhì)通道IIIA251中的多元制冷劑的冷量，使多元制冷劑加速冷卻和冷凝;兩路分流保證了制冷裝置在啟動狀態(tài)下，高壓側(cè)的壓力不至于過高而引發(fā)主壓縮機過熱。
[0090]在回熱器25的介質(zhì)通道IIIA251中，多元制冷劑得到來自在主蒸發(fā)器60、第一分換熱器32、第二分換熱器42中蒸發(fā)后，流經(jīng)介質(zhì)通道IIIB 252的多元制冷劑的殘余冷量再次冷卻，氣態(tài)四氟化碳和氬氣溫度進一步降低，液態(tài)異丁烷和乙烷形成一定的過冷度;從而加快了整個多元制冷劑循環(huán)單元中制冷劑溫度的降低速度，縮短了整個制冷裝置到達設(shè)定溫度，進入工作狀態(tài)的時間。
[0091]進入第一氣液分離器31中的氣態(tài)四氟化碳和氬氣，從第一氣液分離器31的排氣口流至第一分換熱器32的高溫介質(zhì)流道I A 321時，吸收來自第一分節(jié)流元件A33和第一分節(jié)流元件B34節(jié)流后在低溫介質(zhì)流道I B 322中氣化的乙烷和異丁烷的冷量，四氟化碳發(fā)生液化，氬氣降溫。液化后的四氟化碳與氣態(tài)的氬氣一起流向第二氣液分離器41，其中的液態(tài)四氟化碳從第二氣液分離器41的出液口流向第二分節(jié)流元件A43和第二分節(jié)流元件B44，經(jīng)節(jié)流后流向第二分換熱器42的低溫介質(zhì)流道II B 422，吸收高溫介質(zhì)流道II A 421中來自第二氣液分離器41的排氣口流出的氣態(tài)氬氣的熱量后氣化，然后流向第一分換熱器32的低溫介質(zhì)流道I B 322，與氣化了的乙烷、異丁烷以及潤滑油一起經(jīng)回熱器25的介質(zhì)通道IIIB252后，被主壓縮機21吸入。
[0092]進入第二氣液分離器41中的氣態(tài)氬氣從第二氣液分離器41的排氣口流出，在通過第二分換熱器42的高溫介質(zhì)流道II A 421時，被來自經(jīng)第二分節(jié)流元件A43和第二分節(jié)流元件B44節(jié)流后在低溫介質(zhì)流道II B 422中氣化的四氟化碳冷卻冷凝而液化后，流向主節(jié)流元件51，經(jīng)節(jié)流后在主蒸發(fā)器60中氣化，形成溫度極低的環(huán)境，以將沼氣液化;氣化后的氬氣經(jīng)第二分換熱器42的低溫介質(zhì)流道II B 422，與氣化了的四氟化碳、乙烷和異丁烷、以及潤滑油一起經(jīng)回熱器25的介質(zhì)通道IIIB 252后，被主壓縮機21吸入。
[0093]隨著多元制冷劑循環(huán)單元2內(nèi)的多元制冷劑被不斷地冷卻和液化，多元制冷劑循環(huán)單元2內(nèi)的壓力不斷地降低，當壓力穩(wěn)定地保持在泄壓閥261的啟動壓力設(shè)定值之下時，泄壓閥261保持關(guān)閉狀態(tài)，主壓縮機21吸出儲液罐264內(nèi)的多元制冷劑，使制冷裝置中所有的制冷劑全部參與制冷，提高了制冷效率;待壓力穩(wěn)定后，先依次關(guān)閉第一斷開閥331和第二斷開閥431，如此，既保證了制冷裝置的壓力穩(wěn)定，同時又實現(xiàn)制冷裝置的低能耗運行，具有良好的節(jié)能效果。
[0094]在制冷裝置的工作過程中，如果高壓側(cè)的壓力偏高，達到1.4MPa時，泄壓閥261將自動打開，管道內(nèi)的多元制冷劑將流入儲液罐264，實現(xiàn)泄壓；當高壓側(cè)的壓力低于1.4MPa時，泄壓閥261將自動關(guān)閉。
[0095]當制冷裝置在準備停機時，先依次打開第一斷開閥331和第二斷開閥431;多元制冷劑循環(huán)單元中的多元制冷劑逐漸氣化，當多元制冷劑循環(huán)單元中管路內(nèi)的壓力達到1.4MPa時，泄壓閥261開啟，多元制冷劑進入到儲液罐264內(nèi)。
[0096]L3、超低溫自復疊式制冷裝置正式運行:
[0097]潔凈的原料氣在一定壓力的作用下，流經(jīng)主蒸發(fā)器60的介質(zhì)通道IIB602，吸收多元制冷劑循環(huán)單元在主蒸發(fā)器60產(chǎn)生的冷量，冷卻冷凝液化；
[0098]L4、停機:
[0099]完成原料氣的液化后，在超低溫自復疊式制冷裝置準備停機時，先打開第一斷開閥331和第一斷開閥431，多元制冷劑循環(huán)單元中的多元制冷劑逐漸氣化。
[0100]采用該制冷裝置在零下160?170°C對沼氣進行液化時，相比較現(xiàn)有技術(shù)中，將旁通管路設(shè)置在主壓縮機的進口的制冷裝置，其啟動時間縮短30?40%，冷凝沼氣的單位能耗可降低15?20%。
[0101]參閱圖4，在本實施例中，在儲液罐264和第二節(jié)流元件263之間還可以設(shè)置開關(guān)閥A268，當設(shè)置開關(guān)閥A268后，在制冷裝置的啟動過程中，可以預先關(guān)閉開關(guān)閥A，根據(jù)裝置的運行情況，保持開關(guān)閥A的關(guān)閉狀態(tài)或開啟開關(guān)閥A。在制冷裝置正常運行過程中，如果由于高壓側(cè)的壓力過高，部分多元制冷劑流入到儲液罐264中，這部分多元制冷劑可根據(jù)制冷裝置的具體運行情況，在適當?shù)臅r候開啟開關(guān)閥A，使這部分多元制冷劑返回到多元制冷劑循環(huán)單元2中，參與制冷。當然，在制冷裝置準備停機時，可以保持開關(guān)閥A為開啟狀態(tài)。
【主權(quán)項】
1.一種超低溫自復疊式制冷裝置，包括預冷單元、多元制冷劑循環(huán)單元;其特征在于: 預冷單元包括通過管道依次連接形成循環(huán)系統(tǒng)的預冷壓縮機(13)、預冷冷凝器(11)、預冷節(jié)流元件(14)和預冷換熱器(23); 多元制冷劑循環(huán)單元包括主壓縮機(21)、主冷凝器(22)、預冷換熱器(23)、回熱器(25)、第一氣液分離器(31)、第一分換熱器(32)、第二氣液分離器(41)和第二分換熱器(42)、主節(jié)流元件(51)和主蒸發(fā)器(60); 上述預冷單元中的預冷換熱器(23)與多元制冷劑循環(huán)單元中的預冷換熱器(23)為同一設(shè)備，預冷換熱器(23)設(shè)置有介質(zhì)通道I A(231)和介質(zhì)通道I B(232)，其中介質(zhì)通道I A(231)通過管道連接在預冷壓縮機(13)和預冷節(jié)流元件(14)之間； 回熱器(25)設(shè)置有介質(zhì)通道IIIA(251)和介質(zhì)通道IIIB(252); 第一分換熱器(32)設(shè)置有高溫介質(zhì)流道I A(321)和低溫介質(zhì)流道I B(322); 第二分換熱器(42)設(shè)置有高溫介質(zhì)流道IIA(421)和低溫介質(zhì)流道IIB(422); 主蒸發(fā)器(60)為一換熱器，其設(shè)置有介質(zhì)通道IIA(601)和介質(zhì)通道IIB(602); 依制冷劑的流動方向，主壓縮機(21)的排氣端經(jīng)主冷凝器(22)連接預冷換熱器(23)的介質(zhì)通道I B(232)的進口，介質(zhì)通道I B(232)的出口連接回熱器(25)的介質(zhì)通道IIIA(251)的進口，回熱器(25)的介質(zhì)通道IIIA(251)的出口連接第一氣液分離器(31)的進口，第一氣液分離器(31)的排氣口經(jīng)第一分換熱器(32)的高溫介質(zhì)流道I A(321)連接第二氣液分離器(41)的進口，第二氣液分離器(41)的排氣口經(jīng)第二分換熱器(42)的高溫介質(zhì)流道I A(421)連接主節(jié)流元件(51)的進口 ；主節(jié)流元件(51)的出口經(jīng)主蒸發(fā)器(60)的介質(zhì)通道IIA(601)連接第二分換熱器(42)的低溫介質(zhì)流道IIB(422)的進口，低溫介質(zhì)流道IIB(422)的出口經(jīng)第一分換熱器(32)的低溫介質(zhì)流道I B(322)連接回熱器(25)的介質(zhì)通道IIIB(252)的進口，介質(zhì)通道IIIB(252)的出口連接主壓縮機(21)的回氣端； 上述第一氣液分離器(31)的出液口與第一分換熱器(32)的低溫介質(zhì)流道I B(322)的進口之間設(shè)置有一個第一分節(jié)流元件、或兩個以上并聯(lián)的第一分節(jié)流元件； 上述第二氣液分離器(41)的出液口與第二分換熱器(42)的低溫介質(zhì)流道IIB(422)的進口之間設(shè)置有一個第二分節(jié)流元件、或兩個以上并聯(lián)的第二分節(jié)流元件； 主蒸發(fā)器(60)的介質(zhì)通道IIB(602)用于冷量輸出； 在回熱器(25)的介質(zhì)通道IIIA(251)的出口端和介質(zhì)通道IIIB(252)的進口端之間還設(shè)置有泄壓旁路(26)，從介質(zhì)通道IIIA(251)的出口端開始，泄壓旁路(26)包括依次連接的泄壓閥(261)、儲液罐(264)和第二節(jié)流元件(263)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷裝置，其特征在于:泄壓旁路(26)還包括開關(guān)閥(262)，開關(guān)閥(262)布置在儲液罐(264)和第二節(jié)流元件(263)之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷裝置，其特征在于: 所述第一分節(jié)流元件至少有兩個，其中至少有一個第一分節(jié)流元件的進口端設(shè)置有第一斷開閥； 所述第二分節(jié)流元件至少有兩個，其中至少有一個第二分節(jié)流元件的進口端設(shè)置有第二斷開閥。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一權(quán)利要求所述的制冷裝置，其特征在于:在多元制冷劑循環(huán)單元內(nèi)填充有多元制冷劑，多元制冷劑為惰性氣體和非共沸點的烷烴類制冷劑的混合物。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制冷裝置，其特征在于:多元制冷劑為任意比例的氬氣、四氟化碳、乙烷和異丁烷的混合物。
【文檔編號】F25B41/04GK205448389SQ201620203410
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】陸建花, 嚴彥, 孫偉, 孫見君, 張峻斌, 全琴, 於秋萍, 朱玉華
【申請人】南京林業(yè)大學, 江蘇奧林維爾環(huán)境設(shè)備有限公司