蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及制冷機(jī)械，特別是一種利用空氣作為工作介質(zhì)的制冷機(jī)械系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)保制冷劑的研發(fā)和替代是環(huán)境保護(hù)的迫切問題，一些GWP、ODP較低的制冷劑存 在安全、換熱性能等限制或不足，而如氨制冷系統(tǒng)，為了安全，需要設(shè)法減少充注量；又如二 氧化碳，需要注意系統(tǒng)承壓能力和密封。
[0003] 蒸汽壓縮式制冷在冷庫和冷加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但溫度越低，性能系數(shù)越低， 而且制冷劑物性限制更低溫度的實現(xiàn)，為實現(xiàn)更低的溫度，除了多級壓縮，通常還會采用復(fù) 疊式制冷，但需要加裝膨脹容器，還要注意制冷劑回油問題，低壓系統(tǒng)還容易因為負(fù)壓導(dǎo)致 空氣滲入影響換熱。
[0004] 傳統(tǒng)制冰系統(tǒng)都需要制冷劑與水通過低溫?fù)Q熱器間壁式換熱，不但需要考慮傳熱 溫差，而且需要設(shè)置低溫?fù)Q熱器，由于結(jié)垢、腐蝕，低溫?fù)Q熱器需要定期清洗和更換；靜態(tài)冰 蓄冷隨著附著在換熱器上的冰層增厚，換熱效率惡化；傳統(tǒng)動態(tài)制冰雖然制冷效率高于靜 態(tài)冰蓄冷，但需要刮冰刀，或定期對低溫?fù)Q熱器融冰。
[0005] 空氣作為制冷劑不但環(huán)保而且容易獲取，密封要求較蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)低，甚 至如果是開式空氣制冷系統(tǒng)，膨脹后的低溫空氣直接送入至冷間，無需換熱器，能減少換熱 器的耗材，也無需考慮換熱器傳熱溫差，更重要的是不存在有毒有害制冷劑的泄露污染和 毒害。
[0006] 傳統(tǒng)空氣制冷系統(tǒng)考慮的是通過多級壓縮帶中間冷卻來逐步實現(xiàn)低溫，雖然在低 于-50°C時逐漸呈現(xiàn)比蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的優(yōu)勢，但需要多級壓縮，設(shè)備繁多，系統(tǒng)復(fù)雜 昂貴，故應(yīng)用范圍沒有蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)廣。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明是為解決上述問題而提出的，提供了一種蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，用 于解決上述有毒有害制冷劑的泄露污染和毒害問題。
[0008] 本發(fā)明提供的一種蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，包括：高溫極制冷 裝置，包括依次連接的高溫極壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件、蒸發(fā)器，其中循環(huán)流動有高溫極制 冷劑；低溫極制冷裝置，包括依次連接膨脹機(jī)、熱交換器、空壓機(jī)，熱交換器同蒸發(fā)器臨近， 用來同蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，將從需冷空間吸收的熱量釋放出去，其中，空氣作為低溫極制冷 劑。
[0009] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，還可以具有這樣的特征：其中，低溫極 制冷裝置還包括回?zé)崞鳎釉跓峤粨Q器后，用來回收需冷空間回空壓機(jī)的高溫極制冷劑 冷量來進(jìn)一步冷卻經(jīng)蒸發(fā)器出來的高溫極制冷劑。
[0010] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，還可以具有這樣的特征：其中，高溫極 制冷劑為鹵代烴制冷劑或液氨。
[0011] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，還可以具有這樣的特征：其中，膨脹機(jī) 和空壓機(jī)共軸，由同一部電機(jī)驅(qū)動。
[0012] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，還可以具有這樣的特征：其中，高溫極 制冷裝置還包括串接在高溫極壓縮機(jī)和冷凝器之間的第二壓縮機(jī)和中冷器，用來進(jìn)行中間 完全冷卻雙級壓縮。
[0013] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，還可以具有這樣的特征：其中，高溫極 制冷裝置還包括串接在高溫極壓縮機(jī)和冷凝器之間的第二壓縮機(jī)和板式換熱器，用來進(jìn)行 中間不完全冷卻雙極壓縮。
[0014] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，還可以具有這樣的特征：其中，低溫極 制冷裝置還包括串接在壓縮機(jī)和熱交換器之間的四通閥。
[0015] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，還可以具有這樣的特征：其中，熱交換 器為間壁式熱交換器。冷流體為經(jīng)節(jié)流的高溫極制冷劑，熱流體為經(jīng)空壓機(jī)壓縮的低溫極 制冷劑。
[0016] 發(fā)明作用與效果
[0017] 本發(fā)明提供的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，包括常規(guī)的高溫極制冷裝置和低溫極 制冷裝置，其中低溫極制冷裝置使用空氣作為低溫極制冷劑，具有：
[0018] 常規(guī)的高溫極制冷裝置制冷劑等工作介質(zhì)不與需冷空間直接接觸，作為低溫極制 冷劑的空氣可直接送入需冷空間，可以降低管路密封的要求，大大的節(jié)省成本；
[0019] 更重要的是，危險毒害的制冷劑同需冷空間有了低溫極制冷裝置的隔離，不容易 因為制冷劑的泄漏而發(fā)生爆炸和毒害事故，泄漏量減少并縮小泄漏影響范圍；
[0020] 使用空氣作為低溫極制冷裝置的傳熱介質(zhì)和制冷劑，由于其于需冷空間可以直接 接觸換熱，帶走熱量，這樣不僅可以減少換熱器的金屬消耗，同時也減少了換熱器的換熱損 耗，提尚了效率，節(jié)能。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的實施例1的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的示意圖；
[0022] 圖中，1 :高溫極壓縮機(jī)；2 :冷凝器；3 :節(jié)流元件；4 :蒸發(fā)器；5 :電動機(jī)；6 :空壓 機(jī)；7 :回?zé)崞鳎? :膨脹機(jī)；9 :需冷空間；10 :傳動軸；
[0023] 圖2為本發(fā)明的實施例1的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行制冰蓄冷應(yīng)用的示意 圖；
[0024] 圖中，與圖1相同的部件給予與圖1相同的標(biāo)號，其中，11 :進(jìn)水閥；12 :栗；13 :單 向閥，而9為需冷空間，這里為對應(yīng)的冰水桶；
[0025] 圖3為本發(fā)明的實施例2的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)對的示意圖；
[0026] 圖中，序號與含義同圖1相同；
[0027] 圖4為本發(fā)明的實施例3的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的示意圖；
[0028] 圖中，與圖1相同的部件給予與圖1相同的標(biāo)號，11 :高溫極高壓級壓縮機(jī)；12 :中 冷器；13 :手動節(jié)流閥；14 :過濾器；15 :浮球節(jié)流閥（第二節(jié)流元件）；16 :過冷盤管；
[0029] 圖5為本發(fā)明的實施例4的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的示意圖；
[0030] 圖中，與圖1相同的部件給予與圖1相同的標(biāo)號，11 :高溫極高壓級壓縮機(jī)；12 :第 二節(jié)流元件；13 :板式換熱器；
[0031] 圖6為本發(fā)明的實施例5的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的示意圖；
[0032] 圖中，與圖1相同的部件給予與圖1相同的標(biāo)號，11 :四通換向閥；
[0033] 圖7為氨/空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)實驗設(shè)備圖
[0034] 圖8為氨/二氧化碳復(fù)疊式制冷系統(tǒng)實驗設(shè)備圖
[0035] 圖9為帶回?zé)岬目諝庵评錈崃ρh(huán)T-s圖
[0036] 圖10為不帶回?zé)岬目諝庵评錈崃ρh(huán)T-s圖
[0037] 圖11為CO2制冷熱力循環(huán)p-h圖
[0038] 圖12為氨制冷熱力循環(huán)p-h圖
【具體實施方式】
[0039] 為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下結(jié) 合實施例與附圖對本發(fā)明的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)作具體闡述。
[0040] 說明：間壁式熱交換器結(jié)合到蒸發(fā)器中，組成一體式的蒸發(fā)器（4)，其共同用來更 好的同蒸發(fā)器接觸提高傳熱效率和節(jié)省材料；
[0041] 同時空壓機(jī)和膨脹機(jī)同軸，使用電動機(jī)帶動運(yùn)轉(zhuǎn)；制冷劑使用的是鹵代烴制冷劑 (如134a)或液氨，空氣作為工作介質(zhì)即低溫極制冷劑。
[0042] 實施例1
[0043] 圖1為本實施例的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的示意圖
[0044] 高溫極制冷裝置：如圖1所示，高溫極的壓縮機(jī)（1)排氣管與冷凝器（2)進(jìn)口相 連，冷凝器出口接節(jié)流元件（3)進(jìn)口，節(jié)流元件出口接蒸發(fā)器（4)低溫側(cè)進(jìn)口，蒸發(fā)器低溫 側(cè)出口接高溫極壓縮機(jī)（1)吸氣管。
[0045] 低溫極制冷裝置：低溫極的空壓機(jī)（6)由電機(jī)（5)驅(qū)動，空壓機(jī)排氣管與蒸發(fā)器 (4)高溫側(cè)進(jìn)口相連，蒸發(fā)器高溫側(cè)出口接回?zé)崞鳎?)高溫側(cè)進(jìn)口，回?zé)崞鞲邷貍?cè)出口與膨 脹機(jī)⑶進(jìn)口相連，膨脹機(jī)出口接需冷卻空間（9)進(jìn)口，需冷卻空間出口接回?zé)崞鳎?)低溫 側(cè)進(jìn)口，回?zé)崞鞯蜏貍?cè)出口與空壓機(jī)（6)進(jìn)氣管相連。
[0046] 實施例1原理：高溫極的壓縮機(jī)（1)把制冷劑蒸汽壓縮至冷凝器（2)進(jìn)行冷凝，冷 凝后的制冷劑通過節(jié)流元件（3)降壓，降壓后的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器（4)吸收低溫極的空氣 熱量進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)的制冷劑吸入高溫極壓縮機(jī)（1)實現(xiàn)循環(huán)。低溫極的空壓機(jī)（6)由電 機(jī)（5)驅(qū)動，通過壓縮空氣把空氣排至蒸發(fā)器（4)冷卻，冷卻后的空氣進(jìn)入回?zé)崞鳎?)二次 冷卻，回?zé)崞骼鋮s后出來的空氣進(jìn)入與空壓機(jī)（6)同軸的膨脹機(jī)（8)膨脹再次降溫，從膨脹 機(jī)膨脹出的低溫空氣進(jìn)入需冷卻空間（9)吸熱，吸熱后的空氣進(jìn)入回?zé)崞鳎?)冷卻從高溫 極蒸發(fā)器（4)冷卻過的空氣，然后吸入空壓機(jī)（6)，完成循環(huán)。
[0047] 實施例的作用和有益效果
[0048] 使用本實施例的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，由于還包括回?zé)崞?，膨脹機(jī)和空壓 機(jī)共軸，由同一部電機(jī)驅(qū)動，同時使用空氣作為制冷劑，使得：
[0049] 在需要較低的空間溫度時，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的制冷劑充注量因采用空氣進(jìn)行 復(fù)疊式制冷而得到減少，例如對于氨雙級壓縮_35°C的急凍系統(tǒng)，改用本發(fā)明方案，氨只需 單級壓縮，可省去中冷器，相應(yīng)減少當(dāng)中氨充注量，系統(tǒng)安全性增加；
[0050] 回?zé)崞鳎?)參與熱量回收，串接在熱交換器后，用來回收從需冷空間送入空壓機(jī) 吸氣端的一部分冷量，實現(xiàn)節(jié)能目的；
[0051] 因空氣直接送入需冷空間，故無需低溫?fù)Q熱器，無需考慮換熱溫差，設(shè)計和運(yùn)行控 制得到簡化；
[0052] 因空氣環(huán)境友好且容易獲取，所以降低系統(tǒng)承壓和密封要求，也因此不像傳統(tǒng)蒸 汽壓縮復(fù)疊式制冷那樣需設(shè)置膨脹容器；
[0053] 空氣經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹的過程也為膨脹機(jī)做功，因膨脹機(jī)與空壓機(jī)同軸，故減少空 壓機(jī)功耗。
[0054] 圖2為實施例1的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行制冰蓄冷應(yīng)用的示意圖
[0055] 高溫極制冷裝置：與實施例1高溫極制冷裝置相同。
[0056] 低溫極制冷裝置：與實施例1不同點(diǎn)在于，需冷卻空間則具體化為冰水桶（9)，從 膨脹機(jī)⑶出來的低溫空氣直接通入冰水桶中，進(jìn)水閥（11)可為冰水桶補(bǔ)水，制取的冰水 通過栗（12)和單向閥（13)輸送到外界。.
[0057] 該應(yīng)用作用和有益效果
[0058] 在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，采用冰水蓄冷時，低溫空氣直接與水換熱，換熱效率高；
[0059] 空氣通入水的過程能妨礙冰晶形成核的發(fā)生和成長，助于水以低于0°C的過冷態(tài) 存在，水過冷度提高。
[0060] 實施例2
[0061] 圖3為本實施例的蒸汽與空氣復(fù)疊式制冷系統(tǒng)對的示意圖
[0062] 高溫極制冷裝置：與實施例1高溫極制冷裝置相同。
[0063] 低溫極制冷裝置：與實施例1不同點(diǎn)在于，壓縮機(jī)（6)與蒸發(fā)器（4)之間的管路是 斷開的與外界環(huán)境相通，蒸發(fā)器（4)高溫側(cè)進(jìn)口的空氣不是來自于空壓機(jī)（6)排氣，而是外 界環(huán)境，空壓機(jī)（6)把來自需冷卻空間的空氣排出室外。
[0064] 實施例的作用和有益效果
[0065] 在實施例1技術(shù)方案基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)起始運(yùn)行時，經(jīng)空壓機(jī)壓縮的高溫高壓空氣 可以直接排走而不參與循環(huán)，蒸發(fā)器引入較低的室外空氣，從而避免空壓機(jī)排氣高于外界 環(huán)境時使蒸發(fā)器冷負(fù)荷較高，降溫速率慢。