一種超低溫自復(fù)疊式制冷裝置及制冷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于深度制冷技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種超低溫自復(fù)疊式制冷裝置及制冷方法。
【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(xué)研究等。
[0003]利用蒸氣壓縮式制冷原理實(shí)現(xiàn)超低溫的方式主要有復(fù)疊式制冷、混合制冷劑制冷和膨脹機(jī)制冷等工藝。復(fù)疊式制冷工藝具有各制冷子循環(huán)系統(tǒng)彼此獨(dú)立，相互影響少，操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)計(jì)算簡單，能耗較低的優(yōu)點(diǎn)，但具有冷熱介質(zhì)的平均溫差較大，流程復(fù)雜，機(jī)組多的缺點(diǎn);混合制冷劑制冷工藝，流程相對簡單，壓縮機(jī)組少，對制冷劑純度要求不高，但能耗比復(fù)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(jī)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(jī)是在普冷領(lǐng)域廣泛使用的單級油潤滑壓縮機(jī)，目前已成為一種高效的實(shí)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(jī)壓縮多元混合工質(zhì)時(shí)，其運(yùn)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(yùn)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(jī)冷凝壓力也就確定，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到制冷溫度時(shí)，蒸發(fā)壓力同樣也就確定，因此系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)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(qiáng)非共沸工質(zhì)，整個(gè)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(huì)出現(xiàn)少量液相工質(zhì)，運(yùn)行時(shí)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(jī)啟動(dòng)過程初期，整個(gè)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(dá)到極限值時(shí)達(dá)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(gè)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(huì)導(dǎo)致包括高壓、吸氣壓力值和壓比等參數(shù)變化很大。當(dāng)實(shí)際工質(zhì)充注量滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行獲得較低溫度的需要時(shí)，壓縮機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)行工況時(shí)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(jī)過載或無法正常運(yùn)行，甚至損壞;特別是當(dāng)壓縮機(jī)停止運(yùn)行后，系統(tǒng)溫度恢復(fù)至常溫，混合制冷劑中的最低沸點(diǎn)、低沸點(diǎn)、中沸點(diǎn)、高沸點(diǎn)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(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)，則制冷劑將被壓縮機(jī)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(xiǎn)。
[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(bào)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(shí)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(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)壓力特性，化工學(xué)報(bào)，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(jī)狀態(tài)下低溫、中溫制冷工質(zhì)以氣態(tài)形式存在時(shí)的系統(tǒng)壓力;但是在啟動(dòng)階段，當(dāng)旁通電磁閥打開后，大量制冷工質(zhì)進(jìn)入膨脹容器經(jīng)節(jié)流后直接返回到壓縮機(jī)，使得進(jìn)入冷凝器的制冷工質(zhì)大大減少，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的制冷效果，延遲了達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本申請首先提供一種超低溫自復(fù)疊式制冷裝置，該制冷裝置具有啟動(dòng)時(shí)間短，可快速達(dá)到目標(biāo)溫度，以及運(yùn)行安全、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn);具體的技術(shù)方案如下:
[0010]一種超低溫自復(fù)疊式制冷裝置，包括預(yù)冷單元和多元制冷劑循環(huán)單元；
[0011]預(yù)冷單元包括通過管道依次連接形成循環(huán)系統(tǒng)的預(yù)冷壓縮機(jī)、預(yù)冷冷凝器、預(yù)冷節(jié)流元件和預(yù)冷換熱器；
[0012]多元制冷劑循環(huán)單元包括主壓縮機(jī)、主冷凝器、預(yù)冷換熱器、回?zé)崞?、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(yù)冷單元中的預(yù)冷換熱器與多元制冷劑循環(huán)單元中的預(yù)冷換熱器為同一設(shè)備，預(yù)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(yù)冷壓縮機(jī)和預(yù)冷節(jié)流元件之間；
[0014]回?zé)崞髟O(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(dòng)方向，主壓縮機(jī)的排氣端經(jīng)主冷凝器連接預(yù)冷換熱器的介質(zhì)通道I B的進(jìn)口，介質(zhì)通道I B的出口連接回?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIA的進(jìn)口，回?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIA的出口連接第一氣液分離器的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIB的進(jìn)口，介質(zhì)通道IIIB的出口連接主壓縮機(jī)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(jìn)口之間設(shè)置有一個(gè)第一分節(jié)流元件、或兩個(gè)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(jìn)口之間設(shè)置有一個(gè)第二分節(jié)流元件、或兩個(gè)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?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIA的出口端和介質(zhì)通道IIIB的進(jìn)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(xì)管能夠滿足本申請的需要，不再贅述。
[0024]本發(fā)明超低溫自復(fù)疊式制冷裝置在開始運(yùn)行時(shí)，首先是啟動(dòng)預(yù)冷單元，然后再啟動(dòng)多元制冷劑循環(huán)單元，在啟動(dòng)多元制冷劑循環(huán)單元時(shí)，主壓縮機(jī)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(yù)冷換熱器冷卻冷凝，從預(yù)冷換熱器流出的制冷劑經(jīng)回?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIA流出后，根據(jù)具體的運(yùn)行壓力，制冷劑的流動(dòng)分為如下兩種情況:
[0025](一)、當(dāng)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(dòng)壓力設(shè)定值時(shí)，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?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIB流回主壓縮機(jī)。
[0026](二)、當(dāng)多元制冷劑循環(huán)單元的高壓側(cè)的壓力達(dá)到或超過泄壓閥的啟動(dòng)壓力設(shè)定值時(shí)，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?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIB返回主壓縮機(jī);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?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIB流回主壓縮機(jī)。
[0027]在制冷劑的流動(dòng)過程中，無論是否流經(jīng)泄壓旁路，流經(jīng)回?zé)崞鞯慕橘|(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(jìn)入主壓縮機(jī)，避免制冷劑中的液體對主壓縮機(jī)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(dāng)?shù)陀谛箟洪y的啟動(dòng)壓力設(shè)定值時(shí)，泄壓閥恢復(fù)至關(guān)閉狀態(tài)，主壓縮機(jī)吸出儲液罐內(nèi)的制冷劑，使超低溫自復(fù)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(dòng)時(shí)高壓側(cè)的壓力過高，通常在主壓縮機(jī)的進(jìn)出口設(shè)置旁通管路，使從主壓縮機(jī)出口出來的制冷劑，部分經(jīng)旁通管路回流到主壓縮機(jī)的進(jìn)口，由于主壓縮機(jī)進(jìn)出口間較大的壓力差，在主壓縮機(jī)剛啟動(dòng)的一段時(shí)間內(nèi)，從主壓縮機(jī)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(jī)，只有較少的一部分可以沿常規(guī)循環(huán)管路進(jìn)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?zé)崞鞯慕橘|(zhì)通道IIIB流回主壓縮機(jī)的管路。由于冷量無法及時(shí)有效地在高壓側(cè)的制冷劑中進(jìn)行傳遞，延長了制冷劑的冷卻冷凝，也就延長了制冷裝置達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間；在制冷裝置的啟動(dòng)過程中，主壓縮機(jī)的效率較低，制冷裝置的整體效能低。
[0031 ]而在本發(fā)明中，用于防止高壓側(cè)壓力過高的泄壓旁路被設(shè)置在回?zé)崞鬟h(yuǎn)離主壓縮機(jī)的一側(cè)，從主壓縮機(jī)出口排出的制冷劑，在流過回?zé)崞魑挥诟邏簜?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(jìn)行循環(huán)，一路沿泄壓旁路進(jìn)入到低壓側(cè)，然后經(jīng)回?zé)崞魑挥诘蛪簜?cè)的介質(zhì)通道IIIB返回到主壓縮機(jī);進(jìn)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(shí)，吸收介質(zhì)通