專利名稱：單級多次冷凝制冷技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于低溫制冷技術領域，是一種單級多次冷凝制取低溫的方法及其裝置。
采用單級(一臺制冷壓縮機)壓縮制取低于-30℃的低溫往往受到兩個制約因素1.制冷劑、2.制冷壓縮機。例如蒸發(fā)溫度為-30℃，冷凝溫度為54.4℃，采用R12制冷劑，高壓為1.26MP(兆帕)，低壓為0MP，壓差為1.26MP，壓比為13.6，壓縮機的效率很低。而采用R22為制冷劑，高壓為2.3MP，低壓為0.063MP，壓差約為2.2MP，壓比為14，制冷量比R12約大60%，但壓差也將增大約60%。而為了壓縮機的壽命(減少磨損)和控制排氣溫度，一般將壓縮機的壓差控制在1.6MP，壓比控制為12。否則壓縮機的壽命和效率將降低。尤其用全封閉制冷壓縮機，為了降低蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)壓力只好降低，這帶來兩個大問題(1)壓比增大，壓縮機效率迅速下降(壓縮機的余隙容積一般為3～4%，壓比若為12，僅此排氣量將損失36～48%);(2)全封閉壓縮機的電機的鐵銅損耗產生的焦耳熱部分靠外殼散到大氣中，大部分要靠低壓回氣冷卻，低壓壓力下降，蒸氣流量減小，則吸入氣伐內的吸氣溫度升高，這又使排氣溫度升高。電機由于得不到充分冷卻而致溫升太高以至燒毀。這就是冰箱、冰柜及各種低溫設備中采用全封閉制冷壓縮機最常見的故障。大型裝置一般用兩級壓縮(如4個氣缸，三個作為第一級，一個作為第二級)減少壓縮比，降低排氣溫度，而小型裝置往往用復疊式制冷即用R12作為第一級，R22甚至更低的制冷劑作為第二級來獲得低溫，前一種方法壓縮機制造復雜，且同一種制冷劑低壓壓力低，單位容積制冷量相對較小，為此要增大排氣量，而這又使得相應的冷凝器、蒸發(fā)器及連接管路伐門都要放大，這無疑使整個裝置笨重。后一種方法系統(tǒng)也復雜，每級要有壓縮機、冷凝器(或冷卻器)、分油器、干燥過濾器、蒸發(fā)器等等，多一臺壓縮機，可靠性則下降50%，而用開起式或半封閉制冷壓縮機還有制冷劑泄漏之虞。人們在尋求這樣一種制冷方法或裝置，只要用一種流程可使整個系統(tǒng)的高壓壓力低，低壓壓力高，能工作在同樣的高溫環(huán)境溫度和蒸發(fā)溫度條件下，而且壓差、壓縮比、排溫都下降，電機溫升也下降，同樣冷量的容積流量減小，制冷輔機、管道可減小，可靠性和效率均能提高又而節(jié)約能量。
本發(fā)明的目的在于提供一種能使整個系統(tǒng)在同樣的高溫環(huán)境溫度和蒸發(fā)溫度條件下工作，而且壓差小、壓縮比小、結構簡單、可靠性好、效率高的單級制冷方法及其裝置。
本發(fā)明的基本原理是采用兩種以上的高溫、中溫、低溫沸點的制冷劑，經多次冷凝蒸發(fā)，亦即環(huán)境溫度冷凝高溫制冷劑，高溫制冷劑蒸發(fā)冷凝中溫制冷劑，中溫制冷劑蒸發(fā)冷凝低溫制冷劑，低溫制冷劑蒸發(fā)冷卻負載，從而實現低溫制冷的目的。根據上述原理，本發(fā)明采用多種制冷劑，使之相繼蒸發(fā)冷凝制冷。具體步驟如下將高溫、中溫、低溫三種沸點的制冷劑放置于一個系統(tǒng)中，由制冷壓縮機將三種制冷劑氣體壓縮后送冷凝器散熱，使多數高溫制冷劑冷凝為液體，少量高溫制冷劑和大部分中、低溫制冷劑仍為氣體狀態(tài)。經過干燥過濾，然后進入第一個蒸發(fā)冷凝器，進行第一次冷凝，回收一部分冷量。此時，溫度下降到-10℃左右。少量中溫制冷劑冷凝。經過第一個分凝器進行氣液分離。這時溫度可降到-40℃～60℃。分離出來的液體經過第一個毛細管道進入第二個蒸發(fā)冷凝器的低壓管道，氣體直接進入第二個蒸發(fā)冷凝器，進行第二次冷凝。高溫制冷劑在其中蒸發(fā)，中溫制冷劑在其中冷凝為液體。低溫制冷劑和小部分中溫制冷劑仍為氣體狀態(tài)。再經過第二個分凝器，使中、低溫制冷劑氣、液分離。這時溫度可降到-80℃～-100℃。分離出來的液體經過第二個毛細管道進入第三個蒸發(fā)冷凝器的低壓管道，氣體直接進入第三個蒸發(fā)冷凝器，進行第三次冷凝。中溫制冷劑在其中蒸發(fā)，低溫制冷劑在其中冷凝成液態(tài)，經過第三個毛細管道進入負載蒸發(fā)器，在其中汽化、吸收熱量。此時，可使溫度降低到-120℃～-150℃。三種制冷劑經過蒸發(fā)冷凝器中的低壓管道匯合，最后吸入壓縮機，往復循環(huán)，實現低溫制冷的目的。
如果我們的目標溫度不需要達到-120℃～150℃，例如只需要達到-60℃左右時，上述方法中可省去第三次冷凝步驟，即制冷劑經過第二個蒸發(fā)冷凝器進行第二次冷凝后，直接經過毛細管道進入負載蒸發(fā)器即可。
本發(fā)明中高溫制冷劑可選用R11(CFCL3)、R12(F2CL2)、R21(CHFCL2)、R141b(C2H3FCL2)、R142b(C2H3E2CL)中的一種或幾種，它們均可以在室溫條件下冷凝為液態(tài)。中溫制冷劑可選用R13(CF3Cl)、R32(CH2F2)、R23(CHF3)、R503(R13+R23)、C2H6(乙烷)中的一種或幾種。低溫制冷劑可選用R14(CF4)、C2H4(乙烯)、CH4(甲烷)、N2(氮氣)中的一種或幾種。其中，除了R11、R12、R13、R14以外，其余均為無氟制冷劑。因此，本發(fā)明技術可以根據CFC關于禁用R12、R502的規(guī)定，選擇不破壞臭氧層的制冷劑，獲得上述兩種制冷劑常用溫度，而且制冷量比它們大、壓差、壓比較它們小。例如，高溫制冷劑選用R141b(C2H3FCL2)、中溫制冷劑選用R23(CH2F2)、低溫制冷劑選用R14(CF4)即可避開CFC的禁用條款，獲得制冷量大、壓差和壓比小的制冷劑配合。本發(fā)明中，高溫、中溫、低溫三種沸點制冷劑的用量根據系統(tǒng)制冷量的要求及系統(tǒng)中蒸發(fā)冷凝器、分凝器的大小按通常辦法確定。
相應于上述的制冷工藝，本發(fā)明設計了專門的單級多次冷凝的制冷裝置，它由壓縮機、分凝器、干燥過濾器以及2或3組蒸發(fā)冷凝器、分凝器、毛細管道組成。其中壓縮機、冷凝器、干燥過濾器順次連接，然后依次連接第一個蒸發(fā)冷凝器、第一個分凝器、第二個蒸發(fā)冷凝器、第二個分凝器、第三個蒸發(fā)冷凝器。第一個分凝器與第二個蒸發(fā)冷凝器的低壓管之間有一段毛細管連通，第二個分凝器與第三個蒸發(fā)冷凝器的低壓管道之間也有一段毛細管道連通。第三個蒸發(fā)冷凝器的高壓端經過一段毛細管道與負載蒸發(fā)器連接，低壓端與負載蒸發(fā)器的低壓端連接。第一個蒸發(fā)冷凝器低壓管與壓縮機的低壓端連接，構成一個循環(huán)制冷系統(tǒng)。
如果設計的制冷溫度只需在-60℃左右，則只要進行二次冷凝即可。相應的制冷裝置為單級二次冷凝裝置，即在上述系統(tǒng)中去掉一組蒸發(fā)冷凝器、分凝器、毛細管道。這樣該裝置由壓縮機、冷凝器、干燥過濾器順次連接，然后依次連接第一個蒸發(fā)冷凝器、分凝器、第二個蒸發(fā)冷凝器，分凝器與第二個蒸發(fā)冷凝器之間有一毛細管道連通，第二個蒸發(fā)冷凝器的高壓端與負載蒸發(fā)器之間有毛細管連通，低壓端與負載蒸發(fā)器的低壓端連通。
為了防止制冷裝置在起動階段其中的高壓過高發(fā)生意外，在本發(fā)明設計的制冷裝置的高、低壓系統(tǒng)之間可增加設置一個由單向閥、膨脹容器和毛細管道構成的減壓系統(tǒng)。該減壓系統(tǒng)可連接在壓縮機的高、低壓端之間，也可連接在負載蒸發(fā)器前面的高、低壓端之間。還可連接在其他位置的高低壓系統(tǒng)之間。這樣，當機器啟動時，由于整個系統(tǒng)尚未冷卻下來，中、低溫制冷劑會使系統(tǒng)壓力很高。當高壓超過設定壓力(例如2MP)時，單向閥自動打開，將高壓氣體送入膨脹容器，使壓力降低(至壓力低于設定壓力時，單向閥自動關閉)。然后再經毛細管道將膨脹容器中的氣體緩慢送入低壓系統(tǒng)，進入壓縮機。
上述制冷裝置中冷凝器可采用風冷凝器，也可采用水冷凝器，干燥過濾器可采用分子篩過濾器，蒸發(fā)冷凝器采用雙套管式冷凝器，分凝器采用擴散式紫銅罐。各部件的有關參數根據負載的大小確定。一般來說，如果壓縮機的功率選用0.8～2.5千瓦，冷凝器則采用4～8m2風冷凝器，也可用水冷凝器。干燥過濾器采用分子篩過濾器，其直徑為30～50mm，長度為80～120mm。蒸發(fā)冷凝器采用雙套管冷凝器，其外管直徑為14～18mm，內管直徑為10～14mm，長度為6～10m，分凝器采用擴散式紫銅罐，直徑為36～40mm，高度為150～250mm，毛細管道內徑為0.8～1.5mm，長度為200～3000mm。單向閥采用5mm、2.3MP閥。膨脹容器容積為0.01～1m3。
下面結合附圖
和實施例進一步描述本發(fā)明。
附圖為本發(fā)明的結構及工藝流程示意圖。其中1為壓縮機，2為冷凝器，3為干燥過濾器，4為負載蒸發(fā)器，5為單向閥，6為膨脹容器，減壓系統(tǒng)設置在壓縮機的高、低壓端之間。E1、E2、E3分別為第一、第二、第三個蒸發(fā)冷凝器，F1、F2分別為第一、第二個分凝器，D1、D2、D3、D4分別為第一、第二、第三、第四根毛細管道。箭頭方向指示出裝置內制冷劑的流程路線。
實施例。要求設計的制冷溫度為-100℃，負載蒸發(fā)器4選用4m2吹風蒸發(fā)器。壓縮機1選用1.1千瓦全封閉制冷壓縮機。高溫制冷劑采用R11，數量為500g，中溫制冷劑采用R13，數量為500克，低溫制冷劑采用R14，數量為450g。裝置采用單級三次冷凝的制冷系統(tǒng)，其中冷凝器采用6.2m風機冷凝器，設定環(huán)境溫度為32℃，干燥過濾器采用分子篩過濾器，直徑為40mm，長度為100mm，蒸發(fā)冷凝器E1、E2、E3分別采用雙套管結構形式，管道使用高效率傳熱管，其外管直徑為16mm，內管直徑為12mm，長度為10m。分凝器F1、F2采用擴散式紫銅罐，直徑為38mm，高度為200mm，毛細管道D1、D2、D3、D4的內徑為1mm，長度為500mm，單向閥5采用5mm、2.3MP閥，膨脹容器容積為0.01m3。上述裝置制冷量大約為600瓦，一般可用于200升～400升的冷凍試驗箱。
使用本發(fā)明提出的方法和裝置制取低溫，高低壓力可以工作在壓縮機規(guī)定的使用工況，且壓差小，壓縮比小，降低油溫和排氣溫度，從而提高了壓縮機的使用壽命和效率。例如-100℃裝置采用單級壓縮三次分凝，高壓為1.3MP，低壓為0.2MP，壓差為1.1MP，壓縮比為4.5，壓縮機效率為65%，油溫小于70℃，排溫小于100℃。而壓縮機規(guī)定工況為壓差小于1.6MP，壓縮比小于12。如果采用通常制冷方法的單級制冷裝置，采用R502制冷劑，冷凝溫度為54.4℃，蒸發(fā)溫度為-40℃時，高壓為2.3MP，低壓為0.033MP(表壓)，壓差為2.3MP，壓縮比為23，這時壓縮機效率約10～20%，油溫約80℃，排氣溫度大于100℃，而且該裝置不可能制取更低的溫度。本發(fā)明裝置結構簡單、體積縮小，與三級復疊式制冷裝置相比，可以省去1～2套壓縮機、分油器等，使系統(tǒng)大為簡化，能耗減少二分之一到三分之一。本發(fā)明的制冷劑可選用無氟制冷劑，避開CFC的禁用規(guī)定，避免對臭氧層的破壞，符合國際上提倡的無氟制冷劑的發(fā)展方向。此外，本發(fā)明裝置的接頭部分可以全部焊接，沒有一個活動接頭，避免了制冷劑的泄漏。
本發(fā)明的用途十分廣泛。例如電工方面的環(huán)境試驗、材料老練處理化工方面的反應流程、脫水、氣體回收、油品試驗等;金屬材料的冷處理低溫粉碎，如橡膠、塑料、生物制品的低溫粉碎真空干燥，如藥物低溫干燥，大蒜粉真空干燥、10-6乇真空鍍膜;醫(yī)藥方面的低溫保存，如骨、血、皮膚等組織或器官的低溫保存。本發(fā)明可用于速凍裝置，如速凍冷庫。以45MP全封閉機器配套，生產能力可達到8～10噸/日，能耗較二級壓縮每小時可節(jié)電50KW，且可風冷卻，整個設備投資節(jié)省一半。
權利要求
1.一種單級多次冷凝的制冷技術，由多種冷凝劑經多次蒸發(fā)冷凝制取低溫，其特征在于將高溫、中溫、低溫三種沸點的制冷劑放置于一個系統(tǒng)中，由制冷壓縮機將三種制冷劑氣體壓縮后送冷凝器散熱，大多數高溫制冷劑冷凝為液體，而少量高溫制冷劑和大部分中、低溫制冷劑仍為氣體狀態(tài)，經過干燥過濾，然后進入第一個蒸發(fā)冷凝器，進行第一次蒸發(fā)冷凝，回收一部分冷量，然后經過第一個分凝器進行氣液分離，液體經過第一個毛細管道送入第二個蒸發(fā)冷凝器的低壓管道，氣體直接進入第二個蒸發(fā)冷凝器，進行第二次蒸發(fā)冷凝，高溫制冷劑在其中蒸發(fā)，中溫制冷劑被冷凝，然后將氣體狀態(tài)的部分中溫制冷劑和低溫制冷劑送入第二個分凝器，進行氣液分離，然后再把液體經過第二個毛細管道送入第三個蒸發(fā)冷凝器的低壓管道，氣體直接進入第三個蒸發(fā)冷凝器，進行第三次蒸發(fā)冷凝，使中溫制冷劑在其中蒸發(fā)，低溫制冷劑冷凝成液體，然后將液態(tài)低溫制冷劑經過第三個毛細管道送入負載蒸發(fā)器，在其中汽化吸收熱量，使溫度降低，三種制冷劑經過三個蒸發(fā)冷凝器的低壓管道，送入壓縮機，往復循環(huán)。
2.根據權利要求1所述的單級多次冷凝的制冷技術，其特征在于所使用的高溫制冷劑為R11、R12、R21、R141b，R142b之一種或幾種，中溫制冷劑為R13、R32、R23、R503、C2H6之一種或幾種，低溫制冷劑為R14、C2H4、CH4、N2之一種或幾種。
3.根據權利要求2所述的單級多次冷凝的制冷技術，其特征在于高溫制冷劑選用R141b，中溫制冷劑選用R23，低溫制冷劑選用R14。
4.一種單級多次冷凝的制冷裝置，由壓縮機、冷凝器、干燥過濾器以及2或3組蒸發(fā)冷凝器、分凝器、毛細管道組成，其特征在于壓縮機、冷凝器、干燥過濾器順次連接，然后依次連接第一個蒸發(fā)冷凝器、第一個分凝器，第二個蒸發(fā)冷凝器、第二個分凝器、第三個蒸發(fā)冷凝器，第一個分凝器與第二個蒸發(fā)冷凝器的低壓管之間有一毛細管道連通，第二個分凝器與第三個蒸發(fā)冷凝器的高壓端與負載蒸發(fā)器之間也有一毛細管連通，低壓端與負載蒸發(fā)器的低壓端連通，第一個蒸發(fā)冷凝器的低壓管與壓縮機的低壓端連接，構成循環(huán)制冷系統(tǒng)。
5.根據權利要求4所述的單級多次冷凝制冷裝置，其特征在于該裝置中省去一組蒸發(fā)冷凝器、分凝器、毛細管道，構成單級二次冷凝系統(tǒng)。
6.根據權利要求4或5所述的單級多次冷凝制冷裝置，其特征在于裝置的高低壓系統(tǒng)之間設置有由單向閥、膨脹容器和毛細管道順次連接構成的減壓裝置。
7.根據權利要求6所述的單級多次冷凝制冷裝置，其特征在于由單向閥、膨脹容器、毛細管道順次連接的減壓裝置連接在壓縮機的高低壓端之間。
8.根據權利要求4、5或7所述的單級多次冷凝制冷裝置，其特征在于壓縮機采用0.8～2.5千瓦功率的制冷壓縮機，冷凝器采用4～8m2的風冷器或水冷凝器，干燥過濾器采用分子篩過濾器，其直徑為30～50mm，長度為80～120mm，蒸發(fā)冷凝器采用雙套管冷凝器，其外管直徑為14～18mm，內徑為10～14mm，長度為6～10m，分凝器采用擴散式紫銅罐，直徑為36～40mm，高度為150～250mm，毛細管道內徑為0.8～1.5mm，長度為200～3000mm，單向閥采用5mm、2.3MP，膨脹容器容積為0.01～1m3。
全文摘要
一種單級多次冷凝的制冷技術及裝置，將高溫、中溫、低溫制冷劑放置于一個系統(tǒng)中，經過2或3次蒸發(fā)冷凝，制取所需要的低溫。相應的制冷裝置由壓縮機、冷凝器、干燥過濾器、2或3組蒸發(fā)冷凝器、分凝器依次連接組成為一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明壓差小、壓縮比小，系統(tǒng)工作效率高、使用壽命長、結構簡單，并可選用制冷劑以避開CFC的禁用規(guī)定。本發(fā)明可廣泛應用于金屬材料冷處理、低溫粉碎、真空干燥、低溫保藏以及速凍冷庫等。
文檔編號F25B5/00GK1092852SQ9411201
公開日1994年9月28日 申請日期1994年1月14日 優(yōu)先權日1994年1月14日
發(fā)明者潘尚堯 申請人:潘尚堯