CN2765110Y - 自然工质复叠式制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型可提供一种可用于商业、工业和医疗等低温环境下以绿色自然工质R290和CO2为制冷剂的复叠式制冷装置。主要具有压缩机、油分离器、冷凝蒸发器、CO2储液器、干燥过滤器、和膨胀阀等。制冷装置由两个单级压缩制冷循环组成，在高压级循环中采用R290为制冷工质，在低压级循环中采用CO2为制冷工质，R290与CO2在冷凝蒸发器内进行热交换组成复叠式制冷循环装置。本实用新型在冷冻箱内可以提供－30℃到－45℃的低温温度环境。可根据需要控制进入冷冻箱的CO2流量，调节冷冻箱内的温度。本实用新型的优点在于结构简单、绿色环保。CO2低压级循环对冷冻箱内的环境没有污染。R290高压级循环侧可以放置在室外。
Description
技术领域
本实用新型属于一种低温环境下的制冷装置。
背景技术
氯氟烃类人工合成制冷工质对臭氧层有破坏作用及产生温室效应，使制冷行业面临严峻挑战，臭氧层破坏和全球温暖化已成为日益严峻的全球环境问题，寻找高效、绿色环保制冷工质已成为当前国际社会共同关注的问题。从对环境的长期安全来看，应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中并影响生态平衡的非自然工质，重新起用自然工质是一种非常安全的选择。在制冷系统的应用中，如果蒸发温度和冷凝温度相差很大，并且制冷温度要求又较低，目前尚找不到一种合适的制冷剂，既满足冷凝压力不太高同时又满足蒸发压力不太低的要求。对此种运行工况可以采用复叠式制冷系统，它可以在较低蒸发温度下蒸发，又可以在环境温度下冷凝。复叠式制冷系统一般由两个单级压缩制冷循环组成，通常采用R22和R13作制冷剂，但是R22和R13不仅破坏大气臭氧层，而且会产生严重的温室效应。因此需要采用新的制冷剂来满足复叠式制冷系统的需要。CO2作为制冷工质有很多优势，它具有管路尺寸较小、泵能耗低、换热效率高以及没有腐蚀问题等特点。针对上述提出的运行工况CO2与其它制冷剂相比，即使制冷温度较低时CO2的粘度也非常小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。因此有关人员曾提出NH3/CO2复叠式制冷循环的方案，高压级用NH3，低压级用CO2作制冷剂，但NH3会对环境和食品造成污染。R290(丙烷)在石化工业作为工质用于大型制冷装置已有多年的历史，其与NH3一样具有优良的热力性能，价格低廉，而且R290与普通润滑油和机械结构材料具有兼容性，ODP＝O，GWP很小，并不需要合成，不改变自然界碳氢化合物的含量，对温室效应没有直接影响；丙烷的单位容积制冷量较大，很适合于回转式压缩机。传热性能稍次于氨，但比CFC，HCFC和HFC要好得多。丙烷的主要物理性质如标准沸点、凝固点、临界温度、临界压力等参数与R22极其相近(见表1)，因此采用丙烷可以不对原机和生产线进行改造，直接灌装，属于直接替代物。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种可用于商业、工业和医疗等低温环境下以绿色自然工质R290和CO2为制冷剂的复叠式制冷装置。
以下参照附图1对本实用新型的结构原理进行叙述。自然工质复叠式制冷装置主要具有：CO2压缩机1、CO2油分离器2、冷凝蒸发器3、CO2高压储液器4、干燥过滤器5、CO2低压储液器6、截止阀7、冷冻箱8、CO2汽液分离器9、R290压缩机10、R290油分离器11、冷凝器12、R290储液器13、干燥过滤器14和膨胀阀15等。制冷装置由两个单级压缩制冷循环构成：低压级循环侧由CO2压缩机1、CO2油分离器2、冷凝蒸发器3、CO2高压储液器4、干燥过滤器5、CO2低压储液器6、截止阀7、冷冻箱8、CO2汽液分离器9和膨胀阀15组成；高压级循环侧由R290压缩机10、R290油分离器11、冷凝器12、R290储液器13、干燥过滤器14、膨胀阀15、冷凝蒸发器3、水箱16以及水泵17组成。在高压级循环中采用R290为制冷工质，在低压级循环中采用CO2为制冷工质，R290与CO2在冷凝蒸发器3内进行热交换，组成复叠式制冷循环装置。CO2油分离器2的出口与冷凝蒸发器3的管侧入口18相接，CO2高压储液器4的入口与冷凝蒸发器3管侧的出口20相接。R290储液器13的出口经干燥过滤器14和膨胀阀15与冷凝蒸发器3壳侧的入口19相接，R290压缩机10入口与冷凝蒸发器3壳侧的出口21相接。R290油分离器11的出口与冷凝器12管侧入口22相接，R290储液器13的入口与冷凝器12的管侧出口24相接。冷却水由水箱16提供，经水泵17和截止阀进入冷凝器12壳侧的入口23，冷却水回水由冷凝器12壳侧的出口25接于水箱16。
R290(丙烷)具有可燃性，它的燃烧极限为2.2％～9.5％，但丙烷作为R290/CO2的复叠式制冷循环的高温循环，被放置在机房或室外，同时对于小型的R290和CO2的复叠式制冷循环，由于丙烷的循环量小，即使全部泄漏也不会达到极限浓度，如果对产品结构和生产工艺改进及采用新型密封材料，会极大地减少泄漏的可能性，所以R290/CO2在小型制冷系统中具有很大的优势。
附图说明
附图1为本实用新型各组件连接以及制冷循环流程示意图。
其中：1-CO2压缩机；2-CO2油分离器；3-冷凝蒸发器；4-CO2高压储液器；5-干燥过滤器；6-CO2低压储液器；7-截止阀；8-冷冻箱；9-CO2汽液分离器；10-R290压缩机；11-R290油分离器；12-冷凝器；13-R290储液器；14-干燥过滤器；15-膨胀阀；16-水箱；17-水泵；18-冷凝蒸发器管侧入口；19-冷凝蒸发器壳侧入口；20-冷凝蒸发器管侧出口；21-冷凝蒸发器壳侧出口；22-冷凝器管侧入口；23-冷凝器壳侧入口；24-冷凝器管侧出口；25-冷凝器壳侧出口。
具体实施方式
CO2气体在压缩机1中压缩后压力升高，经CO2油分离器2将润滑油分离出来，CO2在冷凝蒸发器3中与R290进行热交换冷凝成为高温高压液体后进入高压储液器4，流经干燥过滤器5后，再经膨胀阀15节流降压，成为低温低压液体进入低压储液器6，在冷冻箱8中吸热蒸发，变成低温低压的气体。为防止有未完全蒸发的液体流入压缩机造成液击，CO2流经汽液分离器9后进入CO2压缩机1，完成低压级的循环。为保证CO2压缩机1的润滑，CO2油分离器2分离出的润滑油，利用高度差及时地送回CO2压缩机1的曲轴箱。R290气体在压缩机10中压缩后压力升高，经R290油分离器11将R290中的润滑油分离出，然后在冷凝器12中与冷却水进行换热。R290冷凝后进入R290储液器13，流经干燥过滤器14、再经膨胀阀15节流降压，成为低温低压液体进入冷凝蒸发器3。在冷凝蒸发器3中与CO2进行热交换蒸发，变成低温低压的气体，进入R290压缩机10，完成高压级的循环。冷凝器12的换热由水箱16、水泵17提供。CO2在冷凝蒸发器3的管内流动，R290在壳管间流动，冷却水在冷凝器12壳管间流动。由于CO2的临界温度低(31.1℃)、临界压力高(7.4MP)，上述系统设计可以保证CO2低压级循环中CO2在常温下蒸发，压力升高后的强度和可靠性。
以下是利用制冷量为4kW的本实用新型所做的实施例实验结果。CO2压缩机1选用意大利DORIN公司的半封闭CO2专用压缩机，R290压缩机选用的是美国COPELAND公司的全封闭涡旋式制冷压缩机。
实施例1：
| 循环 | 工质流量kg/s | 压缩机功率kW | 吸气压力bar | 排气压力bar | 冷凝压力bar | 蒸发压力bar | 吸气温度℃ | 排气温度℃ | 冷凝温度℃ | 蒸发温度℃ |
| R290 | 0.01767 | 1.721 | 2.548 | 10.81 | 10.81 | 2.548 | -19 | 50.42 | 30 | -19 |
| CO2 | 0.01496 | 0.8473 | 9.325 | 23.59 | 23.59 | 9.325 | -42 | 33.67 | -14 | -42 |
实施例2：
| 循环 | 工质流量kg/s | 压缩机功率kW | 吸气压力bar | 排气压力bar | 冷凝压力bar | 蒸发压力bar | 吸气温度℃ | 排气温度℃ | 冷凝温度℃ | 蒸发温度℃ |
| R290 | 0.01892 | 2.03 | 2.201 | 10.81 | 10.81 | 2.201 | -23 | 52.94 | 30 | -23 |
| CO2 | 0.01464 | 1.1 | 6.286 | 20.94 | 20.94 | 6.286 | -52 | 46.37 | -18 | -52 |
利用本实用新型可以作为医用低温实验冷冻箱。在冷冻箱内可以提供-30℃到-45℃的低温温度环境。根据不同的实验需要，通过调节进入冷冻箱前的阀门开启度的大小，控制进入冷冻箱的CO2流量，来调节实验冷冻箱内的温度，适应不同的温度需要。冷冻箱门上设有观察窗，可以随时观察冷冻箱内的情况。
本实用新型的优点在于，结构简单、操作方便、绿色环保。CO2低压级循环对冷冻箱内的实验环境没有污染，并满足不同实验环境温度的需求；因CO2单位容积的制冷量较大，CO2压缩机与管路尺寸相对较小，CO2低压级循环结构紧凑，站地小。R290高压级循环可以放置在室外，防止泄漏的R290燃烧。
表1 R22、CO2、R290性能指标
| 制冷剂的特性 | R22 | CO2 | R290 |
| 分子量 | 86.48 | 44.01 | 44.1 |
| -15℃时饱和液体的粘性(10-7Pa S) | 2164 | 1341 | 1563 |
| -15℃时饱和液体的导热性能(W/m K) | 0.1075 | 0.11298 | 0.1159 |
| -15℃时的饱和气体的比容(m3/kg) | 0.07766 | 0.01647 | 0.1535 |
| -40℃时的饱和气体的比容(m3/kg) | 0.02058 | 0.03828 | 0.3825 |
| 在-40℃时单位容积制冷量(kJ/m3) | 1133 | 8422 | 1125 |
Claims (3)
1.自然工质复叠式制冷装置，主要具有CO2压缩机(1)、CO2油分离器(2)、冷凝蒸发器(3)、CO2高压储液器(4)、干燥过滤器(5)、CO2低压储液器(6)、截止阀(7)、冷冻箱(8)、CO2汽液分离器(9)、R290压缩机(10)、R290油分离器(11)、冷凝器(12)R290储液器(13)、干燥过滤器(14)和膨胀阀(15)，制冷装置由两个单级压缩制冷循环组成，其特征是在高压级循环中采用R290为制冷工质，在低压级循环中采用CO2为制冷工质，R290与CO2在冷凝蒸发器(3)内进行热交换，组成复叠式制冷循环装置。
2.按照权利要求1所述的自然工质复叠式制冷装置，其特征是CO2油分离器(2)的出口与所述冷凝蒸发器(3)的管侧入口(18)相接，CO2高压储液器(4)的入口与所述冷凝蒸发器(3)的管侧出口(20)相接，R290储液器(13)出口经干燥过滤器(14)和膨胀阀(15)与所述冷凝蒸发器(3)的壳侧入口(19)相接，R290压缩机(10)入口与所述冷凝蒸发器(3)壳侧的出口(21)相接。
3.按照权利要求1所述的自然工质复叠式制冷装置，其特征是R290油分离器(11)的出口与冷凝器(12)管侧入口(22)相接，R290储液器(13)的入口与冷凝器(12)的管侧出口(24)相接，冷却水由水箱(16)提供，经水泵(17)进入冷凝器(12)壳侧的入口(23)，冷却水回水由冷凝器(12)壳侧的出口(25)接于水箱(16)。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |