[發明專利]一種多級串聯式大型低溫制冷系統

在審

• 申請號: 201710684071.1
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN107477898A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 李佳敏;康慧芳
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F25B5/04
• 分類號: F25B5/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是一種多級串聯式大型低溫制冷系統。主要由多級壓縮單元、N(N＝1，2，3…)級串聯式制冷單元、低溫換熱器、膨脹機、節流閥和儲液罐等串聯而成；所述串聯式制冷單元由一個換熱器和一個膨脹機串聯而成。本發明采用換熱器和膨脹機串聯的結構，降低高低壓流體換熱溫差，提高系統循環效率的同時，便于靈活調節系統制冷量和工作特性參數。屬低溫制冷和低溫氣體液化領域。

背景技術

21世紀低溫制冷技術飛速發展，成為自然科學中的重要分支，滲透到科學技術的各個領域，如能源交通、航空和航天、現代工業、科學研究和生物醫療等部門。這對低溫制冷系統的設計也提出了更高的要求。低溫制冷系統的設計是否合理也直接影響著系統的工作效率和投資成本。

目前來說，大型低溫制冷系統主要利用換熱器和膨脹機來實現降溫。傳統的低溫制冷循環，為達到儲液罐進出口的要求溫度，制冷單元由兩個換熱器和一個膨脹機組成，且膨脹機和其中一個換熱器并聯。制冷劑經過第一個換熱器后分流，分別進入膨脹機和換熱器，降溫后進入膨脹機的制冷劑與低壓回流制冷劑匯合，返回壓縮機；進入換熱器的制冷劑則進入下一級制冷單元。此類系統為降低兩股制冷劑匯合時的損和漏熱，必須盡量實現溫度匹配，導致膨脹機和換熱器之間的工作壓力、溫度和流量的耦合難度加大，且引起的不匹配性會產生較大的熵產和損，系統不同負荷下的運行調試也十分困難。

本發明基于夾點分析技術，首先對低壓回流制冷劑進行優化，去除傳統的合流步驟，使其能夠等流量等壓換熱，即T-H圖中的冷流組合曲線為一條直線，斜率為k＝1/mc_p；而高壓制冷劑由于整體溫度高于低壓側回流制冷劑，所以等壓比熱容c_p較大，斜率k較小，使得高、低壓兩側制冷劑的溫差在熱交換的過程中逐漸加大，不利于能量的有效利用。因此，根據夾點分析技術，將換熱過程分為多個制冷單元，每個制冷單元中換熱器與膨脹機串聯。這樣高壓制冷劑可以通過膨脹機降壓降溫，使其與低壓側回流制冷劑的溫差重新回到夾點溫差。制冷單元級數越多，熱組合曲線與冷組合曲線越接近于平行，能量的有效利用率越高。所以本發明不僅了實現了不同品質能量的有效利用，提高了系統的工作效率。而且系統結構簡化，便于靈活調節系統制冷量和工作特性參數。同時解決了并聯系統的膨脹機和換熱器之間的流量耦合的難題。在T-S圖中，同樣可以看出，低壓側回流制冷劑在換熱器中等壓升溫，然后在壓縮機中等溫壓縮成高壓制冷劑，之后開始降溫。降溫過程被分為多級，每級都包含等壓降溫和等熵降溫，使得高壓制冷劑的降溫曲線和低壓側回流制冷劑的升溫曲線越來越接近。這樣不僅減小了儲液罐兩側的壓差，也極大的提高了膨脹機的做功效率。

發明內容

一種多級串聯式大型低溫制冷系統，系統中制冷劑在壓縮單元中壓縮至所需狀態，然后進入第一級串聯式制冷單元的換熱器中與低壓回流制冷劑進行換熱，溫度降低，然后經膨脹機進一步降溫降壓，減小高低壓流體之間的換熱溫差；再依次進入各級串聯式制冷單元，最后經低溫換熱器進一步降溫后，通過節流閥的節流作用全部或部分液化，最后進入儲液罐。而儲液罐中未被液化的氣體會被引出，進入最后一級低溫換熱器與高壓制冷劑進行換熱，隨后依次進入第N級、N-1級…和第一級串聯式制冷單元中的換熱器與高壓制冷劑換熱，最后返回到壓縮機入口，完成一個循環。本發明采用換熱器和膨脹機串聯的結構，降低高低壓流體換熱溫差，提高系統循環效率的同時，便于靈活調節系統制冷量和工作特性參數。

為實現上述目的，一種多級串聯式大型低溫制冷系統主要包含以下結構：儲液罐(1)、換熱器(2)、壓縮機(3)、膨脹機(4)、節流閥(5)等。

各部分連接關系如下：壓縮單元(3)的出口與第一級串聯式制冷單元的換熱器(2)高溫側的入口相連，每級換熱器(2)高溫側的出口與該級膨脹機(4)的入口相連，膨脹機(4)的出口與下一級串聯式制冷單元的換熱器(2)高溫側的入口相連，第N級串聯式制冷單元的膨脹機(4)出口與低溫換熱器(2) 高溫側入口相連，低溫換熱器(2)高溫側的出口與節流閥(5)相連，節流閥(5)的另一側與儲液罐(1) 的入口相連，儲液罐(1)的出口與低溫換熱器(2)低溫側的入口相連，低溫換熱器(2)低溫側的出口與第N級串聯式制冷單元的換熱器(2)低溫側入口相連，如此依次連接N-1級…和第一級串聯式制冷單元中的換熱器(2)，第一級換熱器(2)低溫側的出口與壓縮機(3)的入口相連。