專利名稱：自然工質(zhì)復(fù)疊式制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種低溫環(huán)境下的制冷裝置。
背景技術(shù)：
氯氟烴類人工合成制冷工質(zhì)對臭氧層有破壞作用及產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使制冷行業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，臭氧層破壞和全球溫暖化已成為日益嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題，尋找高效、綠色環(huán)保制冷工質(zhì)已成為當(dāng)前國際社會共同關(guān)注的問題。從對環(huán)境的長期安全來看，應(yīng)盡量避免使用那些最終會排放到生物圈中并影響生態(tài)平衡的非自然工質(zhì)，重新起用自然工質(zhì)是一種非常安全的選擇。在制冷系統(tǒng)的應(yīng)用中，如果蒸發(fā)溫度和冷凝溫度相差很大，并且制冷溫度要求又較低，目前尚找不到一種合適的制冷劑，既滿足冷凝壓力不太高同時又滿足蒸發(fā)壓力不太低的要求。對此種運行工況可以采用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，它可以在較低蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)，又可以在環(huán)境溫度下冷凝。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)一般由兩個單級壓縮制冷循環(huán)組成，通常采用R22和R13作制冷劑，但是R22和R13不僅破壞大氣臭氧層，而且會產(chǎn)生嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。因此需要采用新的制冷劑來滿足復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的需要。CO2作為制冷工質(zhì)有很多優(yōu)勢，它具有管路尺寸較小、泵能耗低、換熱效率高以及沒有腐蝕問題等特點。針對上述提出的運行工況CO2與其它制冷劑相比，即使制冷溫度較低時CO2的粘度也非常小，傳熱性能良好，因為利用潛熱，其制冷能力相當(dāng)大。因此有關(guān)人員曾提出NH3/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的方案，高壓級用NH3，低壓級用CO2作制冷劑，但NH3會對環(huán)境和食品造成污染。R290(丙烷)在石化工業(yè)作為工質(zhì)用于大型制冷裝置已有多年的歷史，其與NH3一樣具有優(yōu)良的熱力性能，價格低廉，而且R290與普通潤滑油和機械結(jié)構(gòu)材料具有兼容性，ODP＝O，GWP很小，并不需要合成，不改變自然界碳?xì)浠衔锏暮?，對溫室效?yīng)沒有直接影響；丙烷的單位容積制冷量較大，很適合于回轉(zhuǎn)式壓縮機。傳熱性能稍次于氨，但比CFC，HCFC和HFC要好得多。丙烷的主要物理性質(zhì)如標(biāo)準(zhǔn)沸點、凝固點、臨界溫度、臨界壓力等參數(shù)與R22極其相近(見表1)，因此采用丙烷可以不對原機和生產(chǎn)線進行改造，直接灌裝，屬于直接替代物。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種可用于商業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療等低溫環(huán)境下以綠色自然工質(zhì)R290和CO2為制冷劑的復(fù)疊式制冷裝置。
以下參照附圖1對本實用新型的結(jié)構(gòu)原理進行敘述。自然工質(zhì)復(fù)疊式制冷裝置主要具有CO2壓縮機1、CO2油分離器2、冷凝蒸發(fā)器3、CO2高壓儲液器4、干燥過濾器5、CO2低壓儲液器6、截止閥7、冷凍箱8、CO2汽液分離器9、R290壓縮機10、R290油分離器11、冷凝器12、R290儲液器13、干燥過濾器14和膨脹閥15等。制冷裝置由兩個單級壓縮制冷循環(huán)構(gòu)成低壓級循環(huán)側(cè)由CO2壓縮機1、CO2油分離器2、冷凝蒸發(fā)器3、CO2高壓儲液器4、干燥過濾器5、CO2低壓儲液器6、截止閥7、冷凍箱8、CO2汽液分離器9和膨脹閥15組成；高壓級循環(huán)側(cè)由R290壓縮機10、R290油分離器11、冷凝器12、R290儲液器13、干燥過濾器14、膨脹閥15、冷凝蒸發(fā)器3、水箱16以及水泵17組成。在高壓級循環(huán)中采用R290為制冷工質(zhì)，在低壓級循環(huán)中采用CO2為制冷工質(zhì)，R290與CO2在冷凝蒸發(fā)器3內(nèi)進行熱交換，組成復(fù)疊式制冷循環(huán)裝置。CO2油分離器2的出口與冷凝蒸發(fā)器3的管側(cè)入口18相接，CO2高壓儲液器4的入口與冷凝蒸發(fā)器3管側(cè)的出口20相接。R290儲液器13的出口經(jīng)干燥過濾器14和膨脹閥15與冷凝蒸發(fā)器3殼側(cè)的入口19相接，R290壓縮機10入口與冷凝蒸發(fā)器3殼側(cè)的出口21相接。R290油分離器11的出口與冷凝器12管側(cè)入口22相接，R290儲液器13的入口與冷凝器12的管側(cè)出口24相接。冷卻水由水箱16提供，經(jīng)水泵17和截止閥進入冷凝器12殼側(cè)的入口23，冷卻水回水由冷凝器12殼側(cè)的出口25接于水箱16。
R290(丙烷)具有可燃性，它的燃燒極限為2.2％～9.5％，但丙烷作為R290/CO2的復(fù)疊式制冷循環(huán)的高溫循環(huán)，被放置在機房或室外，同時對于小型的R290和CO2的復(fù)疊式制冷循環(huán)，由于丙烷的循環(huán)量小，即使全部泄漏也不會達到極限濃度，如果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝改進及采用新型密封材料，會極大地減少泄漏的可能性，所以R290/CO2在小型制冷系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢。


附圖1為本實用新型各組件連接以及制冷循環(huán)流程示意圖。
其中1-CO2壓縮機；2-CO2油分離器；3-冷凝蒸發(fā)器；4-CO2高壓儲液器；5-干燥過濾器；6-CO2低壓儲液器；7-截止閥；8-冷凍箱；9-CO2汽液分離器；10-R290壓縮機；11-R290油分離器；12-冷凝器；13-R290儲液器；14-干燥過濾器；15-膨脹閥；16-水箱；17-水泵；18-冷凝蒸發(fā)器管側(cè)入口；19-冷凝蒸發(fā)器殼側(cè)入口；20-冷凝蒸發(fā)器管側(cè)出口；21-冷凝蒸發(fā)器殼側(cè)出口；22-冷凝器管側(cè)入口；23-冷凝器殼側(cè)入口；24-冷凝器管側(cè)出口；25-冷凝器殼側(cè)出口。
具體實施方式
CO2氣體在壓縮機1中壓縮后壓力升高，經(jīng)CO2油分離器2將潤滑油分離出來，CO2在冷凝蒸發(fā)器3中與R290進行熱交換冷凝成為高溫高壓液體后進入高壓儲液器4，流經(jīng)干燥過濾器5后，再經(jīng)膨脹閥15節(jié)流降壓，成為低溫低壓液體進入低壓儲液器6，在冷凍箱8中吸熱蒸發(fā)，變成低溫低壓的氣體。為防止有未完全蒸發(fā)的液體流入壓縮機造成液擊，CO2流經(jīng)汽液分離器9后進入CO2壓縮機1，完成低壓級的循環(huán)。為保證CO2壓縮機1的潤滑，CO2油分離器2分離出的潤滑油，利用高度差及時地送回CO2壓縮機1的曲軸箱。R290氣體在壓縮機10中壓縮后壓力升高，經(jīng)R290油分離器11將R290中的潤滑油分離出，然后在冷凝器12中與冷卻水進行換熱。R290冷凝后進入R290儲液器13，流經(jīng)干燥過濾器14、再經(jīng)膨脹閥15節(jié)流降壓，成為低溫低壓液體進入冷凝蒸發(fā)器3。在冷凝蒸發(fā)器3中與CO2進行熱交換蒸發(fā)，變成低溫低壓的氣體，進入R290壓縮機10，完成高壓級的循環(huán)。冷凝器12的換熱由水箱16、水泵17提供。CO2在冷凝蒸發(fā)器3的管內(nèi)流動，R290在殼管間流動，冷卻水在冷凝器12殼管間流動。由于CO2的臨界溫度低(31.1℃)、臨界壓力高(7.4MP)，上述系統(tǒng)設(shè)計可以保證CO2低壓級循環(huán)中CO2在常溫下蒸發(fā)，壓力升高后的強度和可靠性。
以下是利用制冷量為4kW的本實用新型所做的實施例實驗結(jié)果。CO2壓縮機1選用意大利DORIN公司的半封閉CO2專用壓縮機，R290壓縮機選用的是美國COPELAND公司的全封閉渦旋式制冷壓縮機。
實施例1

實施例2

利用本實用新型可以作為醫(yī)用低溫實驗冷凍箱。在冷凍箱內(nèi)可以提供-30℃到-45℃的低溫溫度環(huán)境。根據(jù)不同的實驗需要，通過調(diào)節(jié)進入冷凍箱前的閥門開啟度的大小，控制進入冷凍箱的CO2流量，來調(diào)節(jié)實驗冷凍箱內(nèi)的溫度，適應(yīng)不同的溫度需要。冷凍箱門上設(shè)有觀察窗，可以隨時觀察冷凍箱內(nèi)的情況。
本實用新型的優(yōu)點在于，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、綠色環(huán)保。CO2低壓級循環(huán)對冷凍箱內(nèi)的實驗環(huán)境沒有污染，并滿足不同實驗環(huán)境溫度的需求；因CO2單位容積的制冷量較大，CO2壓縮機與管路尺寸相對較小，CO2低壓級循環(huán)結(jié)構(gòu)緊湊，站地小。R290高壓級循環(huán)可以放置在室外，防止泄漏的R290燃燒。
表1 R22、CO2、R290性能指標(biāo)
權(quán)利要求1.自然工質(zhì)復(fù)疊式制冷裝置，主要具有CO2壓縮機(1)、CO2油分離器(2)、冷凝蒸發(fā)器(3)、CO2高壓儲液器(4)、干燥過濾器(5)、CO2低壓儲液器(6)、截止閥(7)、冷凍箱(8)、CO2汽液分離器(9)、R290壓縮機(10)、R290油分離器(11)、冷凝器(12)R290儲液器(13)、干燥過濾器(14)和膨脹閥(15)，制冷裝置由兩個單級壓縮制冷循環(huán)組成，其特征是在高壓級循環(huán)中采用R290為制冷工質(zhì)，在低壓級循環(huán)中采用CO2為制冷工質(zhì)，R290與CO2在冷凝蒸發(fā)器(3)內(nèi)進行熱交換，組成復(fù)疊式制冷循環(huán)裝置。
2.按照權(quán)利要求1所述的自然工質(zhì)復(fù)疊式制冷裝置，其特征是CO2油分離器(2)的出口與所述冷凝蒸發(fā)器(3)的管側(cè)入口(18)相接，CO2高壓儲液器(4)的入口與所述冷凝蒸發(fā)器(3)的管側(cè)出口(20)相接，R290儲液器(13)出口經(jīng)干燥過濾器(14)和膨脹閥(15)與所述冷凝蒸發(fā)器(3)的殼側(cè)入口(19)相接，R290壓縮機(10)入口與所述冷凝蒸發(fā)器(3)殼側(cè)的出口(21)相接。
3.按照權(quán)利要求1所述的自然工質(zhì)復(fù)疊式制冷裝置，其特征是R290油分離器(11)的出口與冷凝器(12)管側(cè)入口(22)相接，R290儲液器(13)的入口與冷凝器(12)的管側(cè)出口(24)相接，冷卻水由水箱(16)提供，經(jīng)水泵(17)進入冷凝器(12)殼側(cè)的入口(23)，冷卻水回水由冷凝器(12)殼側(cè)的出口(25)接于水箱(16)。
專利摘要本實用新型可提供一種可用于商業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療等低溫環(huán)境下以綠色自然工質(zhì)R290和CO
文檔編號F25B7/00GK2765110SQ200420056008
公開日2006年3月15日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者馬一太, 寧靜紅, 李敏霞, 蘇維誠 申請人:天津大學(xué)