專利名稱：礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷系統(tǒng)及方法，特別涉及一種二氧化碳制冷系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展以及對人生命權(quán)益意識的提高，作為在災(zāi)難和意外事故發(fā)生后對人生命的保護(hù)設(shè)施，緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)已成為國家重點(diǎn)關(guān)注的問題。煤礦礦井的緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)主要有避難硐室或救生艙，它用于礦井作業(yè)人員遇險(xiǎn)時(shí)逃生、避難和等待救援，必須具備一定的環(huán)境控制功能以滿足避險(xiǎn)人員的生存需求，作為環(huán)境控制系統(tǒng)重要組成部分的制冷系統(tǒng)，其可靠性直接關(guān)系到避難硐室或救生艙密閉空間的溫度調(diào)節(jié)和空氣凈化。由于不需要電源，能夠滿足礦井苛刻的防爆要求，開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)成為避難硐室和救生艙制冷方式的首選，如專利201110043150. 7詳細(xì)敘述了一種高壓制冷劑驅(qū)動的集制冷凈化為一體的非電式空氣調(diào)節(jié)凈化裝置及方法。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，高壓制冷劑驅(qū)動的制冷系統(tǒng)存放高壓二氧化碳的設(shè)備艙相對較大；當(dāng)?shù)V井內(nèi)部溫度高于31. 1°C時(shí)，一級節(jié)流閥的效率比較低，影響系統(tǒng)效率；同時(shí)，二級節(jié)流前的中溫低壓二氧化碳進(jìn)入二級節(jié)流的效率也較低。這些問題都直接的影響了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此亟待對現(xiàn)有的開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)及方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)在環(huán)境溫度高于31. 1°C時(shí)制冷效率較低的缺陷，同時(shí)減小了二氧化碳的設(shè)備艙空間的尺寸。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)，包括二氧化碳鋼瓶、二氧化碳匯流排、截止 閥、三通換向閥、蓄冷箱、第一段冷卻管道、單向閥、一級節(jié)流閥、一級蒸發(fā)器、第二段冷卻管道、二級節(jié)流閥、二級蒸發(fā)器和氣動風(fēng)機(jī)；
所述二氧化碳鋼瓶的出氣口與二氧化碳匯流排進(jìn)氣口相連，所述二氧化碳匯流排的出氣口與截止閥進(jìn)氣口相連，所述截止閥出氣口與三通換向閥的第一端相連，所述三通換向閥的第二端與第一段冷卻管道的入口相連，所述第一段冷卻管道的出口與單向閥的入口相連，所述單向閥的出口分成兩路，一路與三通換向閥的第三端相連，另一路與一級節(jié)流閥的入口相連，所述一級節(jié)流閥的出口與一級蒸發(fā)器的入口相連，所述一級蒸發(fā)器的出口與第二段冷卻管道的入口相連，所述第二段冷卻管道的出口與二級節(jié)流閥的入口相連，所述二級節(jié)流閥的出口與二級蒸發(fā)器的入口相連，所述二級蒸發(fā)器的出口與氣動風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口相連；所述氣動風(fēng)機(jī)的出氣口與密閉空間外相通；
所述第一段冷卻管道和第二段冷卻管道位于蓄冷箱內(nèi)；
進(jìn)一步，所述一級蒸發(fā)器和二級蒸發(fā)器為毛細(xì)管式蒸發(fā)器；所述一級節(jié)流閥和二級節(jié)流閥為毛細(xì)管式節(jié)流閥；進(jìn)一步，一種礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)的制冷方法，包括以下過程
當(dāng)?shù)V井內(nèi)的溫度高于31. 1°C，所述三通換向閥的第一端和第二端相通；所述二氧化碳鋼瓶內(nèi)的高壓常溫二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第一段冷卻管道預(yù)冷，變成高壓低溫的二氧化碳液體；所述高壓低溫的二氧化碳液體經(jīng)過一級節(jié)流閥后，變成中壓低溫的二氧化碳液體；所述中壓低溫的二氧化碳液體通過一級蒸發(fā)器與艙內(nèi)氣體熱交換后，變成中壓常溫的二氧化碳?xì)怏w；所述中壓常溫的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第二段冷卻管道進(jìn)一步預(yù)冷后，變成中壓低溫的二氧化碳液體；所述中壓低溫的二氧化碳液體經(jīng)過二級節(jié)流閥后，變成低壓低溫的二氧化碳?xì)怏w；所述低壓低溫的二氧化碳?xì)怏w通過二級蒸發(fā)器與艙內(nèi)氣體實(shí)現(xiàn)熱量交換后，變成低壓常溫的二氧化碳?xì)怏w；所述低壓常溫的二氧化碳?xì)怏w驅(qū)動氣動風(fēng)機(jī)之后排出艙外；所述氣動風(fēng)機(jī)帶動艙內(nèi)氣體與一級蒸發(fā)器和二級蒸發(fā)器進(jìn)行熱量交換；
當(dāng)?shù)V井內(nèi)的溫度低于31. 1°C，所述三通換向閥的第三端、第一端相通；所述二氧化碳鋼瓶內(nèi)的高壓常溫二氧化碳液體直接進(jìn)入一級節(jié)流閥后成中壓常溫二氧化碳?xì)怏w；所述中壓常溫二氧化碳?xì)怏w快速通過一級蒸發(fā)器進(jìn)入第二段冷卻管道預(yù)冷后成中壓低溫二氧化碳液體；所述中壓低溫二氧化碳液體經(jīng)二級節(jié)流閥后變成低壓低溫二氧化碳?xì)怏w；所述低 壓低溫二氧化碳?xì)怏w通過二級蒸發(fā)器與艙內(nèi)氣體實(shí)現(xiàn)熱量交換后變成低壓常溫二氧化碳?xì)怏w；所述低壓常溫二氧化碳?xì)怏w驅(qū)動氣動風(fēng)機(jī)之后排出艙外；所述氣動風(fēng)機(jī)帶動艙內(nèi)氣體與一級蒸發(fā)器和二級蒸發(fā)器進(jìn)行熱量交換。本發(fā)明的有益效果是
礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，二氧化碳鋼瓶中的高壓液體先后經(jīng)過一級節(jié)流閥、一級蒸發(fā)器、二級節(jié)流閥和二級蒸發(fā)器，通過二次節(jié)流和兩級冷卻，實(shí)現(xiàn)了壓降分配和制冷溫度的良好匹配，該系統(tǒng)與現(xiàn)有的礦用救生艙制冷系統(tǒng)相比，具有制冷效果好、效率高、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)；由于在一級節(jié)流閥和二級節(jié)流閥前設(shè)置蓄冷箱，將節(jié)流前的二氧化碳進(jìn)行預(yù)冷不僅提高了節(jié)流效率，同時(shí)能減小二氧化碳?xì)馄康臄?shù)量從而減少二氧化碳的設(shè)備艙的尺寸。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖所示，一種礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)，包括二氧化碳鋼瓶I、二氧化碳匯流排2、截止閥3、三通換向閥4、蓄冷箱7、第一段冷卻管道12、單向閥11、一級節(jié)流閥5、一級蒸發(fā)器6、第二段冷卻管道13、二級節(jié)流閥8、二級蒸發(fā)器9和氣動風(fēng)機(jī)10 ；
所述二氧化碳鋼瓶I的出氣口與二氧化碳匯流排2進(jìn)氣口相連，所述二氧化碳匯流排2的出氣口與截止閥3進(jìn)氣口相連，所述截止閥3出氣口與三通換向閥4的第一端相連，所述三通換向閥4的第二端與第一段冷卻管道12的入口相連，所述第一段冷卻管道12的出口與單向閥11的入口相連，所述單向閥11的出口分成兩路，一路與三通換向閥4的第三端相連，另一路與一級節(jié)流閥5的入口相連，所述一級節(jié)流閥5的出口與一級蒸發(fā)器6的入口相連，所述一級蒸發(fā)器6的出口與第二段冷卻管道13的入口相連，所述第二段冷卻管道13的出口與二級節(jié)流閥8的入口相連，所述二級節(jié)流閥8的出口與二級蒸發(fā)器9的入口相連，所述二級蒸發(fā)器9的出口與氣動風(fēng)機(jī)10進(jìn)氣口相連；所述氣動風(fēng)機(jī)的出氣口與密閉空間外相通；
所述第一段冷卻管道12和第二段冷卻管道13位于蓄冷箱7內(nèi)。本實(shí)施例中，二氧化碳鋼瓶中的高壓液體先后經(jīng)過一級節(jié)流閥5、一級蒸發(fā)器6、 二級節(jié)流閥8和二級蒸發(fā)器9，通過二次節(jié)流和兩級冷卻，實(shí)現(xiàn)了壓降分配和制冷溫度的良好匹配，該系統(tǒng)與現(xiàn)有的礦用救生艙制冷系統(tǒng)相比，具有制冷效果好、效率高、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)；由于在一級節(jié)流閥5和二級節(jié)流閥9前設(shè)置蓄冷箱7，將節(jié)流前的二氧化碳進(jìn)行預(yù)冷不僅提高了節(jié)流效率，同時(shí)能減小二氧化碳?xì)馄康臄?shù)量從而減少二氧化碳的設(shè)備艙的尺寸。 本實(shí)施例中，所述一級蒸發(fā)器6和二級蒸發(fā)器9為毛細(xì)管式蒸發(fā)器；所述一級節(jié)流閥5和二級節(jié)流閥8為毛細(xì)管式節(jié)流閥；一級蒸發(fā)器和二級蒸發(fā)器為細(xì)管徑蒸發(fā)器，也具有一定的壓降分配與自調(diào)節(jié)功能。本實(shí)施例中的礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)的制冷方法，其制冷過程如下
當(dāng)?shù)V井內(nèi)的溫度高于31. 1°C，所述三通換向閥4的第一端和第二端相通；所述二氧化碳鋼瓶I內(nèi)的高壓常溫二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第一段冷卻管道12預(yù)冷，變成高壓低溫的二氧化碳液體；所述高壓低溫的二氧化碳液體經(jīng)過一級節(jié)流閥5后，變成中壓低溫的二氧化碳液體；所述中壓低溫的二氧化碳液體通過一級蒸發(fā)器6與艙內(nèi)氣體熱交換后，變成中壓常溫的二氧化碳?xì)怏w；所述中壓常溫的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第二段冷卻管道13進(jìn)一步預(yù)冷后，變成中壓低溫的二氧化碳液體；所述中壓低溫的二氧化碳液體經(jīng)過二級節(jié)流閥8后，變成低壓低溫的二氧化碳?xì)怏w；所述低壓低溫的二氧化碳?xì)怏w通過二級蒸發(fā)器9與艙內(nèi)氣體實(shí)現(xiàn)熱量交換后，變成低壓常溫的二氧化碳?xì)怏w；所述低壓常溫的二氧化碳?xì)怏w驅(qū)動氣動風(fēng)機(jī)10之后排出艙外；所述氣動風(fēng)機(jī)10帶動艙內(nèi)氣體與一級蒸發(fā)器6和二級蒸發(fā)器9進(jìn)行熱量交換；
當(dāng)?shù)V井內(nèi)的溫度低于31. 1°C，所述三通換向閥4的第三端、第一端相通；所述二氧化碳鋼瓶I內(nèi)的高壓常溫二氧化碳液體直接進(jìn)入一級節(jié)流閥5后成中壓常溫二氧化碳?xì)怏w；所述中壓常溫二氧化碳?xì)怏w快速通過一級蒸發(fā)器6進(jìn)入第二段冷卻管道13預(yù)冷后成中壓低溫二氧化碳液體；所述中壓低溫二氧化碳液體經(jīng)二級節(jié)流閥8后變成低壓低溫二氧化碳?xì)怏w；所述低壓低溫二氧化碳?xì)怏w通過二級蒸發(fā)器9與艙內(nèi)氣體實(shí)現(xiàn)熱量交換后變成低壓常溫二氧化碳?xì)怏w；所述低壓常溫二氧化碳?xì)怏w驅(qū)動氣動風(fēng)機(jī)10之后排出艙外；所述氣動風(fēng)機(jī)10帶動艙內(nèi)氣體與一級蒸發(fā)器6和二級蒸發(fā)器9進(jìn)行熱量交換。
最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)，其特征在于 包括二氧化碳鋼瓶(I)、二氧化碳匯流排(2)、截止閥(3)、三通換向閥(4)、蓄冷箱(7)、第一段冷卻管道(12)、單向閥(11)、一級節(jié)流閥(5)、一級蒸發(fā)器(6)、第二段冷卻管道(13)、二級節(jié)流閥(8)、二級蒸發(fā)器(9)和氣動風(fēng)機(jī)(10); 所述二氧化碳鋼瓶(I)的出氣口與二氧化碳匯流排(2)進(jìn)氣口相連，所述二氧化碳匯流排(2)的出氣口與截止閥(3)進(jìn)氣口相連，所述截止閥(3 )出氣口與三通換向閥(4 )的第一端相連，所述三通換向閥(4)的第二端與第一段冷卻管道(12)的入口相連，所述第一段冷卻管道(12 )的出口與單向閥(11)的入口相連，所述單向閥(11)的出口分成兩路，一路與三通換向閥(4)的第三端相連，另一路與一級節(jié)流閥(5)的入口相連，所述一級節(jié)流閥(5)的出口與一級蒸發(fā)器(6)的入口相連，所述一級蒸發(fā)器(6)的出口與第二段冷卻管道(13)的入口相連，所述第二段冷卻管道(13)的出口與二級節(jié)流閥(8)的入口相連，所述二級節(jié)流閥(8)的出口與二級蒸發(fā)器(9)的入口相連，所述二級蒸發(fā)器(9)的出口與氣動風(fēng)機(jī)(10)進(jìn)氣口相連；所述氣動風(fēng)機(jī)的出氣口與密閉空間外相通； 所述第一段冷卻管道(12)和第二段冷卻管道(13)位于蓄冷箱(7)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)，其特征在于所述一級蒸發(fā)器(6)和二級蒸發(fā)器(9)為毛細(xì)管式蒸發(fā)器；所述一級節(jié)流閥(5)和二級節(jié)流閥(8)為毛細(xì)管式節(jié)流閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)的制冷方法，其特征在于包括以下過程 當(dāng)?shù)V井內(nèi)的溫度高于31. 1°C，所述三通換向閥(4)的第一端和第二端相通；所述二氧化碳鋼瓶(I)內(nèi)的高壓常溫二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第一段冷卻管道(12)預(yù)冷，變成高壓低溫的二氧化碳液體；所述高壓低溫的二氧化碳液體經(jīng)過一級節(jié)流閥(5)后，變成中壓低溫的二氧化碳液體；所述中壓低溫的二氧化碳液體通過一級蒸發(fā)器(6)與艙內(nèi)氣體熱交換后，變成中壓常溫的二氧化碳?xì)怏w；所述中壓常溫的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第二段冷卻管道(13)進(jìn)一步預(yù)冷后，變成中壓低溫的二氧化碳液體；所述中壓低溫的二氧化碳液體經(jīng)過二級節(jié)流閥(8)后，變成低壓低溫的二氧化碳?xì)怏w；所述低壓低溫的二氧化碳?xì)怏w通過二級蒸發(fā)器(9)與艙內(nèi)氣體實(shí)現(xiàn)熱量交換后，變成低壓常溫的二氧化碳?xì)怏w；所述低壓常溫的二氧化碳?xì)怏w驅(qū)動氣動風(fēng)機(jī)(10)之后排出艙外；所述氣動風(fēng)機(jī)(10)帶動艙內(nèi)氣體與一級蒸發(fā)器(6)和二級蒸發(fā)器(9)進(jìn)行熱量交換； 當(dāng)?shù)V井內(nèi)的溫度低于31. 1°C，所述三通換向閥(4)的第三端、第一端相通；所述二氧化碳鋼瓶(I)內(nèi)的高壓常溫二氧化碳液體直接進(jìn)入一級節(jié)流閥(5)后成中壓常溫二氧化碳?xì)怏w；所述中壓常溫二氧化碳?xì)怏w快速通過一級蒸發(fā)器(6)進(jìn)入第二段冷卻管道(13)預(yù)冷后成中壓低溫二氧化碳液體；所述中壓低溫二氧化碳液體經(jīng)二級節(jié)流閥(8)后變成低壓低溫二氧化碳?xì)怏w；所述低壓低溫二氧化碳?xì)怏w通過二級蒸發(fā)器(9)與艙內(nèi)氣體實(shí)現(xiàn)熱量交換后變成低壓常溫二氧化碳?xì)怏w；所述低壓常溫二氧化碳?xì)怏w驅(qū)動氣動風(fēng)機(jī)(10)之后排出艙外；所述氣動風(fēng)機(jī)(10)帶動艙內(nèi)氣體與一級蒸發(fā)器(6)和二級蒸發(fā)器(9)進(jìn)行熱量交換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種礦用蓄冷和二氧化碳耦合式制冷系統(tǒng)及方法，包括二氧化碳鋼瓶、二氧化碳匯流排、截止閥、三通換向閥、蓄冷箱、第一段冷卻管道、單向閥、一級節(jié)流閥、一級蒸發(fā)器、第二段冷卻管道、二級節(jié)流閥、二級蒸發(fā)器、氣動風(fēng)機(jī)；該系統(tǒng)采取二氧化碳開放式制冷和蓄冷相結(jié)合的方式，減少了二氧化碳制冷劑的用量從而減小了密閉空間的尺寸；設(shè)置蓄冷箱提高了二級蒸發(fā)器的傳熱和流動特性，提高一級節(jié)流閥的節(jié)流效率，同時(shí)大幅改善流阻。
文檔編號E21F3/00GK102966366SQ201210511889
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者陳于金, 何廷梅, 余秀清, 廖樹蕓, 張世濤, 張祖敬, 汪東平 申請人:中煤科工集團(tuán)重慶研究院