专利名称：深度制冷方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实现从环境温度到低温的较宽温度范围内的深度制冷方法及其装置。
背景技术：
不同温度的冷却或冷冻，与国民经济和人民生活密切相关。特别是温度较低的冷冻，在电子、通讯、生物、医药、化工、食品、材料及加工等行业中有着非常广泛的用途。传统的实现深度冷冻的方法是采用复叠是制冷装置。这类制冷装置利用两个或两个以上的制冷循环叠加起来，不同制冷温度的循环采用不同的制冷剂，每个循环用一个压缩机，高低温循环间采用冷凝蒸发器衔接，在低温循环还要采用膨胀容器以及非常高效的油分离装置，因此系统非常复杂。由于对润滑油的分离非常困难，在低温下，润滑油要凝固，从而使系统内管路堵塞，因此这类装置的运行稳定性很差，使用寿命短。
近几年发展起来的多元混合制冷剂一次节流制冷技术，避免了采用多个压缩机的问题，但润滑油的问题和效率低的问题仍然没有解决。
最近研究的较多的是基于Kleemenko循环原理制作的制冷机。这类制冷机采用一个或几个闪蒸器或分凝分离器，试图分离润滑油以及高低沸点的制冷剂，而且在每个这种分离器之间装有一个或几个换热器。众所周知，无论是闪蒸或者是分凝分离，都是分离效率非常低的分离方法，它们均不能提供足够的让各组份制冷剂以及润滑油之间进行传热和传质的空间(接触面积)和时间(汽液接触停留时间)，因而不可能达到高效分离的目的。因此，在这些方法中都不得不使用油分离器。使用油分离器，不仅在回油时要让大量的高压制冷剂伴随润滑油在没有制冷之前就返回压缩机，造成能量浪费，降低循环效率，而且更严重的是，没有被分离的少量润滑油仍然会被带到制冷系统的低温部分，日积月累，就会导致系统的堵塞，影响系统的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种深度制冷方法及其装置。
深度制冷方法是利用精馏方法，把压缩式制冷中多组份混合制冷剂以及润滑油分离成两种或两种以上浓度不同的流体混合物；其中，润滑油及高沸点制冷剂浓度高的部分流体被降压后用来冷却低沸点制冷剂浓度高的部分流体；最后被冷却的低沸点制冷剂浓度最高的部分流体被减压后用来冷却外界物体，以实现从环境到低温的较宽温度范围的制冷。
深度制冷装置是压缩机的高压出口经冷却器与精馏柱底部相接，压缩机的低压出口依次与回热器、主冷凝蒸发器、过冷器、蒸发器相接；蒸发器经节流元件、过冷器与主冷凝蒸发器相接，主冷凝蒸发器与精馏柱顶部相接，精馏柱上部液相接口经节流元件与过冷器和主冷凝蒸发器并联相接，第二冷凝蒸发器一端经节流元件、回热器与精馏柱中部液相接口相接，第二冷凝蒸发器另一端与回热器、主冷凝蒸发器并联相接，精馏柱底部液相接口经回热器、节流元件、第一冷凝蒸发器再与回热器相接，精馏柱内设有第一主体部分、第二主体部分。
所说的精馏柱内设有2个或2个以上的主体部分。
本发明由于采用了精馏的方法，使高低沸点的制冷剂得到有效的分离，特别是使润滑油等在低温下要凝固的组分得到高效的分离，使它们不被带入到系统的低温部分，避免了由于它们的凝固而引起的管路和/或节流元件的堵塞以及换热效果的下降，提高了系统的运行稳定性和使用寿命。同时，因为不需要使用油分离器，避免了未经制冷的高压制冷剂随润滑油返回压缩机所造成的能量浪费。此外，由于系统采用了回热器和过冷器等换热器，使各种品位的能量得到了很好的回收，大大提高了系统的效率。
本发明实现的深度制冷装置具有结构简单，效率高，特别是运行可靠，使用寿命长。
图1是采用两级精馏的深度制冷装置结构示意图；图2是采用三级精馏的深度制冷装置结构示意图；图3是在一个制冷系统中实现多个不同温度的制冷装置结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，来自回热器4的低压多组分混合制冷剂气体被油润滑制冷压缩机1压缩后，与少量来自压缩机的润滑油蒸汽一起进入冷却器2冷却放热，再进入精馏柱3底部；在这里，富含高沸点制冷剂和润滑油的液态混合物下沉底部，气相部分上升进入精馏柱第一主体部分11。底部的液态混合物被引入回热器4放热过冷，经节流元件5减压膨胀后进入第一冷凝蒸发器6吸热，然后进入回热器4再吸热后回到压缩机。在精馏柱第一主体部分11内的气相混合物上升进入第一冷凝蒸发器6被冷却，部分制冷剂蒸汽和润滑油蒸汽从而成为液体，这些液体中低沸点组分的含量已经比精馏柱底部液体中的低沸点组分含量要高。这些液体，一部分流入精馏柱第一主体部分11作为精馏过程的回流液，在其中与上升的气相混合物进行热质交换，使气相中的高沸点组分以及润滑油蒸汽含量越来越低，回流液中的低沸点组分制冷剂含量越来越少。第一冷凝蒸发器6中的另一部分液体被引出到回热器4中放热过冷，经节流元件8减压膨胀后进入第二冷凝蒸发器9吸热，然后进入回热器4再吸热后回到压缩机。在第一冷凝蒸发器6中没有被凝结成液体的气体混合物继续上升经过精馏柱第二主体部分12，进入第二冷凝蒸发器9被冷却，部分制冷剂蒸汽和已经非常少量的润滑油蒸汽从而成为液体，这些液体中低沸点组分的含量比第一冷凝蒸发器6液体中的低沸点组分含量要高。第二冷凝蒸发器9中的液体，一部分流入精馏柱第二主体部分12作为精馏过程的回流液，在其中与上升的气相混合物进行热质交换，使气相中的高沸点组分以及润滑油蒸汽含量进一步降低，回流液中的低沸点组分制冷剂含量逐渐减少最后进入第一冷凝蒸发器6中。第二冷凝蒸发器9中的另一部分液体被引出经节流元件13降压膨胀后，经主冷凝蒸发器14吸热，再到回热器4吸热后回到压缩机。在第二冷凝蒸发器9中没有被凝结成液体的富含低沸点制冷剂的气体混合物中，已经几乎不含润滑油，被引入主冷凝蒸发器14中放热，部分或全部被冷凝成液体，再进入过冷器15进一步放热过冷，然后经节流元件16减压膨胀后到蒸发器17中吸热，从而实现制冷的目的。从蒸发器17中出来的低温制冷剂经过冷器15吸热，再经主冷凝蒸发器14吸热，再经回热器4吸热后回到压缩机1，从而完成全部循环。
上述所说的压缩机1，为一普通用油润滑的制冷压缩机，它的作用是将低压制冷剂压缩升高压力。
制冷剂为组分数大于或等于2，且小于10的非共沸混合制冷剂，各纯组分可以从下列制冷剂中选择R600a，R152a，R134a，R143a，R32，R23，R170，R50，R1150，以及大气气体中的一个或几个组分。
冷却器2为一换热器，其作用在于，制冷剂在其中放出热量，吸热介质可以为常温水或空气或其他流体。
节流元件5，为一减压装置，其作用是使高压制冷剂减压。它可以是一段毛细管，也可以是自动或手动的阀门，或它们的组合。
节流元件8，为一减压装置，其作用是使高压制冷剂减压。它可以是一段毛细管，也可以是自动或手动的阀门，或它们的组合。
节流元件13，为一减压装置，其作用是使高压制冷剂减压。它可以是一段毛细管，也可以是自动或手动的阀门，或它们的组合。
节流元件16，为一减压装置，其作用是使高压制冷剂减压。它可以是一段毛细管，也可以是自动或手动的阀门，或它们的组合。
回热器4，为一个或若干个换热器，其一侧通过低压制冷剂流体，其另一侧分别通过不同浓度的高压制冷剂流体。
精馏柱第一主体11为一组合部件，由至少一个多孔板和可进行热质交换的填料或多个彼此隔开的多孔板组成，其作用为提供汽液相混合物流体进行热质交换的空间和时间。
精馏柱第二主体12为一组合部件，由至少一个多孔板和可进行热质交换的填料或多个彼此隔开的多孔板组成，其作用为提供汽液相混合物流体进行热质交换的空间和时间。
第一冷凝蒸发器6为一组合部件，其一侧为低压低温制冷剂吸热，其另一侧为高压制冷剂气体被冷却或冷凝放热，冷凝液在其中被分成两部分。
第二冷凝蒸发器9为一组合部件，其一侧为低压低温制冷剂吸热，其另一侧为高压制冷剂气体被冷却或冷凝放热，冷凝液在其中被分成两部分。
主冷凝蒸发器14为一换热器，其一侧为低压低温制冷剂吸热，其另一侧为高压制冷剂过冷放热。
过冷器15为一换热器，其一侧为低压低温制冷剂吸热，其另一侧为高压制冷剂过冷放热。
蒸发器17为一换热器，其一侧为低压低温制冷剂吸热，其另一侧为被冷却物体放热。
如图2所示，在该方案中，由于增加了一个精馏单元，其结果将使得润滑油被分离得更加彻底，用于最后制冷的低沸点制冷剂浓度将更高，因此可以被用于制冷温度更低的场合。
如图3所示，与图2方案比较，在该方案中，从第一冷凝蒸发器31、第二冷凝蒸发器32和第三冷凝蒸发器33出来的低温制冷剂不是被直接引入回热器23，而是，让它们先分别通过换热器42、43、44后，再进入回热器23。换热器42、43和44的另一侧就可以用来冷却其他物体。由于在这些换热器中制冷剂浓度不同，因此，虽然在相同压力下，但它们的制冷温度却不同，从而实现了在一个制冷系统中多个不同温度的制冷。
权利要求
1.一种深度制冷方法，其特征在于利用精馏方法，把压缩式制冷中多组份混合制冷剂以及润滑油分离成两种或两种以上浓度不同的流体混合物；其中，润滑油及高沸点制冷剂浓度高的部分流体被降压后用来冷却低沸点制冷剂浓度高的部分流体；最后被冷却的低沸点制冷剂浓度最高的部分流体被减压后用来冷却外界物体，以实现从环境到低温的较宽温度范围的制冷。
2.一种深度制冷装置，其特征在于压缩机1的高压出口经冷却器2与精馏柱3底部相接，压缩机1的低压出口依次与回热器4、主冷凝蒸发器14、过冷器15、、蒸发器17相接；蒸发器17经节流元件16、过冷器15与主冷凝蒸发器14相接，主冷凝蒸发器14与精馏柱3顶部相接，精馏柱3上部液相接口经节流元件13与过冷器15和主冷凝蒸发器14并联相接，第二冷凝蒸发器9一端经节流元件8、回热器4与精馏柱3中部液相接口相接，第二冷凝蒸发器9另一端与回热器4、主冷凝蒸发器14并联相接，精馏柱3底部液相接口经回热器4、节流元件5、第一冷凝蒸发器6再与回热器4相接，精馏柱内设有第一主体部分11、第二主体部分12。
3.根据权利要求2所说的一种深度制冷装置，其特征在于所说的精馏柱内设有2个或2个以上的主体部分。
全文摘要
本发明公开了一种深度制冷方法及其装置。深度制冷方法是利用精馏方法,把压缩式制冷中多组份混合制冷剂以及润滑油分离成两种或两种以上浓度不同的流体混合物;其中,润滑油及高沸点制冷剂浓度高的部分流体被降压后用来冷却低沸点制冷剂浓度高的部分流体;最后被冷却的低沸点制冷剂浓度最高的部分流体被减压后用来冷却外界物体,以实现从环境到低温的较宽温度范围的制冷。本发明实现的深度制冷装置具有结构简单,效率高,特别是运行可靠,使用寿命长等优点。
文档编号F25B1/00GK1363815SQ0211066
公开日2002年8月14日 申请日期2002年1月25日 优先权日2002年1月25日
发明者陈光明, 张绍志, 王勤 申请人:浙江大学