一种多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统的制作方法

本发明涉及制冷及低温技术领域中的制冷机，具体为一种多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统。

背景技术：

目前近十几年快速发展的多元非共沸混合工质一次节流制冷机，由压缩机，油分离器，冷凝器，干燥过滤器，逆流换热器，蒸发器和节流元件组成。其结构简单，且热效率较高。

但是由于采用多元非共沸混合工质一次节流，高温级工质全部参与蒸发器循环，所以蒸发器温度滑移大；而且高温油分离器的油分离效果较差，润滑油在200k以下容易固化，所以在制取200k以下的低温时，容易出现油堵和蒸发器换热效率下降；而且采用多元非共沸混合工质一次节流，在制冷机初启动时，由于众多低温级工质无法冷凝，在蒸发器回气热阻下循环很慢，造成系统高压过高，低压过低，压缩比过高，排气温度过高；而且随目标制取温度的下降，环境温度的上升，这种现象更明显；导致制冷机的可靠性下降。

另外一种快速发展的多元非共沸混合工质分离循环制冷机，分单级分离循环和多级分离循环，单级精馏分凝分离循环和多级精馏分凝分离循环。

单级分离循环其特点是压缩机排出的混合工质在常温环境下冷凝后经过气液分离器，分成液相组分节流和气相组分进行逆流换热，气相组分液化后节流进蒸发器制冷。

多级分离循环其特点是压缩机排出的混合工质在常温环境下冷凝后经过气液分离器，分成液相组分节流和气相组分进行逆流换热，气相组分经逆流换热被冷却后再次接入气液分离器，如此不断叠加，直到堆叠到需要的级数；再将最后一级分离出的气相经逆流换热液化后节流进蒸发器制冷。

单级精馏分凝分离循环其特点是压缩机排出的混合工质在常温环境下冷凝后经过精馏分凝气液分离器，分成液相组分节流和气相组分进行逆流换热，气相组分液化后节流进蒸发器制冷；精馏分凝汽液分离器和普通分离器相比，在上部加入有垂直方向出气通道的回气换热器，中部有精馏柱，混合工质从下部进入，通过精馏柱上升，分离出大部分液相，气相利用回气冷量冷却变成液滴，液滴下降流入精馏柱再次分离，增加分离的液相组分比例。

多级精馏分凝分离循环其特点是相当于多级分离循环的所有普通气液分离器全部替换成单级精馏分凝分离循环中的精馏分凝汽液分离器；其他和多级分离循环一样。

对于单级分离循环，由于分离点是环温，导致分离后的气相成分中还含有过多的高温级工质组分，逆流换热后进入蒸发器蒸发，对比一次节流制冷机的温度滑移，没有很大的改善，只是改善了油分离效果。单级精馏分凝分离循环，虽然改善了混合工质分离效果，但是精馏分凝分离器是非通用部件，而且内部结构复杂，增加了制作难度。

对于多级分离循环，由于分离级数增加，导致系统复杂，可靠性下降。多级精馏分凝分离循环相对来说，系统更加复杂，增加了制作难度。

同样，由于采用多元非共沸混合工质分离循环，在制冷机初启动时，低温级工质在蒸发器回气热阻下，基本不循环，造成系统高压过高，低压过低，压缩比过高，排气温度过高；而且随目标制取温度的降低，环境温度的上升，这种现象更明显；导致制冷机的可靠性下降。

技术实现要素：

为了克服上述的问题，本发明提供了一种多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统，该发明利用冷凝机组模块，中间换热模块和蒸发器模块配合，具有较高效率，运行可靠，高性价比，应用范围广的改进型多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统，包括冷凝机组模块，中间换热模块和蒸发器模块；

所述冷凝机组模块的高压出口与所述中间换热模块的高压进口相连接；

所述冷凝机组模块的低压进口与所述中间换热模块的低压出口相连接；

所述中间换热模块的高压出口与所述蒸发器模块高压进口相连接；

所述中间换热模块的低压进口管与所述蒸发器模块低压出口相连接。

进一步，所述冷凝机组模块包括压缩机、油分离器、冷凝器和干燥过滤器；所述压缩机、所述冷凝器和所述干燥过滤器依次连接，所述油分离器设置在所述压缩机和所述冷凝器之间，用于分离润滑油。

进一步，所述中间换热模块包括辅助压力调节阀、辅助储气罐、辅助节流元件、前置逆流换热器、特定温区气液分离器、液相组分节流元件和后置逆流换热器；所述冷凝机组模块通过所述前置逆流换热器和所述后置逆流换热器与所述蒸发器模块相连；所述特定温区气液分离器设置在所述前置逆流换热器和所述后置逆流换热器之间，用于分离润滑油和混合工质；所述辅助压力调节阀、所述辅助储气罐和所述辅助节流元件依次安装在所述中间换热模块的入口端分流处，所述辅助节流元件出口与所述前置逆流换热器的低压进口相连接。

进一步，所述后置逆流换热器包括后置一级逆流换热器和后置二级逆流换热器，所述液相组分节流元件设置在所述特定温区气液分离器与所述后置二级逆流换热器之间。

进一步，所述辅助压力调节阀包括空调泄压阀、压力控制电磁阀或者温度控制电磁阀。

进一步，所述蒸发器模块包括蒸发器和蒸发器节流元件，所述中间换热模块通过所述蒸发器和所述蒸发器节流元件以使温度降低。

本发明具有的有益效果包括：

本发明通过在传统的单级分离循环的中间换热模块的入口段分流安装辅助压力调节阀，辅助储气罐，辅助节流元件，辅助节流元件出口接在前置逆流换热器的低压进口，在系统初启动时提供辅助的工质循环，降低高压，提高低压，加大前置逆流换热器的回热冷量，降低压缩比和排气温度，大幅提高初始阶段的降温速度，显著改善系统的可靠性。

本发明按照润滑油种类和油分离器的效果，通过理论计算和实验测试，选取合适的前置逆流换热器和后置逆流换热器，使气液分离器可以在特定设计温区工作，达到使混合工质和润滑油按设计分离的效果，大幅度减少高温级和中间级工质进入蒸发器的分量，减少低温级工质在蒸发器内的温度滑移。

上述系统相当于两个独立的多元非共沸混合工质一次节流制冷机在一个系统内自复叠。由于大幅度简化了系统的结构，全部零部件采用通用件，显著改善了可靠性，改善了初始降温速度，改善了压缩机工作条件。复叠点由前置逆流换热器和后置逆流换热器的换热能力确定，润滑油的种类和油分离器的分离效果显著影响复叠点的设计选择。辅助压力调节阀的工作压力取决于系统的性能和系统的耐压设计。

利用冷凝机组模块，中间换热模块和蒸发器模块配合，具有较高效率，运行可靠，高性价比，应用范围广的改进型多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统的结构示意图；

图2是冷凝机模块各零部件与中间换热模块的连接结构示意图；

图3是冷凝机模块与中间换热模块各零部件的连接结构示意图；

图4是中间换热模块与蒸发器模块的连接结构示意图。

附图标记说明如下：

1、冷凝机组模块；101、压缩机；102、油分离器；103、冷凝器；104、干燥过滤器；2、中间换热模块；201、辅助压力调节阀；202、辅助储气罐；203、辅助节流元件；204、前置逆流换热器；205、特定温区气液分离器；206、液相组分节流元件；207、后置一级逆流换热器；208、后置二级逆流换热器；3、蒸发器模块；301、蒸发器；302、蒸发器节流元件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1-图4所示，本发明提供了一种多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统，包括冷凝机组模块1，中间换热模块2和蒸发器模块3；

所述冷凝机组模块1的高压出口与所述中间换热模块2的高压进口相连接；

所述冷凝机组模块1的低压进口与所述中间换热模块2的低压出口相连接；

所述中间换热模块2的高压出口与所述蒸发器模块3高压进口相连接；

所述中间换热模块2的低压进口管与所述蒸发器模块3低压出口相连接。

所述冷凝机组模块1包括压缩机101、油分离器102、冷凝器103和干燥过滤器104；所述压缩机101、所述冷凝器103和所述干燥过滤器104依次连接，所述油分离器102设置在所述压缩机101和所述冷凝器103之间，用于分离润滑油。

所述中间换热模块2包括辅助压力调节阀201、辅助储气罐202、辅助节流元件203、前置逆流换热器204、特定温区气液分离器205、液相组分节流元件206和后置逆流换热器；所述冷凝机组模块1通过所述前置逆流换热器204和所述后置逆流换热器与所述蒸发器模块3相连；所述特定温区气液分离器205设置在所述前置逆流换热器204和所述后置逆流换热器之间，用于分离润滑油和混合工质；所述辅助压力调节阀201、所述辅助储气罐202和所述辅助节流元件203依次安装在所述中间换热模块2的入口端分流处，所述辅助节流元件203出口与所述前置逆流换热器204的低压进口相连接。

所述后置逆流换热器包括后置一级逆流换热器207和后置二级逆流换热器208，所述液相组分节流元件206设置在所述特定温区气液分离器205与所述后置二级逆流换热器208之间。

所述辅助压力调节阀包括空调泄压阀、压力控制电磁阀或者温度控制电磁阀，因此所述辅助压力调节阀201为空调泄压阀、压力控制电磁阀或者温度控制电磁阀。

所述蒸发器模块3包括蒸发器301和蒸发器节流元件302，所述中间换热模块2通过所述蒸发器301和所述蒸发器节流元件302以使温度降低。

应用上述结构如下：

利用冷凝机组模块1，中间换热模块2和蒸发器模块3配合，通过冷凝机组模块1的高压出口管连接中间换热模块2的高压进口管，冷凝机组模块1的低压进口管连接中间换热模块2的低压出口管；中间换热模块2的高压出口管连接蒸发器模块3的高压进口管，中间换热模块2的低压进口管连接蒸发器模块3的低压出口管；所述中间换热模块2，由辅助压力调节阀201，辅助储气罐202，辅助节流元件203，前置逆流换热器204，特定温区气液分离器205，液相组分节流元件206，后置一级逆流换热器207和后置二级逆流换热器208组成。辅助压力调节阀201优选是空调卸荷阀等此类压力调节阀，也可以是压力或温度控制的电磁阀。特定温区气液分离器205是普通气液分离器，按照润滑油种类和油分离器102的效果，通过前置逆流换热器204和后置逆流换热器的配比，可以在特定设计温区工作(一般在0摄氏度到-60摄氏度之间，通过选用高效油分离器102和无石蜡析出型润滑油，大通径节流元件，无死区管道设计，实验验证确保分离后液相工质中的润滑油不会堵塞管道的情况下，此温度可设计到-60摄氏度以下)。

本发明通过在传统的单级分离循环的中间换热模块2的入口段分流安装辅助压力调节阀201，辅助储气罐202，辅助节流元件203，辅助节流元件203出口接在前置逆流换热器204的低压进口，在系统初启动时提供辅助的工质循环，降低高压，提高低压，加大前置逆流换热器204的回热冷量，降低压缩比和排气温度，大幅提高初始阶段的降温速度，显著改善系统的可靠性。

本发明按照润滑油种类和油分离器102的效果，通过理论计算和实验测试，选取合适的前置逆流换热器204和后置逆流换热器，使气液分离器可以在特定设计温区工作，达到使混合工质和润滑油按设计分离的效果，大幅度减少高温级和中间级工质进入蒸发器301的分量，减少低温级工质在蒸发器301内的温度滑移。

上述系统相当于两个独立的多元非共沸混合工质一次节流制冷机在一个系统内自复叠。由于大幅度简化了系统的结构，全部零部件采用通用件，显著改善了可靠性，改善了初始降温速度，改善了压缩机101工作条件。复叠点由前置逆流换热器204和后置逆流换热器的换热能力确定，润滑油的种类和油分离器102的分离效果显著影响复叠点的设计选择。辅助压力调节阀201的工作压力取决于系统的性能和系统的耐压设计。

其优点在于：利用冷凝机组模块1，中间换热模块2和蒸发器模块3配合，具有较高效率，运行可靠，高性价比，应用范围广的改进型多元混合工质单级分离节流循环深冷制冷系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。