本发明涉及混合工质制冷技术领域，尤其涉及一种可调工质组分的混合工质制冷系统。
背景技术
利用实际气体的节流制冷效应实现制冷是人类最早采用的主动制冷方式之一。至今节流制冷历经近200年的应用发展历史，成为制冷与低温工程领域应用最为广泛的两种方式之一(节流与膨胀)。采用混合工质作为循环工作介质的节流制冷技术称为混合工质制冷技术，在低温制冷领域，混合工质制冷技术与其他制冷方式相比，循环系统流程简洁，介质的节流膨胀元件简单可靠，且系统构成灵活多样，可直接采用成熟的广泛应用的常规压缩机，系统效率也具有一定的优势，这些优点使混合工质制冷技术取得了广泛的应用。当前混合工质节流制冷技术已成为国际范围内天然气液化领域的主导制冷技术，在天然气、煤层气及页岩气等广义天然气资源的开发利用方面发展迅猛，在深冷领域诸多应用方面发展较快，其中包括低温冷库、深冷冰箱、高低温试验箱、低温冷冻干燥等等产业领域。
当前，混合工质制冷技术在各个应用领域还存在一些不足之处。其一，混合工质的配比往往是针对目标制冷温度进行设计和配制，当用户需要在较宽的制冷温度区间频繁调整变动时，混合工质制冷系统一旦偏离目标制冷温度点较多，其运行效率会大幅下降或不能正常工作；其二，系统从常温状态开机至降温至目标低温点，是一个非均匀的降温过程，刚开机时降温速度往往很快，但一旦降温到某个程度，其降温速度会越来越慢，总的降温时长会较长，不能响应用户“快速降温”的需求。
技术实现要素：
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种适用于可调工质组分的混合工质制冷系统，旨在用于解决现有的混合工质制冷系统变温度工况效率下降，降温速度慢的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种可调工质组分的混合工质制冷系统，包括压缩机组、第一组分调节罐、第一换热器、第二换热器、第一汽液分离器、蒸发器、第一调控阀、第二调控阀、第一节流阀及第二节流阀，其中：
所述压缩机组排气口与所述第一换热器的高温介质入口连接，所述第一换热器的高温介质出口与所述第一汽液分离器的入口连接，所述第一汽液分离器的汽相出口与所述第二换热器的高温介质入口连接，所述第二换热器的高温介质出口与所述第一节流阀入口连接，所述第一节流阀的出口与所述蒸发器的入口连接，所述蒸发器的出口与所述第二换热器的低温介质入口连接，所述第二换热器的低温介质出口与所述第一换热器的低温介质入口连接，所述第一换热器的低温介质出口与所述压缩机组的吸气口连接；所述第一汽液分离器的液相出口与所述第二节流阀的入口连接，所述第二节流阀的出口通过三通管道与所述第二换热器的低温介质出口以及第一换热器的低温介质入口连接；所述第一组分调节罐的入口和出口分别与所述第一调控阀的入口及所述第二调控阀的出口相连接，所述第二调控阀的入口通过三通管道与所述第一汽液分离器的汽相出口和所述第二换热器的高温介质入口连接，所述第一调控阀的出口通过三通管道与所述第一换热器的低温介质出口和所述压缩机组吸气口连接。
在一些较佳的实施例中，所述压缩机组包括压缩机、油分离器及冷凝器，混合工质经所述压缩机压缩为高压气体后，进入所述油分离器分离，经所述油分离器底部出来的润滑油经节流后，并入所述压缩机组吸气口的低压混合工质，所述再进入压缩机进行循环，经所述油分离器顶部出来的混合工质进入所述冷凝器，经所述冷凝器冷却的混合工质通过所述的压缩机组排气口输出。
在一些较佳的实施例中，所述冷凝器为水冷冷凝器或者风冷冷凝器或者冷凝蒸发器。
在一些较佳的实施例中，所述压缩机组还包括储气罐，所述储气罐连接有存气阀和用气阀，所述存气阀的另一端与所述压缩机组的排气口连接，所述用气阀的另一端与所述压缩机组的吸气口连接。
在一些较佳的实施例中，所述第二换热器为多股流换热器，所述第一汽液分离器的液相出口与所述第二换热器的第三股流入口连接，所述第二换热器的第三股流出口与所述第二节流阀的入口连接，所述第二节流阀的出口通过三通管道与所述第二换热器的低温介质出口以及第一换热器的低温介质入口连接。
在一些较佳的实施例中，还包括第三换热器，所述第三换热器的高温介质出口与所述第二换热器的高温介质入口连接，所述第三换热器的高温介质出口与所述第一节流阀的入口连接，所述蒸发器的出口与所述第三换热器的低温介质的入口连接，所述第三换热器的低温介质出口与所述第二换热器的低温介质入口连接。
在一些较佳的实施例中，还包括第二组分调节罐、第三调控阀vi2-1及第四调控阀vo2，所述第二组分调节罐的入口和出口分别与所述第三调控阀vi2-1的出口及所述第四调控阀的入口连接，所述第三调控阀vi2-1的入口通过三通管道与所述第一汽液分离器的液相出口和所述第二节流阀的入口连接，所述第四调控阀的出口通过三通管道与所述第二换热器的低温介质出口和所述第一换热器的低温介质入口连接。
在一些较佳的实施例中，所述第四调控阀的出口通过三通管道与所述第一换热器的低温介质出口和所述压缩机组吸气口连接。
在一些较佳的实施例中，还包括第一充放工艺阀及第二充放工艺阀，所述第一充放工艺阀的一端与所述第一组分调节罐连接，另一端设置对外接口；所述第二充放工艺阀的一端与所述第二组分调节罐连接，另一端设置对外接口。
在一些较佳的实施例中，所述第一充放工艺阀连接于所述第一组分调节罐的底部，可进行液相的充注和排放；所述第二充放工艺阀连接于所述第二组分调节罐的底部，可进行液相的充注和排放。
在一些较佳的实施例中，还包括第二汽液分离器、第三节流阀vj2、第四调控阀vi1-2，第五调控阀vi2-2，所述第一汽液分离器顶部出来的气相经过所述第二换热器冷却后进入所述第二汽液分离器，所述第二汽液分离器底部出来的液相工质经所述第三节流阀vj2节流后与所述第二换热器与所述第三换热器之间的循环低压混合工质合并后进入所述第二换热器，所述第五调控阀vi2-2的入口通过三通管道与所述第二汽液分离器的液相出口和所述第三节流阀vj2的入口连接，所述第五调控阀vi2-2的出口与所述第二组分调节罐的入口连接。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的可调工质组分的混合工质制冷系统，包括压缩机组、第一组分调节罐、第一换热器、第二换热器、第一汽液分离器、蒸发器、第一调控阀、第二调控阀、第一节流阀及第二节流阀，混合工质经压缩机组压缩为高压气体后，从压缩机组排气口输出，经第一换热器冷却成汽液两相流后进入第一汽液分离器，第一汽液分离器底部出来的液相工质经第二节流阀节流后与第一换热器与第二换热器之间的循环低压工质合并后进入第一换热器，经第一汽液分离器顶部出来的气相工质一部分进入更低温级的第二换热器进行进一步冷却后通过第一节流阀节流成低压工质，并经过蒸发器释放冷量后再经过所述第二换热器回热换热，并与第二节流阀节流后工质汇合后，经第一换热器回热复温后进入压缩机组吸气口，完成一个制冷循环；经第一汽液分离器顶部出来的气相工质另一部分通过第二调控阀进入第一组分调节罐并存储备用，并根据制冷系统需求，通过第一调控阀将第一组分调节罐存储的工质再行注入压缩机组吸气口参与制冷循环，本发明提供的可调工质组分的混合工质制冷系统，通过第一组分调节罐、第一调控阀及第二调控阀，可以调节混合工质制冷系统的循环组分，实现制冷温度调节，制冷功率调节和降温速度调节，低成本的响应用户端的实时需求，且整个系统流程结构简洁、调控简单、综合效率高，经济性好。本发明提供的可调工质组分的混合工质制冷系统，还可应用于大温跨混合工质回热式热泵系统。
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它的附图。
图1为本发明实施例1提供的可调工质组分的混合工质制冷系统的结构示意图。
图2为本发明一较佳实施例提供的压缩机组的结构示意图。
图3为本发明实施例2提供的可调工质组分的混合工质制冷系统的结构示意图。
图4为本发明实施例3提供的可调工质组分的混合工质制冷系统的结构示意图。
图5为本发明实施例4提供的可调工质组分的混合工质制冷系统的结构示意图。
图6为本发明实施例5提供的可调工质组分的混合工质制冷系统的结构示意图。
图7为本发明实施例6提供的可调工质组分的混合工质制冷系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，为本发明实施例1提供的可调工质组分的混合工质制冷系统10的结构示意图。
本发明实施例1提供的可调工质组分的混合工质制冷系统10包括压缩机组110、第一组分调节罐(t1)120、第一换热器130、第二换热器140、第一汽液分离器(s1)150、蒸发器160、第一调控阀(vo1)170、第二调控阀(vi1-1)180、第一节流阀(vj0)190及第二节流阀(vj1)1101。其中：
所述压缩机组110排气口与所述第一换热器130的高温介质入口连接，所述第一换热器130的高温介质出口与所述第一汽液分离器(s1)150的入口连接，所述第一汽液分离器(s1)150的汽相出口与所述第二换热器140的高温介质入口连接，所述第二换热器140的高温介质出口与所述第一节流阀(vj0)190入口连接，所述第一节流阀(vj0)190的出口与所述蒸发器160的入口连接，所述蒸发器160的出口与所述第二换热器140的低温介质入口连接，所述第二换热器140的低温介质出口与所述第一换热器130的低温介质入口连接，所述第一换热器130的低温介质出口与所述压缩机组110的吸气口连接；所述第一汽液分离器(s1)150的液相出口与所述第二节流阀(vj1)1101的入口连接，所述第二节流阀(vj1)1101的出口通过三通管道与所述第二换热器140的低温介质出口以及第一换热器130的低温介质入口连接；所述第一组分调节罐(t1)120的入口和出口分别与所述第一调控阀(vo1)170的入口及所述第二调控阀(vi1-1)180的出口相连接，所述第二调控阀(vi1-1)180的入口通过三通管道与所述第一汽液分离器(s1)150的汽相出口和所述第二换热器140的高温介质入口连接，所述第一调控阀(vo1)170的出口通过三通管道与所述第一换热器130的低温介质出口和所述压缩机组110吸气口连接。
本发明上述实施例1提供的可调工质组分的混合工质制冷系统，其工作原理如下：
混合工质经压缩机组110压缩为高压气体后，从压缩机组110排气口输出，经第一换热器130冷却成汽液两相流后进入第一汽液分离器(s1)150，第一汽液分离器(s1)150底部出来的液相工质经第二节流阀(vj1)1101节流后与第一换热器130与第二换热140器之间的循环低压工质合并后进入第一换热器130，经第一汽液分离器(s1)150顶部出来的气相工质一部分进入更低温级的第二换热器140进行进一步冷却后通过第一节流阀(vj0)190节流成低压工质，并经过蒸发器160释放冷量后再经过所述第二换热器140回热换热，并与第二节流阀(vj1)1101节流后工质汇合后，经第一换热器130回热复温后进入压缩机组110吸气口，完成一个制冷循环；经第一汽液分离器(s1)150顶部出来的气相工质另一部分通过第二调控阀(vi1-1)180进入第一组分调节罐(t1)120并存储备用，并根据制冷系统需求，通过第一调控阀(vo1)170将第一组分调节罐(t1)120存储的工质再行注入压缩机组110吸气口参与制冷循环。
请参阅图2，为本发明一较佳实施例提供的压缩机组110的结构示意图。
所述压缩机组110包括压缩机111、油分离器112及冷凝器113，混合工质经所述压缩机111压缩为高压气体后，进入所述油分离器112分离，经所述油分离器112底部出来的润滑油经节流后，并入所述压缩机组110吸气口的低压混合工质，所述再进入压缩机111进行循环，经所述油分离器112顶部出来的混合工质进入所述冷凝器113，经所述冷凝器113冷却的混合工质通过所述的压缩机组110排气口输出。
可以理解，在气液分离器中，分离出的气相含有更多的低沸点组分，分离出的液相含有更多高沸点组分，在图1中，t1里储存越多的工质(储存的工质低沸点组分多)，则参与制冷循环的工质，低沸点的少，高沸点的多；反之t1里储存越少的工质，则参与制冷循环的工质，低沸点的多，高沸点的少。
在一些较佳的实施例中，所述冷凝器113为水冷冷凝器或者风冷冷凝器或者冷凝蒸发器。
在一些较佳的实施例中，所述压缩机组110还包括储气罐114，所述储气罐114连接有存气阀115和用气阀116，所述存气阀115的另一端与所述压缩机组110的排气口连接，所述用气阀116的另一端与所述压缩机组110的吸气口连接。
在本实施例中，通过第一组分调节罐、第一调控阀及第二调控阀，可以调节混合工质制冷系统的循环组分，实现制冷温度调节，制冷功率调节和降温速度调节，低成本的响应用户端的实时需求，且整个系统流程结构简洁、调控简单、综合效率高，经济性好。
实施例2
请参阅图3，为本发明实施例2提供的可调工质组分的混合工质制冷系统20的结构示意图。
与实施例1提供的可调工质组分的混合工质制冷系统10不同之处在于，实施例2中提供的所述第二换热器210为多股流换热器，所述第一汽液分离器(s1)220的液相出口与所述第二换热器210的第三股流入口连接，所述第二换热器210的第三股流出口与所述第二节流阀(vj1)230的入口连接，所述第二节流阀(vj1)230的出口通过三通管道与所述第二换热器210的低温介质出口以及第一换热器240的低温介质入口连接。
实施例3
请参阅图4，为本发明实施例3提供的可调工质组分的混合工质制冷系统30的结构示意图。
与实施例2提供的可调工质组分的混合工质制冷系统20不同之处在于，实施例3提供的可调工质组分的混合工质制冷系统30，还包括第三换热器310，所述第三换热器310的高温介质出口与所述第二换热器320的高温介质入口连接，所述第三换热器310的高温介质出口与所述第一节流阀(vj0)330的入口连接，所述蒸发器340的出口与所述第三换热器310的低温介质的入口连接，所述第三换热器310的低温介质出口与所述第二换热器320的低温介质入口连接。
可以理解，在一些实施例中，还可以包括第四换热器、第五换热器……，上述换热器在所述混合工质制冷系统30中的连接形式与第三换热器310类似，其换热介质出入口布置，高温介质入口及出口设置于第三换热器310的高温介质出口的下游，且在第一节流阀(vj0)330的上游；低温介质入口及出口设置于蒸发器340出口的下游，且在第三换热器310的低温介质入口的上游。
实施例4
请参阅图5，为本发明实施例4提供的可调工质组分的混合工质制冷系统50的结构示意图。
与实施例1提供的可调工质组分的混合工质制冷系统10不同之处在于，实施例4提供的可调工质组分的混合工质制冷系统40，还包括第二组分调节罐(t2)410、第三调控阀(vi2-1)420及第四调控阀(vo2)430，所述第二组分调节罐(t2)410的入口和出口分别与所述第三调控阀(vi2-1)420的出口及所述第四调控阀(vo2)430的入口连接，所述第三调控阀(vi2-1)420的入口通过三通管道与所述第一汽液分离器(s1)440的液相出口和所述第二节流阀(vj1)450的入口连接，所述第四调控阀(vo2)430的出口通过三通管道与所述第二换热器450的低温介质出口和所述第一换热器460的低温介质入口连接。
可以理解，第二组分调节罐(t2)储存分离出的液相，第二组分调节罐(t2)里储存越多的工质(储存的工质高沸点组分多)，则参与制冷循环的工质，低沸点组分变多，高沸点变少。
在一些较佳的实施例中，所述第四调控阀(vo2)430的出口通过三通管道与所述第一换热器460的低温介质出口和所述压缩机组吸气口连接。
实施例5
请参阅图6，为本发明实施例5提供的可调工质组分的混合工质制冷系统50的结构示意图。
与实施例4提供的可调工质组分的混合工质制冷系统40不同之处在于，实施例5提供的可调工质组分的混合工质制冷系统50，还包括第一充放工艺阀510及第二充放工艺阀520，所述第一充放工艺阀510的一端与所述第一组分调节罐(t1)530连接，另一端设置对外接口；所述第二充放工艺阀520的一端与所述第二组分调节罐(t2)540连接，另一端设置对外接口。
在一些较佳的实施例中，所述第一充放工艺阀510连接于所述第一组分调节罐(t1)530的底部，可进行液相的充注和排放；所述第二充放工艺阀520连接于所述第二组分调节罐(t2)540的底部，可进行液相的充注和排放。
实施例6
请参阅图7，为本发明实施例6提供的可调工质组分的混合工质制冷系统60的结构示意图。
与实施例4提供的可调工质组分的混合工质制冷系统40不同之处在于，实施例6提供的可调工质组分的混合工质制冷系统60，还包括第二汽液分离器(s2)610、第三节流阀(vj2)620、第四调控阀(vi1-2)630，第五调控阀(vi2-2)640，所述第一汽液分离器(s1)650顶部出来的气相经过所述第二换热器660冷却后进入所述第二汽液分离器(s2)670，所述第二汽液分离器(s2)610底部出来的液相工质经所述第三节流阀(vj2)620节流后与所述第二换热器660与所述第三换热器680之间的循环低压混合工质合并后进入所述第二换热器660，所述第五调控阀(vi2-2)640的入口通过三通管道与所述第二汽液分离器(s2)670的液相出口和所述(vj2)620的入口连接，所述第五调控阀(vi2-2)640的出口与所述第二组分调节罐(t2)670的入口连接。
可以理解，经汽液分离器(s2)610顶部出来的气相工质有两种去向，其中一部分气相工质进入更低温级的第三换热器680，进一步冷却后通过第一节流阀(vj0)690节流成低压混合工质，并经过蒸发器6111释放冷量后再经过第三换热器680回热换热，并与前述的第三节流阀(vj2)620节流后工质汇合后，去往第二换热器660；从汽液分离器(s2)610顶部出来的另一部分气相工质通过调控阀(vi1-2)630进入第一组分调节罐(t1)并存储备用。
在一些较佳的实施例中，实施例6提供的可调工质组分的混合工质制冷系统60还包括有第三汽液分离器(s3)、节流阀vj3、调控阀vi1-3及调控阀vi1-4，与第二汽液分离器(s2)610、第三节流阀(vj2)620、第四调控阀(vi1-2)630、第五调控阀(vi2-2)640分别一一对应的采用上述公开的方式连接。
本发明上述实施例提供的可调工质组分的混合工质制冷系统，通过第一组分调节罐(t1)、第一调控阀(vo1)及第二调控阀(vi1-1)，可以调节混合工质制冷系统的循环组分，实现制冷温度调节，制冷功率调节和降温速度调节，低成本的响应用户端的实时需求，且整个系统流程结构简洁、调控简单、综合效率高，经济性好。
当然本发明的可调工质组分的混合工质制冷系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。