利用涡流管能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统的制作方法

本发明涉及低温制冷技术领域，具体涉及一种利用涡流管能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统。

背景技术：

随着科学技术的发展，小型低温制冷机在不同领域的应用范围和需求越来越广，如航空航天、国防军工、低温超导、医疗器械以及交通运输等。按照制冷方式的不同，目前应用较为广泛的小型低温制冷机可分为多种不同的类型，如：节流制冷机、gm制冷机、斯特林制冷机以及脉管制冷机等。其中，节流制冷技术是低温制冷技术中发展最早、应用最早的一种成熟制冷技术，该技术基于工质的实际气体效应，利用制冷工质在等焓节流过程中的温度差来获得制冷效果，而为了在节流过程获得制冷必须要求工质工作在节流效应转化曲线的制冷区内，这样对于转化温度较低的工质，应用于节流制冷机必须增加预冷过程使其温度降低至转化温度以下。

常规的一次节流制冷系统的结构如图1所示，包括压缩机1a、回热器2a、节流阀3a和蒸发器4a，所述压缩机1a的出口与回热器2a的热端入口相连通，所述回热器2a的冷端出口通过节流阀3a与蒸发器4a的入口相连通，所述蒸发器4a的出口与回热器2a的冷端入口相连通，所述回热器2a的热端出口与压缩机1a的入口相连通。该一次节流制冷系统的工作原理如下：工质在压缩机1a中被等温压缩，在回热器2a中与蒸发器4a出来的低温低压气体进行换热被预冷，然后进入节流阀3a进行等焓节流并在蒸发器4a内蒸发吸收外界热量实现制冷，蒸发器4a出来的工质经过回热器2a后回到压缩机1a的入口完成一个完整的循环。

但是现有的一次节流低温制冷系统仍然存在以下技术问题：直接使用节流后的低温低压的预冷气体需经回热器2a、节流阀3a、蒸发器4a之后对回热器2a内的工质进行预冷，所能达到的预冷效果有限，想要获得更低的制冷温度需要更大的压缩机压比。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种结构简单、可采用内部预冷、制冷效率较高的利用涡流管能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统。

本发明的技术解决方案是：一种利用涡流管能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统，包括压缩机、回热器、节流阀和蒸发器，其特征在于：所述回热器包括第一回热器和第二回热器，还包括三通流量调节阀和涡流管，所述压缩机的出口与三通流量调节阀的入口相连通，所述三通流量调节阀的第一出口与第一回热器的热端入口相连通，第二出口与涡流管的入口相连通，所述第一回热器的冷端出口与第二回热器的热端入口相连通，所述第二回热器的冷端出口与节流阀串联后再与蒸发器的入口相连通，所述蒸发器的出口与第二回热器的冷端入口相连通，所述涡流管的冷端出口与第二回热器的热端出口并成一路后与第一回热器的冷端入口相连通，所述第一回热器的热端出口与压缩机的入口相连通。

本发明利用涡流管能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统的工作过程如下：

工质在压缩机中被等温压缩至较高压力后进入三通流量调节阀，三通流量调节阀可以对两路出口的工质流量进行调节和分配以达到最优的匹配，三通流量调节阀的一路高压工质依次进入第一回热器和第二回热器后被冷却，然后流经节流阀节流降压，节流出口的低温低压工质进入蒸发器吸收外部热量实现制冷效果；从蒸发器出来的工质进入第二回热器吸收热量用于对节流前的工质进行预冷；三通流量调节阀的另一路高压工质进入涡流管进行能量分离，分为冷热两股流体，从涡流管的冷端出口出来的低温工质与第二回热器的热端出口出来的工质混合，之后一起进入到第一回热器内吸收热量以对第一回热器内的工质进行预冷；第一回热器的热端出口出来的工质回到压缩机的入口，至此完成一个完整的循环。

采用上述结构后，本发明具有以下优点：

本发明利用涡流管能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统设置两个回热器，并利用涡流管的冷端气体来预冷相对靠近压缩机处的第一回热器，这样可使从压缩机出来的工质在一开始就能获得来自涡流管的预冷，而无需再经过第二回热器、节流阀和蒸发器之后才能对第一回热器进行预冷，预冷效果更好，并且采用内部预冷，预冷更方便；其次，在第一回热器中获得良好的预冷后，更能确保工质工作在节流效应转化曲线的制冷区内，从而使工质气体的膨胀系数更快增大并接近等熵膨胀系数，这样在同样的压比下能获得更高的制冷效率而达到更低的制冷温度；再次，涡流管内通过能量分离效应而获得制冷，这一过程不受工质转变温度的影响，因此可以保证其在低温区也可有效运行；最后，涡流管是一种结构简单无运动部件的装置，在一次节流制冷系统中增加涡流管不会过度增加系统的复杂程度，不会带来振动或噪音等不良影响，从而无需进行复杂的调控。

作为优选，还包括散热器，所述涡流管的热端出口与散热器串联后还与第一回热器的热端出口并成一路后与压缩机的入口相连通。该设置可回收涡流管的热端出口的工质，利用率更高，也更加节能环保。

作为优选，还包括外部预冷装置和第三回热器，所述第三回热器设置在压缩机的出口与三通流量调节阀的入口之间，所述第三回热器的热端入口与压缩机的出口相连通，冷端出口与三通流量调节阀的入口相连通，所述第三回热器的冷端入口和热端出口分别与外部预冷单元串联用于形成外部预冷循环通道。该设置可对压缩机出来的高压气体进行快速外部预冷，从而使得预冷效率更高。

附图说明

图1为现有节流低温制冷系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1的涡流管能量分离效应预冷的节流低温制冷系统的结构示意图；

图3为本发明实施例2的涡流管能量分离效应预冷的节流低温制冷系统的结构示意图；

现有技术图中：1a-压缩机，2a-回热器，3a-节流阀，4a-蒸发器；

本发明图中：1-压缩机，2-第一回热器，3-节流阀，4-蒸发器，5-第二回热器，6-三通流量调节阀，7-涡流管，8-散热器，9-外部预冷装置，10-第三回热器。

具体实施方式

下面结合附图，并结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

一种利用涡流管能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统，包括压缩机1、回热器、节流阀、蒸发器4和散热器8，所述回热器包括第一回热器2和第二回热器5，还包括三通流量调节阀6和涡流管7，所述压缩机1的出口与三通流量调节阀6的入口相连通，所述三通流量调节阀6的第一出口与第一回热器2的热端入口相连通，第二出口与涡流管7的入口相连通，所述第一回热器2的冷端出口与第二回热器5的热端入口相连通，所述第二回热器5的冷端出口与节流阀3串联后再与蒸发器4的入口相连通，所述蒸发器4的出口与第二回热器5的冷端入口相连通，所述涡流管7的冷端出口与第二回热器5的热端出口并成一路后与第一回热器2的冷端入口相连通，所述涡流管7的热端出口与散热器8串联后还与第一回热器2的热端出口并成一路后与压缩机1的入口相连通。

本实施例中采用氮气作为制冷工质，系统的工作过程和对应的工况如下：压缩机1出口为压力ph＝5mpa,温度tc＝20℃的高压氮气，在三通流量调节阀6处分流；进入涡流管7支路的工质流量占压缩机1出口总流量的比例即分流比为x＝0.6，这部分制冷工质在涡流管7中发生能量分离，分为热流体和冷流体，通过调节涡流管7的热端调节阀可以获得不同的冷流比，所述冷流比是指涡流管7冷端出口工质占进入涡流管7的工质总量的比例，本实施例中冷流比为u＝0.3，此时涡流管7出口的压力为pl＝0.1mpa,热端出口工质温度为57.4℃，冷端出口工质温度为-69.2℃；三通流量调节阀6出口另一支路的工质在第一回热器2和第二回热器5中持续冷却，然后进入节流阀3节流，节流过程为等焓过程，节流出口压力为pl＝0.1mpa，温度为tl＝-195.8℃,干度为q＝0.879；节流后的工质，进入蒸发器4中蒸发吸收外部热量产生制冷效果，蒸发器4出口为低温饱和气体，进入第二回热器5中吸热以对节流前的工质进行预冷，然后与涡流管7冷端出口的低温低压工质混合，一起进入第一回热器2中对节流回路工质进行预冷，在第一回热器2中完成换热后这股流体的温度上升到tc＝20℃，压力为pl＝0.1mpa，流量为压缩机1出口总流量的0.58；涡流管7热端出口的低压高温工质进入散热器8中散热，温度下降到tc＝20℃，与第一回热器2热端出口的工质混合后一起回到压缩机1入口。

作为对比，传统的一次节流制冷系统的工作过程和对应的工况如下：工质在压缩机1a中被等温压缩至压力ph＝5mpa,温度tc＝20℃，在回热器2a中与蒸发器4a出来的低温低压气体进行换热被预冷，然后进入节流阀3a进行等焓节流，节流后状态为压力pl＝0.1mpa，温度tl＝-195.8℃,干度q＝0.975，在蒸发器4a内蒸发吸收外界热量实现制冷，蒸发器4a出来的工质经过回热器2a后回到压缩机1a入口完成一个完整的循环。

在相同的工况下，经热力学计算表明，本实施例的利用涡流管7能量分离效应预冷的一次节流低温制冷系统的系统性能cop为0.0268，卡诺效率为0.0748；而相同工况下常规的一次节流低温制冷系统的系统性能cop为0.0149，卡诺效率为0.0415；因此本实施例的一次节流低温制冷系统的cop和卡诺效率较常规的一次节流低温制冷系统提高了约80％。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上增加了外部预冷装置9和第三回热器10，所述第三回热器10设置在压缩机1的出口与三通流量调节阀6的入口之间，所述第三回热器10的热端入口与压缩机1的出口相连通，冷端出口与三通流量调节阀6的入口相连通，所述第三回热器10的冷端入口和热端出口分别与外部预冷装置9串联用于形成外部预冷循环通道。该设置可对压缩机1出来的高压气体进行快速外部预冷，从而使得预冷效率更高。