一种使复叠式低温制冷机长周期稳定运行的装置和方法与流程

本发明属于制冷领域，具体涉及一种使复叠式低温制冷机长周期稳定运行的装置和方法。

背景技术

复叠式制冷循环是将较大的总温差分割成两段或若干段，根据每段的温区选择适宜的制冷剂循环，然后将它们叠加起来，用高温级的制冷量来承担低温级的冷凝负荷，从而获取较低制冷温度的方式。

复叠式制冷属于蒸汽压缩式制冷的一种特殊形式，通常由两到三个工作温区不同的独立蒸汽压缩式制冷循环组成，以两级复叠式制冷循环为例，它由高温级和低温级两部分组成，高温级中使用中温制冷剂，低温级中使用低温制冷剂，形成两个单级压缩制冷系统复叠工作的循环。两级系统之间采用冷凝蒸发器衔接起来，高温级的中温制冷剂在其中蒸发制冷，使低温制冷剂在其中放热，与蒸发的中温制冷剂进行热交换后被冷凝成液体。从冷凝蒸发器出来的中温制冷剂蒸气带走低温制冷剂的冷凝热量，经过高温级制冷循环将热量传递给环境介质。而从冷凝蒸发器出来的低温制冷剂液体，经低温级节流阀降压后，进入蒸发器吸取被冷却物的热量而蒸发制冷，获取所需要的低温。

复叠式循环制冷的优点在于通过常规的蒸气压缩式制冷循环，在正常工作压力范围和压比的前提下能实现低至-140℃的制冷温度，在使工作效率的同时极大地拓宽了常规系统的制冷温区。复叠式深冷机组主要在冷库，制药上运用较多，但是在单机制冷量大于300kw，温区在-60℃至-90℃，大于72小时长周期不停机工况下运行，国内制冷机很难达到。

技术实现要素：

为了解决低温制冷机长周期运行时制冷能力下降的问题，本发明的目的在于提供一种适用于温区为-60℃至-90℃，使复叠式低温制冷机长周期稳定运行的装置和方法。

一种使复叠式低温制冷机长周期稳定运行的装置，包括低温制冷系统和载冷剂加热系统，所述低温制冷系统包括制冷剂储罐、第一蒸发器、第二蒸发器、低温级压缩机、冷却器、油气分离器和载冷剂储罐；制冷剂储罐出口管道的末端分为两路，第一路经第一膨胀阀、第一蒸发器与低温级压缩机相连，第二路经第二膨胀阀、第二蒸发器与低温级压缩机相连，低温级压缩机、冷却器和油气分离器依次通过管道相连，油气分离器的出口通过管道和制冷剂储罐的进口相连；

所述载冷剂储罐的出口管道上设有两个支路，一个支路上设有循环泵，另一个支路上设有供冷泵，循环泵的出口管道的末端分为两路，第一路经第一电磁阀、第一蒸发器、第二电磁阀返回至载冷剂储罐，第二路经第三电磁阀、第二蒸发器、第四电磁阀返回至载冷剂储罐，进入供冷泵的载冷剂经换热器加热后返回至载冷剂储罐。

所述载冷剂加热系统包括载冷剂加热罐和复热屏蔽泵，载冷剂加热罐和复热屏蔽泵通过管道连接，复热屏蔽泵出口管路的末端设有两个支路，一个支路经第五电磁阀、第一蒸发器、第六电磁阀返回至载冷剂加热罐，另一个支路经第七电磁阀、第二蒸发器、第八电磁阀返回至载冷剂加热罐。

所述载冷剂加热罐的顶部通过管道和载冷剂储罐相连，且该管道上设有安全阀。

所述载冷剂储罐的出口管道上设有两个支路，一个支路上设有循环泵，另一个支路上设有供冷泵。

低温制冷系统应用的制冷剂是r23，冷冻油为solest32，载冷剂是二氯甲烷。

所述制冷剂储罐的进出口管道上、油气分离器的出口管道上均设有调节阀。

所述第一蒸发器和低温级压缩机之间的管道上设有第一压力表，第二蒸发器和低温级压缩机之间的管道上设有第二压力表。

利用上述装置使复叠式低温制冷机长周期稳定运行的方法，低温制冷系统中第一蒸发器在进行膨胀制冷时，第二蒸发器则通过载冷剂加热系统进行升温复热，以蒸发蒸发器板换积存的r23和附着的冷冻油，第二蒸发器工作时，第一蒸发器则进行升温复热。

第一蒸发器或第二蒸发器的运行时间小于48小时，低温级压缩机进口压力为0.6-1.5bar，出口压力为15-20bar。

载冷剂加热系统将被复热的蒸发器温度升高至20-50℃后，保持30-60分钟。

本发明在复叠式低温制冷机低温供冷部位设置两个能力相同的低温蒸发器，两个进行交替工作和复热，以解决低温制冷机长周期运行时制冷能力下降的问题。本发明在进行复热时，不会对制冷剂循环产生重大影响，使制冷机组始终在稳定的状态下循环制冷。

具体的，在一组低温蒸发器的运行时间小于48小时，低温级压缩机进口压力为0.6-1.5bar，出口压力为15-20bar。

第一蒸发器在进行膨胀制冷时，第二蒸发器则进行升温复热，以蒸发板换中长时间运行积存的r23和板换上附着的冷冻油。第二蒸发器工作时，第一蒸发器则进行复热操作，整个过程可由程序自动控制，达到无缝切换。采用载冷剂供冷，用工业用循环水加热载冷剂，载冷剂加热低温蒸发器以实现蒸发器的除霜（即除去蒸发板换中长时间运行积存的r23和板换上附着的冷冻油）。复热结束的蒸发器则处于待机状态以备切换。

载冷剂加热罐可由工业用循环水、中水等多种加热方式。

被复热的蒸发器温度可升高至5-32℃后，保持30-60分钟可完全除霜。由plc全自动控制各个阀组的切换，不需要人工参与，具体参数可根据实际情况调整。复热程序停止时，载冷剂加热罐内载冷剂始终保持在5-32℃。顶部设置安全阀，溢出介质流入载冷剂储罐内。

和现有技术相比，本发明的有益效果是：

传统的复叠制冷机都设置一个蒸发器，长周期运行后会造成制冷能力和效率下降，运行不稳定。本发明在本复叠深冷机低温供冷部位有两个能力相同的低温蒸发器，两个进行交替工作和复热（即除霜），以解决低温制冷机长周期运行时由冷冻油和制冷剂影响造成的制冷能力下降的问题。本发明在进行复热时，不会对制冷剂循环产生重大影响，使制冷机组始终在稳定的状态下循环制冷，间接达到了节能降耗的目的。本发明能使复叠式低温制冷机为对冷量稳定性要求更高，且能为工作周期更长的工业生产工艺提供更稳定的冷量供给。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图中，1.制冷剂储罐，21.第一膨胀阀，22.第二膨胀阀，31.第一蒸发器，32.第二蒸发器，41.第一压力表，42.第二压力表，51.第一电磁阀，52.第二电磁阀，53.第三电磁阀，54.第四电磁阀，55.第五电磁阀，56.第六电磁阀，57.第七电磁阀，58.第八电磁阀，6.低温级压缩机，7.冷却器，8.载冷剂储罐，9.循环泵，10.载冷剂加热罐，11.复热屏蔽泵，12.供冷泵，13.油气分离器，14.调节阀，15.安全阀，16.换热器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

如图1所示，一种使复叠式低温制冷机长周期稳定运行的装置，包括低温制冷系统和载冷剂加热系统，所述低温制冷系统包括制冷剂储罐1、第一膨胀阀21、第二膨胀阀22、第一蒸发器31、第二蒸发器32、第一压力表41、第二压力表42、低温级压缩机6、冷却器7、油气分离器13、载冷剂储罐8、循环泵9、供冷泵12和换热器16；制冷剂储罐1出口管道的末端分为两路，第一路经第一膨胀阀21、第一蒸发器31、第一压力表41与低温级压缩机6相连，所述第一蒸发器31和第二蒸发器32均包含热流管道和冷流管道，第一膨胀阀21和第一蒸发器31的冷流管道相连，第二路经第二膨胀阀22、第二蒸发器32、第二压力表42与低温级压缩机6相连，第二膨胀阀22与第二蒸发器32的冷流管道相连，低温级压缩机6、冷却器7和油气分离器13依次通过管道相连，油气分离器13的出口通过管道和制冷剂储罐1的进口相连，油气分离器13出口处的管道上、制冷剂储罐1的进口处管道上以及制冷剂储罐1的出口处管道上均设有调节阀14；所述制冷剂在第一蒸发器31、第二蒸发器32的走向均是下进上出。

所述载冷剂储罐8出口管道上设有两个支路，一个支路上设有循环泵9，另一个支路上设有供冷泵12和换热器16，经供冷泵12送载冷剂至换热器16被加热后返回至载冷剂储罐8，循环泵9的出口管道的末端分为两路，第一路经第一电磁阀51、第一蒸发器31的热流管道、第二电磁阀52返回至载冷剂储罐8，第二路经第三电磁阀53、第二蒸发器32的热流管道、第四电磁阀54返回至载冷剂储罐8；所述载冷剂储罐8中的载冷剂在第一蒸发器31、第二蒸发器32中的走向均是上进下出。

所述载冷剂加热系统包括载冷剂加热罐10和复热屏蔽泵11，载冷剂加热罐8和复热屏蔽泵11通过管道连接，复热屏蔽泵11出口管路的末端设有两个支路，一个支路经第五电磁阀55、第一蒸发器31、第六电磁阀56返回至载冷剂加热罐10，另一个支路经第七电磁阀57、第二蒸发器32、第八电磁阀58返回至载冷剂加热罐10。所述第五电磁阀55和第一蒸发器31的热流管道相连，所述第七电磁阀57和第二蒸发器32的热流管道相连，载冷剂加热罐10中的载冷剂在第一蒸发器31、第二蒸发器32中的走向是下进上出。

所述载冷剂加热罐10的顶部通过管道和载冷剂储罐8相连，且该管道上设有安全阀15，载冷剂加热罐10中溢出载冷剂流入载冷剂储罐8内。

低温制冷系统应用的制冷剂是r23，冷冻油为solest32，制冷剂储罐1中装有制冷剂r23和冷冻油solest32，载冷剂是二氯甲烷，载冷剂加热罐10和载冷剂储罐8中装有载冷剂二氯甲烷。

工作时，例如，需对第二蒸发器32进行复热（即除霜时），第一蒸发器31为工作状态，第三电磁阀53、第四电磁阀54、第五电磁阀55、第六电磁阀56以及第二膨胀阀32关闭，制冷剂储罐1中的（-25~-50℃）液体制冷剂r23和冷冻油solest32经第一膨胀阀21膨胀制冷后进入第一蒸发器31的冷流管道（经膨胀阀节流后，成为压力较低的-80~-95℃气液混合物后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热充分蒸发而成为压力较低的蒸汽），此时，从载冷剂储罐8中出来的热的二氯甲烷（-50~-80℃）经循环泵9、第一电磁阀51进入第一蒸发器31的热流通道和制冷剂r23进行换热，r23和冷冻油solest32变为气体后进入低温级压缩机6进行压缩，高温高压（温度为90~120℃，压力为15-22bar）的r23和冷冻油solest32气体进入冷却器7冷却为液体（-25~-50℃），冷却后的液体经油气分离器13纯化后返回至制冷剂储罐1，在第一蒸发器31中吸收冷量的二氯甲烷(-80~-95℃)经第二电磁阀52返回至载冷剂储罐8，同时，载冷剂加热罐10中热的（5-32℃）二氯甲烷经复热屏蔽泵11、第七电磁阀57进入第二蒸发器32的热流通道对第二蒸发器32进行加热除霜，被冷却的二氯甲烷（2-10℃）经第八电磁阀58返回至载冷剂加热罐10。

利用上述装置使复叠式低温制冷机长周期高制冷量稳定运行的方法，低温制冷系统中第一蒸发器在进行膨胀制冷时，第二蒸发器则通过载冷剂加热系统进行升温复热，以蒸发蒸发器板换积存的r23和附着的冷冻油solest32，第二蒸发器工作时，第一蒸发器则进行升温复热。

具体地，当需要对第一蒸发器31进行复热时，第二蒸发器32为工作状态，第一电磁阀51、第二电磁阀52、第七电磁阀57、第八电磁阀58以及第一膨胀阀21关闭，完成蒸发器的自动切换操作。制冷剂r23和冷冻油solest32经第二膨胀阀22膨胀制冷后进入第二蒸发器32的冷流管道，此时，从载冷剂储罐8中出来的热的二氯甲烷经循环泵9、第三电磁阀53进入第二蒸发器32的热流通道和制冷剂r23、冷冻油solest32进行换热，r23和冷冻油solest32变为低压气体后进入低温级压缩机6进行压缩，高温高压的r23和冷冻油solest32气体进入冷却器7冷却为液体，冷却后的液体经油气分离器13纯化后返回至制冷剂储罐1，在第二蒸发器32中吸收冷量的二氯甲烷经第四电磁阀54返回至载冷剂储罐8，同时，载冷剂加热管10中热的二氯甲烷经复热屏蔽泵11、第五电磁阀55进入第一蒸发器31的热流通道对第一蒸发器31进行加热除霜，被冷却的二氯甲烷经第六电磁阀56返回至载冷剂加热罐10。

当第一蒸发器31复热后，第一膨胀阀21打开，第二膨胀阀22关闭。切换至第一蒸发器31工作，第二蒸发器32复热，如此反复进行。

控制一组蒸发器的运行时间小于48小时，低温级压缩机进口压力为0.6-1.5bar，出口压力为15-20bar。

载冷剂加热罐10可由工业用循环水（25~32℃）、中水（5~30℃）等多种加热方式对载冷剂进行加热，不仅仅是因为循环水、中水的温度合适，更重要的是循环水、中水不会改变载冷剂二氯甲烷的形态（但是从复热后的蒸发器回到加热罐中的二氯甲烷和载冷剂加热罐10中的二氯甲烷混合后的温度应该高于水的凝固点，所以复热时，控制送去复热蒸发器的二氯甲烷的量和载冷剂加热罐10中剩余的二氯甲烷的量很关键，否则加热介质循环水等会有结冰凝固的可能）。

循环升温至被复热的蒸发器温度升高至5~32℃后，复热屏蔽泵11保持30-60分钟循环即可完成蒸发器的复热过程。整个复热和切换过程由plc全自动控制各个阀门的切换，不需要人工参与，具体参数可根据实际情况调整。复热程序停止时，载冷剂加热罐10内载冷剂始终保持在5~32℃。

小于48小时蒸发器自动复热和切换一次既能满足实例中的生产需要。如有更高的要求时，可适当的缩小自动复热和切换的时间。

本发明可连续向化工工艺提供720小时以上的稳定冷量供给。满足此化工生产冷量需求。且低温制冷机运行稳定，运行效率较之前的单蒸发器低温制冷机显著增高。

本发明在复叠式低温制冷机低温供冷部位设置两个能力相同的低温蒸发器——第一蒸发器31和第二蒸发器32，两个进行交替工作和复热，以解决低温制冷机长周期运行时制冷能力下降的问题。本发明在进行复热时，不会对制冷剂循环产生重大影响，使制冷机组始终在稳定的状态下循环制冷。