专利名称：纯相变无热制冷工艺方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及制冷技术，特别涉及一种不向外界环境排放热量的纯相变无热制冷工艺方法及其装置。
现有的制冷技术，尤其在工业与民用上广泛应用的蒸气压缩式制冷技术，在制冷过程中，一方面进行制冷，一方面却向外界环境排放热量，而且产热量多于甚至大大多于制冷量。就环境总效果而言，现有的制冷技术是越制冷越产热，越产热越不能制冷，越不能制冷也就越产热，从而形成恶性循环。当制冷机的蒸发温度与环境冷凝温度之间的温差较大时，现有制冷技术的制冷效率极低，甚至无法制冷。
本发明的目的是提供一种新的纯相变无热制冷工艺方法及其装置，其制冷量远远多于产热量，它不向外界环境排放热量，制冷效率高。
本发明的技术方案如下一种纯相变无热制冷工艺方法，其首级制冷循环是，液态制冷工质蒸发汽化，释放汽化潜热，产生制冷量，所生成的蒸气压缩成较高压高温气体，通过排热降温冷却，冷凝成液态工质，节流后液态工质进一步冷却，然后再次吸热蒸发制冷，再将蒸气抽离，降低蒸气压力，使蒸发温度达到设定温度；系统由首级和末级制冷循环组成的二级以上的多级相变制冷循环构成，将首级蒸气压缩制冷循环的制冷压缩机和冷凝器浸泡在次一级液态制冷工质中，使其产生的热量被次一级液态制冷工质的汽化潜热全部吸收，从而使首级制冷循环的制冷蒸发温度与冷凝环境温度之间的温差，减小到使首级制冷循环实现正常制冷；首级制冷循环之后的其它各级制冷循环为相变以冷制冷循环，它们均利用上一级制冷循环所提供的更低温度的冷量，来降温冷凝本级制冷工质相变制冷后所产生的蒸气，使工质由气相恢复成液相，实现相变以冷制冷循环，在每一级相变以冷制冷循环中，蒸气首先被冷凝成过冷液态工质，过冷液态工质层层下流，与从下部不断进入并层层上溯的蒸气进行对流换热，最后源源不断地成为接近于饱和温度的液态工质，使冷凝液化蒸气过程所消耗的冷量微乎其微；同一级相变以冷制冷循环中，制冷工质相变汽化所提供的制冷量远大于液化蒸气所消耗的冷量；末级相变以冷制冷循环，其所制冷量对外供冷；各级制冷循环中的制冷工质的蒸发温度按系统连接次序逐级增高，首级制冷工质的蒸发温度为低，末级为高。
一种纯相变无热制冷装置，它包括制冷压缩机，与其连接的冷凝器，在冷凝器的另一端通过高压管连接的节流器，与节流器通过输液管连接的蒸发器，蒸发器的另一端通过回气管与制冷压缩机连接，形成首级制冷循环，其内充注制冷工质；它还包括第一保温压力容器，工质泵，工质输液管，保温回气管，末级蒸发器和末端保温压力容器；所述第一保温压力容器的底部充注有液态制冷工质，并被分成上下两层，其下层是一封闭空间，内装首级制冷压缩机和冷凝器，上下两层之间通过液位调节器、补液管和通气管连通，第一保温压力容器的中部设置二层以上交错排列的过冷液态工质冷凝板，形成重复利用冷量的冷凝空间，第一保温压力容器的顶部装有首级蒸发器；所述末端保温压力容器内装有末级蒸发器；工质泵与第一保温压力容器连接，工质泵的另一端通过工质输液管与末级蒸发器连接，末级蒸发器通过保温回气管与第一保温压力容器连接；启动工质泵，使液态制冷工质进入工质泵，加压后经工质输液管进入末级蒸发器内，汽化后产生的蒸气经保温回气管输入第一保温压力容器内冷凝空间，形成末级相变以冷制冷循环，对外供冷。
本发明利用液态工质的汽化潜热制冷，对首级制冷之后的其他各级相变以冷制冷循环中的工质蒸气不施加机械压缩，让其在原有饱和压力状况下降温冷凝。由于饱和蒸气在本发明所述装置内降温冷凝过程中所需的冷量可以重复利用，所以原始冷量消耗甚微。当采用低温差制冷的现有蒸气压缩制冷技术制取原始冷量时，其制冷效率较高，产生的热量甚微，而且其少量的热量可以在次一级制冷过程中被液态制冷工质汽化潜热消耗，因此本发明所述制冷工艺方法及其装置不向外界环境排放热量，制冷效率高。
下面结合附图对本发明作详细描述。
图1是一种纯相变无热制冷工艺方法及其纯相变无热制冷装置结构的示意图。
图2是上述纯相变无热制冷含有中间级制冷循环的工艺方法及其装置结构的示意图。
参看图1，本发明的系统由首级和末级制冷循环组成的二级以上的相变多级制冷循环构成。其首级制冷循环利用现有技术，将液态制冷工质蒸发汽化，释放汽化潜热，产生制冷量，所生成的蒸气压缩成较高压高温气体，通过排热降温冷却，冷凝成液态工质，节流后液态工质进一步冷却，然后再次吸热蒸发制冷，再将蒸气抽离，降低蒸气压力，使蒸发温度达到设定温度。
本发明所述的纯相变无热制冷工艺方法的特点是，将首级蒸气压缩制冷循环的制冷压缩机和冷凝器浸泡在次一级液态制冷工质中，使其产生的热量被次一级液态制冷工质汽化中的汽化潜热全部吸收，从而使首级制冷循环的制冷蒸发温度与冷凝环境温度之间的温差，减小到使首级制冷循环实现正常制冷。
首级制冷循环之后的其它各级相变以冷制冷循环，利用上一级制冷循环所提供的更低温度的冷量，来降温冷凝本级制冷工质相变制冷后所产生的蒸气，在每一级相变以冷制冷循环中，蒸气首先被冷凝成过冷液态工质；过冷液态工质层层下流，与从下部不断进入并层层上溯的蒸气进行对流换热；最后源源不断地成为接近于饱和温度的液态工质，使冷凝液化蒸气所消耗的冷量微乎其微。同一级以冷制冷循环中，汽化制冷工质的制冷量远大于液化蒸气所消耗的冷量。
末级相变以冷制冷循环，其所得冷量对外供冷。
各级制冷循环中的制冷工质的蒸发温度按系统连接次序逐级增高，首级制冷工质的蒸发温度为低，末级为高。
在相变以冷制冷循环过程中，由于原始冷量消耗甚微，在次一级制冷量巨大的情况下，首级制冷所需功率甚小，因此制冷效率很高。在首级制冷所耗机械功率不变的情况下，还可以将次一级制冷所得的巨大制冷量作为原始冷量，再进行第三级相变以冷制冷循环而扩增冷量。如此类推，还可以进行第四级、第五级乃至第十级以上相变以冷制冷循环，其制冷效率极高。
本发明所述二级以上的多级制冷循环是，在首级制冷循环与末级制冷循环之间还设置中间级制冷循环，将首级或上一级制冷循环所得的制冷量作为冷凝下一级制冷工质蒸气的冷量，使下一级蒸气冷凝成过冷液态工质，并使过冷液态工质经层层下流与从下部源源不断进入的蒸气再进行对流换热，最后成为接近于饱和温度的液态制冷工质。
中间级制冷循环是中间一级制冷循环，或附加中间二级制冷循环后的中间一级、中间二级制冷循环，或附加中间二级、中间三级制冷循环后的中间一级、中间二级及中间三级制冷循环，依此类推。
多级相变以冷制冷循环系统，可以由不同沸点的多种制冷工质，依沸点温度之序实现，即按系统连接次序，分别选用不同沸点的制冷工质，在系统连接次序的首级选用较低沸点的制冷工质，在系统连接次序的末级选用较高沸点的制冷工质；也可以由同一种制冷工质在不同压力对应下的不同沸点温度下依压力之序进行，即制冷工质是同一种制冷工质，按系统连接次序，在其首级设定的蒸发温度为低，在其末级设定的蒸发温度为高。
本发明所述的纯相变无热制冷装置应用上述纯相变无热制冷工艺方法来加以实施。按图1所示，一种无热制冷装置包括现有技术的制冷压缩机1，与其连接的冷凝器2，在冷凝器2的另一端通过高压管3连接的节流器4，与节流器4通过输液管5连接的蒸发器6，蒸发器6的另一端通过回气管7与制冷压缩机1连接，形成首级制冷循环，其内充注制冷工质。该纯相变无热制冷装置还包括第一保温压力容器8，工质泵9，工质输液管10，保温回气管11，末级蒸发器12和末端保温压力容器13。
第一保温压力容器8的底部充注液态制冷工质14。该容器被分成上下两层，其下层是一封闭空间，制冷压缩机1和冷凝器2被浸泡在内。上下两层之间通过液位调节器25、补液管15和通气管16连通。第一保温压力容器8的中部设置二层以上交错排列的过冷液态工质冷凝板17，形成重复利用冷量的冷凝空间。第一保温压力容器8的顶部安装蒸发器6，即首级蒸发器6。
末端保温压力容器13内安装末级蒸发器12。
工质泵9与第一保温压力容器8通过吸液管18连接，工质泵9的另一端通过工质输液管10与末级蒸发器12连接。末级蒸发器12通过保温回气管11与第一保温压力容器8连接。使用时，启动工质泵9，使液态制冷工质14进入工质泵9，加压后经工质输液管10进入末级蒸发器12内，汽化后产生的蒸气经保温回气管11输入第一保温压力容器内冷凝空间，形成末级相变以冷制冷循环，对外供冷。
本发明所述纯相变无热制冷装置的使用操作程序如下1、往第一保温压力容器8的下层充注液态制冷工质14，往首级制冷循环内充注制冷工质，往末级制冷循环内充注制冷剂19。
2、启动制冷压缩机1，由于制冷压缩机1和冷凝器2均浸泡在液态制冷工质14内，启动初期，首级制冷循环所产生的热量使液态制冷工质14升温，达到设定蒸发温度。与此同时，蒸发器6能够迅速达到正常制冷供冷工况，第一保温压力容器8下层内的液态制冷工质14开始从自身吸热汽化，蒸气经通气管16进入第一保温压力容器8上层，被蒸发器6冷凝成过冷液态工质，顺着过冷液态工质冷凝板17层层下流，形成冷凝温梯。
3、第一保温压力容器8下层内的液态制冷工质14被首级制冷循环排热量加热到一定时间后，第一保温压力容器8上层气压低于下层气压之时，下层液态制冷工质14不再升温，发生蒸发汽化。当液态制冷工质14减少、液面下降时，液位调节器25自动将第一保温压力容器8的上层液态制冷工质14通过补液管15补充给下层，恒定维持该液态制冷工质14的液面高度。第一保温压力容器8的下层空间，因消耗首级制冷所产生的热量而蒸发汽化的蒸气，通过通气管16进入第一保温压力容器8的上层冷凝空间，源源不断地被液化。
4、启动工质泵9，让液态制冷工质14通过吸液管18进入工质泵9，加压后经工质输液管10进入末级蒸发器12内。由于载冷剂19从载冷剂进口20经过末端保温压力容器13，不断地从载冷剂出口21流出，源源不断地提供常温热量，使制冷工质蒸发汽化制冷，汽化后的蒸气经保温回气管11进入第一保温压力容器8内冷凝空间。
5、载冷剂19源源不断地从载冷剂进口20流入，在末端保温压力容器13内与末级蒸发器12进行冷热交换，使载冷剂19在载冷剂出口21处达到设定供冷温度值，源源不断地向用户供冷。
参看图2，本发明所述纯相变无热制冷装置设有中间级制冷循环，在首级制冷循环与末级制冷循环之间设置中间级制冷循环，即在第一保温压力容器8与末端保温压力容器13之间设置第二以上保温压力容器。第二以上保温压力容器内充注有液态制冷工质23。按图中所示，第二保温压力容器22的中部设置二层以上交错排列的过冷液态工质冷凝板17’，形成重复利用冷量的冷凝空间。该保温压力容器22的顶部装有中间级蒸发器24，中间级蒸发器24由工质输液管10”、保温回气管11”、工质泵9”与第一保温压力容器8或上一个保温压力容器内冷凝空间连通形成相变以冷制冷循环。第二以上保温压力容器(图中所示为第二保温压力容器22)内冷凝空间通过工质泵9’、工质输液管10’和保温回气管11’与下一级蒸发器(图中所示为末级蒸发器12)连通，形成相变以冷制冷循环，从而进行多级制冷。
按图2所示的含有中间一级制冷循环的纯相变无热制冷装置，其使用操作程序如同前述的使用操作程序第1、2、3条一样，第4条以后的使用操作程序如下4、启动工质泵9’，让液态制冷工质23通过吸液管18’进入工质泵9’，加压后，通过工质输液管10’进入末级蒸发器12。由于载冷剂19从载冷剂进口20经过末端保温压力容器13，不断地从载冷剂出口21流出，源源不断地提供常温热量，使液态工质23蒸发汽化制冷，汽化后的蒸气经保温回气管11’进入中间级制冷循环的第二保温压力容器22内冷凝空间。
5、启动工质泵9”，让液态制冷工质14经吸液管18”进入工质泵9”，加压后经工质输液管10”进入中间级蒸发器24。由于液态制冷工质14的沸点低于中间级制冷循环的液态制冷工质23的沸点，中间级蒸发器24所提供的制冷量冷凝气态制冷工质23。气态制冷工质23经中间级蒸发器24冷凝成过冷液态工质后，顺着第二保温压力容器22内的过冷液态工质冷凝板17’层层下流，形成冷凝温梯。
6、工质泵9’连续运行，将蒸发温度达到设定值的液态制冷工质23源源不断地输入末端保温压力容器13内，从载冷剂19吸热汽化制冷。
7、载冷剂19源源不断地从载冷剂进口20流入，在末端保温压力容器13内与末级蒸发器12进行冷热交换，使载冷剂19在载冷剂出口21处达到设定供冷温度值，源源不断地向用户供冷。
本发明的对外实际制冷供冷温度可以在常温与深冷低温之间任意设定。
本发明所述的纯相变无热制冷工艺方法及其装置由于其高倍的制冷效率，大大节省了制冷电能，降低了制冷供冷的生产成本。本发明在原理、工业和商业上的应用都包含在本发明的权利要求范围内，任何在此基础上的改进技术都取自于本发明的权利要求。
权利要求
1.一种纯相变无热制冷工艺方法，其首级制冷循环是，液态制冷工质蒸发汽化，释放汽化潜热，产生制冷量，所生成的蒸气压缩成较高压高温气体，通过排热降温冷却，冷凝成液态工质，节流后液态工质进一步冷却，然后再次吸热蒸发制冷，再将蒸气抽离，降低蒸气压力，使蒸发温度达到设定温度；其特征在于，系统由首级和末级制冷循环组成的二级以上的多级相变制冷循环构成，将首级蒸气压缩制冷循环的制冷压缩机和冷凝器浸泡在次一级液态制冷工质中，使其产生的热量被次一级液态制冷工质的汽化潜热全部吸收，从而使首级制冷循环的制冷蒸发温度与冷凝环境温度之间的温差，减小到使首级制冷循环实现正常制冷；首级制冷循环之后的其它各级制冷循环为相变以冷制冷循环，它们均利用上一级制冷循环所提供的更低温度的冷量，来降温冷凝本级制冷工质相变制冷后所产生的蒸气，使工质由气相恢复成液相，实现相变以冷制冷循环，在每一级相变以冷制冷循环中，蒸气首先被冷凝成过冷液态工质，过冷液态工质层层下流，与从下部不断进入并层层上溯的蒸气进行对流换热，最后源源不断地成为接近于饱和温度的液态工质，使冷凝液化蒸气过程所消耗的冷量微乎其微；同一级相变以冷制冷循环中，制冷工质相变汽化所提供的制冷量远大于液化蒸气所消耗的冷量；末级相变以冷制冷循环，其所制冷量对外供冷；各级制冷循环中的制冷工质的蒸发温度按系统连接次序逐级增高，首级制冷工质的蒸发温度为低，末级为高。
2.根据权利要求1所述的纯相变无热制冷工艺方法，其特征在于，所述二级以上的多级制冷循环在首级制冷循环与末级制冷循环之间还设置中间级制冷循环，将首级或上一级制冷循环所得的制冷量作为冷凝下一级制冷工质蒸气的冷量，使下一级蒸气冷凝成过冷液态工质，并使过冷液态工质经层层下流与从下部源源不断进入的蒸气进行对流换热，最后成为接近于饱和温度的液态制冷工质。
3.根据权利要求2所述的无热制冷工艺方法，其特征在于，所述中间级制冷循环是中间一级制冷循环，或附加中间二级制冷循环后的中间一级、中间二级制冷循环，或附加中间二级、中间三级制冷循环后的中间一级、中间二级及中间三级制冷循环，依此类推。
4.一种纯相变无热制冷装置，它包括制冷压缩机，与其连接的冷凝器，在冷凝器的另一端通过高压管连接的节流器，与节流器通过输液管连接的蒸发器，蒸发器的另一端通过回气管与制冷压缩机连接，形成首级制冷循环，其内充注制冷工质；其特征在于，它还包括第一保温压力容器，工质泵，工质输液管，保温回气管，末级蒸发器和末端保温压力容器；所述第一保温压力容器的底部充注有液态制冷工质，并被分成上下两层，其下层是一封闭空间，内装首级制冷压缩机和冷凝器，上下两层之间通过液位调节器、补液管和通气管连通，第一保温压力容器的中部设置二层以上交错排列的过冷液态工质冷凝板，形成重复利用冷量的冷凝空间，第一保温压力容器的顶部装有首级蒸发器；所述末端保温压力容器内装有末级蒸发器；工质泵与第一保温压力容器连接，工质泵的另一端通过工质输液管与末级蒸发器连接，末级蒸发器通过保温回气管与第一保温压力容器连接；启动工质泵，使液态制冷工质进入工质泵，加压后经工质输液管进入末级蒸发器内，汽化后产生的蒸气经保温回气管输入第一保温压力容器内冷凝空间，形成末级相变以冷制冷循环，对外供冷。
5.根据权利要求4所述的纯相变无热制冷装置，其特征在于，所述首级制冷循环与末级制冷循环之间设置中间级制冷循环，即在所述第一保温压力容器与末端保温压力容器之间设置第二以上保温压力容器；所述第二以上保温压力容器内充注有液态制冷工质，该保温压力容器的中部设置二层以上交错排列的过冷液态工质冷凝板，形成重复利用冷量的冷凝空间，该保温压力容器的顶部装有中间级蒸发器，中间级蒸发器由工质输液管、保温回气管、工质泵与第一保温压力容器或上一个保温压力容器内冷凝空间连通形成相变以冷制冷循环；该第二以上保温压力容器内冷凝空间通过工质泵、工质输液管和保温回气管与下一级蒸发器连通，形成相变以冷制冷循环。
全文摘要
本发明涉及一种纯相变无热制冷工艺方法及其装置,系统由二级以上多级相变制冷循环构成。首级为蒸汽压缩,其他各级为重复利用上一级提供的更冷冷量液化本级蒸汽的相变以冷制冷循环。首级的压缩机、冷凝器浸泡在次一级液态工质中,热量为其汽化潜热消耗,致使冷凝与蒸发温度接近,正常制冷供冷。各级制冷工质蒸发温度依级次递增排列。中间级逐级高倍扩大制冷量,末级对外供冷。全系统无外排热量,制冷效率特高。
文档编号F25B7/00GK1186935SQ97119920
公开日1998年7月8日 申请日期1997年10月27日 优先权日1997年10月27日
发明者易元明 申请人:天然国际新科学技术研究院, 易元明