[发明专利]单级多次冷凝制冷技术

说明书

本发明属于低温制冷技术领域，是一种单级多次冷凝制取低温的方法及其装置。

采用单级（一台制冷压缩机）压缩制取低于-30℃的低温往往受到两个制约因素：1.制冷剂、2.制冷压缩机。例如蒸发温度为-30℃，冷凝温度为54.4℃，采用R₁₂制冷剂，高压为1.26MP（兆帕），低压为0MP，压差为1.26MP，压比为13.6，压缩机的效率很低。而采用R₂₂为制冷剂，高压为2.3MP，低压为0.063MP，压差约为2.2MP，压比为14，制冷量比R₁₂约大60%，但压差也将增大约60%。而为了压缩机的寿命（减少磨损）和控制排气温度，一般将压缩机的压差控制在1.6MP，压比控制为12。否则压缩机的寿命和效率将降低。尤其用全封闭制冷压缩机，为了降低蒸发温度，蒸发压力只好降低，这带来两个大问题：（1）压比增大，压缩机效率迅速下降（压缩机的余隙容积一般为3～4%，压比若为12，仅此排气量将损失36～48%）;（2）全封闭压缩机的电机的铁铜损耗产生的焦耳热部分靠外壳散到大气中，大部分要靠低压回气冷却，低压压力下降，蒸气流量减小，则吸入气伐内的吸气温度升高，这又使排气温度升高。电机由于得不到充分冷却而致温升太高以至烧毁。这就是冰箱、冰柜及各种低温设备中采用全封闭制冷压缩机最常见的故障。大型装置一般用两级压缩（如4个气缸，三个作为第一级，一个作为第二级）减少压缩比，降低排气温度，而小型装置往往用复叠式制冷即用R₁₂作为第一级，R₂₂甚至更低的制冷剂作为第二级来获得低温，前一种方法压缩机制造复杂，且同一种制冷剂低压压力低，单位容积制冷量相对较小，为此要增大排气量，而这又使得相应的冷凝器、蒸发器及连接管路伐门都要放大，这无疑使整个装置笨重。后一种方法系统也复杂，每级要有压缩机、冷凝器（或冷却器）、分油器、干燥过滤器、蒸发器等等，多一台压缩机，可靠性则下降50%，而用开起式或半封闭制冷压缩机还有制冷剂泄漏之虞。人们在寻求这样一种制冷方法或装置，只要用一种流程可使整个系统的高压压力低，低压压力高，能工作在同样的高温环境温度和蒸发温度条件下，而且压差、压缩比、排温都下降，电机温升也下降，同样冷量的容积流量减小，制冷辅机、管道可减小，可靠性和效率均能提高又而节约能量。

本发明的目的在于提供一种能使整个系统在同样的高温环境温度和蒸发温度条件下工作，而且压差小、压缩比小、结构简单、可靠性好、效率高的单级制冷方法及其装置。

本发明的基本原理是采用两种以上的高温、中温、低温沸点的制冷剂，经多次冷凝蒸发，亦即环境温度冷凝高温制冷剂，高温制冷剂蒸发冷凝中温制冷剂，中温制冷剂蒸发冷凝低温制冷剂，低温制冷剂蒸发冷却负载，从而实现低温制冷的目的。根据上述原理，本发明采用多种制冷剂，使之相继蒸发冷凝制冷。具体步骤如下：将高温、中温、低温三种沸点的制冷剂放置于一个系统中，由制冷压缩机将三种制冷剂气体压缩后送冷凝器散热，使多数高温制冷剂冷凝为液体，少量高温制冷剂和大部分中、低温制冷剂仍为气体状态。经过干燥过滤，然后进入第一个蒸发冷凝器，进行第一次冷凝，回收一部分冷量。此时，温度下降到-10℃左右。少量中温制冷剂冷凝。经过第一个分凝器进行气液分离。这时温度可降到-40℃～60℃。分离出来的液体经过第一个毛细管道进入第二个蒸发冷凝器的低压管道，气体直接进入第二个蒸发冷凝器，进行第二次冷凝。高温制冷剂在其中蒸发，中温制冷剂在其中冷凝为液体。低温制冷剂和小部分中温制冷剂仍为气体状态。再经过第二个分凝器，使中、低温制冷剂气、液分离。这时温度可降到-80℃～-100℃。分离出来的液体经过第二个毛细管道进入第三个蒸发冷凝器的低压管道，气体直接进入第三个蒸发冷凝器，进行第三次冷凝。中温制冷剂在其中蒸发，低温制冷剂在其中冷凝成液态，经过第三个毛细管道进入负载蒸发器，在其中汽化、吸收热量。此时，可使温度降低到-120℃～-150℃。三种制冷剂经过蒸发冷凝器中的低压管道汇合，最后吸入压缩机，往复循环，实现低温制冷的目的。

如果我们的目标温度不需要达到-120℃～150℃，例如只需要达到-60℃左右时，上述方法中可省去第三次冷凝步骤，即制冷剂经过第二个蒸发冷凝器进行第二次冷凝后，直接经过毛细管道进入负载蒸发器即可。