[发明专利]一种单阀无级调节混合工质循环浓度的制冷系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程热物理与能源利用学科领域，尤其涉及一种单阀无级调节混合工质循环浓度的制冷系统及其方法。

背景技术

在传统技术中，采用纯工质或近共沸工质的单级蒸汽压缩制冷循环能达到的最低有效制冷温度一般在-40℃左右，如果要实现更低制冷温度则需采用多级压缩或多级复叠循环。一般来说，采用两级压缩可以实现-60℃左右的制冷温度，采用两级复叠循环可以实现-80℃左右的制冷温度，但是要实现-100℃甚至更低的制冷温度就要采取三级以上复叠循环。因此，随着需求温度的降低，制冷系统变得更复杂，可靠性降低，调节难度增大。20世纪80年代后，多元混合工质节流制冷技术取得巨大的进展，该技术使得只要能够找到合适的混合工质和工质浓度，即可通过单级压缩节流制冷达到-100℃～-200℃的低温，可在-100℃以下的温区替代传统的复叠式制冷成为更有效的制冷方式，并具有广阔的应用前景。

通常，根据现有的技术，混合工质节流制冷技术可分为两类:一是由普冷领域复叠循环衍生而来的“混合工质内复叠循环”，其制冷单元内部采用并行的多次分离、多次节流(多级内复叠)，所需级数通常根据工质特性和所需制冷温度确定；二是从低温领域实现高效回热发展而来的“回热式多元混合工质节流制冷循环”。回热式多元混合工质节流制冷循环相比混合工质内复叠循环流程要简单一些，适用于小型化的制冷装置。但是无论是哪一种形式的混合工质节流制冷技术，如果不采用相应的技术手段加以控制的话，都会存在以下一些缺陷：(1)多元混合工质深冷制冷系统，由于采用强非共沸工质，工质在冷凝器内基本为气相放热，冷凝器出口具有一定干度，不会过冷。系统运行的高压基本不受环境温度控制，而由工质充注量和系统结构参数决定。在制冷系统启动过程初期，整个系统基本均处于较高的温度，大部分的充灌工质还处于气相状态，因此会出现排气压力过高的现象；(2)当混合工质制冷系统进入正常制冷工况后，由于大部分的沸点较高的工质已经液化，此时便会出现系统压力急剧下降，制冷量急剧减少的严重现象；(3)混合工质在实际循环过程中存在浓度滑移现象。多元混合工质制冷系统由启动工况降温到最低温度的过程中，由于系统温度的不断下降，工质不断液化，工质液化的特点是由高温到低温的过程中高沸点的工质比低沸点的工质更先液化下来，而气液两相流速又存在速度滑移的特点，即液相工质流动速度要低于气相工质流动速度。此时会出现工质液相积存。对于多元混合工质制冷系统由于液相积存现象的存在，制冷系统的工质实际循环浓度就会偏离实际的充灌浓度，即工质浓度滑移。由于此缺点，一方面，混合工质实际循环浓度受实际运行工况、系统的大小等因素的影响，实际运行的工质循环浓度难以根据一定的混合工质充灌量和充灌浓度预测，也就是说混合工质的最佳充灌量和浓度难以确定，对于使用三元或三元以上混合工质的制冷系统更难确定其最佳充灌量和充灌浓度，不同型号的系统均需要通过大量的试验充灌得出最终的充灌量和浓度，生产成本高。另一方面，即使相同系统，在不同的温区工况下，制冷系统需要不同的浓度才能达到该温区的最佳效率，工质循环浓度偏离该温区工况最优浓度，会使得系统效率急剧下降，甚至温度降不下去。

针对前两个缺陷，中国发明专利ZL200510042730.9报道了一种具有可切换气库的混合工质低温节流制冷系统，其核心思想是通过电磁阀的通断以控制与高低压管路相连的气库来调节系统的参与循环工质量来控制高低压和系统的工况。该方法虽然可以控制高低压在合理的范围内，但是由于气库的气体的进出造成实际参与制冷循环的工质浓度发生不可控的变化，会造成制冷系统制冷性能严重下降；

中国发明专利ZL201110061458.4报道了一种深冷混合工质节流制冷系统能力、工况调节及控制方法。其核心思想是通过控制高压气体进入一个可控通路稳定罐来防止开机工况的压缩机排气压力过高，并通过控制可控通路稳定罐的气体进出调节低压，使得低压在低温工况下不至于过低；此外该可控通路稳定罐在启动工况及快速降温工况时，通过管路旁通以减少制冷系统的制冷剂循环量，在正常制冷工况时可控通路稳定罐的制冷剂均参与制冷循环以加大制冷系统的流量，使得功率维持在较高水平，即通过控制该可控通路稳定罐制冷剂的进出可实现制冷系统能力和工况的调节。缺点是切换储气罐气体是否参与循环和调节高低压的情况下制冷系统的工质循环浓度都会发生一定的变化，这会让系统在特定的工况下由于工质循环浓度偏离最优循环浓度，导致效率下降，尤其是在快速降温过程，在这个过程刚开始的时候蒸发温度较高，在高温工况下系统的工质循环浓度要求重组分的比例较大才能达到较优的循环浓度。

对于第三个缺点，国内外还没有报道相关的措施去克服。