超音速两相膨胀多级低温制冷系统及制冷机
阅读说明：本技术 超音速两相膨胀多级低温制冷系统及制冷机 (Supersonic two-phase expansion multi-stage low-temperature refrigeration system and refrigerator ) 是由 罗二仓 曾钰培 陈燕燕 王晓涛 董学强 公茂琼 于 2021-04-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种超音速两相膨胀多级低温制冷系统及制冷机,超音速两相膨胀多级低温制冷系统包括多个制冷单元,每一制冷单元包括逆流换热器、与逆流换热器相连接的超音速两相膨胀机、与超音速两相膨胀机相连接的至少一个蒸发器、与逆流换热器相连接的压缩机以及与压缩机和逆流换热器相连接的冷却器；其中,制冷工质流经多个制冷单元多级制冷以达到低温温区。通过上述方式,本申请设置超音速两相膨胀机作为膨胀降温装置,具有膨胀制冷效率高、压降小、能耗低、结构简单紧凑、无运动部件安全可靠、加工难度低的优点。(The invention provides a supersonic two-phase expansion multistage cryogenic refrigeration system and a refrigerator, wherein the supersonic two-phase expansion multistage cryogenic refrigeration system comprises a plurality of refrigeration units, each refrigeration unit comprises a counter-flow heat exchanger, a supersonic two-phase expander connected with the counter-flow heat exchanger, at least one evaporator connected with the supersonic two-phase expander, a compressor connected with the counter-flow heat exchanger and a cooler connected with the compressor and the counter-flow heat exchanger; the refrigeration working medium flows through a plurality of refrigeration units for multi-stage refrigeration so as to reach a low-temperature region. Through the mode, the supersonic speed two-phase expander is arranged as the expansion cooling device, and the expansion cooling device has the advantages of high expansion cooling efficiency, small pressure drop, low energy consumption, simple and compact structure, no moving part, safety, reliability and low processing difficulty.)
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种超音速两相膨胀多级低温制冷系统及制冷机。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，低温、制冷以及热泵产品的应用越来越多，低温与制冷技术提高了人们的生活质量，但各种制冷剂泄漏引起的环境问题也越来越严重，推广应用环境友好的制冷剂，对于节能减排和推动社会可持续发展具有重要意义。目前制冷剂的发展历史主要分为四个阶段：第一代制冷剂以自然工质如CO2、醚类等为代表；随着人工合成的第二代制冷剂氯氟烃(CFCs)和氢氯氟烃(HCFCs)的发展，自然工质因系统效率无法与人工合成工质相比而逐渐被淘汰，但第二代制冷剂具有较高的臭氧消耗潜能值(Ozone Depletion Potential,ODP)同样也退出了历史舞台；出于对臭氧层的保护，制冷剂转变为不含氯和溴的氢氟烃(HFCs)，其中以R134a为主要代表的第三代制冷剂，开始被大规模生产和使用，但是其全球变暖潜能值(Global WarmingPotential,GWP)较高，随之带来了温室效应的问题；考虑到臭氧层破坏和温室效应，自然工质作为第四代制冷剂再次被提出，其中主要包括CO2、NH3、H2O、碳氢化合物和用于低温制冷的CH4、He和N2等。
传统低温技术中膨胀机具有高速旋转机械运动部件、运行存在不可靠不稳定的隐患、加工难度大、不能带液工作等缺点；混合工质自复叠节流制冷技术存在无法实现液氢温区等低温温区制冷等不足。
发明内容
本发明实施例提供一种超音速两相膨胀多级低温制冷系统，用以解决现有技术中的膨胀机具有高速旋转机械运动部件、运行存在不可靠不稳定的隐患、加工难度大、不能带液工作的技术问题。
本发明实施例提供一种超音速两相膨胀多级低温制冷系统，包括：多个制冷单元；
每一所述制冷单元包括逆流换热器、与所述逆流换热器相连接的超音速两相膨胀机、与所述超音速两相膨胀机相连接的至少一个蒸发器、与所述逆流换热器相连接的压缩机以及与所述压缩机和所述逆流换热器相连接的冷却器；其中，
制冷工质流经多个所述制冷单元多级制冷以达到低温温区。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，所述逆流换热器内设有气态换热管和低温换热管，所述气态换热管与所述超音速两相膨胀机的一端相连接，所述超音速两相膨胀机的另一端与所述蒸发器的一端相连接，所述蒸发器的另一端与所述低温换热管相连通，所述压缩机的两端分别连接所述低温换热管与所述冷却器，所述冷却器与所述气态换热管相连接。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，所述制冷单元的数量为3个，并分别形成一级制冷回路、二级制冷回路以及三级制冷回路；
所述一级制冷回路中的所述超音速两相膨胀机与所述二级制冷回路中的所述逆流换热器相连接，所述二级制冷回路中的所述超音速两相膨胀机与所述三级制冷回路中的所述逆流换热器相连接；
所述二级制冷回路中的所述冷却器与所述一级制冷回路中的所述压缩机进口侧相连通，所述三级制冷回路中的所述冷却器与所述二级制冷回路中的所述压缩机进口侧相连通。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，所述二级制冷回路中设有两个所述蒸发器，一者与所述二级制冷回路中的所述超音速两相膨胀机相连接，另一者分别连接所述一级制冷回路中的所述逆流换热器以及所述二级制冷回路中的所述逆流换热器；
所述三级制冷回路中设有三个所述蒸发器，一者与所述三级制冷回路中的所述超音速两相膨胀机相连接，另一者分别连接所述三级制冷回路中的所述逆流换热器以及所述二级制冷回路中的所述逆流换热器，第三者分别连接所述二级制冷回路中的所述逆流换热器以及所述一级制冷回路中的所述逆流换热器。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，所述超音速两相膨胀机包括进气口、出气口以及出液口；
所述进气口与所述逆流换热器的所述气态换热管相连通，所述出气口与相邻的所述制冷单元中的所述逆流换热器的气态换热管相连通，所述出液口与所述蒸发器的进口侧相连通。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，还包括节流阀，所述节流阀与所述三级制冷回路的所述超音速两相膨胀机的所述出气口相连通，并形成四级制冷回路；
所述四级制冷回路依次流经所述一级制冷回路、所述二级制冷回路以及所述三级制冷回路中设置的所述逆流换热器，且所述四级制冷回路上设有所述压缩机和与所述压缩机相连接的所述冷却器，且所述冷却器与所述三级制冷回路中的所述压缩机进口侧相连通。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，所述四级制冷回路上设置了三个所述蒸发器，一者与所述节流阀出口侧相连通，另一者与所述三级制冷回路中的所述逆流换热器以及所述二级制冷回路中的所述逆流换热器相连通，第三者与所述二级制冷回路中的所述逆流换热器以及所述一级制冷回路中的所述逆流换热器相连接。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，所述超音速两相膨胀机包括依次连接的旋流机构、喷管、旋流分离管、排液机构以及扩压器；
所述进气口与所述旋流机构相连通，所述旋流机构产生离心力将经所述进气口进入的气态工质在所述喷管形成低温效应，并在所述旋流分离管内经所述排液机构将产生的液态工质流向所述蒸发器以及经所述扩压器将气态工质流向所述逆流换热器。
根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，所述制冷工质包括氦气和与所述氦气结合的二氧化碳、氮气、氖气、氢气中的一者或者多者。
本发明实施例还提供一种制冷机，包括：上述的超音速两相膨胀多级低温制冷系统。
本发明实施例提供的超音速两相膨胀多级低温制冷系统及制冷机，包括多个制冷单元，且每个制冷单元包括超音速两相膨胀机、蒸发器、逆流换热器、压缩机以及冷却器。由此，本申请设置超音速两相膨胀机作为膨胀降温装置，具有膨胀制冷效率高、压降小、能耗低、结构简单紧凑、无运动部件安全可靠、加工难度低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超音速两相膨胀多级低温制冷系统实施例的组成结构示意图；
图2为图1所示的超音速两相膨胀机的结构示意图；
图3为图1所示的超音速两相膨胀多级低温制冷系统的一状态的结构示意图；
图4为图1所示的超音速两相膨胀多级低温制冷系统另一状态的结构示意图；
附图标记：
10、制冷单元； 110、一级制冷回路； 120、二级制冷回路；
130、三级制冷回路； 140、四级制冷回路； 210、逆流换热器；
2110、气态换热管； 2120、低温换热管； 220、超音速两相膨胀机；
2210、进气口； 2220、出气口； 2230、出液口；
2240、旋流机构； 2250、喷管； 2260、旋流分离管；
2270、排液机构； 2280、扩压器； 230、蒸发器；
240、压缩机； 250、冷却器； 30、节流阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1，本发明提供一种超音速两相膨胀多级低温制冷系统，包括多个制冷单元10，每一制冷单元10包括逆流换热器210、与逆流换热器210相连接的超音速两相膨胀机220、与超音速两相膨胀机220相连接的至少一个蒸发器230、与逆流换热器210相连接的压缩机240以及与压缩机240和逆流换热器210相连接的冷却器250；其中，制冷工质流经多个制冷单元10多级制冷以达到低温温区。
具体地，逆流换热器210内设有气态换热管2110和低温换热管2120，气态换热管2110与超音速两相膨胀机220的一端相连接，超音速两相膨胀机220的另一端与蒸发器230的一端相连接，蒸发器230的另一端与低温换热管2120相连通，压缩机240的两端分别连接低温换热管2120与冷却器250，冷却器250与气态换热管2110相连接。
在本发明一实施例中，制冷单元10的数量为3个，并分别形成一级制冷回路110、二级制冷回路120以及三级制冷回路130。而在其他实施例中，可以选用制冷单元10中的一个或者多个结合以达到多级制冷，制冷单元10的数量在此不做限定。
一级制冷回路110中的超音速两相膨胀机220与二级制冷回路120中的逆流换热器210相连接，二级制冷回路120中的超音速两相膨胀机220与三级制冷回路130中的逆流换热器210相连接；二级制冷回路120中的冷却器250与一级制冷回路110中的压缩机240进口侧相连通，三级制冷回路130中的冷却器250与二级制冷回路120中的压缩机240进口侧相连通。由此一级制冷回路110、二级制冷回路120和三级制冷回路130形成循环回路。
需要说明的是，在本发明一实施例中，还包括节流阀30，节流阀30与三级制冷回路130的超音速两相膨胀机220的出气口2220相连通，并形成四级制冷回路140；四级制冷回路140依次流经一级制冷回路110、二级制冷回路120以及三级制冷回路130中设置的逆流换热器210，且四级制冷回路140上设有压缩机240和与压缩机240相连接的冷却器250，且冷却器250与三级制冷回路130中的压缩机240进口侧相连通。
四级制冷回路140上设置了三个蒸发器230，一者与节流阀30出口侧相连通，另一者与三级制冷回路130中的逆流换热器210以及二级制冷回路120中的逆流换热器210相连通，第三者与二级制冷回路120中的逆流换热器210以及一级制冷回路110中的逆流换热器210相连接。
进一步地，二级制冷回路120中设有两个蒸发器230，一者与二级制冷回路120中的超音速两相膨胀机220相连接，另一者分别连接一级制冷回路110中的逆流换热器210以及二级制冷回路120中的逆流换热器210；三级制冷回路130中设有三个蒸发器230，一者与三级制冷回路130中的超音速两相膨胀机220相连接，另一者分别连接三级制冷回路130中的逆流换热器210以及二级制冷回路120中的逆流换热器210，第三者分别连接二级制冷回路120中的逆流换热器210以及一级制冷回路110中的逆流换热器210。可以理解的是，在二级制冷回路120和三级制冷回路130分别设置了两个蒸发器230和三个蒸发器230，可以提高制冷效率，以达到更低的温度，而如果在二级制冷回路120设置一个蒸发器230、以及在三级制冷回路130中设置一个蒸发器230或者两个蒸发器230均在本申请的保护范围，在此不做赘述。也即可以参照图3和图4，图3中在二级制冷回路120、三级制冷回路130中只设置了一个蒸发器230，以实现多级制冷温度，以达到更低的温度。需要说明的是，设置多个蒸发器230的数量，提取的低温范围选择性更多。请参照图4，也可以在四级制冷回路140中设置一个蒸发器230以提取最低的制冷温度，在其他实施例中，也可以在二级制冷回路120或者三级制冷回路130中设置一个蒸发器230提取低温，在此不做限定。
在本发明一实施例中，请参照图2，超音速两相膨胀机220包括进气口2210、出气口2220以及出液口2230；进气口2210与逆流换热器210的气态换热管2110相连通，出气口2220与相邻的制冷单元10中的逆流换热器210的气态换热管2110相连通，出液口2230与蒸发器230的进口侧相连通。进一步地，超音速两相膨胀机220包括依次连接的旋流机构2240、喷管2250、旋流分离管2260、排液机构2270以及扩压器2280。其中，进气口2210与旋流机构2240相连通，旋流机构2240产生离心力将经进气口2210进入的气态工质在喷管2250形成低温效应，并在旋流分离管2260内经排液机构2270将产生的液态工质流向蒸发器230以及经扩压器2280将气态工质流向逆流换热器210。具体地，排液机构2270可以为扩压器2280外周与旋流分离管2260形成的管路，或者单独设置的排液管，在此不做限定。
请继续参照图1和图2，在本发明一实施例中，在一级制冷回路110、二级制冷回路120、三级制冷回路130以及四级制冷回路140中的气体工质为氦气以及二氧化碳、氮气、氖气、氢气中的一者或者多者。具体地，以二氧化碳、氮气、氖气、氢气和氦气组成的多元混合工质进行阐述，如下：
多元混合工质先进入一级制冷回路110中的超音速两相膨胀机220中，通过旋流机构2240产生离心力，进而在喷管2250中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后二氧化碳气体首先发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，液相由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离管2260继续凝结液化经排液机构2270排出，实现气液分离，剩余气相：氮气、氖气、氢气和氦气经扩压器2280减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。经一级制冷回路110中的超音速两相膨胀机220中的排液机构2270排出的液相二氧化碳进入一级制冷回路110中的蒸发器230内，在一级制冷回路110中的蒸发器230内发生蒸发过程，取走冷量进行制冷，进而进入一级制冷回路110中的逆流换热器210进行换热后通过一级制冷回路110中的压缩机240绝热压缩提升压力至和进入一级制冷回路110中的超音速两相膨胀机220时相同，然后通过一级制冷回路110中的气体冷却器250后进入一级制冷回路110中的逆流换热器210进行换热，重新进入一级制冷回路110中的超音速两相膨胀机220，完成一级循环，制冷温度可达液化二氧化碳温区。
经一级制冷回路110中的超音速两相膨胀机220中的扩压器2280排出的剩余多元混合气相为氮气、氖气、氢气和氦气，剩余多元混合气相先通过二级制冷回路120中的逆流换热器210换热后进入二级制冷回路120中的超音速两相膨胀机220，在二级制冷回路120中的超音速两相膨胀机220中，剩余多元混合工质通过旋流机构2240产生离心力，在喷管2250中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后气体发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，液相由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离管2260继续凝结液化经排液机构2270排出，实现气液分离，剩余多元混合气相氖气、氢气和氦气经二级制冷回路120中的扩压器2280减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。经二级制冷回路120中的超音速两相膨胀机220中的排液机构2270排出的液相氮气进入二级制冷回路120中的两个蒸发器230，以及依次通过二级制冷回路120中的逆流换热器210和一级制冷回路110中的逆流换热器210进行换热，然后通过二级制冷回路120中的压缩机240绝热压缩提升压力至和液相二氧化碳进入一级制冷回路110中的压缩机240时压力值相同，然后通过二级制冷回路120中的气体冷却器250后进入一级制冷回路110中的压缩机240，参与到一级制冷循环中，完成二级循环，制冷温度可达液化氮气的温区。
经二级制冷回路120中的超音速两相膨胀机220中的扩压器2280排出的剩余气相为氖气、氢气和氦气，先通过三级制冷回路130中的逆流换热器210换热后进入三级制冷回路130中的超音速两相膨胀机220，在三级制冷回路130中的超音速两相膨胀机220发生以下过程：剩余多元混合气相通过旋流机构2240产生离心力，在喷管2250中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后氖气气体发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，液相氖气由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离管2260继续凝结液化经排液机构2270排出，实现气液分离，剩余气相氢气和氦气，经三级制冷回路130中的扩压器2280减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。经三级制冷回路130中的超音速两相膨胀机220中的排液机构2270排出的液相，进入三级制冷回路130中的多个蒸发器230以及三级制冷回路130中的逆流换热器210、二级制冷回路120中的逆流换热器210、一级制冷回路110中的逆流换热器210，通过三级制冷回路130中的压缩机240绝热压缩提升压力至和气相氮气进入二级制冷回路120中的压缩机240时压力值相同，然后通过三级制冷回路130中的气体冷却器250后进入二级制冷回路120中的压缩机240，参与到二级循环和一级循环中，完成三级循环，制冷温度可达液化氖气温区。
经三级制冷回路130中的超音速两相膨胀机220中的扩压器2280排出的剩余气相氢气和氦气，进入节流阀30，在节流阀30中发生节流降温过程，气相氢气被液化，氦气为气相，由此可以达到液化氢气的低温温区。液相氢气和气相氦气共同进入四级制冷循环中的多个蒸发器230和三级制冷回路130、二级制冷回路120以及一级制冷回路110中的逆流换热器210，在多个蒸发器230中发生蒸发过程，取走冷量进行制冷，之后的混合物进入四级制冷回路140中的压缩机240并在压缩机240中绝热压缩提升压力至和气相氦气进入三级制冷回路130中的压缩机240时压力值相同，然后通过四级制冷回路140中的气体冷却器250后进入三级制冷回路130中的压缩机240，参与到三级制冷回路130、二级制冷回路120和一级制冷回路110中，完成四级制冷回路140，制冷温度可达液化氢气温区。
本发明还提供一种制冷机，包括上述的超音速两相膨胀多级低温制冷系统，制冷机可以用为工业制冷机或者生活制冷装置，例如超市、冷仓的制冷系统等，在此不做限定。
综上，采用多级制冷以达到多级制冷温度，以满足不同温区的要求。本申请设置超音速两相膨胀机220作为膨胀降温装置，具有膨胀制冷效率高、压降小、能耗低、结构简单紧凑、无运动部件安全可靠、加工难度低的优点。而且采用环境友好的二氧化碳、氮气、氖气、氢气和氦气等多元混合工质作为制冷工质进行闭式循环，可通过蒸发器230多次取冷量，且温区不同，进而充分利用系统冷量，实现多次、多梯度制冷，进而实现从普冷到低温温区制冷。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。