一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷装置及方法 (Low-temperature refrigerating device and method based on carbon nanotube gravity oil separation effect ) 是由 何一坚 赵恒庆 丁佳敏 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷装置及方法,其中装置基于单机压缩单级分凝自复叠制冷,包括压缩机、冷凝器、气液分离器、毛细管、节流阀；气液分离器中饱和液相高温制冷剂经过节流装置进入冷凝蒸发器完成蒸发过程；同时气液分离器中产生的饱和气体工制冷剂进入冷凝蒸发器完成冷凝过程后经毛细管节流后进入蒸发器,最后蒸发器出来的低温制冷剂与冷凝蒸发器中完成蒸发过程的高温制冷剂气体混合后进入压缩所完成循环；在循环的过程中,向制冷剂添加适量的碳纳米管,使得气液分离器中低沸点制冷剂中的润滑油含量大幅减少,避免润滑油堵塞毛细管,同时可以提升制冷剂的换热性能和提高润滑油的润滑性能、降低压缩机磨损。(The invention discloses a low-temperature refrigerating device and a low-temperature refrigerating method based on a carbon nano tube gravity oil separation effect, wherein the device is based on single-machine compression single-stage condensation separation self-cascade refrigeration and comprises a compressor, a condenser, a gas-liquid separator, a capillary tube and a throttle valve; the saturated liquid-phase high-temperature refrigerant in the gas-liquid separator enters a condensation evaporator through a throttling device to complete the evaporation process; simultaneously, saturated gas working refrigerant generated in the gas-liquid separator enters a condensation evaporator to finish the condensation process, then enters the evaporator after being throttled by a capillary tube, and finally enters the compression to finish the circulation after low-temperature refrigerant coming out of the evaporator is mixed with high-temperature refrigerant gas which finishes the evaporation process in the condensation evaporator; in the circulating process, a proper amount of carbon nano tubes are added into the refrigerant, so that the content of lubricating oil in the low-boiling-point refrigerant in the gas-liquid separator is greatly reduced, the capillary tube is prevented from being blocked by the lubricating oil, the heat exchange performance of the refrigerant can be improved, the lubricating performance of the lubricating oil can be improved, and the abrasion of the compressor can be reduced.)
技术领域
本发明涉及制冷设备领域，特别是涉及一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷装置及方法。
背景技术
碳纳米管自1991年被发现以来，由于其独特的结构特点使其具有良好的传热性能、奇异的导电性以及优异的力学性能，从而引起了专家学者的广泛关注，在各个领域都呈现了广阔的应用前景。碳纳米管不仅具有纳米材料的一些共性特征，还具有极高的机械强度，在润滑领域被应用于润滑油添加剂，起到改善和提升减磨抗磨性能的作用。碳纳米管的多孔结构、较大的比表面积和较轻的质量密度也使其在吸附作用上展现出良好的性能。
在自复叠制冷系统中，不同蒸发温度的制冷剂在经过冷凝器冷凝作用后，低温制冷剂处于气态，而高沸点制冷剂已冷凝为液态，此时通过设置气液分离器使得这两种状态的制冷剂分离，使液态的高沸点制冷剂节流后继续冷凝低温制冷剂。但目前气相低沸点制冷剂在分离时常常会夹带一些润滑油液滴，严重的，这些液滴进入低温管路中，会造成毛细管堵塞，严重影响系统的运行状况。
目前为了实现低温制冷系统的气液分离器中气相低沸点制冷剂与润滑油的高效分离，主要通过对气液分离器进行改进，但此类工艺对于一些与制冷剂互溶的乳化油的分离效果依旧不明显，因此需要一种能够高效分离气相低沸点制冷剂中的油成分的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷装置及方法。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷装置，包括压缩机、冷凝器、气液分离器、节流阀、毛细管、冷凝蒸发器、蒸发器以及充注口；其中压缩机出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与气液分离器进口连接；气液分离器的高沸点制冷剂通道通过节流阀与冷凝蒸发器的蒸发侧通道连接；气液分离器的低沸点制冷剂通道与冷凝蒸发器的冷凝侧通道连接；冷凝蒸发器的冷凝侧出口通过毛细管与蒸发器的进口连接；冷凝蒸发器的蒸发侧出口与蒸发器的出口相连，并与压缩机的进口连接；在冷凝器和气液分离器之间设置有充注口，充注口用于充注碳纳米管。
进一步的，还包括制冷剂，制冷剂采用自复叠混合制冷剂。
进一步的，所述自复叠混合制冷剂包括高沸点制冷剂中的一种或者其组合，以及低沸点制冷剂中的一种或者其组合；其中高沸点制冷剂包括R134A、R600A、R1234YF、R1234ZE(Z)、R1234ZE(E)、R142B以及R22，低沸点制冷剂包括R23、R14、R1150、R290、R170、R125以及R32。
一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷方法，所述制冷方法基于上述的制冷装置，制冷方法包括如下步骤：
步骤1：压缩机停止工作，将设定量的碳纳米管材料通过充注口充注到制冷装置中；
步骤2：启动压缩机；碳纳米管和制冷剂混合进入冷凝器；
步骤3：经过冷凝器冷凝，获得部分液化的制冷剂；高沸点制冷剂经过放热冷凝形成液态，低沸点制冷剂保持气态；其中由于润滑油的粘度高，而碳纳米管存在相见迁移机制，因此碳纳米管吸附润滑油并发生沉积，与液态的高沸点制冷剂混合；
步骤4：部分液化的制冷剂进入气液分离器，进行气相低沸点制冷剂和高沸点制冷剂的分离过程；分离后的高沸点制冷剂经过节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发侧通道，低温制冷剂进入冷凝蒸发器的冷凝侧通道；
步骤5：在冷凝蒸发器中，含润滑油和碳纳米管的高沸点制冷剂与饱和气相低沸点制冷剂进行换热，使得高沸点制冷剂吸热蒸发，形成蒸汽，低沸点制冷剂放热冷凝成为液态；其中含有碳纳米管的高沸点制冷剂由于沸腾换热作用产生大量气泡，碳纳米管在沸腾过程产生气泡的作用下再悬浮于制冷剂中，使得碳纳米管分散，避免循环过程中由于碳纳米管的沉积和团聚作用使冷凝蒸发效果变差；
步骤6：将液态的低沸点制冷剂经过毛细管送入蒸发器；经蒸发器完成蒸发过程的低沸点制冷剂与经冷凝蒸发器的高沸点制冷剂混合后进入压缩机进行下一次循环过程，结束步骤。
进一步的，所述步骤1中碳纳米管材料为制冷剂的0.8～10wt％。
进一步的，所述碳纳米管材料为表面改性的碳纳米管材料。
进一步的，所述碳纳米管的表面通过共价键的性质嫁接与烷烃化学性质相似的功能集团。
进一步的，所烷烃化学性质相似的功能集团包括C16TMS、C8TMS、C3TMS。
进一步的，所述碳纳米管的表面改性，包括如下步骤：
步骤11：选10-30g的碳纳米管与600ml酒精溶液混合均匀，并水浴超声60～80分钟，使颗粒表面形成羟基；
步骤12：将碳纳米管/水悬浮液中加入5-15g的C16TMS、C8TMS或C3TMS形成共价键，完成羟基的嫁接；
步骤13：对悬浮液进行离心，并用酒精对改性的颗粒进行清洗设定次数；
步骤14：将所得的颗粒放入真空烤箱中干燥，去除有机溶剂。
进一步的，所述步骤14中真空烤箱的烘干温度为100℃～120℃。
本发明的有益效果为：
通过在冷凝器和气液分离器之间设置充注碳纳米管材料，利用碳纳米管材料的多孔结构和较大的比表面积等特性，实现对自复叠制冷系统中气液分离器中气相低沸点制冷剂夹带的雾沫状的润滑油滴吸附，增加润滑油的密度，促使润滑油在气液分离器以及冷凝蒸发器中重力沉降，减少低沸点制冷剂中的润滑油含量，避免润滑油跟随低沸点制冷剂进入毛细管造成堵塞；
通过添加碳纳米管，并且碳纳米管跟随制冷剂在制冷装置中进行循环，其中碳纳米管在进入压缩机后，对压缩机的工作起到了润滑作用，减少压缩机的机械损耗，减少压缩机中润滑油的使用量，进一步促进气相低沸点制冷剂中的油沫减少；
通过添加碳纳米管提高制冷装置的换热效率和制冷量；
通过步骤1的充注碳纳米管的过程中，停止压缩机工作，便于进行碳纳米管的充注；
通过对碳纳米管的表面改性，提高碳纳米管与矿物油成分的润滑油的亲和性，更好的实现吸附润滑油的目的，同时减少碳纳米管颗粒在润滑油中的团聚作用，降低颗粒的沉积比例，从而达到提高油相迁移的目的。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一：
如图1所示，一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷装置，包括压缩机、冷凝器、气液分离器、节流阀、毛细管、冷凝蒸发器、蒸发器以及充注口；其中压缩机出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与气液分离器进口连接；气液分离器的高沸点制冷剂通道通过节流阀与冷凝蒸发器的蒸发侧通道连接；气液分离器的低沸点制冷剂通道与冷凝蒸发器的冷凝侧通道连接；冷凝蒸发器的冷凝侧出口通过毛细管与蒸发器的进口连接；冷凝蒸发器的蒸发侧出口与蒸发器的出口相连，并与压缩机的进口连接；在冷凝器和气液分离器之间设置有充注口，充注口用于充注碳纳米管，需要说明的是在一些其他实施方式中，也可以将充注口直接设置于冷凝器上或者设置于其他装置之间。制冷装置中的制冷剂为现有的自复叠混合制冷剂，自复叠混合制冷剂包括高沸点制冷剂中的一种或者其组合，以及低沸点制冷剂中的一种或者其组合，其中高沸点制冷剂包括R134A、R600A、R1234YF、R1234ZE(Z)、R1234ZE(E)、R142B、R22等，低沸点制冷剂包括R23、R14、R1150、R290、R170、R125、R32等。二元混合工质类型的自复叠混合制冷剂包括R134A和R23以60：40进行配比的组合、R134A/R744以65:35进行配比的组合、R600A/R744以65:35进行配比的组合以及R170/R600A以8：92进行配比的组合；三元混合工质包括R290、R600A和R123以50：10：40进行配比的组合，R23、R143A和R134A以10：70：20进行配比的组合；四元混合工质包括R23、R125、R134A和R32以10：45：40：5进行配比的组合。在本例中采用R744与R134A混合的制冷剂，配比为35：65。
所述充注口用于充注碳纳米管材料，通过碳纳米管材料，吸附气液分离器分离出的气相低沸点制冷剂中的雾沫状的油滴。碳纳米管跟随制冷剂在制冷装置中循环。
在实施的过程中，通过在冷凝器和气液分离器之间设置充注碳纳米管材料的充注口，利用碳纳米管材料的多孔结构和较大的比表面积等特性，实现对自复叠制冷系统中气液分离器中气相低沸点制冷剂夹带的雾沫状的润滑油滴吸附，增加润滑油的密度，促使润滑油在气液分离器以及冷凝蒸发器中重力沉降，避免润滑油跟随低沸点制冷剂进入毛细管造成堵塞；通过添加碳纳米管，并且碳纳米管跟随制冷剂在制冷装置中进行循环，其中碳纳米管在进入压缩机后，对压缩机的工作起到了润滑作用，减少压缩机的机械损耗，减少压缩机中润滑油的使用量，进一步促进低沸点制冷剂中的油沫减少；通过添加碳纳米管提高制冷装置的换热效率和制冷量。
一种基于碳纳米管重力油分离效应的低温制冷方法，包括如下步骤：
步骤1：压缩机停止工作，将设定量的碳纳米管材料通过充注口充注到制冷装置中；
步骤2：启动压缩机；碳纳米管和制冷剂混合进入冷凝器；
步骤3：经过冷凝器冷凝，获得部分液化的制冷剂；需要说明的是经过冷凝器的冷凝效果，高沸点制冷剂放热形成液态，低沸点制冷剂保持气态；
步骤4：部分液化的制冷剂进入气液分离器，进行气相低沸点制冷剂和高沸点制冷剂的分离过程；分离后的高沸点制冷剂经过节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发侧通道，低温制冷剂进入冷凝蒸发器的冷凝侧通道；
步骤5：在冷凝蒸发器中，含润滑油和碳纳米管的高沸点制冷剂与饱和气相低沸点制冷剂进行换热，使得高沸点制冷剂吸热蒸发，形成蒸汽，低沸点制冷剂放热冷凝成为液态；
步骤6：将液态的低沸点制冷剂经过毛细管送入蒸发器；经蒸发器完成蒸发过程的低沸点制冷剂与经冷凝蒸发器的高沸点制冷剂混合后进入压缩机进行下一次循环过程，结束步骤；其中高沸点制冷剂中含有润滑油、碳纳米管。
所述步骤1中设定量的碳纳米管材料为制冷剂的0.8～10wt％。在本例中碳纳米管材料为表面改性的碳纳米管材料；在碳纳米管的表面通过共价键的性质嫁接与烷烃化学性质相似的功能集团，包括C16TMS、C8TMS、C3TMS，实现碳纳米管的改性。通过表面改性的碳纳米管材料，提高与矿物油成分的润滑油的亲和性，更好的实现吸附润滑油的目的，同时减少碳纳米管颗粒在润滑油中的团聚作用，降低颗粒的沉积比例，从而达到提高油相迁移的目的。对于碳纳米管的表面改性通过如下步骤获得，以C16TMS为例：
步骤11：选用20g的碳纳米管与600ml酒精溶液混合均匀，并水浴超声60～80分钟，使颗粒表面形成羟基；
步骤12：将碳纳米管/水悬浮液中加入10g的C16TMS形成共价键，完成羟基的嫁接；
步骤13：对悬浮液进行离心，并用酒精对改性的颗粒进行清洗数次；
步骤14：将所得的颗粒放入真空烤箱中干燥3小时去除有机溶剂。
所述步骤14中真空烤箱的烘干温度为100℃～120℃，优选为110℃。
所述步骤3中，由于润滑油的粘度高，而碳纳米管存在相见迁移机制，因此碳纳米管相比制冷剂，更容易与润滑油相结合，润滑油被吸附后，由于重量增加发生沉积，因此碳纳米管和润滑油更多存在于液态的高沸点制冷剂中；
所述步骤5中，含有碳纳米管的高沸点制冷剂由于沸腾换热作用产生大量气泡，碳纳米管在沸腾过程产生气泡的作用下再悬浮于制冷剂中，使得碳纳米管分散，避免循环过程中由于碳纳米管的沉积和团聚作用使冷凝蒸发效果变差，有助于装置长时间高效运行。
在实施过程中，通过步骤1的充注碳纳米管的过程中，停止压缩机工作，便于进行碳纳米管的充注；通过对碳纳米管的表面改性，提高碳纳米管与矿物油成分的润滑油的亲和性，更好的实现吸附润滑油的目的，同时减少碳纳米管颗粒在润滑油中的团聚作用，降低颗粒的沉积比例，从而达到提高油相迁移的目的。
实施例二：
本实施例是基于实施例一进行改进获得的，其中碳纳米管的改性过程包括如下步骤：
步骤21：将甲基丙烯酸甲酷加入盛有甲醇、碳纳米管的三颈瓶中；其中甲基丙烯酸甲酷和碳纳米管的质量比为20：1，甲基丙烯酸甲酷与甲醇的比例为1g/20ml～1g/40ml；
步骤22：对三颈瓶进行超声处理，处理10～30min；
步骤23：对三颈瓶持续通入氮气，持续25～35min
步骤24：在三颈瓶中添加1g自由基引发剂，在55℃～70℃环境下反应6-10h；在本例中自由基引发剂采用偶氮二异丁睛，通过自由基引发剂能够促使碳纳米管和甲基丙烯酸甲酷形成共价键，并且保证反应更彻底；
步骤25：通过过滤获得反应后的产物，并通过乙酸乙酷超声洗涤3～5次；
步骤26：将洗涤后的颗粒放入真空烤箱中，设定温度为40℃～50℃，干燥16～20h，去除有机溶剂。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
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