CN101865589B

CN101865589B - 环保、无氟超低温库

Info

Publication number: CN101865589B
Application number: CN2010102256300A
Authority: CN
Inventors: 申江; 范凤敏; 孙欢; 高文全
Original assignee: Tianjin University of Commerce
Current assignee: Tianjin University of Commerce
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: CN101865589A

Abstract

本发明公开了一种环保、无氟超低温库，旨在提供一种采用三级复叠制冷系统，降温速度快，制冷温度低，应用环保型制冷剂，冷量损失小的超低温库。包括库体、冷却水系统、由高温级制冷循环系统、中温级制冷循环系统和低温级制冷循环系统组成的三级复叠制冷系统；所述库体由聚氨酯三层芯板制作而成，所述库体上安装有内层门和外层门，所述库体墙板内置平衡窗。高温级制冷循环系统、中温级制冷循环系统和低温级制冷循环系统中的制冷剂分别是R404a、R23、R14。本发明本发明的环保、无氟超低温库的库内可用空间大，降温时间短，系统的制冷系数高，为更多实验提供了便利条件，大大扩展了超低温库的应用性。

Description

环保、无氟超低温库

技术领域

本发明属于超低温技术领域，更具体的说，是涉及一种环保、无氟超低温库。

背景技术

目前，在制冷技术领域，按冷藏设计温度分为高温、中温、低温和超低温四大类冷库。超低速冻库也叫超低温冷库。主要用于低温医疗、低温储存、低温电子器件冷却、气体低温液化和纯化、红外系统、真空冷冻及干燥及提供低温环境实验设备等。主要用户有电子产业、卫生医疗业、高等院校及科研机构等。目前，国内基本没有超低温库，国内需求的超低温冷库主要依赖进口，价格昂贵。

目前，国内或国外的超低温库的制冷系统多是采用两级复叠式制冷系统，制冷温度只能达到-30℃至-80℃，而且，制冷量低，降温速度慢。同时，大多使用R12、R22、R500、R13、R503等中、低温制冷剂，加重地球的温室效应，其中含有的氯元素会对大气臭氧层产生破坏作用。而三级复叠式制冷系统都处于研究阶段，还没有得到产业上的应用。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种采用三级复叠制冷系统，降温速度快，制冷温度低，应用环保型制冷剂，冷量损失小的超低温库。

本发明通过下述技术方案实现：

一种环保、无氟超低温库，其特征在于，包括库体、冷却水系统、由高温级制冷循环系统、中温级制冷循环系统和低温级制冷循环系统组成的三级复叠制冷系统；所述库体由聚氨酯三层芯板制作而成，所述库体上安装有内层门和外层门，所述库体墙板内置平衡窗；所述所述高温级制冷循环系统包括高温级压缩机、水冷冷凝器、储液器、高温级视液镜、高温级干燥过滤器、高温级电磁阀、高温级热力膨胀阀，所述高温级热力膨胀阀与高温级冷凝蒸发器，所述高温级压缩机的制冷剂出口与水冷冷凝器、储液器、高温级视液镜、高温级干燥过滤器、高温级电磁阀、高温级热力膨胀阀依次连接，所述高温级热力膨胀阀与高温级冷凝蒸发器的管侧进口连接，所述高温级冷凝蒸发器的管侧出口与所述高温级压缩机的制冷剂入口连接，所述高温级制冷循环系统中的制冷剂为R404a；所述中温级制冷循环系统包括中温级压缩机、中温级油分离器、中温级压缩机排气冷却器、所述高温级冷凝蒸发器、中温级视液镜、中温级干燥过滤器、中温级电磁阀、中温级回热器、中温级热力膨胀阀、中温级冷凝蒸发器、中温级泄压阀、中温级膨胀罐、中温级毛细管，所述中温级制冷压缩机的制冷剂出口依次与中温级油分离器、中温级压缩机排气冷却器连接，所述中温级压缩机排气冷却器与所述高温级冷凝蒸发器的壳侧入口连接，所述高温级冷凝蒸发器的壳侧出口依次与中温级视液镜、中温级干燥过滤器、中温级电磁阀、中温级回热器的壳侧进口连接，所述中温级回热器的壳侧出口与所述中温级压缩机的制冷剂入口连接，所述中温级回热器的管侧进口与所述中温级冷凝蒸发器的管侧出口连接，所述中温级回热器的管侧出口通过中温级热力膨胀阀与所述中温级冷凝蒸发器的管侧进口连接，所述中温级膨胀罐的一个接口通过中温级泄压阀与所述中温级压缩机的排气口连接，所述中温级膨胀罐的另一个接口通过中温级毛细管与所述中温级压缩机的进气口连接，所述中温级制冷循环系统中的制冷剂为R23；所述低温级制冷循环系统包括低温级压缩机、低温级油分离器、低温级排气冷却器、所述中温级冷凝蒸发器、低温级视液镜、低温级干燥过滤器、低温级电磁阀、低温级回热器、低温级热力膨胀阀、低温级蒸发器、低温级膨胀罐、低温级毛细管，所述低温级压缩机的制冷剂出口依次与低温级油分离器、低温级压缩机排气冷却器连接，所述低温级压缩机排气冷却器与所述中温级冷凝蒸发器的壳侧进口连接，所述中温级冷凝蒸发器的壳侧出口与低温级视液镜、低温级干燥过滤器、低温级电磁阀、低温级回热器的壳侧进口依次连接，所述低温级回热器的壳侧出口与所述低温级压缩机的制冷剂进口连接，所述低温级回热器的管侧出口通过所述低温级热力膨胀阀与所述低温级蒸发器的进口连接，所述低温级蒸发器的出口与所述低温级回热器的管侧进口连接，所述低温级膨胀罐的一个接口通过低温级泄压阀与所述低温级压缩机的排气口连接，所述低温级膨胀罐的另一个接口通过低温级毛细管与所述低温级压缩机的进气口连接，所述低温级制冷循环系统中的制冷剂为R14。其中，高温级热力膨胀阀的感温包放置在高温级冷凝蒸发器与高温级压缩机之间的水平管路上，中温级热力膨胀阀的感温包放置在中温级回热器与中温级冷凝蒸发器之间的水平管路上，低温级热力膨胀阀的感温包放置在低温级蒸发器与低温级回热器之间的水平管路上。所述冷却水系统中冷却塔的冷却水出口依次与水冷冷凝器、中温级压缩机排气冷却器、低温级压缩机排气冷却器串联，所述低温级压缩机排气冷却器的冷却水出口与所述冷却塔的进水口连接。

所述低温级蒸发器安装在库体顶部。

所述内层门为铁质门，所述外层门为聚氨酯保温板门。

电源分别与高温级压缩机和中温级延时开关连接，所述中温级延时开关分别与中温级压缩机和低温级延时开关连接，所述低温级延时开关与所述低温级压缩机连接。

本发明具有下述技术效果：

1.本发明的环保、无氟超低温库采用三级复叠制冷循环系统，通过三个单级蒸气压缩制冷系统串联而成，制冷温度低，可以达到-110℃，而且大大降低了库内温度由室温降到-110℃时所需的时间，制冷系数在-110℃时达到0.2。

2.本发明的环保、无氟超低温库的三级复叠制冷循环系统所使用的三种制冷剂为绿色无氟制冷剂，ODP都为0，R23的GWP也很小，避免了对大气臭氧层的破坏及对温室效应的加剧，有利于对环境的保护。

3.本发明的环保、无氟超低温库的库体采用聚氨酯泡沫三层夹芯板与双层门的结合，防止漏冷措施优良，保温效果好，库内可用空间大。而且，墙板内置平衡窗，保证了在温度降低的过程中库内外压力的平衡，保证了库体的强度与严密性。

附图说明

图1为本发明环保、无氟超低温库制冷系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。

本发明的环保、无氟超低温库系统包括库体、冷却水系统、由高温级制冷循环系统、中温级制冷循环系统和低温级制冷循环系统组成的三级复叠制冷系统。所述库体由聚氨酯三层芯板制作而成，所述库体上安装有内层门和外层门，所述库体墙板内置平衡窗。平衡窗根据库内空间的大小可以选择一个或两个。其中，所述内层门为铁质门，所述外层门为聚氨酯保温板门。内层门使库内空气向两侧对流，外层门与内层门之间的空气只能以导热的形式散冷，相当于增加了一层空气热阻，可有效防止冷量散失，大大降低了漏冷损失。

本发明制冷系统的示意图如图1所示，所述高温级制冷循环系统包括高温级压缩机1、水冷冷凝器2、储液器3、高温级视液镜4、高温级干燥过滤器5、高温级电磁阀6、高温级热力膨胀阀7、高温级冷凝蒸发器8，所述高温级压缩机1的制冷剂出口与水冷冷凝器2、储液器3、高温级视液镜4、高温级干燥过滤器5、高温级电磁阀6、高温级热力膨胀阀7依次连接，所述高温级热力膨胀阀7与高温级冷凝蒸发器8的管侧进口连接，所述高温级冷凝蒸发器8的管侧出口与高温级压缩机1的制冷剂入口连接，所述高温级制冷循环系统中的制冷剂为R404a。所述中温级制冷循环系统包括中温级压缩机14、中温级油分离器15、中温级压缩机排气冷却器29、高温级冷凝蒸发器8、中温级视液镜9、中温级干燥过滤器10、中温级电磁阀11、中温级回热器12、中温级热力膨胀阀28、中温级冷凝蒸发器13、中温级泄压阀16、中温级膨胀罐17、中温级毛细管32，所述中温级制冷压缩机14的制冷剂出口依次与中温级油分离器15、中温级压缩机排气冷却器29连接，所述中温级压缩机排气冷却器29与高温级冷凝蒸发器8的壳侧入口连接，高温级冷凝蒸发器8的壳侧出口依次与中温级视液镜9、中温级干燥过滤器10、中温级电磁阀11、中温级回热器12的壳侧进口连接，中温级回热器12的壳侧出口与中温级压缩机14的制冷剂入口连接，中温级回热器12的管侧进口与中温级冷凝蒸发器13的管侧出口连接，中温级回热器12的管侧出口通过中温级热力膨胀阀28与中温级冷凝蒸发器13的管侧进口连接，所述中温级膨胀罐17的一个接口通过中温级泄压阀16与中温级压缩机14的排气口连接，中温级膨胀罐17的另一个接口通过中温级毛细管32与中温级压缩机14的进气口连接，所述中温级制冷循环系统中的制冷剂为R23。所述低温级制冷循环系统包括低温级压缩机24、低温级油分离器25、低温级排气冷却器30、中温级冷凝蒸发器13、低温级视液镜18、低温级干燥过滤器19、低温级电磁阀20、低温级回热器21、低温级热力膨胀阀22、低温级蒸发器23、低温级膨胀罐26、低温级毛细管31，所述低温级压缩机24的制冷剂出口依次与低温级油分离器25、低温级压缩机排气冷却器30连接，低温级压缩机排气冷却器30与中温级冷凝蒸发器13的壳侧进口连接，中温级冷凝蒸发器13的壳侧出口与低温级视液镜18、低温级干燥过滤器19、低温级电磁阀20、低温级回热器21的壳侧进口依次连接，低温级回热器21的壳侧出口与低温级压缩机24的制冷剂进口连接，所述低温级回热器21的管侧出口通过低温级热力膨胀阀22与低温级蒸发器23的进口连接，低温级蒸发器23的出口与低温级回热器21的管侧进口连接，低温级膨胀罐26的一个接口通过低温级泄压阀27与低温级压缩机24的排气口连接，低温级膨胀罐26的另一个接口通过低温级毛细管31与低温级压缩机24的进气口连接，所述低温级制冷循环系统中的制冷剂为R14。所述低温级蒸发器23安装在库体顶部。高温级热力膨胀阀的感温包放置在高温级冷凝蒸发器与高温级压缩机之间的水平管路上，中温级热力膨胀阀的感温包放置在中温级回热器与中温级冷凝蒸发器之间的水平管路上，低温级热力膨胀阀的感温包放置在低温级蒸发器与低温级回热器之间的水平管路上。所述冷却水系统中冷却塔的冷却水出口依次与水冷冷凝器、中温级压缩机排气冷却器、低温级压缩机排气冷却器串联，所述低温级压缩机排气冷却器的冷却水出口与所述冷却塔的进水口连接，使冷却水依次经过水冷冷凝器、中温级压缩机排气冷却器、低温级压缩机排气冷却器后回到冷却塔。

在高温级压缩机1内，R404a制冷剂蒸气经压缩后变成高温高压的制冷剂蒸气，排向水冷冷凝器2，在水冷冷凝器2中先是温度降低，排除显热，后又进行等压等温的冷凝过程排除潜热，这些热量都由冷却水带走。制冷剂蒸气在冷凝器出口完全变成了高温高压的制冷剂液体，然后进入储液器3，这是由于系统负荷的变化会使制冷剂质量流量发生变化，所以用储液器3。然后依次经过高温级视液镜4、高温级干燥过滤器5、高温级电磁阀6流向高温级热力膨胀阀7，高温级视液镜4用于观察制冷剂的状态。高温级干燥过滤器5用于除去制冷剂中的水分，电磁阀6开机时打开，关机时闭合。高温级热力膨胀阀7是外平衡式热力膨胀阀，制冷剂经高温级热力膨胀阀7节流后进入高温级冷凝蒸发器8，制冷剂在高温级冷凝蒸发器8中蒸发吸热，吸收高温级冷凝蒸发器8冷凝侧的热量，然后自身变成制冷剂蒸气，进入高温级压缩机1。

在中温级压缩机14内，R23制冷剂蒸气经压缩后变成高温高压的制冷剂蒸气进入中温级油分离器15，分离得到的润滑油由油泵泵入中温级压缩机，以实现中温级压缩机的回油。分离得到的制冷剂经过中温级压缩机排气冷却器29，进入高温级冷凝蒸发器8的壳侧入口。由于压缩机排气温度很高，如果直接进入高温级冷凝蒸发器8，其内部最大局部温差大于100℃，会产生很大的内应力而变形，所以中温级压缩机排气冷却器29的作用是使中温级压缩机排气的显热降低50℃左右。另一方面降低了中温级的冷凝负荷，从而降低了高温级的蒸发负荷，降低了高温级压缩机1的功耗，提高了系统的COP。制冷剂在高温级冷凝蒸发器8中先是温度降低，排除显热，后又进行等压等温的冷凝过程排除潜热，这些热量都由高温级冷凝蒸发器8蒸发侧带走。制冷剂蒸气在高温级冷凝蒸发器8的壳侧出口完全变成了高温高压的制冷剂液体，然后依次经过中温级视液镜9、中温级干燥过滤器10、中温级电磁阀11进入中温级回热器12的管侧进口，实现过冷，增大制冷量。中温级视液镜9用于观察制冷剂的状态。温级干燥过滤器10用于除去制冷剂中的水分，中温级电磁阀11开机时打开，关机时闭合。制冷剂经过中温级回热器12流向中温级热力膨胀阀28，中温级热力膨胀阀28是外平衡式热力膨胀阀，制冷剂节流后进入中温级冷凝蒸发器13，制冷剂在中温级冷凝蒸发器13中蒸发吸热，吸收中温级冷凝蒸发器13冷凝侧的热量，然后自身变成制冷剂蒸气进入中温级回热器12的壳侧进口，以提高制冷剂蒸气的过热度，改善中温级压缩机的工作条件，制冷剂由中温级回热器12进入中温级压缩机14。中温级压缩机14刚启动时，由于排气压力过高，一部分排气经中温级泄压阀16流向中温级膨胀罐17，如果中温级压缩机14吸气压力过低，中温级膨胀罐17中的制冷剂又会通过中温级毛细管32流向中温级压缩机14吸气口，起到补气作用。

在低温级压缩机24内，R14制冷剂蒸气经压缩后变成高温高压的制冷剂蒸气进入低温级油分离器25，分离得到的润滑油由油泵泵入低温级压缩机，以实现低温级压缩机的回油。分离得到的制冷剂经过低温级排气冷却器30进入中温级冷凝蒸发器13的壳侧入口，由于压缩机排气温度很高，如果直接进入中温级冷凝蒸发器13，其内部最大局部温差大于100℃，会产生很大的内应力而变形，所以低温级排气冷却器30的作用是使低温级压缩机排气的显热降低30℃左右。另一方面降低了低温级的冷凝负荷，从而降低了中温级的蒸发负荷，降低了中温级压缩机14的功耗，提高了系统的COP。制冷剂在中温级冷凝蒸发器13中先是温度降低，排除显热，后又进行等压等温的冷凝过程排除潜热，这些热量都由高温级蒸发侧带走。制冷剂蒸气在中温级冷凝蒸发器13的壳侧出口完全变成了高温高压的制冷剂液体，然后依次经过低温级视液镜18、低温级干燥过滤器19、低温级电磁阀20进入低温级回热器21的管侧进口，实现过冷，增大制冷量。低温级视液镜18用于观察制冷剂的状态。低温级干燥过滤器19用于除去制冷剂中的水分，电磁阀开机时打开，关机时闭合。制冷剂经过低温级回热器21流向低温级热力膨胀阀22，低温级热力膨胀阀22是外平衡式热力膨胀阀，节流后进入低温级蒸发器23，制冷剂在低温级蒸发器23中蒸发吸热，吸收冷库内的热量，使冷库内的温度降低，然后自身变成制冷剂蒸气，然后进入低温级回热器21的壳侧进口，以提高制冷剂蒸气的过热度，改善低温级压缩机的工作条件，然后进入低温级压缩机。低温级压缩机24刚启动时，由于排气压力过高，一部分排气经低温级泄压阀27流向低温级膨胀罐26，如果低温级压缩机24吸气压力过低，低温级膨胀罐26中的制冷剂又会通过中温级毛细管31流向低温级压缩机24吸气口，起到补气作用。

为了保障中温级压缩机和低温级压缩机的顺利启动，电源分别与高温级压缩机和中温级延时开关连接，所述中温级延时开关分别与中温级压缩机和低温级延时开关连接，所述低温级延时开关与所述低温级压缩机连接。

首先开启冷却水系统的水泵，等到冷却塔回水了，再开启高温级压缩机1，经测定10秒后，高温级冷凝蒸发器8管侧进口温度降为为-20℃(只有降到-20℃了，才能开第二台压缩机)，所以在此安装一个中温级延时开关，延时设定为10秒。当中温级延时开关启动时，中温级压缩机14启动，大约10秒后，中温级冷凝蒸发器13管侧进口温度降为-50℃，此时，再安装一个低温级延时开关，延时设定为10秒。当低温级延时开关启动时，低温级压缩机24启动。这样，在延时开关和膨胀容器的联合作用下，保证了中温级压缩机、低温级压缩机的顺利启动运行。否则，会发生高压保护，中温级压缩机和低温压缩机启动失败，特别是低温级压缩机。冷却水的进口温度不大于20℃。

本发明本发明的环保、无氟超低温库的库内可用空间大，降温时间短，系统的制冷系数高，为更多实验提供了便利条件，大大扩展了超低温库的应用性。

Claims

1.一种环保、无氟超低温库，其特征在于，包括库体、冷却水系统、由高温级制冷循环系统、中温级制冷循环系统和低温级制冷循环系统组成的三级复叠制冷系统；所述库体由聚氨酯三层芯板制作而成，所述库体上安装有内层门和外层门，所述库体墙板内置平衡窗；所述高温级制冷循环系统包括高温级压缩机、水冷冷凝器、储液器、高温级视液镜、高温级干燥过滤器、高温级电磁阀、高温级热力膨胀阀、高温级冷凝蒸发器，所述高温级压缩机的制冷剂出口与水冷冷凝器、储液器、高温级视液镜、高温级干燥过滤器、高温级电磁阀、高温级热力膨胀阀依次连接，所述高温级热力膨胀阀与高温级冷凝蒸发器的管侧进口连接，所述高温级冷凝蒸发器的管侧出口与所述高温级压缩机的制冷剂入口连接，所述高温级制冷循环系统中的制冷剂为R404a；所述中温级制冷循环系统包括中温级压缩机、中温级油分离器、中温级压缩机排气冷却器、所述高温级冷凝蒸发器、中温级视液镜、中温级干燥过滤器、中温级电磁阀、中温级回热器、中温级热力膨胀阀、中温级冷凝蒸发器、中温级泄压阀、中温级膨胀罐、中温级毛细管，所述中温级制冷压缩机的制冷剂出口依次与中温级油分离器、中温级压缩机排气冷却器连接，所述中温级压缩机排气冷却器与所述高温级冷凝蒸发器的壳侧入口连接，所述高温级冷凝蒸发器的壳侧出口依次与中温级视液镜、中温级干燥过滤器、中温级电磁阀、中温级回热器的壳侧进口连接，所述中温级回热器的壳侧出口与所述中温级压缩机的制冷剂入口连接，所述中温级回热器的管侧进口与所述中温级冷凝蒸发器的管侧出口连接，所述中温级回热器的管侧出口通过中温级热力膨胀阀与所述中温级冷凝蒸发器的管侧进口连接，所述中温级膨胀罐的一个接口通过中温级泄压阀与所述中温级压缩机的排气口连接，所述中温级膨胀罐的另一个接口通过中温级毛细管与所述中温级压缩机的进气口连接，所述中温级制冷循环系统中的制冷剂为R23；所述低温级制冷循环系统包括低温级压缩机、低温级油分离器、低温级排气冷却器、所述中温级冷凝蒸发器、低温级视液镜、低温级干燥过滤器、低温级电磁阀、低温级回热器、低温级热力膨胀阀、低温级蒸发器、低温级膨胀罐、低温级毛细管，所述低温级压缩机的制冷剂出口依次与低温级油分离器、低温级压缩机排气冷却器连接，所述低温级压缩机排气冷却器与所述中温级冷凝蒸发器的壳侧进口连接，所述中温级冷凝蒸发器的壳侧出口与低温级视液镜、低温级干燥过滤器、低温级电磁阀、低温级回热器的壳侧进口依次连接，所述低温级回热器的壳侧出口与所述低温级压缩机的制冷剂进口连接，所述低温级回热器的管侧出口通过所述低温级热力膨胀阀与所述低温级蒸发器的进口连接，所述低温级蒸发器的出口与所述低温级回热器的管侧进口连接，所述低温级膨胀罐的一个接口通过低温级泄压阀与所述低温级压缩机的排气口连接，所述低温级膨胀罐的另一个接口通过低温级毛细管与所述低温级压缩机的进气口连接，所述低温级制冷循环系统中的制冷剂为R14；高温级热力膨胀阀的感温包放置在高温级冷凝蒸发器与高温级压缩机之间的水平管路上，中温级热力膨胀阀的感温包放置在中温级回热器与中温级冷凝蒸发器之间的水平管路上，低温级热力膨胀阀的感温包放置在低温级蒸发器与低温级回热器之间的水平管路上；所述冷却水系统中冷却塔的冷却水出口依次与水冷冷凝器、中温级压缩机排气冷却器、低温级压缩机排气冷却器串联，所述低温级压缩机排气冷却器的冷却水出口与所述冷却塔的进水口连接。

2.根据权利要求1所述的环保、无氟超低温库，其特征在于，所述低温级蒸发器安装在库体顶部。

3.根据权利要求2所述的环保、无氟超低温库，其特征在于，所述内层门为铁质门，所述外层门为聚氨酯保温板门。

4.根据权利要求1所述的环保、无氟超低温库，其特征在于，电源分别与高温级压缩机和中温级延时开关连接，所述中温级延时开关分别与中温级压缩机和低温级延时开关连接，所述低温级延时开关与所述低温级压缩机连接。