專利名稱：利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種節(jié)流制冷機(jī)系統(tǒng)，特別涉及一種利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn) 物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在制冷和低溫工程中，節(jié)流是獲得低溫的古老而重要的方法。根據(jù)實(shí)際氣體的 Joule-Thomosn效應(yīng)，在實(shí)際氣體的轉(zhuǎn)回溫度以下，實(shí)際氣體節(jié)流后溫度下降，另外再采取 自身回?zé)釗Q熱措施(recuperation)，可以獲取深度制冷。回?zé)釗Q熱器的原理就是利用節(jié)流 后的較低溫度的低壓氣流通過間壁式換熱器冷卻高壓氣流，使其節(jié)流前的溫度降低，而實(shí) 現(xiàn)更低的節(jié)流制冷溫度。例如采取開式高壓氮?dú)庠诠?jié)流制冷器內(nèi)節(jié)流，可以獲取接近液氮 溫度制冷，從而作為紅外探測(cè)器冷卻等應(yīng)用。在此類專門設(shè)計(jì)的節(jié)流制冷器內(nèi)，由于其熱容 小，制冷效應(yīng)相對(duì)大，其降溫速率可以實(shí)現(xiàn)數(shù)秒內(nèi)從環(huán)境溫度降低至85K左右的低溫。由于 回?zé)釗Q熱器低壓返流側(cè)傳熱的需要，其通道內(nèi)必然存在流動(dòng)阻力，因此即使采用氮?dú)夤?jié)流 制冷，其最低溫度通常比77K高，一般只能實(shí)現(xiàn)約85K左右的制冷效果。另外根據(jù)純工質(zhì) Joule-Thomson節(jié)流制冷原理，其最大制冷量受制于節(jié)流制冷器環(huán)境溫度端的等溫節(jié)流效 應(yīng)。因此對(duì)于純工質(zhì)來(lái)講，降低高溫端的溫度可以提高制冷量。引射器是利用射流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，使不同壓力的兩股流體相互混合并進(jìn)行能量 交換的流體設(shè)備，主要包括吸入室、噴嘴、混合段和擴(kuò)壓段四部分。其中較高壓力的氣流通 過噴嘴可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較低壓力流體的抽吸作用，并且引射效應(yīng)可以抵消流動(dòng)阻力的影響，降 低制冷溫度。因此合理利用引射器可以實(shí)現(xiàn)較低的節(jié)流后壓力，以此可降低最低制冷溫度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系 統(tǒng)；可以實(shí)現(xiàn)以較高沸點(diǎn)的純工質(zhì)或高溫級(jí)混合工質(zhì)為工作介質(zhì)引射較低沸點(diǎn)純工質(zhì)或者 混合工質(zhì)，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)冷效應(yīng)，以最終實(shí)現(xiàn)獲得低溫制冷并且提高制冷量的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案如下如附圖1所示，本發(fā)明提供的利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系 統(tǒng)，其包括第一高壓氣瓶1、第一換熱器2、第二換熱器3、節(jié)流元件4、蒸發(fā)器5、引射器6、第 二高壓氣瓶7及管路；所述第一高壓氣瓶1出口連接第一換熱器2第一高壓氣體入口，第一 換熱器2第一高壓氣體出口連接第二換熱器3高壓入口 ；第二換熱器3高壓出口連接節(jié)流 元件4入口，節(jié)流元件4出口連接蒸發(fā)器5入口 ；蒸發(fā)器5出口連接第二換熱器3低壓入 口，第二換熱器3低壓出口連接引射器6低壓入口 ；第二高壓氣瓶7出口連接第一換熱器2第二高壓氣體入口，第一換熱器2第二高 壓氣體出口連接引射器6高壓入口；引射器6出口連接第一換熱器2低壓入口，第一換熱器 2低壓出口直接連通大氣境；所述第二高壓氣瓶7內(nèi)物質(zhì)的沸點(diǎn)高于所述第一高壓氣瓶1內(nèi)物質(zhì)的沸點(diǎn)。
當(dāng)所述的第一高壓氣瓶1內(nèi)物質(zhì)為Ne時(shí)，第二高壓氣瓶7物質(zhì)為N2、Ar或者二者 的混合物。當(dāng)所述的第一高壓氣瓶1內(nèi)物質(zhì)為N2、Ar或者二者的混合物時(shí)，第二高壓氣瓶1 內(nèi)物質(zhì)為四氟甲烷、三氟甲烷或者二者的混合物。本發(fā)明的利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可 通過利用高沸點(diǎn)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)低沸點(diǎn)物質(zhì)的預(yù)冷，并且通過引射器的引射效應(yīng)由高沸點(diǎn)物質(zhì) 實(shí)現(xiàn)對(duì)低沸點(diǎn)物質(zhì)節(jié)流后低壓流體的引射，進(jìn)一步降低低沸點(diǎn)物質(zhì)節(jié)流后的壓力，從而可 獲取更低的制冷溫度。同時(shí)利用高沸點(diǎn)工質(zhì)的預(yù)冷效果，可提升整體制冷系統(tǒng)的制冷量和 降溫速率，并可延長(zhǎng)工作時(shí)間，對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合具有重要意義。通常工質(zhì)節(jié)流后其最低制冷溫度受到低壓通道的流動(dòng)阻力的影響比常壓沸點(diǎn)溫 度高。例如對(duì)于N2,其常規(guī)節(jié)流后所能夠?qū)崿F(xiàn)的制冷溫度僅在83 85K左右，而且其最大 制冷量受節(jié)流制冷器所處環(huán)境側(cè)N2的等溫節(jié)流效應(yīng)制約。根據(jù)熱力學(xué)原理，其等溫節(jié)流效 應(yīng)隨溫度降低而增大，因此，如果采取預(yù)冷，其單位流量的制冷量顯然增大，并且引射效應(yīng) 可以抵消流動(dòng)阻力的影響，降低制冷溫度。
附圖1為本發(fā)明的利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的思想做進(jìn)一步闡述。實(shí)施例1 一種可獲得77K低溫的利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)如附圖1所示，第一高壓氣瓶1內(nèi)裝氮?dú)猓坏诙邏簹庠雌?內(nèi)裝三氟甲烷(CF4, R23)；從第一高壓氣瓶1出來(lái)的高壓氮?dú)夤べ|(zhì)經(jīng)過第一換熱器2后進(jìn)入第二換熱器3高 壓入口，然后進(jìn)入節(jié)流元件4節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器5，提供冷量，然后進(jìn)入第二換熱器3低壓通 道(低壓入口至低壓出口)，提供對(duì)高壓來(lái)流的自身冷卻效果(Recuperation)，隨后進(jìn)入引 射器6低壓入口(低壓引射入口)；從第二高壓氣源瓶7的R23流體經(jīng)過第一換熱器2的第二高壓通道(第二高壓入 口至第二高壓出口)進(jìn)入引射器6高壓入口，通過引射器噴嘴提高流速并實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫工質(zhì) 的引射，然后進(jìn)入第一換熱器2低壓通道(低壓入口至低壓出口)提供冷量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)N2 和R23的高壓氣體的冷卻，自身溫度恢復(fù)，然后由第一換熱器2的低壓出口排入大氣環(huán)境。在上述工作過程中，R23首先通過引射器6使自身壓力降低，并且降溫，進(jìn)入第一 換熱器2后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自身R23的高壓預(yù)冷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓N2的預(yù)冷，另外還可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)N2節(jié)流后的引射；實(shí)際上R23引射后可實(shí)現(xiàn)對(duì)N2高壓氣流在200K溫區(qū)的預(yù)冷，同時(shí)實(shí) 現(xiàn)使N2節(jié)流后壓力接近甚至第一 0. IMPa (絕對(duì)壓力)，使N2節(jié)流后完全實(shí)現(xiàn)77K甚至以下 的制冷，并提高單位流量的制冷量。實(shí)施例2
一種可獲得30K低溫的利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)如附圖1所示，第一高壓氣瓶1內(nèi)裝Ne ；第二高壓氣瓶的制冷劑可以為高壓N2、高 壓Ar或者二者的混合物；其流程結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1完全相同，不同之處在于從第一高壓氣瓶1出來(lái)的高壓工 質(zhì)氣體為Ne，而從第二高壓氣瓶出來(lái)的制冷劑可以為高壓N2、Ar或者二者的混合物；經(jīng)過 第二高壓氣體的引射預(yù)冷，可以使Ne在進(jìn)入第二換熱器3之前的溫度降低至85 90K，然 后經(jīng)第二換熱器3自身冷卻后可以實(shí)現(xiàn)30K溫區(qū)的制冷。實(shí)施例3一種可獲得70K低溫的利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)如附圖1所示，其流程結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1完全相同，不同之處在于從第一高壓氣瓶 1出來(lái)的高壓工質(zhì)氣體為N2，而從第二高壓氣瓶出來(lái)的制冷劑可以為高壓R14和R23的混 合物。經(jīng)過第二高壓氣體的引射預(yù)冷，可以使N2在進(jìn)入第二換熱器3之前的溫度降低至 150K左右，然后經(jīng)第二換熱器3自身冷卻，并經(jīng)引射器引射后，節(jié)流時(shí)低壓可以降低至絕對(duì) 壓力在0. 03MPa的真空狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)70K溫區(qū)的制冷。
權(quán)利要求
一種利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征在于其包括第一高壓氣瓶(1)、第一換熱器(2)、第二換熱器(3)、節(jié)流元件(4)、蒸發(fā)器(5)、引射器(6)、第二高壓氣瓶(7)及管路；所述第一高壓氣瓶(1)出口連接第一換熱器(2)第一高壓氣體入口，第一換熱器(2)第一高壓氣體出口連接第二換熱器(3)高壓入口；第二換熱器(3)高壓出口連接節(jié)流元件(4)入口，節(jié)流元件(4)出口連接蒸發(fā)器(5)入口；蒸發(fā)器(5)出口連接第二換熱器(3)低壓入口，第二換熱器(3)低壓出口連接引射器(6)低壓入口；第二高壓氣瓶(7)出口連接第一換熱器(2)第二高壓氣體入口，第一換熱器(2)第二高壓氣體出口連接引射器(6)高壓入口；引射器(6)出口連接第一換熱器(2)低壓入口，第一換熱器(2)低壓出口直接連通大氣境；所述第二高壓氣瓶(7)內(nèi)物質(zhì)的沸點(diǎn)高于所述第一高壓氣瓶(1)內(nèi)物質(zhì)的沸點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)，其特征 在于所述的第一高壓氣瓶(1)內(nèi)物質(zhì)為Ne，第二高壓氣瓶(7)物質(zhì)為N2、Ar或者二者的 混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)，其 特征在于所述的第一高壓氣瓶(1)內(nèi)物質(zhì)為N2、Ar或者二者的混合物，第二高壓氣瓶(7) 內(nèi)物質(zhì)為四氟甲烷、三氟甲烷或者二者的混合物。
全文摘要
利用高沸點(diǎn)物質(zhì)引射預(yù)冷低沸點(diǎn)物質(zhì)的節(jié)流制冷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)第一高壓氣瓶出口接第一換熱器第一高壓入口，第一換熱器第一高壓出口接第二換熱器高壓入口；第二換熱器高壓出口接節(jié)流元件入口，節(jié)流元件出口接蒸發(fā)器入口；蒸發(fā)器出口接第二換熱器低壓入口，第二換熱器低壓出口接引射器低壓入口；第二高壓氣瓶出口接第一換熱器第二高壓入口，第一換熱器第二高壓出口接引射器高壓入口；引射器出口接第一換熱器低壓入口，第一換熱器低壓出口通大氣；第二高壓氣瓶?jī)?nèi)物質(zhì)沸點(diǎn)高于第一高壓氣瓶?jī)?nèi)物質(zhì)沸點(diǎn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高沸點(diǎn)物質(zhì)通過引射器實(shí)現(xiàn)對(duì)低沸點(diǎn)物質(zhì)的預(yù)冷和引射，而降低低沸點(diǎn)物質(zhì)節(jié)流后壓力以實(shí)現(xiàn)更低制冷溫度，并提高低沸點(diǎn)物質(zhì)的單位流量制冷量。
文檔編號(hào)F25B23/00GK101995114SQ20101052593
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者公茂瓊, 吳劍峰, 董學(xué)強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所