CN1285491A - 相变以冷制冷方法及其循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变以冷制冷方法及其循环系统,系统由首级、任意中间级、末级制冷循环复叠组成。首级为现有制冷技术,其余各级为利用上一级更冷冷量,使本级制冷工质蒸气在绝热膨胀工况下冷凝的相变以冷制冷循环。首级提供原始冷量,末级对外供冷,任意中间级与末级扩增上一级冷量。从首级至末级,各级产冷温度依连接次序逐级增高。首级热量为次一级相变以冷制冷循环吸收。全系统无外排热量,供冷温度低,制冷效率高。
Description
本发明涉及制冷技术，特别涉及一种使相变制冷所产生的蒸气在绝热膨胀工况下、在温度低于制冷工质蒸发温度的环境中冷凝并恢复原有相态的相变以冷制冷方法及其循环系统。
现有相变制冷技术的各类制冷方法，均是使相变制冷所产生的蒸气在温度高于制冷工质蒸发温度的环境中冷凝并恢复原有相态；并且通常是在常温环境中冷凝并恢复原有相态；必须提高制冷工质蒸气的压力。现有各类制冷技术的制冷方法，均是一面制冷，一面产热；在制冷供冷过程中，必须向外界环境排放热量；并且通常是产热量多于制冷量。就环境总效果而言，现有制冷技术的制冷方法不是制冷，而是在制热；通常形成越制冷越产热，越产热越不能制冷的恶性循环工况。制冷机的供冷温度和排热环境温度之间的温差心须限定在一个很小的范围内，否则扩大这一温差，现有制冷技术的制冷效率便会极低，甚至根本无法制冷；致使现有制冷技术为了得到-40℃以下的冷量，不得不采用多级复叠式制冷，并且每级都必须耗能。
为了克服上述缺点，本发明的目的是提供一种新的相变以冷制冷方法及其循环系统，不向外界环境排放热量，供冷温度可以在常温至深冷低温之间任意设定，制冷效率高。
本发明的技术方案如下：一种相变以冷制冷方法及其循环系统，其首级制冷利用现有各类制冷技术提供原始冷量，它可以是相变制冷中的蒸气压缩制冷、耗散式制冷、吸收式制冷，可以是半导体制冷，可以是磁制冷；可以是上述制冷技术中的任意一种单级制冷；也可以是由上述制冷技术中任意一种组成的多级复叠式制冷；还可以是由上述制冷技术中的多种技术组成的多级复叠式制冷；系统是由首级制冷、任意中间级制冷、末级制冷循环组成的二级以上的多级复叠制冷循环，首级制冷作为原始制冷，末级制冷负责将上一级制冷提供的冷量扩增并负责对外供冷，任意中间级制冷负责将原始冷量从0级、1级至n级扩增；任意中间级和末级制冷方法为相变以冷制冷循环方法，它们均利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量来冷凝本级相变制冷所产生的蒸气，使制冷工质蒸气在温度低于其原蒸发温度的环境中、在绝热膨胀工况下恢复原有相态，实现相变以冷制冷循环；首级制冷所产生的热量由次一级相变以冷制冷循环所提供的冷量吸收，使首级制冷的产冷温度和排热环境温度之差，减小到使首级制冷实现正常制冷；首级制冷的产冷温度、任意中间级制冷的相变汽化温度、以及末级制冷的相变汽化温度按各级连接次序逐级增高，首级制冷产冷温度为低，末级制冷相变汽化温度为高；在相变以冷制冷方法及其循环系统中，除末级制冷循环中的对外制冷供冷部份外，其余各级制冷循环以及末级制冷循环中的其他功能部分均与外界环境绝热，使各级相变以冷制冷循环中的制冷工质蒸气从压力较高的蒸发空间流向压力较低的冷凝空间时实行绝热膨胀，使制冷工质蒸气在绝热膨胀中冷凝时只放释显热、不释放凝结热。
本发明所述的相变以冷制冷方法及其循环系统是一种使制冷工质蒸气在绝热膨胀工况下、在温度低于其原蒸发温度的环境中恢复原有相态的新的制冷方法，制冷效率高，不向外界排放热量，供冷温度可以在常温至深冷低温之间任意设定。
下面结合附图对本发明作详细描述：
图1是一种相变以冷制冷方法及其循环系统的流程示意图。
图2是上述系统由首级制冷与末级制冷循环组成的流程示意图。
图3是上述系统由首级制冷、中间-1级制冷至中间-n级制冷以及末级制冷循环组成的流程示意图。
参看图1，图中所示的任意中间级制冷级数为1，系统由首级制冷、中间-1级制冷和末级制冷循环组成。
参看图2，图中所示的任意中间级制冷级数为0，系统由首级制冷与末级制冷循环组成。
参看图3，图中所示的任意中间级制冷级数为1～n，系统由首级制冷、中间-1级制冷至中间-n级制冷以及末级制冷循环组成。
按图1所示，在末级制冷循环中运行的相变制冷工质经工质输送过程3输入对外制冷供冷的蒸发段1，从用冷处吸热汽化，相变制冷并对外供冷，相变制冷所产饱和蒸汽，不再按现有制冷技术所施加的机械压缩方法实行蒸气压缩制冷循环，而是采用相变以冷制冷循环方法，即让饱和蒸气沿箭头方向实行绝热膨胀进入比饱和蒸气温度更低的冷凝段2。由于蒸发段1内气压大于冷凝段2内气压，所以饱和蒸气自动沿箭头方向由蒸发段1至冷凝段2。由上一级相变以冷制冷循环的蒸发段4，向末级制冷循环的冷凝段2提供更低温度的冷量。饱和蒸气在绝热膨胀工况下遇冷凝结的过程，是一个只释放显热、不释放凝结热的过程，是一个吸收并保存冷量的过程，供冷方把冷量传导给饱和蒸气，使之成为过冷液态或固态工质。实现相变以冷制冷循环的实际冷量损失远远小于本级相变以冷制冷循环中工质汽化相变制冷所得的制冷量，当在冷凝工况中，重复利用过冷工质所携带的比饱和温度更低的冷量来与饱和蒸气充分进行热交换，则其冷量损失更小。由此可知，相变以冷制冷循环是一个多倍和高倍扩增上一级所提供的冷量的过程。
任意中间级和末级制冷的相变以冷制冷循环是将液态工质吸热汽化成蒸气，释放汽化潜热而制冷。任意中间级和末级制冷的相变以冷制冷循环是将固态工质吸热直接升华汽化成蒸气，释放升华潜热而制冷。
中部-1级相变以冷制冷循环，其大部分工质经工质输送过程6进入主蒸发段4内，从冷凝段2吸热汽化形成饱和蒸气，由图示箭头方向，自动实行绝热膨胀进入冷凝段5，由首级制冷的产冷段9提供更低温度的冷量冷凝；其小部分工质经工质输送过程7进入副蒸发段8，从首级制冷的产热段10吸热汽化，形成饱和蒸气，沿箭头方向实行绝热膨胀进入冷凝段5冷凝；由此全部完成中间-1级相变以冷制冷循环。与前述末级相变以冷制冷循环同理，蒸发段4所制取的冷量，从数量上多倍或高倍多于冷凝段5所消耗的冷量。
按图2所示，首级制冷与末级相变以冷制冷循环组成相变以冷制冷循环系统，其任意中间级级数为0。末级制冷负责将上一级制冷提供的冷量扩增并负责对外制冷供冷，其制冷工质大部分经工质输送过程3，进入主蒸发段1，从用冷处吸热汽化制冷并对外供冷，然后沿箭头方向实行绝热膨胀进入冷凝段2，利用首级制冷的产冷段9所提供的更低温度冷量冷凝；小部分制冷工质经工质输送过程7，进入副蒸气段8，从首级制冷的产热段10吸热汽化，然后沿箭头方向实行绝热膨胀进入冷凝段2冷凝恢复相态，由此完成末级相变以冷制冷循环，首级制冷负责提供原始冷量。
按图3所示，首级制冷与中间-1级至中间-n级相变以冷制冷循环，以及末级相变以冷制冷循环所组成的N+2级相变以冷制冷循环系统。首级制冷提供原始冷量，中间-1级至中间-n级制冷负责逐级扩增原始冷量，末级制冷负责将上一级制冷提供的冷量扩增并负责对外供冷。末级制冷工质经工质输送过程3，进入蒸发段1汽化制冷，沿箭头方向实行绝热膨胀回到冷凝段2冷凝。中间-n级制冷工质经输送过程6n，进入蒸发段4n，从冷凝段2吸热汽化，再按箭头方向实行绝热膨胀回到冷凝段5n冷凝。依照上述末级制冷与中间-n级制冷之间关系，同理设定中间-1级至中间-n级之间任意相连两级关系，即上一级相变以冷制冷循环的蒸发段为次一级相变以冷制冷循环的冷凝段提供充足冷量。中间-1级制冷与首级制冷的关系与图1完全相同。
首级制冷所产生的热量由次一级相变以冷制冷循环所提供的冷量吸收，是直接将首级制冷所产生的热量排放到次一级制冷工质中，使之吸收热量产生相变。
首级制冷所产生的热量由次一级相变以冷制冷循环所提供的冷量吸收，是间接将首级制冷所产生的热量排放到次一级制冷工质中，使次一级制冷工质通过中间媒体，吸收首级制冷所排放的热量产生相变。
首级制冷为现有制冷技术，电能或机械能进入首级制冷电器装置11，使产冷段9产冷，产热段10产热。由于次一级相变以冷制冷循环副蒸发段8全部吸收了产热段10的热量，致使首级制冷的产冷段与产热段之间的温差，可以减小到符合实现首级制冷最佳工况的温差要求，由此实现首级制冷的良性循环。本发明突破了现有制冷技术的制冷温度越低而制冷效率越低，甚至无法制冷的实际技术障碍。
任意中间级和末级相变以冷制冷循环均利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量来冷凝本级相变制冷所产生的蒸气，即利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量将本级蒸气在绝热膨胀的工况下直接冷凝成过冷工质。
任意中间级和末级相变以冷制冷循环均利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量来冷凝本级相变制冷所产生的蒸气，即利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量将本级蒸气在绝热膨胀工况下首先冷凝成过冷工质，然后利用过冷工质所携带的显冷再去冷凝绝热膨胀中的蒸气，并多次重复利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量。
如图所示，产冷段9的温度低于蒸发段4的温度，蒸发段4的温度低于蒸发段1的温度。蒸发段9、4、1之间的温度差值，按所需冷凝饱和蒸气工况的要求设定。对外制冷供冷的末级蒸发段1的温度按用冷要求，可以在常温至深冷低温之间任意设定。
由于首级制冷中产热段10所产生的微量的热量全部被次一级相变以冷制冷循环之副蒸发段8吸收，并为其相变潜热消耗，首级制冷以下各级制冷循环均为消耗热量的工况，所以图示相变以冷制冷方法及其循环系统无任何热量向外界环境排放，它只产冷，不产热。
由于制冷工质蒸气在绝热膨胀工况下遇冷凝结的过程，是一个只释放显热、不释放凝结热的过程，是一个吸收并保存冷量的过程，相变以冷制冷循环是一个多倍和高倍扩增上一级制冷所提供的冷量的过程。
首级制冷在本发明所提供的最佳冷凝环境工况条件下，实现按正常效率制冷，甚至实现超出正常效率水准制冷，其制冷量经由中间级相变以冷制冷循环逐级从数量上多倍和高倍扩增，为实现任意规模对外供冷的末级相变以冷制冷循环提供了足够的冷凝冷量。在图示整个相变以冷制冷方法及其循环系统中，除首级制冷必须耗费电能或机械动能之外，其余各级相变以冷制冷循环，除工质输送过程还需要微量能耗之外，无需其他能耗。如前所述，首级制冷所消耗的能量已经取得正常制冷效率，其效率经多级扩增，使得本发明可以具有极高的制冷效率。
本发明所述相变以冷制冷方法及其循环系统节省了制冷电能，降低了制冷供冷成本，为扩充制冷供冷的生产规模和能力提供了技术条件。本发明在原理、工业和商业上的应用都包含在本发明的权利要求范围内，任何在此基础上的改进技术都取自本发明的权利要求。
Claims (7)
1、一种相变以冷制冷方法及其循环系统，其首级制冷利用现有各类制冷技术提供原始冷量，它可以是相变制冷中的蒸气压缩制冷、耗散式制冷、吸收式制冷，可以是半导体制冷，可以是磁制冷；可以是上述制冷技术中的任意一种单级制冷；也可以是由上述制冷技术中任意一种组成的多级复叠式制冷；还可以是由上述制冷技术中的多种技术组成的多级复叠式制冷；
其特征在于，系统是由首级制冷、任意中间级制冷、末级制冷循环组成的二级以上的多级复叠制冷循环，首级制冷作为原始制冷，末级制冷负责将上一级制冷提供的冷量扩增并负责对外供冷，任意中间级制冷负责将原始冷量从0级、1级至n级扩增；任意中间级和末级制冷方法为相变以冷制冷循环方法，它们均利用上一级制冷所提供的更低温度冷量来冷凝本级相变制冷所产生的蒸气，使制冷工质蒸气在温度低于其原蒸发温度的环境中、在绝热膨胀工况下恢复原有相态，实现相变以冷制冷循环；首级制冷所产生的热量由次一级相变以冷制冷循环所提供的冷量吸收，使首级制冷的产冷温度和排热环境温度之差，减小到使首级制冷实现正常制冷；首级制冷的产冷温度、任意中间级制冷的相变汽化温度、以及末级制冷的相变汽化温度按各级连接次序逐级增高，首级制冷温度为低，末级制冷相变汽化温度为高；在相变以冷制冷方法及其循环系统中，除末级制冷循环中的对外制冷供冷部份外，其余各级制冷循环以及末级制冷循环中的其他功能部份均与外界环境绝热，使各级相变以冷制冷循环中的制冷工质蒸气从压力较高的蒸发空间流向压力较低的冷凝空间时实行绝热膨胀，使制冷工质蒸气在绝热膨胀中冷凝时只释放显热、不释放凝结热。
2、根据权利要求1所述的相变以冷制冷方法及其循环系统，其特征在于，所述任意中间级和末级制冷的相变以冷制冷循环是将液态工质吸热汽化成蒸气，释放汽化潜热而制冷。
3、根据权利要求1所述的相变以冷制冷方法及其循环系统，其特征在于，所述任意中间级和末级制冷的相变以冷制冷循环是将固态工质吸热直接升华汽化成蒸气，释放升华潜热而制冷。
4、根据权利要求1所述的相变以冷制冷方法及其循环系统，其特征在于，所述首级制冷所产生的热量由次一级相变以冷制冷循环所提供的冷量吸收，是直接将首级制冷所产生的热量排放到次一级制冷工质中，使之吸收热量产生相变。
5、根据权利要求1所述的相变以冷制冷方法及其循环系统，其特征在于，所述首级制冷所产生的热量由次一级相变以冷制冷循环所提供的冷量吸收，是间接将首级制冷所产生的热量排放到次一级制冷工质中，使次一级制冷工质通过中间媒体，吸收首级制冷所排放的热量产生相变。
6、根据权利要求1所述的相变以冷制冷方法及其循环系统，其特征在于，所述任意中间级和末级相变以冷制冷循环均利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量来冷凝本级相变制冷所产生的蒸气，即利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量将本级蒸气直接冷凝成过冷工质。
7、根据权利要求1所述的相变以冷制冷方法及其循环系统，其特征在于，所述任意中间级和末级相变以冷制冷循环均利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量来冷凝本级相变制冷所产生的蒸气，即利用上一级制冷所提供的更低温度的冷量将本级蒸气直接冷凝成过冷工质，然后利用过冷工质所携带的显冷再去冷凝蒸气，并多次重复利用上一级制冷所提供的更低温度冷量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C57 | Notification of unclear or unknown address | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Yi Yuanming Document name: Notice of publication of application for patent for invention |
|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |