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CN103357192B - 二氧化碳固体升华器 - Google Patents

二氧化碳固体升华器 Download PDF

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Abstract

一种二氧化碳固体升华器，具有高压二氧化碳液体跨三相点膨胀、二氧化碳固体升华、剩余二氧化碳冷量回收功能于一体，所述二氧化碳固体升华器包括低温高压二氧化碳液体流入管（1）、与热源进行热交换的升华器外管（2）、高压二氧化碳液体喷管（3）、可选的节流膨胀阀（4）、升华后的二氧化碳气体流出管（5），升华器内管（6）。本发明一方面增加了固体二氧化碳颗粒与换热表面间的表面换热系数，提高换热效率，从而提高了设备制冷能力；另一方面，有效解决环境发生变化时二氧化碳固体剩余的问题和剩余固体颗粒可能对制冷系统带来的破坏作用，提高了系统的稳定性。

Description

二氧化碳固体升华器
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳固体升华器，特别是涉及一种集高压二氧化碳液体跨三相点膨胀、二氧化碳固体微粒升华、剩余二氧化碳冷能回收于一体的二氧化碳固体升华器。
背景技术
随着科学技术的发展与生活水平的提高，制冷技术在工业、农业、国防、建设、科学研究等各个部门的作用和地位日益重要。常用的二氧化碳气液相变制冷逐渐难以满足日益增长的制冷需求。而通过二氧化碳固体升华制冷的制冷系统可实现低于二氧化碳三相点温度-56.6℃的低温环境，在生物制冷、食品工行业中有着广阔前景。因此，设计新型二氧化碳固体升华器，提高其换热能力、增强其能量利用效率、增加其系统运行稳定性，能够促进制冷系统的节能减排、减少制冷系统运行费用、增强系统对环境的适应性，发展前景广阔。
目前在现有的升华器中，鲜见固体升华器。在现有的思路中，常常将节流膨胀、固体升华、能量回收三个部分分开考虑，系统与外界的换热过程是通过固气两相流与换热面间的对流换热实现的，换热系数较低，限制了制冷系统的制冷量；为保证固体在流出升华器时完全升华，常常会导致超出制冷要求的剩余固体必须升华，造成了一定程度的制冷量的浪费；同时，为保证固体全部升华，系统运行过程中，要求外界相对稳定的提供热量，系统的稳定性较差。
固体微粒循环低温制冷有着巨大的发展前景，但对于固体升华设备，相关的设计还很不完善。如何有效地结合固体生成、固体升华的特点，从而提高冷能的利用效率、设备的制冷能力、增加系统的稳定性，成为我们迫切需要研究的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上面提到的问题，提供一种集二氧化碳固体微粒生成、二氧化碳固体升华、剩余能量回收于一体的二氧化碳固体升华器，通过对各个过程的耦合，增加换热系数与制冷能力、提高系统效率、增加系统稳定性。
本发明的技术方案如下：
一种二氧化碳固体升华器，具有高压二氧化碳液体跨三相点膨胀、二氧化碳固体升华、剩余二氧化碳冷能回收功能于一体，其特征是，
所述二氧化碳固体升华器包括低温高压二氧化碳液体流入管1、与热源进行热交换的升华器外管2、高压二氧化碳液体喷管3、节流膨胀阀4(可选，当喷管节流膨胀能力不足时使用)、升华后的二氧化碳气体流出管5、升华器内管6；
其中，升华器外管2的大小与制冷范围的大小相适应，其形状根据施工及成本因素选择，推荐为方管，其换热面应为高导热率材料以保证良好的换热效果，除换热面以外的其他部分可使用或包裹隔热材料；升华器内管6的大小与升华器外管2的大小相适应，其材料应保证为高导热率材料以保证良好的换热效果；低温高压二氧化碳液体流入管1与二氧化碳气体流出管5应使用或包裹隔热材料以降低热损失，其型号应在保证二氧化碳流量的前提下考虑施工及成本因素决定；高压二氧化碳液体喷管3、节流膨胀阀4以保证节流能力为标准；
如说明书附图1，低温高压二氧化碳液体流入管1与升华器内管6相连接；升华器内管6位于升华器外管2的底部，两者底部之间无缝隙，其长度小于升华器外管的长度，宽度与升华器外管宽度相同；在升华器内管6壁上设有若干个喷管3；二氧化碳流出管5与升华器外管2相连。
所述二氧化碳固体升华器的运行过程为：
(a)低温高压二氧化碳液体经二氧化碳液体流入管1流入升华器内管6；
(b)升华器内管中的高压低温二氧化碳液体通过喷管节流膨胀产生二氧化碳固体微粒；
(c)绝大部分二氧化碳固体微粒在升华器外管换热面上进行升华；
(d)剩余的二氧化碳固体微粒在重力的作用下沉入升华器外管2底部的升华器内管6的换热面上，与节流膨胀前的高压低温二氧化碳液体进行热交换并升华；
(e)升华后的气体与尚未升华的二氧化碳固体微粒在升华器外管的最后一段全部升华，并最终通过二氧化碳气体流出管5流出。
本发明采用二氧化碳的固体的产生与升华相结合的节流膨胀-升华设备，集二氧化碳低温高压液体节流膨胀、二氧化碳固体升华、能量回收于一体。一方面，增加了固体二氧化碳颗粒与换热表面间的表面换热系数，提高换热效率，从而提高了设备制冷能力；另一方面，回收剩余二氧化碳固体颗粒中的冷能，提高能量利用效率，有效解决环境发生变化时二氧化碳固体剩余的问题和剩余固体颗粒可能对制冷系统带来的破坏作用，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施实例的系统图；
其中：1为二氧化碳低温高压液体流入管；2为升华器外管；3为二氧化碳液体喷管；4为节流膨胀阀(可选，当喷管节流膨胀能力不足时使用)；5为二氧化碳气体流出管；6为升华器内管，其内为二氧化碳高压低温液体；7为冷凝系统；8为压缩系统，图中1～6部分所示升华器为本发明内容，7、8两部分为实施实例辅助系统；s为喷管顶部与升华器换热面之间的距离；d为喷管间隔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
本发明所述的二氧化碳固体升华器(参图1)，具有高压二氧化碳液体跨三相点膨胀、二氧化碳固体升华、剩余二氧化碳冷量回收功能于一体，包括低温高压二氧化碳液体流入管1、与热源进行热交换的升华器外管2、高压二氧化碳液体喷管3、升华后的二氧化碳气体流出管5，升华器内管6；
所述升华器内管6位于升华器外管2的底部，其长度小于升华器外管的长度；在升华器内管6壁上设有若干个喷管3。
所述升华器内管长度比升华器外管长度小，在升华器内管结束后升华器外管仍有一定的长度，保证了在升华器内外管共存段中仍未升华的二氧化碳在此段升华，升华器外管应比升华器内管长0.2倍以上。
升华器内管6壁上设有多个喷管3，增大了单位时间内的流量，从而增大了换热能力，其喷管数目n由设计换热量Qd与单个喷管的换热能力Q0所决定：n＝Qd/Q0；
其中，Qd为设计换热量，Q0＝uAρΔh，A为喷管截面积，u为喷出速度，ρ为固气两相流的平均密度，Δh为膨胀前后比焓变。
在喷管3上设有节流膨胀阀4，用于调节喷管节流能力。
所述喷管3顶部与升华器换热面升华器外管内壁之间的距离s足够小，在固气两相流喷出速度为u时(u可通过实验测得，也可由计算获得)，应保证s<αu2/2g，其中，u为喷出速度，g为重力加速度，α为表征气体对固体颗粒阻力带来的影响的系数，0<α<1，以保证固体在到达升华器外管换热面时具有一定的速度，最终达到加大固体二氧化碳与升华器外管换热面之间的接触时间的目的。
所述喷管3的间隔d由喷管3喷出固体在升华器外管2换热面上的作用范围(可由实验获得)决定，喷管间隔d与喷管喷出固体在升华器外管换热面上作用范围的直径相等，以最大利用升华器外管换热面积。
所述升华器内管的换热表面处于升华器外管换热表面的正下方，升华器外管换热表面升华所剩余的固体可在重力作用下沉降在升华器内管的换热表面上。
所述二氧化碳固体升华器的运行过程为：
(a)低温高压二氧化碳液体经二氧化碳液体流入管1流入升华器内管6；
(b)升华器内管中的高压低温二氧化碳液体通过喷管节流膨胀产生二氧化碳固体微粒；
(c)绝大部份二氧化碳固体微粒在升华器外管换热面上进行升华；
(d)剩余的二氧化碳固体微粒在重力的作用下沉入升华器外管2底部的升华器内管6的换热面上，与节流膨胀前的高压低温二氧化碳液体进行热交换并升华；
(e)升华后的气体与尚未升华的二氧化碳固体微粒在升华器外管的最后一段全部升华，并最终通过二氧化碳气体流出管5流出。
步骤(b)低温高压二氧化碳液体节流膨胀产生二氧化碳固体微粒中，膨胀前的高压二氧化碳液体的压力，即升华器内管6中的压力，高于二氧化碳三相点压力，而膨胀后的二氧化碳固气两相流的压力，即升华器外管2中的压力，低于二氧化碳三相点压力，从而保证膨胀前后二氧化碳液体变为二氧化碳固气两相流。
步骤(c)中剩余的二氧化碳固体微粒在步骤(d)中与膨胀前的低温高压二氧化碳液体进行热交换，升华器外管中的二氧化碳固体微粒在升华器内管换热面升华，降低升华器内管内二氧化碳液体的温度，增加了单位液体流量下该升华器的换热能力；升华后剩余二氧化碳固体在升华器内管换热面上的升华，降低了二氧化碳液体在膨胀前的焓值，进而降低节流膨胀后固气两相流的焓值，从而实现了对剩余固体二氧化碳中冷能的回收。
当实际换热量较设计换热量低时，剩余的二氧化碳固体中的冷能得以被升华器内管回收并重新膨胀为二氧化碳固体与换热面接触，最终在实际换热量较设计换热量高时进行升华，其实际制冷量可在设计制冷量附近较大范围波动而无需严格与设计制冷量相近，这样可以保持较高的制冷效率，从而使此升华器具有较高的工作稳定性。
本二氧化碳固体升华器耦合了二氧化碳液体节流膨胀、二氧化碳固体升华、剩余二氧化碳固体能量回收三种功能，从节流膨胀到固体升华再到能量回收，三部分相互衔接，提高系统效率，增加系统稳定性。
本二氧化碳固体升华器不仅仅针对于工质二氧化碳，对于其他可通过膨胀产生固气两相流并能够升华进行制冷的工质，本发明所述升华器同样适用。
实施例1：
如图1所示为本发明实例的系统图。
在本实施实例中，本发明所述装置为整个二氧化碳跨三相点制冷系统的一部分(标号1～6所示部分)，由冷凝系统7输出的高压低温的二氧化碳液体从流入管1流入升华器内管6，升华器内管6中的高压低温二氧化碳液体通过喷管3节流膨胀至低压的升华器外管2中产生二氧化碳固体，二氧化碳固体喷射至升华器外管2换热表面上，与升华器外管2换热面充分接触，通过与热源换热进行升华，升华后剩余的二氧化碳固体在重力的作用下沉入升华器外管2底部的升华器内管6的换热面上，与节流膨胀前的高压低温二氧化碳液体进行热交换并升华，升华后的气体与尚未升华的二氧化碳固体同时向二氧化碳气体流出管5流动，其中二氧化碳固体在升华器外管的最后一段全部升华，所有气体最终通过二氧化碳气体流出管5流出，流向制冷循环系统中的压缩系统8。

Claims (11)

1.一种二氧化碳固体升华器，具有高压二氧化碳液体跨三相点膨胀、二氧化碳固体升华、剩余二氧化碳冷能回收功能于一体，其特征是，
所述二氧化碳固体升华器包括低温高压二氧化碳液体流入管(1)、与热源进行热交换的升华器外管(2)、高压二氧化碳液体喷管(3)、升华后的二氧化碳气体流出管(5)、升华器内管(6)；
所述升华器低温高压二氧化碳液体流入管(1)与升华器内管(6)相连接，升华器内管(6)位于升华器外管(2)的底部，两者底部之间无缝隙，其长度小于升华器外管的长度，宽度与升华器外管宽度相同；在升华器内管(6)壁上设有若干个喷管(3)；二氧化碳流出管(5)与升华器外管(2)相连。
2.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，所述升华器内管长度比升华器外管长度小，在升华器内管结束后升华器外管仍有一定的长度，保证了在升华器内外管共存段中仍未升华的二氧化碳在此段升华，升华器外管应比升华器内管长0.2倍以上。
3.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，升华器内管(6)壁上设有多个喷管(3)，增大了单位时间内的流量，从而增大了换热能力，其喷管数目n由设计换热量Qd与单个喷管的换热能力Q0所决定：n＝Qd/Q0；
其中，Qd为设计换热量，Q0＝uAρΔh，A为喷管截面积，u为喷出速度，ρ为固气两相流的平均密度，Δh为膨胀前后比焓变。
4.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，在喷管(3)上设有节流膨胀阀(4)，用于调节喷管节流能力。
5.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，所述喷管(3)顶部与升华器外管内壁之间的距离s足够小，在固气两相流喷出速度为u时，应保证s<αu2/2g，其中，u为喷出速度，g为重力加速度，α为表征气体对固体颗粒阻力带来的影响的系数，0<α<1，以保证固体在到达升华器外管换热面时具有一定的速度，最终达到加大固体二氧化碳与升华器外管换热面之间的接触时间的目的。
6.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，所述喷管(3)的间隔d由喷管(3)喷出固体在升华器外管(2)换热面上的作用范围决定，喷管间隔d与喷管喷出固体在升华器外管换热面上作用范围的直径相等，以最大利用升华器外管换热面积。
7.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，所述升华器内管的换热表面处于升华器外管换热表面的正下方，升华器外管换热表面升华所剩余的固体可在重力作用下沉降在升华器内管的换热表面上。
8.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，所述二氧化碳固体升华器的运行过程为：
(a)低温高压二氧化碳液体经二氧化碳液体流入管(1)流入升华器内管(6)；
(b)升华器内管中的高压低温二氧化碳液体通过喷管节流膨胀产生二氧化碳固体微粒；
(c)绝大部分二氧化碳固体微粒在升华器外管换热面上进行升华；
(d)剩余的二氧化碳固体微粒在重力的作用下沉入升华器外管(2)底部的升华器内管(6)的换热面上，与节流膨胀前的高压低温二氧化碳液体进行热交换并升华；
(e)升华后的气体与尚未升华的二氧化碳固体微粒在升华器外管的最后一段全部升华，并最终通过二氧化碳气体流出管(5)流出。
9.如权利要求8所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，步骤(b)低温高压二氧化碳液体节流膨胀产生二氧化碳固体微粒中，膨胀前的高压二氧化碳液体的压力，即升华器内管(6)中的压力，高于二氧化碳三相点压力，而膨胀后的二氧化碳固气两相流的压力，即升华器外管(2)中的压力，低于二氧化碳三相点压力，从而保证膨胀前后二氧化碳液体变为二氧化碳固气两相流。
10.如权利要求8所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，步骤(c)中剩余的二氧化碳固体微粒在步骤(d)中与膨胀前的低温高压二氧化碳液体进行热交换，升华器外管中的二氧化碳固体微粒在升华器内管换热面升华，降低升华器内管内二氧化碳液体的温度，增加了单位液体流量下该升华器的换热能力；升华后剩余二氧化碳固体在升华器内管换热面上的升华，降低了二氧化碳液体在膨胀前的焓值，进而降低节流膨胀后固气两相流的焓值，从而实现了对剩余固体二氧化碳中冷能的回收。
11.如权利要求1所述的二氧化碳固体升华器，其特征是，所使用的制冷工质是除二氧化碳之外的其他可通过膨胀产生固气两相流并能够升华进行制冷的工质。
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