2复叠制冷两次节流制备固-气流态干冰的系统附图说明" src="/d/file/p/2020/11-24/31a000e33864ed973b98514eab00685b.gif" />
一种基于CO2复叠制冷两次节流制备固-气流态干冰的系统
技术领域
本发明属于制冷技术领域，特别涉及一种基于CO2复叠制冷两次节流制备固-气流态干冰的系统。
背景技术
干冰是CO2的固态形式，其常压下温度为-78.5℃，汽化潜热为573kJ/kg，1kg干冰变为25℃时的CO2气体能吸收653kJ的热量；相比之下，1kg的液氮(-196℃)变为25℃的氮气吸收的热量为411kJ，仅为干冰的60％。可见干冰释冷量大，再加上其常压下迅速升华，且安全无毒，因而被广泛应用于冷冻行业。
目前干冰行业的制备主要以高压CO2液体为原料；CO2液体从储罐中排出，经节流阀节流后形成固-气两相状态，气相直接排入环境，而固相在冰模中收集；当冰模充满时，液压装置将疏松的CO2雪花状固体压实、形成干冰，并通过模具形成所需的形状排出。干冰用于冷冻用途是，一般是将干冰固体铺洒在被冷却对象表面，从而利用干冰的汽化过程吸收被冷却对象的热量。
干冰的制备和利用过程简单、可靠，但仍存在四个方面的缺点：一是原料为CO2液体，需要在上游进行CO2气体液化环节，增加了成本；二是干冰制备过程需频繁更换液体CO2储罐，无法实现连续生产及应用；三是干冰用于冷冻时，主要以静态升华为主，不具备流动性，不利于冷量的控制和均匀化分布；四是原料无法回收利用，浪费较多且对环境不利。因此，需要提出一种固-气流态干冰制备系统，能克服上述缺点，实现干冰的低成本、持续生产，且具备流动性、原料可回收等特点。
发明内容
本发明提出了一种基于CO2复叠制冷两次节流持续制备固-气流态干冰的系统，目的是改进现有技术方案的不足，提高干冰生产经济性、生产持续性、产品流动性和环境友好性。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于CO2复叠制冷两次节流制备固-气流态干冰的系统，由高温级制冷回路和低温级制冷回路构成,其中低温级制冷回路中包括两次节流结构；
所述的高温级制冷回路包括冷凝蒸发器，冷凝蒸发器高温级出口依次与气液分离器、压缩机、油分离器、冷凝器、贮液罐、干燥过滤器、膨胀阀连接，膨胀阀出口与冷凝蒸发器高温级入口连接，组成高温级制冷回路；
所述的低温级制冷回路包括冷凝蒸发器，冷凝蒸发器低温级出口依次与干燥过滤器、一次节流阀、气液分离器、二次节流阀、蒸发器、气固分离器、压缩机、油分离器连接，油分离器出口与冷凝蒸发器低温级入口连接，组成低温级制冷回路；
所述的高温级制冷回路和低温级制冷回路通过冷凝蒸发器相耦合，冷凝蒸发器采用套管式或板式；
所述的两次节流结构包括：一次节流阀出口与气液分离器入口连接，气液分离器气管与压缩机吸气管连接，气液分离器液管与二次节流阀连接；
所述的高温级制冷回路还包括温度传感器，温度传感器设置在冷凝蒸发器中部；温度传感器动态控制膨胀阀开度及压缩机转速，从而将冷凝蒸发器高温级冷凝温度控制在-20～-10℃区间内；
所述的两次节流结构中还包括两个温度传感器，分别设置在一次节流阀和二次节流阀出口，从而将一次节流阀出口温度控制在-30～-20℃区间内；二次节流阀出口温度控制在-75～-65℃区间内；
所述的低温级制冷回路中，蒸发器采用丝管式，蒸发器盘管折叠成搁架形状，被冷却物品可放置在蒸发器上，与蒸发器直接接触；
所述的低温级制冷回路中，蒸发器采用丝管式，蒸发器盘管内壁缠绕低功率电热丝，在被冷却物品量较少或热负荷不够时提供热量，防止蒸发器内干冰沉积，影响流动性；
所述的低温级制冷回路中，蒸发器采用丝管式，蒸发器盘管内壁进行光滑处理，以降低气-固流态干冰流动阻力，防止蒸发器内干冰沉积，影响流动性；
所述的低温级制冷回路中，蒸发器入口管段采用渐扩管形式，即内径沿流动方向逐渐增大，防止入口管段干冰沉积，影响流动性；
所述的低温级制冷回路中，气固分离器内部粘贴低功率电热丝，对分离出的固态干冰提供热量，使其升华成气相后进入压缩机压缩；
所述的低温级制冷回路采用制冷剂为CO2；所述的高温级制冷回路采用的制冷剂为无机化合物、氟利昂、烷烃类环烷烃及其卤代物，以及链烯烃及其卤代物中的一种或者两种以上的混合物；
所述的高温级制冷回路和低温级制冷回路各自全封闭，所有外部管路均粘贴保温棉。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明最终制备产品为固-气流态干冰，相比于传统的固态干冰，固-气流态干冰流动性较好，因而其制冷量能精准控制和均匀化分布；
本发明只需初期在低温级制冷回路中充注少量CO2原料气，即可用于制备固-气流态干冰产品，而无需在上游空分厂商环节购买液态CO2，从而降低了成本；传统干冰制备方法需频繁更换液体CO2储罐，因而无法实现持续制备干冰产品；本发明因为高温级和低温级均是闭式制冷回路，能实现持续制备固-气流态干冰产品；本发明在低温级制冷回路中制备的固-气流态干冰产品，在封闭的蒸发器中释放冷量后，产生的CO2气体又重新回到压缩机，进入系统循环利用，因而节约原料，并且对环境友好；本发明通过在高温级制冷回路中对冷凝蒸发器进行精确温控，以及在两级节流中对一次节流阀和二次节流阀开度进行精确控制，保证了固-气流态干冰生产稳定可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1.冷凝蒸发器，2.温度传感器，3.气液分离器，4.压缩机，5.油分离器，6.冷凝器，7.贮液罐，8.干燥过滤器，9.膨胀阀，10.贮液罐，11.干燥过滤器，12.一次节流阀，13.气液分离器，14.二次节流阀，15.温度传感器，16.温度传感器，17.蒸发器，18.蒸发器入口段，19.气固分离器，20.压缩机，21.油分离器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施过程进行详细阐述，但本发明不限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，结合搭建的系统详细说明具体的细节：
如图1所示，本发明提出了一种基于CO2复叠制冷两次节流持续制备固-气流态干冰的系统，实现固-气流态干冰产品的低成本、持续生产、高流动性和环保减排的制备技术，包括：
高温级制冷回路：冷凝蒸发器1高温级出口依次与气液分离器3、压缩机4、油分离器5、冷凝器6、贮液罐7、干燥过滤器8、膨胀阀9连接，膨胀阀9出口与冷凝蒸发器1高温级入口连接，组成高温级制冷回路；
低温级制冷回路：冷凝蒸发器1低温级出口依次与贮液罐10、干燥过滤器11、一次节流阀12、气液分离器13、二次节流阀14、蒸发器17、气固分离器19、压缩机20、油分离器21连接，油分离器21出口与冷凝蒸发器1低温级入口连接，组成低温级制冷回路；
高温级制冷回路和低温级制冷回路通过冷凝蒸发器1相耦合；
两次节流结构：一次节流阀12出口与气液分离器13入口连接，气液分离器13气管与压缩机20吸气管连接，气液分离器13液管与二次节流阀14连接，组成两次节流结构；
高温级制冷回路采用的制冷剂为无机化合物、氟利昂、烷烃类环烷烃及其卤代物，以及链烯烃及其卤代物中的一种或者两种以上的混合物；气液两相制冷剂在冷凝蒸发器1中蒸发，经气液分离器3分离出液相后，热制冷剂蒸气进入压缩机4压缩，经油分离器5分离出油后，高压制冷剂气体进入冷凝器6冷凝后进入贮液罐7、再经过干燥过滤器8分离出杂质后进入膨胀阀9节流，气液两相制冷剂再进入冷凝蒸发器1蒸发；
高温级制冷回路还包括温度传感器2，温度传感器设置在冷凝蒸发器1中部；温度传感器2动态控制膨胀阀9开度及压缩机4转速，从而将冷凝蒸发器1高温级冷凝温度控制在-20～-10℃区间内；
低温级制冷回路采用的制冷剂为CO2，过热CO2蒸气在冷凝蒸发器1中冷凝成液相后进入贮液罐10，经干燥过滤器11分离出杂质后，经过两次节流环节，在蒸发器入口段18内形成固-气流态干冰，流态干冰产品在蒸发器17中吸收被冷却对象的热量后，固相干冰升华成气态，在气固分离器19分离出固相后，气相依次进入压缩机20压缩、油分离器21分离出油后，在进入冷凝蒸发器1冷凝；
低温级制冷回路中，蒸发器17采用丝管式，盘管折叠成搁架形状，被冷却物品可放置在蒸发器17上，与蒸发器17直接接触，吸收蒸发器内部固-气流态干冰的释冷量进行冷却；蒸发器17盘管内壁进行光滑处理，以降低气-固流态干冰流动阻力，防止蒸发器17内干冰沉积，影响流动性；蒸发器17入口管段18采用渐扩管形式，即内径沿流动方向逐渐增大，防止入口管段18内干冰沉积，影响流动性；蒸发器17盘管内壁粘贴低功率电热丝，用于在被冷却物品量较少或热负荷不够时提供热量，防止蒸发器17内干冰沉积，影响流动性；气固分离器19内部粘贴低功率电热丝，对分离出的固态干冰提供热量，使其升华成气相后进入压缩机压缩；液相CO2流出干燥过滤器11后进入两次节流结构，即液相CO2先进入一次节流阀12节流后，变成气液两相状态进入气液分离器13，分离出的气相经气液分离器13上方的气管旁通至压缩机20入口进行压缩，液相经气液分离器13下方的液管进入二次节流阀14再节流，在蒸发器入口管段18中形成固-气流态干冰产品；
两次节流结构中还包括温度传感器15和16，其中温度传感器15设置在一次节流阀12出口，控制一次节流阀12开度，从而将一次节流阀12出口温度控制在-30～-20℃区间内(有研究表明，该温区液体CO2开始节流，生成固-气流态干冰效率较高)；温度传感器16设置在二次节流阀14出口，从而将二次节流阀12出口温度控制在-75～-65℃区间内，形成固-气流态干冰产品；
而冷凝蒸发器1采用套管式或板式，从而实现高温级制冷回路和低温级制冷回路中的两股制冷剂流体在冷凝蒸发器1中分别流动并进行换热，高级制冷回路中的制冷剂在冷凝蒸发器中1中蒸发，创造出一定的低温环境，供低温级制冷回路中的制冷剂在冷凝蒸发器中1中冷凝，并将其冷凝温度控制在冷凝温度控制在-20～-10℃区间内；
高温级制冷回路和低温级制冷回路各自全封闭，所有外部管路均粘贴保温棉。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状，所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
