CN111141055B - 一种双温区多级过冷co2制冷*** - Google Patents

一种双温区多级过冷co2制冷*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双温区多级过冷CO2制冷***。一种双温区多级过冷CO2制冷***的中温级蒸发器(即冷藏室)依次连通CO2高压级压缩机、高压级引射器、气体冷却器、节流阀、一级冷却蒸发器、二级冷却蒸发器，经中压级引射器终完成循环；低温级蒸发器(即冷冻室)依次连接低压级引射器、四级冷却蒸发器、中低压级引射器、三级冷却蒸发器、最终的CO2被低压级压缩机吸入。本发明创造所述的双温区多级过冷CO2制冷***，可对CO2进行梯级多级过冷，显著减少制冷过程的不可逆损失，提升压缩机吸气压力，显著提升***能效，提高经济效益。

Description

一种双温区多级过冷CO2制冷***
技术领域
本发明创造属于制冷技术领域，尤其是涉及一种双温区多级过冷CO2制冷***及应用。
背景技术
现如今，能源和环境问题日益凸显。对于制冷领域，常规制冷剂由于其 GWP较高，导致温室效应，将会逐渐被消减，因此需要寻求性能优良的替代制冷剂。自然工质CO2由于其无毒不可燃的特性受到了普遍关注。
商超制冷领域对冷藏、冷冻的需求很大，可通过双温区的制冷装置实现同时冷冻、冷藏的需求，然而常规CO2双温区制冷***在气候炎热及温暖地区使用时，节流前CO2流体的温度过高，导致节流损失大，效率偏低，限制了其在气候炎热和温暖地区的推广应用。
发明内容
本发明目的在于提出一种双温区多级过冷CO2制冷***，利用引射器、过冷器等部件梯级降低节流前CO2流体温度，提升***效率，满足商超制冷***同时冷冻、冷藏的需求。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
双温区多级过冷CO2制冷***主要由高压级压缩机、低压级压缩机、高压级引射器、中压级引射器、中低压级引射器、低压级引射器、一级冷却蒸发器、二级冷却蒸发器、三级冷却蒸发器、四级冷却蒸发器、中温级蒸发器、低温级蒸发器、气体冷却器组成。
所述低压级压缩机出口与高压级引射器主流入口相连；所述高压级引射器二次流入口与一级冷却蒸发器冷媒侧出口相连；高压级引射器出口与气体冷却器入口相连；所述气体冷却器出口分别与第一节流阀入口、一级冷却蒸发器热媒侧入口以及中低压级引射器主流入口相连；所述一级冷却蒸发器热媒侧出口分别与二级冷却蒸发器热媒侧入口和第二节流阀相连；所述第二节流阀与二级冷却蒸发器冷媒侧入口相连；所述二级冷却蒸发器冷媒侧出口与中压级引射器主流入口相连；所述二级冷却蒸发器热媒侧出口分别与三级冷却蒸发器、第三节流阀入口相连；所述第三节流阀出口与中温级蒸发器入口相连；所述中温级蒸发器出口与中温级引射器二次流入口相连；所述中温级引射器出口与高压级压缩机相连；
所述三级冷却蒸发器热媒侧出口分别与低压级引射器主流入口、四级冷却蒸发器热媒侧入口相连；所述四级冷却蒸发器热媒侧出口与第四节流阀入口相连；所述第四节流阀出口与低温级蒸发器入口相连；所述低温级蒸发器出口与低压级引射器二次流入口相连；所述低压引射器出口与四级冷却蒸发器冷媒侧入口相连；所述冷却蒸发器冷媒侧出口与中低压级引射器二次流入口相连；所述中低压级引射器出口与三级冷却蒸发器冷媒侧入口相连；所述三级冷却蒸发器冷媒侧出口与低压级压缩机相连；所述低压级压缩机与高压级压缩机相连。
进一步讲，所述CO2低温级蒸发器、CO2中温级蒸发器、各级冷却蒸发器分别采用翅片管换热器、翅片管换热器、套管式换热器或板式换热器；所述CO2气体冷却器为翅片管换热器。
进一步的，所述气体冷却器、CO2中温级蒸发器、CO2低温级蒸发器、一级冷却蒸发器热媒侧、二级冷却蒸发器热媒侧、三级冷却蒸发器热媒侧、四级冷却蒸发器热媒侧、一级冷却蒸发器冷媒侧、二级冷却蒸发器冷媒侧、三级冷却蒸发器冷媒侧、四级冷却蒸发器冷媒侧的工作温度范围分别为 15～140℃、-15～10℃、-50～-20℃、10～30℃、-5～20℃、-15～10℃、-30～0℃、5～25℃、-10～15℃、-20～-15℃、-35～-5℃。CO2高压级压缩机的排气压力范围为7.5～14MPa；CO2低压级压缩机的排气压力范围为1.97～3.97MPa。
进一步讲，所述中温级蒸发器放置在冷藏室内；低温级蒸发器放置在冷冻室内，以此来达到不同温区的要求。冷藏温度略高，可以储存乳制品、蔬菜、水果、蛋类等；冷冻可以储存肉类、鱼类等食品。
与现有技术相比，本发明具有的优势和积极效果是：
(1)双温区CO2制冷***的制冷剂仅为自然工质CO2。ODP为0，GWP 为1，高温条件下也不会分解，安全无毒，环境友好，可大大缓解温室效应，环保优势明显。
(2)CO2流体在节流进入中温、低温蒸发器前分别进行了连续两次梯级过冷，可同时大幅降低冷冻、冷藏节流过程中的换热不可逆损失，并增加冷冻、冷藏应用的制冷量。
(3)高压级引射器的设置可降低进入气体冷却器的CO2流体的压力，***运行更加安全，大幅降低气体冷却器的设计压力，气体冷却器的造价降低，降低设备重量。
(4)中压级引射器的设置，通过高压流体引射中温级蒸发器出口的饱和蒸汽，形成稍高于中温级蒸发器压力的中间压力，该压力下的气液两相流体没有使用节流阀节流降压，而是采用引射器获得中间压力，降低了节流损失。
(5)中低压级引射器的设置，通过来自气体冷却器的高压流体引射四级冷却蒸发器冷媒侧出口的过冷蒸汽，形成稍高于四级冷却蒸发器压力的中间压力，该压力没有通过传统方式的节流阀进行节流降压，而是采用了引射器获得中间压力，回收膨胀功，降低了节流损失，提升了低压级压缩机的吸气压力，减小了压缩比，提升了***效率。
(6)低压级引射器的设置，通过高压流体引射低温级蒸发器出口的饱和蒸汽，形成稍高于低温级蒸发器压力的中间压力，该压力下的气液两相流体未通过节流阀进行节流降压，而是采用引射器获得中间压力，回收膨胀功，降低了节流损失。
(7)本***设置了CO2高压级压缩机和低压级压缩机，压缩机压比不大，适用于更低温度的冷冻和冷藏的应用，可应用于对于冷冻冷藏温度要求更低的大型商场、冷库、超市，也可用于屠宰场、食品加工厂等同时需要冷冻冷藏的应用领域。
附图说明
图1为本发明双温区多级过冷CO2制冷***的简单结构示意图；
图2为双温区多级过冷CO2制冷***温熵T-s图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，特举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，一种双温区多级过冷CO2制冷***，包括CO2中温级蒸发器、和低温级蒸发器；中温级蒸发器(即冷藏室)依次连通CO2高压级压缩机、高压级引射器、气体冷却器、节流阀、一级冷却蒸发器、二级冷却蒸发器，经中压级引射器终完成循环；低温级蒸发器(即冷冻室)依次连接低压级引射器、四级冷却蒸发器、中低压级引射器、三级冷却蒸发器、最终的CO2被低压级压缩机吸入。
具体来说它的工作过程是：
第一步：高压级压缩机1压缩来自被中压级引射器10引射和低压级压缩机17压缩混合后的CO2(如图2状态A2)经过一段管道后，进入高压级引射器2(如图2状态A3)，喷出的气体随后又进入气体冷却器3(如图2 状态A4)。
第二步：冷却后的CO2分为三路：一路经过第一节流阀4被降压(如图 2状态A20)，然后在一级冷却器5中进行蒸发吸热变为饱和气态(如图2 状态A21)，之后进入高压级引射器2；另一路作为一次流进入中低压级引射器11，如图2状态A16；第三路经一级冷却蒸发器5分别与第二节流阀6 和二级冷却蒸发器相连(如图2状态A5)。
第三步：经第二节流阀6节流后的CO2(如图2状态A22)进入二级冷却蒸发器7进行蒸发吸热变为饱和气体(如图2状态A13)，作为一次流进入中压级引射器10；而从二级冷却蒸发器7热媒侧流出的CO2(如图2状态 A6)分成两部分，一部分会进入第三节流阀8节流，之后在中温级蒸发器9 (如图2状态A11)蒸发吸热变为饱和气体(如图2状态A12)，该饱和气A12作为二次流在中压级引射器10中被一次流A13引射，二者混合至图2 状态A14，终被高压级压缩机1吸入，完成冷藏室的循环。
第四步：从二级冷却蒸发器7热媒侧流出的另一部分CO2进入三级冷却蒸发器12热媒侧中冷却(如图2状态A7)，之后再次分为两路，一路作为一次流进入低压级引射器13的主流入口；一路进入四级冷凝蒸发器14热媒侧蒸发冷却(如图2状态A8)，随后进入第四节流阀15节流降压(如图2 状态A9)，然后进入低温级蒸发器16蒸发吸热成饱和气态至图2状态A10。
第五步：来自三级冷却蒸发器12和低温级蒸发器16的CO2气体均存于低压级引射器13内，二次流A10被一次流A7引射，两者混合至图2状态 A15，形成了较低压CO2。低压级引射器13出口与四级冷却蒸发器14冷媒侧相连，CO2蒸发吸热变成饱和气体(如图2状态A16)。
第六步：低温低压的CO2饱和气体A16进入作为二次流进入中低压级引射器11，同时与来自气体冷却器3的一路CO2汇合，二次流A16被一次流A4引射，喷出中低压中低温的气液两相CO2(如图2状态A17)。
第七步：中低压中低温的CO2在三级冷却蒸发器12冷媒侧蒸发吸热成饱和气态(如图2状态A1)。此时的CO2被低压级压缩机17吸入(如图2 状态A18)，最终由被吸入高压级压缩机1(如图2状态A19)，完成冷冻循环。
本发明创造所述的双温区多级过冷CO2制冷***，使用时，一个比较优选的工艺条件为：CO2低温级蒸发器16的蒸发温度为-35℃，中温级蒸发器 9的温度为-5℃，一级冷却蒸发器5的温度为25℃，二级冷却蒸发器7的温度为15℃；三级冷却蒸发器12的温度为5℃；四级冷却蒸发器14的温度为 -5℃；CO2高压级压缩机1的吸气压力为3.5MPa，排气压力为10MPa；CO2低压级压缩机17的吸气压力为2.5MPa；CO2高压引射器2二次流的吸气温度为14.2℃，压力为5MPa，主流温度为110℃，压力为10MPa，引射器出口压力为8MPa。CO2中压级引射器10二次流的吸气温度为-5℃，压力为 3.05MPa，主流温度为5.3℃，压力为4MPa，引射器出口压力为3.5MPa。 CO2中低压级引射器13二次流的吸气温度为-19℃，压力为2MPa，主流温度为35℃，压力为8MPa，引射器出口压力为2.5MPa。CO2低压级引射器 16二次流的吸气温度为-35℃，压力为1.2MPa，主流温度为5℃，压力为 3.05MPa，引射器出口压力为1.2MPa。
具体工作过程为：被压缩后的自然高温高压工质CO2(10MPa，110℃) 进入引射器装置后喷出CO2(8MPa，35℃)，经气体冷却器3被冷却至25℃；压缩后的CO2(8MPa,25℃)分为三路：一路经过第一节流阀4节流降压至 5MPa，后在一级冷却器5冷媒侧中进行蒸发吸热至14.2℃，此时CO2(5MPa， 14.2℃)作为二次流进入高压级引射器2，完成循环；另一路将CO2(8MPa,25℃)作为一次流送至中低压级引射器11；第三路经一级冷却蒸发器5分别与第二节流阀6和二级冷却蒸发器7热媒侧相连。经6节流后的 CO2(4MPa,25℃)进入二级冷却蒸发器7冷媒侧进行二级蒸发吸热，降温至5.3℃，作为中压中温的CO2(4MPa，5.3℃)进入中压级引射器10；而从二级冷却蒸发器7热媒侧流出的CO2(8MPa,15℃)一部分进入第三节流阀8节流降压至3.05MPa的CO2，进入中温级蒸发器9蒸发吸热至-5℃，此时CO2(3.05MPa，-5℃)作为二次流体在中温级引射器10中发生引射；引射后压力变为3.5MPa的CO2流体被吸入高压级压缩机1，完成循环。
从二级冷却蒸发器7热媒侧流出的另一部分CO2(3.05MPa,15℃)进入三级冷却蒸发器12热媒侧被降温至5℃，之后分为两路，一路作为一次流进入低压级引射器13；一路进入四级冷凝蒸发器14热媒侧被冷却至-5℃，随后进入第四节流阀15节流降压至1.2MPa，进入低温级蒸发器16降温至 -35℃，此时CO2(1.2MPa,-35℃)作为二次流进入低压级引射器13，产生 2MPa的低压CO2气体。低压级引射器13与四级冷却蒸发器14冷媒侧相连，冷却CO2至-19℃。CO2(2MPa,-19℃)作为二次流低压气体进入中低压级引射器11，产生CO22.5MPa；随后在三级冷却蒸发器12冷媒侧蒸发吸热成-12℃的CO2气体。CO2(2.5MPa,-12℃)进入低压级压缩机17，最终由被吸入高压级压缩机1，完成循环。
作为本发明创造一个可选的实施方式，一个极佳的实施方式为，所述 CO2低温级蒸发器、CO2中温级蒸发器、各级冷却蒸发器分别采用翅片管换热器、翅片管换热器、套管式换热器或板式换热器；所述CO2气体冷却器为翅片管换热器。
作为本发明创造一个可选的实施方式，双温区CO2循环的换热流体为 CO2。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双温区多级过冷CO2制冷***，其特征在于，包括高压级压缩机、低压级压缩机、高压级引射器、中压级引射器、中低压级引射器、低压级引射器、一级冷却蒸发器、二级冷却蒸发器、三级冷却蒸发器、四级冷却蒸发器、中温级蒸发器、低温级蒸发器、气体冷却器；
所述高压级压缩机（1）出口与高压级引射器（2）主流入口相连；所述高压级引射器（2）二次流入口与一级冷却蒸发器（5）冷媒侧出口相连；高压级引射器（2）出口与气体冷却器（3）入口相连；所述气体冷却器（3）出口分别与第一节流阀（4）入口、一级冷却蒸发器（5)热媒侧入口以及中低压级引射器（11）主流入口相连；所述一级冷却蒸发器（5）热媒侧出口分别与二级冷却蒸发器（7）热媒侧入口和第二节流阀（6）相连；所述第二节流阀（6）与二级冷却蒸发器（7）冷媒侧入口相连；所述二级冷却蒸发器（7）冷媒侧出口与中压级引射器（10）主流入口相连；二级冷却蒸发器热媒侧出口分别与三级冷却蒸发器（12）热媒侧入口、第三节流阀（8）入口相连；所述第三节流阀（8）出口与中温级蒸发器（9）入口相连；所述中温级蒸发器（9）出口与中温级引射器（10）二次流入口相连；所述中温级引射器（10）出口与高压级压缩机（1）相连；
所述三级冷却蒸发器（12）热媒侧出口分别与低压级引射器（13）主流入口、四级冷却蒸发器（14）热媒侧入口相连；所述四级冷却蒸发器（14）热媒侧出口与第四节流阀（15）入口相连；所述第四节流阀（15）出口与低温级蒸发器（16）入口相连；所述低温级蒸发器（16）出口与低压级引射器（13）二次流入口相连；所述低压级引射器（13）出口与四级冷却蒸发器（14）冷媒侧入口相连；所述四级冷却蒸发器（14）冷媒侧出口与中低压级引射器（11）二次流入口相连；所述中低压级引射器（11）出口与三级冷却蒸发器（12）冷媒侧入口相连；所述三级冷却蒸发器（12）冷媒侧出口与低压级压缩机（17）相连；所述低压级压缩机（17）与高压级压缩机（1）相连；
所述气体冷却器（3）、CO2中温级蒸发器（9）、CO2低温级蒸发器（16）均采用翅片管换热器；
所述CO2一级冷却蒸发器（5）、二级冷却蒸发器（7）、三级冷却蒸发器（12）和四级冷却蒸发器（14）均采用套管式换热器或板式换热器。
2.根据权利要求1所述的双温区多级过冷CO2制冷***，其特征在于：跨临界CO2双温区循环的换热流体为CO2；从高压压缩机排出的CO2压力范围7.5MPa~14MPa；从低压级压缩机排出的CO2压力范围1.97MPa~3.97MPa；所述CO2气体冷却器（3）、CO2中温级蒸发器（9）、低温级蒸发器（16）的工作温度范围分别为15~140℃、-15~10℃、-50~-20℃；所述一级冷却蒸发器（5）、二级冷却蒸发器（7）、三级冷却蒸发器（12）、四级冷却蒸发器（14）的热媒侧工作温度范围分别为10~30℃、-5~20℃、-15~10℃、-30~0℃；所述一级冷却蒸发器（5）、二级冷却蒸发器（7）、三级冷却蒸发器（12）、四级冷却蒸发器（14）的冷媒侧工作温度范围分别为5~25℃、-10~15℃、-20~-15℃、-35~-5℃。
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