CN111189248A - 一种引射节流双温区co2制冷***及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种引射节流双温区CO2制冷***及应用。本发明所述低温级CO2引射器的出口依次连通低温级过冷器、CO2低压级压缩机、CO2高压级压缩机、CO2气体冷却器、中温级过冷器、低温级CO2引射器主流入口。所述中温级CO2引射器出口依次连通中温级过冷器、高压级CO2压缩机、CO2气体冷却器、CO2中温引射器主流入口。本发明创造所述的引射节流双温区CO2制冷***，可提升压缩机的吸气压力，减小压缩机的压缩比，降低节流前CO2流体的温度，减少节流损失，可增加制冷量，提升***的效率。

Description

一种引射节流双温区CO2制冷***及应用
技术领域
本发明属于制冷制热、热泵技术领域，尤其是涉及一种引射节流双温区CO2制冷***及应用。
背景技术
在当今社会，制冷的应用几乎渗透到人类生活的各个方面，并在改善人类生活质量方面具有突出贡献。由于能源短缺和环境污染问题日益严峻，为了实现低碳经济，低温室效应的制冷剂正在被开发应用，CO2作为一种天然工质已成为新一代制冷剂的重要选项。CO2的ODP＝0，GWP＝1，安全等级A1，CO2成为替代CFC和HCFC类物质的重要替代物。而且CO2的制冷量比R22大5倍；压缩机的压力比小；传热性能好；流动时相对压力损失小；获取容易且价格低廉。
但CO2的临界温度较低为31.1℃，临界压力较高为7.38MPa，在节流时会造成很大的节流不可逆损失，使***能效降低。通过对气体冷却器出口的CO2进行冷却，可以使CO2实现过冷，通过增加过冷度可以减小节流损失，同时可以提高制冷循环的制冷量和***的性能系数(COP)。
实现过冷一般可以利用机械过冷的方法，即利用一个单独的辅助制冷循环给主制冷循环的制冷剂过冷，但这种方法使***会引入其他制冷剂作为辅助制冷循环的工质，***环保性较差，增大了***的成本。
商超应用的制冷***同时需要冷冻、冷藏两个温区，在环境温度较高时***性能较差。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种引射节流双温区CO2制冷***，以克服传统方案的缺陷，可以通过对CO2的中温级过冷和低温级过冷，减少节流不可逆损失，增加***的制冷量，可提高***整体能效。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种引射节流双温区CO2制冷***，低温级CO2引射器的出口依次连通低温级CO2过冷器、CO2低压级压缩机、CO2高压级压缩机、CO2气体冷却器之后分为两路，一路连通中温级CO2引射器主流入口；另一路连通中温级过冷器，之后又分为两路，一路连通中温级CO2节流阀、中温级CO2蒸发器、中温级CO2引射器的二次流入口、中温级CO2过冷器、CO2高压级压缩机；另一路又分为两路，一路连通低温级CO2过冷器、低温级CO2节流阀、低温级CO2蒸发器、低温级CO2引射器的二次流入口；另一路连通低温级CO2引射器主流入口。
进一步的，所述的引射节流双温区CO2制冷***，还包括两级CO2过冷器：低温级CO2过冷器和中温级CO2过冷器，可对CO2进行多级冷却。
进一步的，所述的低温级CO2蒸发器、中温级CO2蒸发器、CO2气体冷却器下方安装有风机。
进一步的，CO2气体冷却器的蒸发温度范围为10～140℃，中温级CO2蒸发器的温度范围为-15～10℃，低温级CO2蒸发器的温度范围为-50～-20℃，中温级CO2过冷器的温度范围为30～5℃，低温级CO2过冷器的温度范围为5～-30℃，高压级CO2压缩机的吸气压力范围为2.5～5MPa，排气压力范围为2.5～14MPa；低压级CO2压缩机的吸气压力范围为1.0～3.0MPa，排气压力范围为2.5～5.0MPa。
优选的，中温级CO2引射器二次流的吸气温度范围为-15～10℃，压力范围为2.29～4.50MPa，主流温度范围为5～30℃，压力范围为3.97～7.21MPa，中温级CO2引射器出口温度范围为-12～14.3℃，压力为2.5～5.0MPa。
优选的，低温级CO2引射器二次流的吸气温度范围为-50～-20℃，压力范围为0.68～1.97MPa，主流温度范围为-5.0～20℃，压力范围为3.05～5.73MPa，低温级CO2引射器出口温度范围为-40.1～-5.6℃，压力为1.0～3.0MPa。
进一步的，CO2气体冷却器、低温级CO2蒸发器、中温级CO2蒸发器均为翅片式换热器；中温级CO2过冷器、低温级CO2过冷器为套管式换热器或板式换热器。
进一步的，制冷剂为单一自然工质CO2。
本发明还涉及如上所述的引射节流双温区CO2制冷***在制冷领域的应用。
相对于现有技术，本发明所述的一种引射节流双温区CO2制冷***具有以下优势：
(1)有两级CO2蒸发器，可形成不同的两个温区，可同时能满足冷冻和冷藏的需要，一套设备可以满足多种需求，提高了设备的利用率；中温级CO2蒸发器可提供冷藏所需要的温度，低温级CO2蒸发器可提供冷冻所需要的温度。
(2)两级CO2过冷器(中温级CO2过冷器和低温级CO2过冷器)的设置可实现对CO2气体冷却器出口的CO2流体逐级冷却，减少了过冷过程中的换热不可逆损失，降低了进入节流阀前的CO2流体温度，CO2节流损失降低，提升***的总体能效。
(3)对于中温区，在CO2气体冷却器出口的一条支路设置中温级CO2引射器，使得一部分通过该支路的CO2流体不用再通过中温级节流阀进行膨胀节流，减少了节流损失。同时中温级CO2过冷器的设置，可用其自身的一条支路为另一条支路的CO2流体进行冷却，使另一条支路的CO2实现过冷，增加制冷量。而不用设置一个单独的辅助制冷循环给CO2过冷，使***更加简单，节约成本，同时引射器无运动部件，设备体积小，节省设备占用空间。中温级CO2引射器的设置，使得流过中温级CO2蒸发器的流体直接进入中温级CO2引射器的二次流入口，被引射器引射和混合，提高了高压级CO2压缩机压缩前的吸气压力，降低了压缩机的压缩比，提高了压缩机的效率。
(4)对于低温区，中温区实现过冷的一条支路流入低温区，同时它自身又分为两条支路，在一条支路设置低温级CO2引射器，使得一部分通过该支路的CO2流体不用再通过低温级节流阀进行膨胀节流，减少了节流损失。同时在另一条支路设置低温级CO2过冷器，可用其自身的一条支路为另一条支路的CO2流体继续进行冷却，增大了过冷度，进一步增加制冷量。也不用设置一个单独的辅助制冷循环给过冷，使***更加简单，节约成本，同时引射器无运动部件，设备体积小，节省设备占用空间。低温级CO2引射器的设置，使得流过低温级CO2蒸发器的流体直接进入低温级CO2引射器的二次流入口，被引射器引射和混合，提高了低压级CO2压缩机压缩前的吸气压力，降低了压缩机的压缩比，提高了压缩机的效率。
(5)本装置适用范围广泛，可应用于大型超市、仓库的冷冻和冷藏，也可用于既需要低温级制冷也需要中温级制冷的应用领域，具有良好的发展前景。
(6)引射节流双温区CO2制冷***的制冷剂为单一自然工质CO2。CO2的ODP＝0，GWP＝1，安全等级A1，高温条件下也不会分解，安全无毒，环境友好。压缩机的压力比小；传热性能好；流动时相对压力损失小；获取容易且价格低廉。
附图说明
图1为一种引射节流双温区CO2制冷***的简单结构示意图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明创造。
如图1所示，一种引射节流双温区CO2制冷***，包括由低温级CO2蒸发器1、低压级CO2压缩机2、高压级CO2压缩机3、CO2气体冷却器4、中温级CO2引射器5、中温级CO2过冷器6、中温级CO2节流阀7、中温级CO2蒸发器8、低温级CO2引射器9、低温级CO2过冷器10、低温级CO2节流阀11组成的引射双过冷器串联过冷循环。具体来说：
低温级CO2引射器9的出口依次连通低温级CO2过冷器10、CO2低压级压缩机2、CO2高压级压缩机3、CO2气体冷却器4之后分为两路，一路连通中温级CO2引射器5主流入口；另一路连通中温级过冷器6，之后又分为两路，一路连通中温级CO2节流阀7、中温级CO2蒸发器8、中温级CO2引射器5的二次流入口、中温级CO2过冷器6、CO2高压级压缩机3；另一路又分为两路，一路连通低温级CO2过冷器10、低温级CO2节流阀11、低温级CO2蒸发器1、低温级CO2引射器9的二次流入口；另一路连通低温级CO2引射器9主流入口。
作为本发明创造一个可选的实施方式，有两级CO2过冷器，分别在低温区和中温区有低温级CO2过冷器10和中温级CO2过冷器6可对CO2进行多级冷却。
作为本发明创造另一个可选的实施方式，它包括两个蒸发器：中温级CO2蒸发器8和低温级CO2蒸发器1。
为了提高蒸发器换热效率，可以在CO2蒸发器1低温级CO2蒸发器1、中温级CO2蒸发器8、CO2气体冷却器4下方安装风机12。
需要进一步说明的是，中温级节流阀7、低温级节流阀11的工作温度范围分别为-15～20℃、-50～-10℃。
作为本发明创造一个可选的实施方式，CO2气体冷却器的蒸发温度范围为10～140℃，中温级CO2蒸发器的温度范围为-15～10℃，低温级CO2蒸发器的温度范围为-50～-20℃，中温级CO2过冷器的温度范围为30～5℃，低温级CO2过冷器的温度范围为5～-30℃，高压级CO2压缩机的吸气压力范围为2.5～5MPa，排气压力范围为2.5～14MPa；低压级CO2压缩机的吸气压力范围为1.0～3.0MPa，排气压力范围为2.5～5.0MPa。中温级CO2引射器二次流的吸气温度范围为-15～10℃，压力范围为2.29～4.50MPa，主流温度范围为5～30℃，压力范围为3.97～7.21MPa，中温级CO2引射器出口温度范围为-12～14.3℃，压力为2.5～5.0MPa。低温级CO2引射器二次流的吸气温度范围为-50～-20℃，压力范围为0.68～1.97MPa，主流温度范围为-5.0～20℃，压力范围为3.05～5.73MPa，低温级CO2引射器出口温度范围为-40.1～-5.6℃，压力为1.0～3.0MPa。
作为本发明创造一个可选的实施方式，CO2气体冷却器、低温级CO2蒸发器、中温级CO2蒸发器均为翅片式换热器；中温级CO2过冷器、低温级CO2过冷器为套管式换热器或板式换热器。
因CO2的ODP＝0，GWP＝1，安全等级A1，而且CO2的制冷量比R22大5倍；压缩机的压力比小；传热性能好；流动时相对压力损失小；获取容易且价格低廉,故本发明使用CO2作为工质。
使用时，采用以下步骤利用本发明所述的引射节流双温区CO2制冷***，进行双温区制冷：
第一步：高压级CO2压缩机3将中温级CO2过冷器6出口的CO2饱和或过热气和低压级CO2压缩机2出口的气体压缩成高温高压气体，然后进入CO2气体冷却器4进行冷凝，随后出口的一股液体作为主流进入中温级CO2引射器5，另外一股流体进入中温级CO2过冷器6与中温级CO2引射器5出口的流体进行换热，使其温度降低，达到过冷的目的，并使得中温级CO2引射机5出口的流体蒸发吸热变为气态。被过冷的其中一股CO2流体进入中温级CO2节流阀7节流降压，之后进入中温级CO2蒸发器8进行中温区的制冷，随后又作为二次流进入中温级CO2引射器5被引射并混合后，流体压力提升，随后进入中温级CO2过冷器6，之后与低压级CO2压缩机2出口的气体混合进入高压级CO2压缩机3，如此循环往复，完成中温区的制冷循环。
第二步：低压级CO2压缩机2将低温级CO2过冷器10出口的CO2饱和或过热气压缩成高温高压气体，然后与中温级CO2过冷器6出口的CO2饱和或过热气混合，进入高压级CO2压缩机3，然后进入CO2气体冷却器4进行冷凝，随后进入中温级CO2过冷器6进行冷却，被过冷的其中另外一股CO2流体进入低温区进行制冷循环。其中一股液体作为主流进入低温级CO2引射器9，另外一股流体进入低温级CO2过冷器10与低温级CO2引射器9出口的流体进行换热，使其温度进一步降低，增加其过冷度，进一步可增大其制冷量，并通过换热使得低温级CO2引射器9出口的流体蒸发吸热变为气态。被过冷的那一股CO2流体进入低温级CO2节流阀11节流降压，之后进入低温级CO2蒸发器(1)进行低温区的制冷，随后又作为二次流进入低温级CO2引射器9被引射并混合后，流体压力提升，随后进入低温级CO2过冷器10，之后进入低压级CO2压缩机2，如此循环往复，完成低温区的制冷循环。
上述过程中，一个比较优选的工艺条件为：低温级CO2蒸发器的蒸发温度为-35℃，中温级CO2蒸发器的蒸发温度为-5℃。低压级CO2压缩机的吸气压力为2.29MPa，排气压力为3.97MPa，高压级CO2压缩机吸气压力为3.97MPa，排气压力为10MPa。中温级CO2过冷器过冷支路的入口温度为30℃，出口温度为15℃。低温级CO2过冷器过冷支路的入口温度为15℃，出口温度为5℃。CO2气体冷却器的入口温度为100℃，出口温度为30℃。中温级CO2引射器的主流温度为30℃，压力为7.21MPa；二次流的吸气温度为-5℃，压力为3.05MPa，出口温度为5℃，压力为3.97MPa。低温级CO2引射器的主流温度为15℃，压力为5.09MPa；二次流的吸气温度为-35℃，压力为1.20MPa，出口温度为-15℃，压力为2.29MPa。中温级节流阀、低温级节流阀的工作温度范围分别为-15～20℃、-50～-10℃。
综上，本引射节流双温区CO2制冷***，可通过一台设备实现双温区的制冷，设备结构紧凑，实现设备的高效利用。其适用范围广泛，可应用于大型超市、仓库的冷冻和冷藏，也可用于既需要低温级制冷也需要中温级制冷的应用领域，具有良好的发展前景。
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 (8)

1.一种引射节流双温区CO2制冷***，其特征在于：低温级CO2引射器(9)的出口依次连通低温级CO2过冷器(10)、CO2低压级压缩机(2)、CO2高压级压缩机(3)、CO2气体冷却器(4)入口，CO2气体冷却器(4)出口分别连接中温级CO2引射器(5)主流入口和中温级过冷器(6)入口，中温级过冷器(6)出口分为两路，一路连通中温级CO2节流阀(7)、中温级CO2蒸发器(8)、中温级CO2引射器(5)的二次流入口、中温级CO2过冷器(6)、CO2高压级压缩机(3)；另一路分别连接低温级CO2引射器(9)主流入口和低温级CO2过冷器(10)入口，低温级CO2过冷器(10)出口依次连接低温级CO2节流阀(11)、低温级CO2蒸发器(1)、低温级CO2引射器(9)的二次流入口。
2.根据权利要求1所述的引射节流双温区CO2制冷***，其特征在于：所述的低温级CO2蒸发器(1)、中温级CO2蒸发器(8)、CO2气体冷却器(4)下方分别安装有风机。
3.根据权利要求1所述的引射节流双温区CO2制冷***，其特征在于：CO2气体冷却器(4)的蒸发温度范围为10～140℃，中温级CO2蒸发器(8)的温度范围为-15～10℃，低温级CO2蒸发器(1)的温度范围为-50～-20℃，中温级CO2过冷器(6)的温度范围为5～30℃，低温级CO2过冷器(10)的温度范围为5～-30℃，高压级CO2压缩机(3)的吸气压力范围为2.5～5MPa，排气压力范围为2.5～14MPa；低压级CO2压缩机(2)的吸气压力范围为1.0～3.0MPa，排气压力范围为2.5～5.0MPa。
4.根据权利要求3所述的引射节流双温区CO2制冷***，其特征在于：中温级CO2引射器(5)二次流的吸气温度范围为-15～10℃，压力范围为2.29～4.50MPa，主流温度范围为5～30℃，压力范围为3.97～7.21MPa，中温级CO2引射器(5)出口温度范围为-12～14.3℃，压力为2.5～5.0MPa。
5.根据权利要求3所述的引射节流双温区CO2制冷***，其特征在于：低温级CO2引射器(9)二次流的吸气温度范围为-50～-20℃，压力范围为0.68～1.97MPa，主流温度范围为-5～20℃，压力范围为3.05～5.73MPa，低温级CO2引射器(9)出口温度范围为-40.1～-5.6℃，压力为1.0～3.0MPa。
6.根据权利要求1所述的引射节流双温区CO2制冷***，其特征在于：CO2气体冷却器(4)、低温级CO2蒸发器(1)、中温级CO2蒸发器(8)均为翅片式换热器；中温级CO2过冷器(6)、低温级CO2过冷器(10)为套管式换热器或板式换热器。
7.根据权利要求1所述的引射节流双温区CO2制冷***，其特征在于：制冷剂为单一自然工质CO2。
8.如权利要求1至7任意一项所述的引射节流双温区CO2制冷***在制冷领域的应用。
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