CN102455083A - 完全二氧化碳工质的超市多效组合系统 - Google Patents

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宁静红
刘圣春
李慧宇
苗惠
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Tianjin University of Commerce
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Abstract

本发明公开了一种完全二氧化碳工质的超市多效组合系统，提供一种完全采用CO2工质的集供冷、供暖、食品制冷和供应生活热水为一体的超市多效组合系统，以减少热污染，节约能源。包括空调系统、食品制冷系统和供应热水系统，空调系统由以CO2为循环工质的CO2跨临界空调循环系统和送风系统组成；食品制冷系统由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成；供热水系统包括补水箱、第一水泵、第二水泵、蓄热水箱。CO2跨临界循环的空调系统可以为不同的季节提供冷源和热源的同时提供生活热水，高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成的制冷系统为食品的保鲜提供冷源的同时提供生活热水。

Description

完全二氧化碳工质的超市多效组合系统
技术领域
本发明涉及一种完全二氧化碳工质的超市多效组合系统。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，对生活消费食品的品质以及购物环境空间提出更高的要求，同时，在促使经济迅猛发展的同时，引起自然资源的紧缺和日益严重的环境污染，开发环保节能的超市空调与食品冷冻冷藏制冷系统成为各国学者研究的热点。目前，以减少制冷剂充注量、减少环境污染、降低泄漏率和设备投资为目标的超市制冷空调系统的发展趋势，使得曾作为主要制冷剂、广泛用于蒸汽压缩式制冷系统、有着130多年历史的CO2受到越来越多的关注。CO2所具有的不燃、无毒等优良的特性决定了其在超市制冷空调系统有着巨大的应用潜力，很有可能会在未来得到突飞猛进的发展。完全CO2超市多效组合系统，能实现超市空调系统以及中、低温食品冷藏冷冻制冷循环全部采用CO2工质，完全实现自然工质CO2循环。目前，许多学者都在致力于完全自然工质CO2循环的研究，但是，都没有提出具体实施的技术方案。完全自然工质CO2循环，应用于超市制冷空调系统对节约能源、发展低碳经济具有极大的推动作用，具有很好的发展前景。
国内现有的超市组合系统使用的制冷工质，传统工质R22面临淘汰，混合工质R404A等需要合成，成本较高，影响环境。国外开发的食品冷藏冷冻制冷采用复叠式制冷循环，高温循环制冷工质R290等有一定的可燃性，需做严格的密封和安全保护处理，而且，运行成本高。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种完全采用CO2工质的集供冷、供暖、食品制冷和供应生活热水为一体的超市多效组合系统，以减少热污染，低碳循环，保护环境，节约能源，而且运行成本低。
本发明通过下述技术方案实现：
一种完全二氧化碳工质的超市多效组合系统，其特征在于，包括空调系统、食品制冷系统和供热水系统；
所述空调系统由以CO2为循环工质的CO2跨临界空调循环系统和送风系统组成；
所述CO2跨临界空调循环系统包括室内热交换器、第一阀门、第一单向阀、第一截止阀、第二截止阀、第二单向阀、CO2压缩机、四通阀、热交换器、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第一热回收换热器、第六阀门、第七阀门、第八阀门，室内热交换器的第二接口分别与第一单向阀的入口和第一截止阀的出口连接，第一单向阀的出口与第二截止阀的入口连接，第二单向阀的出口与第一截止阀的入口连接，热交换器的第二接口分别与第二单向阀的入口和第二截止阀的出口连接，热交换器的第一接口分为四路，一路通过第五阀门与第一热回收换热器的管侧第一接口连接，一路通过第五阀门、第三阀门、第七阀门与室内热交换器的第一接口连接，一路通过第五阀门、第三阀门与四通阀的第一接口并联后通过第一阀门与第一单向阀的入口连接，一路通过第二阀门与四通阀的第二接口并联后与CO2压缩机的入口连接，四通阀的第二接口与CO2压缩机入口之间安装有第八阀门，第一热回收换热器的管侧第二接口通过第六阀门与室内热交换器的第一接口连接；四通阀的第四接口与CO2压缩机的出口连接，四通阀的第三接口通过第四阀门与第一热回收换热器的管侧第二接口连接；所述送风系统由风道和风扇组成，室内热交换器和送风风扇设置在风道内；
所述食品制冷系统由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成，包括CO2气体冷却器、第二热回收换热器、CO2高温制冷压缩机、CO2高温膨胀阀、CO2低温制冷压缩机、CO2低温蒸发器、中间冷却器、CO2低温膨胀阀、CO2供液泵、中温CO2膨胀阀、中温换热器，CO2高温制冷压缩机的出口与第二热回收换热器的管侧入口连接，第二热回收换热器的管侧出口与CO2气体冷却器的入口连接，CO2气体冷却器的出口经CO2高温膨胀阀与中间冷却器的第二接口连接，中间冷却器的第一接口与CO2高温制冷压缩机的入口连接；CO2低温制冷压缩机的出口与中间冷却器的第三接口54连接，中间冷却器的第四接口与CO2低温膨胀阀的入口连接，CO2低温膨胀阀的出口与CO2低温蒸发器的入口连接，CO2低温蒸发器的出口与CO2低温制冷压缩机的入口连接；中间冷却器的第五接口与中温换热器的出口连接，中温换热器的入口与中温CO2膨胀阀的出口连接，中温CO2膨胀阀的入口与CO2供液泵的出口连接，CO2供液泵的入口与中间冷却器的第六接口连接；
所述供热水系统包括补水箱、第一水泵、第二水泵，蓄热水箱，第二水泵的出口与第二热回收换热器的壳侧入口连接，第二热回收换热器的壳侧出口与蓄热水箱的第二回水口连接，蓄热水箱的第二出水口与第二水泵的入口连接；第一水泵的出口与第一热回收换热器的壳侧入口连接，第一热回收换热器的壳侧出口与蓄热水箱的第一回水口连接，蓄热水箱的第一出水口与第一水泵的入口连接；补水箱的出水口与蓄热水箱的补水口连接，电加热器的加热管设置在蓄热水箱中，蓄热水箱的热水出水口与超市的生活热水系统连接。
在风道内设置有电加热辅助热交换器。
中间冷却器外包有隔热保温层。
蓄热水箱外包有隔热保温层。
本发明具有下述技术效果：
本发明完全CO2工质的超市多效组合系统，空调系统为CO2跨临界空调循环，采用绿色自然工质CO2为循环工质。食品制冷系统采用由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成，利用自然工质CO2，用于食品的冷冻和冷藏。同时，充分利用空调系统和制冷系统运行时高温高压CO2气体冷却降温过程放出的热量来制备生活热水。本发明充分利用自然界中广泛存在的CO2，大大降低成本，节约能源，彻底解决化合物对环境的污染，适应低碳经济循环，符合可持续性发展的要求。而且，本发明的操作方便，控制灵活，安全可靠。CO2工质不需要合成，价格低廉，对食品和环境无污染，不存在安全隐患，运行成本低。
附图说明
图1为本发明完全二氧化碳工质的超市多效组合系统的示意图。
图2为四通阀的接口示意图。
图3为蓄热水箱的接口示意图。
图4为第一热回收换热器的接口示意图。
图5为室内热交换器的接口示意图。
图6为热交换器的接口示意图。
图7为中间冷却器的接口示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。
本发明的完全二氧化碳工质的超市多效组合系统的示意图如图1至图7所示，包括空调系统、食品制冷系统和供热水系统。
所述空调系统由以CO2为循环工质的CO2跨临界空调循环系统和送风系统组成。
所述CO2跨临界空调循环系统包括室内热交换器1、第一阀门2、第一单向阀3、第一截止阀4、第二截止阀5、第二单向阀6、CO2压缩机7、四通阀8、热交换器9、第二阀门10、第三阀门11、第四阀门12、第五阀门13、第一热回收换热器14、第六阀门18、第七阀门19、第八阀门36，室内热交换器1的第二接口49分别与第一单向阀3的入口和第一截止阀4的出口连接，第一单向阀3的出口与第二截止阀5的入口连接，第二单向阀6的出口与第一截止阀4的入口连接，热交换器9的第二接口51分别与第二单向阀6的入口和第二截止阀5的出口连接，热交换器9的第一接口50一路通过第五阀门13与第一热回收换热器14的管侧第一接口46连接，一路通过第五阀门13、第三阀门11、第七阀门19与室内热交换器1的第一接口48连接，一路通过第五阀门13、第三阀门11与四通阀8的第一接口37并联后通过第一阀门2与第一单向阀3的入口连接，一路通过第二阀门10与四通阀8的第二接口38并联后与CO2压缩机7的入口连接，四通阀的第二接口38与CO2压缩机7的入口之间安装有第八阀门36，第一热回收换热器14的管侧第二接口47通过第六阀门18与室内热交换器1的第一接口48连接。四通阀8的第四接口40与CO2压缩机7的出口连接，四通阀8的第三接口39通过第四阀门12与第一热回收换热器14的管侧第二接口47连接。
所述送风系统由风道20和风扇35组成，室内热交换器1和送风风扇35设置在风道20内。
所述食品制冷系统由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成，包括CO2气体冷却器23、第二热回收换热器24、CO2高温制冷压缩机25、CO2高温膨胀阀26、CO2低温制冷压缩机27、CO2低温蒸发器28、中间冷却器29、CO2低温膨胀阀30、CO2供液泵31、中温CO2膨胀阀32、中温换热器33。CO2高温制冷压缩机25的出口与第二热回收换热器24的管侧入口连接，第二热回收换热器24的管侧出口与CO2气体冷却器23的入口连接，CO2气体冷却器23的出口经CO2高温膨胀阀26与中间冷却器29的第二接口53连接，中间冷却器29的第一接口52与CO2高温制冷压缩机25的入口连接。CO2低温制冷压缩机27的出口与中间冷却器29的第三接口54连接，中间冷却器29的第四接口55与CO2低温膨胀阀30的入口连接，CO2低温膨胀阀30的出口与CO2低温蒸发器28的入口连接，CO2低温蒸发器28的出口与CO2低温制冷压缩机27的入口连接。中间冷却器29的第五接口56与中温换热器33的出口连接，中温换热器33的入口与中温CO2膨胀阀32的出口连接，中温CO2膨胀阀32的入口与CO2供液泵31的出口连接，CO2供液泵31的入口与中间冷却器29的第六接口57连接。
所述供热水系统包括补水箱15、第一水泵16、第二水泵21，蓄热水箱17，第二水泵21的出口与第二热回收换热器24的壳侧入口连接，第二热回收换热器24的壳侧出口与蓄热水箱17的第二回水口42连接，蓄热水箱17的第二出水口41与第二水泵21的入口连接；第一水泵16的出口与第一热回收换热器14的壳侧入口连接，第一热回收换热器14的壳侧出口与蓄热水箱17的第一回水口43连接，蓄热水箱17的第一出水口44与第一水泵16的入口连接。补水箱15的出水口与蓄热水箱17的补水口45连接，电加热器34的加热管设置在蓄热水箱17中，蓄热水箱17的热水出水口与超市的生活热水系统连接。
在风道内设置有电加热辅助热交换器22，电加热辅助热交换器22为单独的电加热设备，用于冬季室内供暖需求的热量较大时提供辅助热源。如果热水的需要量较大，回收的第一热回收换热器14和第二热回收换热器24中高温气体放热量，不足以满足需求，可以利用电加热器34提供热量。
中间冷却器外包有隔热保温层以保证中间温度的控制精度。蓄热水箱外包有隔热保温层以减少热量损失。
当为食品的冷冻冷藏保鲜提供冷源时，CO2气体在CO2高温制冷压缩机25中压缩后压力升高，高温高压的CO2气体在第二热回收换热器24和CO2气体冷却器23中冷却降温后经CO2高温膨胀阀26节流降压后进入中间冷却器29，在中间冷却器29中的混合气液两相流体中的CO2气体被吸入CO2高温制冷压缩机25中完成高温循环。中间冷却器29中的CO2液体分成两路，一路经CO2低温膨胀阀30节流降压成低温低压的流体进入CO2低温蒸发器28，在CO2低温蒸发器28中吸收被冷冻保鲜的食品热量，蒸发成低温低压气体后，进入CO2低温制冷压缩机27，完成CO2低温循环；另外一路CO2液体经CO2供液泵31加压，经过中温CO2膨胀阀32节流降压后进入中温换热器33，在中温换热器33中吸收被冷藏保鲜食品的热量，温度升高后的CO2液体，进入中间冷却器29完成中温CO2载冷剂循环。
当为夏季空间供冷、食品制冷同时供应生活热水时，第六阀门18、第三阀门11、第二阀门10、第一阀门2关闭，四通阀8的第三接口39和第四接口40连通，第一接口37与第二接口38连通。CO2跨临界空调循环中，从CO2压缩机7出来的CO2气体，流经第四阀门12、第一热回收换热器14和第五阀门13，在热交换器9中与外界环境热交换降温后，经第二单向阀6，第一截止阀4节流降压，在室内热交换器1中与室内空气热交换，吸收热量后，经第七阀门19、四通阀8，第八阀门36回到CO2压缩机7。室内热交换器1吸收空气的热量，降温后的凉爽空气通过送风系统送到需要的场所，为人员的活动空间提供冷源。由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成的制冷循环为冷冻冷藏保鲜食品提供了冷源。同时，蓄热水箱17中的水，一路经第一水泵16在第一热回收换热器14中吸收CO2跨临界空调循环中高温CO2气体放出的热量后温度升高，回到蓄热水箱17中。一路经第二水泵21在第二热回收换热器24中吸收CO2跨临界制冷循环中高温CO2气体放出的热量后温度升高，回到蓄热水箱17中。蓄热水箱17中的热水通过热水出口被送到超市的生活热水系统。
当为冬季空间供暖、食品制冷同时供应生活热水时，第五阀门13、第四阀门12、第七阀门19，第八阀门36和第一阀门2关闭，四通阀8的第一接口37和第四接口40连通，第三接口39与第二接口38连通。CO2跨临界空调循环中，从CO2压缩机7出来的高温CO2气体流经第三阀门11、第一热回收换热器14和第六阀门18，进入室内热交换器1，与室内空气热交换后，经第一单向阀3、第二截止阀5节流降压，流经热交换器9和第二阀门10，回到压缩机7。室内空气吸收室内热交换器1中高温CO2气体放出的热量，热空气通过送风系统被送到需要的场所，为人员的活动空间提供热源。由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成的制冷循环为冷冻冷藏保鲜食品提供了冷源。同时，蓄热水箱17中的水，一路经第一水泵16在第一热回收换热器14中吸收CO2跨临界空调循环中高温CO2气体放出的热量后温度升高，回到蓄热水箱17中。一路经第二水泵21在第二热回收换热器24中吸收CO2跨临界制冷循环中高温CO2气体放出的热量后温度升高，回到蓄热水箱17中。蓄热水箱17中的热水通过热水出口被送到超市的生活热水系统。
如果需要的热量较大，可以利用辅助热交换器22加热提供辅助热量。
春秋季超市中不需供冷和供热，只需要提供生活热水和食品制冷，由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成的制冷循环为冷冻冷藏保鲜食品提供了冷源。在食品制冷的同时供应生活热水。在高温CO2跨临界制冷循环的CO2高温气体放热提供的热水不能满足要求时，启动CO2跨临界空调循环，CO2跨临界空调循环中，第五阀门13、第二阀门18，第八阀门36和第七阀门19关闭。四通阀8的第三接口39和第四接口40连通，第一接口37与第二接口38连通。CO2跨临界空调循环中，从CO2压缩机7出来的CO2工质流经四通阀8、第四阀门12、第一热回收换热器14、第三阀门11、第一阀门2、第一单向阀3、第二截止阀5、热交换器9和第二阀门10回到CO2压缩机7。水箱17中的水，经第一水泵16和第二水泵21在第一热回收换热器14和第二热回收换热器24中吸收CO2高温气体放出的热量后温度升高，被送到需要热水的场所。
利用本发明的集供冷、供暖、食品制冷和供热水为一体的完全CO2工质的超市多效组合系统可以为超市的夏季提供凉爽的空间，冬季提供温暖的环境、同时对食品进行冷冻冷藏保鲜和为食品的处理和人员的需求供应生活热水。根据不同的人员和季节的需要，控制空调系统的运行时间，调节超市空间的室内温度，同时，充分利用空调系统CO2跨临界循环中高温CO2气体冷却和食品制冷系统CO2跨临界循环中CO2高温气体冷却放出的热量来提供室内生活热水的用能需要。
尽管参照实施例对所公开的涉及一种完全二氧化碳工质的超市多效组合系统进行了特别描述，以上描述的实施例是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种完全二氧化碳工质的超市多效组合系统，其特征在于，包括空调系统、食品制冷系统和供热水系统；
所述空调系统由以CO2为循环工质的CO2跨临界空调循环系统和送风系统组成；
所述CO2跨临界空调循环系统包括室内热交换器、第一阀门、第一单向阀、第一截止阀、第二截止阀、第二单向阀、CO2压缩机、四通阀、热交换器、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第一热回收换热器、第六阀门、第七阀门、第八阀门，室内热交换器的第二接口分别与第一单向阀的入口和第一截止阀的出口连接，第一单向阀的出口与第二截止阀的入口连接，第二单向阀的出口与第一截止阀的入口连接，热交换器的第二接口分别与第二单向阀的入口和第二截止阀的出口连接，热交换器的第一接口分为四路，一路通过第五阀门与第一热回收换热器的管侧第一接口连接，一路通过第五阀门、第三阀门、第七阀门与室内热交换器的第一接口连接，一路通过第五阀门、第三阀门与四通阀的第一接口并联后通过第一阀门与第一单向阀的入口连接，一路通过第二阀门与四通阀的第二接口并联后与CO2压缩机的入口连接，四通阀的第二接口与CO2压缩机入口之间安装有第八阀门，第一热回收换热器的管侧第二接口通过第六阀门与室内热交换器的第一接口连接；四通阀的第四接口与CO2压缩机的出口连接，四通阀的第三接口通过第四阀门与第一热回收换热器的管侧第二接口连接；所述送风系统由风道和风扇组成，室内热交换器和送风风扇设置在风道内；
所述食品制冷系统由高温CO2跨临界制冷循环、CO2低温亚临界制冷循环和CO2中温载冷循环组成，包括CO2气体冷却器、第二热回收换热器、CO2高温制冷压缩机、CO2高温膨胀阀、CO2低温制冷压缩机、CO2低温蒸发器、中间冷却器、CO2低温膨胀阀、CO2供液泵、中温CO2膨胀阀、中温换热器，CO2高温制冷压缩机的出口与第二热回收换热器的管侧入口连接，第二热回收换热器的管侧出口与CO2气体冷却器的入口连接，CO2气体冷却器的出口经CO2高温膨胀阀与中间冷却器的第二接口连接，中间冷却器的第一接口与CO2高温制冷压缩机的入口连接；CO2低温制冷压缩机的出口与中间冷却器的第三接口54连接，中间冷却器的第四接口与CO2低温膨胀阀的入口连接，CO2低温膨胀阀的出口与CO2低温蒸发器的入口连接，CO2低温蒸发器的出口与CO2低温制冷压缩机的入口连接；中间冷却器的第五接口与中温换热器的出口连接，中温换热器的入口与中温CO2膨胀阀的出口连接，中温CO2膨胀阀的入口与CO2供液泵的出口连接，CO2供液泵的入口与中间冷却器的第六接口连接；
所述供热水系统包括补水箱、第一水泵、第二水泵，蓄热水箱，第二水泵的出口与第二热回收换热器的壳侧入口连接，第二热回收换热器的壳侧出口与蓄热水箱的第二回水口连接，蓄热水箱的第二出水口与第二水泵的入口连接；第一水泵的出口与第一热回收换热器的壳侧入口连接，第一热回收换热器的壳侧出口与蓄热水箱的第一回水口连接，蓄热水箱的第一出水口与第一水泵的入口连接；补水箱的出水口与蓄热水箱的补水口连接，电加热器的加热管设置在蓄热水箱中，蓄热水箱的热水出水口与超市的生活热水系统连接。
2.根据权利要求1所述的完全二氧化碳工质的超市多效组合系统，其特征在于，在风道内设置有电加热辅助热交换器。
3.根据权利要求1所述的完全二氧化碳工质的超市多效组合系统，其特征在于，中间冷却器外包有隔热保温层。
4.根据权利要求1所述的完全二氧化碳工质的超市多效组合系统，其特征在于，蓄热水箱外包有隔热保温层。
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