CN103727697A - 高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压气体涡流膨胀的低温制冷系统，提供一种利用涡流膨胀降压的系统。涡流管包括涡流室、冷段和热扩压段，热扩压段的底板中心有使中心区冷气体朝向冷段折返的中心挡板，高压级压缩机的出口与气体冷却器的入口连接，气体冷却器出口与高压气体进口接管连接，冷段的冷气体出口接管一路与收集饱和液体出口接管并联后与蒸发器入口连接，另一路与换热器低温冷气体入口接管连接，换热器低温冷气体出口与蒸发器出口并联后与低压级压缩机入口连接，低压级压缩机出口与换热器高温热气体出口并联后与高压级压缩机入口连接，热气体出口接管与换热器高温热气体入口连接。本发明利用涡流膨胀降压减少了系统的不可逆损失。

Description

高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别是涉及一种高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统。

背景技术

随着科技的飞速发展，造成的环境污染和资源匮乏，引发当今国际社会共同关注节能环保这一关乎可持续性发展的重要议题。自然工质替代以及制冷系统的性能提高是制冷行业工作者亟待解决的问题。CO₂具有良好的热力特性，提高CO₂制冷系统的性能以及开发新型CO₂制冷循环系统引起研究者的关注。

现有的CO₂制冷系统中CO₂流体是跨临界循环，节流降压元件的节流过程损失较大，系统的性能系数较低。因此，如何减少CO₂的节流损失，使节流过程接近等熵膨胀过程，提高循环系统的能效，节约能源，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种利用涡流膨胀降压，以减少系统不可逆损失的二氧化碳低温制冷系统。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统，包括气体冷却器、换热器、高压级压缩机、低压级压缩机、蒸发器和涡流管；所述涡流管包括涡流室、冷段和热扩压段，所述热扩压段包括与所述涡流室连通的扩压本体，所述扩压本体的内壁上设置有饱和液体收集凹槽，所述饱和液体收集凹槽的底部连接有收集饱和液体出口接管；所述扩压本体的出口处密封有底板，所述底板上连接有热气体出口接管，所述底板的中心位置安装有使中心区冷气体朝向冷段折返的中心挡板；所述涡流室上连接有高压气体进口接管，所述冷段上连接有冷气体出口接管；所述高压级压缩机的出口与所述气体冷却器的入口连接，所述气体冷却器的出口与所述涡流管的高压气体进口接管连接，所述涡流管的冷段的冷气体出口接管分成两路，一路与所述涡流管的收集饱和液体出口接管并联后与所述蒸发器的入口连接，另一路与所述换热器的低温冷气体入口接管连接，所述换热器的低温冷气体出口与所述蒸发器的出口并联后与所述低压级压缩机的入口连接，所述低压级压缩机的出口与所述换热器的高温热气体出口并联后与所述高压级压缩机的入口连接，所述涡流管的热气体出口接管与所述换热器的高温热气体入口连接。

所述中心挡板与挡板径向面积调节机构连接。

所述挡板径向面积调节机构包括密封安装于所述底板上的丝杠伸缩调节机构、底盘和多个伸缩套，多个所述伸缩套之间可伸缩连接，所述中心挡板固定安装于首端的所述伸缩套中心，末端的所述伸缩套与所述底盘固定连接，所述丝杠伸缩调节机构的丝杠穿过所述底盘和多个伸缩套与所述中心挡板固定连接,通过所述丝杠调节所述中心挡板的伸缩，通过所述中心挡板带动所述多个伸缩套与所述中心挡板平齐，使得多个所述伸缩套的截面与所述中心挡板组合成不同径向面积的端面，以实现冷热气体流量的调节。

所述丝杠伸缩调节机构包括螺母、丝杠和连接件，所述连接件与所述底板固定连接，所述丝杠与所述连接件螺纹连接，所述丝杠下端与所述中心挡板固定连接，所述丝杠上端与所述螺母螺纹连接。

所述中心挡板与所述多个伸缩套成阶梯型排列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统，采用具有扩压作用的涡流管，利用超临界区、气体冷却器出口的高压气体涡流膨胀降压，能够减少系统的不可逆损失，同时，分离出的液体蒸发沸腾吸热，能够同时充分利用冷气体和热气体的能量，可以有效地改善系统的性能，保护环境、节约能源。

2、本发明的高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统采用涡流管代替常规节流降压元件，使得节流过程接近等熵膨胀过程，结构简单、安装方便、工作稳定。

3、本发明的制冷系统中采用具有扩压作用的涡流管的扩压段，使分离出的热气流扩压至中间压力，结构简单，无运动部件，结构轻巧，成本低，易维护，使用寿命长。

4、本发明的制冷系统中，能够通过径向面积可调的中心挡板调节冷热气体的流量，提高循环系统的能效。

附图说明

图1所示为本发明高压气体涡流膨胀的低温制冷系统示意图；

图2所示为涡流管的接管示意图；

图3所示为热扩压段的结构示意图；

图4所示为图3的A-A剖视图。

图中：1.气体冷却器，2.换热器，3.高压级压缩机，4.低压级压缩机，5.蒸发器，6.涡流管，7.热扩压段，8.涡流室，9.冷段，10.高压气体进口接管，11.热气体出口接管，12.收集饱和液体出口接管，13.冷气体出口接管，14.连接件，15-1.中心挡板，15-2.第一伸缩套，15-3.第二伸缩套，15-4.第三伸缩套，16.螺母，17.丝杠，18.饱和液体收集凹槽，19.底板，20.底盘，21.扩压本体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明高压气体涡流膨胀的低温制冷系统的示意图如图1-图4所示，包括气体冷却器1、换热器2、高压级压缩机3、低压级压缩机4、蒸发器5和涡流管6。本发明的涡流管是在现有技术上的改进，将原来的热段改进为具有扩压作用的热扩压段。具体为：所述涡流管6包括涡流室8、冷段9和热扩压段7，所述热扩压段7包括与所述涡流室8连通的扩压本体21，所述扩压本体21的内壁上设置有饱和液体收集凹槽18，所述饱和液体收集凹槽18的底部连接有收集饱和液体出口接管12。所述扩压本体21的出口处密封有底板19，所述底板19上连接有热气体出口接管11，所述底板19的中心位置安装有使中心区冷气体朝向冷段9折返的中心挡板15-1。所述涡流室8上连接有高压气体进口接管10，所述冷段9上连接有冷气体出口接管13；所述高压级压缩机3的出口与所述气体冷却器1的入口连接，所述气体冷却器1的出口与所述涡流管6的高压气体进口接管10连接，所述涡流管6的冷段9的冷气体出口接管13分成两路，一路与所述涡流管6的收集饱和液体出口接管12并联后与所述蒸发器5的入口连接，另一路与所述换热器2的低温冷气体入口接管连接，所述换热器2的低温冷气体出口与所述蒸发器5的出口并联后与所述低压级压缩机4的入口连接，所述低压级压缩机4的出口与所述换热器2的高温热气体出口并联后与所述高压级压缩机3的入口连接，所述涡流管的热气体出口接管11与所述换热器2的高温热气体入口连接。

为了便于冷热气体流量的调节，所述中心挡板15-1与挡板径向面积调节机构连接。挡板径向面积调节机构可以采用现有技术中的多种结构形式。本实施例中，所述挡板径向面积调节机构包括密封安装于所述底板19上的丝杠伸缩调节机构、底盘20和多个伸缩套，多个所述伸缩套之间可伸缩连接。所述中心挡板15-1固定安装于首端的所述伸缩套中心，末端的所述伸缩套与所述底盘固定连接，所述丝杠伸缩调节机构的丝杠穿过所述底盘和多个伸缩套与所述中心挡板固定连接,通过所述丝杠调节所述中心挡板的伸缩，通过所述中心挡板带动所述多个伸缩套与所述中心挡板平齐，使得多个所述伸缩套的截面与所述中心挡板组合成不同径向面积的端面，以实现冷热气体流量的调节。以具有三个伸缩套的结构为例，包括第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4，中心挡板15-1焊接在第一伸缩套15-2的中心，第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4可伸缩连接，组成类似伸缩节结构，第三伸缩套15-4与底板20焊接。所述中心挡板15-1与所述第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4成阶梯型排列。本实施例中的所述丝杠伸缩调节机构包括螺母16、丝杠17和连接件14，所述连接件14与所述底板19固定连接，所述丝杠17与所述连接件14螺纹连接，所述丝杠17下端与所述中心挡板15-1固定连接，所述丝杠17上端与所述螺母16螺纹连接。其中，伸缩套的数量可以根据冷热气流的调节需要设定。当向涡流室8方向旋入丝杠17时，丝杠17推着中心挡板15-1带动第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4先后深入热扩压段7，如图3中所示，丝杠17旋入的距离达到最大，此时，中心挡板15-1的端面面积用于冷气体的折返，冷气体折返的流量小。当反向涡流室8的方向旋动丝杠17时，丝杠17带动中心挡板15-1、第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4反向涡流室8的方向移动，第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4的轴向高度缩短，当中心挡板15-1与第一伸缩套15-2的表面平齐时，中心挡板15-1和第一伸缩套15-2的端面面积之和用于冷气体的折返，当中心挡板15-1与第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3的表面平齐时，中心挡板15-1、第一伸缩套15-2和第二伸缩套15-3的端面面积之和用于冷气体的折返，以此类推，用于折返冷气体的面积逐渐增大，冷气体折返的流量增大。

以二氧化碳低温制冷系统为例，系统运行时，气体冷却器1出来的高温高压CO₂制冷剂气体流经涡流室8内沿切向分布的喷嘴，膨胀降压为气液两相流体，在涡流室8内高速旋转流动，流向热扩压段7，在离心力作用下，密度大的饱和液体紧贴扩压本体21内壁表面流动，分离出的饱和液体经饱和液体收集凹槽18收集后由底部收集饱和液体出口接管12排出，热扩压段7出口处的中心挡板或者中心挡板与多个伸缩套端面组合后的面积将处于中心区的冷气体改变方向，朝向涡流管的冷段9流动，并由冷气体出口管13流出后分成两路，热气体经过带有扩压作用的涡流管的热扩压段7扩压至中间压力后进入换热器2被一路冷气体冷却降温放出热量，收集饱和液体出口接管12排出的饱和液体和另一路饱和冷气体混合后进入蒸发器5，吸收需要降温的冷间的热量，蒸发沸腾后的气体与流经换热器2吸热升温的冷气体混合后被吸入低压级压缩机4，压缩至中间压力后排出的过热气体与从换热器2出来的冷却降温的中间压力的热气体混合后，进入高压级压缩机3，经过高压级压缩机压缩后排气进入气体冷却器1被冷却。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统，其特征在于，包括气体冷却器(1)、换热器(2)、高压级压缩机(3)、低压级压缩机(4)、蒸发器(5)和涡流管(6)；所述涡流管(6)包括涡流室(8)、冷段(9)和热扩压段(7)，所述热扩压段(7)包括与所述涡流室(8)连通的扩压本体(21)，所述扩压本体(21)的内壁上设置有饱和液体收集凹槽(18)，所述饱和液体收集凹槽(18)的底部连接有收集饱和液体出口接管(12)；所述扩压本体(21)的出口处密封有底板(19)，所述底板(19)上连接有热气体出口接管(11)，所述底板(19)的中心位置安装有使中心区冷气体朝向冷段(9)折返的中心挡板(15-1)；所述涡流室(8)上连接有高压气体进口接管(10)，所述冷段(9)上连接有冷气体出口接管(13)；所述高压级压缩机(3)的出口与所述气体冷却器(1)的入口连接，所述气体冷却器(1)的出口与所述涡流管(6)的高压气体进口接管(10)连接，所述涡流管(6)的冷段(9)的冷气体出口接管(13)分成两路，一路与所述涡流管(6)的收集饱和液体出口接管(12)并联后与所述蒸发器(5)的入口连接，另一路与所述换热器(2)的低温冷气体入口接管连接，所述换热器（2）的低温冷气体出口与所述蒸发器（5）的出口并联后与所述低压级压缩机（4）的入口连接，所述低压级压缩机（4）的出口与所述换热器（2）的高温热气体出口并联后与所述高压级压缩机（3）的入口连接，所述涡流管的热气体出口接管（11）与所述换热器（2）的高温热气体入口连接。

2.根据权利要求1所述的高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统，其特征在于，所述中心挡板（15-1）与挡板径向面积调节机构连接。

3.根据权利要求2所述的高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统，其特征在于，所述挡板径向面积调节机构包括密封安装于所述底板（19）上的丝杠伸缩调节机构、底盘（20）和多个伸缩套，多个所述伸缩套之间可伸缩连接，所述中心挡板（15-1）固定安装于首端的所述伸缩套中心，末端的所述伸缩套与所述底盘（20）固定连接，所述丝杠伸缩调节机构的丝杠(17)穿过所述底盘(20)和多个伸缩套与所述中心挡板(15-1)固定连接,通过所述丝杠(17)调节所述中心挡板(15-1)的伸缩，通过所述中心挡板(15-1)带动所述多个伸缩套与所述中心挡板(15-1)平齐，使得多个所述伸缩套的截面与所述中心挡板组合成不同径向面积的端面，以实现冷热气体流量的调节。

4.根据权利要求3所述的高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统，其特征在于，所述丝杠伸缩调节机构包括螺母(16)、所述丝杠（17）和连接件（14），所述连接件（14）与所述底板（19）固定连接，所述丝杠（17）与所述连接件（14）螺纹连接，所述丝杠（17）下端与所述中心挡板（15-1）固定连接，所述丝杠（17）上端与所述螺母（16）螺纹连接。

5.根据权利要求3所述的高压气体涡流膨胀的二氧化碳低温制冷系统，其特征在于，所述中心挡板（15-1）与所述多个伸缩套成阶梯型排列。

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