CN109751784B - 一种平行流蒸发器二氧化碳系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平行流蒸发器二氧化碳系统，包括：压缩机、气体冷却器、中间换热器、电子膨胀阀、储液器和蒸发器；压缩机的排气口连接气体冷却器的入口；气体冷却器的出口连接中间换热器的a端入口，中间换热器的b端出口连接电子膨胀阀的入口；电子膨胀阀的出口连接储液器的入口；储液器的气体出口连接中间换热器的c端入口，中间换热器的d端出口连接蒸发器的出口；储液器的液体出口连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接压缩机的吸气口。能够调节进入平行流蒸发器中的制冷剂的气液流量和干度，提高了平行流蒸发器的换热性能，从而提升了跨临界循环的循环性能。解决了平行流蒸发器内气液两相在各扁管间的分配不均导致传热性能显著的下降的问题。

Description

一种平行流蒸发器二氧化碳系统及其操作方法

技术领域

本发明属于跨临界二氧化碳系统领域，特别涉及一种平行流蒸发器二氧化碳系统。

背景技术

众所周知，CFCs和HCFCs类的人工合成制冷工质是导致全球变暖的主要因素之一，因此寻找并使用高效、绿色环保制冷工质已成为当前国际社会共同关注的问题，迫在眉睫。自然工质CO₂作为替代工质不仅环保而且性能优良，其跨临界循环所具有的高排气温度和温度滑移，让它在热泵热水器应用领域具有其它已知工质无法比拟的优势。前国际制冷学会主席G Lorentzen提出了CO₂跨临界循环理论，指出其在热泵领域将具有极其广阔的发展前景。CO₂的临界温度很低，为31.1℃，故CO₂热泵系统一般采用跨临界循环。CO₂跨临界循环压缩机排气温度较高(可达100℃以上)，且在跨临界区内，CO₂在冷却过程中存在较大的温度滑移，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，可以将水一次加热到很高的温度并保持极高的效率，尤其适合于家用生活热水领域。CO₂跨临界循环系统与传统的亚临界循环系统之间的区别在于：在传统亚临界系统中，制冷剂在冷凝器中大部分区域内温度保持不变，而在CO₂跨临界循环系统中，超临界压力区内并无两相区存在，温度和压力为相互独立的变量，高压侧压力变化对制冷量、压缩机功耗和COP值也会产生影响。

平行流换热器空气侧采用换热性能较高的百叶窗翅片，制冷剂侧采用小水力直径的多通道扁管，使空气侧和制冷剂侧的换热都被强化，被认为是一种高效、紧凑的换热器。平行流换热器已广泛应用于汽车空调系统中的冷凝器，近年来又被推广应用到蒸发器、家用空调、冰箱等很多领域，以取代传统的翅片圆管换热器。

由于CO₂独特的热物理性质，使得跨临界CO₂循环经节流阀节流后，常处于两相态，进而进入蒸发换热器中，当蒸发器采用平行流换热器时。平行流蒸发器内气液两相(特别是液相)在各扁管间的分配对其传热性能影响较大，如果各扁管间的气液分配不均其传热性能将显著的下降，若纯液态制冷剂进入平行流蒸发器，则蒸发器中分液均匀，换热效率良好；若气液两相态的制冷剂进入蒸发器中，极易出现分液不均的状况，严重影响了换热器的换热效果，降低了系统的循环性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平行流蒸发器二氧化碳系统及其操作方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种平行流蒸发器二氧化碳系统，包括：压缩机、气体冷却器、中间换热器、电子膨胀阀、储液器和蒸发器；

压缩机的排气口连接气体冷却器的入口；

气体冷却器的出口连接中间换热器的a端入口，中间换热器的b端出口连接电子膨胀阀的入口；

电子膨胀阀的出口连接储液器的入口；

储液器的气体出口连接中间换热器的c端入口，中间换热器的d端出口连接蒸发器的出口；储液器的液体出口连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接压缩机的吸气口。

进一步的，还包括第一电磁阀；

储液器的气体出口连接第一电磁阀的入口，第一电磁阀的出口连接中间换热器的c端入口。

进一步的，还包括第二电磁阀；

第二电磁阀的入口连接储液器的a端出口，第二电磁阀的出口连接蒸发器的入口。

进一步的，中间换热器的a端入口连通中间换热器的b端出口。

进一步的，中间换热器的c端入口连通中间换热器的d端出口。

进一步的，蒸发器采用平行流换热器。

一种平行流蒸发器二氧化碳系统的操作方法，包括：制冷剂经压缩机压缩后，进入气体冷却器中进行换热，然后流经中间换热器进行过冷，而后经过电子膨胀阀节流成为气液两相态，进入储液器中，储液器中的气态制冷剂分为两路，一路经过第一电磁阀后，与来自气体冷却器中的制冷剂在中间换热器中换热，另一路经过第二电磁阀与从储液器中出来的液态制冷剂混合后流向蒸发器，而后与从中间换热器中出来的气态制冷剂混合后回到压缩机中。

进一步的，第一电磁阀和第二电磁阀均为开度可调节阀，用来调节进入蒸发器中的制冷剂的气液流量和干度；

其中，第一电磁阀的开度定义为v1，第二电磁阀的开度定义为v2，开度比值r，关系式如下：

调节时，首先，第一电磁阀的开度v1调到最大，将第二电磁阀的开度最大开度值均分为五十份，即有：

以Δv₁为单位，v2从最小值开始，等梯度逐渐增大开度值，每调节一次开度值，都记录下此时的开度比r、蒸发器的换热量Qi以及压缩机的功耗Wi，计算出此时的换热COP值：

i＝1,2,3……50；直至寻找到蒸发器的最大换热量Qmax对应下的开度比r_Q和最大换热COP值COPmax对应下的开度比r_cop，分别为该工况下该平行流换热器的两个最佳开度比；

当需要最大换热量时以最佳开度比r_Q控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行，当需要保持循环性能最优时，以最佳开度比r_cop控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行。

进一步的，若v2达到最大值时，仍旧未能出现最大换热量Qmax或者最大换热COP值COPmax，即未能寻找到最佳开度比，此时保持v2处于最大值不变，将第一电磁阀的开度最大开度值均分为五十份，即有：

以Δv₂为单位，v1从最大值开始，等梯度逐渐减小开度值，每调节一次开度值，都记录下此时的开度比r，蒸发器的换热量Qi，以及压缩机的功耗Wi，计算出此时的换热COP值：

i＝1,2,3……50；直至寻找到蒸发器的最大换热量Qmax对应下的开度比r_Q1和最大换热COP值COPmax对应下的开度比r_cop1，分别为该工况下该平行流换热器的两个最佳开度比；当需要最大换热量时以最佳开度比r_Q1控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行，当需要保持循环性能最优时，以最佳开度比r_cop1控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明在一种平行流蒸发器二氧化碳系统中，采用平行流蒸发器，并配备第一电磁阀和第二电磁阀，用于调节进入平行流蒸发器中的气相和液相；本发明改善了因平行流蒸发器分液不均，导致换热性能急剧降低的问题，实现了在循环的基础上调节进入平行流蒸发器中两相态制冷剂的气液流量和干度的功能，提高了平行流蒸发器的换热性能，从而提升了跨临界循环的循环性能。并且给出了寻找不同的系统中，型号规格以及工况不同的平行流蒸发器的最佳化热性能的操作方法，在任何实验工况下，任何型号平行流蒸发器都能工作在最佳的换热性能工况下，实现进一步的高性能运行。

附图说明

图1是本发明一种平行流蒸发器二氧化碳系统的循环示意图。

其中，1-压缩机，2-气体冷却器，3-中间换热器，4-电子膨胀阀，5-电磁阀，6-储液器，7-电磁阀，8-蒸发器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明提供一种平行流蒸发器二氧化碳系统，由以下部件组成:压缩机1、气体冷却器2、中间换热器3、电子膨胀阀4、电磁阀5、储液器6、电磁阀7、蒸发器8。

压缩机1的排气口连接气体冷却器2的入口，气体冷却器2的出口连接中间换热器3的a端入口，中间换热器3的b端出口连接电子膨胀阀4的入口，电子膨胀阀4的出口连接储液器6的入口，储液器6的a端出口连接电磁阀5的入口，电磁阀5的出口连接中间换热器3的c端入口，中间换热器3的d端出口连接蒸发器8的出口，储液器6的b端出口连接蒸发器8的入口，蒸发器8的出口连接压缩机的吸气口。电磁阀7的入口连接储液器6的a端出口，电磁阀7的出口连接蒸发器8的入口。

请参阅图1所示，本发明提供一种平行流蒸发器二氧化碳系统的操作方法，包括：制冷剂经压缩机1压缩后，进入气体冷却器2中进行换热，然后流经中间换热器3进行过冷，而后经过电子膨胀阀4节流成为低温低压的两相态，进入储液器6中，储液器6中的气态制冷剂分为两路，一路经过电磁阀5后，与来自气体冷却器2中的制冷剂在中间换热器3中换热，另一路经过电磁阀7与从储液器6中出来的液态制冷剂混合后流向蒸发器8，而后与从中间换热器3中出来的气态制冷剂混合后回到压缩机1中。

本发明中，蒸发器8采用平行流换热器。

本发明中，电磁阀5和电磁阀7均为开度可调节阀，用来调节进入平行流蒸发器中的制冷剂的气液流量和干度。其中电磁阀5的开度定义为v1，电磁阀7的开度定义为v2，开度比值即开度比定义为r，关系式如下：

首先，电磁阀5的开度v1调到最大，将电磁阀7的开度最大开度值均分为五十份，即有：

以Δv₁为单位，v2从最小值开始，等梯度逐渐增大开度值，每调节一次开度值，都记录下此时的开度比r，蒸发器的换热量Qi，以及压缩机的功耗Wi，计算出此时的换热COP值：

将记录所得的蒸发器的换热量Qi的值和计算所得的COP的值，若Qi>Qi+1且Qi>Qi-1，则说明Qi为换热量的极大值，此时换热量Qi即记录为Qmax，此时的开度即为最佳开度，记录为r_Q，若COPi>COPi+1且COPi>COPi-1，则说明COPi为极大值，此时COP即记录为COPmax，此时的开度即为最佳开度，记录为r_COP，此时的r_Q和r_COP即为该工况下该平行流换热器的两个最佳开度比。当需要最大换热量时以最佳开度比r_Q控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行，当需要保持循环性能最优时，以最佳开度比r_cop控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行。

若v2达到最大值时，记录所得的蒸发器的换热量Qi的值和计算所得的COP的值均为单调递增或者单调递减的变化，未出现满足以上条件的工作状态，即仍旧未能出现最大换热量Qmax或者最大的循环换热COP值COPmax，即未能寻找到最佳开度比，此时保持v2处于最大值不变，将电磁阀5的开度最大开度值均分为五十份，即有：

以Δv₂为单位，v1从最大值开始，等梯度逐渐减小开度值，每调节一次开度值，都记录下此时的开度比r，蒸发器的换热量Qi，以及压缩机的功耗Wi，计算出此时的换热COP值：

重复以上工作，若Qi>Qi+1且Qi>Qi-1，则说明Qi为换热量的极大值，此时换热量Qi即记录为Qmax，此时的开度即为最佳开度，记录为r_Q1，若COPi>COPi+1且COPi>COPi-1，则说明COPi为极大值，此时COP即记录为COPmax，此时的开度即为最佳开度，记录为r_COP1，此时的r_Q1和r_COP1即为该工况下该平行流换热器的两个最佳开度比。当需要最大换热量时以最佳开度比r_Q1控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行，当需要保持循环性能最优时，以最佳开度比r_cop1控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行。

平行流蒸发器内气液两相(特别是液相)在各扁管间的分配对其传热性能影响较大，如果各扁管间的气液分配不均其传热性能将显著的下降。这就造成了换热器有效换热面积的减少或者不得不增加换热面积以弥补传热性能的下降，这又造成了制造成本的增加，所以平行流蒸发器内气液两相特别是液相在各平行流蒸发器内各分支管的是否均匀分配就显得特别重要。而平行流蒸发器内两相流体分配的影响因素很多，包括集管布置形式、分支管在集管内的插入深度、气液流量和干度、进口管径和管长、热负荷、管子倾斜、介质中含油等。

已有的跨临界CO₂循环系统中，研究学者们在提高循环性能的方法方面，进行了无数研究，却始终忽略了平行流换热器的尺寸设计之外的换热性能的提升方式，未能提出有效的改善两相态制冷剂的气液流量和干度的方法，使得平行流换热器在循环中作为蒸发器使用时，一直无法突破其换热瓶颈，跨临界循环的性能也一直受此制约而未能得到进一步提升。

本发明主要改善了因平行流蒸发器分液不均，导致换热性能急剧降低的问题，提出的一种平行流蒸发器二氧化碳系统，实现了在循环的基础上调节进入平行流蒸发器中两相态制冷剂的气液流量和干度的功能，提高了平行流蒸发器的换热性能，从而提升了跨临界循环的循环性能。并且给出了寻找不同的系统中，型号规格以及工况不同的平行流蒸发器的最佳化热性能的操作方法，在任何实验工况下，任何型号平行流蒸发器都能工作在最佳的换热性能工况下，实现进一步的高性能运行。

Claims (9)

1.一种平行流蒸发器二氧化碳系统，其特征在于，包括：压缩机(1)、气体冷却器(2)、中间换热器(3)、电子膨胀阀(4)、储液器(6)和蒸发器(8)；

压缩机(1)的排气口连接气体冷却器(2)的入口；

气体冷却器(2)的出口连接中间换热器(3)的a端入口，中间换热器(3)的b端出口连接电子膨胀阀(4)的入口；

电子膨胀阀(4)的出口连接储液器(6)的入口；

储液器(6)的气体出口连接中间换热器(3)的c端入口，中间换热器(3)的d端出口连接蒸发器(8)的出口；储液器(6)的液体出口连接蒸发器(8)的入口，蒸发器(8)的出口连接压缩机(1)的吸气口。

2.根据权利要求1所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统，其特征在于，还包括第一电磁阀(5)；

储液器(6)的气体出口连接第一电磁阀(5)的入口，第一电磁阀(5)的出口连接中间换热器(3)的c端入口。

3.根据权利要求2所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统，其特征在于，还包括第二电磁阀(7)；

第二电磁阀(7)的入口连接储液器(6)的a端出口，第二电磁阀(7)的出口连接蒸发器(8)的入口。

4.根据权利要求1所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统，其特征在于，中间换热器(3)的a端入口连通中间换热器(3)的b端出口。

5.根据权利要求1所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统，其特征在于，中间换热器(3)的c端入口连通中间换热器(3)的d端出口。

6.根据权利要求1所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统，其特征在于，蒸发器采用平行流换热器。

7.权利要求3所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统的操作方法，其特征在于，包括：

制冷剂经压缩机(1)压缩后，进入气体冷却器(2)中进行换热，然后流经中间换热器(3)进行过冷，而后经过电子膨胀阀(4)节流成为气液两相态，进入储液器(6)中，储液器(6)中的气态制冷剂分为两路，一路经过第一电磁阀(5)后，与来自气体冷却器(2)中的制冷剂在中间换热器(3)中换热，另一路经过第二电磁阀(7)与从储液器(6)中出来的液态制冷剂混合后流向蒸发器(8)，而后与从中间换热器(3)中出来的气态制冷剂混合后回到压缩机(1)中。

8.根据权利要求7所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统的操作方法，其特征在于，第一电磁阀(5)和第二电磁阀(7)均为开度可调节阀，用来调节进入蒸发器(8)中的制冷剂的气液流量和干度；

其中，第一电磁阀(5)的开度定义为v1，第二电磁阀(7)的开度定义为v2，开度比值r，关系式如下：

调节时，首先，第一电磁阀(5)的开度v1调到最大，将第二电磁阀(7)的开度最大开度值均分为五十份，即有：

以Δv₁为单位，v2从最小值开始，等梯度逐渐增大开度值，每调节一次开度值，都记录下此时的开度比r、蒸发器的换热量Qi以及压缩机的功耗Wi，计算出此时的换热COP值：

i＝1,2,3……50；直至寻找到蒸发器的最大换热量Qmax对应下的开度比r_Q和最大换热COP值COPmax对应下的开度比r_cop，分别为该工况下该平行流换热器的两个最佳开度比；

当需要最大换热量时以最佳开度比r_Q控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行，当需要保持循环性能最优时，以最佳开度比r_cop控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行。

9.根据权利要求8所述的一种平行流蒸发器二氧化碳系统的操作方法，其特征在于，若v2达到最大值时，仍旧未能出现蒸发器的最大换热量Qmax或者最大换热COP值COPmax，即未能寻找到最佳开度比，此时保持v2处于最大值不变，将第一电磁阀(5)的开度最大开度值均分为五十份，即有：

以Δv₂为单位，v1从最大值开始，等梯度逐渐减小开度值，每调节一次开度值，都记录下此时的开度比r，蒸发器的换热量Qi，以及压缩机的功耗Wi，计算出此时的换热COP值：

i＝1,2,3……50；直至寻找到蒸发器的最大换热量Qmax对应下的开度比r_Q1和最大换热COP值COPmax对应下的开度比r_cop1，分别为该工况下该平行流换热器的两个最佳开度比；

当需要最大换热量时以最佳开度比r_Q1控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行，当需要保持循环性能最优时，以最佳开度比r_cop1控制平行流蒸发器二氧化碳系统运行。