CN110030756B - 一种带喷射器的跨临界co2多温区超市冷热联供系统 - Google Patents

一种带喷射器的跨临界co2多温区超市冷热联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统、原理及其应用，涉及制冷技术领域。它解决了现有系统中有大量的冷却热未被有效利用、同时节流损失大、系统综合能效低的问题。其技术方案为：增加了一组具有不同温度的与高温压缩机出口连接的热水箱、一组与气体冷却器出口和蒸发器入口相连接的喷射器和一组与喷射器组对应的中温蒸发器。该喷射器组的出口与中间冷却器的入口相连接。热水箱组内的自来水，吸收气体冷却器内的热量变成超市可以使用的热水。而在喷射器组中，利用气体冷却器出口的高温高压流体引射来自对应的一组蒸发器的出口气体，以提升压缩机的吸气压力而降低压缩机功耗并提高压缩机的输气量。

Description

一种带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，特别是涉及带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统、原理及其应用。
背景技术
第三代制冷剂为HFC(氢氟烃)，以R134a，R410a及R245fa为代表，凭借其ODP值为零和优秀的能效与环保特性，得到了迅速且广泛的应用。但是随着全球对温室气体的重视，HFCs被《京都议定书》列为六种温室气体来源之一。发达国家纷纷倡导淘汰HFC的使用，开发下一代低GWP制冷剂。目前第四代制冷剂主张采用NH3、CO2、H2O、空气和碳氢类化合物等天然工质作为替代物。其中CO2作为最有潜力的自然制冷剂具有以下优点：自然工质，对环境无破坏作用，ODP＝0、GWP＝1；单位体积制冷量大，与普通工质相比，CO 2设备体积小；安全系数高，无毒不可燃，化学性质稳定；粘度低，具有优良的流动性及传热性，其液体密度小氟利昂40％,与润滑油类似，具有良好的相容性；廉价容易获取。但是CO2制冷循环冷却器出口与蒸发器入口的压差大，使得节流损失很大，导致整个循环的能效低。
喷射器具有结构简单、造价成本低、无运动部件等优势，可以用于包括两相流的任何流体下使用。在喷射压缩制冷系统中，其主要作用是回收节流过程中的膨胀损失。其主要工作原理是通过一次流(高压流体)提升二次流(低压流体)的压力，所以可以利用CO2制冷系统的高压侧流体，引射来自蒸发器的低压流体，提升压缩机的吸气压力以降低压缩机功耗并提高了压缩机的输气量。
超市制冷系统是整个冷链最重要的一环，几乎所有的冷链终端都是由超市完成。对于超市自身来说，制冷系统的初始投资占总投资的40％，每年消耗的电能占总电能的一半。因此，超市制冷系统能效的提高可以促进资源的有效利用和社会的可持续发展。
不同种类的食品所要求的储藏温度是不同的，酒类储藏温区为5～20℃，水果蔬菜储藏温区为0～10℃，冻鱼储藏温区为-20～-12℃，冻牛肉储藏温区为-23～-18℃，冻冰淇淋储藏温区为-25～-29℃，储冰间温区为-4～-6℃。现有技术中，超市多温区制冷系统通常采用冷量分配与对应的电控控制策略。而在实际过程中由于控制系统繁琐复杂，在使用过程中极易出现某个温区制冷效果差甚至不制冷问题。最重要的是不同温区之间不能实现大温差的制冷，温区相差范围不大。
CO2具有良好的热力特性，在循环过程中有大量的冷却热并没有被有效利用，CO2跨临界循环的气体冷却器中压力和温度相互独立，CO2放出热量可以用来给超市供热水。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷不足，本发明设计了一种带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统，增加了一组热水箱、一组喷射器和一组与喷射器组对应的中温蒸发器。热水箱组内的自来水，吸收气体冷却器内的热量变成超市可以使用的热水。而在喷射器组中，利用气体冷却器出口的高温高压流体引射来自对应的一组蒸发器(具有不同的蒸发温度)出口气体，以提升压缩机的吸气压力而降低压缩机功耗并提高压缩机的输气量。该系统增加了一组热水箱、一组喷射器和一组与喷射器组对应的中温蒸发器，能够全部回收冷却热，产出高温热水。同时，将节流降压所损失的能量利用，提升了二氧化碳的回气压力，有效提高多温区冷热联供系统的能源利用率和制冷制热性能，扩大制冷制热温度区间以提高通用性。同时，超市一体化冷热联供设计可以节省机房占地面积，更好的调控整个超市的冷热需求。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统，包括一组高温压缩机，高温压缩机的出口分别与40-45℃热水箱、60-65℃热水箱、90-95℃热水箱的入口相连接；40-45℃热水箱、60-65℃热水箱、90-95℃热水箱的出口分别与气体冷却器的入口相连接；气体冷却器的出口与喷射器组的每个喷射器的一次流入口相连接；喷射器组的每个喷射器的二次流入口与第一、二、三、四中温蒸发器出口相连接；喷射器组的出口与中间冷却器的第一进口相连接；中间冷却器的气体出口与高温压缩机的进口相连接，如此完成高压侧的循环；中间冷却器的液体出口分别与第一、二、三、四膨胀阀以及节流阀的入口相连接。第一、二、三、四膨胀阀以及节流阀分别与第一、二、三、四中温蒸发器以及低温蒸发器的入口相连接；第一、二、三、四中温蒸发器出口与喷射器组的二次流入口相连接；低温蒸发器的出口与低温压缩机的入口相连接；低温压缩机的出口与中间冷却器的第二进口相连接；中间冷却器的气体出口与高温压缩机的进口相连接，中间冷却器的液体出口分别与第一、二、三、四膨胀阀以及节流阀的入口相连接。如此完成低压侧的循环。
所述热水箱组由三个温区的热水箱组成，分别是40-45℃温区热水箱、60-65℃温区热水箱、90-95℃温区热水箱。同时，可以通过调节热水箱温区进口的阀门开度，以满足超市的热水量需求。
所述第一、二、三、四中温蒸发器出口的制冷剂被来自气体冷却器的高压气体引射，在喷射器组中混合后增压流入中间冷却器。所述喷射器组中来自气体冷却器出口的流体压力高于来自第一、二、三、四中温蒸发器出口压力。
所述中温蒸发器组由四个温区的蒸发器组成，分别是-10℃制冷温区、-5℃制冷温区、0℃制冷温区、5℃制冷温区。每个温区的蒸发器对应着喷射器组的喷射器，并通过膨胀阀控制蒸发器内的质量流量，即通过膨胀阀控制喷射器的二次流的质量流量。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明增加一组不同温区的热水箱，能够全部回收冷却热，产出高温热水。跨临界CO2系统在超临界区域冷却时，会释放出大量的冷却热，利用这些热量加热热水箱的自来水，使其变成可以使用的热水，实现了超市冷热联供。既提高了能源利用效率，又节能环保。同时，热水箱设置了三个温区，可以适应多个场景需求。
2、本发明增加了一组喷射器和一组与其对应的中温蒸发器，在喷射器中，使用气体冷却器流出的高压流体作一次流引射对应中温蒸发器出口的制冷剂，将高温压缩机的吸气压力从该组中温蒸发器压力提升至中间冷却器压力，从而达到回收部分节流损失、降低压缩机功耗的目的。同时，吸气压力的提高可以增加压缩机的输气量，提升压缩机的输气效率，减少了系统使用压缩机的数量。
3、由于二氧化碳的临界温度(约31℃)较低，所以CO2制冷系统对环境温度的变化非常敏感，并且COP随着环境温度的升高而显著下降。在我国大多数地区，夏季环境温度高于CO2临界温度，CO2制冷系统不可避免要在跨临界模式运行。本发明适用于我国国情，可以在我国大部分地区高效运行，能有效缓解我国能源紧张的现状。它主要应用于多温区超市制冷系统，在未来的商业制冷领域具有举足轻重的地位和影响。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明设计的一种带喷射器组的跨临界CO2双温多温区超市冷热联供系统；
图2为本发明设计的一种带喷射器组的跨临界CO2双温多温区超市冷热联供系统的压焓图；
其中，101、二氧化碳跨临界高温压缩机；102、90-95℃温区的热水箱；103、60-65℃温区的热水箱；104、40-45℃温区的热水箱；105、气体冷却器；106、喷射器组；107、第一中温蒸发器；108、第二中温蒸发器；109、第三中温蒸发器；110、第四中温蒸发器；111、第一膨胀阀；112、第二膨胀阀；113、第三膨胀阀；114、第四膨胀阀；115、中间冷却器；116、节流阀；117、低温蒸发器；118、二氧化碳亚临界低温压缩机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明设计的一种带喷射器组的跨临界CO2双温多温区超市冷热联供系统，包括：二氧化碳跨临界高温压缩机、90-95℃温区的热水箱、60-65℃温区的热水箱、40-45℃温区的热水箱、气体冷却器、喷射器组、第一中温蒸发器、第二中温蒸发器、第三中温蒸发器、第四中温蒸发器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、第三膨胀阀、第四膨胀阀、中间冷却器、节流阀、低温蒸发器、二氧化碳亚临界低温压缩机。
所述高温压缩机的出口分别与40-45℃热水箱、60-65℃热水箱、90-95℃热水箱的入口相连接；40-45℃热水箱、60-65℃热水箱、90-95℃热水箱的出口分别与气体冷却器的入口相连接；气体冷却器的出口与喷射器组的每个喷射器的一次流入口相连接；喷射器组的每个喷射器的二次流入口与第一、二、三、四中温蒸发器出口相连接；喷射器组的出口与中间冷却器的第一进口相连接；中间冷却器的气体出口与高温压缩机的进口相连接，如此完成高压侧的循环；中间冷却器的液体出口分别与第一、二、三、四膨胀阀的入口相连接。第一、二、三、四膨胀阀分别与第一、二、三、四中温蒸发器的入口相连接；第一、二、三、四中温蒸发器出口与喷射器组的二次流入口相连接；如此完成中压侧的循环。中间冷却器的液体出口还与节流阀的入口相连接，节流阀的出口与低温蒸发器的入口相连接；低温蒸发器的出口与低温压缩机的入口相连接；低温压缩机的出口与中间冷却器的第二进口相连接；如此完成低压侧的循环。
所述热水箱组由三个温区的热水箱组成，分别是40-45℃温区热水箱、60-65℃温区热水箱、90-95℃温区热水箱。同时，可以通过调节热水箱温区进口的阀门开度，以满足超市的热水量需求。
所述第一、二、三、四中温蒸发器出口的制冷剂被来自气体冷却器的高压气体引射，在喷射器组中混合后增压流入中间冷却器。所述喷射器组中来自气体冷却器出口的流体压力高于来自第一、二、三、四中温蒸发器出口压力。
所述中温蒸发器组由四个温区的蒸发器组成，分别是-10℃制冷温区、-5℃制冷温区、0℃制冷温区、5℃制冷温区。每个温区的蒸发器对应着喷射器组的喷射器，并通过膨胀阀控制蒸发器内的质量流量，即通过膨胀阀控制喷射器的二次流的质量流量。
如图2所示为本发明的一种带喷射器组的跨临界CO2双温多温区超市冷热联供系统的压焓图(p-h图)，其系统运行的工作流程:中间冷却器分离出来的饱和气体(图2中状态点1)，被跨临界高温压缩机压缩成为高温高压的超临界气体(图2中状态点2)。高温高压的超临界气体进入热水箱组(根据使用需求打开相应温区的热水箱阀门加热其内的自来水)，加热热水箱之后变成高压中温的超临界气体(图2中状态点3)。高压中温的超临界气体经过气体冷却器再次冷却降温后，成为高压低温的超临界气体(图2中状态点4)，并进入喷射器组的喷嘴中，分别引射第一中温蒸发器出口的制冷剂(图2中状态点8)、第二中温蒸发器出口的制冷剂(图2中状态点10)、第三中温蒸发器出口的制冷剂(图2中状态点12)、第四中温蒸发器出口的制冷剂(图2中状态点14)，并在混合室混合后经过扩散管升压变成两相流状态(图2中状态点5)，再进入中间冷却器。中间冷却器的饱和气体(图2中状态点1)再被跨临界高温压缩机压缩变成高温高压的超临界气体，如此完成高压侧的循环。中间冷却器的饱和液体分成两部分，一部分进行中压侧循环，一部分进行低压侧循环。在中压侧，中间冷却器的饱和液体制冷剂(图2中状态点6)分别经过第一、二、三、四膨胀阀节流进入对应的第一、二、三、四中温蒸发器图2中状态点7、9、11、13、)。制冷剂在第一中温蒸发器内吸收热量后变成气态(图2中状态点8)，在第二中温蒸发器内吸收热量后变成气态(图2中状态点10)，在第三中温蒸发器内吸收热量后变成气态(图2中状态点12)，在第四中温蒸发器内吸收热量后变成气态(图2中状态点14)；然后各中温蒸发器流出的制冷剂被引射进入喷射器，如此完成中压侧的循环。在低压侧，中间冷却器的饱和液体制冷剂(图2中状态点6)经过节流阀节流进入低温蒸发器(图2中状态点15)。制冷剂在低温蒸发器内吸收热量后变成气态(图2中状态点16)，然后被亚临界低温压缩机压缩(图2中状态点17)进入中间冷却器，如此完成低压侧循环。
本发明的工作流程中存在七个不同的工作压力，依次是气体冷却器的压力、高温跨临界压缩机的吸气压力、第一、二、三、四中温蒸发器的蒸发压力、低温压缩机的吸气压力。其中气体冷却器的压力是由环境温度决定的(超临界区域压力和温度不是一一对应关系)；高温跨临界压缩机的吸气压力是由喷射器的出口压力决定的，这个是根据设计工况设计的最佳压力；第一、二、三、四中温蒸发器的蒸发压力是需求设计的；低温压缩机的吸气压力是低温蒸发器的设计压力。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统，其特征在于：包括一组高温压缩机，高温压缩机的出口分别与40-45℃热水箱、60-65℃热水箱、90-95℃热水箱的入口相连接；40-45℃热水箱、60-65℃热水箱、90-95℃热水箱的出口分别与气体冷却器的入口相连接；气体冷却器的出口与喷射器组的每个喷射器的一次流入口相连接；喷射器组的每个喷射器的二次流入口与第一、二、三、四中温蒸发器出口相连接；喷射器组的出口与中间冷却器的第一进口相连接；中间冷却器的气体出口与高温压缩机的进口相连接；中间冷却器的液体出口分别与第一、二、三、四膨胀阀的入口相连接；第一、二、三、四膨胀阀分别与第一、二、三、四中温蒸发器的入口相连接；中间冷却器的液体出口还与节流阀的入口相连接；节流阀的出口与低温蒸发器的入口相连接；低温蒸发器的出口与低温压缩机的入口相连接；低温压缩机的出口与中间冷却器的第二进口相连接。
2.如权利要求1所述的带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统，其特征在于：所述热水箱包含三个温区的热水箱，分别是40-45℃温区热水箱、60-65℃温区热水箱、90-95℃温区热水箱；同时，可以通过调节不同温区热水箱入口的阀门开度，以满足超市的热水量需求。
3.如权利要求1所述的带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统，其特征在于：所述第一、二、三、四中温蒸发器出口的制冷剂被来自气体冷却器的高压气体引射，在喷射器组中混合后增压流入中间冷却器；所述喷射器组中来自气体冷却器出口的流体压力高于来自第一、二、三、四中温蒸发器出口压力。
4.如权利要求1所述的带喷射器的跨临界CO2多温区超市冷热联供系统，其特征在于：所述中温蒸发器由四个温区的蒸发器组成，分别是-10℃制冷温区、-5℃制冷温区、0℃制冷温区、5℃制冷温区，每个温区的蒸发器对应着喷射器组的不同喷射器，并通过膨胀阀控制蒸发器内的质量流量，即通过膨胀阀控制喷射器的二次流的质量流量。
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