CN110375450A - 一种二氧化碳制冷热泵系统 - Google Patents

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李敏霞
詹浩淼
李昱翰
吴博昊
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Abstract

本发明提供了一种二氧化碳制冷热泵系统，包括蒸发器和高压级压缩机，高压级冷凝器和膨胀阀，二氧化碳制冷热泵系统还包括高压容器，高压容器中设置有通过主轴固定连接的透平式低压级压缩机和透平式膨胀机，膨胀阀和透平式膨胀机的工质出口分别与蒸发器的工质进口相连接。本发明将膨胀机做功回收并转化为压缩机消耗的功，提高了系统效率，通过双级压缩设计节省了更多的功耗。

Description

一种二氧化碳制冷热泵系统
技术领域
本发明涉及制冷热泵技术领域，更具体地，涉及一种二氧化碳制冷热泵系统。
背景技术
随着全球变暖以及臭氧层破坏问题日益引起了全世界的重视，CFC和HCFCs制冷剂正在被淘汰，其中，二氧化碳作为制冷剂在近十几年逐渐被视为未来碳氢化合物的替代品。然而，目前以二氧化碳作为制冷剂的跨临界循环中，二氧化碳制冷与热泵循环节流损失较大，节流损失的这部分能量未能充分地利用。因此，现有技术急需一种能够充分利用节流膨胀过程浪费的有用功的二氧化碳制冷热泵系统。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种用膨胀机代替节流阀，可以通过膨胀机做功来回收这部分有用功，提高制冷循环的COP的二氧化碳制冷热泵系统。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
一种二氧化碳制冷热泵系统，包括蒸发器和高压级压缩机，高压级冷凝器和膨胀阀，所述二氧化碳制冷热泵系统还包括高压容器，所述高压容器中设置有通过主轴固定连接的透平式低压级压缩机和透平式膨胀机，所述透平式低压级压缩机、低压级冷凝器、气液分离器、所述高压级压缩机、油分离器、所述高压级冷凝器、储液器和第一换向阀依次连接，所述高压级压缩机还连接有电机，所述油分离器、进油管、所述高压容器、排油管和所述高压级压缩机依次相连接，所述第一换向阀还分别与膨胀阀和所述透平式膨胀机相连接，所述膨胀阀和所述透平式膨胀机的工质出口分别与所述蒸发器的工质进口相连接，所述蒸发器的工质出口连接有第二换向阀，所述第二换向阀还分别与所述透平式低压级压缩机和所述气液分离器相连接。
所述透平式低压级压缩机上设置有压缩机叶轮，所述透平式膨胀机上设置有膨胀机叶轮，所述压缩机叶轮与所述膨胀机叶轮分别与所述主轴固定连接。
所述透平式膨胀机的工质进口处设置有用于调节工质流量的喷嘴。
所述透平式低压级压缩机、所述透平式膨胀机的工质进出口管道以及所述进油管和所述排油管穿过所述高压容器壁处均由密封件密封。
所述高压容器内填充有高温高压的二氧化碳气体。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.通过将膨胀机和压缩机设计为同轴，将膨胀机做功回收并转化为压缩机消耗的功，可以节省压缩机耗电量，提高整个系统的效率。
2.通过双级压缩设计，二氧化碳制冷剂在一级压缩之后进行定压冷却，温度降低，密度增大，两级压缩比单级压缩能够节省更多的功耗。
3.通过设计油分离器，将制冷剂中分离出的油留在油分离器中，然后送入高压容器作为膨胀机和压缩机的润滑油，实现润滑油的重复利用，节约原料。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的高压容器内各部件的结构示意图。
附图标记：1-透平式低压级压缩机，2-压缩机叶轮，3-低压级冷凝器，4-气液分离器，5-高压级压缩机，6-油分离器，7-高压级冷凝器，8-储液器，9-第一换向阀，10-膨胀阀，11-透平式膨胀机，12-喷嘴，13-高压容器，14-电机，15-主轴，16-膨胀机叶轮，17-排油管，18-蒸发器，19-第二换向阀，20-进油管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
如图1-2所示的一种二氧化碳制冷热泵系统，包括蒸发器18和高压级压缩机5，高压级冷凝器7和膨胀阀10，二氧化碳制冷热泵系统还包括填充有高温高压的二氧化碳气体的高压容器13，高压容器13中设置有通过主轴15固定连接的透平式低压级压缩机1和透平式膨胀机11，其中，透平式低压级压缩机1上设置有压缩机叶轮2，透平式膨胀机11上设置有膨胀机叶轮16，压缩机叶轮2与膨胀机叶轮16分别与主轴15固定连接，透平式膨胀机11的工质进口处设置有用于调节工质流量的喷嘴12；透平式低压级压缩机1、低压级冷凝器3、气液分离器4、高压级压缩机5、油分离器6、高压级冷凝器7、储液器8和第一换向阀9依次连接，高压级压缩机5还连接有电机14，油分离器6、进油管20、高压容器13、排油管17和高压级压缩机5依次相连接，第一换向阀9还分别与膨胀阀10和透平式膨胀机11相连接，膨胀阀10和透平式膨胀机11的工质出口分别与蒸发器18的工质进口相连接，蒸发器18的工质出口连接有第二换向阀19，第二换向阀19还分别与透平式低压级压缩机1和气液分离器4相连接。
当上述制冷热泵系统需要进行分级压缩时，将第一换向阀9与透平式膨胀机11接通，将第二换向阀19与低压级透平式压缩机1接通，二氧化碳工质从压缩机18中被压缩后，二氧化碳工质依次经低压级冷凝器3冷凝，经气液分离器4将液态工质分离出去，气体工质进入高压级压缩机5，避免了压缩机中产生液击现象，然后工质进入油分离器6；高压级压缩机5中的润滑油，通过进油管20进入高压容器13，为透平式低压级压缩机1和透平式膨胀机11充当润滑油，然使用后的润滑油再经排油管17进入高压级压缩机5，循环利用；而高温高压工质进入高压级冷凝器7冷凝，再经储液器8储存，然后通过第一换向阀9进入透平式膨胀机11膨胀做功，透平式膨胀机11的工质进口处设置的喷嘴12可以调节工质的流量，膨胀后的低压工质再回到压缩机18，完成制冷循环，透平式膨胀机11和低压级透平式压缩机1设计为同轴，共同设置在密封的圆柱筒状的高压容器13中，膨胀机叶轮16飞速转动，带动压缩机叶轮2共同转动，膨胀机做功直接被回收并转化为压缩机消耗的功，节省了低压级透平式压缩机1的耗电量，提高整个系统的效率；高压容器13的进出管道穿出容器壁处都进行密封，并且各管道均可拆卸和更换，高压容器13填充高温高压二氧化碳气体，透平式膨胀机11和低压级透平式压缩机1内二氧化碳工质的压力与高压容器13内填充的二氧化碳气体的压力构成平衡力，避免了膨胀机和压缩机等机械设备无法承受二氧化碳工质的高压而发生爆炸等危险。
当上述制冷热泵系统不需要进行分级压缩时，将第一换向阀9与膨胀阀10接通，将第二换向阀19与气液分离器4接通，二氧化碳工质从压缩机18中被压缩后，不经过低级压缩，直接进入高压级压缩机5，再经高压级冷凝器7及膨胀阀10等装置，回到压缩机18，完成制冷循环。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种二氧化碳制冷热泵系统，包括蒸发器(18)和高压级压缩机(5)，高压级冷凝器(7)和膨胀阀(10)，其特征是，所述二氧化碳制冷热泵系统还包括高压容器(13)，所述高压容器(13)中设置有通过主轴(15)固定连接的透平式低压级压缩机(1)和透平式膨胀机(11)，所述透平式低压级压缩机(1)、低压级冷凝器(3)、气液分离器(4)、所述高压级压缩机(5)、油分离器(6)、所述高压级冷凝器(7)、储液器(8)和第一换向阀(9)依次连接，所述高压级压缩机(5)还连接有电机(14)，所述油分离器(6)、进油管(20)、所述高压容器(13)、排油管(17)和所述高压级压缩机(5)依次相连接，所述第一换向阀(9)还分别与膨胀阀(10)和所述透平式膨胀机(11)相连接，所述膨胀阀(10)和所述透平式膨胀机(11)的工质出口分别与所述蒸发器(18)的工质进口相连接，所述蒸发器(18)的工质出口连接有第二换向阀(19)，所述第二换向阀(19)还分别与所述透平式低压级压缩机(1)和所述气液分离器(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳制冷热泵系统，其特征是，所述透平式低压级压缩机(1)上设置有压缩机叶轮(2)，所述透平式膨胀机(11)上设置有膨胀机叶轮(16)，所述压缩机叶轮(2)与所述膨胀机叶轮(16)分别与所述主轴(15)固定连接。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳制冷热泵系统，其特征是，所述透平式膨胀机(11)的工质进口处设置有用于调节工质流量的喷嘴(12)。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳制冷热泵系统，其特征是，所述透平式低压级压缩机(1)、所述透平式膨胀机(11)的工质进出口管道以及所述进油管(20)和所述排油管(17)穿过所述高压容器(13)壁处均由密封件密封。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳制冷热泵系统，其特征是，所述高压容器(13)内填充有高温高压的二氧化碳气体。
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