CN110425769A - 可降低co2跨临界制冷系统气冷器出口温度系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度系统及方法，包括：CO₂跨临界制冷系统和吸收式制冷系统，其中，CO₂跨临界制冷系统包括：冷却板换和气冷器，吸收式制冷系统包括：蒸发器；将吸收式制冷系统中的冷剂水在高真空状态下能在低温条件下吸热蒸发，通过蒸发器得到冷冻水；所述CO₂跨临界制冷系统的冷却板换中CO₂通过与蒸发器得到的冷冻水在冷却板换中进行换热，降低了CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。本发明能够不使用氟氯昂做制冷剂、又能有效降低CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。

Description

可降低CO2跨临界制冷系统气冷器出口温度系统及方法

技术领域

本发明涉及制冷技术工程领域，尤其涉及一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度系统及方法。

背景技术

在制冷及空调等行业中，由于传统氟利昂系列制冷剂易对臭氧层形成破坏及引起温室效应，因此在这些行业中采用其他环保工质替代氟利昂类工质已成为迫在眉睫的任务。

人们一直在努力寻找既能保护环境、又符合可持续发展原则的新型制冷剂。事实上任何一种人工合成的制冷剂都有可能对环境造成潜在的或其他不能预知的危害，因此在各种现有可选的制冷工质中，如空气、水、有机制冷剂、CO₂ (二氧化碳)、NH₃等天然工质引起了人们极大的兴趣。天然工质本身存在于自然界当中，对环境不会造成任何危害，有潜力成为现有制冷剂的最有效替代品，其中CO₂以其卓越的物理及热力性能，成为替代传统制冷工质的首选。

因CO₂的临界温度相对较低(31.1℃)，当CO₂气冷器出口温度高于31.1℃时，CO₂制冷系统即为跨临界制冷系统。目前以CO₂作为制冷剂的循环主要有两种，复叠式制冷循环和跨临界制冷循环。其中复叠式制冷系统又多以氟氯昂作为高压侧制冷剂，不可取，因此利用CO₂作为单一制冷剂的跨临界制冷系统再次成为近年的热点。

对于CO₂跨临界制冷系统来说降低气冷器出口温度能提高系统性能系数，但现实中由于气冷器出口温度受环境温度的影响(气冷器是由环境中的自然风来冷却的)，所以不可能无限制的降低，因此怎样有效降低气冷器出口温度成为人们关注的热点。

当前的降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的技术方案，可通过机械辅助过冷系统，即额外增加了一套蒸汽压缩式制冷循环，通过额外增加的蒸汽压缩式制冷系统来降低CO₂气冷器出口的温度。虽然该循环系统能降低CO₂气冷器出口的温度，但又增加了额外高耗能设施(压缩机)；另一方面该机械辅助过冷循环制冷剂多为氟氯昂，不可取。那么当前需要解决的问题是能否提供一种不涉及氟氯昂做制冷剂、又能有效降低CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度的系统。

发明内容

本发明实施例提供了一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度系统及方法，能够不使用氟氯昂做制冷剂、又能有效降低CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的系统，包括：CO₂跨临界制冷系统和吸收式制冷系统，其中，CO₂跨临界制冷系统包括：冷却板换和气冷器，吸收式制冷系统包括：蒸发器；吸收式制冷系统用于将吸收式制冷系统中的冷剂水在高真空状态下且在低温条件下吸热蒸发，通过蒸发器得到冷冻水；所述CO₂跨临界制冷系统用于将冷却板换中CO₂通过与蒸发器得到的冷冻水在冷却板换中进行换热，降低CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。

本发明还提供了一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的方法，包括：CO₂跨临界制冷系统和吸收式制冷系统，其中，CO₂跨临界制冷系统包括：冷却板换和气冷器，吸收式制冷系统包括：蒸发器；将吸收式制冷系统中的冷剂水在高真空状态下且在低温条件下吸热蒸发，通过蒸发器得到冷冻水；所述CO₂跨临界制冷系统的冷却板换中CO₂通过与蒸发器得到的冷冻水在冷却板换中进行换热，降低了CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。

应用本发明，具有以下优点：1、吸收式制冷系统中的高耗能部分为发生器所需要的额外热源，本设计中吸收式制冷系统中发生器所需要的热源完全由CO₂跨临界制冷系统热回收板换回收的热量来提供。2、额外增加的吸收式制冷系统可以进一步降低CO₂跨临界制冷循环气冷器出口的温度。3、因新增吸收式制冷系统发生器所需要的热源完全由CO₂跨临界制冷系统热回收系统回收的热量来提供，同时吸收式制冷系统各处新增的循环泵功率较小、新增能耗较小，但是对CO₂跨临界制冷系统来说能效提高非常明显。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一示例性实施例提供的一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测 (陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

另外，下述各方法实施例中的步骤时序仅为一种举例，而非严格限定。

本申请提供了一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的系统，特别是在CO₂跨临界制冷循环中增加一套吸收式制冷系统，通过吸收式制冷系统来降低传统CO₂跨临界制冷循环气冷器出口的温度，提高整个系统能效(对于CO₂跨临界制冷系统来说，降低气冷器出口温度的同时、系统最优高压侧冷却压力就会降低(高压侧冷却压力等于压缩机排气压力)，蒸发压力不变的前提下压缩机排气压力降低意味着压缩机压比降低，压缩机压比降低压缩机耗功就会减少，通过降低系统中功耗最大的部分压缩机的功耗、进而实现提高整个系统能效的目的)。

目前小型便利店制冷系统、中型商业用制冷系统以及大型工业用冷系统中，主要包含低温冷冻设备(简称LT，设备蒸发温度-30℃左右，对应设备运行温度 -20℃左右)和中温冷藏设备(简称MT、设备蒸发温度-8℃左右，对应设备运行温度0℃左右)，本申请就是基于上述应用环境进行架构。

图1为一示例性实施例提供的一种可降低二氧化碳跨临界制冷系统气冷器出口温度的系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的系统可包括：CO₂跨临界制冷系统X1和吸收式制冷系统X2，即在CO₂跨临界制冷系统X1中增加一套吸收式制冷系统X2，一方面通过CO₂跨临界制冷系统X1中热回收系统回收的热量来为吸收式制冷系统X2中发生器提供热源，同时通过吸收式制冷系统X2中蒸发器产生的冷量来冷却CO₂跨临界制冷系统X1中气冷器出口的温度。

其中，CO₂跨临界制冷系统可包括：储液罐1、MT节流阀2、MT蒸发器3、 LT节流阀4、LT蒸发器5、LT压缩机6、MT压缩机7、平行压缩机8、热回收板换9、气冷器10、冷却板换11(即冷却板式换热器)、高压节流阀12和中压节流阀13；吸收式制冷系统可包括：蒸发器21、吸收器22、发生器23、冷凝器 24、节流阀25、溶液循环泵26、热回收循环泵27、冷却水循环泵28、冷却器 29、冷冻水循环泵30及内部换热器31。

CO₂跨临界制冷系统的工作流程为：储液罐1中的液态CO₂制冷剂分别供给低温冷冻系统和中温冷藏系统。供给低温冷冻系统的液态CO₂经LT节流阀4节流降压降温后进入LT蒸发器5，节流降温后的CO₂在LT蒸发器5中吸热蒸发成气体、同时被LT压缩机6吸入并压缩到MT压缩机7的吸气压力。同样供给中温冷藏系统的液态CO₂经MT节流阀2节流降压降温后进入MT蒸发器3，节流降温后CO₂在MT蒸发器3中吸热蒸发成气体，该气体连同LT压缩机6的排气一起被MT压缩机7吸入压缩成高温高压的CO₂超临界流体并排出。

MT压缩机7排出的高温高压超临界流体先在热回收板换9中和热水换热释放一部分热量后进入气冷器10进一步冷却，冷却完的CO₂超临界流体进入冷却板换11中，在冷却板换11中与来自吸收式制冷系统制出的冷冻水进行换热进一步降低CO₂温度。自冷却板换11出来的CO₂超临界流体经高压节流阀12节流成气液混合物进入储液罐1中，储液罐1中的液体继续供给LT和MT系统完成主要循环。

经高压节流阀12节流后闪发的气体被平行压缩机8吸入、压缩排出、冷却并节流成液体进入到储液罐。在环境温度较低的时候，MT压缩机7和平行压缩机8的排气压力也会相应的降低，而储液罐内压力不变，此时高压节流阀12前后的压差较小，经节流后储液罐内闪发的气体量较少，此时平行压缩机8会因为负荷较少而出现启停很频繁的状况，一方面电机启动电流大能耗就会增加，另一方面电机启动频繁会增加故障率。为避免此类状况，在系统设计中增加了一个中压节流阀13，将储液罐内的气体节流到MT压缩机7的吸气压力状态，由MT 压缩机7吸入并压缩，中压节流阀13和平行压缩机8互锁使用,根据储液罐内闪发的气体量的多少来选择是启用平行压缩机8或者中压节流阀13。

吸收式制冷系统的工作流程为(假定该吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统，水为制冷剂、溴化锂为吸收剂)：蒸发器21出口的低压气态冷剂水蒸汽进入吸收器22中，被吸收器22中的溴化锂浓溶液吸收变成溴化锂稀溶液，吸收过程为放热工程，放出的热量由冷却水循环泵28循环的冷却水带走并送到冷却器29中进一步放热。吸收器22中的溴化锂稀溶液经溶液循环泵26输送到发生器23中，在发生器23中经热回收循环泵27输送来的热水加热，因溴化锂和水沸点不同，加热后溴化锂稀溶液中的液态冷剂水蒸发成气体从溶液中分离后进入冷凝器24进行冷凝，溴化锂稀溶液因失去水分变成浓溶液返回到吸收器22 中进一步吸收气态冷剂水蒸汽。进入冷凝器24中的气态冷剂水蒸气冷凝成为液态冷剂水，液态冷剂水经节流阀25节流降温后进入蒸发器21中，在吸取了蒸发器盘管中冷冻水的热量后，蒸发成低压的冷剂水蒸气进入吸收器22中，继续循环。

从吸收器22出来的溴化锂稀溶液温度较低，而溴化锂稀溶液温度越低，则在发生器23中需要更多热量。自发生器23出来的溴化锂浓溶液温度较高，而溴化锂浓溶液温度越高，在吸收器中则要求更多的冷却水量。因此设置内部换热器31，由温度较高的溴化锂浓溶液加热温度较低的溴化锂稀溶液，这样既减少了发生器热负荷，也减少吸收器的冷却负荷，提高系统能效。

本申请的可降低二氧化碳跨临界制冷系统气冷器出口温度的系统的主要运行参数如下：吸收式制冷系统的发生器23中需要的热源温度为75℃左右，CO₂跨临界制冷系统在环境温度38℃、设计气冷器10出口温度为40℃左右，对应压缩机排气温度120℃左右，能将热回收板换9出口的热水轻松加热到75℃、完全满足吸收式制冷系统的发生器23中热源温度的要求。

吸收式制冷系统中的冷剂水在高真空状态下能在低温条件下吸热蒸发，例如蒸发器压力872Pa时，冷剂水蒸发温度为5℃，这时可在蒸发器21中得到7℃左右的冷冻水。如上所述CO₂跨临界制冷系统在环境温度38℃、设计气冷器10 出口温度为40℃左右，7℃的冷冻水和40℃左右的CO₂在冷却板换11中进行换热，可以大幅度降低气冷器出口CO₂的温度(冷却板换11继续代替气冷器的作用)，当气冷器出口CO₂温度降低1℃时，CO₂跨临界制冷系统整体COP(制热能效比)可提高2％左右，对CO₂跨临界制冷系统能耗提高有很大的帮助。

本发明还提供了一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的方法，包括：CO₂跨临界制冷系统和吸收式制冷系统，其中，CO₂跨临界制冷系统包括：冷却板换和气冷器，吸收式制冷系统包括：蒸发器；将吸收式制冷系统中的冷剂水在高真空状态下能在低温条件下吸热蒸发，通过蒸发器得到冷冻水；所述CO₂跨临界制冷系统的冷却板换中CO₂通过与蒸发器得到的冷冻水在冷却板换中进行换热，降低了CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。

还包括：所述吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统，其中，所述吸收式制冷系统通过水为制冷剂且溴化锂为吸收剂，所述吸收式制冷系统还包括：发生器，所述CO₂跨临界制冷系统还包括：MT压缩机和热回收板换，其中，将MT压缩机通过排气温度将热回收板换的出口的热水加热，加热后的热水为所述发生器提供热源。

还包括：所述吸收式制冷系统还包括吸收器和内部换热器，其中，从吸收器出来的溴化锂稀溶液温度较低，自发生器出来的溴化锂浓溶液温度较高，通过内部换热器将温度较高的溴化锂浓溶液加热温度较低的溴化锂稀溶液。

还包括：所述CO₂跨临界制冷系统还包括储液罐、中压节流阀和平行压缩机，其中，通过中压节流阀将储液罐内的气体节流到MT压缩机的吸气压力状态，由MT压缩机吸入气体并压缩，中压节流阀和平行压缩机进行互锁操作,根据储液罐内闪发的气体量的多少判断启动平行压缩机或者中压节流阀。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件和软件结合的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机产品的形式体现出来，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的系统，其特征在于，

包括：CO₂跨临界制冷系统和吸收式制冷系统，其中，CO₂跨临界制冷系统包括：冷却板换和气冷器，吸收式制冷系统包括：蒸发器；吸收式制冷系统用于将吸收式制冷系统中的冷剂水在高真空状态下且在低温条件下吸热蒸发，通过蒸发器得到冷冻水；所述CO₂跨临界制冷系统用于将冷却板换中CO₂通过与蒸发器得到的冷冻水在冷却板换中进行换热，降低了CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统，其中，所述吸收式制冷系统通过水为制冷剂且溴化锂为吸收剂，所述吸收式制冷系统还包括：发生器，所述CO₂跨临界制冷系统还包括：MT压缩机和热回收板换，其中，所述CO₂跨临界制冷系统，还用于将MT压缩机通过排气温度将热回收板换的出口的热水加热，加热后的热水为所述发生器提供热源。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述吸收式制冷系统还包括吸收器和内部换热器，其中，所述吸收式制冷系统，还用于从吸收器出来的溴化锂稀溶液温度较低，自发生器出来的溴化锂浓溶液温度较高，通过内部换热器将温度较高的溴化锂浓溶液加热温度较低的溴化锂稀溶液。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述CO₂跨临界制冷系统还包括储液罐、中压节流阀和平行压缩机，其中，所述CO₂跨临界制冷系统，还用于通过中压节流阀将储液罐内的气体节流到MT压缩机的吸气压力状态，由MT压缩机吸入气体并压缩，中压节流阀和平行压缩机进行互锁操作,根据储液罐内闪发的气体量的多少判断启动平行压缩机或者中压节流阀。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述CO₂跨临界制冷系统还包括：MT节流阀、MT蒸发器、LT节流阀、LT蒸发器、LT压缩机和高压节流阀；

其中，所述CO₂跨临界制冷系统，还用于将储液罐中的液态CO₂制冷剂供给的液态CO₂经LT节流阀进行节流降压降温后进入LT蒸发器，节流降温后的CO₂在LT蒸发器中吸热蒸发成气体、同时被LT压缩机吸入并压缩到MT压缩机的吸气压力；同时储液罐中的液态CO₂制冷剂供给的液态CO₂经MT节流阀进行节流降压降温后进入MT蒸发器，节流降温后CO₂在MT蒸发器中吸热蒸发成气体，该气体连同LT压缩机的排气一起被MT压缩机吸入压缩成高温高压的CO₂超临界流体并排出；MT压缩机排出的高温高压超临界流体先在热回收板换中和热水换热释放一部分热量后进入气冷器进一步冷却，冷却完的CO₂超临界流体进入冷却板换中，在冷却板换中与来自吸收式制冷系统制出的冷冻水进行换热进一步降低CO₂温度；自冷却板换出来的CO₂超临界流体经高压节流阀进行节流成气液混合物进入储液罐中。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述吸收式制冷系统包括：蒸发器、冷凝器、节流阀、溶液循环泵、热回收循环泵、冷却水循环泵、冷却器和冷冻水循环泵，其中，所述吸收式制冷系统还用于将蒸发器出口的低压气态冷剂水蒸汽进入吸收器中，被吸收器中的溴化锂浓溶液吸收变成溴化锂稀溶液，吸收过程为放热工程，放出的热量由冷却水循环泵循环的冷却水带走并送到冷却器中进一步放热；吸收器中的溴化锂稀溶液经溶液循环泵输送到发生器中，在发生器中经热回收循环泵输送来的热水加热，因溴化锂和水沸点不同，加热后溴化锂稀溶液中的液态冷剂水蒸发成气体从溶液中分离后进入冷凝器进行冷凝，溴化锂稀溶液因失去水分变成浓溶液返回到吸收器中进一步吸收气态冷剂水蒸汽；进入冷凝器中的气态冷剂水蒸气冷凝成为液态冷剂水，液态冷剂水经节流阀节流降温后进入蒸发器中，在吸取了蒸发器盘管中冷冻水的热量后，蒸发成低压的冷剂水蒸气进入吸收器中，继续循环流程。

7.一种可降低CO₂跨临界制冷系统气冷器出口温度的方法，其特征在于，

包括：CO₂跨临界制冷系统和吸收式制冷系统，其中，CO₂跨临界制冷系统包括：冷却板换和气冷器，吸收式制冷系统包括：蒸发器；将吸收式制冷系统中的冷剂水在高真空状态下且在低温条件下吸热蒸发，通过蒸发器得到冷冻水；所述CO₂跨临界制冷系统的冷却板换中CO₂通过与蒸发器得到的冷冻水在冷却板换中进行换热，降低了CO₂跨临界制冷系统的气冷器出口温度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

还包括：所述吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统，其中，所述吸收式制冷系统通过水为制冷剂且溴化锂为吸收剂，所述吸收式制冷系统还包括：发生器，所述CO₂跨临界制冷系统还包括：MT压缩机和热回收板换，其中，将MT压缩机通过排气温度将热回收板换的出口的热水加热，加热后的热水为所述发生器提供热源。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

还包括：所述吸收式制冷系统还包括吸收器和内部换热器，其中，从吸收器出来的溴化锂稀溶液温度较低，自发生器出来的溴化锂浓溶液温度较高，通过内部换热器将温度较高的溴化锂浓溶液加热温度较低的溴化锂稀溶液。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

还包括：所述CO₂跨临界制冷系统还包括储液罐、中压节流阀和平行压缩机，其中，通过中压节流阀将储液罐内的气体节流到MT压缩机的吸气压力状态，由MT压缩机吸入气体并压缩，中压节流阀和平行压缩机进行互锁操作,根据储液罐内闪发的气体量的多少判断启动平行压缩机或者中压节流阀。