CN110701813A - 一种高压引射跨临界co2多联供系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压引射跨临界CO2多联供系统及应用，包括CO2蒸发器和普通工质引射器；所述CO2蒸发器的出口依次连通CO2压缩机、CO2气体冷却器的热媒侧、CO2引射器主流入口、中温级冷却蒸发器的热媒侧、低温级冷却蒸发器的热媒侧、CO2气液分离器和CO2蒸发器的入口；所述CO2气液分离器的气体出口连通CO2引射器二次流入口；所述普通工质引射器的出口依次连通冷凝器的热媒侧、中温级冷却蒸发器的冷媒侧、气液分离器、低温级冷却蒸发器的冷媒侧、普通工质压缩机和普通工质引射器主流入口。本发明所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，可合理回收利用工质的冷凝热，以提升系统的能量利用率，提高系统整体能效。
Description
技术领域
本发明属于制冷制热、热泵技术领域，尤其是涉及一种高压引射跨临界CO2多联供系统及应用。
背景技术
《蒙特利尔议定书》基加利修正案已于2019年1月1日正式生效，制冷空调行业需寻求环境友好型制冷剂替代对臭氧层有破坏作用并造成温室效应的HFCs、HCFCs等工质。其中，CO2是一种无毒、不可燃、来源丰富、单位容积制冷量大的环境友好型自然工质，因其零ODP且GWP极低被认为是最具潜力的替代工质。
然而其临界温度较低(31.1℃)，临界压力较高(7.38MPa)，造成很大的节流不可逆损失，导致制冷系统效率低于传统工质的能效，通过蒸汽压缩制冷循环对跨临界CO2制冷循环气体冷却器出口的CO2进行冷却的方法称为机械过冷。通过增加过冷度使得节流损失降低，循环冷量增加，同时降低CO2循环的运行高压和压缩机排气压力，延长压缩机的使用寿命，提升循环COP。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高压引射跨临界CO2多联供系统，以克服现有技术的缺陷，可以降低节流不可逆损失，并且根据机械过冷系统冷凝压力不高及CO2较大温度滑移的特性，根据能量品位的不同，可合理回收利用工质的冷凝热，以提升系统的能量利用率，提高系统整体能效。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高压引射跨临界CO2多联供系统，包括CO2蒸发器和普通工质引射器；
所述CO2蒸发器的出口依次连通CO2压缩机、CO2气体冷却器的热媒侧、CO2引射器主流入口、中温级冷却蒸发器的热媒侧、低温级冷却蒸发器的热媒侧、CO2节流阀、CO2气液分离器和CO2蒸发器的入口；所述CO2气液分离器的气体出口连通CO2引射器二次流入口；
所述普通工质引射器的出口依次连通冷凝器的热媒侧、中温级节流阀、中温级冷却蒸发器的冷媒侧、普通工质气液分离器、低温级节流阀、低温级冷却蒸发器的冷媒侧、普通工质压缩机和普通工质引射器主流入口；所述气液分离器的气体出口连通普通工质引射器二次流入口。
进一步的，所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，还包括生活热水水箱；所述生活热水水箱的入口连通CO2气体冷却器的冷媒侧的出口，生活热水水箱的出口连通CO2气体冷却器的冷媒侧的入口。
进一步的，所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，还包括换热单元；所述换热单元的入口连通冷凝器的冷媒侧的出口，换热单元的出口连通冷凝器冷媒侧的入口。进一步优选的，换热单元可以是地板辐射采暖盘管、暖气片或风机盘管等。
进一步的，所述CO2蒸发器下方安装有风机。
进一步的，所述普通工质气液分离器的出液口与低温级冷却蒸发器的冷媒侧的入口之间的连通管路上安装有低温级节流阀；低温级冷却蒸发器的冷媒侧的出口与CO2气液分离器的进液口之间的连通管路上安装有CO2节流阀。
进一步的，中温级节流阀、低温级节流阀的工作温度范围分别为10～40℃、-10～20℃。
优选的，CO2蒸发器的蒸发温度范围为-56～10℃，中温级冷却蒸发器的温度范围为10～40℃，低温级冷却蒸发器的温度范围为-10～20℃，CO2压缩机的吸气压力范围为0.53～4.50MPa，排气压力范围为7.5～14MPa；
优选的，CO2引射器二次流的吸气温度范围为-56～10℃，压力范围为0.53～4.50MPa，主流温度范围为80～150℃，压力范围为7.5～14MPa，CO2引射器出口温度范围为70～130℃，压力为6～12MPa。
进一步的，CO2气体冷却器、冷凝器均为套管式换热器或板式换热器；CO2蒸发器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器分别为翅片式换热器、套管式换热器或板式换热器、套管式换热器或板式换热器。
进一步的，CO2气体冷却器的热媒侧、中温级冷却蒸发器的热媒侧、低温级冷却蒸发器的热媒侧的换热流体为CO2；中温级冷却蒸发器的冷媒侧、低温级冷却蒸发器的冷媒侧、冷凝器热媒侧的换热工质为纯制冷剂或非共沸混合工质。
进一步的，纯制冷剂为R1234zeZ、R1234zeE、R1233zdE、R1224ydZ、R1336mzzZ、R365mfc、R1234yf、R245fa等物质中的一种；更优选的，纯制冷剂为R1234yf；
优选的，非共沸混合工质为CO2/R1234zeE、CO2/R1234zeZ、CO2/R1234yf、R41/R1234zeE、R41/R1234zeZ、R41/R1234yf、R32/R1234zeE、R32/R1234zeZ、R32/R1234yf等物质中的一种；更优选的，非共沸混合工质为R32/R1234zeZ。
本发明还涉及如上所述的高压引射跨临界CO2多联供系统在制冷、制热、热泵领域的应用。
相对于现有技术，本发明所述的一种高压引射跨临界CO2多联供系统具有以下优势：
(1)CO2引射器的设置使得CO2节流阀前的压力低于CO2压缩机的排气压力，降低了CO2节流阀节流前的压力，可大幅减CO2小节流损失。
(2)CO2节流后的气液相流体进入CO2气液分离器后分离的气相流体直接被引射其增压，之后节流后再次被CO2引射器引射，整个过程不需要运动部件压缩再节流，与现有技术相比避免了吸入压缩机被压缩并且再次节流的过程，气体增压过程不需要动力部件，减少了压缩机耗功，并且在相同的制热/制冷负荷下，流过压缩机的制冷剂流量大大减少，压缩机的体积减小。
(3)中低温级冷却蒸发器的设置可实现对CO2气体冷却器出口的CO2流体逐级冷却，减少了过冷过程中的换热不可逆损失，降低了进入节流阀前的CO2流体温度，CO2节流损失降低。
(4)普通工质引射器的设置可降低进入冷凝器工质的压力，降低其冷凝温度，用于地板辐射采暖等换热单元的热水温度较低，较低的冷凝温度与地板辐射采暖地盘管等换热单元的供回水温度匹配，提高了制热过程的能效。
(5)本装置可通过一台设备实现为提供冷量、提供生活热水、并为房间提供供暖，设备结构紧凑，实现设备的高效利用。适用范围广泛，可应用于住宅、别墅等民用建筑，也可用于商场超市、医院、学校、办公楼等公共及商用建筑的供暖、供冷、供热水应用，具有良好的发展前景。
(6)高压引射跨临界CO2循环的制冷剂为自然工质CO2。ODP为0，GWP为1，高温条件下也不会分解，安全无毒，环境友好。高压引射双过冷器串联机械过冷循环的工质可采用R1234ze(Z)、R1234ze(E)、R1233zd(E)、R1224yd(Z)、R1336mzz(Z)、R365mfc、R1234yf、R245fa等纯制冷剂，也可采用CO2/R1234ze(E)、CO2/R1234ze(Z)、CO2/R1234yf、R41/R1234ze(E)、R41/R1234ze(Z)、R41/R1234yf、R32/R1234ze(E)、R32/R1234ze(Z)、R32/R1234yf等非共沸混合工质。对于非共沸混合工质，选配温度滑移与蒸发器换热流体进出口温差相当的制冷剂，非共沸混合工质蒸发和冷凝过程的滑移温度相差不大，因此可以减少传热温差，有利于降低不可逆损失。
附图说明
图1为本发明所述的高压引射跨临界CO2多联供系统的简单结构示意图。
附图标记：
1-CO2蒸发器；2-CO2压缩机；3-CO2气体冷却器；4-中温级冷却蒸发器；5-低温级冷却蒸发器；6-CO2引射器；7-普通工质压缩机；8-冷凝器；9-普通工质引射器；10-中温级节流阀；11-风机；12-低温级节流阀；13-普通工质气液分离器；14-CO2节流阀；15-CO2气液分离器；16-生活热水水箱；17-换热单元。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
如图1所示，一种高压引射跨临界CO2多联供系统，包括由CO2蒸发器1、CO2压缩机2、CO2气体冷却器3、CO2引射器6、CO2节流阀14、CO2气液分离器15和生活热水水箱16组成的高压引射跨临界CO2循环，普通工质压缩机7、冷凝器8、普通工质引射器9、中温级冷却蒸发器4、低温级冷却蒸发器5、中温级节流阀10、气液分离器13、低温级节流阀12和换热单元17组成的高压引射双过冷器串联机械过冷循环；高压引射跨临界CO2循环和高压引射双过冷器串联机械过冷循环可以相互换热。具体来说：
所述CO2蒸发器1的出口依次连通CO2压缩机2、CO2气体冷却器3的热媒侧、CO2引射器6主流入口、中温级冷却蒸发器4的热媒侧、低温级冷却蒸发器5的热媒侧、CO2节流阀14、CO2气液分离器15和CO2蒸发器1的入口；所述CO2气液分离器15的气体出口连通CO2引射器6二次流入口；所述普通工质引射器9的出口依次连通冷凝器8的热媒侧、中温级节流阀10、中温级冷却蒸发器4的冷媒侧、普通工质气液分离器13、低温级节流阀12、低温级冷却蒸发器5的冷媒侧、普通工质压缩机7和普通工质引射器9主流入口；所述气液分离器13的气体出口连通普通工质引射器9二次流入口。
其中，CO2引射器的设置使得CO2节流阀前的压力低于CO2压缩机的排气压力，降低了CO2节流阀节流前的压力，可大幅减CO2小节流损失。中低温级冷却蒸发器的设置可实现对CO2气体冷却器出口的CO2流体逐级冷却，减少了过冷过程中的换热不可逆损失，降低了进入节流阀前的CO2流体温度，CO2节流损失降低。普通工质引射器的设置可降低进入冷凝器工质的压力，降低其冷凝温度，用于地板辐射采暖的热水温度较低，较低的冷凝温度与地板辐射采暖地盘管的供回水温度匹配，提高了制热过程的能效。
作为本发明一个可选的实施方式，所述的高压引射跨临界CO2多联供系统还包括生活热水水箱16；所述生活热水水箱16的入口连通CO2气体冷却器3的冷媒侧的出口，生活热水水箱16的出口连通CO2气体冷却器3的冷媒侧的入口。生活热水箱可以是卫生热水水箱、洗浴热水水箱、厨房热水水箱等。
作为本发明另一个可选的实施方式，所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，还可以包括换热单元17；所述换热单元17的入口连通冷凝器8的冷媒侧的出口，换热单元17的出口连通冷凝器8冷媒侧的入口。需要说明的是，换热单元17可以采用地板辐射采暖盘管、暖气片或风机盘管等，但优选为地板辐射采暖盘管。
为了提高蒸发器换热效率，可以在CO2蒸发器1下方安装风机11。
同时，对各节流阀的安装位置需要作进一步的说明，节流阀的安装是为了有效的控制相应管路的换热流体的流量，具体来说：中温级节流阀10安装在冷凝器8的热媒侧与中温级冷却蒸发器4的冷媒侧的连通管路上；低温级节流阀12气液分离器13的出液口与低温级冷却蒸发器5的冷媒侧的入口之间的连通管路上；CO2节流阀14安装在低温级冷却蒸发器5的冷媒侧的出口与CO2气液分离器15的进液口之间的连通管路上。
需要进一步说明的是，中温级节流阀10、低温级节流阀12的工作温度范围分别为10～40℃、-10～20℃。
作为本发明一个可选的实施方式，CO2蒸发器1的蒸发温度范围为-56～10℃，中温级冷却蒸发器4的温度范围为10～40℃，低温级冷却蒸发器5的温度范围为-10～20℃，CO2压缩机2的吸气压力范围为0.53～4.50MPa，排气压力范围为7.5～14MPa；CO2引射器6二次流的吸气温度范围为-56～10℃，压力范围为0.53～4.50MPa，主流温度范围为80～150℃，压力范围为7.5～14MPa，CO2引射器6出口温度范围为70～130℃，压力为6～12MPa。
作为本发明一个可选的实施方式，CO2气体冷却器3、冷凝器8均为套管式换热器或板式换热器，优选为套管式换热器。CO2蒸发器1、中温级冷却蒸发器4、低温级冷却蒸发器5分别为翅片式换热器、套管式换热器或板换热器、套管式换热器或板式换热器。更为优选的一个实施方式为，CO2蒸发器1、中温级冷却蒸发器4、低温级冷却蒸发器5分别为翅片式换热器、板式换热器、套管式换热器。
因CO2是一种无毒、不可燃、来源丰富、单位容积制冷量大的环境友好型自然工质，因其零ODP且GWP极低，故CO2气体冷却器3的热媒侧、中温级冷却蒸发器4的热媒侧、低温级冷却蒸发器5的热媒侧的换热流体为CO2。
作为本发明一个可选的实施方式，中温级冷却蒸发器4的冷媒侧、低温级冷却蒸发器5的冷媒侧、冷凝器8热媒侧的换热工质可以选择纯制冷剂，也可以选择非共沸混合工质。其中：纯制冷剂可以选择R1234zeZ、R1234zeE、R1233zdE、R1224ydZ、R1336mzzZ、R365mfc、R1234yf、R245fa中的一种，优选为R1234yf；非共沸混合工质可以选择CO2/R1234zeE、CO2/R1234zeZ、CO2/R1234yf、R41/R1234zeE、R41/R1234zeZ、R41/R1234yf、R32/R1234zeE、R32/R1234zeZ、R32/R1234yf中的一种，优选为R32/R1234zeZ。对于非共沸混合工质，选配温度滑移与蒸发器换热流体进出口温差相当的制冷剂，非共沸混合工质蒸发和冷凝过程的滑移温度相差不大，因此可以减少传热温差，有利于降低不可逆损失。
使用时，采用以下步骤利用本发明所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，进行制冷、供热：
第一步：CO2压缩机2将CO2蒸发器1出口的CO2饱和或过热气压缩成高温高压气体，然后进入CO2气体冷却器3与生活热水水箱16的回水换热，水被加热后流回水箱16，CO2气体冷却器3出口的高压CO2流体作为主流进入CO2引射器6的喷嘴入口，气液分离器15的气相流体作为二次流(流入CO2引射器6收缩管入口的流体)被引射并混合后，流体压力降为CO2压缩机2排气压力和节流后的压力的中间压力，流体之后依次流经中温级冷却蒸发器4CO2侧与低温级冷却蒸发器5CO2侧，通过普通工质或非共沸混合工质蒸发过程连续进行两次冷却，之后进入CO2节流阀14节流降压变为气液两相流体进入CO2气液分离器15，其中气相作为二次流被CO2气体冷却器3出口的高压流体引射，液相流体进入CO2蒸发器1进行制冷，通过风机11将冷量传递至空气，进行制冷。如此往复，完成引射节流跨临界CO2循环。
第二步：普通工质压缩机7将低温级冷却蒸发器5出口的普通工质压缩至高温高压气体，高温高压气体作为一次流引射气液分离器13中的气相流体，混合后压力变为压缩机7排气压力和中温级节流阀10节流后压力的中间压力，流体流过冷凝器8，并加热换热单元17的回水，加热之后的热水流回盘管17为房间供暖，放完热的水流回冷凝器8继续被加热，如此往复。
第三步：冷凝器8出口工质在中温级节流阀10中进行一次节流降压，流经中温级冷却蒸发器4与CO2引射器6流出的CO2进行换热，CO2被冷却后温度降低，普通工质流经中温级冷却蒸发器4后进入普通工质气液分离器13，普通工质气液分离器13有两个出口，气相流体作为二次流被引射器9吸入，液体则在低温级节流阀12中进行二次节流，节流后的气液两相流体进入低温级冷却蒸发器5与中温级冷却蒸发器4CO2侧出口的CO2再次进行换热，CO2流体再次被进行冷却，吸热后的工质变为饱和气或过热蒸气被压缩机7吸入，如此反复，完成循环。
上述过程中，一个比较优选的工艺条件为：CO2蒸发器1的蒸发温度为-20，中温级冷却蒸发器4的温度为10℃，低温级冷却蒸发器5的温度为0℃，CO2压缩机2的吸气压力为1.97MPa，排气压力为10MPa。CO2引射器6二次流的吸气温度为-20℃，压力为1.97MPa，主流温度为45℃，压力为10MPa，引射器出口温度为35℃，压力为9MPa。中温级冷却蒸发器4冷媒侧、低温级冷却蒸发器5冷媒侧、冷凝器8热媒侧流经的工质为R1234yf，普通工质引射器9二次流入口温度为20℃，压力为0.59MPa，主流温度为80℃，压力为1.30MPa，普通工质引射器9出口工质温度为45℃，压力为1.15MPa。中温级节流阀10、低温级节流阀12的工作温度范围分别为25℃、0℃.
需要进一步说明的是，上述过程中，对CO2于气体冷却器，CO2侧也即热媒侧；对于中温级冷却蒸发器和低温级冷却蒸发器，普通工质侧即为冷媒侧；对于冷凝器，普通工质侧即为热媒侧，普通工质也即前述纯制冷剂或非共沸混合工质。
综上，本高压引射跨临界CO2多联供系统，可通过一台设备实现为提供冷量、提供生活热水、并为房间提供供暖，设备结构紧凑，实现设备的高效利用。其适用范围广泛，可应用于住宅、别墅等民用建筑，也可用于商场超市、医院、学校、办公楼等公共及商用建筑的供暖、供冷、供热水应用，具有良好的发展前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：包括CO2蒸发器(1)和普通工质引射器(9)；
所述CO2蒸发器(1)的出口依次连通CO2压缩机(2)、CO2气体冷却器(3)的热媒侧、CO2引射器(6)主流入口、中温级冷却蒸发器(4)的热媒侧、低温级冷却蒸发器(5)的热媒侧、CO2节流阀(14)、CO2气液分离器(15)和CO2蒸发器(1)的入口；所述CO2气液分离器(15)的气体出口连通CO2引射器(6)二次流入口；
所述普通工质引射器(9)的出口依次连通冷凝器(8)的热媒侧、中温级节流阀(10)、中温级冷却蒸发器(4)的冷媒侧、普通工质气液分离器(13)、低温级节流阀(12)、低温级冷却蒸发器(5)的冷媒侧、普通工质压缩机(7)和普通工质引射器(9)主流入口；所述气液分离器(13)的气体出口连通普通工质引射器(9)二次流入口。
2.根据权利要求1所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：还包括生活热水水箱(16)；所述生活热水水箱(16)的入口连通CO2气体冷却器(3)的冷媒侧的出口，生活热水水箱(16)的出口连通CO2气体冷却器(3)的冷媒侧的入口。
3.根据权利要求1所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：还包括换热单元(17)；所述换热单元(17)的入口连通冷凝器(8)的冷媒侧的出口，换热单元(17)的出口连通冷凝器(8)冷媒侧的入口；优选的，换热单元(17)为地板辐射采暖盘管、暖气片或风机盘管中的一种。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：所述CO2蒸发器(1)下方安装有风机(11)。
5.根据权利要求1所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：中温级节流阀(10)、低温级节流阀(12)的工作温度范围分别为10～40℃、-10～20℃；
优选的，CO2蒸发器(1)的蒸发温度范围为-56～10℃，中温级冷却蒸发器(4)的温度范围为10～40℃，低温级冷却蒸发器(5)的温度范围为-10～20℃，CO2压缩机(2)的吸气压力范围为0.53～4.50MPa，排气压力范围为7.5～14MPa；
优选的，CO2引射器(6)二次流的吸气温度范围为-56～10℃，压力范围为0.53～4.50MPa，主流温度范围为80～150℃，压力范围为7.5～14MPa，CO2引射器(6)出口温度范围为70～130℃，压力为6～12MPa。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：CO2气体冷却器(3)、冷凝器(8)均为套管式换热器或板式换热器；CO2蒸发器(1)、中温级冷却蒸发器(4)、低温级冷却蒸发器(5)分别为翅片式换热器、套管式换热器或板式换热器、套管式换热器或板式换热器。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：CO2气体冷却器(3)的热媒侧、中温级冷却蒸发器(4)的热媒侧、低温级冷却蒸发器(5)的热媒侧的换热流体为CO2；中温级冷却蒸发器(4)的冷媒侧、低温级冷却蒸发器(5)的冷媒侧、冷凝器(8)热媒侧的换热工质为纯制冷剂或非共沸混合工质。
8.根据权利要求7所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：纯制冷剂为R1234zeZ、R1234zeE、R1233zdE、R1224ydZ、R1336mzzZ、R365mfc、R1234yf、R245fa中的一种；
优选的，非共沸混合工质为CO2/R1234zeE、CO2/R1234zeZ、CO2/R1234yf、R41/R1234zeE、R41/R1234zeZ、R41/R1234yf、R32/R1234zeE、R32/R1234zeZ、R32/R1234yf中的一种。
9.根据权利要求7所述的高压引射跨临界CO2多联供系统，其特征在于：纯制冷剂为R1234yf；非共沸混合工质为R32/R1234zeZ。
10.如权利要求1至9任意一项所述的高压引射跨临界CO2多联供系统在制冷、制热、热泵领域的应用。
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