CN110953764A - 二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，包括空气压缩机、冷却换热器、热水储存器、包括回热器、空气源蒸发器和储液器，空气压缩机将压缩形成的气体通过管道输送至冷却换热器中，热水储存器将其存储中的水通过管道输送至冷却换热器中与高温高压气体进行热交换后形成中温高压气体，冷却换热器将热交换后的中温高压气体通过管道输送至回热器中进行热交换形成低温高压气体，回热器将低温高压气体通过管道输送至空气源蒸发器中进行蒸发换热形成亚临界气液两相流，再通过管道进入储液器进行气液分离，分离后的气态气体通过管道回流至加热器中与中温高压气体进行热交换。上述联产装置实现能源综合利用、一机多用，具有节能环保高效的优点。

Description

二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置

技术领域

本发明涉及一种节能环保装置，尤其是一种二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置。

背景技术

热泵热水系统主要提供家庭生活热水、冬季采暖热水以及工业加热用热水，目前广泛应用于日常生活及工业生产的各个领域，是国家煤改电及环保计划的重要支柱产品。

传统的热泵热水系统目前主要采用环保型HFC类氟利昂制冷剂，主要包括R134A、R125、R32、R407C、R410A(R22的替代制冷剂)、R152等，臭氧层破坏系数(ODP)为0，但是气候变暖潜能值(GWP)很高。在《蒙特利尔议定书》没有规定其使用期限，在《联合国气候变化框架公约》京都议定书中定性为温室气体，欧盟F-气体法规制定了一系列降低HFCs制冷剂数量的措施和时间表，并针对欧洲市场制冷空调新设备和设备维护颁布了HFCs制冷剂的使用禁令。由此，法规条款和HFC制造商配额对市场发展造成了极大的约束力，未来预期的对氟利昂类制冷剂GWP值的要求应低于150，目前可知的的碳氢类(可燃A3)制冷剂GWP值都在20以下、氨制冷剂GWP值为0和二氧化碳(二氧化碳)制冷剂GWP只有1，所以这些制冷剂产品已经在某些应用领域大幅推广，设备技术不断更新。但是，碳氢和氨的使用条件必须在安全标准中进行详细规定，并且使用的限制条件较多,氟利昂类制冷剂由于其高的GWP值将面临逐步淘汰或替换为更符合环保要求的新型制冷剂。

传统的热泵系统，在蒸发器侧一般采用空气源、水源或者其他低品位能源来实现制冷剂的蒸发吸热转换，蒸发器从空气或者其他冷却介质中吸取热量以蒸发制冷剂，制冷剂蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过永久黏结在贮水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了空气源热泵贮水箱中的水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复，蒸发器侧的“冷能”完全是没有被利用而消耗掉的，不能实现能源的最大利用。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种能源综合利用、一机多用且节能环保高效的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置。

为解决上述技术问题，提供一种二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，包括空气压缩机、冷却换热器和热水储存器，还包括回热器、空气源蒸发器和储液器，所述空气压缩机将压缩形成的高温高压气体通过管道输送至所述冷却换热器中，所述冷却换热器与所述热水储存器通过管道连接，所述热水储存器将其存储中的水通过管道输送至所述冷却换热器中与高温高压气体进行热交换后形成中温高压气体，所述冷却换热器将热交换后的中温高压气体通过管道输送至所述回热器中进行热交换形成低温高压气体，所述回热器将低温高压气体通过管道输送至所述空气源蒸发器中进行蒸发换热形成亚临界气液两相流，亚临界气液两相流通过管道进入所述储液器进行气液分离，分离后的气态气体通过管道回流至所述加热器中与所述中温高压气体进行热交换。

在上述本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中，在所述热水储存器将其储存的水输送至所述冷却换热器的管道上依次设有一第一截止阀、第一水泵和第二截止阀；在所述冷却换热器将换热后的热水输送至所述热水储存器中的管道上设有一第三截止阀。

在上述本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中，还包括过冷换热器，所述过冷换热器一端连接所述回热器，其另一端与所述储液器连接；所述空气源蒸发器与所述回热器之间依次设有第一电磁阀和第一电子膨胀阀，所述空气源蒸发器与所述储液器之间设有第一单向阀；所述过冷换热器与所述回热器之间依次设有第二电磁阀和第二电子膨胀阀，所述过冷换热器与所述储液器之间依次设有压力调节阀和第二单向阀。

在上述本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中，所述回热器通过管道连接有一第一三通管，所述第一三通管其第二端与所述空气源蒸发器连接，其第三端与所述过冷换热器连接，在所述回热器与所述第一三通管之间设有一冷媒过滤器。

在上述本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中，所述储液器通过管道连接有一第二三通管，所述第二三通管其第二端与所述空气源蒸发器连接，其第三端与所述过冷换热器连接，在所述储液器与所述第二三通管之间依次设有一截止阀和压力传感器。

在上述本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中，在所述回热器至所述空气压缩机方向的管道上设有一第四截止阀；在所述回热器至所述冷媒过滤器方向的管道上设有一第五截止阀；在所述冷却换热器至所述回热器方向的管道上设有一第六截止阀；在所述储液器至所述回热器方向的管道上设有一第七截止阀。

在上述本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中，还包括一蓄冰桶，所述过冷换热器与所述蓄冰桶通过管道连接形成一循环连接，在所述过冷换热器至所述蓄冰桶方向管道上依次设有截止阀、过冷水防结冰传播器和促晶装置；在所述蓄冰桶至所述过冷换热器方向管道上依次设有第二水泵、冰晶过滤器和截止阀。

在上述本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中，所述空气压缩机压缩的空气为二氧化碳气体。

上述二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，通过空气压缩机产生的高温高压气体经过热交换后剩余的热量加以利用，通过空气源蒸发器或过冷换热器利用剩余的热量吸取热量以蒸发制冷剂制备所需要的冰水及冰浆；另外，通过空气源蒸发器和过冷换热器独特的双蒸发器设计，扩大了联产装置的应用范围，可适用于使用任何压缩机形式的二氧化碳热泵过冷水制冰装置。

附图说明

图1是本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置结构示意图。

图2是本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置中压缩气体状态变化示意图。

其中：

1、二氧化碳压缩机；2、压力表；3、压力控制器；4、压力传感器；5、第二安全阀；6、冷却换热器；7、第二截止阀；8、第一水泵；9、第一截止阀；10、热水储存器；11、第三截止阀；12、截止阀；13、水泵；14、截止阀；15、回热器；16、第六截止阀；17、第五截止阀；18、第四截止阀；19、第七截止阀；20、冷媒过滤器；21、第一电磁阀；22、第一电子膨胀阀；23、空气源蒸发器；24、第一单向阀；25、第二电磁阀；26、第二电子膨胀阀；27、过冷换热器；28、压力调节阀；29、第二单向阀；30、第一压力传感器；31、截止阀；32、储液器；33、第一安全阀；34、截止阀；35、压力控制器；36、压力表；37、第八截止阀；38、第九截止阀；39、过冷水防结冰传播器；40、超声波促晶装置；41、冰晶过滤器；42、第二水泵；43、蓄冰桶；44、截止阀；45、第五水泵；46、截止阀；47、刮削器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明实施例的一种二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，包括空气压缩机1、冷却换热器6和热水储存器10，还包括回热器15、空气源蒸发器23和储液器32，空气压缩机23将压缩形成的高温高压气体a通过管道输送至冷却换热器6中，冷却换热器6与热水储存器10通过管道连接，热水储存器10将其存储中的水通过管道输送至冷却换热器6中与高温高压气体a进行热交换后形成中温高压气体b，冷却换热器6将热交换后的中温高压气体b通过管道输送至回热器15中进行热交换形成低温高压气体c，回热器15将低温高压气体c通过管道输送至空气源蒸发器23中进行蒸发换热形成亚临界气液两相流d，亚临界气液两相流d通过管道进入储液器32进行气液分离，分离后的气态气体e通过管道回流至加热器15中与中温高压气体b进行热交换。

如图1所示，亚临界气液两相流d在空气源蒸发器23或过冷换热器27内吸收了热量之后进入储液器32，储液器32内的亚临界气液两相流d被进行气液分离，储液器32中的上部亚临界气液两相流d会由于物理特性分离出气态气体e经过管道再次进入回热器15中与冷却换热器6出来的超临界中温高压气体b再次换热，吸收一部分超临界中温高压气体b的热量再经过管道进入到空气压缩机1中再次进行压缩机进入一下个循环。

在热水储存器10将其储存的水输送至冷却换热器6的管道上依次设有一第一截止阀9、第一水泵8和第二截止阀7；在冷却换热器6将换热后的热水输送至热水储存器10中的管道上设有一第三截止阀11。

还包括过冷换热器27，过冷换热器27一端连接回热器15，其另一端与储液器32连接；空气源蒸发器23与回热器15之间依次设有第一电磁阀21和第一电子膨胀阀22，空气源蒸发器23与储液器32之间设有第一单向阀24；过冷换热器27与回热器15之间依次设有第二电磁阀25和第二电子膨胀阀26，过冷换热器27与储液器32之间依次设有压力调节阀28和第二单向阀29。

回热器15通过管道连接有一第一三通管，第一三通管的第二端与空气源蒸发器23连接，其第三端与过冷换热器27连接，在回热器15与第一三通管之间设有一冷媒过滤器20，回热器15的主要作用用于提高CO2制冷剂在制冷循环中的制冷效率。

储液器32通过管道连接有一第二三通管，第二三通管的第二端与空气源蒸发器23连接，其第三端与过冷换热器27连接，在储液器32与第二三通管之间依次设有一截止阀31和第一压力传感器30。

在回热器15至空气压缩机1方向的管道上设有一第四截止阀18；在回热器15至冷媒过滤器20方向的管道上设有一第五截止阀17；在冷却换热器6至回热器15方向的管道上设有一第六截止阀16；在储液器32至回热器15方向的管道上设有一第七截止阀19。

还包括一蓄冰桶43，过冷换热器27与蓄冰桶43通过管道连接形成一循环连接，在过冷换热器27至蓄冰桶43方向管道上依次设有第九截止阀38、过冷水防结冰传播器39和促晶装置40；在蓄冰桶43至过冷换热器27方向管道上依次设有第二水泵42、冰晶过滤器41和第八截止阀37。

工作原理描述：

本发明中空气压缩机压缩的空气以二氧化碳为例，图1中，在空气压缩机1中，二氧化碳经过空气压缩机1压缩成超临界高温高压气体a，高温高压气体a为二氧化碳高温高压气体，高温高压气体a经过管道输送至于冷却换热器6中，冷却换热器6是可为气体冷却换热器，高温高压气体a在冷却换热器6中与热水储存器10中的水通过第一水泵8的循环进行热交换，使得热水储存器10中的水温可持续升高至90℃左右，超临界的高温高压气体a与流经冷却换热器6中的水换热后降温至中温高压气体b，中温高压气体b为二氧化中温高压气体，其状态也是超临界状态，中温高压气体b通过管道进入到回热器15中，在回热器15中超临界的中温高压气体b再次与从储液器32中回流的气态气体e进行二次换热，中温高压气体b通过管道进入到回热器15后产生低温高压气体c，低温高压气体c进入空气源蒸发器23内形成亚临界气液两相流d，亚临界气液两相流d通过管道进入储液器32进行气液分离，分离后的气态气体e通过管道回流至加热器15中与中温高压气体b进行热交换。

另外，经过二次换热得到的超临界的中温高压气体b形成较低温度的超临界低温高压气体c经过管道排出回热器15，排出回热器15的超临界低温高压气体c经过管道进入到冷媒过滤器20内经过过滤杂质并通过管道分别流经第一电磁阀21和第一电磁阀25，第一电磁阀21和第一电磁阀25，属于通电打开的电动阀门，在系统运行时根据控制系统的指令进行打开和关闭的功能；超临界二氧化碳经过第一电磁阀21和第二电磁阀25之后分别流至第一电子膨胀阀22电子膨胀阀和第二电子膨胀阀26，第一电子膨胀阀22和第二电子膨胀阀26对流经的超临界低温高压气体c进行节流，使得超临界低温高压气体c化为亚临界气液两相流d并进入到空气源蒸发器23和过冷换热器27进行蒸发换热，空气源蒸发器23和过冷换热器27正常情况下不同时进行工作，其工作状态和停止状态取决于控制系统对第一电磁阀21、第二电磁阀25以及第一电子膨胀阀22和第二电子膨胀阀26的打开和关闭来进行，空气源蒸发器23和过冷换热器27任何一个在执行主要操作时，另外一个将作为辅助部件进行部分负荷工作，有下列几种情况：

一、空气源蒸发器23作为主蒸发器运行时，亚临界气液两相流d将在部件空气源蒸发器23中与外界空气通过空气源蒸发器23上安装的风机进行强制对流换热，亚临界气液两相流d在吸收了空气中的热量后再流出空气源蒸发器23进入储液器32；

二、当空气源蒸发器23作为主蒸发器运行时，第一电磁阀25及第二电子膨胀阀26首先为关闭状态，过冷换热器27将不进行任何换热操作，经过控制系统监测，如果部件23空气源蒸发器不能完全满足系统蒸发要求时，此时通过控制系统的介入，将会短暂启动部件25电磁阀、部件26电子膨胀阀及过冷换热器27进行辅助蒸发降温；

三、当过冷换热器27作为主蒸发器运行时，此时即为蒸发蓄冰蓄冷状态，亚临界气液两相流d将在过冷换热器27中与蓄冰桶43内的水进行换热循环，水在过冷换热器27内吸收亚临界气液两相流d的冷量达到过冷状态，通过当过冷换热器27在出口处安装的压力调节阀28和第二电子膨胀阀26的共同作用，始终将保持过冷换热器27内内的蒸发温度在-3℃左右，蓄冰桶43内的水通过第二水泵42、冰晶过滤器41、促晶装置40、过冷水防结冰传播器39以及辅助的压力、流量、温度监测共同来完成过冷水的稳定生产以及促晶成冰。

在本专利申请中，在管道内部都会安装若干压力、流量、温度监测等监测器，第二水泵42根据控制系统监测的指令经过变频控制始终满足经过过冷换热器27的水流量满足稳定的换热要求；当第二水泵42出水经过冰晶过滤器41后被完全过滤了水中的杂质及凝结核冰晶，防止由于外部杂质及凝结核冰晶的干扰使过冷换热器27中的过冷水提前结冰导致过冷换热器27内部堵塞产生故障；在过冷换热器27中稳定生产的-2℃左右的过冷水在通过促晶装置40时，促晶装置40向过冷水内部发送超声波扰动过冷水状态，使过冷换热器27中稳定生产的-2℃左右的过冷水瞬时解除过冷状态，部分水吸收冷量形成冰晶与剩余的水形成0℃冰水混合物通过管道进入到蓄冰桶43内；当过冷水在促晶装置40内解除过冷状态后部分冰晶会反向传播使得促晶装置40入口的管道内的部分过冷水解除过冷状态而结冰，如果不阻断反向传播，会一直传播使得冷换热器27中结冰而导致故障，因此在冷换热器27的入口管道中设计有过冷水防结冰传播器39使得反向传播的冰晶无法通过过冷水防结冰传播器39而反向传播，过冷水防结冰传播器39的外部表面有加热装置，可使用电加热丝进行缠绕，使得过冷水防结冰传播器39的内部表面始终保持0.5至2℃的表面温度，使得反向传播的冰晶无法通过过冷水防结冰传播器39的内壁进行反向传播生长，达到了阻碍反向传播的目的。

储存在蓄冰桶43内的冰浆由于物理性质的不同，0℃的冷水沉浸在蓄冰桶的底部，蓄冰桶43通过管道连接有一第五水泵45，第五水泵45安装在形成的冰漂浮在水面以上，根据外部实际工艺需求进行二次应用，第五水泵45可直接抽取蓄冰桶43底部0℃的冷水与外部其他水温混合形成空调用水，满足外部空调冷水需求，经过升温的空调用水再回到蓄冰桶43的顶部对蓄冰桶43的顶部的蓄冰进行喷淋，使得融化而释冷；在蓄冰桶43的顶部安装有一刮削器47，刮削器47主要用于刮削蓄冰桶43顶部的积冰。在一些需要直接用冰的工艺降温领域，刮削器47在电机的带动下不断刮削蓄冰桶43顶部的积冰，蓄冰桶43顶部的干燥冰在刮削器47的搅动刮削作用下产生离心力，在蓄冰桶43的顶部的切线方向被甩出，甩出的干燥冰可以使用任何形式的容器来进行承载，甩出的干燥冰还可用于其它需冰用途。随着刮削器47刮削冰的甩出冰面下降，此时需要向蓄冰桶43内注水使得顶部冰面再次提高刮削器47再次旋转将冰从蓄冰桶43的顶部对应的切线出冰口甩出。

本发明中，回热器15的用于提高二氧化碳制冷剂在制冷循环中的制冷效率；在空气压缩机1流向冷却换热器6方向的管道上，依次设置有压力表2、压力控制器3、第二压力传感器4及第二安全阀5；在回热器15流向空气压缩机1方向的管道上依次设置有压力控制器35和压力表36，在储液器32上设第一安全阀33。

其中压力表2、压力控制器3、第二压力传感器4、第一压力传感器30、压力控制器35、压力表36都是为整个系统的控制系统提供相应的监测依据以满足不同的控制要求的监测部件。

本专利申请中的截止阀可为手动或电动类关断阀，在需要维护或维修部件时可进行单独开关操作。其中第一安全阀33、第二安全阀5是系统压力超标泄压装置，防止整个系统在故障状态时运行压力过高而产生安全事故。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，包括空气压缩机(1)、冷却换热器(6)和热水储存器(10)，其特征在于：还包括回热器(15)、空气源蒸发器(23)和储液器(32)，所述空气压缩机(23)将压缩形成的高温高压气体(a)通过管道输送至所述冷却换热器(6)中，所述冷却换热器(6)与所述热水储存器(10)通过管道连接，所述热水储存器(10)将其存储中的水通过管道输送至所述冷却换热器(6)中与高温高压气体(a)进行热交换后形成中温高压气体(b)，所述冷却换热器(6)将热交换后的中温高压气体(b)通过管道输送至所述回热器(15)中进行热交换形成低温高压气体(c)，所述回热器(15)将低温高压气体(c)通过管道输送至所述空气源蒸发器(23)中进行蒸发换热形成亚临界气液两相流(d)，亚临界气液两相流(d)通过管道进入所述储液器(32)进行气液分离，分离后的气态气体(e)通过管道回流至所述回热器(15)中与所述中温高压气体(b)进行热交换。

2.如权利要求1所述的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，其特征在于：在所述热水储存器(10)将其储存的水输送至所述冷却换热器(6)的管道上依次设有一第一截止阀(9)、第一水泵(8)和第二截止阀(7)；在所述冷却换热器(6)将换热后的热水输送至所述热水储存器(10)中的管道上设有一第三截止阀(11)。

3.如权利要求1所述的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，其特征在于：还包括过冷换热器(27)，所述过冷换热器(27)一端连接所述回热器(15)，其另一端与所述储液器(32)连接；所述空气源蒸发器(23)与所述回热器(15)之间依次设有第一电磁阀(21)和第一电子膨胀阀(22)，所述空气源蒸发器(23)与所述储液器(32)之间设有第一单向阀(24)；所述过冷换热器(27)与所述回热器(15)之间依次设有第二电磁阀(25)和第二电子膨胀阀(26)，所述过冷换热器(27)与所述储液器(32)之间依次设有压力调节阀(28)和第二单向阀(29)。

4.如权利要求2所述的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，其特征在于：所述回热器(15)通过管道连接有一第一三通管，所述第一三通管的第二端与所述空气源蒸发器(23)连接，其第三端与所述过冷换热器(27)连接，在所述回热器(15)与所述第一三通管之间设有一冷媒过滤器(20)。

5.如权利要求2所述的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，其特征在于：所述储液器(32)通过管道连接有一第二三通管，所述第二三通管的第二端与所述空气源蒸发器(23)连接，其第三端与所述过冷换热器(27)连接，在所述储液器(32)与所述第二三通管之间依次设有一截止阀(31)和第一压力传感器(30)。

6.如权利要求5所述的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，其特征在于：在所述回热器(15)至所述空气压缩机(1)方向的管道上设有一第四截止阀(18)；在所述回热器(15)至所述冷媒过滤器(20)方向的管道上设有一第五截止阀(17)；在所述冷却换热器(6)至所述回热器(15)方向的管道上设有一第六截止阀(16)；在所述储液器(32)至所述回热器(15)方向的管道上设有一第七截止阀(19)。

7.如权利要求1所述的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，其特征在于：还包括一蓄冰桶(43)，所述过冷换热器(27)与所述蓄冰桶(43)通过管道连接形成一循环连接，在所述过冷换热器(27)至所述蓄冰桶(43)方向管道上依次设有第九截止阀(38)、过冷水防结冰传播器(39)和促晶装置(40)；在所述蓄冰桶(43)至所述过冷换热器(27)方向管道上依次设有第二水泵(42)、冰晶过滤器(41)和第八截止阀(37)。

8.如权利要求1所述的二氧化碳热泵过冷水制冰联产装置，其特征在于：所述空气压缩机(1)压缩的空气为二氧化碳气体。

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