CN111141054B - 一种跨临界双级过冷引射二氧化碳系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨临界双级过冷引射二氧化碳系统及应用。本发明的高压级二氧化碳引射器的出口依次连通气体冷却器、高温膨胀阀、中温冷却蒸发器、高压级二氧化碳的二次流入口；所述中压级二氧化碳引射器的出口依次连通压缩机、高压级二氧化碳引射器的主流入口、气体冷却器、中温级冷却蒸发器、中温级膨胀阀、低温级冷却蒸发器和中压级二氧化碳引射器的主流入口。本发明的双级过冷引射二氧化碳系统，二氧化碳梯级蒸发进行过冷，减小不可逆节流损失，降低气体冷却器运行压力，并提升进入压缩机的压力，二氧化碳压缩机压比减小，等熵效率提高，延长压缩机使用寿命。

Description

一种跨临界双级过冷引射二氧化碳系统及应用
技术领域
本发明属于制冷制热、热泵技术领域，尤其是涉及一种双级引射过冷二氧化碳系统及应用。
背景技术
目前，蒸汽压缩制冷系统广泛应用于民用和商用制冷领域，占社会能源消耗的很大比例。制冷工业对全球变暖和臭氧损耗的重要影响已成为一个日益明显的问题。合理选择制冷系统的循环构型和环保型制冷剂对节能减排具有积极的作用。自然工质二氧化碳由于其环保安全的优势，可作为传统制冷剂的替代制冷剂。
二氧化碳凭借着自身优良特性,被誉为是CFCs、HCFCs和HFCs最具发展潜力的永久替代物。因此，绿色二氧化碳制冷技术具有广阔的发展前景。然而,在常见的制冷条件下,由于二氧化碳的临界温度较低，所以使用二氧化碳制冷系统需要在超临界循环模式下进行，并且由于大量的膨胀损失导致这些系统的性能系数(COP)低于常规循环使用氟氯化碳和氢氯氟碳化合物制冷剂。
发明内容
本发明旨在提出一种跨临界双级过冷引射二氧化碳系统，以克服现有技术的缺陷，可降低压缩机排气压力，增加压缩机入口气体压力，二氧化碳压缩机压比减小，等熵效率提高，延长压缩机使用寿命。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种跨临界双级过冷引射二氧化碳系统，包括高压级二氧化碳引射器和中压级二氧化碳引射器；
所述高压级二氧化碳引射器的出口依次连通气体冷却器、高温级膨胀阀、中温级冷却蒸发器、高压级二氧化碳引射器的二次流入口；所述冷却器的出口的另一条路依次连通中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器、低压级二氧化碳引射器的主流入口、气液分离器、压缩机和高压级二氧化碳引射器的主流入口；
所述中压级二氧化碳引射器的出口依次连通压缩机、高压级二氧化碳引射器的主流入口、气体冷却器、中温级冷却蒸发器、中温级膨胀阀、低温级冷却蒸发器和中压级二氧化碳引射器的主流入口；所述低温级冷却蒸发器的另一条出口依次连通低温级二氧化碳引射器的主流入口、气液分离器、低温级膨胀阀、蒸发器和中压级二氧化碳引射器的二次流入口；所述蒸发器还与低压级二氧化碳引射器的二次流入口连通。
进一步的，所述蒸发器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器分别采用翅片管换热器、套管式换热器或板式换热器、套管式换热器或板式换热器；所述气体冷却器为套管式换热器或板式换热器。
进一步的，所述蒸发器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器的工作温度范围分别为-20～0℃、20～40℃、5～20℃；高压级二氧化碳引射器的出口温度范围100～110℃，压力范围为8.0～9.0MPa,主流入口的温度范围为110～120℃，压力范围为9.0～10.0MPa，二次流吸气温度范围为20～40℃，压力范围为5.7～8.0MPa；中压级二氧化碳引射器的出口温度范围为0～10℃，压力范围为3.5～4.5MPa，主流入口温度范围为5～15℃压力范围为4.0～5.1MPa；二次流吸气温度范围为-20～0℃，压力范围为2.0～3.5MPa；低压级二氧化碳引射器的出口温度范围为-5～5℃；压力范围为3.0～4.0MPa，主流入口温度范围为15～20℃，压力范围为5.1～5.7MPa,二次流吸气温度范围为-20～0℃，压力范围为2.0～3.5MPa；压缩机的吸气压力范围为3.25～4.25MPa，排气压力范围为9.5～10.5MPa。
本发明创造还涉及如上所述的引射增压双级过冷跨临界二氧化碳双温系统在制冷制热、热泵领域的应用。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种引射增压双级过冷跨临界二氧化碳双温系统具有以下优势：
(1)高压级二氧化碳引射器的配置，可降低了进入冷却器的二氧化碳气体压力，提高了系统运行的安全性，降低了二氧化碳气体冷却器的造价。并且降低了二氧化碳气体在高温级节流的过程中的节流损失。
(2)中压级二氧化碳引射器的配置，可省去膨胀阀或压缩机，减少了不可逆节流损失或减少了设备的投资，在大幅降低节流损失以及不引入动力配置的前提下，实现将不参与制冷的饱和气体引射至压缩机的入口，引射器无运动部件，设备体积小，气相二氧化碳不流经蒸发器，在相同换热量下降低了蒸发器的换热面积，并降低了压缩机的吸气量，减小了压缩机的体积和造价。并且可使得过冷蒸发后的二氧化碳蒸汽引射部分蒸发器出口的蒸汽，二者混合后被压缩机压缩，充分利用了过冷蒸发后二氧化碳蒸汽的膨胀功，并且提高了压缩机的吸气压力，降低其压缩比，提升系统能效。
(3)低压级二氧化碳引射器的配置，可引射部分蒸发器出口的二氧化碳蒸汽，高效利用二氧化碳流体降压过程中的压差势能，对蒸发器出口的二氧化碳蒸汽引射，可提高吸入压缩机蒸汽的压力，降低压缩机压缩比，提升压缩机效率。
(4)通过两个过冷器(中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器)串联实现气体冷却器出口的二氧化碳连续两次梯级冷却，二氧化碳气体蒸发过程与超临界二氧化碳流体温降过程形成良好的温度匹配，缩小传热温差，减少换热不可逆损失和不可逆节流损失，提升系统总体能效。
(5)本系统设置了压缩机，压缩机压比不大，适用于低温冷藏应用。并且能够制造生活用中温热水或工业用高温热水以及蒸汽，通过一套设备能够实现多种功能，提高了设备的利用率，节省了设备占用空间，可应用于对于大型商场、超市的冷藏和空调制冷，也可用于屠宰场、食品加工厂等既需要冷藏也需要高温或中温热水/蒸汽的应用领域。
附图说明
图1为本发明的简单结构示意图；
图2为本发明的温熵示意图。
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创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明创造。
如图1所示，一种跨临界双级过冷二氧化碳引射系统，包括压缩机1、高压级二氧化碳引射器2、气体冷却器3、高温级膨胀阀4、中温级冷却蒸发器5、中温级膨胀阀6、低温级冷却蒸发器7、中压级二氧化碳引射器8、低压级二氧化碳引射器9、蒸发器10、气液分离器11、低温级膨胀阀12。
具体来说：所述高压级二氧化碳引射器2的出口依次连通气体冷却器3、高温级膨胀阀4、中温级冷却蒸发器5、高压级二氧化碳引射器2的二次流入口；所述冷却器3的出口的另一条路依次连通中温级冷却蒸发器5、低温级冷却蒸发器7、低压级二氧化碳引射器9的主流入口、气液分离器11、压缩机1和高压级二氧化碳引射器2的主流入口。
通过气液分离器将气液相流体分离，流入蒸发器流体均为液态流体，流体在蒸发器管路中均匀分布，并且换热系数增加，提高蒸发器的换热效率，在相同换热量的前提下，可缩小蒸发器体积，如在超市冷藏柜中使用时，可使得设备更加紧凑，提高制冷设备的空间利用率。通过中压级二氧化碳引射器和低压级二氧化碳引射器将气液分离器中的液相流体经蒸发后的压力提高，相较于传统的先节流再压缩过程，省去了节流过程，从而减少了这部分气体的节流不可逆损失，并且引射过程比相较于先节流再压缩过程，蒸发器吸气压力提高，压缩比降低，二氧化碳平行压缩机的效率高。通过压缩机出口的二氧化碳流体在高压级二氧化碳引射器中引射至中间压力，可省去节流阀节流降压或压缩机动力设备增压的配置，大幅降低节流损失且不引入动力设备，引射器无运动部件，设备体积小。气液分离器使气相制冷剂不流经蒸发器，在相同换热量下降低了蒸发器的换热面积，并降低了压缩机的吸气量，缩小了压缩机的体积和造价。
此外，两个过冷器(也即中温级冷却蒸发器5和低温级冷却蒸发器7)串联可实现气体冷却器出口的二氧化碳连续两次梯级冷却，二氧化碳蒸发过程与超临界二氧化碳流体温降过程形成良好的温度匹配，缩小传热温差，减少换热不可逆损失和不可逆节流损失，提升系统总体能效。
所述中压级二氧化碳引射器8的出口依次连通压缩机1、高压级二氧化碳引射器2的主流入口、气体冷却器3、中温级冷却蒸发器5、中温级膨胀阀6、低温级冷却蒸发器7和中压级二氧化碳引射器8的主流入口；所述低温级冷却蒸发器的另一条出口依次连通低温级二氧化碳引射器9的主流入口、气液分离器11、低温级膨胀阀12、蒸发器10和中压级二氧化碳引射器8的二次流入口；所述蒸发器10还与低压级二氧化碳引射器9的二次流入口连通。
作为本发明创造一个可选的实施方式，为了提高进入蒸发器的二氧化碳气体压力，蒸发器10的出口气体被两个引射器，中压级二氧化碳引射器9和低压级二氧化碳引射器9来共同引射。
作为本发明创造一个可选的实施方式，在气体冷却器3和中压级二氧化碳引射器8、低压级二氧化碳引射器9之间安装中温级冷却蒸发器5、低温级冷却蒸发器7。
作为本发明创造一个可选的实施方式，所述蒸发器10、中温级冷却蒸发器5、低温级冷却蒸发器7分别采用翅片管换热器、套管式换热器或板式换热器、套管式换热器或板式换热器；所述气体冷却器3为套管式换热器或板式换热器。
作为本发明创造一个可选的实施方式，为了减小损失，在气体冷却器3和中压级二氧化碳引射器5、低压级二氧化碳引射器7之间安装两个冷却蒸发器，实现梯级过冷。
作为本发明创造一个可选的实施方式，所述蒸发器10、中温级冷却蒸发器5、低温级冷却蒸发器7的工作温度范围分别为-20～0℃、、20～40℃、5～20℃；高压级二氧化碳引射器2的出口温度范围100～110℃，压力范围为8.0～9.0MPa,主流入口的温度范围为110～120℃，压力范围为9.0～10.0MPa，二次流吸气温度范围为20～40℃，压力范围为5.7～8.0MPa；中压级二氧化碳引射器8的出口温度范围为0～10℃，压力范围为3.5～4.5MPa，主流入口温度范围为5～15℃压力范围为4.0～5.1MPa；二次流吸气温度范围为-20～0℃，压力范围为2.0～3.5MPa；低压级二氧化碳引射器9的出口温度范围为-5～5℃；压力范围为3.0～4.0MPa，主流入口温度范围为15～20℃，压力范围为5.1～5.7MPa,二次流吸气温度范围为-20～0℃，压力范围为2.0～3.5MPa；压缩机1的吸气压力范围为3.25～4.25MPa，排气压力范围为9.5～10.5MPa。
本发明创造所述的跨临界双级过冷引射二氧化碳系统，使用时，一个比较优选的工艺条件为：蒸发器1的蒸发温度为-15℃，中温级冷却蒸发器5的温度为40℃，低温级冷却蒸发器7的温度为10℃，高压级二氧化碳引射器2的出口温度为110℃，压力为9MPa,主流入口温度为120℃，压力为10.0MPa.二次流吸气温度为40℃，压力为8.0MPa。中压级二氧化碳引射器8的出口温度为10℃，压力为4.5MPa，主流入口温度为15℃，压力为5.1MPa，二次流吸气温度为-20℃，压力为2.0MPa。低压级二氧化碳引射器9出口温度为5℃，压力为4.0MPa，主流入口温度为15℃，压力为5.1MPa，二次流吸气温度为0℃，压力为3.5MPa。压缩机的吸气压力为4.25MPa，排气压力为10MPa。
使用本发明创造所述的跨临界双级过冷引射二氧化碳系统进行制冷、换热的方法，如图1所示，包括以下步骤：
第一步：压缩机1出口的高温高压二氧化碳气体作为主流进入高压级二氧化碳引射器2中，在喷嘴进行等熵膨胀，流速增大，压力降低，引射来自中温级冷却蒸发器5的中温中压二氧化碳气体。高压级二氧化碳引射器的出口二氧化碳气体进入气体冷却器3中对流换热释放热量，气体冷却器3出口的中温中压气体分为两路，一路进入中温级冷却蒸发器中进行换热冷却；另一路进入高温级膨胀阀4中节流，然后进入中温级冷却蒸发器5中进行蒸发。中温级冷却蒸发器5出口分为三路路，一路是进行冷却的二氧化碳气体进入低温级冷却蒸发器7再次进行冷却，冷却后的二氧化碳气体作为主流进入低压级二氧化碳引射器9中，在喷嘴进行等熵膨胀，流速增大，压力降低，引射来自中蒸发器10的低温低压二氧化碳气体；一路经过蒸发后的饱和中温中压二氧化碳气体作为二次流被高压主流不断吸进高压级二氧化碳引射器2的吸入室，与高压主流在混合室内进行混合，混合后的流体进入扩压室，流体速度降低，压力升高至主流与二次流体之间；另一路是进行冷却的二氧化碳气体经过中温级膨胀阀6进行节流，然后进入低温级冷却蒸发器7进行蒸发过程，蒸发后的气体作为主流进入中压级二氧化碳引射器8中，在喷嘴进行等熵膨胀，流速增大，压力降低，引射来自蒸发器10的低温低压二氧化碳气体。
第二步：低压级二氧化碳引射器出口的低温低压气体进入气液分离器11，分离后的液相气体进入膨胀阀12节流，然后进入蒸发器10对流换热释放冷量，出口的饱和低温低压二氧化碳气体分别作为二次流被中压级二氧化碳引射器8和低压级二氧化碳引射器9的主流不断吸进引射器的吸入室，与低压主流在混合室内进行混合，混合后的流体进入扩压室，流体速度降低，压力升高至主流与二次流体之间。
第三步：高压级二氧化碳引射器8出口的低温低压二氧化碳气体和液体分离器11分离出来的气相二氧化碳气体进行混合，混合至两气体的中间压力，进入压缩机1的吸入口，进行压缩，成为高温高压二氧化碳气体。(详情参考图2)
本发明所述的跨临界双级过冷引射二氧化碳系统，设置了压缩机，但压缩机压比不大，适用于低温冷藏应用。并且能够制造生活用中温热水或工业用高温热水以及蒸汽，通过一套设备能够实现多种功能，提高了设备的利用率，节省了设备占用空间，可应用于对于大型商场、超市的冷藏和空调制冷，也可用于屠宰场、食品加工厂等既需要冷藏也需要高温或中温热水/蒸汽的应用领域。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种跨临界双级过冷引射二氧化碳系统，其特征在于：包括高压级二氧化碳引射器（2）和中压级二氧化碳引射器（8）；
所述高压级二氧化碳引射器（2）的出口依次连通气体冷却器（3）、高温级膨胀阀（4）、中温级冷却蒸发器（5）、高压级二氧化碳引射器（2）的二次流入口；所述冷却器（3）的出口依次连通中温级冷却蒸发器（5）、低温级冷却蒸发器（7）、低压级二氧化碳引射器（9）的主流入口、气液分离器（11）、压缩机（1）和高压级二氧化碳引射器（2）的主流入口；
所述中压级二氧化碳引射器（8）的出口依次连通压缩机（1）、高压级二氧化碳引射器（2）的主流入口、气体冷却器（3）、中温级冷却蒸发器（5）、中温级膨胀阀（6）、低温级冷却蒸发器（7）和中压级二氧化碳引射器（8）的主流入口；所述低温级冷却蒸发器的出口依次连通低温级二氧化碳引射器（9）的主流入口、气液分离器（11）、低温级膨胀阀（12）、蒸发器（10）和中压级二氧化碳引射器（8）的二次流入口；所述蒸发器（10）与低压级二氧化碳引射器（9）的二次流入口连通。
2.根据权利要求1所述的跨临界双级过冷引射二氧化碳系统，其特征在于：所述蒸发器（10）、中温级冷却蒸发器（5）、低温级冷却蒸发器（7）分别采用翅片管换热器、套管式换热器或板式换热器、套管式换热器或板式换热器；所述气体冷却器（3）为套管式换热器或板式换热器。
3.如权利要求1至2任意一项所述的跨临界双级过冷引射二氧化碳系统在制冷制热、热泵领域的应用。
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