CN111156725A - 一种二氧化碳相变循环制冷系统及其制冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳相变循环制冷系统及其制冷方法，该制冷系统包括：一液态二氧化碳储罐，其用于储存液态CO2；一连接液态二氧化碳储罐的蒸发室，用于将液态CO2降压蒸发为气态CO2；一连接蒸发室的升压室，用于对高温气态CO2进行加压降温；一分别连接升压室和液态二氧化碳储罐的冷凝室，用于将高温高压气体CO2转换为液态CO2；以及一连接蒸发室液体的液/空换热器，用于接收低温乙二醇水溶液，并与循环空气进行换热。本发明的二氧化碳相变循环制冷系统，利用CO2的液‑气和气‑液相变的热效应来制冷，并且在二氧化碳和空气之间换热用乙二醇水溶液作为换热介质，具有换热效率高，投资少，二氧化碳循环效率高以及对环境友好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及相变制冷技术领域，尤其涉及一种二氧化碳相变循环制冷系统及其制冷方法。
背景技术
现有的常规制冷剂对环境的影响主要表现在对臭氧层破坏和产生温室效应。臭氧层破坏和温室效应表现在臭氧含量不断减少和温室气体浓度不断增加，将会对人类居住的环境产生巨大的影响，甚至产生灾难性的后果。相比于现有常规制冷剂的显热制冷，二氧化碳作为一种自然介质，其是蒸发潜热制冷，所以二氧化碳的用量少，换热效率高，管道投资少。目前二氧化碳作为载冷剂的制冷系统得到了广泛的使用，但二氧化碳超临界循环的缺点是节流损失大，比常规的制冷剂循环效率更低。因此，如何开发一种对环境友好的制冷剂和效率高的制冷方法是十分必要的。
发明内容
本发明所待解决的技术问题是：针对上述现有技术中的缺陷，提供一种对环境友好且制冷效率高的二氧化碳相变循环制冷系统及其制冷方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供一种二氧化碳相变循环制冷系统，包括：
一液态二氧化碳储罐，其用于储存液态CO2；
一连接所述液态二氧化碳储罐的蒸发室，用于将液态CO2降压蒸发为气态CO2，并对其内流经的循环乙二醇水溶液进行冷却降温；
一连接所述蒸发室气体出口的升压室，用于对所述蒸发室气体出口流出的高温气态CO2进行加压降温；
一分别连接所述升压室和所述液态二氧化碳储罐的冷凝室，用于将所述升压室流出的高温高压气体CO2进行降温转换为液态CO2，并存储于所述液态二氧化碳储罐内；以及
一连接所述蒸发室液体出口的液/空换热器，用于接收所述蒸发室液体出口流出的低温乙二醇水溶液，并与其内流经的循环空气进行换热。
进一步地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，还包括：
一用于为制冷系统提供动力补偿的高压气罐，所述高压气罐分别连接所述液态二氧化碳储罐、升压室和冷凝室。
进一步地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，所述高压气罐与所述液态二氧化碳储罐、升压室和冷凝室之间的连接管道上分别设置有止逆阀。
进一步地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，所述液态二氧化碳储罐与所述蒸发室之间的连接管道上设置有调节阀，以及所述蒸发室的气体出口与所述升压室之间的连接管道上设置有止逆阀。
进一步地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，所述蒸发室顶部设置有有压力传感器、风扇和温度传感器，中部设置有蛇形换热管，底部设置有截留管；其中，所述截留管与所述液/空换热器循环连接，且截留管上均布有若干射流孔。
进一步优选地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，所述蒸发室上部侧壁设置有制冷排液管，所述制冷排液管通过管道连接所述液/空换热器，用于将经所述蒸发室换热后的低温乙二醇水溶液送入所述液/空换热器内，并与其内流经的循环空气进行换热。
进一步地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，所述液/空换热器包括装有乙二醇水溶液的密闭箱体和设置于所述密闭箱体底部的通气管，所述通气管上均布有若干通气孔。
进一步优选地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，所述密闭箱体下部侧壁设置有与制冷排液管连通的换热进液管，上部侧壁设置有排气管和与截留管连通的换热排液管，且所述换热排液管的水平高度低于所述空气排气管的水平高度。
进一步地，在所述的二氧化碳相变循环制冷系统中，所述蒸发室中的高温CO2和/或高压气罐中的气体，以脉冲方式进入所述升压室内，以使所述升压室内的工作压力按一定规定脉动。
本发明的第二个方面是提供一种如上述所述制冷系统的二氧化碳相变循环制冷方法，包括如下步骤：
S1、将液态二氧化碳储罐中的液态CO2送入蒸发室内，在蒸发室中液态CO2进行蒸发转换为高温气态CO2，蒸发时并从环境空气中吸收热量；
S2、蒸发后的气态CO2与进入蒸发室的乙二醇水溶液进行对流换热，制冷后的乙二醇水溶液进入液/空换热器中与循环空气进行对流换热，以降低空气温度；S3、经蒸发室对流换热后的高温气态CO2从蒸发室内流出，进入升压室中进行加压，加压后的高温高压气态CO2进入到冷凝室再次被冷却转换为液态CO2；
S4、经蒸发室冷凝的液态CO2进入液态二氧化碳储罐中进行存储；
S5、重复上述步骤S1-S4，进行循环制冷。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)利用CO2的液-气和气-液相变的热效应来制冷，利用高压的液态二氧化碳的节流膨胀进行降温，并且在二氧化碳和空气之间换热用乙二醇水溶液作为换热介质，具有换热效率高，管道投资少，二氧化碳循环效率高以及对环境友好等特点；
(2)为了强化蒸发室内的二氧化碳的对流换热，在蒸发室的中间顶部装有一个风扇，主要作用使蒸发室内的二氧化碳气体流速加快、温度均匀，同时也促进了液态二氧化碳的蒸发，大大提高了制冷效率；
(3)采用二氧化碳为制冷剂，对环境无害，不破坏臭氧层，同时二氧化碳还具有化学稳定性好、不燃不爆、无毒无味以及蒸发潜热大、流动性和传热性能耗等优点，是一种理想的制冷剂；同时采用乙二醇水溶液作为制冷循环换热介质，可有效提高了二氧化碳的循环效率，节流损失较小；
(4)通过高压气罐给该制冷系统提高动力补偿，采用高压空气作为动力源，可以快速调节液态二氧化碳储罐、升压室和冷凝室内的压力。
附图说明
图1为本发明一种二氧化碳相变循环制冷系统的工艺流程示意图；
图2为本发明一种二氧化碳相变循环制冷系统中蒸发室的结构示意图；
图3为本发明一种二氧化碳相变循环制冷系统中液/空换热器的结构示意图；
图4为本发明一种二氧化碳相变循环制冷方法的工艺流程示意图；
其中，各附图标记为：
1-液态二氧化碳储罐，2-调节阀，3-蒸发室，4-升压室，5-冷凝室，6-高压气罐，7-压力传感器，8-风扇，9-温度传感器，10-蛇形换热管，11-截留管，12-射流孔，13-制冷排液管，14-液/空换热器，15-密闭箱体，16-乙二醇水溶液，17-通气管，18-通气孔，19-排气管，20-换热进液管，21-换热排液管。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
请参阅图1所示，本实施例提供一种二氧化碳相变循环制冷系统，包括：一液态二氧化碳储罐1，其用于储存液态CO2；一连接所述液态二氧化碳储罐1的蒸发室3，用于将液态CO2降压蒸发为气态CO2，并对其内流经的循环乙二醇水溶液进行冷却降温；一连接所述蒸发室3气体出口的升压室4，用于对所述蒸发室3气体出口流出的高温气态CO2进行加压降温；一分别连接所述升压室4和所述液态二氧化碳储罐1的冷凝室5，用于将所述升压室4流出的高温高压气体CO2进行降温转换为液态CO2，并存储于所述液态二氧化碳储罐1内；以及一连接所述蒸发室3液体出口的液/空换热器14，用于接收所述蒸发室3液体出口流出的低温乙二醇水溶液，并与其内流经的循环空气进行换热，以降低空气温度，达到制冷的效果。
请继续参阅图1所示，作为本实施例的一个优选技术方案，该二氧化碳相变循环制冷系统还包括：一用于为制冷系统提供动力补偿的高压气罐6，所述高压气罐6分别连接所述液态二氧化碳储罐1、升压室4和冷凝室5。通过高压气罐6给该制冷系统提高动力补偿，该高压气罐6内为高压空气，一高压空气作为动力源，可以快速调节液态二氧化碳储罐1、升压室4和冷凝室5内的压力。
作为本实施例的一个优选技术方案，所述高压气罐6与所述液态二氧化碳储罐1、升压室4和冷凝室5之间的连接管道上分别设置有止逆阀，图中未示出。升压室4的一端与蒸发室3连接，一端与高压气罐6连接，高压气罐6中的高压空气能够通过连接管进入升压室4，但升压室4中的气体不能反向流通进入高压气罐6；同样地，高压气罐6中的高压空气能够通过连接管进入冷凝室5，但冷凝室5中的高压空气不能反向流通进入高压气罐6中；以及高压气罐6中的高压空气能够通过连接管进入液态二氧化碳储罐1，但液态二氧化碳储罐1中的高压空气不能反向流通进入高压气罐6。
作为本实施例的一个优选技术方案，请参阅图1所示，所述液态二氧化碳储罐1与所述蒸发室3之间的连接管道上设置有调节阀2，以及所述蒸发室3的气体出口与所述升压室4之间的连接管道上设置有止逆阀，图中未示出，蒸发室3中的二氧化碳气体能够通过连接管进入升压室4，但升压室4中的气体不能反向流通进入蒸发室3中。
作为本实施例的一个优选技术方案，经过对流换热的二氧化碳蒸气从蒸发室3内流出，进入到升压室4中进行加压，得到的高温高压二氧化碳进入到冷凝室5再次冷却变成液态的二氧化碳。控制冷凝室5的温度和压力在一定的范围内，冷凝室5设有特殊设计的散热片，用于传走二氧化碳气体冷凝时放出的热量，冷凝成液态的二氧化碳再次进入到液态二氧化碳储罐1中进行存储，等待再次进入蒸发室中进行蒸发，如此周而复始完成循环。
作为本实施例的一个优选技术方案，所述蒸发室3中的高温CO2和/或高压气罐6中的气体，以脉冲方式进入所述升压室4内，以使所述升压室4内的工作压力按一定规定脉动。即蒸发室3中的二氧化碳气体以脉冲方式进入升压室3，同样，高压气罐6中的气体也以脉冲方式进入升压室4，升压室4的工作压力按程序设定规律的脉动。
作为本实施例的一个优选技术方案，升压室4内置换热器，换热器的作用是带走气体增压过程放出的热量，换热器的结构、换热介质和换热面积升压过程热效应的大小确定。此外，在冷凝室5页内置高效换热器，换热器的作用是带走气体冷凝过程释放的热量。换热器的结构、换热介质和换热面积升压过程热效应的大小确定。
实施例2
请参阅图2所示，本实施例提供一种用于二氧化碳相变循环制冷系统的蒸发室3，所述蒸发室3顶部设置有有压力传感器7、风扇8和温度传感器9。通过在所述蒸发室3顶部装设的压力传感器7，压力传感器7为压力计，用以实时显示蒸发室3内压力的大小，控制蒸发室3内的压力。所述蒸发室3内顶部设有一个搅拌风扇8，用以均匀、加速蒸发室3内气态二氧化碳的流动，提高二氧化碳与液/空换热器14的换热系数，同时也促进了液态二氧化碳的蒸发以及通过在所述蒸发室3顶部装设温度传感器9，温度传感器9为温度计，用以显示蒸发室3内温度的大小，实时监测蒸发室3内的温度。
作为本实施例的一个优选技术方案，请继续参阅图2所示，所述蒸发室3的中部设置有蛇形换热管10，底部设置有截留管11；其中，所述截留管11与所述液/空换热器14循环连接。在该蛇形换热管10内循环流通有较高温度的乙二醇水溶液，乙二醇水溶液的浓度为20-50％，乙二醇水溶液在经过蒸发室3时进行放热降温，所述蛇形换热管10为铝合金材质。且在蒸发室3的底部设置有截留管11，该截留管11由一根金属管制成，且在截留管11上均布有若干射流孔12，当液态二氧化碳进行通过该射流孔12时，可以将液态二氧化碳进行加速、减压降温变成低温的气态二氧化碳。
作为本实施例的一个优选技术方案，请继续参阅图2所示，所述蒸发室3上部侧壁设置有制冷排液管13，所述制冷排液管13通过管道连接所述液/空换热器14，用于将经所述蒸发室3换热后的低温乙二醇水溶液送入所述液/空换热器14内，并与其内流经的循环空气进行换热。
实施例3
请参阅图3所示，本实施例提供一种用于二氧化碳相变循环制冷系统的液/空换热器14，所述液/空换热器14包括装有乙二醇水溶液16的密闭箱体15和设置于所述密闭箱体15底部的通气管17，所述通气管17上均布有若干通气孔18。所述通气管17由一根金属管制成，所述通气管17上均布的若干通气孔18可有效增加乙醇水溶液与空气的接触面积，提高换热效率，热空气经过通气孔18进入到冷却的乙二醇水溶液中进行降温，得到低温的空气。
作为本实施例的一个优选技术方案，请继续参阅图3所示，所述密闭箱体15下部侧壁设置有与制冷排液管13连通的换热进液管20，上部侧壁设置有排气管19和与截留管11连通的换热排液管21，且所述换热排液管21的水平高度低于所述排气管19的水平高度。
请继续参阅图3所示，从蒸发室3内的蛇形换热管10流出的低温冷却水从液/空换热器14的左侧下部的入口流入，通气管13放在溶液底部，内部通入的是热的空气，热空气通过通气管17上的通气孔18进入到低温的乙二醇水溶液中直接进行热交换，得到的冷空气从液/空换热器14的左上侧的排气管19排出来给环境降温，而热的乙二醇水溶液从右侧的换热排液管21排出回到蒸发室3内进行冷却降温，再重新回到液/空换热器14内进行热交换，如此循环给空气降温。
实施例4
请参阅图4所示，基于上述实施例1所述的二氧化碳相变制冷系统，本实施例提供一种二氧化碳相变循环制冷方法，具体包括如下步骤：
S1、将液态二氧化碳储罐1中的液态CO2送入蒸发室3内，在蒸发室3中液态CO2进行蒸发转换为高温气态CO2，蒸发时并从环境空气中吸收热量；
S2、蒸发后的气态CO2与进入蒸发室3的乙二醇水溶液进行对流换热，制冷后的乙二醇水溶液进入液/空换热器14中与循环空气进行对流换热，以降低空气温度；
S3、经蒸发室3对流换热后的高温气态CO2从蒸发室3内流出，进入升压室4中进行加压，加压后的高温高压气态CO2进入到冷凝室3再次被冷却转换为液态CO2；
S4、经蒸发室3冷凝的液态CO2进入液态二氧化碳储罐1中进行存储；
S5、重复上述步骤S1-S4，进行循环制冷。
作为本实施例的一个优选技术方案，所述蒸发室3中的高温CO2和/或高压气罐6中的气体，以脉冲方式进入所述升压室4内，以使所述升压室4内的工作压力按一定规定脉动。即蒸发室3中的二氧化碳气体以脉冲方式进入升压室3，同样，高压气罐6中的气体也以脉冲方式进入升压室4，升压室4的工作压力按程序设定规律的脉动。
作为本实施例的一个优选技术方案，所述液态二氧化碳储罐1、升压室4和冷凝室5分别连接所述高压气罐6，通过高压气罐6给该制冷系统提高动力补偿，该高压气罐6内为高压空气，一高压空气作为动力源，可以快速调节液态二氧化碳储罐1、升压室4和冷凝室5内的压力。
本实施例提供的二氧化碳相变制冷方法，利用CO2的液-气和气-液相变的热效应来制冷，利用高压的液态二氧化碳的节流膨胀进行降温，并且在二氧化碳和空气之间换热用乙二醇水溶液作为循环换热介质；同时为了强化蒸发室3内的二氧化碳的对流换热，在蒸发室的中间顶部装有一个风扇8，主要作用使蒸发室3内的二氧化碳气体流速加快、温度均匀，同时也促进了液态二氧化碳的蒸发。
应用实施例1
请参阅图1-3所示，本应用实施例提供一种二氧化碳相变循环制冷系统，该循环主系统要由蒸发室3、升压室4、冷凝室5、高压气罐6、液态二氧化碳储罐1和调节阀2组成封闭回路。液态二氧化碳储罐1的温度控制在不高于-40℃，压力维持在1.0045MPa以上，蒸发室3的温度控制在-50℃，压力维持在0.68MPa以下，液态二氧化碳储罐1的压力控制在1.0045MPa以上，温度在-40℃。
液态二氧化碳储罐1中的液态二氧化碳进入蒸发室3，在蒸发室3中液态二氧化碳进行蒸发，蒸发时并从环境中吸收热量。蒸发的二氧化碳气体与进入蒸发室的乙二醇水溶液进行对流换热，使蛇形换热管10内的水降低-35℃，用于制冷。经过对流换热的二氧化碳蒸气从蒸发室3内流出，进入到升压室4中进行加压，得到的高温高压二氧化碳进入到冷凝室5再次冷却变成液态的二氧化碳。控制冷凝室5的温度-40℃，压力小于1.0045MPa。冷凝室5设有特殊的散热片和冲压机构，用于传走二氧化碳气体冷凝时放出的热量。冷凝成液态的二氧化碳再次进入到液态二氧化碳储罐1中进行存储，等待再次进入蒸发室中进行蒸发。如此周而复始完成循环。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，包括：
一液态二氧化碳储罐(1)，其用于储存液态CO2；
一连接所述液态二氧化碳储罐(1)的蒸发室(3)，用于将液态CO2降压蒸发为气态CO2，并对其内流经的循环乙二醇水溶液进行冷却降温；
一连接所述蒸发室(3)气体出口的升压室(4)，用于对所述蒸发室(3)气体出口流出的高温气态CO2进行加压降温；
一分别连接所述升压室(4)和所述液态二氧化碳储罐(1)的冷凝室(5)，用于将所述升压室(4)流出的高温高压气体CO2进行降温转换为液态CO2，并存储于所述液态二氧化碳储罐(1)内；以及
一连接所述蒸发室(3)液体出口的液/空换热器(14)，用于接收所述蒸发室(3)液体出口流出的低温乙二醇水溶液，并与其内流经的循环空气进行换热。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，还包括：
一用于为制冷系统提供动力补偿的高压气罐(6)，所述高压气罐(6)分别连接所述液态二氧化碳储罐(1)、升压室(4)和冷凝室(5)。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，所述高压气罐(6)与所述液态二氧化碳储罐(1)、升压室(4)和冷凝室(5)之间的连接管道上分别设置有止逆阀。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，所述液态二氧化碳储罐(1)与所述蒸发室(3)之间的连接管道上设置有调节阀(2)，以及所述蒸发室(3)的气体出口与所述升压室(4)之间的连接管道上设置有止逆阀。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，所述蒸发室(3)顶部设置有有压力传感器(7)、风扇(8)和温度传感器(9)，中部设置有蛇形换热管(10)，底部设置有截留管(11)；其中，所述截留管(11)与所述液/空换热器(14)循环连接，且截留管(11)上均布有若干射流孔(12)。
6.根据权利要求5所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，所述蒸发室(3)上部侧壁设置有制冷排液管(13)，所述制冷排液管(13)通过管道连接所述液/空换热器(14)。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，所述液/空换热器(14)包括装有乙二醇水溶液(16)的密闭箱体(15)和设置于所述密闭箱体(15)底部的通气管(17)，所述通气管(17)上均布有若干通气孔(18)。
8.根据权利要求7所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，所述密闭箱体(15)下部侧壁设置有与制冷排液管(13)连通的换热进液管(20)，上部侧壁设置有排气管(19)和与截留管(11)连通的换热排液管(21)，且所述换热排液管(21)的水平高度低于所述空气排气管(19的水平高度。
9.根据权利要求1所述的二氧化碳相变循环制冷系统，其特征在于，所述蒸发室(3)中的高温CO2和/或高压气罐(6)中的气体，以脉冲方式进入所述升压室(4)内，以使所述升压室(4)内的工作压力按一定规定脉动。
10.一种如权利要求1-9任一项所述系统的二氧化碳相变循环制冷方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将液态二氧化碳储罐(1)中的液态CO2送入蒸发室(3)内，在蒸发室(3)中液态CO2进行蒸发转换为高温气态CO2，蒸发时并从环境空气中吸收热量；
S2、蒸发后的气态CO2与进入蒸发室(3)的乙二醇水溶液进行对流换热，制冷后的乙二醇水溶液进入液/空换热器(14)中与循环空气进行对流换热，以降低空气温度；
S3、经蒸发室(3)对流换热后的高温气态CO2从蒸发室(3)内流出，进入升压室(4)中进行加压，加压后的高温高压气态CO2进入到冷凝室(3)再次被冷却转换为液态CO2；
S4、经蒸发室(3)冷凝的液态CO2进入液态二氧化碳储罐(1)中进行存储；
S5、重复上述步骤S1-S4，进行循环制冷。
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