CN112361636A - 用于冷藏箱的涡流管co2双级压缩制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冷藏箱制冷系统研发领域，具体涉及到用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统。其中制冷系统包括两个部分，一部分利用涡流管来替代传统的电子膨胀阀。另外一部分是增加了一套涡流管的制冷系统，主要是引出中间冷却器饱和的CO2进入涡流管，设计过冷器，将涡流管的冷端CO2引入过冷器中，完成二次过冷循环。在本发明制冷系统中利用两个涡流管可以降低CO2制冷系统的节流损失，提高系统的制冷效率，最高可增加10%左右。
Description
技术领域
本发明专利涉及冷藏箱制冷系统研发领域，具体涉及到用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统。
背景技术
随着全球人们对环保意识的不断增强，在制冷领域卤代烃成为破坏臭氧层的主要因素，而天然环保的制冷剂逐渐显现出其优势，目前CO2天然制冷剂在制冷系统中被广泛深入的研究。CO2制冷剂不易燃、无毒，ODP(Ozone Depletion Potential)为0，GWP(GlobalWarming Potential)为1，没有其它制冷剂能够同时满足这些特性。冷藏箱运输是一种价格低廉、运行高效的冷链运输方式，为了增大冷藏箱的容积利用空间，减小制冷系统的占地面积需要对传统的制冷系统进行改进，CO2制冷系统可以解决这个问题。CO2作为制冷剂与传统的制冷剂R22相比，在0℃时的容积制冷量是R22的5倍多，这就会使CO2制冷系统所需的管径要比常规制冷系统要小的多，因此制冷系统小型化可以通过CO2制冷系统来实现。但是CO2临界压力较高，临界温度较低，对 CO2压缩机及其管路的耐压能力要求较高，同时排气压力高，节流损失严重等问题限制了CO2制冷系统的应用。目前，对CO2制冷系统进行优化，减少节流损失，提高系统的COP（Coefficient of Performance）是制冷领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的至少在于提供一种能够降低节流损失、提高制冷系统COP，能够安装在冷藏箱内部的一种带有涡流管的制冷系统。
为实现上述目的，本发明一个实施方式提供了一种用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，包括单机双级压缩制冷系统，涡流管膨胀制冷系统，涡流管过冷系统，一次节流中间不完全冷却系统。
本发明具体的技术方案：制冷系统采用涡流管代替电子膨胀阀，减少系统节流损失，提高系统制冷效率，最高可以提高10%。
用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，包括单机双级压缩机低压段，单机双级压缩机高压段，油分离器，气体冷却器，电子膨胀阀，中间冷却器，过冷器，第一涡流管，蒸发器，气液分离器，差压调节阀，气冷器压力调节阀，流量计，电动阀，电磁阀，单向阀，中间冷却器压力调节阀，流量计，过冷器入口电磁阀，过冷器出口电磁阀，蒸发压力调节阀，蒸发器出口单向阀，吸气压力压力调节阀，单机双级压缩机（低压级）油位电磁阀，单机双级压缩机（高压级）油位电磁阀，涡流管进气口流量计，涡流管进气口压力调节阀，第二涡流管进气喷嘴，第二涡流管热端出口，过冷器出口单向阀，气液分离器入口电磁阀，换热器出口单向阀，第一涡流管进气喷嘴，第一涡流管冷端出口，涡流管热端出口，第二涡流管冷端出口，第一涡流管入口压力调节阀，第二涡流管，换热器。
第一，第二涡流管包括涡流管喷嘴入口，涡流室，涡流管冷端，冷端调节阀，涡流管喷嘴，涡流管喷嘴流道线，涡流管热端管，涡流管热端调节阀，固定长螺母，轴套，热端管消音器，涡流管冷端出口。
在一个实施例中，所述带涡流管的CO2双级压缩机制冷系统，一台单机双级压缩机单机双级压缩机的高压侧排气口与气冷器相连，侧边有安装油分离器。在气冷器排出的制冷剂分成了两路，一路制冷剂在中间冷却器进行冷却，另一路制冷剂经过电子膨胀阀进行节流降压，经过单向阀进入中间冷却器进行蒸发吸热，冷却主路制冷剂。在中间冷却器排出的制冷剂经过冷却器压力调节阀，进入过冷器进行二次过冷。过冷后的制冷剂经过过冷器电磁阀，第一涡流管入口压力调节阀进入第一涡流管进行节流降压，然后通过第一涡流管冷端出口进入蒸发器进行蒸发吸热，出口连接蒸发器压力调节阀，进入气液分离器，与压缩机低压段吸入，完成一个制冷循环。
在一个实施例中，所述的第一涡流管，由冷端管、热端管、涡流室、控制阀、进气喷嘴组成。
在一个实施例中，所述的第二涡流管，其功能在于冷却在中间冷却器排出的制冷剂，实现制冷系统的二次过冷。在中间冷却器排出的高温高压的制冷剂气体经过电磁阀，涡流管进口压力调节阀进入第二涡流管，冷端出口与中间冷却进行连接，涡流管热端出口与换热器进行连接，冷却后的制冷剂进入气液分离器，到达压缩机的低压段，完成二次过冷循环。
在一个实施例中，所述涡流管喷嘴的流道数为3时，涡流管具有最佳制冷效应，最大制冷效应为21.86 K。
在一个实施例中，所述涡流管尺寸设计207mm，涡流室的直径40mm，热端管的长度90mm，同时在热端口设置热端消音器和热端调节阀，冷端出口设置冷端调节阀。
在一个实施例中，所述所述涡流管的制作材料为紫铜。
优选地，使用CO2作为制冷剂；选用Dorin公司设计研发的CD2S360型单机双级CO2压缩机。
优选地，选用带有变频器的CO2压缩机。
优选地，气冷器为风冷式气冷器，采用微通道风冷换热器。
可选地，系统蒸发器采用CO2微通道蒸发器。
本发明提供的上述技术方案，能够有效减少系统的不可逆损失，提高CO2制冷系统的COP，最高可增加10%左右。
附图说明
图1为本系统的制冷循环原理示意图（两个涡流管）；
图1，1-单机双级压缩机（低压侧），2-单机双级压缩机（高压侧），3-油分离器，4-气体冷却器，5-电子膨胀阀，6-中间冷却器，7-过冷器，8-第一涡流管，9-蒸发器，10-气液分离器，11-差压调节阀，12-气冷器压力调节阀，13-流量计，14-电动阀，15-电磁阀，16-单向阀，17-中间冷却器压力调节阀，18-流量计，19-过冷器入口电磁阀，20-过冷器出口电磁阀，21-蒸发压力调节阀，22-蒸发器出口单向阀，23-吸气压力压力调节阀，24-单机双级压缩机（低压级侧）油位电磁阀，25-单机双级压缩机（高压级侧）油位电磁阀，26-涡流管进气口流量计，27-涡流管进气口压力调节阀，28-第二涡流管进气喷嘴，29-第二涡流管热端出口，30-过冷器出口单向阀，31-气液分离器入口电磁阀，32-换热器出口单向阀，33-第一涡流管进气喷嘴，34-第一涡流管冷端出口，35-第一涡流管热端出口，36-第二涡流管冷端出口，37-第一涡流管入口压力调节阀，38-第二涡流管，52-换热器
图2为涡流管的结构示意图，40-涡流管喷嘴入口，41-涡流室，42-涡流管冷端，43-冷端调节阀，44-涡流管喷嘴，45-涡流管喷嘴流道线，46-涡流管热端管，47-涡流管热端调节阀，48-固定长螺母，49-轴套，50-热端管消音器，51-涡流管冷端出口。
图3，带有一个涡流管的CO2制冷系统，39-电子膨胀阀
图4，常规制冷系统。
具体实施例
下面结合附图和具体实施方式来对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不以此限制本发明。
实施例1
用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩机制冷系统，包括一台单机双级压缩机1、2，单机双级压缩机的高压侧排气口2与气冷器4相连，单机双级压缩机的高压侧排气口2侧边安装油分离器3。在气冷器4排出的制冷剂分成了两路，一路制冷剂在中间冷却器6进行冷却，另一路制冷剂经过电子膨胀阀5进行节流降压，经过单向阀16进入中间冷却器进行蒸发吸热，冷却主路制冷剂。在中间冷却器6排出的制冷剂经过冷却器压力调节阀17，进入过冷器7进行二次过冷。过冷后的制冷剂经过过冷器电磁阀20，第一涡流管入口压力调节阀37进入第一涡流管进行节流降压，然后通过第一涡流管冷端出口34进入蒸发器9进行蒸发吸热，出口连接蒸发器压力调节阀21，进入气液分离器10，与压缩机低压端1吸入，完成一个制冷循环。第二涡流管，其功能在于冷却在中间冷却器6排出的制冷剂，实现制冷系统的二次过冷。在中间冷却器6排出的高温高压的制冷剂气体经过电磁阀15，涡流管进口压力调节阀27进入第二涡流管，冷端出口36与中间冷却7进行连接，涡流管热端出口29与换热器5进行连接，冷却后的制冷剂进入气液分离器10，到达压缩机的低压段1，完成二次过冷循环。
冷藏箱空间狭小，为了增大其容积利用率，选择了环保的CO2制冷系统，同时为了简化系统又能达到低温的要求，主系统采用了一次节流中间不完全冷却的两级压缩制冷循环。为了节省空间本系统选用Dorin公司设计研发的CD2S360型单机双级CO2压缩机。压缩机是整个系统的动力来源，CO2压缩机不同于其他压缩机，CO2压缩机的工作压力较高，高压侧压力可以达到9Mpa以上，因此对CO2压缩机的控制至关重要。
本系统要根据冷藏箱内部冻品的数量，以及箱内所需制冷负荷量对压缩机的容量进行控制，以满足冷藏箱内部所需的蒸发温度。如果冷藏箱内部所需负荷增大，要控制压缩机容量大于实际的需求量，蒸发压力和温度就要相应的降低，反之亦然。为了能够高效的控制压缩机的容量，本系统采用变频器对CO2压缩机的转速进行变速控制，当系统所需负荷较大时可以通过变频器控制CO2压缩机的转速增大，当制冷负荷较小时，变频器控制CO2压缩机的转速减慢，变频器可以连续的改变CO2压缩机的旋转速度，以满足实际的需要。
反馈调节是通过蒸发器9中的温度传感器来感知温度的变化，产生反馈电流与CO2压缩机的变频器相连，可以设置温度范围，实现自动控制，也可手动调节变频器的频率。在CO2压缩机的低压级和高压级的排气口分别安装有低压安全阀和高压安全阀，当CO2压缩机过载或是超负荷运转时，压力升高达到最大额定压力值就会打开相应的安全压力阀进行泄压。特别说明的是在泄压阀的下游要禁止安装任何的管道，因为当泄压阀打开的时候，系统压力会迅速从高压压力下降到大气压力，产生的巨大压降，极易使CO2形成干冰，如果下游安装有管道，干冰会堵塞管道，并阻止压力释放，从而发生危险。
在CO2制冷系统中，本发明采用的是跨临界制冷循环。在压缩机高压级排气口压力高于CO2的临界压力，属于超临界的一个状态，换热过程主要是通过显热来实现的，这是与其他制冷剂在冷凝器中相变冷凝完全不同，此时在气体冷却器内部的CO2属于一种超临界流体，不会发生相变，因此在CO2制冷系统中的高压换热器被称作为气体冷却器4。本发明冷藏箱设计既能实现陆运也可实现海运，因此气体冷却器4设置为风冷式气冷器。为了能够适应气冷器内部高压状态，本发明气冷器采用的是微通道风冷换热器，微通道换热器管径小，可以耐高压，并且可以减小换热管的质量，增大其换热面积，但是微通道换热器的流动阻力较大，但是与其他制冷剂相比，CO2制冷剂的黏度较小，流动性好，沸腾换热系数较高，在小型CO2制冷装置中具有不可比拟的优势。
气冷器微通道风冷换热器部分部分主要有气冷器风扇，气冷器风扇电机，微通道冷凝换热盘管，盘管盖板，差压电磁阀，压力控制阀，温度传感器，压力传感器。气冷器风扇将冷凝盘管的热量从底部吸入并通过冷凝器风扇网罩水平地排出。同时，在气冷器4入口设置一个压力调节阀，目的是控制进入气冷器的压力，当气冷器出口温度一定时，气冷器内部压力有一个最优值使系统COP达到一个最优值。在气冷器的出口也要设置一个压力调节阀12，当CO2超临界流体在进入涡流管之前要对其压力进行修正，使涡流管的制冷效率达到一个最优的状态。
本系统蒸发器9设计采用CO2微通道蒸发器，它的优点是传热表面积较大，承压能力也比较强，由于管径设计较小，普通制冷剂会发生流动堵塞，但是由于CO2制冷剂黏度小、单位制冷量大，可以大大减小蒸发器盘管尺寸。通过变频器控制蒸发器冷风机的电机开启以及实时转速，利用蒸发器前端的压力控制阀，以及涡流管冷端的调节阀来控制蒸发器内部的压力。本系统管路中安装多出温度传感器和压力传感器，在有压力调节阀的系统元件处，无需另外安装压力传感器，为了降低系统成本，设计压力传感器可共用一个传感系统，分出多个压力传感探头，分布测量多个位点。
本套制冷系统专为小型冷装箱设计，采用环保制冷剂CO2, CO2制冷剂不易燃、无毒，ODP(Ozone Depletion Potential)为0，GWP(Global Warming Potential)为1，没有其它制冷剂能够同时满足这些特性。选用CO2为制冷剂还有一个最重要的原因就是，CO2制冷系统虽然压力较高，但是它可以减小制冷系统的尺寸，为小型冷藏箱提供更大的储物空间。
本套制冷系统第一次采用涡流管作为节流装置为高压制冷剂节流降压，涡流管是一种基于Ranque-Hilsch效应的膨胀装置，它由冷热端管、涡流室、控制阀、进气喷嘴组成，无任何运动部件，结构简单。以CO2为工质的涡流管性能最好，与空气和氮气相比以CO2为工质的涡流管能得到一个最佳的冷质量分数比。
系统采用单机双级压缩机，与双机双级压缩机相比可以节省部分空间，采用最简单的一次节流中间不完全冷却的制冷循环方式，便于系统检修和维护，同时利用涡流管进行对进入蒸发器之前的制冷剂进行二次过冷，进一步提高制冷系统的制冷效率。
实施例2
本系统的制冷效率优于常规CO2制冷系统，下面进行分析。CO2由于其临界温度低31.1℃，所以采用了跨临界CO2制冷的循环方式，与常规的制冷系统相比，CO2跨临界制冷系统高低压力较大9Mpa，因此减少节流损失是提高系统制冷效率的一个途径。电子膨胀阀9是制冷系统中经常使用的一种节流装置，因为常规制冷系统中压力较低，节流损失是在可允许的范围内，但是在CO2制冷系统中如果使用电子膨胀阀9节流损失会比较大，因此本发明选择了用涡流管8来替代电子膨胀阀。在本发明制冷系统中，利用两个涡流管可以降低CO2制冷系统的节流损失，提高系统的制冷效率，最高可增加10%左右。
涡流管8，38结构简单，与电子膨胀阀39相比，该装置无任何的运动部件，主要由冷热端管、涡流室、控制阀、进气喷嘴组成。影响涡流管制冷效率的因素有很多，当进气喷嘴33的流道数为三时，涡流管的最佳制冷效应（入口温度-冷端出口温度）可以达到最大值21.86K。涡流管整体长度207mm，涡流室41的直径40mm，热端管46的长度90mm，同时在热端口设置热端消音器50和热端调节阀47，冷端出口设置冷端调节阀43。因为系统在运行过程中压力较高，设计涡流管的制作材料为紫铜，与不锈钢材料相比，紫铜的抗压强度较高，同时紫铜材料便于焊接和塑型。
本发明所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，与常规CO2制冷系统（图3）的制冷系统进行对比，进行了理论分析计算，当气冷器7的出口温度升高的时候，涡流管制冷系统和电子膨胀阀的制冷系统的制冷效率都是降低的，但是涡流管制冷系统的制冷效率是高于电子膨胀阀的。当气冷器7的出口温度为40℃时，制冷效率增加大10%，这是因为当气冷器出口温度越高，涡流管喷嘴出口的工质干度越高，气体含量越高越有利于发挥涡流管冷热分离的作用，越有利于提高系统的制冷效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的功能，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：
制冷系统采用涡流管代替电子膨胀阀，减少系统节流损失，提高系统制冷效率；
所述制冷系统，包括单机双级CO2压缩机低压段（1），单机双级CO2压缩机高压段（2），油分离器（3），气体冷却器（4），电子膨胀阀（5），中间冷却器（6），过冷器（7），第一涡流管（8），蒸发器（9），气液分离器（10），差压调节阀（11），气冷器压力调节阀（12），流量计（13），电动阀（14），电磁阀（15），单向阀（16），中间冷却器压力调节阀（17），流量计（18），过冷器入口电磁阀（19），过冷器出口电磁阀（20），蒸发压力调节阀（21），蒸发器出口单向阀（22），吸气压力调节阀（23），单机双级压缩机（低压级侧）油位电磁阀（24），单机双级压缩机（高压级侧）油位电磁阀（25），涡流管进气口流量计（26），涡流管进气口压力调节阀（27），第二涡流管进气喷嘴（28），第二涡流管热端出口（29），过冷器出口单向阀（30），气液分离器入口电磁阀（31），换热器出口单向阀（32），第一涡流管进气喷嘴（33），第一涡流管冷端出口（34），第一涡流管热端出口（35），第二涡流管冷端出口（36），第一涡流管入口压力调节阀（37），第二涡流管（38），换热器（52）。
2.根据权利要求1所述用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：所述的第一涡流管（8），第二涡流管（38）包括涡流管喷嘴入口（40），涡流室（41），涡流管冷端（42），冷端调节阀（43），涡流管喷嘴（44），涡流管喷嘴流道线（45），涡流管热端管（46），涡流管热端调节阀（47），固定长螺母（48），轴套（49），热端管消音器（50），涡流管冷端出口（51）。
3.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：
所述用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩机制冷系统，包括单机双级CO2压缩机低压段（1），单机双级CO2压缩机高压段（2），单机双级压缩机的高压段排气口（2）与气冷器（4）相连，并在单机双级压缩机的高压段排气口（2）侧边安装油分离器（3）；在气冷器（4）排出的制冷剂分成了两路，一路制冷剂在中间冷却器（6）进行冷却，另一路制冷剂经过电子膨胀阀（5）进行节流降压，经过单向阀（16）进入中间冷却器进行蒸发吸热，冷却主路制冷剂；在中间冷却器（6）排出的制冷剂经过冷却器压力调节阀（17），进入过冷器（7）进行二次过冷；过冷后的制冷剂经过过冷器电磁阀（20），第一涡流管入口压力调节阀（37）进入第一涡流管进行节流降压，然后通过第一涡流管冷端出口（34）进入蒸发器（9）进行蒸发吸热，出口连接蒸发器压力调节阀（21），进入气液分离器（10），与压缩机低压端（1）吸入，完成一个制冷循环。
4.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：
所述的第二涡流管（38），其功能在于冷却在中间冷却器（6）排出的制冷剂，实现制冷系统的二次过冷；在中间冷却器（6）排出的高温高压的制冷剂气体经过电磁阀（15），涡流管进口压力调节阀（27）进入第二涡流管，冷端出口（36）与中间冷却（7）进行连接，涡流管热端出口（29）与换热器5进行连接，冷却后的制冷剂进入气液分离器（10），到达压缩机的低压段（1），完成二次过冷循环。
5.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：
所述第一涡流管（8），第二涡流管（38）喷嘴的流道数为3时，涡流管具有最佳制冷效应（入口温度与冷端出口温度之间的差异），最大制冷效应为21.86 K。
6.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：
所述第一涡流管（8），第二涡流管（38）尺寸207mm，涡流室的直径40mm，热端管的长度90mm，同时在热端口设置热端消音器和热端调节阀，冷端出口设置冷端调节阀。
7.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：
所述第一涡流管（8），第二涡流管（38）的制作材料为紫铜。
8.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：
所述单机双级CO2压缩机低压段（1），单机双级CO2压缩机高压段（2），采用变频器对CO2压缩机的转速进行变速控制。
9.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：气冷器为风冷式气冷器，采用的是微通道风冷换热器。
10.根据权利要求1所述的用于冷藏箱的涡流管CO2双级压缩制冷系统，其特征在于：气冷器入口设置压力调节阀（11），出口设置气冷器压力调节阀（12）。
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