CN112728799A - 基于co2混合制冷剂的闪蒸系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于CO2的混合制冷剂的闪蒸系统，包括：依次闭环连接的闪蒸器、蒸发器、回热器、压缩机和气冷器，以及五个控制阀件，其中：闪蒸器的液相输出端与蒸发器的输入端连接，蒸发器的输出端通过第一截止阀与回热器的低压输入端连接，回热器的低压输出端与压缩机的输入端依次与压缩机和气冷器连接，气冷器的输出端经回热器的高压输入端、回热器的高压输出端和第一针阀与闪蒸器的两相输入端连接，闪蒸器的气相输出端经第二针阀、第三截止阀和第二截止阀与压缩机相连。本发明采用基于CO2的混合制冷剂作为循环制冷工质，降低了温室效应和对臭氧层的破坏；采用闪蒸器，使进入蒸发器制冷剂的干度下降，使蒸发器的能力得到充分利用，从而提高了制冷效率，针阀对蒸汽旁通支路流量进行精准调节，进而调节制冷量。

Description

基于CO2混合制冷剂的闪蒸系统
技术领域
本发明涉及的是一种制冷及汽车空调领域的技术，具体是一种基于CO2混合制冷剂的闪蒸系统。
背景技术
自基加利HFC修正案提出之后，联合国的197个国家逐步减少对HFC的使用。中国及大部分发达国家也将在2024年开始禁止HFC的生产。汽车空调使用的传统制冷剂R134a的全球变暖潜能值(GWP)高达1430，对环境非常不友好。早在2017年初，欧盟要求客车和轻型商用车放弃对传统制冷剂R134a的使用。美国环境保护署也规定将在2021年放弃使用R143a。虽然目前R134a的替代品中R1234yf制冷性能拥有较低的GWP值和ODP值，但是这种制冷剂价格昂贵且产量有限。所以我们需要寻找一种新型的制冷剂来适应当代社会环境，其中CO2因为其成分天然、成本低、非可燃性，以及环境相对友好等特点成为关注的重点。然而，CO2用于汽车空调最大的问题是高温下性能衰减剧烈，目前常规CO2制冷循环中蒸发器进口流体是直接来自节流后的两相制冷剂，蒸发器入口存在一定的气相制冷剂，干度较大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于低GWP的CO2的混合制冷剂的闪蒸系统，降低了温室效应和对臭氧层的破坏，并能够降低CO2系统运行高压，提升循环能效。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于低GWP的CO2混合制冷剂的闪蒸系统，包括：依次闭环连接的闪蒸器、蒸发器、回热器、压缩机和气冷器，以及五个控制阀件，其中：闪蒸器的液相输出端与蒸发器的输入端连接，蒸发器的输出端通过第一截止阀与回热器的低压输入端连接，回热器的低压输出端与压缩机的输入端依次与压缩机和气冷器连接，气冷器的输出端经回热器的高压输入端、回热器的高压输出端和第一针阀与闪蒸器的两相输入端连接，闪蒸器的气相输出端经第二针阀、第三截止阀和第二截止阀与压缩机相连。
所述的气冷器和蒸发器均设有风扇。
所述低GWP的CO2的混合制冷剂中的第二制冷剂成分包括但不局限于R290、R41、R170、 R32、R161、R152a、R1234yf；其中R32的含量不超过22％，以保证混合物GWP低于150。
本发明涉及一种基于上述闪蒸系统的控制方法，包括：
①闪蒸器连入系统切换形式：通过打开第三截止阀并调节第二针阀实现，气相制冷剂通过气相输出端输出，液相制冷剂通过液相输出端输出；
②具有闪蒸器的旁路被切断切换形式：通过关闭第三截止阀实现；
③回热器连入系统切换形式：通过打开第一截止阀并关闭第二截止阀实现，制冷剂经回热器换热；
④具有回热器的旁路被切断切换形式：通过打开第二截止阀并关闭第一截止阀实现。
技术效果
本发明通过使用基于CO2的环保制冷剂降低了温室效应和对臭氧层的破坏，添加的第二制冷剂能够显著降低CO2系统运行高压，并且提升系统循环能效；使用闪蒸器配合回热器进一步提升系统能效；
与现有技术相比，本发明将CO2汽车空调系统运行高压降低4MPa以上，采用混合制冷剂的闪蒸器与回热器系统相较于原有CO2回热系统的能效提升27％以上。
附图说明
图1为本实施例的示意图；
图中：闪蒸系统1、风扇2、气冷器3、回热器4、第一截止阀5、第二截止阀6、压缩机8、第三截止阀10、第二针阀11、第一针阀12、闪蒸器13、蒸发器14、高压输入端16、高压输出端17、低压输入端18、低压输出端19、两相输入端20、气相输出端21、液相输出端22；
图2为本实施例的压焓图；
图中：A为回热器高压端出口、B为气冷器出口、C为无回热器无闪蒸器的气冷器入口、 D为仅有闪蒸器的气冷器入口、E为有回热器和闪蒸器的气冷器入口、F为吸气点、G为无回热器系统的吸气点、H为混合点、I为无回热器系统的蒸发器出口、J饱和液、K为有回热器系统的闪蒸器出口、L为无回热器系统的闪蒸器出口、M为闪蒸器出口气体、N为饱和气；
图3为图2的局部放大图；
图4为CO2混合制冷剂系统COP与CO2系统COP比值示意图；
图5为CO2混合制冷剂系统运行高压与CO2系统的对比示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种基于CO2的混合制冷剂的闪蒸系统1，包括：依次闭环连接的闪蒸器13、蒸发器14、回热器4、压缩机8和气冷器3，其中：闪蒸器13的液相输出端22与蒸发器14的输入端连接，蒸发器14的输出端通过第一截止阀5与回热器4的低压输入端18连接，回热器4的低压输出端19与压缩机8的输入端连接，压缩机8的输出端与气冷器3的输入端连接，气冷器3的输出端依次经回热器4的高压输入端16、回热器4的高压输出端17和第一针阀12与闪蒸器13的两相输入端20相连，闪蒸器13的气相输出端21经第二针阀11、第三截止阀10和第二截止阀6与压缩机8的输入端相连，闪蒸器13的气相输出端21经第二针阀11、第三截止阀10和第一截止阀5与回热器4的低压输入端18相连。
所述的气冷器3和蒸发器14均设有风扇2。
所述的混合制冷剂采用低GWP的CO2组合物；所述的组合物包括：CO2与可燃性冷媒、HFC、HFO和/或碳氢制冷剂。
本实施例涉及一种基于闪蒸系统1的控制方法，具体是：打开第三截止阀10，气相制冷剂通过气相输出端21输出，液相制冷剂通过液相输出端22输出，调节第二针阀11能够对闪蒸之路的气体流量和压力进行调节，进而控制进去蒸发器之路的液体流量，从而对制冷量实现主动控制。反之，关闭第三截止阀10，则闪蒸旁路被截断；打开第二截止阀6并关闭第一截止阀5，制冷剂不经回热器4进行换热，反之，关闭第二截止阀6并打开第一截止阀5，则制冷剂经回热器4进行换热。
上述方法具体产生四种不同的制冷循环模式：
单闪蒸模式：关闭第一截止阀5，打开第二截止阀6和第三截止阀10，使回热器4不接入系统，仅闪蒸器13接入系统。具体循环过程是：经过第一针阀12，低温低压的两相流体由闪蒸器13的两相输入端20进入闪蒸器13，两相流体在闪蒸器13中被分离，其中液相制冷剂经过液相输出端22流出并进入蒸发器14，气相制冷剂经过第二针阀11和第三截止阀10流出并与蒸发器14输出端的制冷剂混合，第二针阀11主要控制气相制冷剂的压力，使混合前的流体压力一致。混合后的制冷剂经过第二截止阀6进入压缩机8，经过压缩机8后制冷剂的温度和压力均提高，再通过气冷器3，制冷剂从气冷器3流出后经回热器4到第一针阀12，此时回热器4不起作用，由此实现一个带闪蒸器13的制冷循环。
单回热模式：关闭第二截止阀6和第三截止阀10，打开第一截止阀5，使闪蒸器13不接入系统，仅回热器4接入系统。具体循环过程是：经过第一针阀12，低温低压的两相流体经由闪蒸器13进入蒸发器14，闪蒸器13不起作用，制冷剂在蒸发器14中蒸发。而后，制冷剂经过第一截止阀5，通过回热器4的低压输入端18进入回热器4并与来自气冷器3输出端的高温制冷剂换热，由回热器4的低压输出端19流出，再到压缩机8，经过压缩机8后制冷剂的温度和压力均提高，然后通过气冷器3降温，制冷剂从气冷器3流经回热器4的高压输入端 16与蒸发器14输出端的低温制冷剂换热，再从回热器高压输出端17流出回热器4到第一针阀12，由此实现一个带回热器4的制冷循环。
回热器4和闪蒸器13同时工作模式：关闭第二截止阀6，打开第一截止阀5和第三截止阀10，此时闪蒸器13、回热器4都接入制冷循环。具体循环过程是：经过第一针阀12后的两相流体由闪蒸器13的两相输入端20进入闪蒸器13，两相流体在闪蒸器13中被分离，其中液相制冷剂经过液相输出端22流出，进入蒸发器14蒸发，气相制冷剂则经过第二针阀11和第三截止阀10流出，并与来自蒸发器14的制冷剂混合，第二针阀11主要控制气相制冷剂的压力，使混合前的压力一致。混合后的制冷剂经过第一截止阀5，通过回热器4的低压输入端18进入回热器4，与来自气冷器3出口的高温制冷剂换热，由回热器4低压输出端19流出，再到压缩机8，经过压缩机8后制冷剂的温度和压力都提高，然后通过气冷器3降温，制冷剂从气冷器3流出后经过回热器4高压输入端16，与来自蒸发器14出口的低温制冷剂换热，从回热器高压输出端17流出回热器4到第一针阀12，由此实现一个同时带回热器和闪蒸器的制冷循环。
无回热器和闪蒸器的工作模式：关闭第一截止阀5和第三截止阀10，打开第二截止阀6，此时系统中无回热器4和闪蒸器13。
如图2和图3所示，B-L-N-H-G-D-B、B-L-J-I-G-D-B表示带闪蒸器13的制冷循环，制冷剂在L点分流，在G点汇合，其中B-L表示制冷剂在第一针阀12中降温降压，L-N-H表示气相制冷剂在第三截止阀10和第二针阀11，L-J-I表示液相制冷剂在蒸发器14中蒸发，H-G和 I-G表示气相制冷剂和液相制冷剂在G点汇合，G-D表示制冷剂经过压缩机8中压缩，压力和温度升高，D-B表示制冷剂在气冷器3中散热。由此得出：对于带闪蒸器13的制冷循环，单位制冷量Qe＝hG-hL＝hG-hB，耗功We＝hD-hG，制冷效率cop＝Qe/We。
A-K-N-H-G-F-E-B-A、A-K-J-I-G-F-E-B-A表示带回热器4和闪蒸器13的制冷循环，制冷剂在L点分流，在G点汇合，其中A-K表示制冷剂经过第一针阀12，压力温度下降，K-N-H表示气相制冷剂流过第三截止阀10和第二针阀11，K-J-I表示液相制冷剂在蒸发器14中蒸发， H-G和I-G表示气相制冷剂和液相制冷剂在G点汇合，G-F表示制冷剂经过回热器4温度升高，焓值变大，F-E表示制冷剂经过压缩机8温度压力升高，E-B表示制冷剂在气冷器3中散热， B-A表示制冷剂在回热器4中换热，温度下降。由此得出：对于带回热器4和闪蒸器13的制冷循环，单位制冷量Qe＝hF-hK＝hF-hA，耗功We＝hE-hF，制冷效率COP＝Qe/We。
B-L-M-C-B表示无回热器4和闪蒸器13的制冷循环，其中B-L表示制冷剂在第一节流阀12中降温降压，L-M表示制冷剂在蒸发器14中蒸发，M-C表示制冷剂在经过压缩机8压力温度都升高，C-B表示制冷剂经过气冷器3散热。由此得出：对于无回热器4和闪蒸器13的制冷循环，单位制冷量Qe＝hM-hL＝hM-hB，耗功We＝hC-hM，制冷效率COP＝Qe/We。
与现有技术相比，本发明通过闪蒸器13使节流后的两相制冷剂实现气液分离，使得进入蒸发器14的制冷剂干度减小，让更多的液相制冷剂进入蒸发器14实现与室内环境的热量交换。两相制冷剂从闪蒸器13的两相输入端20进入闪蒸器13，再从闪蒸器13的液相输出端22流出，气相则从闪蒸器气相输出端21流出，而后干度较小的液相制冷剂进入蒸发器14，蒸发器14能因此得到充分利用。
经过具体实际实验，在35℃外部环境，27℃室内温度的具体环境设置下，以不同气冷器迎面风速运行上述装置，如图4所示，所用混合制冷剂为CO2/R290，本发明COP在CO2含量为60％时达到最大，当气冷器迎面风速为4.5m/s时，本发明COP相比于原CO2回热系统最高提升27.4％；如图5所示，本发明运行高压相比于原CO2系统的运行高压在不同风速条件下平均能够降低4MPa。
相比于已有的CO2回热汽车空调系统，本发明运行高压可降低4MPa，运行效率COP可提升27％以上。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种基于CO2的混合制冷剂的闪蒸系统，其特征在于，包括：依次闭环连接的闪蒸器、蒸发器、回热器、压缩机和气冷器，以及五个控制阀件，其中：闪蒸器的液相输出端与蒸发器的输入端连接，蒸发器的输出端通过第一截止阀与回热器的低压输入端连接，回热器的低压输出端与压缩机的输入端依次与压缩机和气冷器连接，气冷器的输出端经回热器的高压输入端、回热器的高压输出端和第一针阀与闪蒸器的两相输入端连接，闪蒸器的气相输出端经第二针阀、第三截止阀和第二截止阀与压缩机相连；
所述的闪蒸系统通过打开第三截止阀并调节第二针阀实现闪蒸器连入系统，气相制冷剂通过气相输出端输出，液相制冷剂通过液相输出端输出；通过关闭第三截止阀实现闪蒸器的旁路被切断；通过打开第一截止阀并关闭第二截止阀实现回热器连入系统，制冷剂经回热器换热；通过打开第二截止阀并关闭第一截止阀实现回热器的旁路被切断。
2.根据权利要求1所述的基于CO2的混合制冷剂的闪蒸系统，其特征是，所述的气冷器和蒸发器均设有风扇。
3.根据权利要求1或2所述的基于CO2的混合制冷剂的闪蒸系统，其特征是，所述的混合制冷剂采用CO2的组合物，具体包括：CO2，以及可燃性冷媒、HFC、HFO和/或碳氢制冷剂。
4.一种根据上述任一权利要求所述基于CO2的混合制冷剂的闪蒸系统的换热方法，包括四种制冷循环模式，具体为：
单闪蒸模式：关闭第一截止阀，打开第二截止阀和第三截止阀，使回热器不接入系统，仅闪蒸器接入系统，具体循环过程是：经过第一针阀，低温低压的两相流体由闪蒸器的两相输入端进入闪蒸器，两相流体在闪蒸器中被分离，其中液相制冷剂经过液相输出端流出并进入蒸发器，气相制冷剂经过第二针阀和第三截止阀流出并与蒸发器输出端的制冷剂混合，第二针阀主要控制气相制冷剂的压力，使混合前的流体压力一致，混合后的制冷剂经过第二截止阀进入压缩机，经过压缩机后制冷剂的温度和压力均提高，再通过气冷器，制冷剂从气冷器流出后经回热器到第一针阀，此时回热器不起作用，由此实现一个带闪蒸器的制冷循环；
单回热模式：关闭第二截止阀和第三截止阀，打开第一截止阀，使闪蒸器不接入系统，仅回热器接入系统，具体循环过程是：经过第一针阀，低温低压的两相流体经由闪蒸器进入蒸发器，闪蒸器不起作用，制冷剂在蒸发器中蒸发，而后，制冷剂经过第一截止阀，通过回热器的低压输入端进入回热器并与来自气冷器输出端的高温制冷剂换热，由回热器的低压输出端流出，再到压缩机，经过压缩机后制冷剂的温度和压力均提高，然后通过气冷器降温，制冷剂从气冷器流经回热器的高压输入端与蒸发器输出端的低温制冷剂换热，再从回热器高压输出端流出回热器到第一针阀，由此实现一个带回热器的制冷循环；
回热器和闪蒸器同时工作模式：关闭第二截止阀，打开第一截止阀和第三截止阀，此时闪蒸器、回热器都接入制冷循环，具体循环过程是：经过第一针阀后的两相流体由闪蒸器的两相输入端进入闪蒸器，两相流体在闪蒸器中被分离，其中液相制冷剂经过液相输出端流出，进入蒸发器蒸发，气相制冷剂则经过第二针阀和第三截止阀流出，并与来自蒸发器的制冷剂混合，第二针阀主要控制气相制冷剂的压力，使混合前的压力一致，混合后的制冷剂经过第一截止阀，通过回热器的低压输入端进入回热器，与来自气冷器出口的高温制冷剂换热，由回热器低压输出端流出，再到压缩机，经过压缩机后制冷剂的温度和压力都提高，然后通过气冷器降温，制冷剂从气冷器流出后经过回热器高压输入端，与来自蒸发器出口的低温制冷剂换热，从回热器高压输出端流出回热器到第一针阀，由此实现一个同时带回热器和闪蒸器的制冷循环；
无回热器和闪蒸器的工作模式：关闭第一截止阀和第三截止阀，打开第二截止阀，此时系统中无回热器和闪蒸器。
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