CN113375357A - 二氧化碳相变液化循环制冷系统及循环方法和空调制冷器 - Google Patents

二氧化碳相变液化循环制冷系统及循环方法和空调制冷器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳相变液化循环制冷系统及循环方法和空调制冷器，该制冷系统，包括：一压力气源，用于为系统提供高压气体；至少两并联布置的液态CO2储罐，液态CO2储罐分别与压力气源连接，以交替通入高压气体控制液态CO2储罐内的压力；一蒸发器，蒸发器分别连接液态CO2储罐，以交替接收液态CO2储罐提供的液态CO2冷媒并在蒸发器内气化，由流经蒸发器管壁外表面的载冷剂降温所释放的显热进行换热。本发明利用液态CO2冷媒逆向循环原理制冷，液态CO2冷媒通过高压空气压送进入蒸发器气化成蒸气气化过程中需吸收潜热，吸收的潜热来源于流经蒸发器表面的载冷剂降温所放出的显热，载冷剂放出显热后温度下降实现制冷过程。

Description

二氧化碳相变液化循环制冷系统及循环方法和空调制冷器
技术领域
本发明涉及空调制冷技术领域，尤其涉及一种二氧化碳相变液化循环制冷系统及循环方法和空调制冷器。
背景技术
人工制冷方式主要有四种，相变制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。每种制冷方法各有其特点。选择合理的制冷方法，满足制冷的要求，实现制冷中的节能，达到良好的经济效益，同时制冷系统应符合环保要求。相变是指物质集聚态的变化。物质在发生相变时，必然伴随着一定数量的能量交换，这是一种物理现象。相变制冷就是利用冷媒相变时的吸热效应，达到降低温度的效果。冷媒液体的汽化，是吸热的相变过程，通过这个相变过程吸收大量热量，就可获得低温。
在制冷技术中，广泛利用制冷剂(液体)在低压下的汽化过程来制取冷量。利用这种原理的制冷方式可分为蒸气压缩式制冷、吸收式制冷和蒸汽喷射式制冷。制冷过程需要的是制冷剂可循环使用的一个过程，制冷剂吸热气化是制冷过程，升温回收后的气态制冷剂液化循环过程是制冷系统的COP的决定因素。在蒸气压缩式制冷中，工质(制冷剂)的蒸气首先被压缩到比较高的压力，被外部冷却介质(冷却水或空气)冷却而转变为液体，再经节流，使压力和温度同时降低，利用低压力下工质液体的汽化即可吸热制冷。汽化后的蒸气再由压缩机吸入压缩，不断循环。在整个循环过程中，压缩机将经过换热的气态制冷剂加压后液化循环使用，压缩机的能耗决定了系统的COP值。
而二氧化碳是一种新兴的自然工质。液态二氧化碳蒸发点是温度为-56.6C，压力为520kPa。二氧化碳作为制冷工质有许多独特的优势:从对环境的影响来看，除水和空气以外，二氧化碳是与环境最为友善的制冷工质。二氧化碳具备有良好的安全性和化学稳定性，二氧化碳安全无毒，即便在高温下也不产生有害气体，具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质，单位容积制冷量相当高，运动黏度低。因此，将二氧化碳通过调整循环的排气压力，可使气体在冷凝器中液化放热过程较好地适应外部热源的温度和温升需要。
发明内容
本发明为解决现有技术中的上述问题，提出的一种利用二氧化碳相变和气体膨胀制冷、气体变压降温液化技术的二氧化碳相变液化循环制冷系统及循环方法和空调制冷器。
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液化循环制冷系统，包括：
一压力气源，用于为系统提供高压气体；
至少两并联布置的液态CO2储罐，所述液态CO2储罐分别与所述压力气源连接，以交替通入所述高压气体控制所述液态CO2储罐内的压力；
一蒸发器，所述蒸发器分别连接所述液态CO2储罐，以交替接收所述液态 CO2储罐提供的液态CO2冷媒并在所述蒸发器内气化；
其中，液态CO2气化吸收的气化潜热及气化后的低温蒸气升温吸收的显热由流经所述蒸发器管壁外表面的载冷剂降温所释放的显热进行换热，且所述蒸发器内的液态CO2转化为气态的CO2流出。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，所述液态CO2储罐作为回收罐交替接收经所述蒸发器换热后排出的气态CO2冷媒，并向由高压气体保持背压的回收储罐内通入液态CO2冷媒，利用液态冷媒的二次气化需吸收潜热使回流至回收储罐内的具有过热度的蒸气降温、降压后转化为液态CO2冷媒循环利用。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐内上部的喷射机构，且所述喷射机构与其他液态CO2储罐的下部连通；
以向作为回收罐功能的所述液态CO2储罐内通入其他所述液态CO2储罐内的液态CO2冷媒，利用液体气化需吸收热量，使气化后流入所述回收罐的气态 CO2冷媒降温及降压液化，达到循环使用的物理点后作为液态CO2冷媒循环利用。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐的下部与所述喷射机构之间输送管道上的喷液电动阀和喷液比例调节阀。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐下部与所述蒸发器之间对应输送管道上的排液电动阀和减压阀或流量计。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
对应设置于所述蒸发器上部与所述液态CO2储罐下部之间输送管道上的安全阀、先导阀或数字流量计、气体CO2排出阀和对应的气态CO2进口阀。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
至少一个所述液态CO2储罐的中部通过管道连接液态CO2进口阀；和
至少两所述液态CO2储罐的底部分别通过排液截止阀连通排污口。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的排空比例阀，所述排空比例阀通过管道连通CO2放空口；
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的安全阀、气相温度传感器和罐体压力传感器；和
对应设置于所述液态CO2储罐内的液位计。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
对应设置于所述压力气源与所述液态CO2储罐顶部之间输送管道上的过滤器和空气缓冲罐；
其中，所述空气缓冲罐顶部设置有安全阀和缓冲罐压力传感器，底部设置有缓冲罐排污阀。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
设置于所述过滤器与所述空气缓冲罐顶部之间管道上的压缩空气进口阀；和
设置于所述空气缓冲罐上部与各所述液态CO2储罐之间的截止阀、对应的止回阀和气源比例调节阀。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，所述蒸发器和所述载冷剂蒸发器均包括：
液态制冷剂储箱，所述液态制冷剂储箱上的液态制冷剂进口通过管道分别与各所述液态CO2储罐的下部连接，且其内设置有储箱液位计，用于接收所述液态CO2储罐内的液体制冷剂；
若干蒸发列管，若干所述蒸发列管按一定规律排布，且其一端与所述液态制冷剂储箱连接，用于接收所述液态制冷剂储箱内的液体制冷剂对通过所述蒸发列管的载冷剂进行换热降温；和
气态制冷剂储箱，所述气态制冷剂储箱与若干所述蒸发列管的另一端连接，且其上的气态制冷剂出口通过管道分别与作为回收罐的所述液态CO2储罐的下部连接，用于接收所述蒸发列管内换热升温后的气态制冷剂并将其通入所述液态 CO2储罐进行循环利用；
其中，所述载冷剂穿过所述蒸发列管的外表面进行换热，且所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
第一新风机，所述第一新风机布置于所述蒸发器的载冷剂的进入口处；
其中，所述载冷剂采用空气，从所述蒸发器的管壁外部流过。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
第一密封壳体，所述蒸发器设置于所述第一密封壳体内，形成第一换热通道；和
第二新风机，所述第二新风机通过管道布置于所述换热通道的排出口处；
其中，所述载冷剂采用空气，从所述蒸发器的管壁外部流过。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，还包括：
载冷剂蒸发器，所述载冷剂蒸发器的冰水进口与所述蒸发器的载冷剂出口连接，以水为中间载冷剂；
第二密封壳体，所述蒸发器设置于所述第二密封壳体内，形成第二换热通道；和
第三新风机，所述第三新风机通过管道布置于所述第二换热通道的排出口处。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，所述液态CO2储罐为三个，且呈并联布置。
进一步地，在所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统中，所述压力气源为高压气罐或空压机组；所述高压气体为高压空气，其压力为0.5-3.4MPa。
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液化循环制冷方法，包括步骤：
S1，向第一储罐内充入可满足单次循环使用的液态二氧化碳，向第二储罐和第三储罐内充入少量液态二氧化碳；
S2，启动压力气源，分别向第一储罐、第二储罐和第三储罐通入高压空气，并分别保持第一储罐内的压力为25kg/cm2，第二储罐内的压力不低于10kg/cm2，以及第三储罐内的压力不低于10kg/cm2；
S3，以第一储罐为贮液罐，打开第一储罐与蒸发器之间的第一排液电动阀和减压阀或流量计，并调节所述第一排液电动阀和减压阀或流量计前后的液态二氧化碳的压力分别为25kg/cm2和19kg/cm2；使第一储罐内的液态二氧化碳在高压空气的压力作用下进入蒸发器进行吸热升温及气化、同时低温气体吸热升温，气化及低温气体升温所吸收的热量，由流经所述蒸发器管壳外表的载冷剂降温所放出的显热提供；同时载冷剂放出显热降温，完成载冷剂的制冷；控制流出所述蒸发器的气态二氧化碳的温度在-4℃；
S4，当蒸发器内的压力达到17kg/cm2时，打开蒸发器与第二储罐之间的气体CO2排出阀和第二气态CO2进口阀，使气化后的气态二氧化碳流入第二储罐，以第二储罐作为气体回收罐；
S5，当第二储罐内压力达到15kg/cm2时，打开第一储罐下部与第二储罐内的第二喷射机构之间的第一喷液电动阀和第二喷液比例调节阀，向第二储罐内喷入液态冷媒。利用液态冷媒在回收罐内的气化和节流膨胀吸收热量，使得流入第二储罐具有过热度的气态二氧化碳液化同时释放热量供二次气化的冷媒气化时吸收热量。作为回收罐功能的第二储罐内的冷媒大部分成为具有一定过冷度的液态冷媒。喷入的液态冷媒在内腔压力大于15kg/cm2时开始进行，压力低于 13kg/cm2时停止；
S6，当第二储罐内的液位计显示上位点时，以第一储罐作为预备气体回收罐，第三储罐作为气体回收罐重复上述步骤S3-S5；
S7，在关闭蒸发器与第二储罐之间的第二气态CO2进口阀后，向第二储罐内通入高压空气，并调节第二排空比例阀控制第二储罐内的压力为25kg/cm2，将第二储罐作为贮液罐提供液态CO2冷媒至蒸发器内气化；
S8，当第三储罐内的液位计显示上位点时，以第二储罐作为预备气体回收罐，第一储罐作为气体回收罐重复上述步骤S3-S5；
S9，当第一储罐液位计显示上位点时，回收过程结束，第二储罐重新作为气体回收罐，同时第三储罐作为预备回收罐，以上过程重复环循环进行，保证制冷过程的连续性。
进一步地，在所述二氧化碳相变液化循环制冷系统的制冷方法中，步骤S1 中：
所述第一储罐内液态二氧化碳的充入量为其容积的70-100％；
所述第二储罐内液态二氧化碳的充入量为其容积的0-30％；和
所述第三储罐内液态二氧化碳的充入量为其容积的0-30％；
其中，所述第一储罐、第二储罐和第三储罐内的充入量满足单次循环使用。
进一步地，在所述二氧化碳相变液化循环制冷系统的制冷方法中，步骤S3 中，所述蒸发器载冷剂出口的载冷剂的温度控制方法包括：
所述流经蒸发器表面的载冷剂温度控制方法包括：
通过通入所述液态CO2储罐的高压气体控制液态CO2储罐内的压力，调节流经所述蒸发器的液体CO2的质量；或
通过减压阀或流量计，调节流经所述蒸发器的液体CO2的质量；或
通过第一新风机、第二新风机或第三新风机控制载冷剂的流速。
本发明的第三个方面是提供一种空调制冷器，包括：
上述所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统；或
采用上述所述的二氧化碳相变液化循环制冷方法。
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)利用液态CO2冷媒逆向循环原理制冷，液态CO2储罐中的液态CO2冷媒通过高压空气压送进入蒸发器，液态CO2冷媒在蒸发器内气化成蒸气，气化后的蒸气通过吸收蒸发器外部载冷剂降温过程中放出的显热升温后排出蒸发器，液态CO2冷媒气化及气化后低温蒸气升温，此过程中吸收载冷剂降温所放出的显热，载冷剂放出显热后温度下降实现制冷过程；
(2)采用至少两个并联布置的储罐对冷却介质进行循环回收利用，可相互交替通入液态CO2来使作为回收罐功能内的气态二氧化碳降温及液化后循环使用，满足了空调换热器的连续制冷要求，提高了换热效率和二氧化碳的回收效率；
(3)为了强化回收储罐内的气态二氧化碳降温液化速度，在储罐的顶部装有一个喷射机构，利用节流膨胀的气化潜热和气化后的低温气体二氧化碳使回收罐内的气态二氧化碳快速降温并且液化，大大提高了气液转移效率；
(4)采用高压气体作为动力源，实现了气化后的气态制冷剂在更高压力下的直接液化，同时高压气体吸收气态二氧化碳液化时的显热；无需高压的制冷剂压缩机；
(5)通过压力气源给该制冷系统提供动力补偿，采用高压空气作为动力源，可以快速调节各储罐内的压力大小，利用气液分离原理用气态物质实现了液态冷却介质的输送流通，可极大降低能耗；
(6)利用高压空气的背压控制，保持循环系统及储罐在高于产生干冰的压力上面运行；
(7)采用该液化循环系统的空调制冷器，根据制冷需求量的大小，可实现多种温度分区控制制冷，适用于不同应用场景，具有使用灵活方面的特点。
附图说明
图1为本发明一种二氧化碳相变液化循环制冷系统的整体框架原理的结构示意图；
图2为本发明一种二氧化碳相变液化循环制冷系统中蒸发器方案一的结构示意图；
图3为本发明一种二氧化碳相变液化循环制冷系统中蒸发器方案二的结构示意图；
图4为本发明一种二氧化碳相变液化循环制冷系统中蒸发器方案三的结构示意图；
图5为本发明一种二氧化碳相变液化循环制冷系统中蒸发器的具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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液化循环制冷系统，主要包括压力气源1、至少两并联布置的液态CO2储罐和一蒸发器62。其中，压力气源1用于为系统提供高压气体；液态CO2储罐可以为2个A和B并联，也可以为三个A、B和C并联，液态CO2储罐分别与压力气源1连接，以交替通入高压气体控制液态CO2储罐A、B和C内的压力；蒸发器62分别连接液态CO2储罐A/B/C，以交替接收液态CO2储罐A/B/C提供的液态CO2冷媒并在所述蒸发器62内气化；其中，液态CO2冷媒气化吸收的气化潜热及气化后的低温蒸气升温吸收的显热由流经所述蒸发器62管壁外表面的载冷剂降温所释放的显热进行换热，且所述蒸发器内的液态CO2转化为气态的CO2流出。
请参阅图1所示，通过蒸发器内的液态CO2转化为气态的CO2流出后可以直接排放，也可以进行循环利用。具体地，将液态CO2储罐A/B/C作为回收罐交替接收经所述蒸发器62换热后排出的气态CO2冷媒，并向由高压气体保持背压的回收储罐内通入液态CO2冷媒，利用液态冷媒的二次气化需吸收潜热使回流至回收储罐内的具有过热度的蒸气降温、降压后转化为液态CO2冷媒循环利用。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：对应设置于液态CO2储罐A/B/C下部与蒸发器62之间对应输送管道上的排液电动阀 25/41/55和减压阀或流量计58。减压阀或流量计58采用一个安装在蒸发器62 上游的总管道上；而排液电动阀为三个分为25/41/55，分别对应液态CO2储罐 A/B/C安装在其底部的管道上，分别独立控制液态CO2储罐A/B/C内液态CO2冷媒的流出。第一储罐A或第二储罐B或第三储罐C内的液态CO2分别通过第一排液电动阀25、第二排液电动阀41和第三排液电动阀55在高压气体的压送下经减压阀或流量计58调压后输送至蒸发器62，在蒸发器62内进行蒸发气化。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：对应设置于蒸发器62上部与液态CO2储罐A/B/C下部之间输送管道上的安全阀59、先导阀或数字流量计63、气体CO2排出阀64和对应的气态CO2进口阀20/36/50。经所述蒸发器62放热气化后的气态CO2依次通过安全阀59、先导阀或数字流量计63、气体CO2排出阀64和对应的气态CO2进口阀20/36/50在高压气体的压送作用下输送至对应的液态储罐A/B/C内，以第一储罐A或第二储罐B或第三储罐C为回收罐，对气态二氧化碳进行循环利用。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：对应设置于液态CO2储罐A/B/C内上部的喷射机构18/34/48，且喷射机构采用喷淋盘，喷射机构18/34/48与其他液态CO2储罐的下部连通；以向作为回收罐功能的所述液态CO2储罐内通入其他所述液态CO2储罐内的液态CO2冷媒，利用液体气化需吸收热量，使气化后流入所述回收罐的气态CO2冷媒降温及降压液化，达到循环使用的物理点后作为液态CO2冷媒循环利用。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：对应设置于液态CO2储罐A/B/C的下部与喷射机构18/34/48之间输送管道上的喷液电动阀 26/42/56喷液比例调节阀19/35/49，用于控制向液态CO2储罐A/B/C内喷入适量的液态CO2冷媒。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：至少一个液态CO2储罐A/B/C的中部通过管道连接液态CO2进口阀27；和至少两液态CO2储罐A/B/C的底部分别通过排液截止阀24/40/54连通排污口66。通过液态CO2进口阀27向液态CO2储罐A/B/C补充液态CO2冷媒，以及通过排污口66和对应的排液截止阀24/40/54排出液态CO2储罐A/B/C内的液态CO2冷媒。以及液截止阀24/40/54连通排污口59的布置，使得系统不使用时排空第一储罐A、第二储罐B或第三储罐C内的液态二氧化碳，便于系统检修、维护。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：对应设置于液态CO2储罐A/B/C顶部的排空比例阀13/29/57，排空比例阀13/29/57通过管道连通CO2放空口65；对应设置于液态CO2储罐A/B/C顶部的安全阀14/31/45、气相温度传感器16/32/46和罐体压力传感器17/33/47；和对应设置于液态CO2储罐A/B/C内的液位计21/37/51。通过排空比例阀13/29/57一方面用于调节液态 CO2储罐A/B/C的压力大小，另一方面通过排放的气态CO2释放液态CO2储罐 A/B/C内的系统热量，实现气态CO2的增压液化。同时通过气相温度传感器16/32/46和罐体压力传感器17/33/47实时监测CO2储罐A/B/C的压力和温度，并通过安全阀14/31/45保证液态CO2储罐A/B/C的运行安全。
具体地，通过第一排空比例阀13、第二排空比例阀29和第三排空比例阀57 可分别按照预设要求释放第一储罐A/第二储罐B和第三储罐C顶部的高压空气，以达到降低罐体内压力至预设值的目的，且通过第一排空比例阀13、第二排空比例阀29和第三排空比例阀57排出的高压空气还可以带出部分热量，一定程度上实现了系统热平衡。所述第一安全阀14、第二安全阀31和第三安全阀45布置防止罐体内压力超出罐体设计的最大阈值，起到安全保障作用，具体地，当罐体内压力到达预设阈值后，系统控制安全阀打开，通过安全阀向外界排放高压空气，所述第一气相温度传感器16、第二气相温度传感器32和第三气相温度传感器46以第一罐体压力传感器17、第二罐体压力传感器33和第三罐体压力传感器47分别用于实时监测第一储罐4和第二储罐5内的高压空气的温度和压力。通过对罐体内的压力大小、液位以及温度大小进行实时监测，调节压力气源的供给速率以及罐体向蒸发器62供给液态二氧化碳的速率，实现二氧化碳冷媒的自动化输送和回收。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：对应设置于压力气源与液态CO2储罐A/B/C顶部之间输送管道上的过滤器2和空气缓冲罐 8；其中，空气缓冲罐8顶部设置有安全阀4和缓冲罐压力传感器6，底部设置有缓冲罐排污阀9。通过罐压力传感器6实时监测所述压力气源1提供的高压气体的压力大小，以及时通过各气源比例调节阀14/30/44进行控制调节。通过压力气源1提供的高压空气为系统提供压送动力，以及利用高压空气的背压控制，保持循环系统及储罐在高于产生干冰的压力上面运行。
请参阅图1所示，该二氧化碳相变液化循环制冷系统，还包括：设置于过滤器2与空气缓冲罐8顶部之间管道上的压缩空气进口阀3；和设置于空气缓冲罐 8上部与各液态CO2储罐A/B/C之间的截止阀7、对应的止回阀10/11/12和气源比例调节阀14/30/44。
请参阅图1所示，液态CO2储罐为两个、三个或多个，且呈并联布置。优选地，液态CO2储罐为三个并联布置，可相互交替通入液态CO2来使作为回收罐功能内的气态二氧化碳降温及液化后循环使用。压力气源为高压气罐或空压机组；高压气体为高压空气，其压力为0.5-3.4MPa，高压空气由所述压力气源1提供，压力气源1为高压气罐或采用空压机组现场制备。
请参阅图5所示，本实施例所采用的蒸发器62包括液态制冷剂储箱76、若干蒸发列管77和气态制冷剂储箱78。液态制冷剂储箱76上的液态制冷剂进口通过管道分别与各液态CO2储罐A/B/C的下部连接，且其内设置有储箱液位计 79，用于接收液态CO2储罐A/B/C内的液体制冷剂。若干蒸发列管77按一定规律排布，且其一端与液态制冷剂储箱76连接，用于接收液态制冷剂储箱76内的液体CO2冷媒对通过蒸发列管77表面的载冷剂进行换热降温。气态制冷剂储箱 78与若干蒸发列管77的另一端连接，且其上的气态制冷剂出口通过管道分别与各液态CO2储罐A/B/C的下部连接，用于接收蒸发列管77内换热升温后的气态制冷剂并将其通入液态CO2储罐A/B/C进行循环利用；其中，所述载冷剂穿过所述蒸发列管77的外表面进行换热，且所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液。
本实施例提供的二氧化碳相变液化循环制冷系统，可采用液态CO2作为制冷剂，也可以采用氟利昂或其他可行的冷媒作为制冷剂。在本实施例中以液态CO2作为制冷剂作为示例，其主要工作原理如下：液态CO2储罐A/B/C中的液态CO2冷媒通过高压空气压送进入蒸发器62；液态CO2冷媒在蒸发器62内气化成蒸气，气化后的蒸气通过吸收CO2蒸发器62外部被载冷剂降温过程中放出的显热升温后排出CO2蒸发器62。
液态CO2冷媒气化及气化后低温蒸气升温，此过程中吸收载冷剂降温所放出的显热，载冷剂放出显热后温度下降完成制冷过程。在制冷过程中，CO2蒸发器 62内部蒸气控制在一定的压力范围内，通过排出具有一定过热度的蒸气保持压力稳定。
从CO2蒸发器62排出蒸气进入液态CO2储罐内液化后循环使用CO2蒸发器 62内部压力比液态CO2储罐的压力低一个设定的压力值，通过调节液态CO2冷媒进入CO2蒸发器62的流量，在载冷剂传热条件不变的情况下，利用液态CO2冷媒流量的变化，调节液体流量来控制气化及低温蒸气升温过程中吸收的热量，利用CO2蒸发器62表面的热流密度变化(控制CO2蒸发器62表面温度与被冷却载冷剂的温度差)来调节载冷剂通过换热器表面放出的显热量，从而控制载冷剂的温度。
CO2蒸发器62的液体气化后，通过单向压力调节阀，在达到设定压力后将蒸气排放至内部压力低于CO2蒸发器62的液态CO2储罐内。向液态CO2储罐内压送液态CO2冷媒，液态CO2冷媒气化，液体气化为蒸气同时蒸气升温，升温过程中需吸收二部分热量，气化潜热及气化后的低温蒸气升温时需要吸收的显热。回收罐与环境处于一个隔热状态，回收罐上部有压缩空气存在。
液态CO2冷媒气化及低温蒸气的升温所需要吸收的热量，由排放至液态CO2储罐中具有一定过热度的蒸气降温并且液化所放出的显热及潜热所平衡。蒸气降温及液化产生的液态CO2储罐内压力降低由换热器汇入液态CO2储罐内的蒸气所补充。根据液态CO2储罐内压力变化调节进入液态CO2储罐内的液态CO2冷媒流量来控制液化速度。
当液态CO2储罐内压力低于一个设定值时，通过压力气源提供压缩空气的背压补充空气，使液态CO2储罐内不会由于液化后降压过度而产生干冰，影响循环使用。当液态CO2储罐内压力高于设定值时，通过液态CO2储罐顶部的压力控制器，排放液态CO2储罐内上部的压缩空气，使得液态CO2储罐内压力保持低于换热器一定的压力，以保证蒸气利用压差汇至回收罐内。高压空气的背压及超压的排放，可使液态CO2储罐内的压力控制在设定的压力范围内。
当液态CO2储罐内的液位达到下设定点时，通过控制系统切换，液态CO2储罐通入压缩空气增压至贮罐的设定压力，此时液态CO2储罐改为贮罐使用(在使用过程中，由于液态CO2冷媒的压送排出引起的贮罐压力降低由高压空气补充，用高压空气的背压使贮罐压送液体的压力恒定)。同时贮罐降压，排出压缩空气使贮罐内压力降至作为回收罐时的设定压力，贮罐改为回收罐使用(如三套液态CO2储罐循环使用时改为备用回收罐)。
为使得制冷过程为一个连续过程，系统使用了三套具有同样功能即既可做贮罐又可做回收罐的液态CO2储罐，可根据程序控制循环使用。如有一套液态CO2储罐产生故障，系统可自动切换至双罐循环使用模式，以保证设备的正常使用，同时显示设备故障，警示故障维修。
实施例2
基于实施例1的二氧化碳相变液化循环制冷系统，本实施例提供了一种的二氧化碳相变和气体膨胀制冷、气体变压降温液化循环制冷方法，包括步骤：
S1，向第一储罐A内充入可满足单次循环使用的液态二氧化碳，向第二储罐B和第三储罐C内充入少量液态二氧化碳；
S2，启动压力气源，分别向第一储罐A、第二储罐B和第三储罐C通入高压空气，并分别保持第一储罐A内的压力为25kg/cm2，第二储罐B内的压力不低于10kg/cm2，以及第三储罐C内的压力不低于10kg/cm2；
S3，以第一储罐A为贮液罐，打开第一储罐A与蒸发器62之间的第一排液电动阀25和减压阀或流量计58，并调节所述第一排液电动阀25和减压阀或流量计58前后的液态二氧化碳的压力分别为25kg/cm2和19kg/cm2；使第一储罐 A内的液态二氧化碳在高压空气的压力作用下进入蒸发器62进行吸热升温及气化、同时低温气体吸热升温，气化及低温气体升温所吸收的热量，由流经所述蒸发器62管壳外表的载冷剂降温所放出的显热提供；同时载冷剂放出显热降温，完成载冷剂的制冷；控制流出所述蒸发器62的气态二氧化碳的温度在-4℃；
S4，当蒸发器62内的压力达到17kg/cm2时，打开蒸发器62与第二储罐B 之间的气体CO2排出阀64和第二气态CO2进口阀36，使气化后的气态二氧化碳流入第二储罐B，以第二储罐B作为气体回收罐；
S5，当第二储罐B内压力达到15kg/cm2时，打开第一储罐A下部与第二储罐B内的第二喷射机构之间的第一喷液电动阀26和第二喷液比例调节阀35，向第二储罐B内喷入液态冷媒。利用液态冷媒在回收罐内的气化和节流膨胀吸收热量，使得流入第二储罐B具有过热度的气态二氧化碳液化同时释放热量供二次气化的冷媒气化时吸收热量。作为回收罐功能的第二储罐B内的冷媒大部分成为具有一定过冷度的液态冷媒。喷入的液态冷媒在内腔压力大于15kg/cm2时开始进行，压力低于13kg/cm2时停止；
S6，当第二储罐B内的液位计37显示上位点时，以第一储罐A作为预备气体回收罐，第三储罐C作为气体回收罐重复上述步骤S3-S5；
S7，在关闭蒸发器62与第二储罐B之间的第二气态CO2进口阀36后，向第二储罐B内通入高压空气，并调节第二排空比例阀29控制第二储罐B内的压力为25kg/cm2，将第二储罐B作为贮液罐提供液态CO2冷媒至蒸发器62内气化；
S8，当第三储罐C内的液位计51显示上位点时，以第二储罐B作为预备气体回收罐，第一储罐A作为气体回收罐重复上述步骤S3-S5；
S9，当第一储罐A液位计21显示上位点时，回收过程结束，第二储罐B重新作为气体回收罐，同时第三储罐C作为预备回收罐，以上过程重复环循环进行，保证制冷过程的连续性。
本实施例中，在该制冷方法的步骤S1中：第一储罐AA内液态二氧化碳的充入量为其容积的70-100％；第二储罐BB内液态二氧化碳的充入量为其容积的 0-30％；和第三储罐CC内液态二氧化碳的充入量为其容积的0-30％；其中，所述第一储罐A、第二储罐B和第三储罐C内的充入量满足单次循环使用。
实施例3
如图2和图5所示，与上述实施例1不同的是，本实施例提供一种采用该二氧化碳相变液化循环制冷系统的空调制冷系统，该空调制冷系统还包括第一新风机68，第一新风机68布置于蒸发器62的载冷剂的进入口处，所述载冷剂采用空气，从所述蒸发器62的管壁外部流过。
在本实施例中，蒸发器62载冷剂出口的载冷剂的温度控制可通过通入液态 CO2储罐A/B/C的高压气体控制液态CO2储罐A/B/C内的压力，调节流经蒸发器62的液体CO2的质量。也可以通过减压阀或流量计58，调节流经所述蒸发器 62的液体CO2的质量。还可以通过第一新风机68控制载冷剂的流速，继而控制与载冷剂的热交换速率，从而控制载冷剂的温度大小。
实施例4
如图3和图5所示，如图2和图5所示，与上述实施例1不同的是，本实施例提供一种采用该二氧化碳相变液化循环制冷系统的空调制冷系统，该空调制冷系统还包括第一密封壳体69和第二新风机71，蒸发器62设置于第一密封壳体 69内，从而在蒸发器62的载冷剂进出口处形成第一换热通道70；第二新风机 71通过管道布置于换热通道70的排出口处，其中，所述载冷剂采用空气，从所述蒸发器62的管壁外部流过。
在本实施例中，蒸发器62载冷剂出口的载冷剂的温度控制可通过通入液态 CO2储罐A/B/C的高压气体控制液态CO2储罐A/B/C内的压力，调节流经蒸发器62的液体CO2的质量。也可以通过减压阀或流量计58，调节流经所述蒸发器 62的液体CO2的质量。还可以通过第二新风机71控制载冷剂的流速，继而控制与载冷剂的热交换速率，从而控制载冷剂的温度大小。
实施例5
如图4和图5所示，与上述实施例1不同的是，本实施例提供一种采用该二氧化碳相变液化循环制冷系统的空调制冷系统，该空调制冷系统还包括载冷剂蒸发器72、第二密封壳体73和第三新风机75，载冷剂蒸发器72的冰水进口与蒸发器62的载冷剂出口连接，以水为中间载冷剂；蒸发器62设置于第二密封壳体 73内，从而在载冷剂蒸发器72的载冷剂进出口处，形成第二换热通道74；和第三新风机75通过管道布置于第二换热通道74的排出口处。
载冷剂蒸发器72的结构与蒸发器62和的结构相同，均包括液态制冷剂储箱 76、若干蒸发列管77和气态制冷剂储箱78。且该载冷剂蒸发器72所采用的中间制冷剂为水或乙二醇的水溶液，从载冷剂蒸发器72的管壁外部流过。蒸发器 62的载冷剂采用空气，从蒸发器62的管壁外部流过。
在本实施例中，蒸发器62载冷剂出口的载冷剂的温度控制可通过通入液态 CO2储罐A/B/C的高压气体控制液态CO2储罐A/B/C内的压力，调节流经蒸发器62的液体CO2的质量。也可以通过减压阀或流量计58，调节流经所述蒸发器 62的液体CO2的质量。还可以通过第三新风机75控制载冷剂的流速，继而控制与载冷剂的热交换速率，从而控制载冷剂的温度大小。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，包括：
一压力气源，用于为系统提供高压气体；
至少两并联布置的液态CO2储罐，所述液态CO2储罐分别与所述压力气源连接，以交替通入所述高压气体控制所述液态CO2储罐内的压力；
一蒸发器，所述蒸发器分别连接所述液态CO2储罐，以交替接收所述液态CO2储罐提供的液态CO2冷媒并在所述蒸发器内气化；
其中，液态CO2冷媒气化吸收的气化潜热及气化后的低温蒸气升温吸收的显热由流经所述蒸发器管壁外表面的载冷剂降温所释放的显热进行换热，且所述蒸发器内的液态CO2转化为气态的CO2流出。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，所述液态CO2储罐作为回收罐交替接收经所述蒸发器换热后排出的气态CO2冷媒，并向由高压气体保持背压的回收储罐内通入液态CO2冷媒，利用液态冷媒的二次气化需吸收潜热使回流至回收储罐内的具有过热度的蒸气降温、降压后转化为液态CO2冷媒循环利用。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐内上部的喷射机构，且所述喷射机构与其他液态CO2储罐的下部连通；
以向作为回收罐功能的所述液态CO2储罐内通入其他所述液态CO2储罐内的液态CO2冷媒，利用液体气化需吸收热量，使气化后流入所述回收罐的气态CO2冷媒降温及降压液化，达到循环使用的物理点后作为液态CO2冷媒循环利用。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐的下部与所述喷射机构之间输送管道上的喷液电动阀和喷液比例调节阀。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐下部与所述蒸发器之间对应输送管道上的排液电动阀和减压阀或流量计。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
对应设置于所述蒸发器上部与所述液态CO2储罐下部之间输送管道上的安全阀、先导阀或数字流量计、气体CO2排出阀和对应的气态CO2进口阀。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
至少一个所述液态CO2储罐的中部通过管道连接液态CO2进口阀；和
至少两所述液态CO2储罐的底部分别通过排液截止阀连通排污口。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的排空比例阀，所述排空比例阀通过管道连通CO2放空口；
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的安全阀、气相温度传感器和罐体压力传感器；和
对应设置于所述液态CO2储罐内的液位计。
9.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
对应设置于所述压力气源与所述液态CO2储罐顶部之间输送管道上的过滤器和空气缓冲罐；
其中，所述空气缓冲罐顶部设置有安全阀和缓冲罐压力传感器，底部设置有缓冲罐排污阀。
10.根据权利要求9所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
设置于所述过滤器与所述空气缓冲罐顶部之间管道上的压缩空气进口阀；和
设置于所述空气缓冲罐上部与各所述液态CO2储罐之间的截止阀、对应的止回阀和气源比例调节阀。
11.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，所述蒸发器和载冷剂蒸发器均包括：
液态冷媒储箱，所述液态冷媒储箱上的液态冷媒进口通过管道分别与各所述液态CO2储罐的下部连接，且其内设置有储箱液位计；和
若干蒸发列管，若干所述蒸发列管按一定规律排布，且其一端与所述液态冷媒储箱连接；
气态冷媒储箱，所述气态冷媒储箱与若干所述蒸发列管的另一端连接，且其上的气态冷媒出口通过管道分别与作为回收罐的所述液态CO2储罐的下部连接；
其中，所述载冷剂穿过所述蒸发列管的外表面进行换热，且所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液。
12.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
第一新风机，所述第一新风机布置于所述蒸发器的载冷剂的进入口处；
其中，所述载冷剂采用空气，从所述蒸发器的管壁外部流过。
13.根据权利要求11所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
第一密封壳体，所述蒸发器设置于所述第一密封壳体内，形成第一换热通道；和
第二新风机，所述第二新风机通过管道布置于所述第一换热通道的排出口处；
其中，所述载冷剂采用空气，从所述蒸发器的管壁外部流过。
14.根据权利要求11所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，还包括：
载冷剂蒸发器，所述载冷剂蒸发器的冰水进口与所述蒸发器的载冷剂出口连接，以水为中间载冷剂；
第二密封壳体，所述蒸发器设置于所述第二密封壳体内，形成第二次换热通道；和
第三新风机，所述第三新风机通过管道布置于所述第二换热通道的排出口处。
15.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，所述液态CO2储罐为三个，且呈并联布置。
16.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统，其特征在于，所述压力气源为高压气罐或空压机组；所述高压气体为高压空气，其压力为0.5-3.4MPa。
17.一种如权利要求1-16任一项所述制冷系统的二氧化碳相变液化循环制冷方法，其特征在于，包括步骤：
S1，向第一储罐内充入可满足单次循环使用的液态二氧化碳，向第二储罐和第三储罐内充入少量液态二氧化碳；
S2，启动压力气源，分别向第一储罐、第二储罐和第三储罐通入高压空气，并分别保持第一储罐内的压力为25kg/cm2，第二储罐内的压力不低于10kg/cm2，以及第三储罐内的压力不低于10kg/cm2；
S3，以第一储罐为贮液罐，打开第一储罐与蒸发器之间的第一排液电动阀和减压阀或流量计，并调节所述第一排液电动阀和减压阀或流量计前后的液态二氧化碳的压力分别为25kg/cm2和19kg/cm2；使第一储罐内的液态二氧化碳在高压空气的压力作用下进入蒸发器进行吸热升温及气化、同时低温气体吸热升温，气化及低温气体升温所吸收的热量，由流经所述蒸发器管壳外表的载冷剂降温所放出的显热提供；同时载冷剂放出显热降温，完成载冷剂的制冷；控制流出所述蒸发器的气态二氧化碳的温度在-4℃；
S4，当蒸发器内的压力达到17kg/cm2时，打开蒸发器与第二储罐之间的气体CO2排出阀和第二气态CO2进口阀，使气化后的气态二氧化碳流入第二储罐，以第二储罐作为气体回收罐；
S5，当第二储罐内压力达到15kg/cm2时，打开第一储罐下部与第二储罐内的第二喷射机构之间的第一喷液电动阀和第二喷液比例调节阀，向第二储罐内喷入液态冷媒；利用液态冷媒在回收罐内的气化和节流膨胀吸收热量，使得流入第二储罐具有过热度的气态二氧化碳液化同时释放热量供二次气化的冷媒气化时吸收热量；作为回收罐功能的第二储罐内的冷媒大部分成为具有一定过冷度的液态冷媒；喷入的液态冷媒在内腔压力大于15kg/cm2时开始进行，压力低于13kg/cm2时停止；
S6，当第二储罐内的液位计显示上位点时，以第一储罐作为预备气体回收罐，第三储罐作为气体回收罐重复上述步骤S3-S5；
S7，在关闭蒸发器与第二储罐之间的第二气态CO2进口阀后，向第二储罐内通入高压空气，并调节第二排空比例阀控制第二储罐内的压力为25kg/cm2，将第二储罐作为贮液罐提供液态CO2冷媒至蒸发器内气化；
S8，当第三储罐内的液位计显示上位点时，以第二储罐作为预备气体回收罐，第一储罐作为气体回收罐重复上述步骤S3-S5；
S9，当第一储罐液位计显示上位点时，回收过程结束，第二储罐重新作为气体回收罐，同时第三储罐作为预备回收罐，以上过程重复环循环进行，保证制冷过程的连续性。
18.根据权利要求17所述的二氧化碳相变液化循环制冷方法，其特征在于，步骤S1中：
所述第一储罐内液态二氧化碳的充入量为其容积的70-100％；
所述第二储罐内液态二氧化碳的充入量为其容积的0-30％；和
所述第三储罐内液态二氧化碳的充入量为其容积的0-30％；
其中，所述第一储罐、第二储罐和第三储罐内的充入量满足单次循环使用。
19.根据权利要求17所述的二氧化碳相变液化循环制冷方法，其特征在于，步骤S3中，步骤S3中，所述蒸发器载冷剂出口的载冷剂的温度控制方法包括：
通过通入所述液态CO2储罐的高压气体控制液态CO2储罐内的压力，调节流经所述蒸发器的液体CO2的质量；或
通过减压阀或流量计，调节流经所述蒸发器的液体CO2的质量；或
通过第一新风机、第二新风机或第三新风机控制载冷剂的流速。
20.一种空调制冷器，其特征在于，包括：
如权利要求1-16任一项所述的二氧化碳相变液化循环制冷系统；或
采用如权利要求17-19任一项所述的二氧化碳相变液化循环制冷方法。
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CN114877619A (zh) * 2022-06-07 2022-08-09 上海齐耀螺杆机械有限公司 二氧化碳的液化系统及液化方法

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