CN113654262A - 一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，包括喷射式增压单元和补气制冷单元；喷射式增压单元包括泵、发生器、喷射器、节流阀、气液分离器、冷凝器、低品位热源等；补气制冷单元包括气液分离器、节流阀、蒸发器、压缩机等；制冷剂在发生器处吸收低品位热源热能，驱动喷射器引射气液分离器内多余的饱和蒸汽制冷剂，剩下的饱和液态制冷剂可进行二次节流，减少了压缩机的功耗；本发明利用喷射式引射和压缩机补气技术使制冷剂经过三次节流两次气液分离，既可以实现低品位热源的利用也可以实现冷冻所需的低蒸发温度，本发明系统结构简单，运行效率和稳定性较高。

Description

一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统。

背景技术

随着工业发展，城市化进程的加快，能源消耗的膨胀带来了能源短缺、价格上涨以及大量环境问题。根据中国国家统计局数据，2020年中国一次能源消费总量约48亿吨标准煤，约占全球一次能源总消费量的24%。根据英国石油公司数据可知，2019年我国碳排放总量为9825.8MT，约占全球碳排放总量的28.7%。我国GDP能耗远高于其他发达国家，但能源利用效率却落后于发达国家。因此，在制冷领域利用太阳能等低品位热驱动制冷的研究进入了新阶段。

在制冷领域，由低品位热驱动的喷射式制冷循环以结构简单、成本低、运动部件少、运行维护费用低、使用寿命长等优点而备受关注。但是由于传统的喷射式制冷系统所需的热驱动量大，如果用太阳能驱动，则太阳能集热板的面积远大于所需制冷面的面积，难以应用于实际应用。而且，传统的喷射式制冷系统受到蒸发压力的限制无法达到较低的温度，难以应用于冷冻领域。因此，针对现有问题，有必要研发一种可应用于大型冷冻库的太阳能驱动喷射式制冷系统。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，本发明的系统经过三次节流两次气液分离达到-25℃的蒸发温度，利用热驱动喷射器引射增压第一次节流后在气液分离器内分离出的饱和气态制冷剂达到冷凝压力，利用压缩机补气技术将二次气液分离后的饱和气态制冷剂和经过蒸发器换热的过热蒸汽制冷剂混合增压到冷凝压力，有效利用了低品位热能，实现了在较高效率下获得冷冻库所需的低蒸发温度。

本发明技术方案如下：

本发明申请的一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，包括喷射式增压单元和补气制冷单元。

所述喷射式增压单元包括泵、发生器、喷射器、第一节流阀、第一气液分离器、冷凝器和第一三通接头、第一电磁阀、第二电磁阀以及低品位热源；冷凝器出口连通第二三通接头，第二三通接头第一出口和泵入口连通，泵出口和发生器入口连通，发生器出口和第一电磁阀入口连通，第一电磁阀出口和喷射器工作口入口连通；第二三通接头第二出口和第一节流阀入口连通，第一节流阀出口和第一气液分离器的入口连通，第一气液分离器的饱和气态端出口和第二电磁阀入口连通，第二电磁阀的出口和喷射器引射流体入口连通；喷射器出口和第一三通接头第一入口连通，第一三通接头出口和冷凝器入口连通；低品位热源出口和发生器热侧进口连通，发生器热侧出口和低品位热源进口连通。

所述补气制冷单元包括第一气液分离器、第二节流阀、第二气液分离器、第三节流阀、蒸发器、压缩机和第三电磁阀；第二节流阀出口和第二气液分离器入口连通，第二气液分离器饱和气态端出口和第三电磁阀入口连通，第三电磁阀出口和压缩机补气口连通；第二气液分离器饱和液态端出口和第三节流阀入口连通，第三节流阀出口和蒸发器入口连通，蒸发器出口和压缩机主入口连通。压缩机出口和第一三通接头第二入口连通，第一三通接头出口和冷凝器入口连通。

进一步地，制冷剂在发生器中吸收来自低品位热源的热能，成为高温高压蒸汽（工作流体），进入喷射器后在喷嘴出口处形成高速低压流体，从而引射被引射的流体，在喷射器混合室内等压混合后与来自压缩机的流体等压合流进入冷凝器中冷凝，制冷剂在冷凝器中被冷凝成饱和或过冷液态，通过第二三通接头分为两股流体，第一股流体由泵加压后输送到发生器中被低品位热源加热，成为高温高压蒸汽制冷剂，进入喷射器工作流体入口，第二股流体通过第一节流阀节流成第一中间温度的流体，进入第一气液分离器进行气液分离，第一气液分离器中饱和气态制冷剂被喷射器的工作流体所引射，喷射器中的工作流体和引射流体在混合室内等压混合，之后经过第一三通接头进入到冷凝器中；第一气液分离器中的饱和液态制冷剂由第二节流阀降温至第二中间温度，进入第二气液分离器中进行第二次气液分离，第二气液分离器中的饱和气态制冷剂通往压缩机的补气口，第二气液分离器中的饱和液态制冷剂由第三节流阀节流降温至冷冻库所需温度，再进入蒸发器中产生高品位冷量，蒸发器出口制冷剂经过压缩机进行第一次压缩，再和从补气口进入的制冷剂边混合边进行第二次压缩，最后经过第一三通接口和喷射器出口制冷剂混合后进入冷凝器进行下一次循环。所述第一中间温度指第一气液分离器内的温度，第二中间温度是指第二气液分离器内的温度。

进一步地，通过关闭所述第一电磁阀和第二电磁阀去掉了喷射增压单元，制冷剂在冷凝器中冷凝成饱和或过冷液态，经过第一节流阀降温，随后到第二气液分离器中进行气液分离，第二气液分离器中的饱和气态制冷剂连通压缩机的补气口，第二气液分离器中的饱和液态由第三节流阀节流降温降压达到冷冻库的冷冻温度，再由蒸发器制取冷量，蒸发器出口制冷剂经过压缩机进行第一次压缩，再和从补气口进入的制冷剂边混合边进行第二次压缩，最后经过第一三通接口出口进入冷凝器进行下一次循环。

进一步地，关闭第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，制冷剂在冷凝器中冷凝后由第一节流阀节流降温，再流经充当管路的第一气液分离器、第二节流阀、第二气液分离器和第三节流阀，随后进入蒸发器中制取冷量，最后由压缩机压增压到冷凝压力后进入冷凝器内进行下一次循环。

进一步地，制冷剂在发生器处吸收低品位热源热能，驱动喷射器引射气液分离器内多余的饱和蒸汽制冷剂，剩下的饱和液态制冷剂可进行二次节流，减少了压缩机的功耗。

进一步地，第一电磁阀出口、第二电磁阀出口和第一三通阀第一入口间设有喷射器，喷射式增压单元可以根据热源温度采用可变几何尺寸的喷射器来提高低品位热能的利用率。

进一步地，所述冷凝器、蒸发器和发生器可根据不同需求选用合适的形式和尺寸，换热器流道采用逆流换热，以增加换热效率，提高系统性能。

本发明结合了喷射器结构简单无运动部件、可以广泛利用低品位能源的特点，制冷剂的三次节流两次气液分离后达到冷冻温度的特点，压缩机打孔形成补气制冷单元的特点，以及相比于传统冷冻系统较高的运行效率特点。本发明中，热驱动单元的制冷剂在发生器处吸收低品位热源的热量，驱动喷射器抽吸一次气液分离器中低质量冷量的饱和气态制冷剂，从而进一步降低了压缩机的功耗，补气制冷单元进一步提高了制冷剂的质量冷量和减少了压缩机的功耗。本发明既可以利用太阳能等低品位热源也可以达到冷冻库所需的低蒸发温度，而且因为喷射器无运动部件结构简单使得系统运行稳定性高，因为三次节流两次气液分离再加补气技术使得系统的运行效率较高。

与目前的技术相比，本发明的显著有益效果如下：

（1）可以使用太阳能等广泛低品位热能来代替一部分电能，并使之成为喷射式增压单元的驱动热源，可以增加第一次气液分离后的低质量冷量制冷剂的压力以达到冷凝压力，减少了压缩机功耗，且初步提高了经过蒸发器的制冷剂质量冷量，系统效率也随之提高。

（2）采用喷射式增压单元，简化了整个系统的结构，减少了系统的运动部件，极大地降低了系统的成本，提高了系统的安全稳定性。

（3）采用补气制冷单元，使低品位冷量转换为高品位冷量，极大拓宽了系统的应用温区，且进一步提高升了系统的效率，使得太阳能等低品位热能的利用效率得到提高。

附图说明

图1为本申请的第一种实施方法的流程图；

图2为本申请的第二种实施方式的流程图；

图3为本申请的第三种实施方式的流程图。

附图中的标记为：1-蒸发器、2-压缩机、3-第一三通接头、4-冷凝器、5-第二三通接头、6-第一节流阀、7-第一气液分离器、8-第二节流阀、9-第二气液分离器、10-第三节流阀、11-泵、12-发生器、13-第一电磁阀、14-第二电磁阀、15-喷射器、16-第三电磁阀、17-低品位热源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式包括实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：

参见图1，是本申请的第一种实施方式流程图。图1中的用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统包括喷射式增压单元和补气制冷单元。

喷射式增压单元包括：冷凝器4、第二三通接头5、第一节流阀6、第一气液分离器7、泵11、发生器12、第一电磁阀13、第二电磁阀14、喷射器15和低品位热源17，具体连接为：冷凝器4出口连通第二三通接头5，第二三通接头5第一出口和泵11入口连通，泵11出口和发生器12入口连通，发生器12出口和第一电磁阀13入口连通，第一电磁阀13出口和喷射器15工作口入口连通。第二三通接头5第二出口和第一节流阀6入口连通，第一节流阀6出口和第一气液分离器7的入口连通，第一气液分离器7的饱和气态端出口和第二电磁阀14入口连通，第二电磁阀14的出口和喷射器15引射流体入口连通。喷射器15出口和第一三通接头3第一入口连通，第一三通接头3出口和冷凝器4入口连通。低品位热源17出口和发生器12热侧进口连通，发生器12热侧出口和低品位热源17进口连通。

补气制冷单元包括：第二节流阀8、第二气液分离器9、第三节流阀10、蒸发器1、压缩机2和第三电磁阀16。第二节流阀8出口和第二气液分离器9入口连通，第二气液分离器9饱和气态端出口和第三电磁阀16入口连通，第三电磁阀16出口和压缩机2补气口连通。第二气液分离器9饱和液态端出口和第三节流阀10入口连通，第三节流阀10出口和蒸发器1入口连通，蒸发器1出口和压缩机2主入口连通。压缩机2出口和第一三通接头3第二入口连通，第一三通接头3出口和冷凝器4入口连通。

本实施例中，整个系统采用的制冷剂是R152a，制冷剂在冷凝器4中被冷凝成饱和或过冷液态，通过第二三通接头5分为两股流体，第一股流体由泵11加压后输送到发生器12中被低品位热源17加热，成为高温高压蒸汽制冷剂，进入喷射器15工作流体入口，第二股流体通过第一节流阀6节流成第一中间温度的流体，进入第一气液分离器7进行气液分离，第一气液分离器7中饱和气态制冷剂被喷射器15的工作流体所引射，喷射器15中的工作流体和引射流体在混合室内等压混合，之后经过第一三通接头3进入到冷凝器4中。

第一气液分离器7中的饱和液态制冷剂由第二节流阀8降温至第二中间温度，进入第二气液分离器9中进行第二次气液分离，第二气液分离器9中的饱和气态制冷剂通往压缩机2的补气口，第二气液分离器9中的饱和液态制冷剂由第三节流阀10节流降温至冷冻库所需温度，再进入蒸发器1中产生高品位冷量，蒸发器1出口制冷剂经过压缩机2进行第一次压缩，再和从补气口进入的制冷剂边混合边进行第二次压缩，最后经过第一三通接口3和喷射器15出口制冷剂混合后进入冷凝器4进行下一次循环。

本实施例中，冷凝器4出口和喷射器15工作流体入口形成第一道管路；冷凝器4出口和第一气液分离器7入口形成第二管路；第一气液分离器7饱和气态端出口和喷射器15引射流体入口形成第三管路；喷射器15出口和第一三通接头3形成第四管路；第一管路在发生器12处换取低品位热源的热量来驱动喷射器15引射所述第三管路的低质量冷量的饱和液态制冷剂，实现了对低品位热源17的利用，提高了通往所述蒸发器1的制冷剂质量冷量，减少了经过压缩机2的流体质量流量，提高了系统效率。

进一步地，本实施例中，第一气液分离器7饱和液态端出口和第二气液分离器9入口形成第五管路，该管路通过第二节流阀8进一步降低了制冷剂的温度和压力；第二气液分离器9内饱和气态端出口和压缩机2补气口形成第六管路；第二气液分离器9饱和液态端和压缩机主入口形成第七管路，该管路再一次提高了制冷剂的质量冷量，且将蒸发温度降到了冷冻要求温度；所述第五管路、所述第六管路和所述第七管路形成补气制冷单元，提高了系统的经济性和效率，同时由于压缩机出口温度的降低，系统的安全性有所提高。

进一步地，压缩机出口和第一三通接头第二入口形成第八管路；第一三通接头出口和所述冷凝器入口形成第九管路；

实施例2：

图2是本申请的第二种实施方式，同实施例1相比，本实施方式在低品位热源不足的情况下运行，通过关闭第一电磁阀13和第二电磁阀14去掉了喷射增压单元（图2中以灰色部分标识管路关闭）。制冷剂在冷凝器4中冷凝成饱和或过冷液态，经过第一节流阀6降温，随后经过充当管路的第一气液分离器7和第二节流阀8到达第二气液分离器9中进行气液分离，第二气液分离器9中的饱和气态制冷剂连通压缩机2的补气口，第二气液分离器9中的饱和液态由第三节流阀10节流降温降压达到冷冻库的冷冻温度，再由蒸发器1制取冷量，蒸发器1出口制冷剂经过压缩机2进行第一次压缩，再和从补气口进入的制冷剂边混合边进行第二次压缩，最后经过第一三通接口3和喷射器15出口制冷剂混合后进入冷凝器4进行下一次循环。在本实施例中，整个系统的制冷剂依旧选用R152a,。相比于实施例1，实施例2用于低品位热源不足的情况，但蒸发器温度仍然可以达到冷冻温度，且相比于传统的冷冻系统有更高的效率。

本实施例2在实施例1的基础上，通过第一管路和第三管路上设有第一电磁阀13和第二电磁阀14，在低品位热能不足以驱动所述喷射器工作时，切断所述第一电磁阀13和第二电磁阀14，则第一管路、第三管路和第四管路都不运行，系统变为用高品位电能驱动的补气型蒸汽压缩制冷系统，其蒸发温度依旧可以达到较低温度，系统运行效率仍然比传统的蒸汽压缩制冷系统高。

实施例3：

图3是本发明的第三种实施方式，实施例3关闭了第一电磁阀13、第二电磁阀14和第三电磁阀16（图3中以灰色部分标识管路关闭），制冷剂在冷凝器4中冷凝后由第一节流阀6节流降温，再流经充当管路的第一气液分离器7、第二节流阀8、第二气液分离器9和第三节流阀10，随后进入蒸发器1中制取冷量，最后由压缩机2增压到冷凝压力后进入冷凝器内进行下一次循环。本实施例相当于传统的蒸汽压缩制冷系统，用于中低温保鲜库。

本实施例3中，通过关闭第一电磁阀13、第二电磁阀14和第三电磁阀16，则系统变为常规的蒸汽压缩制冷系统；如果所述第一电磁阀和第二电磁阀打开，则喷射式增压单元和补气制冷单元又投入运行，这样既不影响系统在普通工况下的性能，又可以实现该系统在冷冻低温工况下的安全经济运行，有效地扩大了系统的低温工作范围。

上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式（包括实施例）中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。

Claims (8)

1.一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，包括喷射式增压单元和补气制冷单元，所述喷射式增压单元包括：冷凝器（4）、第二三通接头（5）、第一节流阀（6）、第一气液分离器（7）、泵（11）、发生器（12）、第一电磁阀（13）、第二电磁阀（14）、喷射器（15）和低品位热源（17）；所述冷凝器（4）出口连通第二三通接头（5），第二三通接头（5）第一出口和泵（11）入口连通，泵（11）出口和发生器（12）入口连通，发生器（12）出口和第一电磁阀（13）入口连通，第一电磁阀（13）出口和喷射器（15）工作口入口连通；第二三通接头（5）第二出口和第一节流阀（6）入口连通，第一节流阀（6）出口和第一气液分离器（7）的入口连通，第一气液分离器（7）的饱和气态端出口和第二电磁阀（14）入口连通，第二电磁阀（14）的出口和喷射器（15）引射流体入口连通；喷射器（15）出口和第一三通接头（3）第一入口连通，第一三通接头（3）出口和冷凝器（4）入口连通；低品位热源（17）出口和发生器（12）热侧进口连通，发生器（12）热侧出口和低品位热源（17）进口连通。

2.如权利要求1所述的一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，所述补气制冷单元包括：第二节流阀（8）、第二气液分离器（9）、第三节流阀（10）、蒸发器（1）、压缩机（2）和第三电磁阀（16）；所述第二节流阀（8）出口和第二气液分离器（9）入口连通，第二气液分离器（9）饱和气态端出口和第三电磁阀（16）入口连通，第三电磁阀（16）出口和压缩机（2）补气口连通；第二气液分离器（9）饱和液态端出口和第三节流阀（10）入口连通，第三节流阀（10）出口和蒸发器（1）入口连通，蒸发器（1）出口和压缩机（2）主入口连通；压缩机（2）出口和第一三通接头（3）第二入口连通，第一三通接头（3）出口和冷凝器（4）入口连通。

3.如权利要求1中所述一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，制冷剂在冷凝器（4）中被冷凝成饱和或过冷液态，通过第二三通接头（5）分为两股流体，第一股流体由泵（11）加压后输送到发生器（12）中被低品位热源（17）加热，成为高温高压蒸汽制冷剂，进入喷射器（15）工作流体入口，第二股流体通过第一节流阀（6）节流成第一中间温度的流体，进入第一气液分离器（7）进行气液分离，第一气液分离器（7）中饱和气态制冷剂被喷射器（15）的工作流体所引射，喷射器（15）中的工作流体和引射流体在混合室内等压混合，之后经过第一三通接头（3）进入到冷凝器（4）中；第一气液分离器（7）中的饱和液态制冷剂由第二节流阀（8）降温至第二中间温度，进入第二气液分离器（9）中进行第二次气液分离，第二气液分离器（9）中的饱和气态制冷剂通往压缩机（2）的补气口，第二气液分离器（9）中的饱和液态制冷剂由第三节流阀（10）节流降温至冷冻库所需温度，再进入蒸发器（1）中产生高品位冷量，蒸发器（1）出口制冷剂经过压缩机（2）进行第一次压缩，再和从补气口进入的制冷剂边混合边进行第二次压缩，最后经过第一三通接口（3）和喷射器出口制冷剂混合后进入冷凝器（4）进行下一次循环。

4.如权利要求1中所述一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，通过关闭所述第一电磁阀（13）和第二电磁阀（14）去掉了喷射增压单元，制冷剂在冷凝器（4）中冷凝成饱和或过冷液态，经过第一节流阀（6）降温，随后到第二气液分离器（9）中进行气液分离，第二气液分离器（9）中的饱和气态制冷剂连通压缩机（2）的补气口，第二气液分离器（9）中的饱和液态由第三节流阀（10）节流降温降压达到冷冻库的冷冻温度，再由蒸发器（1）制取冷量，蒸发器（1）出口制冷剂经过压缩机（2）进行第一次压缩，再和从补气口进入的制冷剂边混合边进行第二次压缩，最后经过第一三通接口（3）出口制冷剂进入冷凝器（4）进行下一次循环。

5.如权利要求1中所述一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，关闭了第一电磁阀（13）、第二电磁阀（14）和第三电磁阀（15），制冷剂在冷凝器（4）中冷凝后由第一节流阀（6）节流降温，再流经充当管路的第一气液分离器（7）、第二节流阀（8）、第二气液分离器（9）和第三节流阀（10），随后进入蒸发器（1）中制取冷量，最后由压缩机（2）增压到冷凝压力后进入冷凝器（4）内进行下一次循环。

6.如权利要求1中所述一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，制冷剂在发生器（12）处吸收低品位热源热能，驱动喷射器引射气液分离器内多余的饱和蒸汽制冷剂，剩下的饱和液态制冷剂进行二次节流，减少了压缩机的功耗。

7.如权利要求1中所述一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，在第一电磁阀（13）出口、第二电磁阀（14）出口和第一三通阀（3）第一入口间设有喷射器（15），喷射式增压单元根据热源温度采用可变几何尺寸的喷射器来提高低品位热能的利用率。

8.如权利要求1中所述一种用于大型冷冻库的低品位热驱动制冷系统，其特征在于，所述冷凝器（4）、蒸发器（1）和发生器（12）根据不同需求选用合适的形式和尺寸，换热器流道采用逆流换热，增加换热效率，提高系统性能。

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