CN114383336A - 一种co2制冷系统的停机压力维持装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CO2制冷系统的停机压力维持装置，包括储液罐体和保压组件，其内部形成容纳空间；所述保压组件包括外保温材料、相变材料包裹层、CO2制冷剂、进液管、排液管、节流阀和排气管；所述相变材料包裹层包裹在储液罐体的外壁上；所述外保温材料包裹在相变材料包裹层的外围上；发明通过相变供冷技术，在CO2制冷系统运行期间，将冷量蓄存于相变蓄冷剂中，在CO2制冷系统停机之后，利用蓄冷剂蓄存的冷量使蓄冷罐体持续维持低温状态，使得系统中的CO2向相变供冷罐体迁移，并以液态的形式实现较长时间的存贮。这使得制冷系统停机后可以在不超过安全承压范围的前提下，以较小的体积储存系统中的CO2制冷剂。

Description

一种CO2制冷系统的停机压力维持装置
技术领域
本发明涉及制冷设备技术领域，特别是一种CO2制冷系统的停机压力维持 装置。
背景技术
CO2是天然工质，无毒、不燃、ODP(臭氧破坏质数)为0，GWP(温室效应 质数)极低，同时，其具有很大的单位容积制冷量，且具有优良的低温流动性 和导热性能，是一种具有发展前景的环保制冷剂，并将在制冷空调设备特别是 在低温冷库制冷系统中具有广泛的应用前景。
然而，由于CO2属于低温制冷剂，其临界温度(31.2℃)低，常温下的饱 和压力很高，在制冷系统停机后通常不能以液体的形式存在于制冷机组之中， 为保证系统承压安全，故在系统中需设置较大容积的膨胀容器，以容纳原本以 液态形式存在于制冷机组中的CO2制冷剂，以防止停机后压力过高存在的系统 承压安全问题，从而导致制冷机组的体积庞大、重量增加。
在采用定频压缩机的CO2制冷系统中，当制冷系统处于低负荷运行状态时， 需要提供过间歇运行以满足其供冷需求，在其间歇运行过程中，系统会出现较 大幅度的温度回升，随之而来的压力升高问题难以解决。
为保证系统安全，现有的主要解决方案是在系统中设置膨胀罐体，停机时 用来储存部分CO2，从而维持系统压力。例如，发明专利CN201911307119。2公 开的一种节能型CO2双机双级制冷多联机系统，可在亚临界、超临界双模式下运 行，将多联机系统结合CO2双机双级制冷技术应用到中低温环境仓、中低温冷库 冷链行业领域；然而，为防止系统压力过高影响系统安全，该系统的膨胀罐体 积大，给设备的运输和安装上都增加了一定的限制，削弱了其市场竞争力。再 如，发明专利CN201210457355。4公开的冷库停电应急装置，公开了一种在停电 是依然能维持一段时间冷冻效果的冷库停电应急装置，在发生停电时，通过控制液氮罐内的液氮流入冻结装置，继续为冷库提供冷冻效果。然而，该装置不 仅增加了系统的体积和设备及运行成本，并且仅能应对短时间突发的停电状况， 对于CO2制冷系统长时间停机时并不适用。还有一些方案，在CO2制冷系统系统 中设置一套采用中温制冷剂的辅助制冷设备，在制冷系统停机之后，启动辅助 制冷设备控制CO2制冷系统的高压储液器的温度，从而保障系统压力处于安全水 平，但是在一些电力紧张，或是电力供应不稳定的地区，这类方案并不能在系 统待机或临时停电等突发情况下防止系统超压。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较 佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或 省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略 不能用于限制本发明的范围。
鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种CO2制冷系统的停机压力维持装置，其具 有自动蓄冷释冷的能力，能有效降低系统停机后的内部压力，在CO2制冷系统 意外停机或短期停机时保持系统内部的压力稳定，防止由于CO2系统内部制冷 剂压力过大带来的系统破坏。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种CO2制冷系统的停机 压力维持装置，其包括储液罐体和保压组件，其内部形成容纳空间；所述保压 组件包括外保温材料、相变材料包裹层、CO2制冷剂、进液管、排液管、节流阀 和排气管；所述相变材料包裹层包裹在储液罐体的外壁上；所述外保温材料包 裹在相变材料包裹层的外围上；所述CO2制冷剂位于储液罐体内；所述进液管和 排液管分别连通在储液罐体的顶部和底部；所述节流阀安装在进液管上。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述相变材料包裹层内部设置有固液相变材料，所述固液相变材料的相变 温度比系统在稳定运行时其内部CO2的温度高。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述储液罐体内部的CO2最大容积比系统CO2额定充注量在其相变温度 下的体积大。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述相变材料包裹层中填充的相变材料质量mPCM满足如下关系：
mPCM＝(0.5～1.2)·mRef·(hRef，1-hRef，2)/rPCM
其中，rPCM表示相变材料的相变潜热，mRef表示制冷系统中CO2的充注 量，hRef，1和hRef，2分别表示CO2在相变材料的相变温度下干度分别为0和1时 对应的比焓。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述进液管连接至冷凝器；所述排液管连接至节流装置；所述进液管由冷 凝器引出后分成两路连接到储液罐体，分别为带有节流阀第一进液管和第二进 液管。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述保压组件还包括换热盘管，所述换热盘管的入口与第一进液管连接； 所述换热盘管的出口与压缩机回气口相连。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述保压组件还包括排气管；所述排气管连接至中压混合桶。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述进液管连接至冷凝器；所述进液管上安装有一级节流阀。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其 中：所述排液管连接至蒸发器，所述排液管上设有二级节流阀。
作为本发明所述CO2制冷系统的停机压力维持装置的一种优选方案，其中： 所述保压组件还包括安全压力阀，所述安全压力阀安装在储液罐体上连通储液 罐体和外界。
本发明的有益效果：本发明通过相变供冷技术，在CO2制冷系统运行期 间，将冷量蓄存于相变蓄冷剂中，在CO2制冷系统停机之后，利用蓄冷剂蓄 存的冷量使蓄冷罐体持续维持低温状态，使得系统中的CO2向相变供冷罐体 迁移，并以液态的形式实现较长时间的存贮。这使得制冷系统停机后可以在不 超过安全承压范围的前提下，以较小的体积储存系统中的CO2制冷剂。本发 明利用CO2制冷中的蓄冷罐设置在低温区的特点，运行过程中可使得相变材 料完成蓄冷过程，无需额外的制冷设备，并且简化了系统形式，有结构简单、 使用安全和设备体积小的显著特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中的储液罐体的结构示意图。
图2为本发明中的CO2制冷机组停机压力维持装置。
图3为本发明中的储液罐体在单级级压缩CO2制冷机组中的安装位置。
图4为本发明中的储液罐体在在双级CO2制冷机组停机压力维持装置安 装位置。
图中：5-蒸发器；6-冷凝器；7-电磁节流阀；8-中压气冷；9-一级节流阀； 10-经济器；11-混合桶；12-毛细管；13-高压管路；14-中压管路；15-低压管路； 16-油分离器；17-二级节流阀。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书 附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少 一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在 一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施 例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种CO2制冷系统的 停机压力维持装置，包括储液罐体100和保压组件200，其内部形成容纳空间M； 所述保压组件200包括外保温材料201、相变材料包裹层202、CO2制冷剂203、进 液管204、排液管205、节流阀206和排气管207；所述相变材料包裹层202包裹在 储液罐体100的外壁上；所述外保温材料201包裹在相变材料包裹层202的外围上； 所述CO2制冷剂203位于储液罐体100内；所述进液管204和排液管205分别连通在 储液罐体100的顶部和底部；所述节流阀206安装在进液管204上。
本实施例中具体的，相变材料包裹层202内部设置有固液相变材料，所述 固液相变材料的相变温度比系统在稳定运行时其内部CO2的温度高3-10℃， 在制冷系统稳定运行一段时间之后，固液相变材料因为温差全部凝固成固体， 完成蓄冷。固液相变材料可以采用例如RUBITHERM生产的RT5或RT5HC等 作为固液相变材料。
本实施例中具体的，所述储液罐体100内部的CO2最大容积比系统CO2额 定充注量在其相变温度下的体积大。
本实施例中具体的，所述相变材料包裹层202中填充的相变材料质量mPCM满足如下关系：
mPCM＝(0.5～1.2)·mRef·(hRef，1-hRef，2)/rPCM
其中，rPCM表示相变材料的相变潜热，mRef表示制冷系统中CO2的充注 量，hRef，1和hRef，2分别表示CO2在相变材料的相变温度下干度分别为1和0时 对应的比焓。
本实施例中具体的，所述进液管203连接至冷凝器A；所述排液管205连 接至节流装置B；所述进液管203由冷凝器A引出后分成两路连接到储液罐体 100，分别为带有节流阀206第一进液管203a和第二进液管203b。
本实施例中具体的，所述保压组件200还包括换热盘管207，所述换热盘 管207的入口与第一进液管203a连接；所述换热盘管207的出口与压缩机回气 口C相连。
本实施例中具体的，所述保压组件200还包括排气管207；所述排气管207 连接至中压混合桶D，所述进液管203连接至冷凝器A；所述进液管203上安 装有一级节流阀203a。
本实施例中具体的，所述排液管205连接至蒸发器F，所述排液管205上 设有二级节流阀205a。
本实施例中具体的，所述保压组件200还包括安全压力阀208，所述安全 压力阀208安装在储液罐体100上连通储液罐体100和外界，其安全阀208压 力阈值设定值比系统的额定承压范围上限低0.5MPa。
本实施例中具体的，在正常运行的单级压缩CO2制冷制冷系统中，本装置 替代系统中原有的储液罐所在位置。同时本装置将部分冷凝器流出的液体制冷 剂进行节流，并流经换热盘管，用于保证装置中所存的液态CO2制冷处于低温 过冷状态。此方案在增大蒸发器供冷量的同时，同时也为本装置相变包裹材料 进行冷却，使其逐渐释放潜热凝固成固体状态。
本实施例中具体的，在因为电力中断等突发停电情况下，制冷系统停止运 行，由于温度的变化，蒸发器中液态CO2制冷制冷剂逐渐蒸发，使得整个系统 的内部压力升高。所述装置内部的液态CO2制冷温度逐渐升高至略高于相变温 度的状态。此时，装置包裹的固态相变材料开始逐渐融化，并从罐内液态CO2制冷中吸热，阻止其温度进一步升高。同时，由蒸发器中液态CO2制冷所蒸发 出的CO2制冷气体将为逐渐在低温的罐内冷凝，最终，系统中绝大多数CO2制冷将会以液体的形式储存于所述装置内部，从而有效地维持系统停机后的压 力低于预警值。当由于停机时间过长，装置内相变材料全部融化的情况下，系 统压力将会从新升高，当压力高于预警值时，装置内安全压力阀将自动打开， 排出多余的CO2制冷从而降低压力。
实施例2
参照图3～4，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，在正 常运行的双级压缩CO2制冷制冷系统中，本装置替代系统中原有的中压闪发罐 的位置。由于双级CO2制冷制冷系统中压制冷剂温度较低，因此可以直接为装 置的相变材料包裹层供冷，使其逐渐释放潜热凝固成固体状态。
在因为电力中断等突发停电情况下，制冷系统停止运行，由于温度的变化， 蒸发器中液态CO2制冷制冷剂逐渐蒸发，使得整个系统的内部压力升高。所述 装置内部的液态CO2制冷温度逐渐升高至略高于相变温度的状态。此时，装置 包裹的固态相变材料开始逐渐融化，并从罐内液态CO2制冷中吸热，阻止其温 度进一步升高。同时，由蒸发器中液态CO2制冷所蒸发出的CO2制冷气体将为 逐渐在低温的罐内冷凝，最终，系统中绝大多数CO2制冷将会以液体的形式储 存于所述装置内部，从而有效地维持系统停机后的压力低于预警值。当由于停 机时间过长，装置内相变材料全部融化的情况下，系统压力将会从新升高，当 压力高于预警值时，装置内安全压力阀将自动打开，排出多余的CO2制冷从而 降低压力。
所述装置应用于单级压缩CO2制冷制冷系统也可以应用于实施例2中所示 的双级CO2制冷制冷系统之中，仅需将其安装于高压冷凝器后侧，具体方式于 实施例1中所述相同。
通过现有的压缩机将低温低压的CO2气体压缩成高温高压的CO2气体， 通过油分离器5分离出冷冻油，冷冻油通过回油管道回到压缩机，油分离器5 出口和气体冷却器进口相连，高温高压的CO2气体被冷却成常温高压的CO2 气体，然后分为两路，一路通过节流阀10节流成气液两相的流体进入储液罐 的中，和储液器中换热盘管进行热交换，液体吸热汽化从上方出口6进入压缩 机吸气口，另一路进入储液器中换热盘管和CO2液体进行热交换，常温高压 的CO2气体被进一步冷却，从下方出口进入节流阀11被节流成低温低压的气 液两相流体，随后进入蒸发器中吸热变成低温低压的气体，和储液罐内气体混 合被压缩机吸气口吸入进行压缩，循环往复。
通过压缩机将低温中压的CO2气体压缩成高温高压的CO2气体，通过油 分离器16分离出冷冻油，冷冻油通过回油管道12分别回到高压级压缩机和低 压级压缩机，油分离器16出口和气体冷却器进口相连，高温高压的CO2气体 被冷却成常温高压的CO2气体，通过节流阀9节流成气液两相的流体进入储 液罐中，液体从储液器底部出口排出，通过管路1和回热器10的液路进口相 连，回热器10的液路出口通过管路1和节流阀17的进口相连，节流阀17出 口和蒸发器5相连，气液两相CO2吸气汽化，蒸发器5出口和管道15相连， 管道15和回热器10气路进口相连，回热器10气路出口和低压级压缩机吸气 口相连，低压级压缩机排气口和预冷器8通过管道相连，CO2被在预冷器中被 冷却降温，随后进入混合桶11和来着储液罐内气体混合，高压级压缩机和混 合桶11出口相连，被压缩机吸气口吸入进行压缩，循环往复。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和 布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅 此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖 教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结 构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使 用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或 元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围 内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺 序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的 执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明 的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他 替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展 至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的 所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或与 实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项 目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时 的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所 述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精 神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：包括，
储液罐体(100)，其内部形成容纳空间(M)；
保压组件(200)，所述保压组件(200)包括外保温材料(201)、相变材料包裹层(202)、CO2制冷剂(203)、进液管(204)、排液管(205)、节流阀(206)和排气管(207)；所述相变材料包裹层(202)包裹在储液罐体(100)的外壁上；所述外保温材料(201)包裹在相变材料包裹层(202)的外围上；所述CO2制冷剂(203)位于储液罐体(100)内；所述进液管(204)和排液管(205)分别连通在储液罐体(100)的顶部和底部；所述节流阀(206)安装在进液管(204)上。
2.如权利要求1所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：相变材料包裹层(202)内部设置有固液相变材料，所述固液相变材料的相变温度比系统在稳定运行时其内部CO2的温度高。
3.如权利要求2所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述储液罐体(100)内部的CO2最大容积比系统CO2额定充注量在其相变温度下的体积大。
4.如权利要求3所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述相变材料包裹层(202)中填充的相变材料质量mPCM满足如下关系：
mPCM＝(0.5～1.2)·mRef·(hRef，1-hRef，2)/rPCM
其中，rPCM表示相变材料的相变潜热，mRef表示制冷系统中CO2的充注量，hRef，1和hRef，2分别表示CO2在相变材料的相变温度下干度分别为1和0时对应的比焓。
5.如权利要求4所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述进液管(203)连接至冷凝器(A)；所述排液管(205)连接至节流装置(B)；所述进液管(203)由冷凝器(A)引出后分成两路连接到储液罐体(100)，分别为带有节流阀(206)第一进液管(203a)和第二进液管(203b)。
6.如权利要求5所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述保压组件(200)还包括换热盘管(207)，所述换热盘管(207)的入口与第一进液管(203a)连接；所述换热盘管(207)的出口与压缩机回气口(C)相连。
7.如权利要求4所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述保压组件(200)还包括排气管(207)；所述排气管(207)连接至中压混合桶(D)。
8.如权利要求7所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述进液管(203)连接至冷凝器(A)；所述进液管(203)上安装有一级节流阀(203a)。
9.如权利要求8所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述排液管(205)连接至蒸发器(F)，所述排液管(205)上设有二级节流阀(205a)。
10.如权利要求6或9所述的CO2制冷系统的停机压力维持装置，其特征在于：所述保压组件(200)还包括安全压力阀(208)，所述安全压力阀(208)安装在储液罐体(100)上连通储液罐体(100)和外界。
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