CN114857802A - 一种水和空气混合压缩式制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水和空气混合压缩式制冷系统，由压缩机、分离器、气换热器、补水阀、喷淋换热器、喷淋泵、液体马达、水换热器、膨胀机、电机等组成，工质为水和空气，压缩机与膨胀机、电机共轴联接，其进口与喷淋换热器、液体马达连接，其出口与分离器连接，分离器中空气经过气换热器和膨胀机后进入喷淋换热器、水经过水换热器后分别接到液体马达和喷淋换热器的补水阀上，喷淋泵循环水在喷淋换热器中喷淋。水和空气混合压缩更接近等温过程，显著降低其压缩功和排气温度，水和空气同为工质，利用膨胀机等元件回收工作流体的压力能，使系统的能效水平进一步提高。

Description

一种水和空气混合压缩式制冷系统
技术领域
本发明主要涉及制冷空调设备的技术领域，特别是一种水和空气混合压缩式制冷系统，属于制冷技术领域。
背景技术
水和空气是最环保、最安全、最健康和最经济的自然工质，理应在低温室效应化的新一轮制冷工质替代中发挥重要作用，但是由于其物性限制，目前它们仅在一些特殊场合得以应用。例如，空气在压缩式制冷循环中为单相换热，其单位制冷量和能效比较低，目前应用场合仅限于飞机空调、空气分离及低温试验等装置中；水沸点较高，在压缩式制冷循环中工作压力远低于大气压力，且压力比很大致使排气温度高且能效比偏低，目前仅在集中空调等领域进行少量的研发及示范应用。
为解决上述空气压缩式制冷循环和水压缩式制冷循环存在的问题，设计出本发明的技术方案。
发明内容
本发明的目的，是针对上述现有技术中存在的问题，设计出水和空气混合压缩、分别制冷的系统流程，提供一种水和空气优势互补且构造简单、性能显著改善的水和空气混合压缩式制冷系统，既发挥了水和空气制冷的优势，又解决了空气单独制冷时能效比低、水单独制冷时压力比和排温高的问题。在压缩机中空气和水混合后一起压缩，工作压力和压力比均接近空气单独制冷时的水平，而水参与压缩后改善了压缩过程的冷却效果，且水在混合气体中的分压力又接近水压缩式制冷时的水平，因此，混合压缩后既避免了二者单独压缩时的缺点，又使压缩过程得以改善且易于实现；另一方面，混合压缩后，水和空气混合物经冷却散热又分离开来，分别完成了各自的制冷过程，其制冷效果均得以保证。
为了实现上述的发明目的，本发明的技术方案以下方式实现：一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统由压缩机1、分离器2、气换热器3、补水阀4、喷淋换热器5、喷淋泵6、液体马达7、水换热器8、膨胀机9、电机10等组成，喷淋换热器5内有位于上部的喷淋管51、中部的载冷流体换热盘管52和下部的水池53等，压缩机1与膨胀机9、电机10共轴联接，压缩机1的流体进口与喷淋换热器5上部出口、液体马达7出口连接，压缩机1流体出口接到分离器2上；分离器2上部出口经过气换热器3接到膨胀机9进口，膨胀机9出口接入喷淋换热器5，分离器2下部出口经过水换热器8后分别接到液体马达7进口和补水阀4进口，补水阀4出口接入喷淋换热器5；喷淋泵6进口与喷淋换热器5的水池53连通，喷淋泵6出口接入喷淋换热器5的喷淋管51。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的工质为水和空气，空气可以用氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氧气、氢气等气体替换，水可以用乙醇、醋酸、乙醚等液体替换。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的压缩机1可以是液环式，也可是旋涡式、涡旋式、涡轮式、螺杆式、滑片式，还可以是罗茨式或其它型式适合气液混输的压缩机。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的水和空气可以被压缩机1分开分别吸入、排出，也可以混合在一起被压缩机1吸入、排出。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的空气回路可以做成开放式，即膨胀机9出口接入用冷空间，喷淋换热器5通过膨胀或节流元件12直接从环境吸入空气。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的喷淋水回路可以做成开放式，即喷淋换热器5的载冷流体换热盘管52用填料54替换，水池53中水由冷水泵直接送入用冷换热器15，从换热器回来的水接入喷淋管51，补水阀4直接接到自来水路。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的气换热器3和水换热器8可以合并为水气换热器11，并移至压缩机1和分离器2之间。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的压缩机1和液体马达7分别用两相喷射器17和升压泵16替换，这时升压泵16出口、喷淋换热器5上部出口分别与两相喷射器17的引射流体口与工作流体口连接，两相喷射器17出口接到分离器2上。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的喷淋换热器5喷淋管51可以直接接到分离器2出水管，这时喷淋换热器5水池53通过输送泵18接到分离器2上。
一种水和空气混合压缩式制冷系统，该制冷系统的液体马达和/或膨胀机可以用节流元件或其它流体动力元件替换。
对于上述的水和空气混合压缩式制冷系统，采用水和空气同时作为工质，完全符合环保、安全、经济、健康等多面的要求，有利于其推广应用。在压缩机中空气和水混合后一起压缩，其工作压力和压力比均接近空气单独制冷时的水平，而水参与压缩后改善了压缩过程的冷却效果，使压缩过程更靠近等温过程，显著降低其压缩功和排气温度；而水在混合压缩过程中的分压力又接近水压缩式制冷时的水平，而又避免其单独制冷时处于负压工作区的压缩过程难以实现、成本高等问题；另一方面，水和空气混合压缩后，其混合物经冷却散热后又分离开来，并分别完成了各自的制冷过程，其制冷效果均得以保证，有效地改善了其制冷性能。同时利用膨胀机和液体马达等元件回收工作流体的压力能，又使系统的能效水平进一步提高。
附图说明
下面结合附图及具体的实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例一的系统图。
图2是本发明实施例二的系统图。
图3是本发明实施例三的系统图。
图4是本发明实施例四的系统图。
图5是本发明实施例五的系统图。
图6是本发明实施例六的系统图。
图7是本发明实施例七的系统图。
图中：1—压缩机，2—分离器，3—气换热器，4—补水阀，5—喷淋换热器，6—喷淋泵，7—液体马达，8—水换热器，9—膨胀机，10—电机，11—水气换热器，12—膨胀元件，13—节流元件，14—冷水泵，15—用冷换热器，16—升压泵，17—两相喷射器，18—输送泵，19—换热器A，20—换热器B，51—喷淋管，52—换热盘管52，53—水池，54—填料，55—下喷淋管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例一
参考图1，该实施例是压缩机与膨胀机共轴、水和空气封闭循环的水和空气混合压缩式制冷系统。
该制冷系统由压缩机1、分离器2、气换热器3、补水阀4、喷淋换热器5、喷淋泵6、液体马达7、水换热器8、膨胀机9、电机10等组成，喷淋换热器5壳体内上部有喷淋管51、中部有载冷流体换热盘管52、下部有水池53等，工质为水和空气，压缩机1为液环式。压缩机1与膨胀机9、电机10共轴联接，压缩机1流体进口与喷淋换热器5上部出口、液体马达7出口连接，压缩机1流体出口接到分离器2上；分离器2上部出口经过气换热器3接到膨胀机9进口，膨胀机9出口接入喷淋换热器5，分离器2下部出口经过水换热器8后分别接到液体马达7进口和补水阀4进口，补水阀4出口接入喷淋换热器5下部；喷淋泵6进口与喷淋换热器5水池53连通，喷淋泵6出口接入喷淋换热器5的喷淋管51。
该制冷系统运行时，压缩机1与膨胀机9、电机10一起运转，压缩机1将来自喷淋换热器5上部的湿空气和液体马达7出口的水一同吸入，将水和空气混合物压缩提升压力后，排入分离器2，在分离器2中水、气分离，高压湿空气进入气换热器3放热给环境，再进入膨胀机降压降温后喷入喷淋换热器5，与喷淋水充分混合过程中吸收换热盘管52中载冷流体的热量，降温后的载冷流体输送到用冷场合；高压水进入水换热器8放热给环境后分为两路，一路通过补水阀4给喷淋换热器5水池53补水，另一路经过液体马达7后喷入压缩机1进口；喷淋泵6将水池53中的水输送至喷淋管51，喷淋出的水与来自膨胀机9的空气充分混合并部分蒸发，为换热盘管52中载冷流体降温。补水阀4通过感受水池53高度自动开闭，保证水池53高度稳定。
实施例二
参考图2，该实施例是压缩机与膨胀机分置、空气非封闭循环的水和空气混合压缩式制冷系统。与实施例一相比，该系统的膨胀机9独立运行，气换热器3和水换热器8合并为水气换热器11，并移至压缩机1和分离器2之间，喷淋换热器5吸气口增加膨胀元件12，液体马达7被节流元件13替换，其它部分与实施例一相同。
该制冷系统运行时，空气是开放式流动，环境大气经膨胀元件12降压降温后直接进入喷淋换热器5，与喷淋水充分混合过程中吸收换热盘管52中载冷流体的热量变为含湿量较高的湿空气，与节流元件13出来的水一同被压缩机1吸入，压缩后进入水气换热器11放热给环境后，再进入分离器2中水、气分离：气经过膨胀机9后直接送到用冷场合，为其提供新风；水经管路送到节流元件13和补水阀4的进口，其余工作过程与实施例一相同。
实施例三
参考图3，该实施例是压缩机与膨胀机分置、空气非封闭循环且直接换热的水和空气混合压缩式制冷系统。与实施例二相比，喷淋换热器5载冷流体换热盘管52被填料54替换，水池53中的水被冷水泵14送到用冷换热器15，换热后回来的水接入喷淋管51，补水阀4接到自来水管上，压缩机1出口的换热器和分离器布置与实施例一保持一致，其它部分与实施例二相同。
该制冷系统运行时，喷淋换热器5内空气与喷淋水在填料54中充分混合，降温后的冷水沉积于水池53，再被冷水泵14送到用冷换热器15，换热后回来的水进入喷淋管51继续喷淋。工作过程中失去的水分，通过补水阀4将自来水补入喷淋换热器5。其余工作过程与实施例二相同。
实施例四
参考图4，该实施例是两相喷射器驱动、空气非封闭循环的水和空气混合压缩式制冷系统。与实施例二相比，压缩机1被两相喷射器17替换，省去节流元件13，升压泵16安装在水换热器8出口和两相喷射器17工作流体口之间，两相喷射器17引射流体口与喷淋换热器5上部出口连接，两相喷射器17出口接到分离器2上，其换热器和分离器布置与实施例一保持一致，其它部分与实施例二相同。
该制冷系统运行时，升压泵16将水换热器8出来的水升压后，作为工作流体驱动两相喷射器17工作，吸入喷淋换热器5上部湿空气，水气混合升压后从两相喷射器17出口进入分离器2。其余工作过程与实施例二相同。
实施例五
参考图5，该实施例是压缩机与膨胀机分置、空气非封闭循环且喷淋水来自分离器的水和空气混合压缩式制冷系统。与实施例二相比，分离器2出口接到喷淋换热器5喷淋管51上，水池53中的水被输送泵18送入分离器2，补水阀4接到自来水管上，其它部分与实施例二相同。
该制冷系统运行时，分离器2出来的水流入喷淋管51直接向下喷淋，接到换热器5上，积于水池53中的水又被输送泵18送至分离器2中，形成水路循环。工作过程中失去的水分，通过补水阀4将自来水补入喷淋换热器5。其余工作过程与实施例二相同。
实施例六
参考图6，该实施例是压缩机与膨胀机合置、空气封闭循环且喷淋水和膨胀后空气依次冷却冷冻回水的水和空气混合压缩式制冷系统。与实施例五相比，膨胀机9主轴联接到压缩机1主轴的外伸端上，二者共轴运行；膨胀机9出口的气路上增设换热器A19，膨胀机9出来的空气经换热器A19进入换热器5的下部，冷冻回水流经换热器5中喷淋换热盘管52后再进入换热器A19，与来自膨胀机9的空气换热后再送到用冷场合；膨胀元件12及其附属管路取消。其它部分与实施例五相同。
实施例七
参考图7，该实施例是压缩机与膨胀机合置、空气封闭循环且喷淋水冷却膨胀机9进口之前空气的水和空气混合压缩式制冷系统。与实施例六相比，在膨胀机9出口之后气路中的换热器A19之后再增设换热器B20，冷冻回水流经换热器B20冷冻水盘管，积于水池53中的水被输送泵18送入换热器B20喷淋水盘管，喷淋水与冷冻回水换热后喷淋水接到喷淋换热器5的下喷淋管55，喷淋到经过换热器A19后过来的空气中，而冷冻水接着进入换热器A19，再与膨胀机9出来的空气换热后送入用冷场合；输送泵18不再将喷淋水送到分离器2。另外，从分离器2出来的空气接入换热盘管52，与来自分离器2喷淋水换热后再接到膨胀机9进口上。其它部分与实施例六相同。

Claims (10)

1.一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：由压缩机(1)、分离器(2)、气换热器(3)、补水阀(4)、喷淋换热器(5)、喷淋泵(6)、液体马达(7)、水换热器(8)、膨胀机(9)、电机(10)组成；所述喷淋换热器(5)内有位于上部的喷淋管(51)、中部的载冷流体换热盘管(52)和下部的水池(53)，压缩机(1)与膨胀机(9)、电机(10)共轴联接，压缩机(1)的流体进口与喷淋换热器(5)上部出口、液体马达(7)出口连接，压缩机(1)流体出口接到分离器(2)上；分离器(2)上部出口经过气换热器(3)接到膨胀机(9)进口，膨胀机(9)出口接入喷淋换热器(5)，分离器(2)下部出口经过水换热器(8)后分别接到液体马达(7)进口和补水阀(4)进口，补水阀(4)出口接入喷淋换热器(5)；喷淋泵(6)进口与喷淋换热器(5)的水池(53)连通，喷淋泵(6)出口接入喷淋换热器(5)的喷淋管(51)。
2.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的工质为水和空气，空气用氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氧气、氢气替换，水用乙醇、醋酸、乙醚替换。
3.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：压缩机(1)是液环式，或者是旋涡式、涡旋式、涡轮式、螺杆式、滑片式，或者是是罗茨式压缩机。
4.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的水和空气被压缩机分开分别吸入、排出，或者混合在一起被压缩机(1)吸入、排出。
5.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的空气回路可以做成开放式，即膨胀机(9)出口接入用冷空间，喷淋换热器(5)通过膨胀或节流元件(12)直接从环境吸入空气。
6.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的喷淋水回路可以做成开放式，即喷淋换热器(5)的载冷流体换热盘管(52)用填料(54)替换，水池(53)中水由冷水泵直接送入用冷换热器(15)，从换热器回来的水接入喷淋管(51)，补水阀(4)直接接到自来水路。
7.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的气换热器(3)和水换热器(8)合并为水气换热器(11)，并移至压缩机(1)和分离器(2)之间。
8.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的压缩机(1)和液体马达(7)分别用两相喷射器(17)和升压泵(16)替换，这时升压泵(16)出口、喷淋换热器(5)上部出口分别与两相喷射器(17)的引射流体口与工作流体口连接，两相喷射器(17)出口接到分离器(2)上。
9.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的喷淋换热器(5)喷淋管(51)可以直接接到分离器(2)出水管，这时喷淋换热器(5)水池(53)通过输送泵(18)接到分离器(2)上。
10.根据权利要求1所述的一种水和空气混合压缩式制冷系统，其特征在于：该制冷系统的液体马达和/或膨胀机用节流元件或其它流体动力元件替换。
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