CN114909814B - 一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法 - Google Patents

一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法，本发明属于蒸气压缩式制冷的一种，利用压缩机实现二氧化碳的升压，膨胀机实现二氧化碳的降压，喷射器实现二氧化碳的引射混合，利用双级气体冷却器分段回收制冷系统转移的热量，利用连轴的膨胀机和压缩机减少耗功，自动化部件实现制冷剂流量调节。本方法明显减小了压缩机的压缩比，降低了输入能耗，实现制冷量的自动调节，为制冷系统的余热兼顾多温区制热存留了较大操作空间。

Description

一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法
技术领域
本发明涉及制冷方法，尤其涉及一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法。
背景技术
如今的冰场采用的制冰技术存在耗能严重，而且所消耗的能源难以加以利用的问题。
如图1所示，传统的回热二氧化碳跨临界循环由压缩机，气体冷却器，膨胀阀，回热器和蒸发器组成，蒸发器出口的工质经压缩机压缩后进入气体冷却器放热，气体冷却器出口的工质经过回热器与来自蒸发器的低温气体冷却，形成再冷度后进入膨胀阀，膨胀后进入蒸发器吸热制冷，蒸发器出口的工质一部分进入回热器，另一部分返回压缩机重复循环。对于传统的回热二氧化碳跨临界循环，由于二氧化碳压力大，压缩机进出口压差大，磨损严重，使用寿命短，效率低，同时回热器存在过热损失。如图2所示，双级压缩中间冷却的二氧化碳跨临界循环由高低压两级压缩机，气体冷却器，中间冷却器，节流阀A、节流阀B，蒸发器组成。蒸发器出口的工质经低压级压缩机压缩，经中间冷却器中的低温气体工质冷却后，进入高压级压缩机压缩，高压级压缩机出口气体工质进入气体冷却器冷却，气体冷却器出口工质一部分进入节流阀A降温降压，途径中间冷却器通向低压级压缩机，用于冷却低压级压缩机出口工质，另一部分直接经中间冷却器进入节流阀B，膨胀后进入蒸发器吸热制冷，出口工质返回低压级压缩机重复循环，对于双级压缩中间冷却的二氧化碳跨临界循环，压缩机负担虽然减轻了，但循环节流次数多，节流损失大，不经济。若使用膨胀机代替节流阀，节流损失虽然减小，但系统内二氧化碳工质的流动全靠压缩机进出口营造的压差，此压差依然较大，耗能。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种保证了制冰技术的合理性的同时减少制冰过程中的耗能的兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
本发明的一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法，包括以下步骤：
步骤一、进入气液分离器的二氧化碳工质进行气液分离，气液分离后上层的二氧化碳气相工质进入一级压缩机，然后进入步骤二，下层的二氧化碳液相工质进入膨胀机，然后进入步骤七；其中上层的二氧化碳气相工质以及下层的二氧化碳液相工质的温度在5℃-12℃之间，压力在4.05Mpa～4.77Mpa之间；
步骤二、二氧化碳气相工质在一级压缩机压缩成温度在46.9℃～52.5℃之间，压力在6.97Mpa～7.56MPa之间的一级压缩气体，然后通过一级油分离器除掉液态润滑油后进入气体冷却器(b)；
步骤三、一级压缩气体在气体冷却器内进行等压降温使得一级压缩气体温度在39.7℃～45.6℃之间，压力在6.97Mpa～7.56MPa之间，得到一级压缩降温气体并送入二级压缩机；
步骤四、一级压缩降温气体在二级压缩机内进一步压缩成温度在85℃～100℃之间，压力在11.24Mpa～12.35MPa之间的二级压缩气体，然后送入二级气体冷却器；
步骤五、进入二级气体冷却器的二级压缩气体进行等压热交换过程，从二级气体冷却器中出来进入喷射器的二氧化碳冷却气体是温度在18℃～25℃，压力在11.24Mpa～12.35MPa的高压中低温的二氧化碳气体；
步骤六、进入喷射器的二氧化碳气体通过喷射器的混合室引射来自蒸发器的低压二氧化碳工质，并将温度在5℃～12℃之间，压力在4.05Mpa～4.77Mpa之间的二氧化碳工质送入气液分离器，然后重复步骤一；
步骤七、液相的二氧化碳工质进入膨胀机，压力进一步降低至2.05Mpa～2.65MPa之间后全部进入蒸发器的管程，在蒸发器中与蒸发器壳程内的冷冻剂进行热交换，完成制冰的工作后形成温度-15℃～-10℃之间，压力在2.05Mpa～2.65MPa之间低温低压的气体进入到喷射器中，与来自二级气体冷却器(d)的二氧化碳气体混合；
步骤八、蒸发器中完成热交换的冷冻剂送入分液器，经过分液器送入各个冰场排管，然后通过集液器返回至蒸发器的壳程。
本发明的有益效果是：
1.二氧化碳工质流体的流动动力由高压状态工质引射低压状态工质和压缩机共同分担，加上喷射器出口混合扩压后的压力高于蒸发器出口的工质压力，压缩机的压缩比可明显降低。
2.双级压缩节省了耗功，双级冷却为制冷系统的余热回收处理存留了较大操作空间。
3.采用二级压缩机与膨胀机轴连的方式，回收膨胀功直接利用，无能量的二次传递。
4.喷射器和膨胀机的使用避免了较大的节流损失。
5.其包含的温控系统实现制冷系统制冷量的自动调节。
附图说明
图1是传统回热二氧化碳跨临界循环结构图；
图2是现有的双级压缩中间冷却的二氧化碳跨临界循环结构图；
图3是本发明的一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法的结构示意图；
图4是本发明的二氧化碳跨临界循环的压焓图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行描述，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。
如图3-4所示，本发明的一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法，包括以下步骤：
步骤一、进入气液分离器f的二氧化碳工质6进行气液分离，气液分离后上层的二氧化碳气相工质1进入一级压缩机a，然后进入步骤二；下层的二氧化碳液相工质7进入膨胀机g，然后进入步骤七；其中上层的二氧化碳气相工质以及下层的二氧化碳液相工质的温度在5℃-12℃之间(如：5℃、8℃、12℃)，压力在4.05Mpa～4.77Mpa之间(如：可以为4.05Mpa、4.5Mpa、4.77Mpa)；
步骤二、二氧化碳气相工质在一级压缩机a压缩成温度在46.9℃～52.5℃之间(如：46.9℃、50℃、52.5℃)，压力在6.97Mpa～7.56MPa之间(如：6.97Mpa、7MPa、7.56MPa)的一级压缩气体2，然后通过一级油分离器除掉液态润滑油后进入气体冷却器b，本步骤中一级压缩气体所达到的压力并没有达到需要达到的值，还需要进一步的压缩；
步骤三、一级压缩气体在气体冷却器b内进行等压降温使得一级压缩气体温度在39.7℃～45.6℃之间(如：39.7℃、42℃、45.6℃)，压力在6.97Mpa～7.56MPa之间(如：6.97Mpa、7.2MPa、7.56MPa)，得到一级压缩降温气体3并送入二级压缩机c；
步骤四、一级压缩降温气体在二级压缩机c内进一步压缩成温度在85℃～100℃之间(如：85℃、90℃、100℃)，压力在11.24Mpa～12.35MPa之间(如：11.24Mpa、12.2MPa、12.35MPa)的二级压缩气体4，然后送入二级气体冷却器d，此时的压差达到了制冷的要求；
步骤五、进入二级气体冷却器d的二级压缩气体进行等压热交换过程，从二级气体冷却器中出来进入喷射器的二氧化碳冷却气体是温度在18℃～25℃(如：18℃、22℃、25℃)，压力在11.24Mpa～12.35MPa之间(如：11.24Mpa、11.5MPa、12.35MPa)的高压中低温的二氧化碳气体5。经历两次的压缩与冷却，气体已经达到所需要的压力,之后进入喷射器e。
步骤六、进入喷射器e的二氧化碳气体5通过喷射器的混合室引射来自蒸发器的低压二氧化碳工质9，并将温度在5℃～12℃之间(如：5℃、8℃、12℃)，压力在4.05Mpa～4.77Mpa之间(如：4.05Mpa、4.5MPa、4.77Mpa)的二氧化碳工质送入气液分离器f，然后重复步骤一；
步骤七、液相的二氧化碳工质7进入膨胀机g，压力进一步降低至2.05Mpa～2.65MPa之间(如：2.05Mpa、2.5MPa、2.65Mpa)，而后全部进入蒸发器h的管程，在蒸发器h中与蒸发器壳程内的冷冻剂进行热交换，完成制冰的工作后形成温度-15℃～-10℃之间(如：-15℃、8℃、10℃)，压力在2.05Mpa～2.65MPa之间(如：2.05Mpa、2.4MPa、2.65Mpa)低温低压的气体9进入到喷射器e中，与来自二级气体冷却器d的二氧化碳气体5混合，完成对于压力的调整，从而减小一级压缩机a的压缩比。
步骤八、蒸发器h中完成热交换的冷冻剂送入分液器j，经过分液器j送入各个冰场排管k，然后通过集液器i返回至蒸发器h的壳程。
本循环过程中采用的二氧化碳工质加压输入气液分离器充入系统，该二氧化碳工质来自二氧化碳储液罐。
优选的，膨胀机g的转轴与压缩机c转轴之间通过连轴器连接，使得可以仅仅提供单个压缩机(膨胀机)工作的压缩(膨胀)功而保证两个部件可以同时工作。本方法作为一种节能措施，可以减少一部分功的输入从而达到节能减排的目的。
优选的，为了使得夜间冰面不会融化且不需要投入和白天相同的制冷剂量，本发明在冰面上安装有温度检测系统，所述的温度检测系统的信号输出端与温控系统信号输入端相连，在喷射器e与二级气体冷却器d相连的进口以及喷射器e与蒸发器h相连的进口处分别安装有数字控制阀门，所述的温控系统的信号输出端与数字控制阀门相连。随冰面温度而变化控制数字控制阀门的开度，达到夜间既保证冰面不融化又可以尽可能减少能耗输入的目的。
本发明中涉及的各种设备采用现有设备即可。
以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、进入气液分离器(f)的二氧化碳工质进行气液分离，气液分离后上层的二氧化碳气相工质进入一级压缩机(a)，然后进入步骤二，下层的二氧化碳液相工质进入膨胀机(g)，然后进入步骤七；其中上层的二氧化碳气相工质以及下层的二氧化碳液相工质的温度在5℃-12℃之间，压力在4.05Mpa～4.77Mpa之间；
步骤二、二氧化碳气相工质在一级压缩机压缩成温度在46.9℃～52.5℃之间，压力在6.97Mpa～7.56MPa之间的一级压缩气体，然后通过一级油分离器除掉液态润滑油后进入气体冷却器(b)；
步骤三、一级压缩气体在气体冷却器内进行等压降温使得一级压缩气体温度在39.7℃～45.6℃之间，压力在6.97Mpa～7.56MPa之间，得到一级压缩降温气体并送入二级压缩机(c)；
步骤四、一级压缩降温气体在二级压缩机内进一步压缩成温度在85℃～100℃之间，压力在11.24Mpa～12.35MPa之间的二级压缩气体，然后送入二级气体冷却器(d)；
步骤五、进入二级气体冷却器的二级压缩气体进行等压热交换过程，从二级气体冷却器中出来进入喷射器的二氧化碳冷却气体是温度在18℃～25℃，压力在11.24Mpa～12.35MPa的高压中低温的二氧化碳气体；
步骤六、进入喷射器(e)的二氧化碳气体通过喷射器的混合室引射来自蒸发器的低压二氧化碳工质，并将温度在5℃～12℃之间，压力在4.05Mpa～4.77Mpa之间的二氧化碳工质送入气液分离器，然后重复步骤一；
步骤七、液相的二氧化碳工质进入膨胀机(g)，压力进一步降低成压力在2.05Mpa～2.65MPa之间的二氧化碳液体工质后全部进入蒸发器(h)的管程，在蒸发器中与蒸发器壳程内的冷冻剂进行热交换，完成制冰的工作后形成温度-15℃～-10℃之间，压力在2.05Mpa～2.65MPa之间低温低压的气体进入到喷射器(e)中，与来自二级气体冷却器(d)的二氧化碳气体混合；
步骤八、蒸发器中完成热交换的冷冻剂送入分液器(j)，经过分液器送入各个冰场排管(k)，然后通过集液器(i)返回至蒸发器的壳程。
2.根据权利要求1所述的兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法，其特征在于：所述的膨胀机的转轴与压缩机转轴之间通过连轴器连接。
3.根据权利要求1或者2所述的兼顾多温区制热和制冷的二氧化碳跨临界循环方法，其特征在于：在冰面上安装有温度检测系统，所述的温度检测系统的信号输出端与温控系统信号输入端相连，在喷射器与二级气体冷却器相连的进口以及喷射器与蒸发器相连的进口处分别安装有数字控制阀门，所述的温控系统的信号输出端与数字控制阀门相连。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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