CN206637883U - 热电过冷器‑膨胀机联合辅助过冷co2跨临界制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热电过冷器‑膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，包括压缩机、蒸发器、气体冷却器，膨胀机和热电过冷器，所述压缩机连接气体冷却器，所述气体冷却器连接热电过冷器，所述热电过冷器通连接膨胀机，所述膨胀机连接所蒸发器，所述蒸发器与压缩机连接，所述膨胀机连接电源管理器，所述电源管理器通过供电电路连接压缩机以及热电过冷器。本新型用膨胀机代替传统的节流阀可有效恢复CO₂跨临界循环中相当大的节流损失，超临界CO₂流体进过膨胀机对外膨胀做功输出电能，可用于驱动热电过冷器提高CO₂过冷度，多余电能可供给压缩机使用，降低能耗；通过以上两过程相互协作，可有效提高能量的利用和整个CO₂跨临界制冷系统的能效。

Description

热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO2跨临界制冷系统

技术领域

本实用新型涉及CO₂制冷循环技术领域，尤其涉及一种热电过冷器和膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统。

背景技术

随着科技和社会的发展，资源利用和环境保护问题越来越受到人们的注。在制冷和热泵装置中广泛使用的CFCs、HCFCs由于对臭氧层破坏和温室效应有很大影响而遭淘汰，纷纷使用HFCs类制冷剂代替传统制冷剂。现《京都议定书》将HFCs列入温室气体名单，全球各国都在大力推进环保制冷剂代替高GWP制冷剂的工作。CO₂作为一种环境友好型工质，以其诸多优点再次受到了人们的关注。1)、CO₂对环境无破坏作用(ODP＝0、GWP＝1)，2)单位体积制冷量大，有利于减少设备体积，3)、二氧化碳粘度低，其流动损失小、传热效果好，4)化学性质很稳定等。

但是，CO₂作为新型制冷剂仍存在一些问题。CO₂的临界温度为31.1℃，临界压力高达7.38MPa，系统的工作压力很高。CO₂跨临界制冷循环一般用于低温制冷和超低温制冷，由于室外温度条件的限制，气体冷却器出口温度比较高，略高于环境温度，节流损失比较大，导致整个系统的效率不高。

因此需要我们提出一种方案对CO₂制冷系统进行改善，从而大幅度提高系统的效率。

实用新型内容

本实用新型目的在于提出一种热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷的CO₂跨临界系统。

为了解决以上问题，本实用新型所提出的方案是：

一种热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，包括压缩机、蒸发器、气体冷却器，还包括膨胀机和热电过冷器，所述压缩机通过第 一管路连接气体冷却器，用于将压缩形成的超临界CO₂流体送入所述气体冷却器，所述气体冷却器通过第二管路连接热电过冷器，用于对所述超临界CO₂流体放热后送到热电过冷器，由所述热电过冷器从气体冷却器出口的CO₂流体中吸收热量，实现对CO₂流体的过冷，输出低温高压CO₂气体；所述热电过冷器通过第三管路连接膨胀机，用于将所述低温高压CO₂气体送到膨胀机，由所述膨胀机对外膨胀做功输出电能及低温低压两相CO₂流体送到通过第四管路连接所述膨胀机的蒸发器，所述蒸发器通过第五管路与压缩机连接，用于将吸热后的气液两相CO₂流体送入所述压缩机进行压缩处理成所述超临界CO₂流体；所述膨胀机连接电源管理器，所述电源管理器通过供电电路连接压缩机以及热电过冷器，所述电源管理器用于将膨胀机形成的电能能量储存并实现电能分配，以驱动热电过冷器，或将多余的电能供给压缩机。

所述热电过冷器包括热电冷却模块，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路，所述热电冷却模块的下侧面贴合有风冷散热模块或水冷散热模块，所述二氧化碳管路分别与所述第二管路与第三管路相连接。

所述二氧化碳管路采用多孔扁管。

所述多孔扁管采用铝材质制作。

在CO₂跨临界制冷系统中，气液两相的CO₂流体从蒸发器吸热后，进入压缩机吸气端，由压缩机压缩为超临界CO₂流体，之后进入气体冷却器向周围环境放热，此时CO₂流体的放热温度略高于环境温度，然后流体进入热电过冷器进一步冷却为低温高压CO₂流体，经过膨胀机对外做功后变为低温低压的气液两相流体，直至进入蒸发器吸收热量，完成整个制冷循环。

另外，CO₂超临界流体在经过膨胀机时，对外做功变为低温低压的气液两相流体，同时输出电能储存在电源管理器中。通过电源管理器对膨胀机输出的电能进行合理分配，例如膨胀机输出的电能可以驱动热电过冷器，多余的电量可以分配用于驱动压缩机，反之则可以补充不足的电量。三者协作来提高利用率和性能。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

1)、CO₂制冷循环中，CO₂流体的工作压力高，用膨胀机代替传统的节流阀可以有效恢复CO₂跨临界循环中相当大的节流损失。

2)、超临界CO₂流体进过膨胀机对外膨胀做功输出电能，可以用于驱动热电过冷器提高CO₂过冷度，多余电能可供给压缩机使用，降低能耗。

3)、通过以上两个过程的相互协作，可以有效的提高能量的利用和整个CO₂跨临界制冷系统的能效。

附图说明

图1为本实用新型的热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷的CO₂跨临界系统的示意图；

图2是本实用新型提供的一种热电过冷器的结构示意图；

图3是本实用新型提供的又一种热电过冷器的结构示意图；

图中：1、压缩机；2、气体冷却器；3、膨胀机；4、蒸发器；5、热电过冷器；6、电源管理器。

具体实施方式

如图1所示，一种热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷的CO₂跨临界系统，包括压缩机1、蒸发器4、气体冷却器2，还包括有膨胀机3和热电过冷器5，其中，所述压缩机1通过第一管路连接气体冷却器2，用于将压缩形成的超临界(温度为50℃～150℃，压力为7.5Mpa～14Mpa)CO₂流体送入所述气体冷却器2，所述气体冷却器2通过第二管路连接热电过冷器5，用于对所述超临界CO₂流体放热后(放热后温度为30℃～45℃，压力为7.5Mpa～14Mpa)送到热电过冷器5，所述热电过冷器5用于从气体冷却器2出口的CO₂流体中吸收热量，实现对CO₂流体的过冷，输出低温高压(温度为-20℃～10℃，压力为7.5Mpa～14Mpa)CO₂气体；所述热电过冷器5通过第三管路连接膨胀机3，用于将所述低温高压CO₂气体送到膨胀机3，由所述膨胀机3对外膨胀做功输出电能以及低温低压(温度为-5℃～-20℃，压力为2Mpa～4.5Mpa)两相CO₂流体送到通过第四管路连接所述膨胀机3的蒸发器4，所述蒸发器4通过第五管路与压缩机1的CO₂入口连接，用于将吸热后的低温低压(温度为-20℃～10℃，压力为2Mpa～4.5Mpa)气液两相CO₂流体送入所述压缩机1 进行压缩处理成所述超临界CO₂流体。

其中，所述膨胀机自带有发电机，通过所述的发电机连接电源管理器6，所述电源管理器6通过供电电路连接至压缩机1以及热电过冷器5，电源管理器6用于将膨胀机及发电机形成的电能能量储存并实现电能的分配，用于驱动热电过冷器，或将多余的电能供给压缩机使用，为现有技术设备，可直接采购市面上相应的发电用的电源管理器组装即可。

需要说明的是，本实用新型中，所述膨胀机通过发电机连接电源管理器6，所述电源管理器6通过供电电路分配电能到给压缩机1以及热电过冷器5为现有公知膨胀机以及发电机的发电供电控制系统，可以采用现有公知的技术以及电路结构实现，对此不再进行详细的说明发电以及供电的电路结构。

由于CO₂制冷系统运行压力高，故采用膨胀机代替节流阀恢复节流过程中相当大的损失，同时CO₂流体膨胀做功发电驱动热电过冷器对气体冷却器出口的CO₂流体进一步过冷，使放热温度降到环境温度以下，制冷量得到提高，还能降低能耗，提升CO₂制冷系统的性能

所述热电过冷器是基于帕尔帖效应的半导体制冷装置，通电即制冷。所述热电过冷器包括热电冷却模块，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路，所述热电冷却模块的下侧面贴合有散热装置，所述散热装置可以是风冷散热模块或水冷散热模块，所述二氧化碳管路分别与所述第二管路与第三管路相连接。

图2示出一种所述热电过冷器的结构，包括热电冷却模块51，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路52，所述热电冷却模块的下侧面贴合有风冷散热模块，其中，所述风冷散热模块包括风冷热沉4以及设在所述风冷热沉下方的风扇3。

所述热电冷却模块1由若干对热电偶N、P构成，连接电源装置54，为现有技术结构。根据帕耳贴效应，当电流流过热电冷却模块，在热电冷却模块的冷端产生制冷效应，在热电冷却模块的另外一段发生制热效应。

其中，所述二氧化碳管路采用多孔扁管。所述多孔扁管采用铝材质制作。优选的，所述CO₂热电过冷器的二氧化碳管采用多孔扁管，多孔扁管的水力直径较小，因此其承压能力大大提高。这样的结构还有一个优势，即二氧化 碳管的换热通道壁面能够和热电冷却模块的热电片紧密贴合，如果是圆形通道就很难贴合。

其中，所述的多孔扁管为微通道扁管，其内部轴向方向具有多个均匀布置的孔径微小的制冷剂通道，通道间相互封闭，可以采用铝材质制作而成。

其中，所述的风扇53和风冷热沉54是用来帮助维持恒定温度的，在电流流过热电模块51时，由于帕尔贴效应，会吸收二氧化碳管路52中二氧化碳的热量，从而实现二氧化碳的过冷。所述二氧化碳管路52用于CO₂自一端521流入，到另一端522流出。

图3示出又一热电过冷器的结构，包括热电冷却模块51，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路52，所述热电冷却模块的下侧面贴合有水冷散热模块53。

所述热电冷却模块由若干对热电偶N、P构成，连接电源装置50，为现有技术结构。根据帕耳贴效应，当电流流过热电冷却模块，在热电冷却模块的冷端产生制冷效应，在热电冷却模块的另外一段发生制热效应。

如实施例1所述，所述二氧化碳管路同样采用多孔扁管，即在扁管的管壁均匀设有微孔。所述扁管可以采用铝材质制作而成。

其中，所述水冷散热模块为水冷管路，具有循环冷却水的进水口531与出水口532，实现冷却水循环输送。

其中，所述水冷散热模块2可以保证其恒温状态，在电流流过热电冷却模块1时，由于帕尔贴效应，会吸收二氧化碳管路中二氧化碳的热量，从而实现二氧化碳的过冷。

本实施例中，所述热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷的CO2跨临界系统的工作原理是：

第一阶段：气液两相CO₂流体从蒸发器4吸热后进入压缩机1压缩为超临界流体，然后进入气体冷却器2向周围环境放热，此时超临界的CO₂流体的温度略高于环境温度。

第二阶段：热电过冷器5从气体冷却器2出口的CO₂流体中吸收热量，实现对CO₂流体的过冷，此时CO₂为低温高压的气体。

第三阶段：低温高压的气体进入到膨胀机3，对外膨胀做功，输出电能， 储存在电源管理器6中，由电源管理器协调电能的分配，用于驱动热电过冷器，或者分担一部分压缩机的电能输入。

第四阶段：从膨胀机3出来的低温低压两相流体再次进入蒸发器吸收热量，从而完成整个系统的循环。

所述的CO₂跨临界制冷循环中，所用的膨胀机为现有技术设备，所述热电过冷器采用CO₂热电过冷器。

其中，所述低温低压的CO₂两相流体进入蒸发器吸热然后进入压缩机压缩为超临界CO₂流体，随后进入气体冷却器向周围环境换热，此时气体冷却器出口的CO₂温度略高于环境温度。

热电过冷器对气体冷却器出口出来的略高于环境温度的高压的CO₂流体进一步过冷，使之成为低温高压的CO₂气体。

低温高压的CO₂气体进入膨胀机，膨胀机对外做功输出电能，能量储存在电源管理器中，由电源管理器实现电能的分配，用于驱动热电过冷器，多余的电能可以供给压缩机使用。

从膨胀机出来的低温低压的CO₂两相流体再次进入蒸发器吸热，从而完成整个制冷循环。

利用膨胀机回收的一部分功输出电能，用于驱动热电过冷器对气冷器出口的CO₂流体进一步过冷，放热温度降低至环境温度以下，制冷量得到提高，同时多余的电能可以供给压缩机使用，有效降低能耗。综上所述，CO₂跨临界系统的效率可以得到大幅度的改善。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，包括压缩机、蒸发器、气体冷却器，其特征在于，还包括膨胀机和热电过冷器，所述压缩机通过第一管路连接气体冷却器，用于将压缩形成的超临界CO₂流体送入所述气体冷却器，所述气体冷却器通过第二管路连接热电过冷器，用于对所述超临界CO₂流体放热后送到热电过冷器，由所述热电过冷器从气体冷却器出口的CO₂流体中吸收热量，实现对CO₂流体的过冷，输出低温高压CO₂气体；所述热电过冷器通过第三管路连接膨胀机，用于将所述低温高压CO₂气体送到膨胀机，由所述膨胀机对外膨胀做功输出电能及低温低压两相CO₂流体送到通过第四管路连接所述膨胀机的蒸发器，所述蒸发器通过第五管路与压缩机连接，用于将吸热后的气液两相CO₂流体送入所述压缩机进行压缩处理成所述超临界CO₂流体；所述膨胀机连接电源管理器，所述电源管理器通过供电电路连接压缩机以及热电过冷器，所述电源管理器用于将膨胀机形成的电能能量储存并实现电能分配，以驱动热电过冷器，或将多余的电能供给压缩机。

2.根据权利要求1所述热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，其特征在于，所述热电过冷器包括热电冷却模块，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路，所述热电冷却模块的下侧面贴合有风冷散热模块或水冷散热模块，所述二氧化碳管路分别与所述第二管路与第三管路相连接。

3.根据权利要求2所述热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，其特征在于，所述二氧化碳管路采用多孔扁管。

4.根据权利要求3所述热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，其特征在于，所述多孔扁管采用铝材质制作。