CN212299528U - 一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器、压缩机、冷凝器和储液器，在冷凝器与储液器之间设置有溢流压差阀，溢流压差阀包括壳体、密封垫片、入口和出口，入口与冷凝器的出口相连通，出口与储液器相连通；密封垫片设置在壳体内部形成的空腔内，入口和出口均与壳体内部的空腔相连通，密封垫片根据压力的变化能够在壳体内移动，实现入口与出口的连通或阻断。其有益效果是：机械溢流压差阀不仅结构简单，成本低，易于维护，同时能够保证单级二氧化碳制冷系统安全高效运行。溢流压差阀能够调节冷凝器内的冷凝压力，使冷凝压力保持在合适的范围内，保证系统的正常运行。

Description

一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统
技术领域
本实用新型涉及制冷领域，特别涉及一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统。
背景技术
在制冷领域，目前国内外大多采用氟利昂作为制冷剂，但是氟利昂会破坏大气臭氧层，从而产生较高的温室效应。由于氨(R717)的不稳定性而且成本非常高，还会使制冷系统存在不安全因素，故氨(R717)也不是经济安全的制冷剂。随着国际社会对节能减排、环境保护方面的关注度不断加强，氟利昂制冷剂的淘汰步伐也随之加快，二氧化碳作为一种安全、节能、环保的制冷剂，具有广泛的应用前景和可观的经济价值。
由于二氧化碳冷凝器中的冷凝压力会出现过高或过低的情况，需要控制冷凝压力，使冷凝压力保持在适宜的范围内。因此，如何对二氧化碳制冷系统节流稳压，确保系统安全运行，是本领域面临的棘手问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够对二氧化碳制冷系统节流稳压，确保系统安全运行的包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统。
本实用新型提供的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其技术方案为：
一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器、压缩机、冷凝器和储液器，在冷凝器与储液器之间设置有溢流压差阀，溢流压差阀包括壳体、密封垫片、入口和出口，入口与冷凝器的出口相连通，出口与储液器相连通；密封垫片设置在壳体内部形成的空腔内，入口和出口均与壳体内部的空腔相连通，密封垫片根据压力的变化能够在壳体内移动，实现入口与出口的连通或阻断。
优选地，所述溢流压差阀还包括弹簧，弹簧的一端与密封垫片连接，另一端固定在壳体上，密封垫片的形状与壳体内空腔的截面形状相匹配，密封垫片能够随弹簧的压缩或释放往复移动。
优选地，蒸发器与储液器之间设置有膨胀阀。
优选地，二氧化碳制冷系统包括低压循环桶，低压循环桶的出液口与蒸发器的入口端相连通，蒸发器的出口端与低压循环桶相连通，低压循环桶的出气口与压缩机相连通。
优选地，低压循环桶内设置有液位计，用于测量低压循环桶内的二氧化碳液体的液面高度。
优选地，低压循环桶与蒸发器之间的管道上设置泵。
优选地，冷凝器是设置在冻土层以下的地源式冷凝器，地源式冷凝器包括地埋管。
优选地，冷凝器是闪蒸式冷凝器，闪蒸式冷凝器包括壳体、负压风机、换热装置和水雾化装置，负压风机设置在壳体上，负压风机使壳体内部形成负压环境，水雾化装置和换热装置设置在壳体内，水雾化装置将雾化后的水喷射到壳体内部，雾化水在负压环境下蒸发为蒸汽，将换热装置内的二氧化碳介质冷凝液化。
优选地，负压风机的排风量大于封闭壳体内雾化水的蒸发量，壳体内的压力低于环境大气压20Pa以上，闪蒸式冷凝器设置有调压装置，调压装置靠近水雾化装置设置，通过调压装置通入的气体与分散并悬浮在负压环境的封闭壳体的腔体内的水雾形成气溶胶，冷凝器与水雾进行辐射换热和/或接触换热，水雾进行非沸腾相变将热量带走；水蒸气和未蒸发的水雾直接排放到大气中。
优选地，制冷系统包括文丘里管，文丘里管包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段，收缩段与压缩机出口相连通，扩散段与冷凝器入口相连通，喉道与储液器上部相连通。
本实用新型的实施包括以下技术效果：
本实用新型在二氧化碳制冷系统中增加机械溢流压差阀，通过机械溢流压差阀控制和调整冷凝器的冷凝压力，使冷凝压力保持在适宜的范围内。机械溢流压差阀不仅结构简单，成本低，易于维护，同时能够保证本实用新型的单级二氧化碳制冷系统安全高效运行。溢流压差阀能够调节冷凝器内的冷凝压力，使冷凝压力保持在合适的范围内，保证系统的正常运行。此外，溢流压差阀还具有一定的节流作用，节流作用能够将二氧化碳进行分级降压，确保系统安全高效的运行。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图2溢流压差阀结构示意图。
图3为实施例1的重力式供液的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图4为实施例1的泵供液的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图5为本实用新型实施例2的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图6为实施例2的重力式供液的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图7为实施例2的泵供液的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图8为实施例3的地源式冷凝器的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图9为实施例4的闪蒸式冷凝器的单级二氧化碳制冷系统示意图。
图10为闪蒸式冷凝器结构示意图。
图中：1、压缩机；2、文丘里管；3、冷凝器；30、地源式冷凝器；31、闪蒸式冷凝器；310、高负压区；311、换热区；312、气溶胶区；313、调压装置；314、水雾化装置；315、封闭壳体；316、负压风机；317、换热装置；4、溢流压差阀；40、密封垫片；41、弹簧；42、壳体、43、入口；44、出口；5、储液器；6、膨胀阀；7、蒸发器；8、低压循环桶；9、泵。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本实用新型加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
参见图1和图2所示，本实施例提供的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器7、压缩机1、冷凝器3和储液器5，鉴于冷凝器3中的冷凝压力会出现过低或过高的情况，因此，需要控制压差、控制冷凝压力，本实施例中，在冷凝器3与储液器5之间设置有溢流压差阀4，参见图2所示，溢流压差阀4包括壳体42、密封垫片40、入口43和出口44，入口43与冷凝器3的出口相连通，出口44与储液器5相连通；密封垫片40设置在壳体42内部形成的空腔内，入口43和出口44均与壳体42内部的空腔相连通，密封垫片40根据压力的变化能够在壳体42内移动，实现入口43与出口44的连通或阻断。
具体地，所述溢流压差阀还包括弹簧41，弹簧41的一端与密封垫片40连接，另一端固定在壳体42上，密封垫片40的形状与壳体42内空腔的截面形状相匹配，密封垫片40可随弹簧41的压缩或释放往复移动。密封垫片40与弹簧41的相对位置确定了经冷凝器3出来的二氧化碳液体的差压值的大小。当压差变化时，弹簧41力的平衡被破坏，从而带动密封垫片40运动，可以控制被控差压值为设定值。
当冷凝器3冷凝压力过低时，则溢流压差阀4入口43一侧的压力较低，此时溢流压差阀4内的密封垫片40和弹簧41受到的阻力小，弹簧41释放，使密封垫片40位于溢流压差阀4的入口43和出口44之间，即溢流压差阀4处于关闭状态。溢流压差阀4关闭时，冷凝器3中的二氧化碳制冷剂无法通过溢流压差阀4排出，会使冷凝器3中的压力增大，以提高冷凝器3中的冷凝压力。
当冷凝器3中的压力逐渐升高时，溢流压差阀4中的密封垫片40和弹簧41受到的压力也逐渐增大，此时弹簧41会逐渐被压缩，密封垫片40会逐渐向溢流压差阀4的下部移动。当冷凝器3中的压力升高至适宜工作的冷凝压力时(高于蒸发压力30～40Kg/cm2)，密封垫片40移动至溢流压差阀4出口44的下部，使溢流压差阀4的入口43和出口44相连通，此时溢流压差阀4处于打开状态，二氧化碳制冷剂可通过溢流压差阀4的出口44排出，进入储液器5中。
随着二氧化碳制冷剂通过溢流压差阀4排出，冷凝器3中的冷凝压力会逐渐下降，当冷凝压力过低时，密封垫片40在弹簧41的推动下再次移动至溢流压差阀4出口44的上端，使溢流压差阀4关闭。如此往复，可使冷凝器3中的压力始终保持在适宜的范围内，确保冷凝器3高效运行。
需要特别说明的是，现有二氧化碳制冷系统由于冷凝器3的冷凝效率不够高，二氧化碳冷凝效果不理想，常常会发生冷凝器3冷凝压力过高的现象，为了检测并控制冷凝压力，与现有的二氧化碳制冷系统不同的是，本实施例优选采用的是机械溢流压差阀4，通过机械溢流压差阀4控制和调整冷凝器3的冷凝压力，使冷凝压力保持在适宜的范围内。机械溢流压差阀4不仅结构简单，成本低，易于维护，同时能够保证本实用新型的单级二氧化碳制冷系统安全高效运行。溢流压差阀4能够调节冷凝器3内的冷凝压力，使冷凝压力保持在合适的范围内，保证系统的正常运行。此外，溢流压差阀4还具有一定的节流作用，节流作用能够将二氧化碳进行分级降压，确保系统安全高效的运行。
进一步地，蒸发器7与储液器5之间设置有膨胀阀6，膨胀阀6可降低储液器5中二氧化碳制冷剂的压力，使降压后的二氧化碳制冷剂进入蒸发器7中气化制冷。通过调节膨胀阀6，还可控制流入蒸发器7中的二氧化碳制冷剂的流量。由此，在本实用新型的单级二氧化碳制冷系统中，可通过二氧化碳制冷剂的气液相变实现制冷效果。
高速旋转的压缩机1内，如果出现液态冷媒，会对压缩机1造成严重损毁。因此，为了确保安全运行，传统的直膨式制冷系统通常会通过调节膨胀阀6的开度，控制进入蒸发器7的制冷剂的流量，以使制冷剂在蒸发器7内充分气化。但这种供液方式无法充分利用蒸发器7的换热面积，影响系统的制冷效率。
具体地，参见如3所示，本实施例的二氧化碳制冷系统包括低压循环桶8，低压循环桶8的出液口与蒸发器7的入口端相连通，蒸发器7的出口端与低压循环桶8相连通，低压循环桶8的出气口与压缩机1相连通，膨胀阀6设置在低压循环桶8与储液器5之间。如此设置，可以调节膨胀阀6的开度，加大二氧化碳液体的流量，使蒸发器7的出口端仍有一部分未完全蒸发的低压液体，如此可使蒸发器7的换热面积得到充分利用；未完全蒸发的二氧化碳液体暂存在低压循环桶8中，不会进入到压缩机1内，既充分利用了蒸发器7的换热面积，又能够确保系统的安全运行。此外，在低压循环桶8内可以设置有液位计(图中未视出)，用于测量低压循环桶8内的二氧化碳液体的液面高度。
下面结合上述的描述，对制冷剂循环系统的工作过程进行详细说明：调节膨胀阀6的开度，加大二氧化碳液体的流量，使蒸发器7内的换热面积得到充分利用，此时，蒸发器7的出口端会流出低压二氧化碳气体，以及未完全蒸发的低压二氧化碳液体；蒸发器7出口端流出的二氧化碳气液混合物会进入低压循环桶8中完成气液分离，气态的二氧化碳制冷剂被压缩机1抽出，液态的二氧化碳制冷剂暂存在低压循环桶8中；当低压循环桶8中的液态二氧化碳制冷剂累积到一定量时，液位计达到所设上限，减小或暂停二氧化碳液体的供应量。
低压循环桶8结构能够使蒸发器7的换热面积得到充分利用，增强了换热效果，提高系统的制冷效率，同时保证系统的安全运行，且制冷剂循环系统的结构简单，方便控制，运行稳定可靠。
低压循环桶8的供液方式为泵供液方式(图4所示)或者重力供液的方式(图3所示)，泵供液方式为在低压循环桶8与蒸发器7之间的管道上设置泵9，设置泵9可增加二氧化碳液体的供应量，使得蒸发器7的冷凝效果更好。
本实用新型的单级二氧化碳制冷系统，对传统二氧化碳制冷系统的整体结构进行了简化和优化，同时大幅度的提高了制冷效率，实现了二氧化碳制冷剂单级循环制冷，且系统运行稳定，方便控制。
实施例2
本实施例与实施例1不相同的部分是，参见图5至图7所示，制冷系统包括文丘里管2，文丘里管2包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段，收缩段与压缩机1出口相连通，扩散段与冷凝器3入口相连通，喉道与储液器5上部相连通。
经压缩机1压缩后的二氧化碳气体在进入冷凝器3前，会先经过文丘里管2，二氧化碳气体首先由文丘里管2的进气口进入入口段，再通过收缩段时，由于管道的直径逐渐变小，使气流由粗变细，因此气体的流动速度逐渐加快。二氧化碳气体在进入喉道时流速达到最高，此时基于文丘里效应，喉道内的二氧化碳气体的附近会产生低压，使喉道内形成负压环境。喉道与储液器5内存储二氧化碳的储液器5相连通，在喉道内负压环境的吸附作用下，储液器5内的二氧化碳气体会被抽吸至文丘里管2中，与压缩机1压缩后的二氧化碳气体一起进入文丘里管2的扩散段内，继续冷凝。由于压缩机1压缩后的二氧化碳气体连续不断地通过文丘里管2，因此储液器5中的二氧化碳气体也会连续不断地流入文丘里管2内，与压缩机1压缩后的二氧化碳气体一起进入冷凝器3中进行换热冷凝。
此外，还需要特别说明的是，文丘里管2在工作过程中不需要提供额外的动力，即无需添加如电机一类的动力组件，完全依靠二氧化碳自身物性即可实现循环工作。二氧化碳本身具有临界压力高(处于气态状态时的压力较高)、临界温度低(在较低温度下更易保持在气态状态)的特性，与其它制冷剂相比，二氧化碳制冷剂在文丘里管2内的流速更高，产生的低压更低，使文丘里管2内的负压环境具有更强的吸附效果，因此，二氧化碳制冷剂的自身物性能够维持和促进文丘里管2的快速高效运行。
同时，由于储液器5内的闪发二氧化碳气体为低温气体(约13℃)，在文丘里管2内与压缩机1压缩后的高温二氧化碳气体(约90℃)混合时，会使高温二氧化碳气体的温度降低，也就是说，在高温二氧化碳气体进入冷凝器3内冷凝之前，先进行了一次降温，降温后的气体再进入冷凝器3中进行冷却，能够提高冷凝器3的冷凝效率，进一步促进二氧化碳气体冷凝液化。
实施例3
本实施例与实施例1不同的部分是，参加图8所示，冷凝器3是设置在冻土层以下的地源式冷凝器30，具体的，地源式冷凝器30包括地埋管(图中未示出)，地埋管可为多根并联设置的直线型管体结构，也可为多根并联设置的U型管体结构，或多根并联设置的螺旋型管体结构。地埋管设置在冻土层以下，优选地，地埋管沿垂直方向设置。
具体地，蒸发器7中产生的低温低压二氧化碳气体，经压缩机1吸入后，压缩成高温高压的二氧化碳气体，排入到地埋管中；地埋管中的二氧化碳气体与地下周围土壤或地下水之间进行热交换后，冷凝为高压的二氧化碳液体，经溢流压差阀4降压后，进入储液器5中暂存，以再次进入蒸发器7中蒸发制冷。
由于地下较深层的温度稳定保持在二氧化碳的液化临界温度以下，因此，将冷凝器3设置在地面以下，能够保证冷凝器3的工作环境温度低于二氧化碳的液化临界温度，从而解决因工作环境温度过高导致的二氧化碳制冷剂难以液化的问题，提高系统的制冷效率。
实施例4
本实施例与实施例1不相同的部分是，参见图9所示，冷凝器3是闪蒸式冷凝器31，具体参见图10所示，闪蒸式冷凝器31包括封闭壳体315、负压风机316、换热装置317和水雾化装置314，负压风机316设置在封闭壳体315上，负压风机316使封闭壳体315内部形成负压环境，水雾化装置314和换热装置317设置在封闭壳体315内，水雾化装置314将雾化后的水喷射到封闭壳体315内部，雾化水在负压环境下蒸发为蒸汽，将换热装置317内的二氧化碳介质冷凝液化。
具体地，经水雾化装置314的喷嘴喷出的低温雾化小水滴在负压风机316的作用下逐渐由气溶胶区312依次向换热区311，高负压空间区漂移，直至排出换热装置317，在整个漂移过程中每个小水滴不断的吸收换热装置317辐射出来的热量，小水滴表面水分子在负压和辐射的双重作用下脱离小水滴的内部作用力逃逸出去形成气态水分子，连续供应的雾化水把换热装置317内的热量源源不断的携带出去，使换热装置317内的制冷介质降温；水蒸气和未蒸发的小水滴在负压的作用下排出封闭壳体315。封闭壳体315构成的腔体在离负压风机316近的部分形成高负压区310，将腔体内的水汽持续的排出封闭壳体315；布置有换热装置317的部分是换热区311；接近水雾化装置314的部分为气溶胶区312。宏观上看就是水滴在腔体由下而上的过程通过负压的作用，水滴表面水分子通过非沸腾相变的蒸发吸热把换热装置317内的热量源源不断的携带出去，从而达到使换热装置317内的介质降温的效果。
负压风机316的排风量大于封闭壳体315内雾化水的蒸发量，壳体内的压力低于环境大气压20Pa以上，闪蒸式冷凝器31设置有调压装置313，调压装置313靠近水雾化装置314设置，通过调压装置313通入的气体与分散并悬浮在负压环境的封闭壳体315的腔体内的水雾形成气溶胶，冷凝器3通过与水雾进行辐射换热，水雾进行非沸腾相变将热量带走；水蒸气和未蒸发的水雾直接排放到大气中。
此外，未完全蒸发为蒸汽的小雾滴在经过冷凝器3时，还可以通过直接与冷凝器3接触的方式进行热交换，达到辅助降温制冷的作用。由于水雾化成雾滴后体积变小，因此更容易四散飘动，这就使雾滴的流动性加快，能够快速与冷凝器3完成热交换；且小体积的雾滴在直接接触换热的过程中又有大部分吸热蒸发为蒸汽，大大提高了制冷效率。
需要特别说明的是，与现有的风冷式换热器原理不同，闪蒸式封闭换热器采用的壳体是封闭式的，封闭壳体315是为了抑制室外风进入壳体内，防止壳体内进入过多的室外风，影响封闭壳体315内雾化水的蒸发。而现有的风冷式换热器恰恰相反，是通过风流经风冷式换热器中的冷凝器3实现换热制冷，因此进入设备壳体内的风量越大，风冷式换热器的制冷效果越好。
需要补充说明的是，上述的封闭壳体315不等同于完全密封的壳体，在实际生产中，板材与板材之间或板材与各组成部件之间的接缝处可能存在缝隙，当负压风机316向外排风时，外界环境中的空气可能会通过缝隙进入封闭壳体315内。这种少量的进气不会影响封闭壳体315内整体的负压环境，通过调节负压风机316的转速或调压装置313，能够使封闭壳体315内的负压环境处于一个相对稳定的压力值，因此不会对雾化水的蒸发效果产生影响，即不会影响闪蒸式封闭换热器的制冷效果。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器、压缩机、冷凝器和储液器，其特征在于：在所述冷凝器与所述储液器之间设置有溢流压差阀，所述溢流压差阀包括壳体、密封垫片、入口和出口，所述入口与所述冷凝器的出口相连通，所述出口与所述储液器相连通；所述密封垫片设置在所述壳体内部形成的空腔内，所述入口和所述出口均与壳体内部的空腔相连通，所述密封垫片根据压力的变化能够在壳体内移动，实现所述入口与所述出口的连通或阻断。
2.根据权利要求1所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述溢流压差阀还包括弹簧，所述弹簧的一端与所述密封垫片连接，另一端固定在所述壳体上，所述密封垫片的形状与所述壳体内空腔的截面形状相匹配，所述密封垫片能够随弹簧的压缩或释放往复移动。
3.根据权利要求1所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述蒸发器与所述储液器之间设置有膨胀阀。
4.根据权利要求1或2所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述二氧化碳制冷系统包括低压循环桶，所述低压循环桶的出液口与所述蒸发器的入口端相连通，所述蒸发器的出口端与所述低压循环桶相连通，所述低压循环桶的出气口与所述压缩机相连通。
5.根据权利要求4所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述低压循环桶内设置有液位计，用于测量低压循环桶内的二氧化碳液体的液面高度。
6.根据权利要求4所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述低压循环桶与蒸发器之间的管道上设置泵。
7.根据权利要求1所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述冷凝器是设置在冻土层以下的地源式冷凝器，所述地源式冷凝器包括地埋管。
8.根据权利要求1所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述冷凝器是闪蒸式冷凝器，所述闪蒸式冷凝器包括壳体、负压风机、换热装置和水雾化装置，所述负压风机设置在所述壳体上，所述负压风机使壳体内部形成负压环境，所述水雾化装置和所述换热装置设置在所述壳体内，所述水雾化装置将雾化后的水喷射到壳体内部，雾化水在负压环境下蒸发为蒸汽，将换热装置内的二氧化碳介质冷凝液化。
9.根据权利要求8所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：负压风机的排风量大于封闭壳体内雾化水的蒸发量，壳体内的压力低于环境大气压20Pa以上，所述闪蒸式冷凝器设置有调压装置，所述调压装置靠近所述水雾化装置设置。
10.根据权利要求4所述的一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述制冷系统包括文丘里管，所述文丘里管包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段，所述收缩段与压缩机出口相连通，所述扩散段与所述冷凝器入口相连通，所述喉道与所述储液器上部相连通。
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