CN212619438U - 一种带有内部回热器双喷射器的制冷循环系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有内部回热器双喷射器的制冷循环系统。本实用新型将CO₂作为制冷工质，制冰量大，并且能够实现气体冷却器热量能够很好被梯级利用；采用双压缩机和双喷射器，提高循环效率，减小能耗；本实用新型的制冷循环系统相对于传统二氧化碳制冷循环效率提高18～25％，

损失大约能减少35～45％；相对于新型喷射器二氧化碳制冷循环效率提高6～12％，在气体冷却器压力较低时，减小10％左右

损失，随着压力增大，二者

损失差距非常小；本实用新型的制热性能系数增长很小，制冷性能系数提高10～25％，因此在溜冰场这种低蒸发温度工况下更应该增加回热，有效利用冷能，降低运行成本。

Description

一种带有内部回热器双喷射器的制冷循环系统

技术领域

本实用新型涉及溜冰场制冷循环技术，具体涉及一种带有内部回热器和具有双喷射器的跨临界二氧化碳制冷循环系统。

背景技术

目前制冷系统的两个重要方面是环境角度和能源成本。一些对环境有害的传统制冷剂已被排除在市场之外，以天然制冷剂为代表的第二代制冷剂，例如氨气NH₃，已开发了50多年，具有许多优势。但是，在系统的安全性和效率方面仍然存在一些缺点。

NH₃泄漏的风险是间接设计的主要原因，因为该设计会在系统中尽可能限制NH₃，因此在分配循环中需要另一种液体。因此，由于系统中不同工作流体之间的热交换，间接NH₃/盐水系统的能耗比直接系统高。而二氧化碳是天然制冷剂，有望解决该问题。在溜冰场中使用二氧化碳的第一个概念是在1999年的奥地利(GEA2011)，第二个周期中使用了二氧化碳，其次级泵功率降低了80％。然后，凭借在超市中成功应用二氧化碳的成功案例，2011年在加拿大魁北克的一个溜冰场中，将二氧化碳的第二个概念用于整个生产周期，这使结果非常积极。

二氧化碳在现有的人工溜冰场的应用中采用间接制冷或传统制冷系统较多，同时制冷循环中节流阀处的能量损失很大，使得系统总性能系数C-COP(Comprehensivecoefficient of performance)下降，

损失也增大，并且在现有人工溜冰场中，热量需求供给不足，通常会配套辅助加热系统，不利于节能减排。

发明内容

针对目前溜冰场等制冷场合中二氧化碳制冷循环效率低且能耗大的不足，本实用新型提出了一种带有内部回热器的具有双喷射器的跨临界二氧化碳制冷循环系统。

本实用新型的带有内部回热器的具有双喷射器的跨临界二氧化碳制冷循环系统包括：高压压缩机、气体冷却器、回热器、第一喷射器、第一二氧化碳气液分离器、第二喷射器、第二二氧化碳气液分离器、低压压缩机、第一节流阀、第二节流阀以及冷端除湿设备；其中，高压压缩机的出口通过主回路管道依次经过气体冷却器和回热器连接至第一喷射器的主流体入口；第一喷射器的出口通过管道连接至第一二氧化碳气液分离器的入口；第一二氧化碳气液分离器的顶端气体出口通过第一回路管道经由回热器连接至高压压缩机的入口；第一二氧化碳气液分离器的底端液体出口通过管道连接至第二喷射器的主流体入口，并且第一二氧化碳气液分离器的顶端气体出口连接第一旁路管道，与连接第一二氧化碳气液分离器的底端液体出口的管道合路连接至第二喷射器的主流体入口；第二喷射器的出口通过管道连接至第二二氧化碳气液分离器的入口；第二二氧化碳气液分离器的顶端气体出口通过第二回路管道经由回热器连接至低压压缩机的入口；低压压缩机的出口连接至第一喷射器的次流体入口；第二二氧化碳气液分离器的底端液体出口通过管道连通至制冷场合内的蒸发器，在管道上设置第二节流阀，并且第二二氧化碳气液分离器的顶端气体出口连接第二旁路管道，与连接第二二氧化碳气液分离器的底端液体出口的管道合路连通至制冷场合内的蒸发器，第二旁路管道上设置第一节流阀；制冷场合内设置冷端除湿设备；冷端除湿设备通过第三回路管道经由回热器连接至第二喷射器的次流体入口；在回热器内的部分，主回路管道位于中心，第一至第三回路管道分别位于主回路管道的两侧。

高压压缩机对位于其内的低温低压CO₂气体加压，变成高温高压CO₂气体，通过主回路管道流经气体冷却器冷却，温度降低压力不变，变成低温高压CO₂气体，经由回热器进一步降低温度，低温高压CO₂气体作为主流体进入第一喷射器；

第一喷射器出射的低温低压CO₂气体进入第一二氧化碳气液分离器；

第一二氧化碳气液分离器中的低温低压CO₂气体通过第一回路管道经过回热器输送至高压压缩机内；

第一二氧化碳气液分离器的低温低压CO₂液体通过底端液体出口，与第一二氧化碳气液分离器的顶端气体出口多余的二氧化碳气体通过第一旁路管道，混合后一同进入第二喷射器，进一步降低温度和压强，通过第二喷射器的出口喷射至第二二氧化碳气液分离器；

第二二氧化碳气液分离器中的低温低压CO₂气体通过第二回路管道经过回热器输送至低压压缩机，经低压压缩机压缩作为次流体输送至第一喷射器；

第二二氧化碳气液分离器中的低温低压CO₂液体通过第二节流阀降温降压，与第二二氧化碳气液分离器的顶端气体出口多余的二氧化碳气体通过第二旁路管道，经过第一节流阀降温降压，达到制冷场合所需蒸发温度后，一同输送至制冷场合，对制冷场合进行降温，满足制冷场合需求；

制冷场合内的低温低压CO₂气体进入冷端除湿设备，低温低压CO₂气体通过第三回路管道经由回热器作为次流体输入至第二喷射器；

系统的循环中具有一个主回路以及第一至第三回路：从高压压缩机出来的高温高压CO₂通过主回路管道依次经由气体冷却器和回热器，变成低温高压CO₂气体，作为主流体至第一喷射器的主流体入口构成主回路；从第一二氧化碳气液分离器的顶端气体出口的低温低压 CO₂气体经由回热器输送至高压压缩机的出口构成第一回路；从第二二氧化碳气液分离器的顶端气体出口的低温低压CO₂气体经由回热器输送至低压压缩机的入口构成第二回路；从冷端除湿设备的出口的低温低压CO₂气体经由回热器输送至第二喷射器的次流体入口构成第三回路；第一至第三回路中的低温低压CO₂气体在经过回热器时，均对主回路中的主流体进行降温，提高循环效率。

低蒸发温度的制冷场合为与制冰、冷冻冷藏等有关的场合，如溜冰场和低温冷库等。

第一喷射器和第二喷射器采用串联连接，实现联级回收膨胀功。

在第一和第二二氧化碳气液分离器的顶端气体出口分别设置了第一和第二旁路管道，从而保证进入高压压缩机和低压压缩机的流量恒定不变。

气体冷却器连接了三个温区的热回收设备，50～70℃主要供给制冷场合的浴室生活用水，一部分用于冰面修整及场馆环境除湿；30～50℃主要用于制冷场合的室内环境加热，恒定场馆内空气温度；10～30℃主要为了避免地面永久性霜冻，热量被用来防冻和预热。

本实用新型的优点：

本实用新型将CO₂作为制冷工质，可实现溜冰场等制冷场合的制冰需求；制冰量大，并且能够实现气体冷却器热量能够很好被梯级利用；循环中采用双压缩机，能够提高循环效率，减小能耗；循环中采用双喷射器，能够提高循环效率，减小能耗；本实用新型的带回热器的具有双喷射器跨临界二氧化碳制冷循环系统IHX-NERC(dual ejectortranscritical CO₂ refrigeration cycle with IHX)相对于传统二氧化碳制冷循环CRC(Conventional refrigeration cycle)C-COP提高18～25％，

损失大约能减少35～45％；相对于新型喷射器二氧化碳制冷循环NERC(new two-stage transcritical CO₂refrigeration cycle with two ejectors)循环C-COP提高6～12％，在气体冷却器压力较低时，能够减小10％左右

损失，随着压力增大，二者

损失差距非常小；IHX-NERC相对于NREC循环，在加入回热器之后，制热性能系数COP_h 增长很小，制冷性能系数COP_c提高10～25％，因此在溜冰场这种低蒸发温度工况下更应该增加回热，有效利用冷能，降低运行成本。

附图说明

图1为本实用新型的带有内部回热器的具有双喷射器的跨临界二氧化碳制冷循环系统的一个实施例的示意图；

图2为本实用新型的带有内部回热器的具有双喷射器的跨临界二氧化碳制冷循环的一个实施例的测试点的示意图；

图3为本实用新型的带有内部回热器的具有双喷射器的跨临界二氧化碳制冷循环系统的一个实施例的循环压焓图；

图4为气体冷却器压力P_gc、气体冷却器出口温度T_gc以及蒸发温度T_e对CRC、NERC和IHX-NERC三个系统C-COP影响的比较；

图5为气体冷却器压力P_gc、气体冷却器出口温度T_gc以及蒸发温度T_e对CRC、NERC和IHX-NERC三个系统总

损失I_t影响的比较。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例的带有内部回热器的具有双喷射器的跨临界二氧化碳制冷循环系统包括：高压压缩机A、气体冷却器B、回热器C、第一喷射器D、第一二氧化碳气液分离器E、第二喷射器F、第二二氧化碳气液分离器G、低压压缩机H、第一节流阀、第二节流阀以及冷端除湿设备K；其中，高压压缩机A的出口通过主回路管道依次经过气体冷却器B和回热器C连接至第一喷射器D的主流体入口；第一喷射器D的出口通过管道连接至第一二氧化碳气液分离器E的入口；第一二氧化碳气液分离器E的顶端气体出口通过第一回路管道经由回热器C连接至高压压缩机A的入口；第一二氧化碳气液分离器E的底端液体出口通过管道连接至第二喷射器F的主流体入口，并且第一二氧化碳气液分离器E的顶端气体出口连接第一旁路管道，与连接第一二氧化碳气液分离器E的底端液体出口的管道合路连接至第二喷射器F的主流体入口；第二喷射器F的出口通过管道连接至第二二氧化碳气液分离器G的入口；第二二氧化碳气液分离器G的顶端气体出口通过第二回路管道经由回热器C连接至低压压缩机H的入口；低压压缩机H的出口连接至第一喷射器D的次流体入口；第二二氧化碳气液分离器G的底端液体出口通过管道连通至溜冰场J的冰面下的蒸发器，在管道上设置第二节流阀I2，并且第二二氧化碳气液分离器G的顶端气体出口连接第二旁路管道，与连接第二二氧化碳气液分离器G的底端液体出口的管道合路连通至溜冰场，第二旁路管道上设置第一节流阀I1；溜冰场场馆内的冷端除湿设备K；冷端除湿设备K通过第三回路管道经由回热器C连接至第二喷射器F的次流体入口；在回热器C内的部分，主回路管道位于中心，第一至第三回路管道分别位于主回路管道的两侧；

高压压缩机A对位于其内的低温低压CO₂气体加压，变成高温高压CO₂气体，通过主回路管道流经气体冷却器B冷却，温度降低压力不变，变成低温高压CO₂气体，经由回热器C进一步降低温度，低温高压CO₂气体作为主流体进入第一喷射器D；

第一喷射器D出射的低温低压CO₂气体进入第一二氧化碳气液分离器E；

第一二氧化碳气液分离器E中的低温低压CO₂气体通过第一回路管道经过回热器C输送至高压压缩机A内；

第一二氧化碳气液分离器E的低温低压CO₂液体通过底端液体出口，与第一二氧化碳气液分离器E的顶端气体出口多余的二氧化碳气体通过第一旁路管道，混合后一同进入第二喷射器F，进一步降低温度和压强，通过第二喷射器F的出口喷射至第二二氧化碳气液分离器 G；

第二二氧化碳气液分离器G中的低温低压CO₂气体通过第二回路管道经过回热器C输送至低压压缩机H，经低压压缩机H压缩作为次流体输送至第一喷射器D；

第二二氧化碳气液分离器G中的低温低压CO₂液体通过第二节流阀I2降温降压，与第二二氧化碳气液分离器G的顶端气体出口多余的二氧化碳气体通过第二旁路管道，经过第一节流阀I1降温降压，达到溜冰场所需蒸发温度后，一同输送至溜冰场，对溜冰场进行降温，满足溜冰场需求；

溜冰场内的低温低压CO₂气体进入冷端除湿设备K，低温低压CO₂气体通过第三回路管道经由回热器C作为次流体输入至第二喷射器F；

系统的循环中具有一个主回路以及第一至第三回路：从高压压缩机A出来的高温高压 CO₂通过主回路管道依次经由气体冷却器B和回热器C，变成低温高压CO₂气体，作为主流体至第一喷射器D的主流体入口构成主回路；从第一二氧化碳气液分离器E的顶端气体出口的低温低压CO₂气体经由回热器C输送至高压压缩机A的出口构成第一回路；从第二二氧化碳气液分离器G的顶端气体出口的低温低压CO₂气体经由回热器C输送至低压压缩机H的入口构成第二回路；从冷端除湿设备K的出口的低温低压CO₂气体经由回热器C输送至第二喷射器F的次流体入口构成第三回路；第一至第三回路中的低温低压CO₂气体在经过回热器C时，均对主回路中的主流体进行降温，提高循环效率。

本实施例中，以1800m²冰面为例计算了溜冰场供冷供热时各测试点的状态的参数、制冷量、制热量和该状态下各主要部件的

损失。各测试点如图2所示，各个标号表示为：

1为高压压缩机A的入口；

2为气体冷却器B的入口；

3为气体冷却器B的出口；

4为第一喷射器D的主流体入口；

5为第一喷射器D的出口；

5a为第一二氧化碳气液分离器E的顶端气体出口；

5b为第一二氧化碳气液分离器E的第一旁路管道出口；

6为第一二氧化碳气液分离器E的底端液体出口；

7为第二喷射器F的主流体入口；

8为第二喷射器F的出口；

8a为第二二氧化碳气液分离器G的顶端气体出口；

8b为第二二氧化碳气液分离器G的第二旁路管道出口；

9为第二二氧化碳气液分离器G的底端液体出口；

9a为低压压缩机H的入口；

9b为第一节流阀I1的出口；

10a为第一喷射器D的次流体入口；

10为第二节流阀I2的出口；

11为制冷场合内蒸发器J的入口；

12为制冷场合内蒸发器J的出口；

13为冷端除湿设备K的出口；

14为第二喷射器F的次流体入口。

图3为各个测试点的状态参数压焓图，反应CO₂通过每个设备的压力P与焓值h的变化，从图3可以看出每一个测试点的压力P和焓值h的变化规律，作为实际设计应用的参考。如图3所示，测试点第一二氧化碳气液分离器E的顶端气体出口5a到高压压缩机A的入口1、第二二氧化碳气液分离器G的顶端气体出口8a到低压压缩机H的入口9a以及冷端除湿设备K的出口13到第二喷射器F的次流体入口14压力不变，温度上升，焓值增大，均使得气体冷却器B的出口3到第一喷射器D的主流体入口4的温度降低，焓值也降低，从而增加循环制冷量，提高循环效率。可见，本实用新型的制冷循环系统效率更高。P_gc为气体冷却器压力； P_10a为低压压缩机出口压力；P_e为蒸发器压力。

图4为气体冷却器压力P_gc、气体冷却器出口温度T_gc以及蒸发温度T_e，对CRC和NERC与本实用新型的IHX-NERC系统C-COP影响的比较，从图中可以看到，在同一Pgc和Tgc 条件下，三个系统C-COP随蒸发温度升高而增大的幅度基本相当；在同一Pgc任一Tgc和 Te条件下，本实用新型的IHX-NERC相对于CRC系统C-COP提高幅度基本相当，相对于 NERC系统C-COP提高会随Tgc增大而更加明显，尤其是在气体冷却器压力较低时；在随着气体冷却器压力增大，本实用新型的IHX-NERC相对于CRC和NREC系统C-COP提高幅度逐渐减小，其中NERC系统更为明显；在同一Tgc和Te条件下，增加IHX会使系统压缩机最佳排气压力稍微前移，这对系统布置来讲是十分有利的，同时前面也提到随着气体冷却器温度降低，压缩机最佳排气压力也会减小；最后在任意Pgc、Tgc和Te条件下，在最佳气体冷却器压力附近(9.5-10.5Mpa)，C-COP方面IHX-NERC相对于NERC，本实用新型能够提高6～12％，相对于CRC能够提高18～25％。

图5为气体冷却器压力P_gc、气体冷却器出口温度T_gc以及蒸发温度T_e，对CRC和NERC与本实用新型的IHX-NERC系统总

损失I_t影响的比较，从图中可以看到三个系统总

损失都是随着Pgc的增大而增加，其中NERC和IHX-NERC在任意条件下相对于CRC总

损失大约能减少35～45％；在气体冷却器压力较低时，本实用新型的IHX-NERC相对于NERC总

损失能降低10％左右，随着压力的增大，两个系统总

损失差距逐渐缩小，甚至本实用新型的IHX-NERC有反超NERC的现象，这是因为超过最佳气体冷却器压力后，本实用新型的 IHX-NERC系统C-COP下降速度高于NERC系统，因此会造成本实用新型的IHX-NERC总

损失增长较快，使得本实用新型的IHX-NERC总

损失有反超NERC的现象。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种带有内部回热器双喷射器的制冷循环系统，用于低蒸发温度的制冷场合，其特征在于，所述带有内部回热器双喷射器的制冷循环系统包括：高压压缩机、气体冷却器、回热器、第一喷射器、第一二氧化碳气液分离器、第二喷射器、第二二氧化碳气液分离器、低压压缩机、第一节流阀、第二节流阀以及冷端除湿设备；其中，高压压缩机的出口通过主回路管道依次经过气体冷却器和回热器连接至第一喷射器的主流体入口；第一喷射器的出口通过管道连接至第一二氧化碳气液分离器的入口；第一二氧化碳气液分离器的顶端气体出口通过第一回路管道经由回热器连接至高压压缩机的入口；第一二氧化碳气液分离器的底端液体出口通过管道连接至第二喷射器的主流体入口，并且第一二氧化碳气液分离器的顶端气体出口连接第一旁路管道，与连接第一二氧化碳气液分离器的底端液体出口的管道合路连接至第二喷射器的主流体入口；第二喷射器的出口通过管道连接至第二二氧化碳气液分离器的入口；第二二氧化碳气液分离器的顶端气体出口通过第二回路管道经由回热器连接至低压压缩机的入口；低压压缩机的出口连接至第一喷射器的次流体入口；第二二氧化碳气液分离器的底端液体出口通过管道连通至制冷场合内的蒸发器，在管道上设置第二节流阀，并且第二二氧化碳气液分离器的顶端气体出口连接第二旁路管道，与连接第二二氧化碳气液分离器的底端液体出口的管道合路连通至制冷场合内的蒸发器，第二旁路管道上设置第一节流阀；制冷场合内设置冷端除湿设备；冷端除湿设备通过第三回路管道经由回热器连接至第二喷射器的次流体入口；在回热器内的部分，主回路管道位于中心，第一至第三回路管道分别位于主回路管道的两侧。

2.如权利要求1所述的带有内部回热器双喷射器的制冷循环系统，其特征在于，所述第一喷射器和第二喷射器采用串联连接。

3.如权利要求1所述的带有内部回热器双喷射器的制冷循环系统，其特征在于，所述气体冷却器连接三个温区的热回收设备。

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