CN215909273U - 二氧化碳相变液化循环制热系统及空调制热器 - Google Patents

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CN215909273U CN202120683907.8U CN202120683907U CN215909273U CN 215909273 U CN215909273 U CN 215909273U CN 202120683907 U CN202120683907 U CN 202120683907U CN 215909273 U CN215909273 U CN 215909273U
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Abstract

本实用新型公开了一种二氧化碳相变液化循环制热系统及空调制热器,该制热系统,包括:压力气源;至少两并联布置的液态CO2储罐,液态CO2储罐分别与压力气源连接;蒸发器,蒸发器分别连接液态CO2储罐;增压泵,增压泵与蒸发器连接;和冷凝器,冷凝器与增压泵连接,以接收增压泵排出的CO2蒸气并通过蒸发器的管壁表面传出潜热,由流经蒸发器表面的载冷剂吸收潜热完成载冷剂的升温。本实用新型利用液态CO2逆向循环原理制热,液态CO2在蒸发器管内吸收室外空气的显热后转化为气态CO2,通过增压泵增压升温后进入冷凝器,高温高压气态CO2对流经冷凝器表面的载冷剂进行换热,载冷剂吸收潜热后温度上升实现制热过程。

Description

二氧化碳相变液化循环制热系统及空调制热器
技术领域
本实用新型涉及空调制冷技术领域,尤其涉及一种二氧化碳相变液化循环制热系统及空调制热器。
背景技术
在空气源热泵技术中,利用液态冷媒在一定压力下具有的低于环境温度的蒸发点气化的物理特性来制取热量。这种原理制热的最常用方式为蒸气压缩式循环方式,制热过程需要的是冷媒可循环重复使用。液态冷媒从自然环境中吸收潜热气化,成为低于环境温度的闪发蒸气,同时从低于环境的闪发蒸气继续吸收显热升高至具有一定过热度的蒸气。具有高位能的蒸气在冷凝器里液化,液化所放出的热量传递给载冷剂,载冷剂吸收气态冷媒液化过程中放出的潜热的升温即是制热过程。冷媒气化、冷凝液化的循环过程所消耗的能量是制热系统的COP的决定因素。
而二氧化碳是一种新兴的自然工质。液态二氧化碳在压力为520kPa时蒸发温度为-56.6C。二氧化碳作为相变传热工质有许多独特的优势:从对环境的影响来看,除水和空气以外,二氧化碳是与环境最为友善的制冷工质。二氧化碳具备有良好的安全性和化学稳定性,二氧化碳安全无毒,即便在高温下也不产生有害气体,具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质,单位容积制冷量相当高,运动黏度低。因此,将二氧化碳通过调整不同使用要求的物理点的气液转换过程,在液态二氧化碳气化时吸收潜热及吸收显热,完成载冷剂的降温,这是制冷过程;而利用气态二氧化碳液化时放出的潜热及显热,使载冷剂升温,这是制热过程。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种利用二氧化碳相变和气体膨胀制冷、气体变压降温液化技术的二氧化碳相变液化循环制热系统及空调制热器。
为实现上述目的,本实用新型采用以下技术方案:
本实用新型的第一个方面是提供一种二氧化碳相变液化循环制热系统,包括:
压力气源,用于为系统提供高压气体;
至少两并联布置的液态CO2储罐,所述液态CO2储罐分别与所述压力气源连接,以交替通入所述高压气体控制所述液态CO2储罐内的压力;
蒸发器,所述蒸发器分别连接所述液态CO2储罐,以接收所述液态CO2储罐提供的液态CO2冷媒,所述液态CO2冷媒吸收流经其表面的室外空气的显热进行气化及升温,转化为气态CO2冷媒;
增压泵,所述增压泵与所述蒸发器连接,以交替接收所述蒸发器排出的气态 CO2冷媒并对其进行增压升温;
冷凝器,所述冷凝器与所述增压泵连接,以接收所述增压泵排出的CO2蒸气并通过所述冷凝器的管壁表面传出潜热,由流经冷凝器表面的载冷剂吸收潜热完成载冷剂的升温,且所述冷凝器内的CO2蒸气液化释放潜热转化为液态的CO2流出。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
电辅热机构,所述电辅热机构设置于所述增压泵与所述冷凝器之间的管道上,以对所述增压泵增压升温后的气态CO2冷媒进行再次加热升温。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述液态CO2储罐作为回收罐交替接收经所述冷凝器液化放热后排出的液态CO2冷媒。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述液态CO2储罐作为回收罐交替接收经所述冷凝器放热后排出的液态CO2冷媒,同时所述回收罐的内腔压力低于所述冷凝器压力,液态CO2冷媒经冷凝器降温后再降压流至回收罐作为冷媒循环利用;
当所述回收罐内的温度高于设定温度(-20℃),则通入液态CO2冷媒,利用液态CO2冷媒气化需吸收的潜热同时升温吸收的显热使流至所述回收罐的温度高于循环点时的液态CO2冷媒降温至循环使用的物理点后作为液态CO2冷媒循环利用。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐内上部的喷射机构,且所述喷射机构与其他液态CO2储罐的下部连通;
以向作为回收罐功能的所述液态CO2储罐内通入其他所述液态CO2储罐内的液态CO2冷媒,利用液体气化吸收潜热及升温需吸收显热,同时回流至回收罐内的液体降压产生的节流膨胀效应需吸收热量,使冷凝及降温后流入所述回收罐的液态CO2冷媒在液体状态下继续释放显热降温,达到循环使用的物理点后作为液态CO2冷媒循环利用。
进一步优选地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐的下部与所述喷射机构之间输送管道上的喷液电动阀和喷液比例调节阀。
进一步优选地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐下部与所述蒸发器之间对应输送管道上的排液电动阀和减压阀或流量计。
进一步优选地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
对应设置于所述冷凝器上部与所述液态CO2储罐下部之间输送管道上的先导阀或数字流量计、液态CO2排出阀、液态CO2排出温度传感器、液态CO2排出止回阀和对应的液态CO2进口阀。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
至少一个所述液态CO2储罐的中部通过管道连接液态CO2进口阀;和
至少两所述液态CO2储罐的底部分别通过排液截止阀连通排污口。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的排空比例阀,所述排空比例阀通过管道连通CO2放空口;
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的安全阀、气相温度传感器和罐体压力传感器;和
对应设置于所述液态CO2储罐内的液位计。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
对应设置于所述压力气源与所述液态CO2储罐顶部之间输送管道上的过滤器和空气缓冲罐;
其中,所述空气缓冲罐顶部设置有安全阀、缓冲罐温度传感器和缓冲罐压力传感器,底部设置有缓冲罐排污阀。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
设置于所述过滤器与所述空气缓冲罐顶部之间管道上的压缩空气进口阀;和
设置于所述空气缓冲罐上部与各所述液态CO2储罐之间的截止阀、对应的止回阀和气源比例调节阀。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述蒸发器和所述冷凝器均包括:
液态冷媒储箱,所述液态冷媒储箱上的液态冷媒进口通过管道分别与各所述液态CO2储罐的下部或蒸发器的上部连接,且其内设置有储箱液位计;
若干蒸发列管,若干所述蒸发列管按一定间隔并排排布,且其一端与所述液态冷媒储箱连接;
气态冷媒储箱,所述气态冷媒储箱与若干所述蒸发列管的另一端连接,且其上的气态冷媒出口通过管道分别与所述冷凝器的上部或各所述液态CO2储罐的下部连接;
其中,所述载冷剂穿过所述蒸发列管的外表面进行换热,且所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液。
进一步优选地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
第一新风机,所述第一新风机布置于所述蒸发器和/或所述冷凝器的载冷剂的进口处或出口处;
其中,所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液,从所述蒸发器和/或所述冷凝器的管壁外部流过。
进一步优选地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,还包括:
密封壳体,所述蒸发器和/或所述冷凝器设置于所述密封壳体内,形成换热通道;和
第二新风机,所述第二新风机通过管道布置于所述换热通道的进口处或出口处;
其中,所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液,从所述蒸发器和/或所述冷凝器的管壁外部流过。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述液态CO2储罐为三个,且呈并联布置。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述蒸发器为两个,相对所述冷凝器呈并联布置,以交替向所述冷凝器提供蒸发后的气态CO2
进一步优选地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述冷凝器的底部通过管道分别连接两所述蒸发器;当其中一个所述蒸发器使用时,另一个所述蒸发器作为液态CO2冷媒的降温使用,接收所述冷凝器底部的液态CO2冷媒,并在降温的同时融化其作为蒸发器功能时管壁外表面的霜冰,同时用于除霜的载冷剂可作为低温二次热源再利用。
进一步优选地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述压力气源还分别与所述液态CO2蒸发器和所述气态CO2冷凝器连接;
以向所述液态CO2蒸发器和/或所述气态CO2冷凝器提供高温高压空气进行除霜。
进一步地,在所述的二氧化碳相变液化循环制热系统中,所述压力气源为高压气罐或空压机组;所述高压气体为高压空气,其压力为0.5-3.4MPa。
本实用新型的第二个方面是提供一种空调制热器,其特征在于,包括所述的二氧化碳相变液化循环制热系统。
本实用新型采用上述技术方案,与现有技术相比,具有如下技术效果:
(1)利用液态CO2逆向循环原理制热,液态CO2储罐中的液态CO2通过高压空气压送进入蒸发器,液态CO2在蒸发器吸收室外空气的显热后转化为气态 CO2,通过增压泵增压升温后进入冷凝器,经所述增压泵排出的高温高压气态CO2对流经其表面的载冷剂室内空气进行换热升温,此过程中吸收气态CO2降温所放出的潜热,载冷剂吸收潜热后温度上升实现制热过程;
(2)采用至少两个并联布置的储罐对冷却介质进行循环回收利用,可相互交替通入液态CO2来使作为回收罐功能内的气态二氧化碳降温及液化后循环使用,满足了空调冷凝器72的连续制冷要求,提高了换热效率和二氧化碳的回收效率;
(3)采用两并联布置的蒸发器交替使用向冷凝器提供高温CO2蒸汽,利用高温的空气或冷凝器内的液态CO2冷媒并在降温的同时融化其作为蒸发器功能时管壁外表面的霜冰,同时用于除霜的载冷剂可作为低温二次热源再利用,避免了单个蒸发器长时间使用结霜的问题;
(4)为了强化回收储罐内的气态二氧化碳降温液化速度,在储罐的顶部装有一个喷射机构,利用节流膨胀的气化潜热和气化后的低温气体二氧化碳使回收罐内的气态二氧化碳快速降温并且液化,大大提高了气液转移效率;
(5)采用高压气体作为动力源,实现了气化后的气态制冷剂在更高压力下的直接液化,同时高压气体吸收气态二氧化碳液化时的显热;无需高压的制冷剂压缩机;
(6)通过压力气源给该制热系统提供动力补偿,采用高压空气作为动力源,可以快速调节各储罐内的压力大小,利用气液分离原理用气态物质实现了液态冷却介质的输送流通,可极大降低能耗;
(7)利用高压空气的背压控制,保持循环系统及储罐在高于产生干冰的压力上面运行;
(8)采用该液化循环系统的空调制热系统,根据制热需求量的大小,可实现多种温度分区控制制热,适用于不同应用场景,具有使用灵活方面的特点。
附图说明
图1为本实用新型一种二氧化碳相变液化循环制热系统的整体框架原理的结构示意图;
图2为本实用新型一种二氧化碳相变液化循环制热系统中蒸发器的具体结构示意图
图3为本实用新型一种二氧化碳相变液化循环制热系统中蒸发器方案一的结构示意图;
图4为本实用新型一种二氧化碳相变液化循环制热系统中蒸发器方案二的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。
基于本实用新型中的实施例,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,都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
请参阅图1所示,本实施例提供一种二氧化碳相变液化循环制热系统,主要包括压力气源1、至少两并联布置的液态CO2储罐、蒸发器62、增压泵69和冷凝器72。压力气源1用于为系统提供高压气体;液态CO2储罐可以为2个A和 B并联,也可以为三个A、B和C并联。通过利用液态CO2逆向循环原理制热,液态CO2储罐中的液态CO2通过高压空气压送进入蒸发器62,液态CO2在蒸发器62管内吸收室外空气通过管壁传入的显热后转化为气态CO2,通过增压泵69 增压升温后进入冷凝器72,经增压泵69排出的高温高压气态CO2在冷凝器72 管内液化释放潜热,释放的潜热由管壁外表面的载冷剂吸收,载冷剂完成吸热升温。此过程中气态CO2降温至液化温度点时亦放出的潜热。载冷剂吸收气态CO2降温及液化过程中释放的显热和潜热,载冷剂温度上升,实现制热过程。其中,载冷剂穿过冷凝器72上蒸发列管的外表面进行吸热,且载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液,或其他液态或气态介质。
本实施例提供的二氧化碳相变液化循环制热系统,可采用液态CO2作为制冷剂,也可以采用氟利昂或其他可行的冷媒作为制冷剂。在本实施例中以液态CO2作为制冷剂,以空气作为载冷剂作为示例,该相变液化循环制热系统用作制热时的工作原理如下:
液态CO2储罐A/B/C中的液态冷媒通过高压空气压送进入安装于室外的蒸发器62内。液态CO2在蒸发器62内通过其表面从室外空气中吸收室外空气降温时放出的显热气化,气化后的低温CO2蒸气同时继续吸收室外空气降温过程中分别与压力气源1连接,以交替通入高压气体控制液态CO2储罐内的压力;所述蒸发器62分别连接所述液态CO2储罐,以接收所述液态CO2储罐提供的液态CO2,所述液态CO2吸收流经蒸发器62外表面的室外空气的显热进行气化和升温,转化为气态CO2;所述增压泵69与所述蒸发器62连接,以交替接收所述蒸发器 62排出的气态CO2并对其进行增压升温;所述冷凝器72与所述增压泵69连接,以接收所述增压泵69排出的CO2蒸气后液化,并通过所述冷凝器72的管壁表面传出潜热,由流经所述冷凝器72表面的载冷剂吸收潜热完成载冷剂的升温,且所述冷凝器72内的CO2蒸气液化释放潜热转化为液态CO2流出。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统还包括电辅热机构70,电辅热机构70设置于增压泵69与冷凝器72之间的管道上,以对增压泵69增压升温后的气态CO2进行再次加热升温。电辅热机构70为电热套,用于对流经管道内的气态CO2进行再次加热,使其满足冷凝器72的制热要求。
请参阅图1所示,通过蒸发器内的液态CO2也可以进行循环利用。具体地,将液态CO2储罐A/B/C作为回收罐交替接收经冷凝器72液化放热后排出的液态 CO2,同时所述回收罐的内腔压力低于所述冷凝器72压力,液态CO2经蒸发器 62降温后再降压流至回收罐作为冷媒循环利用;当所述回收罐内的温度高于设定温度,则通入液态CO2,利用液态CO2气化需吸收的潜热同时升温吸收的显热使流至所述回收罐的温度高于循环点时的液态CO2降温至循环使用的物理点后作为液态CO2循环利用。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统还包括:对应设置于液态CO2储罐A/B/C内上部的喷射机构18/34/48,且喷射机构采用环形喷淋盘,喷射机构18/34/48与其他液态CO2储罐的下部连通;以向作为回收罐功能的液态 CO2储罐内通入其他液态CO2储罐内的液态CO2,利用液体气化吸收潜热及升温需吸收显热,同时回流至回收罐内的液体降压产生的节流膨胀效应需吸收热量,使冷凝及降温后流入回收罐的液态CO2冷媒在液体状态下继续释放显热降温,达到循环使用的物理点后作为液态CO2冷媒循环利用。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统,还包括:对应设置于液态CO2储罐A/B/C的下部与喷射机构18/34/48之间输送管道上的喷液电动阀 26/42/56喷液比例调节阀19/35/49,用于控制向液态CO2储罐A/B/C内喷入适量的液态CO2
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统还包括:对应设置于液态CO2储罐A/B/C下部与蒸发器62之间对应输送管道上的排液电动阀25/41/55 和减压阀或流量计60。减压阀或流量计60采用一个安装在蒸发器62上游的总管道上;而排液电动阀为三个分为25/41/55,分别对应液态CO2储罐A/B/C安装在其底部的管道上,分别独立控制液态CO2储罐A/B/C内液态CO2的流出。第一储罐A或第二储罐B或第三储罐C内的液态CO2分别通过第一排液电动阀25、第二排液电动阀41和第三排液电动阀55在高压气体的压送下经减压阀或流量计 60调压后输送至蒸发器62,在蒸发器62内进行蒸发气化。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统还包括:对应设置于冷凝器72上部与液态CO2储罐下部之间输送管道上的先导阀或数字流量计91、液态CO2排出阀75、液态CO2排出温度传感器76、液态CO2排出止回阀77和对应的液态CO2进口阀20/36/50。经所述冷凝器72换热液化后的液态CO2依次通过液态CO2排出阀75、先导阀或数字流量计91、液态CO2排出温度传感器76 及对应的液态CO2进口阀20/36/50在高压气体的压送作用下输送至对应的液态 CO2储罐A/B/C内,以第一储罐A或第二储罐B或第三储罐C为回收罐,对液态二氧化碳进行循环利用。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统还包括:至少一个液态 CO2储罐A/B/C的中部通过管道连接液态CO2进口阀27;和至少两液态CO2储罐A/B/C的底部分别通过排液截止阀24/40/54连通排污口59。通过液态CO2进口阀27向液态CO2储罐A/B/C补充液态CO2,以及通过排污口66和对应的排液截止阀24/40/54排出液态CO2储罐A/B/C内的液态CO2。以及液截止阀24/40/54 连通排污口59的布置,使得系统不使用时排空第一储罐A、第二储罐B或第三储罐C内的液态二氧化碳,便于系统检修、维护。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统还包括:对应设置于液态CO2储罐A/B/C顶部的排空比例阀13/29/57,排空比例阀13/29/57通过管道连通CO2放空口58;对应设置于液态CO2储罐A/B/C顶部的安全阀14/31/45、气相温度传感器16/32/46和罐体压力传感器17/33/47;和对应设置于液态CO2储罐 A/B/C内的液位计21/37/51。通过排空比例阀13/29/57一方面用于调节液态CO2储罐A/B/C的压力大小,另一方面通过排放的气态CO2释放液态CO2储罐A/B/C 内的系统热量,实现气态CO2的增压液化。同时通过气相温度传感器16/32/46 和罐体压力传感器17/33/47实时监测CO2储罐A/B/C的压力和温度,并通过安全阀14/31/45保证液态CO2储罐A/B/C的运行安全。
具体地,通过第一排空比例阀13、第二排空比例阀29和第三排空比例阀57 可分别按照预设要求释放第一储罐A/第二储罐B和第三储罐C顶部的高压空气,以达到降低罐体内压力至预设值的目的,且通过第一排空比例阀13、第二排空比例阀29和第三排空比例阀57排出的高压空气还可以带出部分冷量,一定程度上实现了系统热平衡。所述第一安全阀14、第二安全阀31和第三安全阀45布置防止罐体内压力超出罐体设计的最大阈值,起到安全保障作用,具体地,当罐体内压力到达预设阈值后,系统控制安全阀打开,通过安全阀向外界排放高压空气,所述第一气相温度传感器16、第二气相温度传感器32和第三气相温度传感器46以第一罐体压力传感器17、第二罐体压力传感器33和第三罐体压力传感器47分别用于实时监测第一储罐4和第二储罐5内的高压空气的温度和压力。通过对罐体内的压力大小、液位以及温度大小进行实时监测,调节压力气源的供给速率以及罐体向蒸发器62供给液态二氧化碳的速率,实现二氧化碳冷媒的自动化输送和回收。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统还包括:对应设置于压力气源与液态CO2储罐A/B/C顶部之间输送管道上的过滤器2和空气缓冲罐8;其中,空气缓冲罐8顶部设置有安全阀4、缓冲罐温度传感器5和缓冲罐压力传感器6,底部设置有缓冲罐排污阀9。通过所述缓冲罐温度传感器5和缓冲罐压力传感器6实时监测所述压力气源1提供的高压气体的温度和压力大小,以及时通过各气源比例调节阀14/30/44进行控制调节。通过压力气源1提供的高压空气为系统提供压送动力,以及利用高压空气的背压控制,保持循环系统及储罐在高于产生干冰的压力上面运行。
请参阅图1所示,该二氧化碳相变液化循环制热系统,还包括:设置于过滤器2与空气缓冲罐8顶部之间管道上的压缩空气进口阀3;和设置于空气缓冲罐 8上部与各液态CO2储罐A/B/C之间的截止阀7、对应的止回阀10/11/12和气源比例调节阀14/30/44。
请参阅图1所示,液态CO2储罐为两个、三个或多个,且呈并联布置。优选地,液态CO2储罐为三个并联布置,可相互交替通入液态CO2来使作为回收罐功能内的气态二氧化碳降温及液化后循环使用。压力气源为高压气罐或空压机组;高压气体为高压空气,其压力为0.5-3.4MPa,高压空气由所述压力气源1提供,压力气源1为高压气罐或采用空压机组现场制备。
本实施例所采用的蒸发器62和冷凝器72结构相同,均包括液态制冷剂储箱 65、若干蒸发列管66和气态制冷剂储箱67。液态制冷剂储箱65上的液态制冷剂进口通过管道分别与各液态CO2储罐A/B/C的下部连接,且其内设置有储箱液位计79,用于接收液态CO2储罐A/B/C内的液体制冷剂。若干蒸发列管66按一定间隔并排排布,且其一端与液态制冷剂储箱65连接,用于接收液态制冷剂储箱65内的液体CO2冷媒对通过蒸发列管66表面的载冷剂进行换热降温。气态制冷剂储箱67与若干蒸发列管66的另一端连接,且其上的气态制冷剂出口通过管道分别与各液态CO2储罐A/B/C的下部连接,用于接收蒸发列管66内换热升温后的气态制冷剂并将其通入液态CO2储罐A/B/C进行循环利用。其中,所述载冷剂穿过所述蒸发列管66的外表面进行换热,且所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液。
本实施例提供的二氧化碳相变液化循环制热系统,可采用液态CO2作为制冷剂,也可以采用氟利昂或其他可行的冷媒作为制冷剂。在本实施例中以液态CO2作为制冷剂,以空气作为载冷剂作为示例,该相变液化循环制热系统用作制热时的工作原理如下:
液态CO2储罐A/B/C中的液态CO2冷媒通过高压空气压送进入安装于室外的液态CO2蒸发器62内。液态CO2冷媒在液态CO2蒸发器62管内通过蒸发器外表面从室外空气中吸收室外空气降温时放出的显热气化,气化后的低温蒸气同时继续吸收室外空气降温过程中放出的显热升温;流出蒸发器62的蒸气通过增压泵69增压及升温,如增压泵69出口处的蒸气温度没有达到设定温度则启动电辅热装置70继续升温。增压至一定压力和温度的过热蒸气进入冷凝器降温释放显热,同时在一高压点液化释放潜热。液化过程中释放二部分热量,过热蒸气降温释放显热,液化过程中释放潜热。蒸气液化过程中所释放出的热量通过气态 CO2冷凝器72管的外表面传递给作为载冷剂的室内空气,完成室内空气的制热过程。
在载冷剂设定要求的条件下,载冷剂吸热后的温升或温度变化,通过流入蒸发器62的液态冷媒质量流量控制。即在增压泵69和电辅热装置70保持流入冷凝器72的蒸气压力和温度稳定的条件下,控制流入蒸发器62的液态冷媒质量,从而控制液化过程中释放出的热量。利用冷凝器72内的蒸气流量的变化,控制蒸气液化过程中释放的热量,来控制载冷剂吸收的热量。最终用控制传递给载冷剂的热量同时由载冷剂吸收的热量不同,控制作为载冷剂的室内空气的温度。
利用压差原理将液化后的冷媒流入回收罐后循环使用。当贮罐液位达到下设定点时,通过控制系统切换,回收罐通入压缩空气增压至作为贮罐使用的压力点,此时处于上液位点的回收罐作为贮罐使用(在使用过程中,由于液态冷媒的压送排出引起的贮罐压力降低由高压空气补充,以保证贮罐的背压恒定。同时贮罐降压,排出压缩空气至作为回收罐使用的压力,贮罐改为回收罐使用,(如三套罐体循环使用时改为备用回收罐),使得制热过程为一个连续过程。
该二氧化碳相变液化循环制热系统使用了三套具有同样功能即既可做贮罐又可做回收罐的液态CO2储罐,可根据程序控制循环使用。如有一套液态CO2储罐产生故障,系统可自动切换至双罐循环使用模式,以保证设备的正常使用,同时显示设备故障,警示故障维修。
实施例2
基于实施例1的二氧化碳相变液化循环制热系统,本实施例提供了一种的二氧化碳相变和气体膨胀制热、气体变压降温液化循环制热方法,包括步骤:
S1,向第一储罐A内充入可满足单次循环使用的液态二氧化碳,向第二储罐B和第三储罐C内充入少量液态二氧化碳;
S2,启动压力气源1,分别向第一储罐A、第二储罐B和第三储罐C通入高压空气,并分别保持第一储罐A内的压力为25kg/cm2,第二储罐B内的压力不低于10kg/cm2,以及第三储罐C内的压力不低于10kg/cm2
S3,以第一储罐A为贮液罐,打开第一储罐A与蒸发器62之间的第一排液电动阀25和减压阀或流量计60,并调节第一排液电动阀25和减压阀或流量计 60前后的液态二氧化碳的压力分别为25kg/cm2和13kg/cm2;使第一储罐A内的液态二氧化碳在高压空气的压力作用下进入蒸发器62,液态CO2冷媒气化同时蒸气升温,气化所吸收的潜热及蒸气升温吸收的显热由流经蒸发器62表面的载冷剂降温所释放的显热通过管壁表面传递,同时控制流出蒸发器62的气态二氧化碳的温度不低于-28℃;
S4,打开蒸发器62与冷凝器72间的三通阀68,使蒸气通过增压器69加压至70kg/cm2,同时通过电辅热装置70使得蒸气温度不低于31℃,然后蒸气流入冷凝器72,在冷凝器72的内管液化同时释放潜热,释放的潜热由冷凝器72管壳外表面及设置于管壳外表面的散热翅片传递给载冷剂,载冷剂吸热升温完成制热过程;
S5,打开控制阀75,此时第二储罐B的内压为10kg/cm2,利用压差使得液态CO2冷媒回流至第二储罐B,以第二储罐B作为液体回收罐;
S6,当作为回收罐的第二储罐B内压力达到17kg/cm2时,同时温度显示大于-20℃时,打开第一储罐A的第一喷液电动阀26,然后打开第二储罐B的第二喷液比例调节阀35,液态冷媒喷入第二储罐B,使得第二储罐B内的温度降温至-23℃,此过程由温度控制器反复执行;
S7,当第二储罐B内液位计37显示到达上位点时,关闭第二储罐B的第一液态CO2进口阀36,打开冷凝器72与第三储罐C之间的第三液态CO2进口阀 50,向第三储罐C内通入冷凝后的液态二氧化碳;同时启动压力气源1向第二储罐B通入高压空气,增压并保持第二储罐B内的压力为25kg/cm2,以第二储罐B作为冷媒贮液罐提供液态二氧化碳,以第三储罐C作为液体回收罐接收蒸气冷凝后的液态二氧化碳;
S8,当第三储罐C内液位计37显示到达上位点时,关闭第三储罐C的第三液态CO2进口阀50,打开冷凝器72与第一储罐A之间的第一液态CO2进口阀 20,向第一储罐A内通入冷凝后的液态二氧化碳;同时启动压力气源向第三储罐C通入高压空气,增压并保持第三储罐C内的压力为25kg/cm2,将第三储罐 C内转为液态冷媒储罐使用;
S9,当第二储罐B内液位计37显示到达上位点时,第一储罐A压送液态 CO2冷媒过程结束;第二储罐B作为液态冷媒储罐使用,向蒸发器62压送液态 CO2冷媒,第一储罐A降压至10kg/cm2后作为预备回收罐,同时第三储罐C重复以上回收冷凝后的液态二氧化碳过程;以第二储罐B、第三储罐C和第一储罐 A依序作为冷凝后的液态二氧化碳回收罐,同时在回收罐内使得液态冷媒降温至再循环的物理点后重复使用。
本实施例中,在该制热方法的步骤S1中:第一储罐A内液态二氧化碳的充入量为其容积的70-100%;第二储罐B内液态二氧化碳的充入量为其容积的 0-30%;和第三储罐C内液态二氧化碳的充入量为其容积的0-30%;其中,第一储罐A的充入量满足单次循环使用。
本实施例中,在该制热方法的步骤S4中:由蒸发器62流出的气态CO2冷媒流入冷凝器72,此时冷凝器72的管内压力及气态CO2冷媒的温度控制方法包括:通过增压器69加压蒸气,保持冷凝器72内腔在稳定的设定压力。同时通过电辅热装置70使得蒸气温度不低于31℃;或通过控制通入液态CO2储罐的压缩空气压力,调节流经蒸发器62的液体CO2的质量;或通过减压阀或流量计60,调节流经蒸发器62的液体CO2的质量。
实施例3
基于实施例1的二氧化碳相变液化循环制热系统,本实施例提供了一种的二氧化碳相变和气体膨胀制热、气体变压降温液化循环制热方法,包括步骤:
S1,向第一储罐A内充入可满足单次循环使用的液态二氧化碳,向第二储罐B和第三储罐C内充入少量液态二氧化碳;
S2,启动压力气源1,分别向第一储罐A、第二储罐B和第三储罐C通入高压空气,并分别保持第一储罐A内的压力为25kg/cm2,第二储罐B内的压力不低于10kg/cm2,以及第三储罐C内的压力不低于10kg/cm2
S3,以第一储罐A为贮液罐,打开第一储罐A与蒸发器62之间的第一排液电动阀25和减压阀或流量计60,并调节第一排液电动阀25和减压阀或流量计 60前后的液CO2冷媒的压力分别为25kg/cm2和13kg/cm2;使第一储罐A内的液态CO2冷媒在高压空气的压力作用下进入蒸发器62,液态CO2冷媒气化同时蒸气升温,气化所吸收的潜热及蒸气升温吸收的显热由流经蒸发器62表面的载冷剂降温所释放的显热通过管壁表面传递,同时控制流出蒸发器62的气态CO2冷媒的温度不低于-28℃;
S4,打开蒸发器62与冷凝器72间的三通阀68,使蒸气通过增压器69加压至70kg/cm2,同时通过电辅热装置70使得蒸气温度不低于31℃,然后蒸气流入冷凝器72,在冷凝器72的内管液化并释放潜热,释放的潜热由冷凝器72管壳外表面及设置于管壳外表面的散热翅片传递给载冷剂,载冷剂吸热升温完成制热过程;
S5,打开控制阀82,通过三通阀81,使得在冷凝器内液化后的高温液态CO2流经并联设置的另一蒸发器62,使得冷凝后的高温液态二氧化碳与蒸发器外的载冷剂继续换热降温后回流至第二储罐B;降温过程中释放的热量通过管壁传给载冷剂,同时融化管壁外的冰霜。并联设置的二套蒸发器62,通过控制程序互为化霜及蒸发器使用;
S6,当作为回收罐的第二储罐B内压力达到17kg/cm2时,同时温度显示大于-20℃时,打开第一储罐A的第一喷液电动阀26,然后打开回收罐的第二喷液比例调节阀35,液态CO2冷媒喷入回收罐,使得回收罐内的温度降温至-23℃,此过程由温度控制器反复执行;
S7,当第二储罐B内液位计37显示到达上位点时,关闭第二储罐B的第二液态CO2进口阀36,打开冷凝器72与第三储罐C之间的第三液态CO2进口阀 50,向第三储罐C内通入冷凝后的液态CO2冷媒;同时启动压力气源1向第二储罐B通入高压空气,增压并保持第二储罐B内的压力为25kg/cm2,以第二储罐B作为冷媒贮液罐提供液态CO2冷媒,以第三储罐C作为液体回收罐接收蒸气冷凝后的液态CO2冷媒;
S8,当第三储罐C内液位计37显示到达上位点时,关闭第三储罐C的第三液态CO2进口阀50,打开冷凝器72与第一储罐A之间的第一液态CO2进口阀 20,向第一储罐A内通入冷凝后的液态CO2冷媒;同时启动压力气源1向第三储罐C通入高压空气,增压并保持第三储罐C内的压力为25kg/cm2,将第三储罐C内转为液态CO2储罐使用;
S9,当第二储罐B内液位计37显示到达上位点时,压送过程结束;第二储罐B作为液态CO2冷媒储罐使用,向蒸发器62压送液态CO2冷媒,第一储罐A 降压至10kg/cm2后作为预备回收罐,同时第三储罐C重复以上回收冷凝后的液态CO2冷媒过程;以第二储罐B、第三储罐C和第一储罐A依序作为冷凝后的液态CO2冷媒回收罐,同时在回收罐内完成液态CO2冷媒降温至再循环的物理点后重复使用。
本实施例中,在该制热方法的步骤S1中:第一储罐A内液态二氧化碳的充入量为其容积的70-100%;第二储罐B内液态二氧化碳的充入量为其容积的 0-30%;和第三储罐C内液态二氧化碳的充入量为其容积的0-30%;其中,第一储罐A的充入量满足单次循环使用。
本实施例中,在该制热方法的步骤S4中:由蒸发器62流出的气态CO2冷媒流入冷凝器72,此时冷凝器72的管内压力及气态CO2冷媒的温度控制方法包括:通过增压器69加压蒸气,保持冷凝器72内腔在稳定的设定压力。同时通过电辅热装置70使得蒸气温度不低于31℃;或通过控制通入液态CO2储罐的压缩空气压力,调节流经蒸发器62的液体CO2的质量;或通过减压阀或流量计60,调节流经蒸发器62的液体CO2的质量。
实施例4
如图2所示,与上述实施例1不同的是,本实施例提供一种采用该二氧化碳相变液化循环制热系统的空调制热系统,该空调制热系统还包括第一新风机87,第一新风机87布置于蒸发器62和/或冷凝器72的载冷剂的进口处或出口处。蒸发器62设置在室外,载冷剂采用空气,从蒸发器62的管壁外部流过,以吸收室外空气中的显热。吸收室外空气显热后的液态CO2冷转化为气态CO2,通过增压泵69增压升温后进入冷凝器72,经增压泵69排出的高温高压气态CO2对流经其表面的载冷剂室内空气进行换热升温,实现制热目的。
在本实施例中,蒸发器62流出的气态CO2冷媒流入冷凝器72,此时冷凝器 72的管内压力及气态CO2冷媒的温度可控,其一,通过增压器69加压蒸气,保持冷凝器72内腔在稳定的设定压力,同时通过电辅热装置70使得蒸气温度不低于31℃;其二,通过控制通入液态CO2储罐的压缩空气压力,调节流经空蒸发器62的液体CO2的质量;其三,通过减压阀或流量计60,调节流经蒸发器62 的液体CO2的质量,继而控制与载冷剂的热交换速率,从而控制载冷剂的温度大小。
在本实施例中,还包括对蒸发器62和/或冷凝器72进行除霜的步骤,方法为:通过向蒸发器62内通入冷凝器72底部的液态CO2冷媒,融化其作为蒸发器功能时管壁外表面的霜冰;或通过向蒸发器62内通入高温高压空气,融化其作为蒸发器功能时管壁外表面的霜冰,同时用于除霜的载冷剂可作为低温二次热源再利用。
实施例6
如图3所示,如图2所示,与上述实施例1不同的是,本实施例提供一种采用该二氧化碳相变液化循环制热系统的空调制热系统,该空调制热系统还包括密封壳体88和第二新风机90,蒸发器62和/或冷凝器72设置于密封壳体88内,形成换热通道89;第二新风机90通过管道布置于换热通道89的进口处或出口处;其中,载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液,从蒸发器62和/或冷凝器72 的管壁外部流过,以吸收室外空气中的显热。吸收室外空气显热后的液态CO2冷转化为气态CO2,通过增压泵69增压升温后进入冷凝器72,经增压泵69排出的高温高压气态CO2对流经其表面的载冷剂室内空气进行换热升温,实现制热目的。
蒸发器62流出的气态CO2冷媒流入冷凝器72,此时冷凝器72的管内压力及气态CO2冷媒的温度可控,其一,通过增压器69加压蒸气,保持冷凝器72 内腔在稳定的设定压力,同时通过电辅热装置70使得蒸气温度不低于31℃;其二,通过控制通入液态CO2储罐的压缩空气压力,调节流经空蒸发器62的液体 CO2的质量;其三,通过减压阀或流量计60,调节流经蒸发器62的液体CO2的质量,继而控制与载冷剂的热交换速率,从而控制载冷剂的温度大小。
在本实施例中,还包括对蒸发器62和/或冷凝器72进行除霜的步骤,方法为:通过向蒸发器62内通入冷凝器72底部的液态CO2冷媒,融化其作为蒸发器功能时管壁外表面的霜冰;或通过向蒸发器62内通入高温高压空气,融化其作为蒸发器功能时管壁外表面的霜冰,同时用于除霜的载冷剂可作为低温二次热源再利用。
最后应说明的几点是:首先,在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变,则相对位置关系可能发生改变;
其次:本实用新型公开实施例附图中,只涉及到与本公开实施例涉及到的结构,其他结构可参考通常设计,在不冲突情况下,本实用新型同一实施例及不同实施例可以相互组合;
最后:以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (20)

1.二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,包括:
压力气源,用于为系统提供高压气体;
至少两并联布置的液态CO2储罐,所述液态CO2储罐分别与所述压力气源连接,以交替通入所述高压气体控制所述液态CO2储罐内的压力;
蒸发器,所述蒸发器分别连接所述液态CO2储罐,以接收所述液态CO2储罐提供的液态CO2,所述液态CO2吸收流经其表面的室外空气的显热进行气化及升温,转化为气态CO2
增压泵,所述增压泵与所述蒸发器连接,以交替接收所述蒸发器排出的气态CO2并对其进行增压升温;
冷凝器,所述冷凝器与所述增压泵连接,以接收所述增压泵排出的CO2蒸气并通过所述冷凝器的管壁表面传出潜热,由流经所述冷凝器表面的载冷剂吸收潜热完成载冷剂的升温,且所述冷凝器内的CO2蒸气液化释放潜热转化为液态CO2流出。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
电辅热机构,所述电辅热机构设置于所述增压泵与所述冷凝器之间的管道上,以对所述增压泵增压升温后的气态CO2进行再次加热升温。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,所述液态CO2储罐作为回收罐交替接收经所述冷凝器放热后排出的液态CO2,同时所述回收罐的内腔压力低于所述冷凝器压力,液态CO2经所述冷凝器降温后再降压流至回收罐作为冷媒循环利用。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐内上部的喷射机构,且所述喷射机构与其他液态CO2储罐的下部连通。
5.根据权利要求4所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐的下部与所述喷射机构之间输送管道上的喷液电动阀和喷液比例调节阀。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐下部与所述蒸发器之间对应输送管道上的排液电动阀和减压阀或流量计。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
对应设置于所述冷凝器上部与所述液态CO2储罐下部之间输送管道上的先导阀或数字流量计、液态CO2排出阀、液态CO2排出温度传感器、液态CO2排出止回阀和对应的液态CO2进口阀。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
至少一个所述液态CO2储罐的中部通过管道连接液态CO2进口阀;和
至少两所述液态CO2储罐的底部分别通过排液截止阀连通排污口。
9.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的排空比例阀,所述排空比例阀通过管道连通CO2放空口;
对应设置于所述液态CO2储罐顶部的安全阀、气相温度传感器和罐体压力传感器;和
对应设置于所述液态CO2储罐内的液位计。
10.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
对应设置于所述压力气源与所述液态CO2储罐顶部之间输送管道上的过滤器和空气缓冲罐;
其中,所述空气缓冲罐顶部设置有安全阀、缓冲罐温度传感器和缓冲罐压力传感器,底部设置有缓冲罐排污阀。
11.根据权利要求10所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
设置于所述过滤器与所述空气缓冲罐顶部之间管道上的压缩空气进口阀;和
设置于所述空气缓冲罐上部与各所述液态CO2储罐之间的截止阀、对应的止回阀和气源比例调节阀。
12.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,所述蒸发器和所述冷凝器均包括:
液态冷媒储箱,所述液态冷媒储箱上的液态冷媒进口通过管道分别与各所述液态CO2储罐的下部或蒸发器的上部连接,且其内设置有储箱液位计;
若干蒸发列管,若干所述蒸发列管按一定间隔并排排布,且其一端与所述液态冷媒储箱连接;
气态冷媒储箱,所述气态冷媒储箱与若干所述蒸发列管的另一端连接,且其上的气态冷媒出口通过管道分别与所述冷凝器的上部或各所述液态CO2储罐的下部连接;
其中,所述载冷剂穿过所述蒸发列管的外表面进行换热,且所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液。
13.根据权利要求12所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
第一新风机,所述第一新风机布置于所述蒸发器和/或所述冷凝器的载冷剂的进口处或出口处;
其中,所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液,从所述蒸发器和/或所述冷凝器的管壁外部流过。
14.根据权利要求12所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,还包括:
密封壳体,所述蒸发器和/或所述冷凝器设置于所述密封壳体内,形成换热通道;和
第二新风机,所述第二新风机通过管道布置于所述换热通道的进口处或出口处;
其中,所述载冷剂采用空气、水或乙二醇水溶液,从所述蒸发器和/或所述冷凝器的管壁外部流过。
15.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,所述液态CO2储罐为三个,且呈并联布置。
16.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,所述蒸发器为两个,相对所述冷凝器呈并联布置,以交替向所述冷凝器提供蒸发后的气态CO2
17.根据权利要求16所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,所述冷凝器的底部通过管道分别连接两所述蒸发器;
其中,当其中一个所述蒸发器使用时,另一个所述蒸发器作为液态CO2的降温使用,接收所述冷凝器底部的液态CO2
并在降温的同时融化其作为蒸发器功能时管壁外表面的霜冰,同时用于除霜的载冷剂可作为低温二次热源再利用。
18.根据权利要求16所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,所述压力气源还分别与所述液态CO2蒸发器和所述冷凝器连接;
以向所述液态CO2蒸发器和/或所述冷凝器提供高温高压空气进行除霜。
19.根据权利要求1所述的二氧化碳相变液化循环制热系统,其特征在于,所述压力气源为高压气罐或空压机组;所述高压气体为高压空气,其压力为0.5-3.4MPa。
20.一种空调制热器,其特征在于,包括如权利要求1-19任一项所述的二氧化碳相变液化循环制热系统。
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