逐级冷却的二氧化碳制冷系统

本技术主要涉及制冷设备及系统的，特别是一种逐级冷却的二氧化碳制冷系统。

背景技术：

1、目前，包括r32在内工商制冷设备使用的主要合成制冷工质处于逐步被替代中。在低gwp(温室效应潜能)的新一轮工质替代时扩大二氧化碳等自然工质在制冷设备使用已成为必然的选择。二氧化碳临界温度为31.1℃，因此跨临界循环二氧化碳制冷技术得到比较广泛应用，并通过回收膨胀功、调控排气压力和降低冷却流体温度等措施来改善二氧化碳制冷系统的性能。尽管这些改善措施给二氧化碳制冷系统带来显著的性能提升，但是目前二氧化碳制冷系统的能效比总体上明显低于r32等合成工质制冷系统的能效比，这给二氧化碳在新一轮工质替代中应发挥的作用及二氧化碳制冷系统的推广应用带来了极大挑战。

2、压缩过程是二氧化碳制冷系统的主要耗功过程，加强气缸冷却可使压缩过程从传统的等熵过程趋向等温过程，显著降低压缩功，因为等温过程的压缩功理论上仅为等熵过程的1/k，其中k气体绝热指数，二氧化碳绝热指数为1.3。当冷却流体较低时，可以明显降低进入节流元件工质的温度，有助于增大制冷系统的制冷量；但若用其直接冷却气缸时，容易像r32等传统工质一样，会引起气缸中的二氧化碳低于其临界温度而出现部分凝露或液化，造成压缩机的损坏。如果用冷却流体依次逐级地冷却节流元件前、压缩缸中及压缩机排出的工质，既能用低温流体来强化冷却进入节流元件前的工质，又可把冷却气缸的流体温度调至合适值，这样既可以增大制冷量、降低压缩功，又可以避免二氧化碳在气缸内凝露或液化，有效地解决了二氧化碳制冷系统的能效比明显低于r32等传统工质的问题。

技术实现思路

1、为此，本实用新型结合二氧化碳临界温度较低等物性特点，设计出一种逐级冷却的二氧化碳制冷系统，配置压缩冷却器、冷却器、再冷器等换热器，冷却流体依次流过再冷器、压缩冷却器、冷却器，而系统中的工质同时依次流过压缩冷却器、冷却器、再冷器，使冷却节流元件前、压缩缸中及压缩机排出的工质得以逐级冷却：温度最低的流体先经过增设的再冷器，使进入节流元件前工质进一步降温冷却；将经过再冷器后的流体温度调至合适值，再流过增设的压缩冷却器来强化冷却二氧化碳的压缩过程，同时还避免了二氧化碳在气缸内凝露或液化；经过压缩冷却器后的流体最后流过冷却器，来冷却压缩机排出的工质，流出冷却器的工质进入再冷器继续降温冷却。这样，可以有效提升其制冷能力并降低压缩功，明显改善了二氧化碳制冷系统的能效比和运行可靠性，有利于二氧化碳制冷技术的推广应用。

2、为了实现上述的实用新型目的，本实用新型的技术方案是一种逐级冷却的二氧化碳制冷系统，该制冷系统包括压缩机(1)、压缩冷却器(2)、再冷器(3)、冷却器(4)、蒸发器(5)和节流件(6)、工质管路(7)、冷却管路(8)、调节阀(9)、低温管路(10)和温度传感器(11)等，压缩冷却器(2)与压缩机(1)压缩腔/气缸的外壁紧密接触，温度传感器(11)置于压缩机(1)排气管上；制冷系统连接方式为：压缩机(1)排气口连接冷却器(4)进口，冷却器(4)出口连接再冷器(3)进口、再冷器(3)出口流经节流件(6)后连接蒸发器(5)进口，蒸发器(5)出口连接压缩机(1)吸气口，工质管路(7)充注适量工质；冷却管路(8)进管连接调节阀(9)a口，调节阀(9)c口和b口分别连接冷却器(4)和再冷器(3)的流体进口，再冷器(3)流体出口连接压缩冷却器(2)流体进口，压缩冷却器(2)流体出口也连接冷却器(4)流体进口，冷却器(4)流体出口连接冷却管路(8)出管，调节阀(9)工作状态受控于温度传感器(11)；低温管路(10)内的流体流过蒸发器(5)。

3、再冷器(3)换热面积与冷却器(4)换热面积之比为0.15～0.75。

4、压缩冷却器(2)换热面积与冷却器(4)换热面积之比为0.01～0.3。

5、该制冷系统适用的工质为二氧化碳，或其它临界温度低于40℃流体。

6、压缩冷却器(2)为压缩腔外缠绕冷却盘管，或钢板焊成的气缸外壁夹套，或铸出的双层壁气缸体，或由气缸体与气缸套共同形成的冷却夹套。

7、再冷器(3)和冷却器(4)可以为二个独立的换热器，或多路流体/工质进出口的整体结构换热器，换热器结构可以为板式，或管壳式，或套管式等型式换热器。

8、压缩机(1)为活塞式，或螺杆式，或涡旋式，或滚动活塞式，或离心式等型式压缩机。

9、该制冷系统适用于单级压缩式，或二级压缩式，或补气压缩式，或复叠式等型式制冷系统。

10、节流件(6)为节流管，或节流阀，或节流孔板，也可以是喷射器、或膨胀机等压力能回收设备。

11、该制冷系统适用的冷却流体为水等液体，或空气等气体；当空气冷却时，压缩冷却器(2)可以通过载热流体与空气散热器连接的间接散热方式，也可以省去压缩冷却器(2)后空气掠过压缩腔/气缸外表面的直接散热方式。

12、本实用新型设计出的一种逐级冷却的二氧化碳制冷系统，根据二氧化碳临界温度较低等物性特点，通过增设压缩冷却器来强化二氧化碳压缩过程的冷却效果，使其压缩过程趋于等温压缩过程，可以有效降低压缩功；压缩过程经过强冷后的压缩机排气进入冷却器继续降温冷却，之后再流过增设的再冷器进一步降温冷却，极大地降低了高压二氧化碳进入节流件之前的温度，可以有效提升其制冷能力；冷却流体通过再冷器后温度调至合适值后，再进入压缩冷却器，可以有效避免进入压缩冷却器的流体温度过低，再增设由温度传感器控制的冷却流体调节阀，可以调节进入压缩冷却器的流体流量，全面防止二氧化碳在压缩腔内因过度冷却而带来凝结为液体的风险，来改善其运行可靠性。因此，该逐级冷却的二氧化碳制冷系统通过压缩冷却器、冷却器及再冷器逐级冷却二氧化碳气体，明显改善了二氧化碳制冷系统的能效比和运行可靠性，有力地促进二氧化碳制冷系统的推广应用。

技术特征：

1.逐级冷却的二氧化碳制冷系统，其特征在于：该制冷系统包括压缩机(1)、压缩冷却器(2)、再冷器(3)、冷却器(4)、蒸发器(5)和节流件(6)、工质管路(7)、冷却管路(8)、调节阀(9)、低温管路(10)和温度传感器(11)；所述压缩冷却器(2)与压缩机(1)的压缩腔/气缸外壁紧密接触，温度传感器(11)置于压缩机(1)排气管上；压缩机(1)排气口与冷却器(4)进口连接，冷却器(4)出口连接再冷器(3)进口、再冷器(3)出口流经节流件(6)后连接蒸发器(5)进口，蒸发器(5)出口连接压缩机(1)吸气口，工质管路(7)充注适量工质；冷却管路(8)进管连接调节阀(9)的a口，调节阀(9)的c口和b口分别连接冷却器(4)和再冷器(3)的流体进口，再冷器(3)流体出口连接压缩冷却器(2)流体进口，压缩冷却器(2)流体出口连接冷却器(4)流体进口，冷却器(4)流体出口连接冷却管路(8)出管，调节阀(9)工作状态受控于温度传感器(11)；低温管路(10)内的流体流过蒸发器(5)；

2.根据权利要求1所述的逐级冷却的二氧化碳制冷系统，其特征在于：压缩冷却器(2)为压缩腔外缠绕冷却盘管，或钢板焊成的气缸外壁夹套，或铸出的双层壁气缸体，或由气缸体与气缸套共同形成的冷却夹套。

3.根据权利要求1所述的逐级冷却的二氧化碳制冷系统，其特征在于：再冷器(3)和冷却器(4)为二个独立的换热器，或多路流体/工质进出口的整体结构换热器；所述换热器结构为板式换热器，或管壳式换热器，或套管式换热器。

4.根据权利要求1所述的逐级冷却的二氧化碳制冷系统，其特征在于：压缩机(1)为活塞式压缩机，或螺杆式压缩机，或涡旋式压缩机，或滚动活塞式压缩机，或离心式压缩机。

5.根据权利要求1所述的逐级冷却的二氧化碳制冷系统，其特征在于：节流件(6)为节流管，或节流阀，或节流孔板，或压力能回收设备；所述压力能回收设备为喷射器或膨胀机。

6.根据权利要求1所述的逐级冷却的二氧化碳制冷系统，其特征在于：该制冷系统适用的冷却流体为水或空气。

技术总结本技术公开了逐级冷却的二氧化碳制冷系统，由压缩机、压缩冷却器、再冷器、冷却器、蒸发器和节流件、工质管路、冷却管路、调节阀、低温管路和温度传感器等组成，压缩冷却器与压缩机压缩腔/气缸的外壁紧密接触，温度传感器置于压缩机排气管上，压缩机与冷却器、再冷器、节流件、蒸发器通过工质管路连成封闭的制冷系统，并充注适量工质，冷却管路内冷却流体依次流经再冷器、压缩冷却器和冷却器，调节阀工作状态受控于温度传感器，低温管路内的流体流过蒸发器，这样通过压缩冷却器强化冷却二氧化碳的压缩过程、增设再冷器强化其冷却过程，明显改善了二氧化碳制冷系统的能效比和运行可靠性。技术研发人员：马国远,张玉梅,王磊,许树学,李富平受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：20231026技术公布日：2024/7/18