阅读说明：本技术 一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统及应用 (Injection supercharging two-stage series connection supercooling double-temperature-zone refrigerating system and application ) 是由 梁玉辉 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统及应用,包括CO<Sub>2</Sub>气体冷却器；CO<Sub>2</Sub>气体冷却器热媒侧的出口的一路管路依次连通中温级冷却蒸发器的热媒侧、低温级冷却蒸发器的热媒侧、第一节流阀、第一气液分离器的液体入口、第二节流阀、第二气液分离器的液体入口；第二气液分离器的气体出口依次连通低温CO<Sub>2</Sub>压缩机、中低温CO<Sub>2</Sub>压缩机、中高温CO<Sub>2</Sub>压缩机、高温CO<Sub>2</Sub>压缩机和CO<Sub>2</Sub>气体冷却器热媒侧的入口。本发明所述的引射增压双级串联过冷双温区制冷系统,采用引射器增压双级串联冷却蒸发器实现过冷,使换热过程形成更好的温度匹配,缩小传热温差,可显著降低CO<Sub>2</Sub>过冷过程中的换热不可逆损失。(The invention provides an injection supercharging two-stage series connection supercooling double-temperature-zone refrigerating system and application, comprising CO 2 A gas cooler; CO 2 2 One pipeline of an outlet at the heat medium side of the gas cooler is sequentially communicated with the heat medium side of the medium-temperature stage cooling evaporator, the heat medium side of the low-temperature stage cooling evaporator, the first throttling valve, a liquid inlet of the first gas-liquid separator, the second throttling valve and a liquid inlet of the second gas-liquid separator; the gas outlet of the second gas-liquid separator is sequentially communicated with low-temperature CO 2 Compressor, medium and low temperature CO 2 Compressor, medium-high temperature CO 2 Compressor, high temperature CO 2 Compressor and CO 2 An inlet on the heat medium side of the gas cooler. The invention is as describedThe injection supercharging two-stage series connection supercooling double-temperature-region refrigerating system adopts the injection supercharging two-stage series connection cooling evaporator to realize supercooling, so that better temperature matching is formed in the heat exchange process, the heat transfer temperature difference is reduced, and the CO can be obviously reduced 2 Irreversible loss of heat exchange during subcooling.)

一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统及应用

技术领域

本发明属于制冷制热、热泵技术领域，尤其是涉及一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统及应用。

背景技术

在能源日益紧缺、环境问题愈加突出的今天，全社会都在寻求节能环保的可行方式。同时性能优良、价格低廉、运行稳定的新技术、新产品也在不断涌现。在能耗方面，制冷空调建筑占比很大，是建筑中的用电大户，需要探索新型节能制冷热泵技术。对于民用和商业应用领域，多温区制冷及供热需求日益剧增。目前主要是通过两个及其多个制冷(热泵)设备来达到不同温区的要求，这样很大程度造成了能源浪费和环境破坏。与此同时，多数设备充注的制冷剂为HFCs类高GWP工质。

CO₂制冷技术比传统技术更高效、更节能、更环保。二氧化碳凭借着自身优良特性，被誉为是CFCs、HCFCs和HFCs最具发展潜力的替代物。因此，绿色二氧化碳制冷技术具有广阔的发展前景。然而，由于CO₂较低的临界温度(31.1℃)和较高的临界压力(7.38MPa)，使其节流不可逆损失大，制冷效率较低，通过对跨临界CO₂制冷循环气体冷却器出口的CO₂进行冷却的方法增加过冷度使得节流损失降低，循环冷量增加，同时降低CO₂循环的运行高压和压缩机排气压力，延长压缩机的使用寿命，提升循环COP。

带引射器的CO₂制冷(热泵)循环一直是近几年的研究热点，有相关研究表明，带有引射器的CO₂热泵机组COP相比原来提高了20％以上。引射器又称喷射泵，主要用于改变流体压力。主流高压流体在喷嘴中等熵膨胀速度增加压力降低，引射卷吸二次流，两股流体在混合室内混合至中间压力，形成引射器出口中间压力流体。本发明使用引射器取得两种不同蒸发压力，完成双级串联过冷，增加过冷度，降低了节流不可逆损失，提高系统整体效率。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统，以克服现有技术的缺陷，采用引射器增压双级串联冷却蒸发器实现过冷，两个串联冷却蒸发器的中温和高温两个不同换热温度使跨临界CO₂循环气体冷却器出口的CO₂流体连续两次梯级过冷，使换热过程形成更好的温度匹配，缩小传热温差，可显著降低CO₂过冷过程中的换热不可逆损失，降低CO₂气体冷却器出口温度，得到较大过冷度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统，包括CO₂气体冷却器；

CO₂气体冷却器热媒侧的出口的一路管路依次连通中温级冷却蒸发器的热媒侧、低温级冷却蒸发器的热媒侧、第一节流阀、第一气液分离器的液体入口、第二节流阀、第二气液分离器的液体入口；第二气液分离器的气体出口依次连通低温CO₂压缩机、中低温CO₂压缩机、中高温CO₂压缩机、高温CO₂压缩机和CO₂气体冷却器热媒侧的入口；第二气液分离器的出液口依次连通CO₂低温级蒸发器冷媒侧、第二引射器的二次流入口；第一气液分离器的气体出口连通中低温CO₂压缩机的入口，第一气液分离器不与第二节流阀连通的出液口依次连通CO₂中温级蒸发器冷媒侧、第一引射器的二次流入口；

CO₂气体冷却器热媒侧的出口的另一路管路又分为两路，一路管路依次连通第一引射器的主流入口、中温级冷却蒸发器的冷媒侧、高温CO₂压缩机和CO₂气体冷却器热媒侧的入口，另一路管路依次连通第二引射器的主流入口、低温级冷却蒸发器的冷媒侧、中高温CO₂压缩机的入口。

使用时，CO₂低温级蒸发器、CO₂中温级蒸发器、低温CO₂压缩机、中低温CO₂压缩机、中高温CO₂压缩机、高温CO₂压缩机、CO₂气体冷却器、中温级冷却蒸发器、第一引射器、第二引射器、低温级冷却蒸发器、第一节流阀、第一气液分离器、第二节流阀以及第二气液分离器组成跨临界CO₂双温区制冷循环；第一引射器、第二引射器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器共同构成引射器增压双级串联过冷装置，可完成引射增压双级串联过冷双温区制冷循环。

进一步的，引射增压双级串联过冷双温区制冷系统的换热工质为CO₂。

进一步的，CO₂气体冷却器冷媒侧的换热流体为水或空气。

进一步的，CO₂中温级蒸发器冷媒侧和CO₂低温级蒸发器冷媒侧的换热流体为空气。

进一步的，CO₂气体冷却器为套管式换热器或板式换热器；中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器、CO₂中温级蒸发器、CO₂低温级蒸发器分别采用套管式蒸发器、套管式蒸发器、翅片管式蒸发器、翅片管式蒸发器。

进一步的，CO₂低温级蒸发器的蒸发温度范围为-56～-20℃，CO₂中温级蒸发器的温度范围为-20～10℃，中温级冷却蒸发器的温度范围为10～30℃，低温级冷却蒸发器的温度范围为-10～20℃。

进一步的，低温CO₂压缩机的吸气压力范围为0.53～1.97MPa，排气压力范围为1.97～4.50Mpa；中低温CO₂压缩机的吸气压力范围为1.97～4.50MPa，排气压力范围为2.65～5.73MPa；中高温CO₂压缩机的吸气压力范围为2.65～5.73MPa，排气压力范围为4.50～7.21MPa；高温CO₂压缩机的吸气压力范围为4.50～7.21MPa，排气压力范围为7.50～14MPa。

进一步的，第一引射器二次流的吸气温度范围为-20～10℃，压力范围为1.97～4.50MPa，主流温度范围为20～45℃，压力范围为7.5～14MPa，第一引射器出口温度范围为10～30℃，压力为2.65～5.73Mpa。

进一步的，第二引射器二次流的吸气温度范围为-56～-20℃，压力范围为0.53～1.97MPa，主流温度范围为20～45℃，压力范围为7.5～14MPa，第二引射器出口温度范围为-10～20℃，压力为2.65～5.73MPa。

本发明还涉及如上所述的引射增压双级串联过冷双温区制冷系统在食品制冷领域的应用。

相对于现有技术，本发明所述的一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统具有以下优势：

(1)常规机械过冷CO₂循环的最优过冷度过大，过冷过程CO₂与常规制冷剂温度不匹配，换热不可逆损失大。本发明采用引射器增压双级串联过冷装置实现过冷，两个串联冷却蒸发器的中温和高温两个不同换热温度使跨临界CO₂循环气体冷却器出口的CO₂流体连续两次梯级过冷，使换热过程形成更好的温度匹配，缩小传热温差，可显著降低CO₂过冷过程中的换热不可逆损失，降低CO₂气体冷却器出口温度，得到较大过冷度。同时降低进入节流阀的CO₂温度，减小不可逆节流损失，提升系统总体能效。

(2)通过双引射器分别对低温级蒸发器和中温级蒸发器的出口气体进行引射形成两个不同的蒸发温度并对CO₂流体进行冷却，该过程没有配置节流阀即可达到降压的作用，降低了节流损失，并且引射器出口的压力高于对应蒸发器的蒸发压力，提升了压缩机的吸气压力，降低了压缩机的压缩比以及排气温度，提升了系统性能。

(3)相对于常规的过冷技术，本发明没有单独配置充注其他工质的蒸气压缩系统，而是采用CO₂自身节流后蒸发过冷，制冷剂仅为自然工质CO₂，未采用其他常规人工合成制冷剂，CO₂的ODP为0，GWP为1，高温条件下也不会分解，安全无毒，环境友好。

(4)相较于传统CO₂压缩过程，引射增压双级串联过冷双温区制冷循环降低了CO₂的运行高压，降低压缩机排气压力，CO₂压缩机压比减小，等熵效率提高，延长压缩机使用寿命。

(5)第一气液分离器和第二气液分离器的设置使得流入CO₂中温级蒸发器和CO₂低温级蒸发器的工质为饱和液，相对与传统的气液两相流体，制冷剂在蒸发器各平行管路内均匀分布，大幅提高换热效率，可降低蒸发器的换热面积，具有较好的经济性。

(6)跨临界CO₂双温区可实现两个不同温位的需求，CO₂中温级蒸发器蒸发温度略高，可储存乳制品、蔬菜水果、蛋类等；而CO₂低温级蒸发器蒸发温度相对较低，可以储存肉类、鱼类等食品。相比传统的设备，该系统可以采用一套系统即可实现多种温区的功能，设备集成，系统紧凑，方便不同温区的需求，减小设备占地。

附图说明

图1为本发明所述的引射增压双级串联过冷双温区制冷系统的简单结构示意图；

图2为发明所述的引射增压双级串联过冷双温区制冷系统工作时的压焓图。

附图标记：

1-低温CO₂压缩机；2-中低温CO₂压缩机；3-中高温CO₂压缩机；4-高温CO₂压缩机；5-CO₂气体冷却器；6-中温级冷却蒸发器；7-第一引射器；8-第二引射器；9-低温级冷却蒸发器；10-第一节流阀；11-CO₂中温级蒸发器；12-第一气液分离器；13-第二节流阀；14-CO₂低温级蒸发器；15-第二气液分离器。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例及附图来详细说明本发明。

一种引射增压双级串联过冷双温区制冷系统，包括可以实现相互换热的引射器增压双级串联过冷装置和跨临界CO₂双温区制冷循环。其中引射器增压双级串联过冷装置包括第一引射器、第二引射器、中温级冷却蒸发器和低温级冷却蒸发器；所述第一引射器和第二引射器并列设置，第一引射器的出口连通中温级冷却蒸发器6的冷媒侧，第二引射器的出口连通低温级冷却蒸发器9的冷媒侧；中温级冷却蒸发器6的热媒侧和低温级冷却蒸发器9的热媒侧串联。本发明采用引射器增压双级串联过冷装置实现过冷，两个串联冷却蒸发器的中温和高温两个不同换热温度使跨临界CO₂循环气体冷却器出口的CO₂流体连续两次梯级过冷，使换热过程形成更好的温度匹配，缩小传热温差，可显著降低CO₂过冷过程中的换热不可逆损失，降低CO₂气体冷却器出口温度，得到较大过冷度。同时降低进入节流阀的CO₂温度，减小不可逆节流损失，提升系统总体能效。

跨临界CO₂双温区制冷循环包括CO₂气体冷却器5；CO₂气体冷却器5热媒侧的出口连通第一管路和第二管路，第一管路依次连通中温级冷却蒸发器6的热媒侧、低温级冷却蒸发器9的热媒侧、第一节流阀10、第一气液分离器12的液体入口、第二节流阀13、第二气液分离器15的液体入口；第二气液分离器15的气体出口依次连通低温CO₂压缩机1、中低温CO₂压缩机2、中高温CO₂压缩机3、高温CO₂压缩机4和CO₂气体冷却器5热媒侧的入口；第二气液分离器15的出液口依次连通CO₂低温级蒸发器14冷媒侧、第二引射器8的二次流入口；第一气液分离器12的气体出口连通中低温CO₂压缩机2的入口，第一气液分离器12不与第二节流阀13连通的出液口依次连通CO₂中温级蒸发器11冷媒侧、第一引射器7的二次流入口；第二管路分为两路，一路管路连通第一引射器7的主流入口，另一路连通第二引射器8的主流入口；CO₂气体冷却器5的入口连通高温CO₂压缩机4的出口，高温CO₂压缩机4的入口与中温级冷却蒸发器6的冷媒侧的出口、低温级冷却蒸发器9的冷媒侧的出口均连通，且高温CO₂压缩机4的入口与低温级冷却蒸发器9的冷媒侧的出口的连通管路上安装有中高温CO₂压缩机3。

通过双引射器分别对低温级蒸发器和中温级蒸发器的出口气体进行引射形成两个不同的蒸发温度并对CO₂流体进行冷却，该过程没有配置节流阀即可达到降压的作用，降低了节流损失，并且引射器出口的压力高于对应蒸发器的蒸发压力，提升了压缩机的吸气压力，降低了压缩机的压缩比以及排气温度，提升了系统性能。此外，第一气液分离器12和第二气液分离器15的设置使得流入CO₂中温级蒸发器和CO₂低温级蒸发器的工质为饱和液，相对与传统的气液两相流体，制冷剂在蒸发器各平行管路内均匀分布，大幅提高换热效率，可降低蒸发器的换热面积，具有较好的经济性。

作为本发明一种可选的实施方式，引射增压双级串联过冷双温区制冷系统的换热工质为CO₂。CO₂的ODP为0，GWP为1，高温条件下也不会分解，安全无毒，环境友好。

作为本发明一种可选的实施方式，CO₂气体冷却器5冷媒侧的换热流体根据工艺需要，可以是水或气体，这样经换热，即可得到高温热水或高温蒸汽。CO₂中温级蒸发器11冷媒侧和CO₂低温级蒸发器14冷媒侧的换热流体为空气。

作为本发明一种可选的实施方式，CO₂气体冷却器5为套管式换热器或板式换热器，优选为套管式换热器；中温级冷却蒸发器6、低温级冷却蒸发器9、CO₂中温级蒸发器11、CO₂低温级蒸发器14分别采用套管式蒸发器、套管式蒸发器、翅片管式蒸发器、翅片管式蒸发器。

作为本发明一种可选的实施方式，CO₂低温级蒸发器14的蒸发温度范围为-56～-20℃，CO₂中温级蒸发器11的温度范围为-20～10℃，中温级冷却蒸发器6的温度范围为10～30℃，低温级冷却蒸发器9的温度范围为-10～20℃。低温CO₂压缩机1的吸气压力范围为0.53～1.97MPa，排气压力范围为1.97～4.50Mpa；中低温CO₂压缩机2的吸气压力范围为1.97～4.50MPa，排气压力范围为2.65～5.73MPa；中高温CO₂压缩机3的吸气压力范围为2.65～5.73MPa，排气压力范围为4.50～7.21MPa；高温CO₂压缩机4的吸气压力范围为4.50～7.21MPa，排气压力范围为7.50～14MPa。第一引射器7二次流的吸气温度范围为-20～10℃，压力范围为1.97～4.50MPa，主流温度范围为20～45℃，压力范围为7.5～14MPa，第一引射器7出口温度范围为10～30℃，压力为2.65～5.73Mpa。第二引射器8二次流的吸气温度范围为-56～-20℃，压力范围为0.53～1.97MPa，主流温度范围为20～45℃，压力范围为7.5～14MPa，第二引射器8出口温度范围为-10～20℃，压力为2.65～5.73MPa。

使用时，由CO₂低温级蒸发器14、CO₂中温级蒸发器11、低温CO₂压缩机1、中低温CO₂压缩机2、中高温CO₂压缩机3、高温CO₂压缩机4、CO₂气体冷却器5、中温级冷却蒸发器6(具体来说是热媒侧)、第一引射器7、第二引射器8、低温级冷却蒸发器9(具体来说是热媒侧)、第一节流阀10、第一气液分离器12、第二节流阀13以及第二气液分离器15组成跨临界CO₂双温区制冷循环，由第一引射器7、第二引射器8、中温级冷却蒸发器6(具体来说是冷媒侧)、低温级冷却蒸发器9(具体来说是冷媒侧)等完成引射器增压双级串联过冷，具体工作原理如下(参见如图2压焓图)：

第一步：第二气液分离器15气体出口的低温低压CO₂气体a被低温CO₂压缩机1吸入压缩至中温中压的CO₂流体b后与来自第一气液分离器12气体出口的CO₂流体d进行混合至状态c，流经一段管道后被中低温CO₂压缩机2吸入继续压缩，压缩后的CO₂流体e与低温级冷却蒸发器9低温侧(也即冷媒侧)出口的CO₂流体g进行混合，流经一段管道后被中高温CO₂压缩机3吸入继续压缩，压缩后的CO₂流体h与中温级冷却蒸发器6低温侧(也即冷媒侧)出口的CO₂流体j进行混合至状态i，流经一段管道后被高温CO₂压缩机4吸入继续压缩，压缩至高温高压的CO₂流体k，然后进入CO₂气体冷却器5与换热流体换热，CO₂气体冷却器5出口CO₂流体l分为两路，一路流入中温级冷却蒸发器6高温侧(也即热媒侧)；另一路流经一段管道后分别流入第一引射器7、第二引射器8主流入口，CO₂流体在中温级冷却蒸发器6中过冷至状态m后流入低温级冷却蒸发器9中继续降温至状态n，之后CO₂流体流经第一节流阀10节流降温至状态q后流入第一气液分离器12，第一气液分离器12中液体分为两路，一路CO₂流体流经第二节流阀13节流降温至状态t后流入第二气液分离器15；另一路CO₂流体流经CO₂中温级蒸发器11进行蒸发吸热至状态d，之后CO₂流体流入第一引射器7二次流入口，第二气液分离器15中CO₂液体流经CO₂低温级蒸发器14进行蒸发吸热至状态a，之后CO₂流体流入第二引射器8二次流入口，第一引射器7出口CO₂流体流入中温级冷却蒸发器6低温侧(也即冷媒侧)；第二引射器8出口CO₂流体流入低温级冷却蒸发器9低温侧，如此往复，完成跨临界CO₂双温区制冷循环。

第二步：CO₂气体冷却器5出口的高温高压流体分为两路，其中一路进入第一引射器7与第二引射器8主流入口进行等熵膨胀，流速增大，压力降低；流经CO₂低温级蒸发器14与CO₂中温级蒸发器11的CO₂流体分别为第二引射器8和第一引射器7的二次流，二次流被低压主流不断吸进第一引射器7与第二引射器8的吸入室，与低压主流在其对应的混合室内进行混合，混合后的流体进入其对应的扩压室，流体速度降低，压力升高至主流与二次流体之间，实现较高的蒸发压力，第一引射器7与第二引射器8出口的混合流体状态分别为o和p，分别流入中温级冷却蒸发器6低温侧(也即冷媒侧)、低温级冷却蒸发器9低温侧(也即冷媒侧)与中温级冷却蒸发器6高温侧(也即热媒侧)、低温级冷却蒸发器9高温侧(也即热媒侧)的CO₂流体换热至饱和气态g和j，高温侧CO₂流体被冷却温度降低。高温侧CO₂流体经过两次不同温位的冷却，每次过冷过程CO₂的温降都不高，形成良好的温度匹配，减小换热不可逆损失，得到较大的过冷度，完成引射器增压双级串联过冷。

第三步：换热流体流入CO₂气体冷却器5换热流体侧被加热为工艺所需温度，得到所需中高温热水或高温蒸汽，完成换热流体加热过程。空气流经CO₂中温级蒸发器11和CO₂低温级蒸发器14换热流体侧冷却，完成制冷过程。

上述过程中，一个可以采用的比较优选的工艺条件为：CO₂低温级蒸发器14的蒸发温度为-30℃，CO₂中温级蒸发器11的温度为-5℃，中温级冷却蒸发器6的温度为18℃，低温级冷却蒸发器9的温度为5℃。低温CO₂压缩机1的吸气压力为1MPa，排气压力为3Mpa；中低温CO₂压缩机2的吸气压力为2.5MPa，排气压力为4MPa；中高温CO₂压缩机3的吸气压力为4MPa，排气压力为6MPa；高温CO₂压缩机4的吸气压力为6MPa，排气压力为12MPa。第一引射器7二次流的吸气温度为0℃，压力范围为3MPa，主流温度范围为30℃，压力范围为11MPa，第一引射器7出口温度为20℃，压力为4Mpa。第二引射器8二次流的吸气温度为-40℃，压力范围为1.2MPa，主流温度为30℃，压力为10MPa，第二引射器8出口温度范围为5℃，压力为4MPa。

需要说明的是，上述“吸入室”、“混合室”和“扩压室”均为引射器的构成部分，第一引射器和第二引射器均为常规现有引射器。

本发明所述的引射增压双级串联过冷双温区制冷系统，可广泛用于食品制冷领域，具体来说：其跨临界CO₂双温区可实现两个不同温位的需求，CO₂中温级蒸发器蒸发温度略高，可储存乳制品、蔬菜水果、蛋类等；而CO₂低温级蒸发器蒸发温度相对较低，可以储存肉类、鱼类等食品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。