阅读说明：本技术 一种非共沸工质增压机械过冷co2跨临界制冷系统 (A kind of non-azeotropic working medium supercharging mechanical supercooling CO2Transcritical cooling system ) 是由 代宝民 孙悦桐 杨茜茹 马牧宇 王璐 何小敏 杨和澄 郭梦迪 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非共沸工质增压机械过冷CO_2跨临界制冷系统。本发明的CO_2跨临界制冷循环系统包括气体冷却器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器、节流阀、蒸发器、压缩机；所述非共沸工质增压机械过冷循环系统包括中温级压缩机、冷凝器、高温级节流阀、储液器、中温级节流阀、旁通阀、低温级节流阀、低温级压缩机。本发明通过非共沸工质增压机械辅助过冷循环,使换热形成更良好的温度匹配,缩小了传热温差、减小了换热过程的不可逆损失,进而减小了冷凝器和蒸发器的传热不可逆损失,使制冷循环的效率得以提高。(The invention discloses a kind of non-azeotropic working medium supercharging mechanicals, and CO is subcooled 2 Transcritical cooling system.CO of the invention 2 Trans-critical cycle cooling cycle system includes gas cooler, medium temperature grade cooling evaporator, low-temperature level cooling evaporator, throttle valve, evaporator, compressor；The non-azeotropic working medium supercharging mechanical supercooling circulatory system includes medium temperature grade compressor, condenser, high-temperature level throttle valve, liquid storage device, medium temperature grade throttle valve, by-passing valve, low-temperature level throttle valve, low-temperature level compressor.The present invention assisted SAPMAC method by non-azeotropic working medium supercharging mechanical, heat exchange is set to form more good Temperature Matching, it reduces heat transfer temperature difference, reduce the irreversible loss of heat transfer process, and then reduce the heat transfer irreversible loss of condenser and evaporator, be improved the efficiency of refrigeration cycle.)

一种非共沸工质增压机械过冷CO2跨临界制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别是涉及一种非共沸工质增压机械过冷CO₂跨临界制冷系统。

背景技术

随着全球变暖、臭氧层被破坏等环境问题的日益严重，对于空调以及制冷行业，最重要的研究课题是寻找新的环境友好型自然制冷工质，替代对臭氧层有破坏作用并能产生温室效应的CFCs、HCFCs等工质。CO₂作为制冷剂，由于其无毒、来源丰富、与普通润滑油相溶、单位容积制冷量大等优点，越来越受到关注。

但由于CO₂较低的临界温度和较高的临界压力，导致制冷效率较低，尤其是当环境温度较高时，CO₂的制冷能力急剧下降，且功耗增大。如果对气体冷却器出口的CO₂流体进行过冷，随着过冷度的增加，节流损失降低，循环冷量增加，进而可提升循环COP。通过辅助蒸汽压缩制冷循环，对CO₂跨临界制冷循环气体冷却器出口的CO₂进行冷却的方法称为机械过冷。机械过冷不仅能够增加制冷量，而且可以降低主循环的运行高压，降低压缩机排气压力，延长压缩机的使用寿命。

当机械过冷循环采用纯工质作为制冷剂时，蒸发相变过程温度保持不变，但跨临界CO₂流体冷却过程为降温过程，二者换热过程温度不匹配，造成换热过程不可逆损失大。并且对于环境温度较高、蒸发温度较低的应用场合，如冷库，CO₂过冷度高达20℃以上。机械过冷制冷循环冷凝侧与空气进行换热，蒸发侧与CO₂流体进行换热，空气侧的温升一般不超过8℃，而CO₂的温降为20℃左右，而非共沸工质蒸发和冷凝过程的滑移温度相差不大，如采用常规非共沸工质制冷循环单级过冷，不能同时满足空气侧和CO₂流体侧的温度匹配，从而又会引起较大的不可逆损失。

因此，需对机械过冷循环进行改进以同时实现机械过冷循环的冷凝和蒸发过程分别与空气及CO₂流体形成良好的温度匹配，进而最大程度的减小循环的整体不可逆损失，从而提升系统整体能效。

发明内容

本发明目的在于，克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种非共沸工质增压机械过冷CO₂跨临界制冷循环系统，

本发明由机械过冷制冷循环系统和CO₂跨临界制冷循环系统组成，其中机械过冷制冷循环系统为蒸汽压缩增压制冷循环，制冷剂为低GWP非共沸混合制冷剂CO₂/R1234ze、CO₂/R1234yf、R41/R1234ze、R41/R1234yf、R32/R1234ze、R32/R1234yf或R32/R600a。

本发明所采取的技术方案是：

一种非共沸工质机械辅助过冷CO₂跨临界制冷循环系统，包括非共沸混合工质机械过冷制冷循环系统和CO₂跨临界制冷循环系统；

所述CO₂跨临界制冷循环系统包括气体冷却器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器、节流阀、蒸发器、压缩机；所述压缩机出口与气体冷却器入口相连，气体冷却器出口与中温级冷却蒸发器入口相连，中温级冷却蒸发器出口与低温级冷却蒸发器入口相连，低温级冷却蒸发器出口与膨胀阀入口连接，膨胀阀出口与蒸发器入口相连，蒸发器入口与压缩机相连；

所述非共沸工质增压机械过冷循环系统包括中温级压缩机、冷凝器、高温级节流阀、储液器、中温级节流阀、旁通阀、低温级节流阀、低温级压缩机；所述中温级压缩机出口与冷凝器入口相连，冷凝器出口与高温级节流阀入口相连，高温级节流阀出口与储液器入口相连，储液器出口与旁通阀入口相连，旁通阀出口与中温级压缩机入口相连；储液器与中温级节流阀入口相连，中温级节流阀出口与中温级冷却蒸发器入口相连，中温级冷却蒸发器出口与中温级压缩机入口相连；所述储液器与低温级节流阀入口相连，低温级节流阀出口与低温级冷却蒸发器入口相连，低温级冷却蒸发器出口与低温级压缩机入口相连，低温级压缩机出口与中温级压缩机入口相连。

所述中温冷却蒸发器、低温冷却蒸发器以及冷凝器均为逆流式换热器。

非共沸工质增压机械过冷循环制冷剂采用自然工质CO₂，CO₂跨临界制冷循环的制冷剂为CO₂/R1234ze、CO₂/R1234yf、R41/R1234ze、R41/R1234yf、R32/R1234ze、R32/R1234yf或R32/R600a。

非共沸混合工质机械辅助过冷制冷系统的低温级压缩机将低温级冷却蒸发器出口的非共沸混合制冷剂压缩到中温级蒸发压力，与中温冷却蒸发器出口的中温中压气体以及经旁通阀的气液分离中的气体混合，之后进入中温级压缩机。气体被压缩至高温高压气体，之后进入冷凝器，冷凝器出口的液体先经中温级节流阀节流为气液两相流体进入储液器内，在储液器内实现气液分离，液体通过中温和低温级节流阀分别节流至中温及低温级冷却蒸发器，并分别在所述冷却蒸发器内蒸发，CO₂流体依次流经中温及低温级蒸发器，实现对CO₂流体进行一次冷却和二次冷却，使得CO₂获得较高的过冷度，吸热蒸发后的非共沸工质都变为饱和气，分别进入低温及中温级压缩机进行压缩，完成机械过冷循环。

CO₂制冷循环系统内充注的工质为CO₂，压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，首先进入气体冷却器与空气进行换热，之后依次流经中温过冷蒸发器与低温过冷蒸发器并与非共沸工质连续进行两次换热，后在节流阀中膨胀降压，CO₂降压变为低温低压的气液两相流体，然后流入蒸发器进行吸热，变为低温低压气体后吸入压缩机入口，完成循环。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)CO₂制冷系统的制冷剂为自然工质CO₂。CO₂的GWP为1，ODP为0，安全无毒不可燃、廉价易获取，在高温条件下也不分解产生有害气体，机械过冷循环工质CO₂/R1234ze、CO₂/R1234yf、R41/R1234ze、R41/R1234yf、R32/R1234ze、R32/R1234yf或R32/R600a的GWP较低，系统所用制冷剂均为环境友好的制冷剂。

(2)机械过冷循环采用非共沸混合制冷剂，其温度滑移与空气的进出口温差相当，制冷剂在冷凝器和蒸发器相变过程中均为变温过程，其中冷凝器侧非共沸制冷剂与空气形成很好的温度匹配。超临界CO₂流体过冷过程中进行了两次冷却，每次过冷过程的温降都不高，与非共沸制冷剂低温及中温蒸发过程形成很好的温度匹配，换热不可逆损失大大减小。综上所述，通过较小的机械过冷循环的冷凝器和冷却蒸发器的换热不可逆损，获得较高的CO₂气体冷却器的过冷度，提高系统能效，增加制冷量。

(3)通过机械过冷系统对CO₂系统气体冷却器出口的CO₂进行过冷，降低进入膨胀阀前CO₂温度，减小膨胀损失，并进一步降低CO₂运行高压。

(4)机械辅助过冷循环储液器起到了闪蒸罐的作用，减小了蒸发器入口制冷剂焓值，提高了系统性能。

(5)相对CO2跨临界制冷系统，机械过冷循环的体积小、耗功少，通过配置小的制冷系统即可实现性能的显著提升，成本低，经济优势明显。

附图说明

图1为本发明非共沸工质增压机械过冷CO₂跨临界制冷循环系统的CO₂跨临界制冷循环的温焓图；

图2为本发明非共沸工质增压机械过冷CO₂跨临界制冷循环系统的辅助过冷制冷循环的温焓图；

图3为本发明非共沸工质增压机械过冷CO₂跨临界制冷循环系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示本发明包括蒸汽压缩增压机械过冷循环系统和CO₂跨临界制冷循环系统，粗实线为CO₂跨临界循环(1’-2’-3’-4’-5’-6’-1’)，细实线为蒸汽压缩增压机械过冷循环的低温蒸发过程(10-12)和高温蒸发过程(6-7)。图2为本发明非共沸工质增压机械过冷CO₂跨临界制冷循环系统的辅助过冷制冷循环的温焓图，其中3’-4’为CO₂的一级过冷过程，6’-5’为CO₂的二级过冷过程。

本发明系统如图3所示：

第一步：压缩机1吸入蒸发器6出口处的低温低压的饱和CO₂气体，将其压缩成高温高压的气体，在气体冷却器2中与空气进行换热后温度降低，之后分别流经中温冷却蒸发器3与低温冷却蒸发器4与非共沸混合制冷剂进行换热，实现CO₂过冷，再进入节流阀5节流降压，变为气液两相状态。再经蒸发器6蒸发吸热后成为过热气体进入压缩机，完成CO₂跨临界循环。

第二步：机械过冷循环低温级压缩机14吸收低温冷却蒸发器4出口处的低温低压制冷剂，将其压缩为中温中压的过热气体，与中温冷却蒸发器3的饱和气体以及从储液器10旁通的气液两相状态工质混合后进入中温级压缩机7，压缩成高温高压气体，进入冷凝器8与空气换热。经中温级节流阀9节流为气液两相进入储液器10内，在储液器10实现气液分离，液体流向蒸发器，气体旁通到高温级压缩机7吸气管路中，与中温冷却蒸发器3出口以及低温级压缩机14出口制冷剂一起混合后进入中温级压缩机7。

第三步：中温中压的气液两相流体通过中温冷却蒸发器3与CO₂进行一次换热变成过热蒸气，低温低压的气液两相流体通过低温冷却蒸发器4与CO₂进行二次换热变成过热蒸气。完成机械辅助过冷循环。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。