自然工质co2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统及制冷机
阅读说明：本技术 自然工质co2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统及制冷机 (Natural working medium CO2Compression-supersonic speed two-phase expansion composite refrigerating system and refrigerator ) 是由 曾钰培 罗二仓 陈燕燕 王晓涛 董学强 公茂琼 朱顺敏 余国瑶 于 2021-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自然工质CO-(2)压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统及制冷机,包括超音速两相膨胀机和循环回路,超音速两相膨胀机,包括进口侧、出气侧和出液侧；循环回路包括与出气侧相连通的第一流通管路、与出液侧相连通的第二流通管路以及经第一流通管路和第二流通管路汇合形成的第三流通管路,第三流通管路与进口侧相连通；第二流通管路或者第三流通管路的任一者设有蒸发器,蒸发器的出口端与第三流通管路相连通,第三流通管路上设有气体冷却器,以对第一流通管路和第二流通管路流出的气态制冷工质进行降温。通过上述方式,本发明的制冷系统可以达到制冷效率高、工质环保安全有益效果。(The invention provides a natural working medium CO 2 A compression-supersonic speed two-phase expansion composite refrigerating system and a refrigerating machine comprise a supersonic speed two-phase expander and a circulating loop, wherein the supersonic speed two-phase expander comprises an inlet side, a gas outlet side and a liquid outlet side; the circulating loop comprises a first circulating pipeline communicated with the air outlet side, a second circulating pipeline communicated with the liquid outlet side and a third circulating pipeline formed by converging the first circulating pipeline and the second circulating pipeline, and the third circulating pipeline is communicated with the inlet side; an evaporator is arranged on either the second circulation pipeline or the third circulation pipeline, the outlet end of the evaporator is communicated with the third circulation pipeline, and a gas cooler is arranged on the third circulation pipelineThe cooler is used for cooling the gaseous refrigerant flowing out of the first circulation pipeline and the second circulation pipeline. By the mode, the refrigeration system disclosed by the invention can achieve the beneficial effects of high refrigeration efficiency, environment-friendly and safe working medium.)
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统及制冷机。
背景技术
能源与环境的可持续发展成为全世界共同关注的焦点。随着我国经济社会快速发展，低温、制冷以及热泵产品的应用越来越多，低温与制冷技术提高了人们的生活质量，但各种制冷剂泄漏引起的环境问题也越来越严重，推广应用环境友好的制冷剂，对于节能减排和推动社会可持续发展具有重要意义。目前制冷剂的发展历史主要分为四个阶段：第一代制冷剂以自然工质如CO2、醚类等为代表；随着人工合成的第二代制冷剂氯氟烃(CFCs)和氢氯氟烃(HCFCs)的发展，自然工质因系统效率无法与人工合成工质相比而逐渐被淘汰，但第二代制冷剂具有较高的臭氧消耗潜能值(Ozone Depletion Potential,ODP)同样也退出了历史舞台；出于对臭氧层的保护，制冷剂转变为不含氯和溴的氢氟烃(HFCs)，其中以R134a为主要代表的第三代制冷剂，开始被大规模生产和使用，但是其全球变暖潜能值(Global Warming Potential, GWP)较高，随之带来了温室效应的问题；考虑到臭氧层破坏和温室效应，自然工质作为第四代制冷剂再次被提出，其中主要包括CO2、 NH3、H2O、碳氢化合物和用于低温制冷的CH4、N2和He等，前国际制冷学会主席G.Lorentzen称自然工质为解决环境问题的终极方案。
传统蒸汽压缩式制冷系统中的制冷剂ODP和GWP较高，有些制冷剂还具有一定的毒性和可燃性，制冷剂泄露易造成一定的安全隐患和环境污染问题，如臭氧层破环和温室效应；此外，蒸汽压缩式制冷系统中传统的降温装置如节流阀，存在效率低、压降大、节流损失大等问题；再如膨胀机虽然其膨胀降温效率有所提高，但存在结构复杂、加工难度大、具有运动部件安全性可靠性降低、不能带液工作等不足。
发明内容
本发明实施例提供一种自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统及制冷机，用以解决现有技术中制冷效率低、工质不环保不安全的技术问题。
本发明实施例提供一种自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，包括：
超音速两相膨胀机，包括进口侧、出气侧和出液侧；
循环回路，包括与所述出气侧相连通的第一流通管路、与所述出液侧相连通的第二流通管路以及经所述第一流通管路和所述第二流通管路汇合形成的第三流通管路，所述第三流通管路与所述进口侧相连通；
所述第二流通管路或者第三流通管路的任一者设有蒸发器，所述蒸发器的出口端与所述第三流通管路相连通，所述第三流通管路上设有气体冷却器，以对所述第一流通管路和所述第二流通管路流出的气态制冷工质进行降温。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，所述第一流通管路上设有第一压缩机，所述第一压缩机的进口端与所述出气侧相连通，所述第一压缩机的出口端与所述第三流通管路相连通。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，
所述第二流通管路上设有泵和第一蒸发器；
所述泵的进口端与所述出液侧相连通，所述泵的出口端与所述第一蒸发器的进口端相连通，所述第一蒸发器的出口端与所述第三流通管路相连通。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，所述第一压缩机出口端的压力值与所述进口侧的压力值相同。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，所述第一流通管路上设有节流阀，所述节流阀的进口端与所述出气侧相连通，所述节流阀的出口端与所述第三流通管路相连通。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，
所述第三流通管路上设有第二蒸发器、第二压缩机；
所述第二蒸发器的进口端分别与所述第一流通管路和所述第二流通管路的出口端相连通，所述第二蒸发器的出口端与所述第二压缩机的进口端相连通，所述第二压缩机的出口端与所述气体冷却器的进口端相连通。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，所述第二压缩机出口端的压力值与所述进口侧的压力值相同。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，
所述超音速两相膨胀机包括依次连接的旋流机构、喷管、旋流分离管、排液机构以及扩压器；
所述进口侧与所述旋流机构相连通，所述旋流机构产生离心力将经所述进口侧进入的工质在所述喷管形成低温效应，并在所述旋流分离管内经所述排液机构将产生的液态制冷工质流向所述第二流通管路以及经所述扩压器将气态制冷工质流向所述第一流通管路。
根据本发明一个实施例的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，所述超音速两相膨胀机内的制冷工质为二氧化碳。
本发明实施例还提供一种制冷机，包括上述的自然工质CO2压缩 -超音速两相膨胀复合制冷系统。
本发明实施例提供的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统及制冷机，该自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统中包括超音速两相膨胀机和循环回路，且第二流通管路或第三流通管路中任一者设有蒸发器，通过蒸发器可以使得流向气体冷却器的均为气态制冷工质，通过超音速膨胀制冷，制冷效率高、压降小、能耗低、结构简单紧凑、加工难度低、无运动部件安全可靠，且系统在第二流通管路或者部分第三流通管路可以为液态制冷工质，也即在超音速两相膨胀机内可膨胀至两相区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统一实施例的结构示意图；
图2为本发明自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统另一实施例的结构示意图；
图3为图1中的超音速两相膨胀机的结构示意图；
附图标记：
10、超音速两相膨胀机；110、进口侧；120、出气侧；130、出液侧；140、旋流机构；150、喷管；160、旋流分离管；170、排液机构；180、扩压器；
20、循环回路；210、第一流通管路；2110、第一压缩机；2120、节流阀；220、第二流通管路；2210、泵；2220、第一蒸发器；230、第三流通管路；2310、气体冷却器；2320、第二蒸发器；2330、第二压缩机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1至图3，本发明提供一种制冷机，制冷机可以用为工业制冷机或者生活制冷装置，例如超市、冷仓的制冷系统等，在此不做限定。制冷机包括自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统，该系统可以提取冷量以对外界环境进行降温、制冷。
请继续参照图1和图2，自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统包括超音速两相膨胀机10和循环回路20，超音速两相膨胀机10包括进口侧110、出气侧120和出液侧130；循环回路20包括与出气侧120相连通的第一流通管路210、与出液侧130相连通的第二流通管路220以及经第一流通管路210和第二流通管路220汇合形成的第三流通管路230，第三流通管路230与进口侧110相连通；第二流通管路220或者第三流通管路230的任一者设有蒸发器，蒸发器的出口端与第三流通管路230相连通，第三流通管路230上设有气体冷却器2310，以对第一流通管路210和第二流通管路220流出的气态制冷工质进行降温。
也即，超音速两相膨胀机10的出气侧120和出液侧130均设有连通管路与其连接，也即第一流通管路210用于接收经出气侧120流出的气态制冷工质，第二流通管路220用于接收经出液侧130流出的液态制冷工质，气态制冷工质可以经第一流通管路210流至第三流通管路230中的气体冷却器2310，液态制冷工质可以经第二流通管路 220或第三流通管路230中设置的蒸发器转为气态制冷工质后流至第三流通管路230中的气体冷却器2310。气体冷却器2310用于对第一流通管路210和第二流通管路220流出的工质进行降温，将温度降至和超音速两相膨胀机10的进口侧110设定的温度值相同。蒸发器的设置用于对液态制冷工质等温等压蒸发为气态制冷工质并产生制冷，以提取系统的冷量。
请继续参照图1，在本发明一实施例中，第一流通管路210上设有第一压缩机2110，第一压缩机2110的进口端与出气侧120相连通，第一压缩机2110的出口端与第三流通管路230相连通。第二流通管路220上设有泵2210和第一蒸发器2220，泵2210的进口端与出液侧130相连通，泵2210的出口端与第一蒸发器2220的进口端相连通，第一蒸发器2220的出口端与第三流通管路230相连通。自然工质制冷剂在超音速两相膨胀机10中实现凝结分离，一部分制冷工质凝结为液相经出液侧130流至第二流通管路220，并通过泵2210提升压力后流至蒸发器，蒸发器对液态制冷工质进行等温等压蒸发产生制冷。余下的气态制冷工质经出气侧120流至第一流通管路210，经第一压缩机2110压缩升温后与来自第一蒸发器2220流出的气态制冷工质进行混合进入第三流通管路230，进而经第三流通管路230中的气体冷却器2310冷却降温后重新进入超音速两相膨胀机10中，形成封闭的制冷循环。
具体地，第一压缩机2110的作用是为了将超音速两相膨胀机10 出气侧120损失的压力值进行补充，使得经过第一压缩机2110后的工质的压力值与进口侧110的压力值相同。
请参照图2，在其他实施例中，第一流通管路210上设有节流阀 2120，节流阀2120的进口端与出气侧120相连通，节流阀2120的出口端与第三流通管路230相连通。第三流通管路230上设有第二蒸发器2320、第二压缩机2330；第二蒸发器2320的进口端分别与第一流通管路210和第二流通管路220的出口端相连通，第二蒸发器2320 的出口端与第二压缩机2330的进口端相连通，第二压缩机2330的出口端与气体冷却器2310的进口端相连通。在该实施例中，自然工质制冷剂在超音速两相膨胀机10中实现凝结分离，一部分制冷工质凝结为液相经出液侧130排出，另一部分制冷工质经出气侧120排至第一流通管路210中的节流阀2120，并通过节流阀2120节流降温与经出液侧130流出的液态制冷工质混合流至第三流通管路230中的第二蒸发器2320，第二蒸发器2320对制冷工质进行等温等压蒸发产生制冷，完成后的气态制冷工质经气体冷却器2310进行冷却重新回到超音速两相膨胀机10中，形成封闭的制冷循环。
具体地，第二压缩机2330是为了将超音速两相膨胀机10出气侧 120、出液侧130和节流损失的压力值进行补充，使得经过第二压缩机2330后的工质的压力值与进口侧110的压力值相同。
请参照图3，在本发明一实施例中，超音速两相膨胀机10包括依次连接的旋流机构140、喷管150、旋流分离管160、排液机构170 以及扩压器180；进口侧110与旋流机构140相连通，旋流机构140 产生离心力将经进口侧110进入的工质在喷管150形成低温效应，并在旋流分离管160内经排液机构170将产生的液态制冷工质流向第二流通管路220以及经扩压器180将气态制冷工质流向第一流通管路 210。
具体地，制冷工质通过旋流机构140产生离心力，在喷管150中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后一部分制冷工质会发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，液相由于旋转产生的切向速度和离心作用在通过旋流分离管160作用下经排液机构170排出，实现气液分离，而余下的气态制冷工质经扩压器180减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了超音速两相膨胀机10的进出口的压力损失。
在本发明一实施例中，超音速两相膨胀机10中所采用的制冷工质为二氧化碳。需要说明的是，在其他实施例中，可根据应用需要采用其他环境友好安全可靠的自然工质如氮气、氩气、氖气和氦气等，亦可通过不同工质组合及配比作为循环工质以实现高效制冷。
综上，本发明提供的自然工质CO2压缩-超音速两相膨胀复合制冷系统中包括超音速两相膨胀机10和循环回路20，且第二流通管路220 或第三流通管路230中任一者设有蒸发器，通过蒸发器可以使得流向气体冷却器2310的均为气态制冷工质，通过超音速膨胀制冷，制冷效率高、压降小、能耗低、结构简单紧凑、加工难度低、无运动部件安全可靠，且系统在第二流通管路220或者部分第三流通管路230可以为液态制冷工质，也即在超音速两相膨胀机10内可膨胀至两相区。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。