一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统及过冷方法
阅读说明：本技术 一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统及过冷方法 (Circulating system applied to cascade refrigeration or heat pump system and supercooling method ) 是由 杨启超 陈晓楠 迟卫凯 刘利 李连生 赵远扬 刘广彬 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明属于冷冻冷藏及制冷技术领域,具体涉及一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统及过冷方法,包括闪蒸罐,闪蒸罐分别连接第二膨胀阀和第三膨胀阀,第二膨胀阀依次连接冷凝蒸发器和高温级压缩机,第三膨胀阀依次连接过冷器和高温级压缩机,高温压缩机依次连接冷凝器、第一膨胀阀后接入闪蒸罐；还包括辅助压缩机,第三膨胀阀依次连接过冷器、辅助压缩机后接入高温级压缩机。本发明在传统复叠制冷系统的基础上,在高温级构建过冷支路,为低温级冷凝器冷凝后的液体提供过冷,从而提高系统性能,提高循环效率,同时,在保证系统性能基础上,简化了系统,提高了安全性。(The invention belongs to the technical field of freezing, refrigeration and refrigeration, and particularly relates to a circulating system and a supercooling method applied to a cascade refrigeration or heat pump system, which comprise a flash tank, wherein the flash tank is respectively connected with a second expansion valve and a third expansion valve, the second expansion valve is sequentially connected with a condensation evaporator and a high-temperature compressor, the third expansion valve is sequentially connected with a subcooler and the high-temperature compressor, and the high-temperature compressor is sequentially connected with a condenser and a first expansion valve and then is connected into the flash tank; the third expansion valve is connected with the subcooler and the auxiliary compressor in sequence and then is connected with the high-temperature compressor. On the basis of the traditional cascade refrigeration system, the invention constructs a supercooling branch at a high-temperature level to provide supercooling for liquid condensed by a low-temperature level condenser, thereby improving the system performance and the cycle efficiency, and simultaneously, on the basis of ensuring the system performance, the invention simplifies the system and improves the safety.)
技术领域
本发明属于冷冻冷藏及制冷技术领域，具体涉及一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统及过冷方法。
背景技术
现有冷冻冷藏技术中的复叠制冷循环系统中的过冷对系统性能具有改进和提升的作用，目前相关的理论研究主要集中在回热器、补气系统等方面。近年来，机械过冷成为制冷领域的热点之一，但研究对象主要集中于跨临界的CO2制冷和热泵循环，布置方式多是在单级制冷循环上增设机械过冷循环，对于在亚临界区域的过冷循环效果及在复叠制冷系统的应用潜力和性能评估工作较少。机械过冷方法是在冷凝器出口设置过冷器，而过冷器的冷量由单独的一个制冷循环所提供，如可由常规的蒸汽压缩式制冷系统、吸收式制冷系统或热电制冷等系统来提供，增加了额外的部件，使得系统较为复杂，也容易引发制冷剂的泄漏，造成安全事故。
过冷技术是改善制冷系统及其循环系统性能的有效措施之一，可以通过设置过冷器、板式经济器、机械过冷级热电过冷等方法来实现。设置过冷器即在冷凝器的基础上增大冷凝器的换热面积来实现，其过冷效果受冷却水进口温度的影响，在复叠制冷系统中受到高温级蒸发温度的限制，不可能通过蒸发冷凝器将低温级的制冷剂过冷到高温级的蒸发温度以下，而且在冷凝蒸发器中存在有换热温差，即高温级的蒸发温度要低于低温级的冷凝温度，因此，过冷效果受限。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统及过冷方法，在传统复叠制冷系统的基础上，在高温级构建过冷支路，为低温级冷凝器冷凝后的液体提供过冷，从而提高系统性能，提高循环效率。
本发明的技术方案是：
一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统，包括闪蒸罐，所述闪蒸罐分别连接第二膨胀阀和第三膨胀阀，所述第二膨胀阀依次连接冷凝蒸发器和高温级压缩机，所述第三膨胀阀依次连接过冷器和高温级压缩机，所述高温压缩机依次连接冷凝器、第一膨胀阀后接入闪蒸罐。
一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统，还包括辅助压缩机，所述闪蒸罐分别连接第二膨胀阀和第三膨胀阀，所述第二膨胀阀依次连接冷凝蒸发器和高温级压缩机，所述第三膨胀阀依次连接过冷器、辅助压缩机后接入高温级压缩机，所述高温压缩机依次连接冷凝器、第一膨胀阀后接入闪蒸罐。
进一步的，所述过冷器的一路出口依次连接低温级膨胀阀、蒸发器、低温级压缩机以及冷凝蒸发器，然后连接入所述过冷器的一路入口形成循环。
进一步的，所述冷凝器出口依次连接第一膨胀阀、闪蒸罐后连接高温级压缩机，所述高温级压缩机与冷凝器相连通。
一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统的过冷方法，包括两种循环方案，其中，
方案一为：从闪蒸罐中出来的制冷剂液体，一路经第二膨胀阀节流后进入冷凝蒸发器中蒸发为气体后进入高温级压缩机；一路经第三膨胀阀进入过冷器，在过冷器中吸热高温级制冷剂蒸发变为气体进入辅助压缩机，压缩到高温级压缩机的进口压力后与第一路气体混合，进入高温级压缩机进行压缩，完成高温级制冷循环。(对应图1)
方案二为：从闪蒸罐中出来的制冷剂液体，一路经第二膨胀阀节流后进入冷凝蒸发器中蒸发为气体，一路经第三膨胀阀进入过冷器，在过冷器中吸热高温级制冷剂蒸发变为气体；两路制冷剂气体进行混合然后进入高温级压缩机进行压缩完成制冷循环。(对应图2)
本发明的有益效果：
本发明所提供的循环系统及过冷方法包括两种方案，一是在高温级制冷循环基础上，通过设置新的回路，增加第2膨胀阀、过冷器和辅助压缩机实现对低温级制冷剂的过冷，利用较少流量的高温级制冷剂进行深度节流实现对低温级的过冷，提高低温级制冷剂的单位制冷量，提高整个复叠系统的性能系数；二是在通过增加低温级的过冷度，增加低温级制冷剂单位质量制冷量，降低了系统的总功耗，提升系统COP的同时在方案1的基础上省去了过冷支路上的辅助压缩机，相对于机械过冷复叠省去了一个冷凝器和压缩机，在保证系统性能基础上，简化了系统，提高了安全性。此外，本发明所提供的过冷方法，还可以有效地降低高温级压缩机的排气压力，改善高温级压缩机排气温度过高的情况。
附图说明
图1为本发明提供的低温级过冷复叠制冷循环方案一原理图；
图2为本发明提供的低温级过冷复叠制冷循环方案二原理图；
图3为机械过冷复叠制冷循环原理图；
图4为低温级过冷复叠制冷循环压焓图；
以上各图中，1、低温级压缩机；2、冷凝蒸发器；3、过冷器；4、低温级膨胀阀；5、蒸发器；6、高温级压缩机；7、冷凝器；8、第一膨胀阀；9、闪蒸罐；10、第二膨胀阀；11、第三膨胀阀；12、辅助压缩机；13、高温级膨胀阀；14、机械过冷压缩机；15、机械过冷冷凝器；16、机械过冷膨胀阀。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
为了进一步理解本发明，将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统，包括闪蒸罐9和辅助压缩机12，闪蒸罐9分别连接第二膨胀阀10和第三膨胀阀11，第二膨胀阀10依次连接冷凝蒸发器2和高温级压缩机6，第三膨胀阀11依次连接过冷器3、辅助压缩机12后接入高温级压缩机6，高温压缩机依次连接冷凝器7、第一膨胀阀8后接入闪蒸罐9。
另外，此循环系统中还包括两路，即，过冷器3的一路出口依次连接低温级膨胀阀4、蒸发器5、低温级压缩机1以及冷凝蒸发器2，然后连接入过冷器3的一路入口形成循环。冷凝器7出口依次连接第一膨胀阀8、闪蒸罐9后连接高温级压缩机6，高温级压缩机6与冷凝器7相连通。
常规的复叠制冷系统由两个制冷系统组成，分别为由低温级压缩机1-冷凝蒸发器2-低温级膨胀阀4-蒸发器5组成的低温级制冷循环和由高温级压缩机6-冷凝器7-第一膨胀阀8-闪蒸罐9-第二膨胀阀10-冷凝蒸发器2组成的高温级制冷循环。在此基础上本实施例提出由高温级循环提供过冷的方法，以冷却低温级循环中从冷凝蒸发器2中出来的制冷剂液体，提高过冷度，从而提高低温级循环的单位制冷剂流量的制冷量，提高系统总的性能系数COP。
此循环系统的过冷方法为，从闪蒸罐9中出来的制冷剂液体，一路经第二膨胀阀10节流后进入冷凝蒸发器2中蒸发为气体后进入高温级压缩机6。另外一路经第三膨胀阀11进入过冷器3，在此吸热高温级制冷剂蒸发变为气体进入辅助压缩机12，压缩到高温级压缩机6的进口压力后，与另一路气体混合后进入高温级压缩机6内进行压缩。
通过设置过冷器3将低温级循环出冷凝蒸发器2的低温级制冷剂进一步冷却，即提高低温级循环的过冷度，改善系统性能。其中，经第三膨胀阀11后的压力要低于经第二膨胀阀10后的压力，即对于高温级循环，第三膨胀阀11后的蒸发温度要低于第二膨胀阀10后的蒸发温度，以保证有较低的温度来冷却低温级的制冷剂，使其过冷。也即对于高温级，通过第二膨胀阀10和第三膨胀阀11两路节流以提供不同的蒸发温度，经过第二膨胀阀10和冷凝蒸发器2的回路主要用于将低温级制冷剂气体冷却为制冷剂液体，起着低温级冷凝器7的作用，而经过第三膨胀阀11、过冷器3和辅助压缩机12的回路主要用于为低温级循环提供过冷。
对比例1
常规的复叠制冷系统由两个制冷系统组成，即由低温级压缩机1-冷凝蒸发器2-低温级膨胀阀4-蒸发器5组成的低温级制冷循环和由高温级压缩机6-冷凝器7-高温级膨胀阀13-冷凝蒸发器2组成的高温级制冷循环组成。在此基础上常规的机械过冷复叠制冷循环是采用在低温级、高温级之外另设循环的方法，以冷却低温级循环从冷凝蒸发器2中出来的制冷剂液体，提高过冷度，从而提高低温级循环的单位制冷剂流量的制冷量，提高系统总的性能系数COP。
如图3所示，此机械过冷复叠制冷循环的过冷方法为，从机械过冷压缩机14出口处排出的高压制冷剂气体，经过机械过冷冷凝器15，然后经过机械过冷膨胀阀16节流后进入到过冷器3，在此吸热后机械过冷制冷剂变为气体进入机械过冷压缩机14进行压缩。
通过设置此机械过冷循环和过冷器3将低温级循环出冷凝蒸发器2的低压制冷剂进一步冷却，即提高低温级循环的过冷度，改善系统性能。其中经过机械过冷膨胀阀16后的压力要低于经过高温级膨胀阀13后的压力，即对于机械过冷循环，机械过冷膨胀阀16后的温度要低于经过高温级膨胀阀13后的温度，以保证有较低的温度来冷却低温级的制冷剂，使其过冷。也即对于机械过冷循环和高温级，通过机械过冷膨胀阀16-过冷器3和高温级膨胀阀13-冷凝蒸发器2两路节流以提供不同的蒸发温度，经过高温级膨胀阀13和冷凝蒸发器2的回路主要用于将低温级制冷剂气体冷却为制冷剂液体，起着低温级冷凝器7的作用，而经过机械过冷膨胀阀16、过冷器3和机械过冷压缩机14的回路主要用于为低温级循环提供过冷。
实施例2
如图2所示，本实施例涉及一种应用于复叠制冷或热泵系统的循环系统，包括闪蒸罐9，闪蒸罐9分别连接第二膨胀阀10和第三膨胀阀11，第二膨胀阀10依次连接冷凝蒸发器2和高温级压缩机6，第三膨胀阀11依次连接过冷器3和高温级压缩机6，高温压缩机依次连接冷凝器7、第一膨胀阀8后接入闪蒸罐9。
另外，此循环系统中还包括两路，即，过冷器3的一路出口依次连接低温级膨胀阀4、蒸发器5、低温级压缩机1以及冷凝蒸发器2，然后连接入过冷器3的一路入口形成循环。冷凝器7出口依次连接第一膨胀阀8、闪蒸罐9后连接高温级压缩机6，高温级压缩机6与冷凝器7相连通。
本具体实施例是在实施例1的基础上提出省去图1中过冷回路上的辅助压缩机12的布置方法，相对于实施例1省去辅助压缩机12，相对于对比例1省去机械过冷循环中的冷凝器7和机械过冷压缩机14。此种布置方法，以冷却低温级循环从冷凝蒸发器2中出来的制冷剂液体，提高过冷度，从而提高低温级循环的单位制冷剂流量的制冷量，提高系统总的性能系数COP，与此同时降低了系统的复杂性，对系统部件的布置进行改进。
此循环系统的过冷方法为，从闪蒸罐9中出来的制冷剂液体，一路经第二膨胀阀10节流后进入冷凝蒸发器2中蒸发吸热为饱和气体，使低温级制冷剂气体冷凝为饱和液体；而另外一路经第三膨胀阀11进入过冷器3蒸发吸热，高温级制冷剂蒸发变为饱和气体，两路制冷剂气体进行混合然后进入高温级压缩机6中进行压缩，完成制冷循环。
从低温级压缩机1出来的制冷剂气体经过冷凝蒸发器2冷凝为饱和液体，后经过过冷器3变为过冷液体，再经过低温级膨胀阀4等焓节流后进入蒸发器5蒸发吸热为饱和气体再进入压缩机压缩，完成低温级制冷循环。
由图4可知，经冷凝蒸发器2蒸发的气体温度和压力高于经过冷器3蒸发的气体温度和压力，高压股气体质量流量大于低压股气体，两股气体在进入高温级压缩机6之前混合，混合完成后的气体压力略低于高压股气体，在高温级压缩机6进口处造成了一定的混合损失。
试验例
理论分析时，NH3/CO2复叠系统的工作参数设定如下：制冷量Q＝175kW；分析过程中低温级蒸发温度Teva为-55℃～-30℃；低温级冷凝温度Tm取-16℃～14℃；低温级过冷度Tsub取5℃～15℃，标准工况中，默认低温级蒸发温度Teva取-40℃，高温级冷凝温度Tcond取40℃，默认过冷度Tsub取10℃，冷凝蒸发器2中的复叠温差△T设为5℃，过冷器3中的换热温差△Tsub取2℃。
表1低温级冷凝温度Tm对系统COP的影响
为了计算低温级过冷复叠制冷系统的性能改进程度，性能增量用标准化形式表示为
其中，COPsub为低温级过冷复叠制冷系统的COP，COPnsc为常规复叠制冷系统的COP。
表1所示是三个不同复叠制冷系统的对比，分别是带机械过冷的复叠制冷循环，低温级过冷的复叠制冷循环(过冷支路无压缩机，系统共高、低温级两个压缩机)，带辅助压缩机过冷的复叠制冷循环(过冷支路12点处有压缩机，系统共三个压缩机)。三个系统的最大COP分别是1.457、1.461、1.463，相差不大，考虑到最大COP时系统复杂性，低温级过冷的复叠制冷比带辅助压缩机过冷的循环少布置一个压缩机，最大COP减少0.15％，比于机械过冷的复叠制冷系统，省去一个高温级处的冷凝器和一个辅助压缩机，最大COP增大0.25％，在蒸发温度为-40℃、冷凝温度为40℃时，低温级过冷复叠循环系统的最大COP为1.461，比常规复叠提升4.58％。所以三个循环系统中低温级过冷的复叠制冷循环综合比较较为理想，实现系统的简化和经济性相对较优。
表2过冷度Tsub对系统COP的影响
表2(有关图3的讨论)中，低温级过冷的复叠制冷系统COP的提升幅度随过冷度的增加而升高，当过冷度从5℃增大到15℃时，低温级过冷的复叠制冷系统COP从1.434提升到1.480，说明过冷度的增加对于系统性能具有提高作用。
上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改型等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：双工质联合循环热泵装置