一种用于新风多级制冷的模块组合系统
阅读说明：本技术 一种用于新风多级制冷的模块组合系统 (Module combination system for fresh air multistage refrigeration ) 是由 王伟 万士军 于 2021-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于新风多级制冷的模块组合系统,包括若干个模块单元,每个模块单元分别包括第一级制冷循环、第二级制冷换热器、补偿加热器,第一级制冷循环包括压缩机、蒸发器、冷凝器,每个模块单元中以第一级制冷循环中的蒸发器和冷凝器、第二级制冷换热器、补偿加热器整体作为换热组合,各个模块单元的换热组合直线分布于风道,且每个模块单元的换热组合中蒸发器、第二级制冷换热器、冷凝器、补偿加热器依次沿风向直线分布。本发明通过发挥“小压缩比”循环制冷和常规循环制冷的各自优势,用于多级制冷的空气调节领域,可实现压缩机节能20%以上。(The invention discloses a module combination system for fresh air multistage refrigeration, which comprises a plurality of module units, wherein each module unit respectively comprises a first-stage refrigeration cycle, a second-stage refrigeration heat exchanger and a compensation heater, the first-stage refrigeration cycle comprises a compressor, an evaporator and a condenser, the evaporator and the condenser in the first-stage refrigeration cycle, the second-stage refrigeration heat exchanger and the compensation heater are integrally used as a heat exchange combination in each module unit, the heat exchange combination of each module unit is linearly distributed in an air duct, and the evaporator, the second-stage refrigeration heat exchanger, the condenser and the compensation heater in the heat exchange combination of each module unit are sequentially and linearly distributed along the wind direction. The invention can save energy by more than 20 percent by exerting the respective advantages of 'small compression ratio' circulation refrigeration and conventional circulation refrigeration, and is used in the field of air conditioning of multi-stage refrigeration.)
技术领域
本发明涉及新风空气调节系统领域，具体是一种用于新风多级制冷的模块组合系统。
背景技术
随着电子设备和装备的快速发展，人们对一些特殊空间的温、湿度要求越来越高。例如，在高温、高湿地区，被冷却对象远离设备保障区域，这时只能通过一路或多路加长风管直接将冷却、过滤后的定量低温空气（如15℃～25℃，相对湿度≤50%）送往被冷却对象空间内，从而实现环境保障，通常这类空调没有回风管，所以需要将高温、高湿（如干球温度40℃，相对湿度60%）的全新风空气进行多级冷却处理。目前，市场上常见的全新风空气调节设备，大多数采用的是2级或3级制冷系统，即热空气经2级或3级蒸发器进行冷却，由于存在除湿和结霜问题，一般厂家在每级蒸发器前后增设加热器，以提高相对湿度，实现梯度冷却，确保末级达到所需的温湿度要求。例如，一些公开的多级制冷除湿控温装置专利，采用3级蒸发器和4级电加热器，以实现末级送风温度和湿度要求，但没有利用冷凝热而全部采用电加热补偿，这类空调往往功耗大，不节能，同时应对更多的常温、高湿工况时，往往因为级数少很难实现温湿度的平稳输出，特别湿度难以控制。
行业中，为实现除湿功能，除采用蒸汽压缩制冷除湿外，还会采用转轮除湿、固体吸附除湿等方式，但也会存在各自的弱点，如转轮除湿的气密和空间等问题，固体吸附除湿的换热器需要解决材料和吸附解析的转换等问题。所以能不能在原有的蒸汽压缩制冷基础上，引入高效能的“小压缩比”的蒸汽压缩机制冷循环来提升系统的除湿和升温降湿能力，同时将“小压缩比”的蒸汽压缩机制冷循环中的冷凝器置于风道中用于部分热补偿，值得研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于新风多级制冷的模块组合系统，以解决现有技术多级蒸发器布置于风道中的新风空气调节系统存在的难以兼顾温湿度平衡的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于新风多级制冷的模块组合系统，包括若干个模块单元，每个模块单元分别包括第一级制冷循环、第二级制冷换热器、补偿加热器，其中第一级制冷循环包括压缩机、蒸发器、冷凝器通过管路连接形成的回路，且第一级制冷循环为压缩比不大于1.5的蒸汽压缩制冷循环，每个模块单元中以第一级制冷循环中的蒸发器和冷凝器、第二级制冷换热器、补偿加热器整体作为换热组合；
各个模块单元的换热组合设于风道中并沿风向直线分布形成换热组合直线分布结构；每个模块单元的换热组合中第一级制冷循环的蒸发器、第二级制冷换热器、第一级制冷循环的冷凝器、补偿加热器依次沿风向直线分布，每个模块单元的换热组合中以蒸发器所在一侧为进风侧、以补偿加热器所在一侧为出风侧；相邻模块单元中其中一个模块单元换热组合的进风侧朝向另一个模块单元换热组合的出风侧，首端模块单元的换热组合进风侧作为换热组合直线分布结构的总进风侧，所述总进风侧朝向风道的进风口方向，末端模块单元的换热组合出风侧作为换热组合直线分布结构的总出风侧，所述总出风侧朝向风道的出风口方向。
进一步的，每个模块单元中，经过第一级制冷循环中蒸发器后的空气温度，与经过第二级制冷换热器后的空气温度之间的温差不小于20℃。
进一步的，每个模块单元中，第一级制冷循环中蒸发器的制冷量与第二级制冷换热器的制冷量保持相当。
进一步的，每个模块单元中，第一级制冷循环中的蒸发器、冷凝器分别为翅片式。
进一步的，每个模块单元中，第二级制冷换热器为常规蒸汽压缩制冷循环中的蒸发器，或者为使用冷水的表冷器。
进一步的，每个模块单元中，补偿加热器为可控硅翅片电加热器。
进一步的，每个模块单元中的第一级制冷循环还包括节流元件或毛细管，节流元件或毛细管连接于蒸发器、冷凝器之间。
进一步的，各个模块单元的换热组合进风侧面积相当。
进一步的，还包括离心风机，离心风机设置于风道进风口、或者风道出风口、或者风道中任意两个模块单元之间，离心风机的进风口朝向风道内上风方向，离心风机的出风口朝向风道内下风方向。
本发明利用“小压缩比”的蒸汽压缩机制冷循环作为第一级制冷循环，一方面在新风多级制冷中，主要解决湿空气的除湿问题，通常需要在每一级制冷后增加热补偿，以使系统保持正常工作，本专利利用冷凝器释放的冷凝热，使经过蒸发器和第二级制冷换热器后的冷空气在含湿量不变的情况下进行加热，实现干球温度提升、相对湿度下降，同时补偿加热器所投的热量将显著减少，甚至不用投入，以实现除湿和节能运行；另一方面这种“小压缩比”的蒸汽压缩机制冷循环某种意义上相当于带动力源的热管循环，由于经过二级制冷，使流入蒸发器和流入冷凝器的空气存在较大温差，温差越大该制冷循环的能效比越高，相比传统的蒸汽压缩机制冷循环能效比至少提高2.5倍以上。
本发明中，可由离心风机促进风道内空气流动。每个模块单元中的第一级制冷循环中的压缩机为气态回气，其排气口通过管路依次连接冷凝器、节流元件和蒸发器后，返回压缩机回气口。
各个模块单元依据制冷需求可不断直线组合，形成多级制冷，每个模块单元相当于优化后的2级制冷，若原有3级压缩制冷的空调设备，则可以用2组模块单元替代。如设置3个模块单元可形成6级制冷，同时依据不同控制需求启用不同模块单元或备份用。
每个模块单元中，经过蒸发器后的空气温度和经过第二级制冷换热器后的空气温度之间的温差应不小于20℃，是实现“小压缩比”循环得到高能效比的前提，相比一级制冷的压缩机可省电20%以上。然后空气再经冷凝器、补偿加热器后送出至下风的模块单元，依此过程最终送出风道。
每个模块单元第一级制冷循环的节流元件可通过检测其两端压力或压差来自动调节开启度，从而实现小压缩比要求，也可以用毛细管等固定流口来取代。
每个模块单元中的补偿加热器是在第一级制冷循环的冷凝器没能将空气升温到所需的温度时，而进行的补偿，具体可采用可控硅翅片电加热器。
离心风机依据所需风量、风压和风阻等参数选型，可置于风道进、出风口或中部不限。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、本发明利用“小压缩比”循环制冷形成的模块单元，可实现压缩机节能20%以上。
2、本发明每个模块单元具有2级制冷和除湿，出风温度更为平稳，且第一级制冷循环冷凝温度低，可避免压缩机过载的风险。
3、本发明采用模块化设计思路，便于产品设计。
4、本发明原理巧妙、简洁，易于实现。
附图说明
图1是本发明系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，图1中表示风道内空气流向， 表示模块单元A的一级制冷流向，表示模块单元A的二级制冷流向。本发明一种用于新风多级制冷的模块组合系统，包括离心风机100、若干个模块单元A，各个模块单元A结构相同，分别包括第一级制冷循环、第二级制冷换热器2和补偿加热器5。每个模块单元A中，第一级制冷循环为压缩比不大于1.5的蒸汽压缩制冷循环，至少包括压缩机3、冷凝器4、节流元件6和蒸发器1，第一级制冷循环中的压缩机3为气态回气，压缩机3的排气口通过管路依次连接冷凝器4、节流元件6和蒸发器1后，返回压缩机3回气口，蒸发器1、冷凝器4均为翅片式换热器。每个模块单元A中，第二级制冷换热器2可为常规蒸汽压缩制冷循环中的蒸发器，或者使用冷水的表冷器，并且第一级制冷循环的蒸发器1和第二级制冷换热器2的制冷量保持相当。节流元件6可通过检测其两端压力或压差来自动调节开启度，从而实现小压缩比要求，也可用毛细管等固定流口来取代。
每个模块单元A中，以第一级制冷循环的蒸发器1、第二级制冷换热器2、第一级制冷循环的冷凝器4和补偿加热器5，共同形成换热组合。换热组合中，以蒸发器1所在一侧作为进风侧，以补偿加热器5所在一侧作为出风侧，各个模块单元A至少用于迎风的进风侧面积保持相当。各个模块单元A的换热组合布置于风道内并沿风向直线分布，相邻模块单元A中下风位置的模块单元换热组合进风侧朝向上风位置的模块单元换热组合出风侧。首端模块单元A的换热组合进风侧作为总进风侧，总进风侧朝向风道进风口方向，末端模块单元A的换热组合出风侧作为总出风侧，总出风侧朝向风道出风口方向。
本发明中模块单元A依据制冷需求可不断组合形成多级制冷，如图1所示，串接3个模块单元A形成6级制冷，同时依据不同控制需求启用不同模块单元A或备份用。
每个模块单元A中，空气依次经过蒸发器1、第二级制冷换热器2、冷凝器4、补偿加热器5后送出至下风的模块单元A，并且经过蒸发器1后空气的温度经过第二级制冷换热器2后空气的温度之间温差不小于20℃，补偿加热器5是在第一级制冷循环的冷凝器4没能将空气升温到所需的温度时，而进行的补偿，可采用可控硅翅片电加热器等。风道进风口进入的空气依次经过各个模块单元A的换热组合后从风道出风口送出。
离心风机100设置于风道进风口、或者风道出风口、或者任意两个相邻的模块单元A之间，离心风机100进风口朝向上风方向、出风口朝向下风方向，离心风机100依据所需风量、风压和风阻等参数选型，由离心风机100使风道内空气加速流动。
本发明进一步说明如下：
为提高系统能效比，被冷却的空气经蒸发器1和第二级制冷换热器2后的温差应不小于20℃，是实现“小压缩比”循环得到高能效比的前提。如，环境干球温度为40℃，相对湿度60%，含湿量d1为28.79g/kg，焓值h1为114.5kj/kg；经蒸发器后的温度为31℃，相对湿度77%，含湿量d2为22.27g/kg，焓值h2为88.25kj/kg；经第二级制冷换热器2后的温度为20℃，相对湿度96%，含湿量d3为19.38g/kg，焓值h3为56.36kj/kg，再经冷凝器4后的温度为23℃，相对湿度81%。统一取离心风机风量为2000m3/h，空气平均密度ρ=1.2kg/m3。
采用R134a制冷剂，冷凝器4的冷凝温度取25℃，过冷度0℃，蒸发器1的蒸发温度取20℃，过热度5℃，则对应绝对冷凝压力和蒸发压力分别为6.66bar、5.72bar，压缩比为1.16。查R134a的热力循环图可知，其单位制冷量焓差V1≈179kj/kg，单位理论压缩功焓差V排≈3.5kj/kg，则理论制冷系数EER＝V1/V排＝179/3.5≈51。经相关验证，当温差20℃时，实测压缩机EER至少达8.0以上。
采用本发明，第一级蒸发器制冷：
制冷量Q1＝G∙ρ∙ (h1-h2)/3600=2000×1.2×(114.5-88.25)/3600=17.5kW，
除湿量S1＝G∙ρ∙ (d1-d2)= 2000×1.2×(28.79-22.27)=15648 g/h。
第二级制冷换热器制冷：
制冷量Q2＝G∙ρ∙ (h2-h3)/3600=2000×1.2×(88.25-56.36)/3600=21.26kW，
除湿量S2＝G∙ρ∙ (d2-d3)= 2000×1.2×(22.27-19.38)=6936 g/h。
对比采用常规一级制冷，取出风状态一致，则
总制冷量Q＝G∙ρ∙ (h1-h3)/3600=2000×1.2×(114.5-56.36)/3600=38.76kW，
总除湿量S＝G∙ρ∙ (d1-d3)=2000×1.2×(28.79-19.38)=22584 g/h。
意味着，理论上采用一级压缩机制冷则总制冷量需要38.76W，能效取3.0，则压缩机消耗功率为12.92kW，压缩机理论排量约为47.0m3/h。
本发明中，取第一级制冷的压缩机的EER为8.0，则对应功率为2.19kW，压缩机理论排量约为14.5m3/h；取第二级制冷的压缩机的EER为3.0，则对应功率为7.09kW，压缩机理论排量约为25.8m3/h；则两级压缩机的总排量对比一级制冷排量减少14.3%；两级压缩机总消耗功率为9.28kW，对比一级制冷的压缩机消耗功率为12.92kW，省电约28.2%。
这里相当于将原有一级压缩机拆分为2级，若原有3级压缩制冷的空调，完全可以用2组模块单元A替代；若这时用3组模块单元A，可将其中1组作为备份使用。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
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