一种引射增压双级过冷跨临界CO2双温系统的制作方法

本实用新型属于制冷制热、热泵技术领域，尤其是涉及一种引射增压双级过冷跨临界co2双温系统。

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最具发展潜力的永久替代物。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，通过蒸汽压缩制冷循环对跨临界co2制冷循环气体冷却器出口的co2进行冷却的方法称为机械过冷。通过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。

常规制冷系统节流后的气液两相流体直接进入蒸发器或者经过气液分离器将气态工质节流后进入压缩机进一步压缩，气相工质不参与蒸发吸热，对制冷过程没有贡献，传统的处理方式导致换热器换热效果恶化或者压缩机耗功增加。本实用新型针对以上问题提出可行的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种引射增压双级过冷跨临界co2双温系统，以克服现有技术的缺陷，可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。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种引射增压双级过冷跨临界co2双温系统，包括可以相互换热的引射器增压双过冷器串联机械过冷循环和跨临界co2双温区循环；

所述跨临界co2双温区循环包括co2低温级蒸发器；所述co2低温级蒸发器的出口依次连通co2低压级压缩机、co2中压级压缩机、co2高压级压缩机、co2气体冷却器的热媒侧、中温级冷却蒸发器的热媒侧、低温级冷却蒸发器的热媒侧、中温级气液分离器、低温级气液分离器和co2低温级蒸发器的入口；所述中温级气液分离器的气体出口连通co2引射器的二次流入口，co2引射器的主流入口与co2高压级压缩机的出口连通，co2引射器的出口与co2高压级压缩机的入口连通；所述中温级气液分离器的出液口还与co2中温级蒸发器的入口连通，co2中温级蒸发器的入口与co2中压级压缩机的入口连通；所述低温级气液分离器的出气口依次连通co2低压级平行压缩机和co2中压级压缩机的入口。

进一步的，引射器增压双过冷器串联机械过冷循环包括引射器，所述引射器的出口依次连通中温级冷却蒸发器的冷媒侧、普通工质压缩机、冷凝器的热媒侧的入口；所述冷凝器的热媒侧的出口管路分两路，一路连通引射器的主流入口，另一路依次连通低温级冷却蒸发器的冷媒侧和引射器的二次流入口。

进一步的，所述co2低温级蒸发器下方安装有低温级蒸发器风机；所述co2中温级蒸发器下方安装有中温级蒸发器风机。

进一步的，所述低温级冷却蒸发器的热媒出口与中温级气液分离器之间的连接管路上安装有第二节流阀；中温级气液分离器的出液口与低温级气液分离器进液口之间的连接管路上安装有第一节流阀。

进一步的，所述co2低温级蒸发器、co2中温级蒸发器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器分别采用翅片管换热器、翅片管换热器、套管式换热器或板式换热器、套管式换热器或板式换热器；所述co2气体冷却器为套管式换热器或板式换热器。

进一步的，跨临界co2双温区循环的换热流体为co2；co2引射器二次流的吸气温度范围为-10～10℃，压力范围为2.65～4.50mpa，主流温度范围为80～140℃，压力范围为7.5～14mpa，引射器出口温度范围为40～50℃，压力为5～6mpa。

进一步的，所述co2低温级蒸发器、co2中温级蒸发器、中温级冷却蒸发器、低温级冷却蒸发器的工作温度范围分别为-56～-20℃、-10～10℃、10～40℃、-10～20℃；co2低压级压缩机的吸气压力范围为0.53～1.97mpa，排气压力范围为2.65～4.50mpa；co2中压级压缩机的吸气压力范围为2.65～4.50mpa，排气压力范围为5～6mpa；co2高压级压缩机的吸气压力范围为5～6mpa，排气压力范围为7.5～14mpa；co2低压级平行压缩机的吸气压力范围为0.53～1.97mpa，排气压力范围为2.65～4.50mpa。

进一步的，引射器增压双过冷器串联机械过冷循环的换热工质为纯制冷剂或非共沸混合工质。

优选的，纯制冷剂可采用r1234ze(z)、r1234ze(e)、r1233zd(e)、r1224yd(z)、r1336mzz(z)、r365mfc、r1234yf、r245fa等物质中的一种，优选为r1234yf。

优选的，非共沸混合工质为co2/r1234ze(e)、co2/r1234ze(z)、co2/r1234yf、r41/r1234ze(e)、r41/r1234ze(z)、r41/r1234yf、r32/r1234ze(e)、r32/r1234ze(z)、r32/r1234yf等物质中的一种，优选为r32/r1234zez。

进一步的，所述冷凝器为套管式换热器或板式换热器。

进一步的，所述引射增压双级过冷跨临界co2双温系统还包括设在冷凝器热媒侧出口与低温级冷却蒸发器冷媒入口之间管路上的第三节流阀。

优选的，普通工质中温级压缩机(7)的吸气温度范围为20～50℃，排气温度范围为70～120℃。

优选的，冷凝器的冷媒侧和co2气体冷却器的冷媒侧分别连通换热流体源。

本实用新型还涉及如上所述的引射增压双级过冷跨临界co2双温系统在制冷制热、热泵领域的应用。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种引射增压双级过冷跨临界co2双温系统具有以下优势：

(1)通过中温级和低温级气液分离器将气液相流体分离，流入co2中温和低温级蒸发器流体均为液态流体，流体在翅片管换热器各并联管路中均匀分布，并且换热系数增加，提高蒸发器的换热效率，在相同换热量的前提下，可缩小蒸发器体积，如在超市冷冻柜、冷藏柜中使用时，可使得设备更加紧凑，提高制冷设备的空间利用率。

(2)通过co2低温级平行压缩机单独将低温级气液分离器中的气相流体压缩至co2低温级压缩机相同的排气压力，相较于传统的先节流再压缩过程，省去了节流过程，从而减少了这部分气体的节流不可逆损失，并且co2平行压缩机的压缩比相较于先节流再压缩过程，吸气压力提高，压缩比降低，co2平行压缩机的效率高。

(3)通过co2高压级压缩机出口的co2流体将将中温级气液分离器的气相流体在co2引射器中引射至中间压力，可省去节流阀节流降压或压缩机动力设备增压的配置，在大幅降低节流损失以及不引入动力设备的前提下，实现将不参与制冷的饱和气引射至压缩机入口，引射器无运动部件，设备体积小，气相制冷剂不流经co2中温级蒸发器，在相同换热量下降低了co2中温级蒸发器的换热面积，并降低了co2中压级压缩的吸气量，缩小了压缩机的体积和造价。通过主流引射提升co2高温级压缩机的吸气压力，使得co2高压级压缩机的压缩比减小，提高了压缩机的效率。

(4)通过两个过冷器串联实现气体冷却器出口的co2连续两次梯级冷却，常规制冷剂的蒸发过程与超临界co2流体温降过程形成良好的温度匹配，缩小传热温差，减少换热不可逆损失和不可逆节流损失，提升系统总体能效。

(5)跨临界co2循环的制冷剂为自然工质co2。odp为0，gwp为1，高温条件下也不会分解，安全无毒，环境友好。引流器增压机械辅助过冷循环的工质可采用r1234ze(z)、r1234ze(e)、r1233zd(e)、r1224yd(z)、r1336mzz(z)、r365mfc、r1234yf、r245fa等纯制冷剂，也可采用co2/r1234ze(e)、co2/r1234ze(z)、co2/r1234yf、r41/r1234ze(e)、r41/r1234ze(z)、r41/r1234yf、r32/r1234ze(e)、r32/r1234ze(z)、r32/r1234yf等非共沸混合工质。对于非共沸混合工质，选配温度滑移与蒸发器换热流体进出口温差相当的制冷剂，非共沸工质蒸发和冷凝过程的滑移温度相差不大，因此可以减少传热温差，有利于降低不可逆损失。

(6)本系统设置了co2高压级压缩机、中压级压缩机和低压级压缩机，压缩机压比不大，适用于更低温度的冷冻和冷藏应用。并且能够制造生活用中温热水或工业用高温热水以及蒸汽，通过一套设备能够实现多种功能，提高了设备的利用率，节省了设备占用空间，可应用于对于冷冻冷藏温度更低的大型商场、冷库、超市，也可用于屠宰场、食品加工厂等既需要冷冻冷藏也需要高温或中温热水/蒸汽的应用领域。

附图说明

图1为本实用新型所述的引射增压双级过冷跨临界co2双温系统的简单结构示意图。

附图标记：

1-co2低温级蒸发器；2-co2高压级压缩机；3-co2气体冷却器；4-中温级冷却蒸发器；5-低温级冷却蒸发器；6-节流阀；7-普通工质压缩机；8-冷凝器；9-引射器；10-节流阀；11-低温级蒸发器风机；12-中温级蒸发器风机；13-co2中温级蒸发器；14-co2低压级压缩机；15-中温级气液分离器；16-co2引射器；17-节流阀；18-co2中压级压缩机；19-co2低压级平行压缩机；20-低温级气液分离器。

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实用新型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实用新型。

如图1所示，一种引射增压双级过冷跨临界co2双温系统，包括可以相互换热的引射器增压双过冷器串联机械过冷循环和跨临界co2双温区循环。其中：跨临界co2双温区循环包括co2低温级蒸发器1、co2中温级蒸发器13、co2低压级压缩机14、co2低压级平行压缩机19、co2中压级压缩机18、co2高压级压缩机2、co2气体冷却器3、中温级气液分离器4、低温级气液分离器20、co2引射器16；引射器增压双过冷器串联机械过冷循环包括普通工质压缩机、冷凝器、引射器、高温级蒸发器、中温级蒸发器。具体来说：

所述co2低温级蒸发器1的出口依次连通co2低压级压缩机14、co2中压级压缩机18、co2高压级压缩机2、co2气体冷却器3的热媒侧、中温级冷却蒸发器4的热媒侧、低温级冷却蒸发器5的热媒侧、中温级气液分离器15、低温级气液分离器20和co2低温级蒸发器1的入口；所述中温级气液分离器15的气体出口连通co2引射器16的二次流入口，co2引射器16的主流入口与co2高压级压缩机2的出口连通，co2引射器16的出口与co2高压级压缩机2的入口连通；所述中温级气液分离器15的出液口还与co2中温级蒸发器13的入口连通，co2中温级蒸发器13的入口与co2中压级压缩机18的入口连通；所述低温级气液分离器20的出气口依次连通co2低压级平行压缩机19和co2中压级压缩机18的入口。

通过中温级和低温级气液分离器将气液相流体分离，流入co2中温级蒸发器和低温级蒸发器流体均为液态流体，流体在co2中温级蒸发器和co2低温级蒸发器各并联管路中均匀分布，并且换热系数增加，提高蒸发器的换热效率，在相同换热量的前提下，可缩小蒸发器体积，如在超市冷冻柜、冷藏柜中使用时，可使得设备更加紧凑，提高制冷设备的空间利用率。通过co2低温级平行压缩机单独将低温级气液分离器中的气相流体压缩至co2低温级压缩机相同的排气压力，相较于传统的先节流再压缩过程，省去了节流过程，从而减少了这部分气体的节流不可逆损失，并且co2平行压缩机的压缩比相较于先节流再压缩过程，吸气压力提高，压缩比降低，co2平行压缩机的效率高。通过co2高压级压缩机出口的co2流体将将中温级气液分离器的气相流体在co2引射器中引射至中间压力，可省去节流阀节流降压或压缩机动力设备增压的配置，在大幅降低节流损失以及不引入动力设备的前提下，实现将不参与制冷的饱和气引射至压缩机入口，引射器无运动部件，设备体积小，气相制冷剂不流经co2中温级蒸发器，在相同换热量下降低了co2中温级蒸发器的换热面积，并降低了co2中压级压缩的吸气量，缩小了压缩机的体积和造价。通过主流引射提升co2高温级压缩机的吸气压力，使得co2高压级压缩机的压缩比减小，提高了压缩机的效率

此外，两个过冷器(也即中温级冷却蒸发器4和低温级冷却蒸发器5)串联可实现气体冷却器出口的co2连续两次梯级冷却，常规制冷剂的蒸发过程与超临界co2流体温降过程形成良好的温度匹配，缩小传热温差，减少换热不可逆损失和不可逆节流损失，提升系统总体能效。

所述引射器9的出口依次连通中温级冷却蒸发器4的冷媒侧、普通工质压缩机7、冷凝器8的热媒侧的入口；所述冷凝器8的热媒侧的出口管路分两路，一路连通引射器9的主流入口，另一路依次连通低温级冷却蒸发器5的冷媒侧和引射器9的二次流入口。

作为本实用新型一个可选的实施方式，引射器增压双过冷器串联机械过冷循环的换热工质为纯制冷剂或非共沸混合工质。其中：纯制冷剂为可采用r1234zez、r1234zee、r1233zde、r1224ydz、r1336mzzz、r365mfc、r1234yf、r245fa中的一种，优选为r1234yf；非共沸混合工质可采用co2/r1234zee、co2/r1234zez、co2/r1234yf、r41/r1234zee、r41/r1234zez、r41/r1234yf、r32/r1234zee、r32/r1234zez、r32/r1234yf等物质中的一种，优选为r32/r1234zez。对于非共沸混合工质，选配温度滑移与蒸发器换热流体进出口温差相当的制冷剂，非共沸工质蒸发和冷凝过程的滑移温度相差不大，因此可以减少传热温差，有利于降低不可逆损失。

作为本实用新型一个可选的实施方式，为了提高蒸发效率，在co2低温级蒸发器1下方安装有低温级蒸发器风机11；所述co2中温级蒸发器13下方安装有中温级蒸发器风机12。

作为本实用新型一个可选的实施方式，为了便于控制相应管路的换热流体流量，所述低温级冷却蒸发器5的热媒出口与中温级气液分离器15之间的连接管路上安装有第二节流阀17；中温级气液分离器15的出液口与低温级气液分离器20进液口之间的连接管路上安装有第一节流阀6。

作为本实用新型一个可选的实施方式，所述co2低温级蒸发器1、co2中温级蒸发器13、中温级冷却蒸发器4、低温级冷却蒸发器5分别采用翅片管换热器、翅片管换热器、套管式换热器或板式换热器、套管式换热器或板式换热器；所述co2气体冷却器3为套管式换热器或板式换热器。一个更佳的实施方式为，中温级冷却蒸发器4、低温级冷却蒸发器5分别采用套管式换热器、板式换热器，co2气体冷却器3为套管式换热器。

作为本实用新型一个可选的实施方式，跨临界co2双温区循环的换热流体为co2。

作为本实用新型一个可选的实施方式，所述co2低温级蒸发器1、co2中温级蒸发器13、中温级冷却蒸发器4、低温级冷却蒸发器5的工作温度范围分别为-56～-20℃、-10～10℃、10～40℃、-10～20℃；co2低压级压缩机14的吸气压力范围为0.53～1.97mpa，排气压力范围为2.65～4.50mpa；co2中压级压缩机18的吸气压力范围为2.65～4.50mpa，排气压力范围为5～6mpa；co2高压级压缩机2的吸气压力范围为5～6mpa，排气压力范围为7.5～14mpa；co2低压级平行压缩机19的吸气压力范围为0.53～1.97mpa，排气压力范围为2.65～4.50mpa；co2引射器16二次流的吸气温度范围为-10～10℃，压力范围为2.65～4.50mpa，主流温度范围为80～140℃，压力范围为7.5～14mpa，引射器出口温度范围为40～50℃，压力为5～6mpa；普通工质中温级压缩机7的吸气温度范围为20～50℃，排气温度范围为70～120℃。

作为本实用新型一个可选的实施方式，所述冷凝器8为套管式换热器或板式换热器，优选为套管式换热器。同时，为了控制冷凝器8热媒侧出口与低温级冷却蒸发器5冷媒入口之间管路的换热流体流量，在冷凝器8热媒侧出口与低温级冷却蒸发器5冷媒入口之间管路上安装有第三节流阀10。

作为本实用新型一个可选的实施方式，冷凝器8的冷媒侧和co2气体冷却器3的冷媒侧分别连通换热流体源。这样，换热流体可以分为两路，分别流入冷凝器8和气体冷却器3，换热流体被加热，然后，再汇合为流入冷凝器8换热流体侧入口，被加热为工艺所需温度，得到所需中高温热水或高温蒸汽，完成换热流体连续加热过程。其中，换热流体可以是水。

本实用新型所述的引射增压双级过冷跨临界co2双温系统，使用时，一个比较优选的工艺条件为：co2低温级蒸发器1的蒸发温度为-30℃，中温级冷却蒸发器4的温度为0℃，低温级冷却蒸发器5的温度为5℃，co2中温级蒸发器13的温度为0℃；co2低温级压缩机14的吸气压力为1.43mpa，排气压力为3.49mpa；co2中压级压缩机18的吸气压力为3.49mpa，排气压力为5.5mpa，co2高压级压缩机2的吸气压力为5.5mpa，排气压力为10mpa；co2低压级平行压缩机19的吸气压力为1.43mpa，排气压力为3.49mpa。co2引射器16二次流的吸气温度为0℃，压力为3.49mpa，主流温度为120℃，压力为10mpa，引射器出口温度为45℃，压力为5.5mpa。中温级冷却蒸发器4冷媒侧、低温级冷却蒸发器5冷媒侧、冷凝器8热媒侧流经的工质为r32/r1234zez。普通工质中温级压缩机7的吸气温度为30℃，排气温度为90℃。

使用本实用新型所述的引射增压双级过冷跨临界co2双温系统进行制冷、换热的方法，如图1所示，包括以下步骤：

第一步：co2低温级蒸发器1出口的低温低压co2流体被co2低压级压缩机14吸入压缩至中温中压的工质流体，低温级气液分离器20中的气相流体被co2低压级平行压缩机19压缩至中温中压的工质流体，co2中温级蒸发器13出口为吸热蒸发后的饱和或过热的中温中压的co2流体，三股co2流体进行混合，而后被co2中压级压缩机18吸入并压缩。之后与co2引射器16出口的流体混合，被co2高压级压缩机2吸入并压缩。压缩之后的流体分为两路，一路作为主流进入引射器16喷嘴进行等熵膨胀，流速增大，压力降低，引射co2气液分离器15的气相流体，另一路进入co2气体冷却器3与换热流体换热。co2气体冷却器3出口的流体依次流经中温级冷却蒸发器4与低温级冷却蒸发器5，通过普通工质或非共沸工质蒸发过程连续进行两次放热，而后流出低温级冷却蒸发器5后进入节流阀17进行节流，节流后的工质流体进入中温级气液分离器15，中温级气液分离器15出口分为两股流体，一股为气体作为二次流被co2高压级压缩机2出口的流体在引射器16中引射。co2引射器16喷嘴出口的主流压力低于二次流入口，二次流被低压主流不断吸进co2引射器16的吸入室，与低压主流在混合室内进行混合，混合后的流体进入扩压室，流体速度降低，压力升高至主流与二次流体之间。另一股为液体分为两路，一股流经co2中温级蒸发器13通过中温级蒸发器风机12驱动空气与翅片管(也即co2中温级蒸发器13)对流换热释放冷量，另一股经节流阀6节流后进入低温级气液分离器20，分离后的液相流体进入co2低温级蒸发器1通过低温级蒸发器风机11驱动空气与翅片管(也即co2低温级蒸发器1)对流换热释放冷量，另一股气体被co2低压级平行压缩机19压缩。

第二步：普通工质压缩机7将高温级蒸发器4普通工质侧出口的普通工质压缩至高温高压过热气，之后进入冷凝器8与换热流体换热，温度降低，冷凝器8出口的高压流体分为两路，一路为主流，流入引射器9喷嘴进行等熵膨胀，压力提升。

第三步：冷凝器8出口的高压流体另一路为二次流，流入节流阀10进行节流降压，然后流经中温级蒸发器5普通工质侧与从高温级蒸发器4流出的co2换热，二次流被主流不断吸进引射器9的吸入室，与主流在混合室内混合，压力升高。引射器9出口的混合流体流入高温级蒸发器4普通工质侧与气体冷却器3出口的co2换热，吸热蒸发后的普通工质变为饱和气，进入普通工质压缩机7进行压缩，完成引流器增压双过冷器串联机械辅助过冷循环。

第四步：换热流体w1分为两路，分别流入冷凝器8和气体冷却器3，换热流体被加热，然后，再汇合为流入冷凝器8换热流体侧入口，被加热为工艺所需温度，得到所需中高温热水或高温蒸汽，完成换热流体连续加热过程。空气流经co2蒸发器换热流体侧冷却，完成制冷过程。

需要说明的是，普通工质侧也即冷媒侧。

本实用新型所述的引射增压双级过冷跨临界co2双温系统，设置了co2高压级压缩机、中压级压缩机和低压级压缩机，压缩机压比不大，适用于更低温度的冷冻和冷藏应用。并且能够制造生活用中温热水或工业用高温热水以及蒸汽，通过一套设备能够实现多种功能，提高了设备的利用率，节省了设备占用空间，可应用于对于冷冻冷藏温度更低的大型商场、冷库、超市，也可用于屠宰场、食品加工厂等既需要冷冻冷藏也需要高温或中温热水/蒸汽的应用领域。

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