一种多温区跨临界二氧化碳制冷系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及制冷控制技术领域，具体地讲，涉及一种多温区跨临界二氧化碳制冷系统及其运行方法。

背景技术

长期以来，制冷装置使用氟利昂类化合物作为主要的制冷剂。随着人类环保意识的逐渐提高，人们意识到氟利昂类物质会造成臭氧层破坏、温室效应等环境危害。相比氟利昂，作为自然冷媒的二氧化碳（CO

然而由于二氧化碳本身的物理性质，导致其跨临界循环对于系统承压能力的要求比传统制冷剂高3-5倍，节流损失更大，系统能效相较于传统制冷剂要低。尤其是在夏季系统停止运行后，二氧化碳随着温度的升高逐渐汽化，在环境温度升高时系统压力大幅上升，常常发生泄露等事故，使用的系统管道以及各种阀门在承压和制造工艺等方面要求极高，价格也居高不下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多温区跨临界二氧化碳制冷系统及其运行方法，该系统具有高温环境下系统内保持低压、充分回收节流膨胀功、易于实现小型化等优点。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种多温区跨临界二氧化碳制冷系统及其运行方法，包括二氧化碳压缩机，其特征在于：所述二氧化碳压缩机的高压排气口通过制冷剂管连通气体换热器的入口，所述气体换热器的出口通过制冷剂管支路连通第一喷射器的一次流入口和第二喷射器的一次流入口；

所述第一喷射器的二次流入口通过制冷剂管路与第一蒸发器的出口连接，连接的制冷剂管路上安装有第三开关阀；

所述第一喷射器的二次流入口与所述第三开关阀中间的管路上设置有一个三通支路，该支路通过制冷剂管路与所述第二喷射器的混合流出口连接，连接的管路上安装有第六开关阀和第二三通阀；

所述第一喷射器的混合流出口通过制冷剂管路与高压储液器的入口连接，连接的管路上安装有第四开关阀；

所述第二三通阀通过制冷剂管路连通所述高压储液器的入口；

所述高压储液器出气口连接的制冷剂管路分为两个支路，分别与所述二氧化碳压缩机的低压级吸气口和高压级吸气口连接，连接高压级吸气口的管路上安装有第七开关阀，连接低压级吸气口的管路上安装有有第八开关阀；

所述高压储液器的排液口通过制冷剂管路分别与第一蒸发器和第二蒸发器的入口连接，连接所述第一蒸发器的管路上依次安装有第九开关阀和第一节流阀，连接所述第二蒸发器的管路上依次安装有第十开关阀和第二节流阀。

作为本技术方案的进一步限定，所述二氧化碳压缩机与所述气体换热器之间设置有单向阀及第一开关阀，所述单向阀及所述第一开关阀安装在制冷剂管上。

作为本技术方案的进一步限定，所述气体换热器与所述第一喷射器之间设置有第二开关阀，所述气体换热器与所述第二喷射器之间设置有第五开关阀，所述第二开关阀及所述第五开关阀分别安装在对应的制冷剂管支路上。

作为本技术方案的进一步限定，所述二氧化碳压缩机的低压级排气口通过制冷剂管路与高压级吸气口连接。

作为本技术方案的进一步限定，所述第二蒸发器的出口管路上安装的第一三通阀可控制制冷剂的流向，两条支路分别流向所述第二喷射器的二次流入口及所述二氧化碳压缩机的低压级吸气口。

一种多温区跨临界二氧化碳制冷系统的运行方法，其特征在于：包括常规运行工况、低温运行工况、高温运行工况、和部分负荷运行工况。

作为本技术方案的进一步限定，在所述常规运行工况下：

S11：关闭所述第六开关阀和所述第七开关阀；

S12：所述第一三通阀控制制冷剂由所述第二蒸发器流向所述第二喷射器，关闭通向所述二氧化碳压缩机的低压级吸气口的支路；

S13：所述第二三通阀控制制冷剂由所述第二喷射器流向所述高压储液器，关闭通向所述第一喷射器的二次流入口的支路；

S14：此时来自所述气体换热器的制冷剂分别进入所述第一喷射器的一次流入口和所述第二喷射器的一次流入口成为工作流体，分别引射来自所述第一蒸发器和所述第二蒸发器的低压制冷剂，混合后的制冷剂全部进入所述高压储液器；

S15：所述高压储液器中的制冷剂液体通过排液口流出，一个支路经所述第一节流阀节流降压后进入所述第一蒸发器，另一个支路经所述第二节流阀节流降压后进入所述第二蒸发器。

作为本技术方案的进一步限定，在所述低温运行工况下，即所述第二蒸发器需要更低的蒸发温度：

S21：关闭所述第五开关阀和所述第八开关阀；

S22：打开所述第七开关阀；

S23：所述第一三通阀控制制冷剂由所述第二蒸发器流向所述二氧化碳压缩机的低压级吸气口，关闭通向所述第二喷射器的支路，此时来自所述气体换热器的制冷剂只进入所述第一喷射器的一次流入口成为工作流体，引射来自所述第一蒸发器的低压制冷剂，混合后的制冷剂进入所述高压储液器；

S24：此时需要对所述第一喷射器进行调节，增大所述第一喷射器的一次流流量和比例；

S25：所述高压储液器中的制冷剂液体通过排液口流出，一个支路经所述第一节流阀节流降压后进入所述第一蒸发器，另一个支路经所述第二节流阀节流降压后进入所述第二蒸发器；

S26：控制所述第二节流阀实现节流压降，降低所述第二蒸发器内的蒸发压力，实现更低的制冷温度；

S27：所述第二蒸发器出口的制冷剂气体直接被吸进所述二氧化碳压缩机的低压级吸气口，经低压级压缩后，出所述二氧化碳压缩机的低压级排气口，与来自所述高压储液器的排气口的另一路制冷剂气体混合后，共同进入高压级吸气口被压缩。

作为本技术方案的进一步限定，在所述高温运行工况下，即所述第二蒸发器需要更高的蒸发温度：

S31：打开所述第六开关阀；

S32：所述第二三通阀控制制冷剂由所述第二喷射器流向所述第一喷射器的二次流入口，关闭通向所述高压储液器的支路；

S33：所述第一三通阀控制制冷剂由所述第二蒸发器流向所述第二喷射器，关闭通向所述二氧化碳压缩机的低压级吸气口的支路；

S34：此时来自所述气体换热器的制冷剂分别进入所述第一喷射器的一次流入口和所述第二喷射器的一次流入口成为工作流体，所述第二喷射器引射来自所述第二蒸发器的制冷剂，混合后的制冷剂作为引射流体，进入所述第一喷射器的二次流入口，与所述第一喷射器的工作流体混合后共同进入所述高压储液器；

S35：所述高压储液器中的制冷剂液体通过排液口流出，一个支路经所述第一节流阀节流降压后进入所述第一蒸发器，另一个支路经所述第二节流阀节流降压后进入所述第二蒸发器；

S36：控制所述第二节流阀实现节流压降，所述第二蒸发器内的蒸发压力升高，实现较高的制冷温度；

S37：根据系统的负荷情况和升压需要，通过控制所述第八开关阀和所述第七开关阀的开闭，控制所述高压储液器出气口连接至所述压缩机的低压级吸气口或高压吸气口，在压缩机内进行两级或一级压缩。

作为本技术方案的进一步限定，在所述部分负荷运行工况下，通过控制所述第五开关阀或所述第二开关阀的开闭，选择仅启动一个蒸发器工作的模式，另外一个蒸发器可停机进行人工除霜操作。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

本发明提供了一种带有喷射器的多温区跨临界二氧化碳制冷系统，该系统能够在使用一台二氧化碳压缩机的情况下，用简单的阀门调节方式形成多种可调温区的运行模式，满足负荷末端的动态变化需求。

本发明提供的CO

本发明的装置利用半导体制冷器为高压储液器降温，可以在高温环境下维持系统内部压力保持稳定，解决了CO

第一喷射器及第二喷射器可实现并联工作、串联工作和单独工作等多种工作模式。带有喷射器的多温区跨临界二氧化碳制冷系统可以通过阀件的控制调整二氧化碳工质的多种循环流程，实现第一蒸发器的制冷温度保持固定的调节范围，第二蒸发器则可通过调节制冷剂循环流程达到多种不同的蒸发压力和蒸发温度范围要求，从而实现多级温度的自由、精确调控，利用一台压缩机驱动即可实现常规运行工况、低温运行工况、高温运行工况和部分负荷运行工况等多温区可变调节的制冷效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图中：1、二氧化碳压缩机，2、单向阀，3、第一开关阀，4、换热风机，5、气体换热器，6、第二喷射器，7、第五开关阀，8、第二三通阀，9、第一喷射器，10、第二开关阀，11、第六开关阀，12、第四开关阀，13、半导体制冷模组，14、第三开关阀，15、高压储液器，16、第一节流阀，17、第九开关阀，18、第一蒸发器，19、第十开关阀，20、第二节流阀，21、供电模组，22、第二蒸发器，23、第一三通阀，24、第八开关阀，25、第七开关阀。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明包括二氧化碳压缩机1，所述二氧化碳压缩机1的高压排气口通过制冷剂管连通气体换热器5的入口，所述气体换热器5的出口通过制冷剂管支路连通第一喷射器9的一次流入口和第二喷射器6的一次流入口；

所述第一喷射器9的二次流入口通过制冷剂管路与第一蒸发器18的出口连接，连接的制冷剂管路上安装有第三开关阀14；

所述第一喷射器9的二次流入口与所述第三开关阀14中间的管路上设置有一个三通支路，该支路通过制冷剂管路与所述第二喷射器6的混合流出口连接，连接的管路上安装有第六开关阀11和第二三通阀8；

所述第一喷射器9的混合流出口通过制冷剂管路与高压储液器15的入口连接，连接的管路上安装有第四开关阀12；

所述第二三通阀8通过制冷剂管路连通所述高压储液器15的入口；

所述高压储液器15出气口连接的制冷剂管路分为两个支路，分别与所述二氧化碳压缩机1的低压级吸气口和高压级吸气口连接，连接高压级吸气口的管路上安装有第七开关阀25，连接低压级吸气口的管路上安装有有第八开关阀24；

所述高压储液器15的排液口通过制冷剂管路分别与第一蒸发器18和第二蒸发器22的入口连接，连接所述第一蒸发器18的管路上依次安装有第九开关阀17和第一节流阀16，连接所述第二蒸发器22的管路上依次安装有第十开关阀19和第二节流阀20。

其中第九开关阀17的开闭可以控制第一蒸发器18是否工作，第一节流阀16用于在第一蒸发器18工作时为进入其内部的制冷剂节流，从而降低制冷剂温度和压力。

其中第十开关阀19的开闭可以控制第二蒸发器22是否工作，第二节流阀20用于在第二蒸发器22工作时为进入其内部的制冷剂节流，从而降低制冷剂温度和压力。

优选地，按照相同的连接方式，高压储液器15还能增设多个排液口，与系统增设的多个蒸发器分别连接，实现带动更多不同温区或不同位置的末端制冷装置工作的效果。

所述二氧化碳压缩机1与所述气体换热器5之间设置有单向阀2及第一开关阀3，所述单向阀2及所述第一开关阀3安装在制冷剂管上。所述单向阀2的通过方向为由所述二氧化碳压缩机1通向所述气体换热器5；第一开关阀3用于控制制冷剂管路开闭。

所述气体换热器5与所述第一喷射器9之间设置有第二开关阀10，所述气体换热器5与所述第二喷射器6之间设置有第五开关阀7，所述第二开关阀10及所述第五开关阀7分别安装在对应的制冷剂管支路上。

所述二氧化碳压缩机1的低压级排气口通过制冷剂管路与高压级吸气口连接。

所述第二蒸发器22的出口管路上安装的第一三通阀23可控制制冷剂的流向，两条支路分别流向所述第二喷射器6的二次流入口及所述二氧化碳压缩机1的低压级吸气口。

所述高压储液器15包括一个或多个入口、一个出气口、一个或多个排液口。

所述第一喷射9器的工作流体来自于所述气体冷却器5；所述第一喷射器9引射流体可单独来自所述第一蒸发器18，也可调节为来自所述第一蒸发器18和所述第二喷射器6的两路制冷剂混合；所述第一喷射器9内的工作流体和引射流体混合后的制冷剂全部进入所述高压储液器15。

所述第二喷射器6的工作流体来自于所述气体冷却器5；所述第二喷射器6引射流体来自所述第二蒸发器22；所述第二喷射器6内的工作流体和引射流体混合后的制冷剂可根据不同工况要求选择直接进入所述高压储液器15或与来自所述第一蒸发器18的制冷剂混合后共同作为引射流体进入所述第一喷射器9。

所述第一喷射器9可采用可调喷射器型式，便于在工况调节时改变一次流、二次流流量和比例；所述第二喷射器6可以是固定喷口喷射器，也可以是可调喷射器。进一步地，所述第一喷射器9可选用电动可调喷射器型式，从而实现系统工况变化时的自动调节。

一种多温区跨临界二氧化碳制冷系统的运行方法，其特征在于：包括常规运行工况、低温运行工况、高温运行工况、和部分负荷运行工况。

在所述常规运行工况下：

S11：关闭所述第六开关阀11和所述第七开关阀25；

S12：所述第一三通阀23控制制冷剂由所述第二蒸发器22流向所述第二喷射器6，关闭通向所述二氧化碳压缩机1的低压级吸气口的支路；

S13：所述第二三通阀8控制制冷剂由所述第二喷射器6流向所述高压储液器15，关闭通向所述第一喷射器9的二次流入口的支路；

S14：此时来自所述气体换热器5的制冷剂分别进入所述第一喷射器9的一次流入口和所述第二喷射器6的一次流入口成为工作流体，分别引射来自所述第一蒸发器18和所述第二蒸发器22的低压制冷剂，混合后的制冷剂全部进入所述高压储液器15；

所述高压储液器15起到了气液分离的作用；

S15：所述高压储液器15中的制冷剂液体通过排液口流出，一个支路经所述第一节流阀16节流降压后进入所述第一蒸发器18，另一个支路经所述第二节流阀20节流降压后进入所述第二蒸发器22。

此时第一喷射器9和所述第二喷射器6处于同样的并联工作条件下。所述高压储液器中15的气体通至所述二氧化碳制冷压缩机1的低压级吸气口，在压缩机内进行两级压缩。

优选地，制冷剂气体在所述二氧化碳制冷压缩机1的低压级排气口排出后，可由增设的中间冷却器等设备装置冷却，降温后再进入高压级进行两级压缩。

在所述低温运行工况下，即所述第二蒸发器22需要更低的蒸发温度：

S21：关闭所述第五开关阀7和所述第八开关阀24；

S22：打开所述第七开关阀25；

S23：所述第一三通阀23控制制冷剂由所述第二蒸发器22流向所述二氧化碳压缩机1的低压级吸气口，关闭通向所述第二喷射器6的支路，此时来自所述气体换热器5的制冷剂只进入所述第一喷射器9的一次流入口成为工作流体，引射来自所述第一蒸发器18的低压制冷剂，混合后的制冷剂进入所述高压储液器15；

S24：此时需要对所述第一喷射器9进行调节，增大所述第一喷射器9的一次流流量和比例；

S25：所述高压储液器15中的制冷剂液体通过排液口流出，一个支路经所述第一节流阀16节流降压后进入所述第一蒸发器18，另一个支路经所述第二节流阀20节流降压后进入所述第二蒸发器22；

S26：控制所述第二节流阀20实现更大节流压降，降低所述第二蒸发器22内的蒸发压力和蒸发温度，实现更低的制冷温度；

S27：所述第二蒸发器22出口的制冷剂气体直接被吸进所述二氧化碳压缩机1的低压级吸气口，经低压级压缩后，出所述二氧化碳压缩机1的低压级排气口，与来自所述高压储液器15的排气口的另一路制冷剂气体混合后，共同进入高压级吸气口被压缩至超临界状态，然后进入所述气体换热器降温，从而完成循环。

由于所述气体换热器5出口的制冷剂需全部流经所述第一喷射器9，因此需要对所述第一喷射器9进行流量和混合比例进行调节，以适应工况需求。

在所述高温运行工况下，即所述第二蒸发器22需要更高的蒸发温度：

S31：打开所述第六开关阀11；

S32：所述第二三通阀8控制制冷剂由所述第二喷射器6流向所述第一喷射器9的二次流入口，关闭通向所述高压储液器15的支路；

S33：所述第一三通阀23控制制冷剂由所述第二蒸发器22流向所述第二喷射器6，关闭通向所述二氧化碳压缩机1的低压级吸气口的支路；

S34：此时来自所述气体换热器5的制冷剂分别进入所述第一喷射器9的一次流入口和所述第二喷射器6的一次流入口成为工作流体，所述第二喷射器6引射来自所述第二蒸发器22的制冷剂，混合后的制冷剂作为引射流体，进入所述第一喷射器9的二次流入口，与所述第一喷射器9的工作流体混合后共同进入所述高压储液器15；

S35：所述高压储液器15中的制冷剂液体通过排液口流出，一个支路经所述第一节流阀16节流降压后进入所述第一蒸发器18，另一个支路经所述第二节流阀20节流降压后进入所述第二蒸发器22；

S36：控制所述第二节流阀20实现更小节流压降，所述第二蒸发器22内的蒸发压力和蒸发温度相应升高，实现较高的制冷温度；

S37：根据系统的负荷情况和升压需要，通过控制所述第八开关阀24和所述第七开关阀25的开闭，控制所述高压储液器15出气口连接至所述压缩机1的低压级吸气口或高压吸气口，在压缩机内进行两级或一级压缩。

高温运行工况下，由于所述第二喷射器6出口的制冷剂需流经所述第一喷射器9成为引射流体，因此需要对所述第一喷射器9进行流量和混合比例进行相应的调节，以满足该工况需求。

在所述部分负荷运行工况下，通过控制所述第五开关阀7或所述第二开关阀10的开闭，选择仅启动一个蒸发器工作的模式，另外一个蒸发器可停机进行人工除霜操作。

所述二氧化碳压缩机1采用单机双级机型或用双级压缩机等。包括低压级吸气口、低压级排气口、高压级吸气口、高压级排气口即可。

所述气体换热器5还可采用液体散热等不同的散热器型式，实现相同的散热功能。

所述高压储液器15外部设置有热电冷却装置，所述热电冷却装置采用半导体制冷的方式为所述高压储液器提供冷量，用于在高温环境下维持所述高压储液器内部的压力保持在安全范围。

所述半导体制冷器包括半导体制冷模组13，所述半导体制冷模组13制冷端与所述高压储液器15的外壁面贴合，所述半导体制冷模组13电性连接供电模组21。

半导体制冷模组13由一个或多个半导体制冷片组成，各半导体制冷片的制冷端均与高压储液器15的外壁面贴合，通电后可为高压储液器15提供冷量，用于在高温环境下系统停机后维持高压储液器15内部的压力保持在安全范围，避免超压泄露等风险。半导体制冷片的热端则可选择翅片加风冷或者水冷等散热方式。半导体制冷片的驱动能源来自供电模组21提供的直流电。

所述气体换热器5一侧设置有换热风机4。

换热风机4用于向气体换热器5提供快速流动的散热气流，形成管外的气体强迫对流换热。

优选地，气体换热器还可采用液体散热等不同的散热器型式，实现相同的散热功能。

二氧化碳压缩机1高压排气口排出的制冷剂为高温高压的超临界状态CO

第一喷射器9工作时，以来自气体换热器5的高压超临界CO2制冷剂为工作流体，通过控制第三开关阀14和第六开关阀11的开闭控制引射流体，可选择引射来自与第一蒸发器18的低压制冷剂，也可选择引射来自与第二喷射器6的混合流出口的制冷剂。工作流体和引射流体在第一喷射器9内部的扩压腔内混合并经由混合流出口流出，通过第四开关阀12，进入高压储液器15。

第二喷射器6工作时，以来自气体换热器5的高压超临界CO

第一喷射器9及第二喷射器6可实现并联工作、串联工作和单独工作等多种工作模式。带有喷射器的多温区跨临界二氧化碳制冷系统可以通过阀件的控制调整二氧化碳工质的多种循环流程，实现第一蒸发器9的制冷温度保持固定的调节范围，第二蒸发器6则可通过调节制冷剂循环流程达到多种不同的蒸发压力和蒸发温度范围要求，从而实现多级温度的自由、精确调控，利用一台压缩机驱动即可实现常规运行工况、低温运行工况、高温运行工况和部分负荷运行工况等多温区可变调节的制冷效果。

本发明中所有开关阀均可根据系统需要选择合理的阀门型式和控制方式，阀门型式包括但不限于电磁阀、截止阀、球阀等；控制方式包括但不限于手动、电动、液动、气动等，可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭。

本发明可以根据末端制冷的需求增设一个或多个蒸发器、节流阀和喷射器，增设的蒸发器、节流阀和喷射器一一对应形成一个工作模块，其中增设的蒸发器入口与所述高压储液器的排液口连接，连接的管路上设置有增设的节流阀；增设的蒸发器出口与增设的喷射器二次流入口连接；增设的喷射器一次流入口与所述气体换热器的出口连接，增设的喷射器的混合流出口与所述高压储液器的入口连接。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。