一種跨臨界二氧化碳制冷系統的制作方法

本發明屬于制冷技術領域，具體涉及一種跨臨界二氧化碳制冷系統。

背景技術：

由于全球氣溫變暖、氣候異常等環境問題日益嚴重，環保節能成為整個國際社會的焦點問題之一。近幾十年來制冷空調行業等，大量使用CFCs和HCFCs制冷工質，造成大氣臭氧層空洞和溫室效應的危害，已被人們廣泛認同。CFCs對于臭氧層和大氣變暖的不利影響，保護環境，實現CFCs替代成為全世界共同關注的問題。HFCs類工質，因為對于臭氧層沒有破壞力，成為替代CFCs的重要工質。但它們化學性穩定，釋放后能夠積累，這最終導致明顯的溫室效應。雖然人們可以努力合成性能更佳的工質，但由于制冷劑的使用量非常大，最終將不可避免地有相當部分泄漏到大氣中去。任何大量人工合成物質排放到自然界中，都會對于環境造成影響，因此現在一種普遍的觀點是采用自然工質。因此CO2制冷裝置的研究與應用又一次成為在全球范圍內受重視的熱點。

由于自然工質CO2以其良好的環保特性、優良的傳熱特性和相當大的單位容積制冷量等優點，前國際制冷學會主席G.Lorentzen認為二氧化碳是無可取代的制冷工質，并提出跨臨界循環理論，指出其可望在汽車空調和熱泵領域發揮重要作用。

以二氧化碳作為制冷劑采用跨臨界循環，由于高壓級壓力較高，節流前后的壓差較大，系統的超臨界流體直接被節流到兩相區，一方面導致兩相工質的干度較高，不利于制冷能力的提高。另一方面，節流過程的等焓線向熵增大的方向偏離較大，導致節流過程的損失遠大于常規制冷劑的節流損失。基本跨臨界二氧化碳循環的系統由壓縮機、氣體冷卻器、節流裝置和蒸發器組成，系統在蒸發溫度為8℃，氣冷器出口溫度為40℃，吸氣過熱度為5℃，壓縮機等熵效率為0.7的情況下，二氧化碳跨臨界基本循環的COP為2.5～3的范圍，循環性能系數要遠低于常規制冷劑循環的性能系數。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種跨臨界二氧化碳制冷系統，能夠解決常規跨臨界二氧化碳循環能效較低、節流損失過大、節流后兩相工質的干度較高、制冷量較小的問題。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種跨臨界二氧化碳制冷系統，包括一體式膨脹-壓縮機1，一體式膨脹-壓縮機1中的壓縮機3的第一個氣缸108的排氣口與第二個氣缸109的排氣口為同一個排氣口110，排氣口110與氣體冷卻器6的入口相連接；壓縮機3第一個氣缸108的進氣口106與蒸發器5的出口相連接，壓縮機3第二個氣缸109的進氣口107與氣液分離器8的氣體側出口相連接；

一體式膨脹-壓縮機1中的膨脹機2的入口與氣體冷卻器6的出口相連接，膨脹機2出口的制冷劑經過A電子膨脹閥7節流后與氣液分離器8的入口相連接，氣液分離器8液體側出口流出的制冷劑經過B電子膨脹閥4節流后與蒸發器5的入口相連接。

所述一體式膨脹-壓縮機1包括密閉殼體103，密閉殼體103下部固定有壓縮機3，密閉殼體103的上部固定有膨脹機2，主軸105的一端與壓縮機3連接，另一端與膨脹機2連接；在壓縮機3和膨脹機2之間裝配有用于驅動主軸105的電動機104。

所述一體式膨脹-壓縮機1中的壓縮機3為雙缸滾動轉子式壓縮機，并且第一個氣缸108與第二個氣缸109為并行壓縮。

所述一體式膨脹-壓縮機1中的膨脹機2為渦旋式膨脹機或滾動轉子式膨脹機。

本發明的有益效果：

本發明所述跨臨界二氧化碳制冷系統，使用的工質為天然制冷劑二氧化碳，可以解決現有制冷劑破壞環境以及溫室效應的問題。

相比于現有的常規跨臨界二氧化碳制冷系統，本發明制冷系統中壓縮機采用雙缸同時壓縮。這樣可以增加制冷劑的質量流率，進而使系統的COP提高。制冷系統中采用了一次膨脹加兩次節流的方法，不僅可以減小節流損失，還可以使節流后的二氧化碳干度較小、制冷量變大，系統COP平均提高15％左右。制冷系統中采用一體式膨脹-壓縮機，膨脹機與壓縮機通過一根軸連接，膨脹機所回收的膨脹功可以作為壓縮機的一部分壓縮功，因此減少了壓縮機的耗功。總之，該系統是一種經濟、有效、可行的改善方案，能有效的提高跨臨界二氧化碳制冷系統的性能系數。

附圖說明

圖1是本發明制冷循環的系統示意圖；其中：1是一體式膨脹-壓縮機，2是膨脹機，3是壓縮機，4是B電子膨脹閥，5是蒸發器，6是氣體冷卻器，7是A電子膨脹閥，8是氣液分離器。圖1中連接線上的狀態點a～i是分別對應于圖2壓焓圖上的狀態點a～i。

圖2是本發明制冷循環的壓焓圖，圖2中的狀態點a～i分別對應于圖1連接線上的狀態點a～i。

圖3是本發明第一種一體式膨脹-壓縮機的剖面簡圖，采用渦旋式膨脹機，其中：101是膨脹機進氣口，102是膨脹機排氣口，103是一體式膨脹壓縮機的殼體，104是電機，105是主軸，106是壓縮機第一個氣缸的吸氣口，108是壓縮機的第一個氣缸，107是壓縮機第二個氣缸的吸氣口，109是壓縮機的第二個氣缸，110是壓縮機的排氣口。

圖4是本發明第二種一體式膨脹-壓縮機的剖面簡圖，這種一體式膨脹-壓縮機中膨脹機采用滾動轉子式膨脹機結構，其余結構與第一種一體式膨脹-壓縮機結構相同；其中：111是膨脹機進氣口，112是膨脹機排氣口。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，一種跨臨界二氧化碳制冷系統，包括一體式膨脹-壓縮機1，一體式膨脹-壓縮機1中的壓縮機3的第一個氣缸108的排氣口與第二個氣缸109的排氣口為同一個排氣口110，排氣口110與氣體冷卻器6的入口相連接。壓縮機3第一個氣缸108的進氣口106與蒸發器5的出口相連接，壓縮機3第二個氣缸109的進氣口107與氣液分離器8的氣體側出口相連接。

一體式膨脹-壓縮機1中的膨脹機2的入口與氣體冷卻器6的出口相連接，膨脹機2出口的制冷劑經過A電子膨脹閥7節流后與氣液分離器8的入口相連接。氣液分離器8液體側出口流出的制冷劑經過B電子膨脹閥4節流后與蒸發器5的入口相連接。

參照圖3，所述一體式膨脹-壓縮機1包括密閉殼體103，密閉殼體103下部固定有壓縮機3、密閉殼體103的上部固定有膨脹機2，主軸105的一端與壓縮機3連接，另一端與膨脹機2連接；在壓縮機3和膨脹機2之間裝配有用于驅動主軸105的電動機104。

所述一體式膨脹-壓縮機1中的壓縮機3為雙缸滾動轉子式壓縮機，并且第一個氣缸108與第二個氣缸109為并行壓縮。

所述一體式膨脹-壓縮機1中的膨脹機2為渦旋式膨脹機或滾動轉子式膨脹機。

所述跨臨界二氧化碳制冷系統，采用一次膨脹加兩次節流的方法降低制冷劑的溫度，膨脹機在前，兩個電子膨脹閥在后。

本發明的工作原理為：制冷系統在運行時，低溫低壓的二氧化碳氣體分別由壓縮機的吸氣口106進入壓縮機的第一個氣缸108、由吸氣口107進入壓縮機的第二個氣缸109，同時壓縮為高溫高壓的超臨界流體。然后由氣缸排入到殼體103中。隨后高溫高壓的二氧化碳由排氣口110排出。高溫高壓的二氧化碳進入到氣體冷卻器6中冷卻。冷卻后的二氧化碳通過膨脹機吸氣口101(或圖4中膨脹機吸氣口111)進入到膨脹機中膨脹，回收的膨脹功可以為壓縮機輸入部分功率以減少能耗。從膨脹機排氣口102(或圖4中膨脹機排氣口112)排出的二氧化碳基本接近飽和液體線。隨后二氧化碳經過A電子膨脹閥7進行第一次節流。節流后的二氧化碳進入氣液分離器8，這時的二氧化碳處于兩相狀態。隨后，氣液分離器8中的氣體二氧化碳經過管路進入壓縮機第二個氣缸109進行壓縮。氣液分離器8中的液體二氧化碳經過B電子膨脹閥4進行第二次節流后流經蒸發器5進行制冷，之后再進入壓縮機的第一個氣缸108進行壓縮，如此循環。

如圖2所示為本發明制冷循環系統工作過程的循環壓-焓圖(P-h圖)，所示意的系統工作過程為:a→b為低溫低壓的二氧化碳氣體由進氣口106進入壓縮機的第一個氣缸108后壓縮為超臨界狀態的過程，c→d為低溫低壓的二氧化碳氣體由進氣口107進入壓縮機的第二個氣缸109后壓縮為超臨界狀態的過程。b、d→e為超臨界二氧化碳由氣缸排入到殼體103中，隨后由排氣口110排出后進入到氣體冷卻器6中冷卻降溫的過程。e→f為冷卻后的二氧化碳通過膨脹機2吸氣口101(或圖4中膨脹機2吸氣口111)進入到膨脹機中膨脹的過程，回收的膨脹功可以為壓縮機輸入部分功率以減少能耗。f→g為二氧化碳經過A電子膨脹閥7進行第一次節流的過程。節流后的二氧化碳進入氣液分離器8，這時的二氧化碳處于兩相狀態。g→c為兩相二氧化碳在氣液分離器中分離出氣態二氧化碳并進入壓縮機第二個氣缸109的過程，g→h為兩相二氧化碳在氣液分離器8中分離為液態二氧化碳的過程。h→i為氣液分離器8中的液體二氧化碳經過B電子膨脹閥4進行第二次節流的過程，i→a為二氧化碳在蒸發器5中蒸發吸熱的過程。以上過程構成整個循環。