CN1162667C - 跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构 - Google Patents

Abstract

跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构，主要包括节流阀、汽液分离器、电磁阀、混合器、热力膨胀阀等。热力膨胀阀的开度受控于蒸发器出口的制冷剂过热度，通过开度的调节达到调节蒸发压力，控制制冷剂过热度的作用；高压侧的压力的控制，则是通过电磁阀的开关，控制进入膨胀阀的制冷剂的进口状态来实现。本装置的主要优点在于其经济与可靠。所用的这些元件均为通用性元件，器件本身的经济性和可靠性较好。使用本装置，不仅可以有效控制蒸发压力，提高蒸发器的传热效率，同时可以控制高压侧的压力。

Description

跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构

技术领域：

本发明涉及一种制冷系统节流控制机构，特别涉及一种跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构，用于控制跨临界二氧化碳制冷系统的高压侧与低压侧的压力，属于制冷技术领域。

背景技术：

目前人类面临着越来越严重的环境问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题日益受到全世界的关注，制冷剂的替代迫在眉睫。过去使用的CFC类制冷工质破坏臭氧层，现在常用的HFC类工质虽然不破坏臭氧层，但温室效应明显。虽然人们可以努力合成更好的制冷工质，但由于工质不可避免的排放，最终结果是任何一种非自然界故有的替代物质都可能给地球的生态平衡造成破坏，因此，最终的环保型的制冷工质应当是非人工合成的自然工质。二氧化碳是一种自然制冷剂，有利于保护环境，同时跨临界二氧化碳制冷循环的性能也与传统氟里昂制冷循环相当，因此被广泛认为有发展前途。

跨临界二氧化碳制冷系统的高低压的控制特性与我们目前常见的压缩式制冷系统有较大的不同。我们目前常用的压缩式制冷系统采用亚临界循环，不管是高压侧还是低压侧，温度与压力均密切相关。在机组运行过程中，主要是通过调节节流阀来控制蒸发压力与温度，提高系统的工作效率。对于高压侧来讲，冷凝温度主要依赖于冷却介质的温度与流量，冷凝压力与冷凝温度一一对应，而高压侧的压力即为冷凝压力，因此高压侧的压力基本上依赖于冷却介质的温度与流量，在系统中不需要专门进行控制。对于跨临界二氧化碳系统来讲，其高压侧制冷剂发生的不是冷凝过程，而是超临界气体的冷却过程，其压力与温度是两个独立的变量。因此尽管温度受到冷却介质的限定，但是压力则不直接受到限制。在跨临界二氧化碳制冷系统中，高压侧压力可达70-150bar，是常用制冷装置的7-10倍，另外高压侧的压力特性对于系统的工作效率有很大的影响。因此不管是从安全性还是从热效率考虑，在跨临界二氧化碳制冷系统中，均不能象通常的亚临界循环制冷系统那样，不设置直接对于高压侧压力进行调节的装置。

为了保证跨临界二氧化碳制冷装置高压侧压力得到控制，一种普遍性的想法是用节流阀来控制高压侧的压力，当高压侧压力过高时，增大节流阀的开度，而当压力下降时，则减小开度。但是如此一来，对于蒸发压力则不能直接控制，有可能造成蒸发器出口过热度太大，导致系统效率下降。

由于上述问题的存在，应当寻求解决高压侧压力和低压侧压力同时受控的方案。已有技术中，Shengming Liao和Arne Jakobsen在其论文“Shengming Liao，ArneJakobsen.Optimal heat rejection pressure in transcritical carbon dioxide airconditioning and heat pump systems.Proc.Natural Working Fluids’98，Oslo，1998：301-310”中，提出了一种控制思想，其核心是：用节流阀来控制高压侧的压力，而采用变频压缩机，通过感受受冷空间的温度来控制压缩机的频率，从而达到控制低压侧性能的效果。这个方案，虽然在一定程度上解决了高低压侧同时受控的问题，但是对于采用定容量压缩机的二氧化碳制冷系统则不能适用。而且变频压缩机的费用大大高于定容量压缩机，故前述方案的经济性较差。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种适用于采用定容量压缩机的跨临界二氧化碳制冷系统，能对其高低压侧压力同时进行控制的节流控制机构。

本发明提出的跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构由节流阀、汽液分离器、电磁阀、混合器、热力膨胀阀组成。节流阀的进口与气体冷却器出口相连，汽液分离器进口与节流阀出口相连，汽液分离器的出口则有二个，其中气相出口与电磁阀进口相连，电磁阀出口通过管道与混合器进口相连，而液相出口直接与混合器进口相连，混合器出口与热力膨胀阀进口相连，热力膨胀阀出口则与蒸发器进口相连。压缩机进出口分别与蒸发器的出口与气体冷却器的进口相连。电磁阀采用常开型。

整个节流控制机构中的节流元件有节流阀与热力膨胀阀。

热力膨胀阀的开度受控于蒸发器出口的制冷剂过热度。当蒸发压力过低，过热度过大时，热力膨胀阀的开度增加，制冷剂的流量增加，因此蒸发压力与蒸发温度上升，过热度下降；当蒸发压力过高时，则膨胀阀通过减小开度，来抑制蒸发压力的上升。

高压侧的压力的控制，则是通过控制进入热力膨胀阀的制冷剂状态来实现的。气体冷却器出来的高压二氧化碳，有可能为过冷液体，也有可能为超临界流体，但经过节流阀的降压，均会变为二相流体而流进气液分离器。大多数情况下，气液分离器两个出口分别流出液体和气体到混合器。对于电磁阀的开关预先设定二个控制压力值，一个是压力上限动作值，一个是压力下限动作值。如果系统高压侧的压力超过压力上限动作值，则此时电磁阀关闭，只有液体通过混合室到达热力膨胀阀进口，此时在同样的热力膨胀阀开度下，流过热力膨胀阀的制冷剂流量增加，从而使气体冷却器中的制冷剂量快速下降，导致高压侧压力快速下降。当高压侧的压力降到低于压力下限动作值时，电磁阀开启，由于此时到达进入热力膨胀阀进口的又为二相制冷剂，则通过热力膨胀阀的流量下降，使得高压侧的压力再次上升。

通过上述的控制方式，在保证低压侧有合适压力的同时，高压侧的压力也得到了控制，避免了因高压侧压力过高而引起系统的危险。

本控制机构的主要优点在于其经济与可靠。本控制机构中，只利用节流阀、热力膨胀阀、电磁阀、气液分离器、混合器这样经济通用的元件，因此器件本身的经济性和可靠性较好。虽然同时控制高压侧的压力和蒸发器的过热度这两个相互耦合的变量，需要关注控制的稳定性问题，但是由于本发明的控制策略中，引起电磁阀的开关动作而预先设定的二个控制压力值有一定的差距，该控制回路的响应远慢于蒸发器过热度控制回路。由于两个控制回路的时间常数有数量级的差异，可避免可能的控制不稳定问题。

附图说明：

图1为本发明跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构原理图。

图中，1为节流阀，2为气液分离器，3为电磁阀，4为混合器，5为热力膨胀阀，6为蒸发器，7为压缩机，8为气体冷却器，

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明的跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构主要包括节流阀1、汽液分离器2、电磁阀3、混合器4、热力膨胀阀5。除节流控制机构外，跨临界二氧化碳制冷系统还包括蒸发器6、压缩机7和气体冷却器8等。

压缩机7出口与气体冷却器8进口相连，气体冷却器8出口与节流阀1进口相连，节流阀1出口与汽液分离器2进口相连，汽液分离器2有气相和液相两个出口，其中气相出口通过管道与电磁阀3进口相连，电磁阀3出口通过管道与混合器4进口相连接，汽液分离器2的液相出口直接与混合器4进口相连，混合器4出口与热力膨胀阀5进口相连，热力膨胀阀5出口则与蒸发器6进口相连，蒸发器6出口与压缩机7进口相连。

节流阀1采用普通铜制节流阀，汽液分离器2采用铸铁制造，电磁阀3采用常开型，混合器4采用铸铁制造，热力膨胀阀5采用F型热力膨胀阀，蒸发器6和气体冷却器8采用铝制管带式换热器，压缩机7采用往复活塞式压缩机。

在正常工况下，压缩机8排出超临界二氧化碳高压气体，流经气体冷却器8后成为液体或者是温度较接近环境温度的超临界气体，再流经节流阀1后则成为二相流体，通过气液分离器2的作用，液相和气相得到分离，液相直接进入混合器4，气相则通过电磁阀3再进入混合室4，从混合室4出来的二相制冷剂通过热力膨胀阀5流进蒸发器6，然后再被压缩机7吸入。对于电磁阀3的开关预先设定二个控制压力值，一个是压力上限动作值，一个是压力下限动作值。如果系统高压侧的压力超过压力上限动作值，则此时电磁阀3关闭，只有液体通过混合室4到达热力膨胀阀5进口，此时在同样的热力膨胀阀5开度下，流过热力膨胀阀5的制冷剂流量增加，从而使气体冷却器8中的制冷剂量快速下降，导致高压侧压力快速下降。当高压侧的压力降到低于压力下限动作值时，电磁阀3开启，由于此时到达进入热力膨胀阀5进口的又为二相制冷剂，则通过热力膨胀阀5的流量下降，使得高压侧的压力再次上升。

热力膨胀阀5的开度受控于蒸发器6出口的制冷剂过热度。当蒸发压力过低，过热度过大时，热力膨胀阀5的开度增加，制冷剂的流量增加，因此蒸发压力与蒸发温度上升，过热度下降；当蒸发压力过高时，则膨胀阀5通过减小开度，来抑制蒸发压力的上升。

Claims (2)

1、一种跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构，主要包括节流阀(1)、汽液分离器(2)、电磁阀(3)、混合器(4)、热力膨胀阀(5)，其特征在于：节流阀(1)进口与气体冷却器(8)出口相连，节流阀(1)出口与汽液分离器(2)进口相连，汽液分离器(2)有气相和液相两个出口，其中气相出口通过管道与电磁阀(3)进口相连，电磁阀(3)出口通过管道与混合器(4)进口相连接，汽液分离器(2)的液相出口直接与混合器(4)进口相连，混合器(4)出口与热力膨胀阀(5)进口相连，热力膨胀阀(5)出口则与蒸发器(6)进口相接。

2、如权利要求1所说的跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构，其特征还在于电磁阀(3)采用常开型。