一种非共沸工质机械辅助过冷CO2制冷制热一体化系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非共沸工质机械过冷CO2制冷制热一体化系统。本发明专利技术将非共沸混合蒸汽压缩循环与CO2跨临界循环进行组合，非共沸工质在相变过程中存在温度滑移，回水一路流过非共沸工质辅助循环的冷凝器进行加热，另一路流经CO2循环的气体冷却器进行加热，两路热水的进出口温差均较小，与辅助循环非共沸混合工质冷凝过程和CO2流体降温过程形成较好的温度匹配。非共沸制冷剂蒸发过程与超临界CO2流体降温过程程形成很好的温度匹配，通过联合供暖系统可大大减小冷凝器、气体冷却器和冷却蒸发器中的换热不可逆损失，通过膨胀机回收膨胀功可减少压缩机输入功，保证CO2制冷制热一体化系统高效运行。

A non azeotropic refrigerant heating system with mechanical subcooled CO2 refrigeration system

The invention discloses a non azeotropic refrigerant and mechanical supercooling CO2 refrigeration and heating integrated system. The invention combines the non azeotropic vapor compression cycle with the CO2 cross critical cycle. The non azeotropic refrigerants have temperature slip during the phase change process. The backwater flows through the condenser of the non azeotropic auxiliary cycle, and the other is heated by the CO2 cycle gas cooler, and the temperature difference between the inlet and outlet of the two hot water is all. The temperature is better than that of the auxiliary circulating non azeotropic refrigerant condensing process and the CO2 fluid cooling process. The evaporation process of non azeotropic refrigerants matches well with the cooling process of supercritical CO2 fluid. Through joint heating system, the irreversible loss of heat exchange in condenser, gas cooler and cooling evaporator can be greatly reduced. The input power of the compressor can be reduced by the expansion work of the expander, and the CO2 refrigeration system can be guaranteed. The system runs efficiently.

【技术实现步骤摘要】
一种非共沸工质机械辅助过冷CO2制冷制热一体化系统
本专利技术涉及非共沸工质机械辅助过冷的CO2制冷制热一体化系统。
技术介绍
随着北京携手张家口成功申办2022年冬奥会，我国冰雪运动迎来前所未有的发展机遇。为了实现“三亿人参与冰雪运动”目标，冰雪运动会逐步向大众普及。随着参与冰雪运动的人越来越多，冰雪运动场馆和设施也会飞速增加。大型体育馆会同时设有人工滑冰场、游泳池以及并且冬夏有供暖和供冷的需求。要保证大型体育场馆的正常运转，需要通过制冷设备为滑冰场提供冷量，并且为游泳池以及供暖设备提供热量。为了同时满足制冷和制热的需求，可将滑冰场制冰设备冷凝器侧排放的热量进行回收，为游泳池以及供暖设备提供热量，以提高制冷系统综合能效，达到节能减排的目的。为保证游泳池水温温度为26～28℃，水温热到50℃左右再注入泳池中，为循环加热。而对于北方地区的体育场馆的供暖系统，其末端通常采用暖气片，要求一般暖气片进水温度60～85℃，回水温度50～75℃，供回水温差较小，也为循环加热。并且采暖方式都是依靠燃煤，其燃烧产生的污染物更多，对环境的危害大，也是导致北方冬季雾霾的一大诱因。为治理北方冬季雾霾问题，政府也提出采用煤改电等措施解决北方冬季供暖，即通过用电、燃气等清洁能源代替传统的燃煤供热，需要对体育场馆的供暖系统进行改造。如采用热泵系统取代燃煤锅炉后，如不改造供热末端(暖气片)的话，其供回水温度应保持不变。然而目前市场上销售的满足这一工况条件的热泵产品使用的制冷剂主要为HFC或HCFC类人工合成制冷剂，这些制冷剂GWP值较高，具有较强的温室效应。2016年10月全球达成的《蒙特利尔议定书基加利修正案》提出要重点削减HFC类化合物。因此，自然工质CO2逐渐引起了人们的广泛关注。采用CO2系统既可以用来制冷也可以用来制热。然而，CO2热泵系统适用于供回水温差大的系统(比如用于热泵热水器系统)，如采用CO2热泵用于供暖，其能效较低。并且CO2节流损失较大，导致其在制冷工况下，能效也较低。如采用CO2系统为滑冰场进行供冷，并且对气体冷却器的放热量进行回收用于游泳池以及供暖，就需要克服以下问题：1)减小CO2节流不可逆损失，增加制冷量；2)在降低供回水温差的前提下，保证CO2系统较高的能效；3)保证系统安全环保。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种非共沸工质机械辅助过冷CO2跨临界制冷制热一体化系统，其中机械过冷热泵系统为传统的蒸汽压缩制冷循环，制冷剂为R32/R152a或R32/R11234ze(E)温度滑移合理的非共沸制冷剂。本专利技术所采取的技术方案是：一种非共沸工质机械辅助过冷CO2跨临界制冷制热一体化系统，包括非共沸工质机械辅助过冷热泵系统和膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统；非共沸工质机械辅助过冷热泵系统包括辅助循环压缩机、冷凝器、辅助循环节流阀和冷却蒸发器；冷却蒸发器流出的制冷剂经辅助循环压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，进入冷凝器与回水进行换热，换热后的制冷剂经过辅助循环节流阀膨胀节流后进入冷却蒸发器，对CO2气体冷却器出口的CO2流体进行冷却；膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统包括压缩机、气体冷却器、膨胀机、蒸发器和联轴器组成；CO2经蒸发器流出经过压缩机后进入气体冷却器与回水进行换热，后经过膨胀机膨胀节流后流入蒸发器吸收冷却液的热量，冷却液从蒸发器流出经盘管再流入蒸发器，膨胀机通过联轴器与压缩机同轴联接；暖气片的回水流经三通阀，分为两路，一路流过机械辅助过冷系统的冷凝器，另一路回水流至CO2循环的气体冷却器，最终两路热水流至混合罐，混合后的热水输送至暖气片。非共沸工质机械辅助过冷热泵系统中辅助循环压缩机将非共沸制冷剂压缩成高温高压气体，进入冷凝器与回水进行换热。之后制冷剂经过辅助循环节流阀膨胀节流后变为低温低压的气液两相流体，通过冷却蒸发器对CO2气体冷却器出口的CO2流体进行冷却达到过冷效果。膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统中CO2热泵系统内充注的工质为CO2，压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，进入气体冷却器与回水进行换热，后经过膨胀机膨胀后变为低温低压的气液两相流体，然后流入蒸发器进行吸热，变为低温低压气体后吸入压缩机入口，蒸发器对外界环境吸热降温，实现制冷，完成循环。膨胀机通过联轴器与压缩机同轴连接，回收的膨胀功为压缩机提供动能，减少压缩机输入功。本专利技术具有的优点和积极效果是：(1)CO2制冷制热一体化系统的制冷剂为自然工质CO2。CO2的GWP为1，ODP为0，安全无毒不可燃、廉价易获取。辅助循环使用的制冷剂为R32/R152a或R32/R11234ze(E)温度滑移合理的GWP较低的非共沸制冷剂。CO2循环和辅助循环的制冷剂均为环境友好工质。(2)机械过冷循环制冷剂在蒸发冷凝过程中存在温度滑移，根据Lorenz循环的概念，非共沸混合工质蒸发过程与超临界过冷CO2流体形成较好的温度匹配。非共沸混合工质冷凝过程与热水升温过程形成良好的温度匹配。CO2气体冷却器出口温度较高，与热水的加热过程的温度匹配较好。实现了热水入水回水温差较小的工况前提下，合理减少了换热过程中的不可逆损失，提升CO2制冷制热一体化系统的整体能效。(3)对于回水，分为两路，一路流过辅助循环的冷凝器进行加热，另一路流经CO2循环的气体冷却器进行加热。加热后的两路热水进入混合罐进行混合，之后供给暖气片采暖或游泳池加热使用，两路回水的进出口温差较小，在保证暖气片供热工况的前提下，保证系统能效，通过热泵取代燃煤锅炉进行制热。(4)通过机械过冷系统对CO2系统气体冷却器出口的CO2进行过冷，降低进入节流阀前CO2温度，减小节流损失，并进一步降低CO2运行高压；通过膨胀机对CO2膨胀过程中的膨胀功进行回收，膨胀机与压缩机通过联轴器相连，回收功由于驱动压缩机做功，减少压缩机的输入功，保证CO2热泵系统高效运行。(5)充分利用CO2制冷制热一体化系统制取的冷热量，蒸发器对冷却液吸热降温，通过冷却液对滑冰场冰面进行制冷。附图说明图1是本专利技术的温熵图；图2为本专利技术的系统示意图。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，附图详细说明如下：非共沸混合工质机械辅助过冷热泵系统和膨胀机辅助CO2制冷制热系统的温熵图如图1所示，其中细虚线为CO2跨临界循环(1-2-3-4-1)，细实线为非共沸工质循环(1’-2’-3’-4’-1’)，粗实线为水的升温过程，粗虚线为冷却液降温过程。请参阅图2，一种非共沸工质机械辅助过冷CO2跨临界制冷制热一体化系统。对于回水，分为两路，一路流过辅助循环(制冷剂采用非共沸工质)的冷凝器进行加热，另一路流经CO2循环的气体冷却器进行加热，加热后的两路热水进入混合罐进行混合，之后供给用户采暖使用，此时CO2系统气体冷却器出口的CO2温度较高(由于回水温度较高)通过辅助系统对CO2进行过冷，可降低进入节流阀前CO2温度，这样就可以起到减小节流不可逆损失，降低CO2运行高压的效果。在供回水温差较小的工况条件下，CO2热泵系统仍然能够高效运行。辅助循环使用的制冷剂为R32/R152a或R32/R11234ze(E)温度滑移合理的GWP较低的非共沸制冷剂。在CO2热泵系统中，利用蒸发器中制冷剂吸热，对冷却液制冷降温。其具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非共沸工质机械辅助过冷CO2制冷制热一体化系统，其特征在于，包括非共沸工质机械辅助过冷热泵系统和膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统；非共沸工质机械辅助过冷热泵系统包括辅助循环压缩机、冷凝器、辅助循环节流阀和冷却蒸发器；冷却蒸发器流出的制冷剂经辅助循环压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，进入冷凝器与回水进行换热，换热后的制冷剂经过辅助循环节流阀膨胀节流后进入冷却蒸发器，对CO2气体冷却器出口的CO2流体进行冷却；膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统包括压缩机、气体冷却器、膨胀机、蒸发器和联轴器组成；CO2经蒸发器流出经过压缩机后进入气体冷却器与回水进行换热，后经过膨胀机膨胀节流后流入蒸发器吸收冷却液的热量，冷却液从蒸发器流出经盘管再流入蒸发器，膨胀机通过联轴器与压缩机同轴联接；暖气片的回水流经三通阀，分为两路，一路流过机械辅助过冷系统的冷凝器，另一路回水流至CO2循环的气体冷却器，最终两路热水流至混合罐，混合后的热水输送至暖气片。

【技术特征摘要】
1.一种非共沸工质机械辅助过冷CO2制冷制热一体化系统，其特征在于，包括非共沸工质机械辅助过冷热泵系统和膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统；非共沸工质机械辅助过冷热泵系统包括辅助循环压缩机、冷凝器、辅助循环节流阀和冷却蒸发器；冷却蒸发器流出的制冷剂经辅助循环压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，进入冷凝器与回水进行换热，换热后的制冷剂经过辅助循环节流阀膨胀节流后进入冷却蒸发器，对CO2气体冷却器出口的CO2流体进行冷却；膨胀机辅助CO2制冷制热一体化系统包括压缩机、气体冷却器、膨胀机、蒸发器和联轴器组成；...

【专利技术属性】
技术研发人员：代宝民，刘圣春，杨茜茹，
申请(专利权)人：天津商业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12