基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统的制作方法

1.本发明涉及制冷系统技术领域，尤其涉及一种基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统。


背景技术：

2.在科技日新月异的今天，人们在创造巨大财富，提高生活舒适性的同时，也在耗费着大量自然资源，带来了日益严重的环境破坏问题，如臭氧层空洞、温室效应等，能源和环境的可持续发展变得越来越迫切。随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，低温、制冷以及热泵产品的应用越来越多，低温与制冷技术提高了人们的生活质量，但各种制冷剂泄漏引起的环境问题也越来越严重，推广应用环境友好的制冷剂，对于节能减排和推动社会可持续发展具有重要意义。目前制冷剂的发展历史主要分为四个阶段：第一代制冷剂以自然工质如co2、醚类等为代表；随着人工合成的第二代制冷剂氯氟烃(cfcs)和氢氯氟烃(hcfcs)的发展，自然工质因系统效率无法与人工合成工质相比而逐渐被淘汰，但第二代制冷剂具有较高的臭氧消耗潜能值(ozone depletion potential,odp)同样也退出了历史舞台；出于对臭氧层的保护，制冷剂转变为不含氯和溴的氢氟烃(hfcs)，其中以r134a为主要代表的第三代制冷剂，开始被大规模生产和使用，但是其全球变暖潜能值(global warming potential,gwp)较高，随之带来了温室效应的问题；考虑到臭氧层破坏和温室效应，自然工质作为第四代制冷剂再次被提出，其中主要包括co2、nh3、h2o、碳氢化合物和用于低温制冷的ch4、he和n2等。
3.目前的制冷系统中，传统的制冷剂存在odp、gwp和安全性问题，易造成臭氧层破坏、温室效应等严峻的环境问题；蒸汽压缩式制冷系统中传统的膨胀降温装置存在效率低、压降大、能耗高等问题：如节流阀，虽然其结构简单使用方便，但效率低、节流损失大；再如膨胀机，虽然其膨胀降温效率有所提高，但存在结构复杂、加工难度大、具有运动部件安全性可靠性降低、不能带液工作等不足。由此，当前的制冷系统无法做到对环境无害的同时还可以有很高的制冷效率。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，用以解决现有技术中制冷系统中的工质对环境不友好且膨胀降温装置制冷效率低的技术问题。
5.本发明实施例提供一种基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，包括：超音速两相膨胀机，包括进气口以及与所述进气口相对应的出气口和出液口；
6.第一流通管路，与所述超音速两相膨胀机的所述出液口相连通；
7.第二流通管路，与所述超音速两相膨胀机的所述出气口相连通；其中，
8.所述第一流通管路和所述第二流通管路在远离所述超音速两相膨胀机的一侧气路汇合并形成第三流通管路，且所述第三流通管路与所述超音速两相膨胀机的所述进气口相连通。
9.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述超音速两相膨胀机、所述第一流通管路以及所述第二流通管路内的工质为二氧化碳。
10.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述超音速两相膨胀机经所述出液口流至所述第一流通管路的为饱和液相，所述超音速两相膨胀机经所述出气口流至所述第二流通管路的为饱和气相。
11.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述第一流通管路上设有蒸发器、与所述蒸发器相连接的第一压缩机以及与所述第一压缩机相连接的第一冷却器；
12.所述蒸发器的进口侧与所述超音速两相膨胀机的所述出液口相连通，所述蒸发器的出口侧与所述第一压缩机的进口侧相连通，所述第一压缩机的出口侧与所述第一冷却器的进口侧相连通。
13.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述蒸发器用于将饱和液相等温蒸发为饱和气相。
14.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述第二流通管路上设有第二冷却器，所述第二冷却器的进口侧与所述超音速两相膨胀机的所述出气口相连通，所述第二冷却器的出口侧与所述第一冷却器的出口侧相连通。
15.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述第一冷却器出口侧的温度值和压力值与所述第二冷却器出口侧的温度值和压力值一致。
16.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述第三流通管路上设有第二压缩机和与所述第二压缩机相连接的第三冷却器；
17.所述第二压缩机的进口侧与所述第一冷却器的出口侧和所述第二冷却器的出口侧相连通。
18.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述超音速两相膨胀机包括依次设置的旋流机构、喷管、旋流分离管、排液机构以及扩压器；
19.所述旋流机构产生离心力在所述喷管内产生低温效应，所述旋流分离管将处理后的气体和液体分别流至所述扩压器和所述排液机构。
20.根据本发明一个实施例的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，所述排液机构的出口侧与所述第一流通管路相连通，所述扩压器的出口侧与所述第二流通管路相连通。
21.本发明实施例提供的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，超音速两相膨胀机可以将气体转化为气体和液体，且分流至第一流通管路和第二流通管路，最终返回至超音速两相膨胀机，形成制冷循环。该制冷系统在制冷循环的过程中，利用对环境友好的气体，且采用超音速两相膨胀机作为膨胀降温装置，具有膨胀制冷效率高、压降小、能耗小、结构简单紧凑、加工难度低、无运动部件安全可靠的优点。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根
据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统的组成结构示意图；
24.图2为图1所示的超音速两相膨胀机的结构示意图；
25.图3为图1所示的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统的循环温熵图；
26.附图标记：
27.10、超音速两相膨胀机；
ꢀꢀ
110、进气口；
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120、出气口；
[0028][0029]
130、出液口；
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140、旋流机构；
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150、喷管；
[0030]
160、旋流分离管；
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170、排液机构；
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180、扩压器；
[0031]
20、第一流通管路；
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210、蒸发器；
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220、第一压缩机；
[0032]
230、第一冷却器；
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30、第二流通管路；
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310、第二冷却器；
[0033]
40、第三流通管路；
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410、第二压缩机；
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420、第三冷却器。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0036]
下面结合图1至图3，本发明提供一种基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统，该基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统包括超音速两相膨胀机10、第一流通管路20以及第二流通管路30。具体地，超音速两相膨胀机10包括进气口110以及与进气口110相对应的出气口120和出液口130。第一流通管路20与超音速两相膨胀机10的出液口130相连通。第二流通管路30与超音速两相膨胀机10的出气口120相连通。其中，第一流通管路20和第二流通管路30在远离超音速两相膨胀机10的一侧气路汇合并形成第三流通管路40，且第三流通管路40与进气口110相连通。
[0037]
请继续参照图1和图2，也即超音速两相膨胀机10经出液口130排出的为饱和液相，经出气口120排出的为饱和气相。在本发明一实施例中，超音速两相膨胀机10、第一流通管路20以及第二流通管路30内的工质为二氧化碳。也即二氧化碳气体经超音速两相膨胀机10膨胀降温后形成的液体通过出液口130流至第一流通管路20，形成的气体通过出气口120流至第二流通管路30。经第一流通管路20处理后的液态达到第三流通管路40时为气路，也即内部工质为气态。而第二流通管路30至第三流通管路40时也为气态，第一流通管路20与第二流通管路30汇合经第三流通管路40流至超音速两相膨胀机10的进气口110，形成制冷循环。因为二氧化碳来源广，且不会对臭氧层产生损坏，所以系统使用odp(全球变暖潜能值)＝0、gwp(全球变暖潜能值)＝1、环保安全的co2作为制冷工质。需要说明的是，在本发明一实施例中，二氧化碳可以与氮气、氦气、氖气、氩气等不同工质组合及配比作为循环工质以实现高效制冷。
[0038]
对于第一流通管路20，第一流通管路20上设有蒸发器210、与蒸发器210相连接的第一压缩机220以及与第一压缩机220相连接的第一冷却器230；蒸发器210的进口侧与超音速两相膨胀机10的出液口130相连通，蒸发器210的出口侧与第一压缩机220的进口侧相连通，第一压缩机220的出口侧与第一冷却器230的进口侧相连通。且蒸发器210用于将饱和液相等温蒸发为饱和气相。也即液相通过蒸发器210等温蒸发为气相，进而气体流至第一压缩机220进行压缩处理，第一压缩机220将气体进行升温加压后流至第一冷却器230，第一冷却器230对气体进行降温至第三流通管路40。
[0039]
对于第二流通管路30，第二流通管路30上设有第二冷却器310，第二冷却器310的进口侧与超音速两相膨胀机10的出气口120相连通，第二冷却器310的出口侧与第一冷却器230的出口侧相连通。也即经超音速两相膨胀机10流出的气体通过第二冷却器310进行降温，进而流至第三流通管路40。需要说明的是，经第二冷却器310降温后的气体的温度和压力与经第一冷却器230降温后的气体的温度和压力一致。也即第一冷却器230出口侧的温度值和压力值与第二冷却器310出口侧的温度值和压力值一致，由此可以减缓气体混合时熵增产生的能量损失。
[0040]
进一步地，第三流通管路40上设有第二压缩机410和与第二压缩机410相连接的第三冷却器420；第二压缩机410的进口侧与第一冷却器230的出口侧和第二冷却器310的出口侧相连通。气体经第二压缩机410升温加压处理后流至第三冷却器420，进而第三冷却器420对气体进行降温至气体进入超音速两相膨胀机10时的压力值和温度值，以参与循环。
[0041]
在本发明一实施例中，超音速两相膨胀机10包括依次设置的旋流机构140、喷管150、旋流分离管160、排液机构170以及扩压器180；旋流机构140产生离心力在喷管150内产生低温效应，旋流分离管160将处理后的气体和液体分别流至扩压器180和排液机构170。且排液机构170的出口侧与第一流通管路20相连通，扩压器180的出口侧与第二流通管路30相连通。旋流机构140产生离心力，二氧化碳经过旋流机构140后会在喷管150中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后部分二氧化碳气体发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，二氧化碳液相由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离管160继续凝结液化经排液机构170排出，实现气液分离，二氧化碳气相经扩压器180减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。
[0042]
请参照图3，p1、p2、p3为三条等压线。a点对应气体进入超音速两相膨胀机10的初始温度值和压力值，b点为气液两相，c点为饱和液，d点为饱和气，c点至d点为经超音速两相膨胀机10排液机构170排出的液态工质通过蒸发器210后等温等压蒸发的过程，d点至e点对应超音速两相膨胀机10内的气态工质经扩压器180增温增压后的变化状态。e点至f点对应在第一流通管路20中气态工质经过第一冷却器230的变化过程，也对应在第二流通管路30中气态工质经过第二冷却器310的变化过程，此时气态工质压力值不变温度降低。也即第一流通管路20和第二流通管路30流向f点时压力值和温度值相同，也即相同温度值和压力值的气态工质进行混合，可以减少系统的能量损失。f点至g点对应第三流通管路40中气态工质经过第二压缩机410的变化过程，也即增压增温的过程，g点到a点对应第三流通管路40中气态工质经过第三冷却器420的变化过程，对应气态工质压力值不变而温度降低的过程。
[0043]
在超音速两相膨胀机10内能量守恒，由稳定流动能量方程得：
[0044][0045]
其中不考虑位能变化且不对外做功，即全过程只有焓与动能之间的转化，能量方程可化简为：
[0046][0047]
气体从进气口110至出液口130的过程由能量守恒得：
[0048][0049]
其中m1为进入超音速两相膨胀机10的气体的质量流量，m
2g
为经过两相分离后气体的质量流量，m
2l
为经过两相分离后液体的质量流量。u
2g
为经过两相分离后气体的流速，u
2l
为经过两相分离后液体的流速。
[0050]
通过两相分离后的气体流向第二流通管路30的过程由能量守恒得：
[0051][0052]
因为经过两相分离后气体的质量流量与第二流通管路30的气体的质量流量相同，所以公式为省略m后的公式。
[0053]
由等熵方程得s
2g
＝s5。其中，h
2g
为经过两相分离后气体的比焓、h5为流向第二流通管路30的气体的比焓，u
2g
为经过两相分离后气体的流速，u5为流向第二流通管路30的气体的流速，s
2g
为经过两相分离后气体的比熵，s5为流向第二流通管路30的气体的比熵。
[0054]
也即图3中，气体经过超音速两相膨胀机10发生等熵膨胀，工质在超音速两相膨胀机10内处于两相状态，其中2
l
为饱和液相，2
g
为饱和气相。饱和液相经过排液机构170与饱和气相分离，然后气相经过扩压器180绝热压缩至第二流通管路30，经第二冷却器310冷却至与进入超音速两相膨胀机10的气体的温度一致的状态。饱和液相经过蒸发器210等温蒸发至饱和气相并流向第一压缩机220，第一压缩机220绝热压缩至与第二流通管路30中达到第二冷却器310之前的气相的温度值。进而经过第一冷却器230冷却至与第二流通管路30流出第二冷却器310的气体的温度值。在第三流通管路40中，经过第二压缩机410绝热压缩至第三冷却器420，再经第三冷却器420进行冷却后至超音速两相膨胀机10的进气口110，以完成循环。
[0055]
综上所述，本发明提供的基于自然工质的超音速两相膨胀制冷系统中利用超音速两相膨胀机10将超音速两相膨胀机10内的工质膨胀降温形成液态工质和气态工质，以参与制冷循环，在制冷循环的过程中，利用对环境友好的气体，且采用超音速两相膨胀机10作为膨胀降温装置，具有膨胀制冷效率高、压降小、能耗小、结构简单紧凑、加工难度低、无运动部件安全可靠的优点。
[0056]
本技术实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它组件或单元。
[0057]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。