热电过冷器‑膨胀机联合辅助过冷CO2跨临界制冷系统的制作方法

本发明涉及CO₂制冷循环技术领域，尤其涉及一种热电过冷器和膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统。

背景技术：

随着科技和社会的发展，资源利用和环境保护问题越来越受到人们的注。在制冷和热泵装置中广泛使用的CFCs、HCFCs由于对臭氧层破坏和温室效应有很大影响而遭淘汰，纷纷使用HFCs类制冷剂代替传统制冷剂。现《京都议定书》将HFCs列入温室气体名单，全球各国都在大力推进环保制冷剂代替高GWP制冷剂的工作。CO₂作为一种环境友好型工质，以其诸多优点再次受到了人们的关注。1)、CO₂对环境无破坏作用(ODP＝0、GWP＝1)，2)单位体积制冷量大，有利于减少设备体积，3)、二氧化碳粘度低，其流动损失小、传热效果好，4)化学性质很稳定等。

但是，CO₂作为发明制冷剂仍存在一些问题。CO₂的临界温度为31.1℃，临界压力高达7.38MPa，系统的工作压力很高。CO₂跨临界制冷循环一般用于低温制冷和超低温制冷，由于室外温度条件的限制，气体冷却器出口温度比较高，略高于环境温度，节流损失比较大，导致整个系统的效率不高。

因此需要我们提出一种方案对CO₂制冷系统进行改善，从而大幅度提高系统的效率。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统。

为了解决以上问题，本发明所提出的方案是：

一种热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，包括压缩机、蒸发器、气体冷却器，还包括膨胀机和热电过冷器，所述压缩机通过第一管路连接气体冷却器，用于将压缩形成的超临界CO₂流体送入所述气体冷却器，所述气体冷却器通过第二管路连接热电过冷器，用于对所述超临界CO₂流体放热后送到热电过冷器，由所述热电过冷器从气体冷却器出口的CO₂流体中吸收热量，实现对CO₂流体的过冷，输出低温高压CO₂气体；所述热电过冷器通过第三管路连接膨胀机，用于将所述低温高压CO₂气体送到膨胀机，由所述膨胀机对外膨胀做功输出电能及低温低压两相CO₂流体送到通过第四管路连接所述膨胀机的蒸发器，所述蒸发器通过第五管路与压缩机连接，用于将吸热后的气液两相CO₂流体送入所述压缩机进行压缩处理成所述超临界CO₂流体；所述膨胀机连接电源管理器，所述电源管理器通过供电电路连接压缩机以及热电过冷器，所述电源管理器用于将膨胀机形成的电能能量储存并实现电能分配，以驱动热电过冷器，或将多余的电能供给压缩机。

所述热电过冷器包括热电冷却模块，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路，所述热电冷却模块的下侧面贴合有风冷散热模块或水冷散热模块，所述二氧化碳管路分别与所述第二管路与第三管路相连接。

所述二氧化碳管路采用多孔扁管。

所述多孔扁管采用铝材质制作。

在CO₂跨临界制冷系统中，气液两相的CO₂流体从蒸发器吸热后，进入压缩机吸气端，由压缩机压缩为超临界CO₂流体，之后进入气体冷却器向周围环境放热，此时CO₂流体的放热温度略高于环境温度，然后流体进入热电过冷器进一步冷却为低温高压CO₂流体，经过膨胀机对外做功后变为低温低压的气液两相流体，直至进入蒸发器吸收热量，完成整个制冷循环。

另外，CO₂超临界流体在经过膨胀机时，对外做功变为低温低压的气液两相流体，同时输出电能储存在电源管理器中。通过电源管理器对膨胀机输出的电能进行合理分配，例如膨胀机输出的电能可以驱动热电过冷器，多余的电量可以分配用于驱动压缩机，反之则可以补充不足的电量。三者协作来提高利用率和性能。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)、CO₂制冷循环中，CO₂流体的工作压力高，用膨胀机代替传统的节流阀可以有效恢复CO₂跨临界循环中相当大的节流损失。

2)、超临界CO₂流体进过膨胀机对外膨胀做功输出电能，可以用于驱动热电过冷器提高CO₂过冷度，多余电能可供给压缩机使用，降低能耗。

3)、通过以上两个过程的相互协作，可以有效的提高能量的利用和整个CO₂跨临界制冷系统的能效。

附图说明

图1为本发明的热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统的示意图；

图2是本发明提供的一种热电过冷器的结构示意图；

图3是本发明提供的又一种热电过冷器的结构示意图；

图中：1、压缩机；2、气体冷却器；3、膨胀机；4、蒸发器；5、热电过冷器；6、电源管理器。

具体实施方式

如图1所示，一种热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷CO₂跨临界制冷系统，包括压缩机1、蒸发器4、气体冷却器2，还包括有膨胀机3和热电过冷器5，其中，所述压缩机1通过第一管路连接气体冷却器2，用于将压缩形成的超临界(温度为50℃～150℃，压力为7.5Mpa～14Mpa)CO₂流体送入所述气体冷却器2，所述气体冷却器2通过第二管路连接热电过冷器5，用于对所述超临界CO₂流体放热后(放热后温度为30℃～45℃，压力为7.5Mpa～14Mpa)送到热电过冷器5，所述热电过冷器5用于从气体冷却器2出口的CO₂流体中吸收热量，实现对CO₂流体的过冷，输出低温高压(温度为-20℃～10℃，压力为7.5Mpa～14Mpa)CO₂气体；所述热电过冷器5通过第三管路连接膨胀机3，用于将所述低温高压CO₂气体送到膨胀机3，由所述膨胀机3对外膨胀做功输出电能以及低温低压(温度为-5℃～-20℃，压力为2Mpa～4.5Mpa)两相CO₂流体送到通过第四管路连接所述膨胀机3的蒸发器4，所述蒸发器4通过第五管路与压缩机1的CO₂入口连接，用于将吸热后的低温低压(温度为-20℃～10℃，压力为2Mpa～4.5Mpa)气液两相CO₂流体送入所述压缩机1 进行压缩处理成所述超临界CO₂流体。

其中，所述膨胀机自带有发电机，通过所述的发电机连接电源管理器6，所述电源管理器6通过供电电路连接至压缩机1以及热电过冷器5，电源管理器6用于将膨胀机及发电机形成的电能能量储存并实现电能的分配，用于驱动热电过冷器，或将多余的电能供给压缩机使用，为现有技术设备，可直接采购市面上相应的发电用的电源管理器组装即可。

需要说明的是，本发明中，所述膨胀机通过发电机连接电源管理器6，所述电源管理器6通过供电电路分配电能到给压缩机1以及热电过冷器5为现有公知膨胀机以及发电机的发电供电控制系统，可以采用现有公知的技术以及电路结构实现，对此不再进行详细的说明发电以及供电的电路结构。

由于CO₂制冷系统运行压力高，故采用膨胀机代替节流阀恢复节流过程中相当大的损失，同时CO₂流体膨胀做功发电驱动热电过冷器对气体冷却器出口的CO₂流体进一步过冷，使放热温度降到环境温度以下，制冷量得到提高，还能降低能耗，提升CO₂制冷系统的性能

所述热电过冷器是基于帕尔帖效应的半导体制冷装置，通电即制冷。所述热电过冷器包括热电冷却模块，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路，所述热电冷却模块的下侧面贴合有散热装置，所述散热装置可以是风冷散热模块或水冷散热模块，所述二氧化碳管路分别与所述第二管路与第三管路相连接。

图2示出一种所述热电过冷器的结构，包括热电冷却模块51，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路52，所述热电冷却模块的下侧面贴合有风冷散热模块，其中，所述风冷散热模块包括风冷热沉4以及设在所述风冷热沉下方的风扇3。

所述热电冷却模块1由若干对热电偶N、P构成，连接电源装置54，为现有技术结构。根据帕耳贴效应，当电流流过热电冷却模块，在热电冷却模块的冷端产生制冷效应，在热电冷却模块的另外一段发生制热效应。

其中，所述二氧化碳管路采用多孔扁管。所述多孔扁管采用铝材质制作。优选的，所述CO₂热电过冷器的二氧化碳管采用多孔扁管，多孔扁管的水力直径较小，因此其承压能力大大提高。这样的结构还有一个优势，即二氧化碳管的换热通道壁面能够和热电冷却模块的热电片紧密贴合，如果是圆形通道就很难贴合。

其中，所述的多孔扁管为微通道扁管，其内部轴向方向具有多个均匀布置的孔径微小的制冷剂通道，通道间相互封闭，可以采用铝材质制作而成。

其中，所述的风扇53和风冷热沉54是用来帮助维持恒定温度的，在电流流过热电模块51时，由于帕尔贴效应，会吸收二氧化碳管路52中二氧化碳的热量，从而实现二氧化碳的过冷。所述二氧化碳管路52用于CO₂自一端521流入，到另一端522流出。

图3示出又一热电过冷器的结构，包括热电冷却模块51，所述热电冷却模块的上侧面贴合有二氧化碳管路52，所述热电冷却模块的下侧面贴合有水冷散热模块53。

所述热电冷却模块由若干对热电偶N、P构成，连接电源装置50，为现有技术结构。根据帕耳贴效应，当电流流过热电冷却模块，在热电冷却模块的冷端产生制冷效应，在热电冷却模块的另外一段发生制热效应。

如实施例1所述，所述二氧化碳管路同样采用多孔扁管，即在扁管的管壁均匀设有微孔。所述扁管可以采用铝材质制作而成。

其中，所述水冷散热模块为水冷管路，具有循环冷却水的进水口531与出水口532，实现冷却水循环输送。

其中，所述水冷散热模块2可以保证其恒温状态，在电流流过热电冷却模块1时，由于帕尔贴效应，会吸收二氧化碳管路中二氧化碳的热量，从而实现二氧化碳的过冷。

本实施例中，所述热电过冷器-膨胀机联合辅助过冷的CO2跨临界系统的工作原理是：

第一阶段：气液两相CO₂流体从蒸发器4吸热后进入压缩机1压缩为超临界流体，然后进入气体冷却器2向周围环境放热，此时超临界的CO₂流体的温度略高于环境温度。

第二阶段：热电过冷器5从气体冷却器2出口的CO₂流体中吸收热量，实现对CO₂流体的过冷，此时CO₂为低温高压的气体。

第三阶段：低温高压的气体进入到膨胀机3，对外膨胀做功，输出电能，储存在电源管理器6中，由电源管理器协调电能的分配，用于驱动热电过冷器，或者分担一部分压缩机的电能输入。

第四阶段：从膨胀机3出来的低温低压两相流体再次进入蒸发器吸收热量，从而完成整个系统的循环。

所述的CO₂跨临界制冷循环中，所用的膨胀机为现有技术设备，所述热电过冷器采用CO₂热电过冷器。

其中，所述低温低压的CO₂两相流体进入蒸发器吸热然后进入压缩机压缩为超临界CO₂流体，随后进入气体冷却器向周围环境换热，此时气体冷却器出口的CO₂温度略高于环境温度。

热电过冷器对气体冷却器出口出来的略高于环境温度的高压的CO₂流体进一步过冷，使之成为低温高压的CO₂气体。

低温高压的CO₂气体进入膨胀机，膨胀机对外做功输出电能，能量储存在电源管理器中，由电源管理器实现电能的分配，用于驱动热电过冷器，多余的电能可以供给压缩机使用。

从膨胀机出来的低温低压的CO₂两相流体再次进入蒸发器吸热，从而完成整个制冷循环。

利用膨胀机回收的一部分功输出电能，用于驱动热电过冷器对气冷器出口的CO₂流体进一步过冷，放热温度降低至环境温度以下，制冷量得到提高，同时多余的电能可以供给压缩机使用，有效降低能耗。综上所述，CO₂跨临界系统的效率可以得到大幅度的改善。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。