一种二氧化碳制冷工质的人工冰场系统的制作方法

本发明涉及一种人工冰场，特别涉及一种二氧化碳制冷工质的人工冰场系统。

背景技术：

目前，冰上运动备受人们喜欢，已经发展出多种多样的竞赛项目，并且滑冰作为一种常见的娱乐方式受到越来越多人的青睐。

有大量的冰雪场馆待建，无论是冰球馆、冰壶馆、速滑馆、花滑馆，还是大道馆，最重要的是要有优秀的冰。制作软硬一致、整齐一致的冰面，对运动员安全又充分的发挥技术起到至关重要的作用。

宏观环境的发展和国家政策的推行使市场对冰场的建设产生了大量的需求。同时对制冰系统和装置本身的技术和质量水平提出了更高的要求,特别是安全环保和能效方面。目前国内采用的冰场制冷剂主要有氨和r134a，氨存在安全隐患，需要采用载冷剂间接制冷，泵耗高，运维成本极高，现在基本被禁用；r134a需采用乙醇作为载冷剂，制冷效率低。虽有r134a直接蒸发系统，但由于r134a的gwp值为1370，将被《蒙特利尔基加利修正案》限制。二氧化碳跨(亚)临界制冷直接蒸发式冰场将是最佳选择。

现有人工冰场采用间接制冷系统较多，但由于多了蒸发器换热，蒸发温度下降，性能系数降低，制冷效率下降，不利于节能减排，同时载冷剂循环增加了载冷剂泵的电耗，还会腐蚀管路，使维护费用增加。存在占地面积较大、系统可靠性不佳的缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种直接蒸发式的二氧化碳制冷工质的人工冰场系统，通过改变压缩机的连接方式和地埋管蒸发器的大小，满足全年时段内各种冰面温度和各种冰面大小的制冰需求，提高效率，降低能耗。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种二氧化碳制冷工质的人工冰场系统，包括制冷机组，所述制冷机组包括位于冰场下方的地埋管蒸发器，以及若干个并接在该地埋管蒸发器管路两端的用于压缩及冷却二氧化碳制冷剂的制冷回路；所述制冷回路，其输入来自所述地埋管蒸发器的气态二氧化碳制冷剂，其向所述地埋管蒸发器输送液态或气液混合态的二氧化碳制冷剂。

进一步地，所述地埋管蒸发器，其管路为不锈钢管路或铜管管路，其管路设于防冻混凝土层内；所述防冻混凝土层内设有冰球和钢丝。

进一步地，所述地埋管蒸发器下方设有保温层。

进一步地，所述保温层下面水平设置有防冻排管，15-20℃的水流经所述防冻排管。

进一步地，每个所述制冷回路中设有电子膨胀阀以及若干级依次串联的压缩冷却单元，每级所述压缩冷却单元包括一个压缩机以及与之串联的一个气体冷却器；所述地埋管蒸发器的输出口连接有气液分离器；所述气液分离器的气体输出口与首级所述压缩冷却单元中的压缩机输入口连通，所述电子膨胀阀的输入口与末级所述压缩冷却单元中的气体冷却器的制冷剂输出口连通；所述电子膨胀阀的输出口与所述地埋管蒸发器的输入口连通。

进一步地，所述气体冷却器包括用于冷却制冷剂的冷却介质管路；所述气体冷却器的冷却介质管路与多个串联的立式圆柱型保温水箱连通形成回路，每个所述保温水箱的上部和下部均开有取水口。

进一步地，所述气液分离器设有液体输出口；所述液体输出口通过制冷工质泵与所述地埋管蒸发器的输入口连通。

进一步地，所述制冷回路中还设有用于冷却制冷剂的板式换热器；所述板式换热器包括相互换热的冷却介质通道和制冷剂通道；若干个所述板式换热器的制冷剂通道依次串联后，与所述气体冷却器的制冷剂通道并接。

进一步地，首端所述板式换热器制冷剂通道的输入口与所述气体冷却器的制冷剂通道输入口，分别与一个分流三通阀的两个输出口连通。

进一步地，所述板式换热器的冷却介质通道与冷却塔的散热管连通；流经所述板式换热器的冷却介质通道的冷却介质为乙二醇。

本发明具有的优点和积极效果是：

用二氧化碳作为制冷工质跨(亚)临界制冷，实现人工冰场的制冰，保证全年时段内的制冰需求。

可多个压缩机组合使用，制冰量大，可以实现各种冰面温度和各种冰面大小的制冰需求。

多个压缩机两两串联实现双级压缩制冷，提高了压缩比和制冷效率。

设置保温水箱存储由气体冷却器的冷却液管路输出的热水，70-20℃热水可以分层用于冰场的热水供应、室内供暖、冰场融冰、转轮除湿以及蒸发器防冻排管的防冻水供应等。

可在地埋管蒸发器的输入口设有制冷工质泵，或在气液分离器和地埋管蒸发器输入口间设置制冷工质泵，解决了地埋管蒸发器过热度不足的问题，增大了地埋管蒸发器入口压力以减少气泡，同时保证了地埋管蒸发器中有充足的工质。

地埋管蒸发器的地埋管周围的混凝土掺入入计算好比例的冰球和钢丝，保证凝固温度为0℃且热胀冷缩系数接近钢管，保证了管束和混凝土之间不会由于热胀冷缩而出现空隙，提高了制冷效果。

设置二级冷却系统并采用乙二醇做载冷剂，避免了修建高压二氧化碳冷却塔。

冰面上方可设置有保温卷帘，保证冰面质量，降低能耗。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为地埋管蒸发器的剖视图；

图3为本发明的多个压缩机并联的系统图；

图4为本发明的多个压缩机串联的系统图；

图5为单级压缩机亚临界压缩制冷循环压焓图；

图6为单级压缩机跨临界压缩制冷循环压焓图；

图7为双级压缩机跨境界压缩制冷循环压焓图。

图中：1、冷却塔；2、第二级冷却循环泵；3、板式换热器；4、气体冷却器；5、油分离器；6、第一级冷却循环泵；7、保温水箱；8、干燥过滤器；9、电子膨胀阀；10、低压储液罐；11、温度传感器；12、压缩机；13、气液分离器；14、钢材框架；15、压力传感器；16、地埋管蒸发器；17、制冷工质泵；20、地埋管蒸发器的管路；21、防冻排管；22、冰场、23、防冻混凝土层；24、保温层；25、砂质防冻层；26、地基26；h1、地埋管蒸发器管路距离冰场底部冰面高度；h2、防冻排管距离保温层底部平面高度。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图7，一种二氧化碳制冷工质的人工冰场系统，包括制冷机组以及相应的控制系统，所述制冷机组包括位于冰场下方的地埋管蒸发器16，以及若干个并接在该地埋管蒸发器管路16两端的用于压缩及冷却二氧化碳制冷剂的制冷回路；作为循环制冷剂的二氧化碳工质流经该制冷回路，并在该制冷回路中被压缩及冷却。所述制冷回路，其输入来自所述地埋管蒸发器16的气态二氧化碳制冷剂，其向所述地埋管蒸发器16输送液态或气液混合态的二氧化碳制冷剂。所述地埋管蒸发器16的输出的气态二氧化碳制冷剂的压力较低，经过压缩及冷却后可变成超临界压力的二氧化碳，成为液态或气液混合态二氧化碳输送至地埋管蒸发器16中，在地埋管蒸发器16中气化，从而向上面的冰场输送冷能，二氧化碳制冷剂换热气化后输出至制冷回路中，反复循环，实现循环制冷。地埋管蒸发器16是指流经制冷剂的管路埋于地下的蒸发器。

所述制冷机组包括位于冰场下方的地埋管蒸发器16，以及若干个并接在该地埋管蒸发器16管路两端的制冷回路；所述制冷回路，其输入来自所述地埋管蒸发器16的压力较低的气态二氧化碳制冷剂，其向所述地埋管蒸发器16输送液态或气液混合态的二氧化碳制冷剂。控制系统用于检测制冷机组内部的压力和温度等制冷机组工作运行状况，并根据检测结果和人工指令控制制冷机组的各设备的工作。

二氧化碳制冷剂在所述制冷回路和所述地埋管蒸发器16之间循环。地埋管蒸发器16输出的二氧化碳制冷剂为温度较高且压力较低的气态二氧化碳制冷剂，在所述制冷回路经过压缩和冷却，变成温度较低的液态或气液混合态的二氧化碳制冷剂，然后流回地埋管蒸发器16。

本发明可在夏季环境温度高时采用跨临界循环，可在冬季环境温度低时采用亚临界循环。所述电控系统可包括压力传感器15、温度传感器11、控制器、人机界面等。所述电控系统的控制器接收来自压力传感器15和温度传感器11的检测信号，并根据用户通过人机界面输入设定的冰层温度，自动启停或调节电子膨胀阀9开度以控制制冷效果。

优选地，地埋管蒸发器的管路20可为不锈钢管路或铜管管路，地埋管蒸发器的管路20可设于防冻混凝土层23内；所述防冻混凝土层23内可设有冰球和钢丝。地埋管蒸发器管路距离冰场底部冰面高度h1可为20-40mm，优选30mm。流经二氧化碳制冷工质的地埋管蒸发器的管路20可采用不锈钢管或铜管，地埋管蒸发器的管路20周围浇筑100-200mm厚防冻混凝土层23，优选120mm厚防冻混凝土层23。防冻混凝土层23所用水泥添加防冻剂，来保证防冻性能，且通过填入计算好比例的冰球和钢丝，保证混凝土凝固时为0℃且热胀冷缩系数接近钢管。制冷剂管路两侧焊接有供、回液管。

进一步地，所述地埋管蒸发器16下方可设有保温层24。所述地埋管蒸发器16下方可设置有100mm厚聚苯乙烯发泡层或50mm厚聚氨脂发泡层作为保温层24；所述保温层24下面可水平设置有防冻排管21，15-20℃的水可流经所述防冻排管21。防冻排管距离保温层底部平面高度h2可为200-300mm，优选250mm。可在地基26和保温层24之间设置防冻排管21，使防冻排管21内有15-20℃的温水流动，可避免建筑地基26因冻冰而变形，该15-20℃的水可来自于保温水箱7。所述防冻排管21周围可浇筑有500mm厚砂质防冻层25。

所述地埋管蒸发器16上方冰面可设置有保温卷帘，冰场22使用时收起卷帘，夜间或停用期间拉开卷帘保证冰面质量。

进一步地，每个所述制冷回路中可设有电子膨胀阀9以及若干级依次串联的压缩冷却单元，每级所述压缩冷却单元可包括一个压缩机12以及与之串联的一个气体冷却器4；所述地埋管蒸发器16的输出口可连接有气液分离器13；所述气液分离器13的气体输出口可与首级所述压缩冷却单元中的压缩机12的输入口连通，所述电子膨胀阀9的输入口可与末级所述压缩冷却单元中的气体冷却器4的制冷剂输出口连通；所述电子膨胀阀9的输出口与所述地埋管蒸发器16的输入口连通。上述多个压缩冷却单元也可并联。

进一步地，所述气体冷却器4可包括用于冷却制冷剂的冷却介质管路；所述气体冷却器4的冷却介质管路可与多个串联的立式圆柱型保温水箱7连通形成回路，每个所述保温水箱7的上部和下部均可开有取水口。所述气体冷却器4可为套管式气体冷却器4，内管可为制冷剂通道，外管可为冷却介质管路。圆柱型保温水箱7存储气体冷却器4输出的水冷却介质，并可按温度的高低区别利用。在气体冷却器4热交换后，从气体冷却器4输出的热水经循环泵驱动可暂存在2-3个串联的立式圆柱型保温水箱7内，保温水箱7内的水温因密度而分层。所述保温水箱7的热水根据温度不同而区别利用，高温水可用于冰场22的热水供应、室内供暖、冰场22融冰、转轮除湿等，低温水可用于蒸发器防冻排管21的防冻水供应等。

进一步地，所述气液分离器13可设有液体输出口；所述液体输出口可通过制冷工质泵17与所述地埋管蒸发器16的输入口连通。所述地埋管蒸发器16的输入口可设有制冷工质泵17。可在气液分离器13的液体输出口和地埋管蒸发器16的输入口之间设有制冷工质泵17，用于循环制冷工质；制冷工质泵17将气液分离器13分离出的制冷工质--液态二氧化碳输入至蒸发器中。

进一步地，所述制冷回路中还可设有用于冷却制冷剂的板式换热器3；所述板式换热器3可包括相互换热的冷却介质通道和制冷剂通道；若干个所述板式换热器3的制冷剂通道可依次串联后，可与所述气体冷却器4的制冷剂通道并接。其中，首端所述板式换热器3制冷剂通道的输入口与所述气体冷却器4的制冷剂通道输入口，可分别与一个分流三通阀的两个输出口连通；末端所述板式换热器3制冷剂通道的输出口与所述气体冷却器4的制冷剂通道输出口，可分别与一个合流三通阀的两个输入口连通，也可直接并接连通。

进一步地，所述板式换热器3的冷却介质通道可与冷却塔1的散热管连通；流经所述板式换热器3的冷却介质通道的冷却介质可为乙二醇。

多个所述气体冷却器4的冷却介质管路并联，然后与多个串联的立式圆柱型保温水箱7串联形成的回路可称之为第一级冷却回路，第一级冷却回路中可设有第一级冷却循环泵6；多个所述板式换热器3的冷却介质通道并联，然后与冷却塔1的散热管串联形成的回路可可称之为第二级冷却回路，第二级冷却回路可设有第二级冷却循环泵2。

当系统制冷量需求大时，分流三通阀的两个输出口开启，从压缩机12输出的制冷剂经过三通阀分流，其中一部分进入所述气体冷却器4的制冷剂通道，一部分进入所述板式换热器3制冷剂通道。

制冷剂在所述气体冷却器4的制冷剂通道与来自圆柱型保温水箱7的水冷却介质换热，水冷却介质换热后流回圆柱型保温水箱7。

分流后的制冷剂在板式换热器3内与冷却介质通道内的冷却介质如水、乙二醇等换热，水、乙二醇等冷却介质在第二级冷却循环泵2驱动下进入冷却塔1放热后重新进入板式换热器3。

制冷机组还包括低压储液罐10，制冷回路输出的制冷剂储存在低压储液罐10中，然后从低压储液罐10输送至地埋管蒸发器16；制冷回路中还设有干燥过滤器8，用于过滤和干燥制冷回路中的制冷剂水分，干燥过滤器8通常串接在电子膨胀阀9的输入端。

压缩机12通常设置油分离器5，油分离器5用于将压缩机12排出的制冷剂中的润滑油进行分离,以保证装置安全高效地运行。

上述的气液分离器13、压缩机12、油分离器5、气体冷却器4、干燥过滤器8、电子膨胀阀9等元器件可安装在钢材框架14内，钢材框架14配有盖板。除地埋管蒸发器16、保温水箱7和板式换热器3等可安装在钢材框架14外部。

本发明的工作原理：从制冷回路输入的低压液态或气液混合态制冷剂二氧化碳在地埋管蒸发器16中换热升温，进入气液分离器13进行气液分离，气态二氧化碳从气液分离器13输出进入压缩机12被压缩机12压缩升压，超临界态二氧化碳可从上方进入套管式气体冷却器4的内管，与外管中的冷却水换热后冷却。

当冰场制冷需求不大时，与所述板式换热器3的制冷剂通道连通的分流三通阀的输出口关闭，板式换热器3不工作；当制冷需求大而导致散热需求大时，分流三通阀两个输出口均打开，制冷剂一组进入气体冷却器4的内管与冷却水换热，一组进入板式换热器3与载冷剂乙二醇换热，乙二醇得热后经循环泵驱动进入冷却塔1散热，之后重新返回板式换热器3与制冷剂换热。从气冷器外管的冷却水与内管制冷剂换热后，经循环水泵驱动进入保温水箱7暂存，保温水箱7内冷却水因温度不同而分层，高温水可用于冰场22的热水供应、室内供暖、冰场22融冰、转轮除湿等，低温水可用于蒸发器防冻排管21的防冻水供应等。

从所述气体冷却器4的制冷剂通道输出的制冷剂，及从所述板式换热器3制冷剂通道的输出的制冷剂，这两路输出的制冷剂可经一个合流三通阀汇合后再经由干燥过滤器8过滤，然后输送至电子膨胀阀9。经电子膨胀阀9节流后成为液态或气液混合态的二氧化碳制冷剂输入至低压储液罐10中，然后从低压储液罐10输送至地埋管蒸发器16，完成制冷剂的制冷循环。

本发明的二氧化碳制冷剂可跨临界循环。地埋管蒸发器16输出的气态工质在压缩机中升至超临界压力，然后在气体冷却器4中超临界排热可依靠显热换热而不发生相变，气体冷却器4输出的二氧化碳制冷剂工质仍是超临界状态，其既有气体的性质又有液体的性质，没有明显的分界，之后超临界状态的二氧化碳制冷剂通过节流阀减压，部分发生液化，根据工况，二氧化碳制冷剂工质可能直接转换到液体，也可能被降至两相区称为气液两相工质，之后再进入地埋管蒸发器16中依靠潜热换热变为气态，未气化制冷剂在气液分离器中被分离经工质泵重新进入蒸发器。

关于压缩机的组合，是说四个并联或者两个双级压缩对本机组都是可行的，是本专利可以有这两种压缩机组合方式。四个并联主要是为了扩大流量(制冷量)，双级压缩则是很常见的技术，目的在于当压缩比太大单个压缩机的效率会很低，而采用双级压缩中间冷却可以降低单个压缩机的排气温度，同时减少耗功量而节能效果好。这两种并没有对比的关系，就是说系统这两种方式都可以用。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。