一种二氧化碳亚临界制冷系统及其控制方法与流程

本发明涉及二氧化碳制冷技术领域，具体涉及一种二氧化碳亚临界制冷系统及其控制方法。

背景技术：

二氧化碳作为一种纯天然冷媒，因其优秀的热力学特性和低gwp(全球变暖潜能值)特性，在能效、环保等方面具备突出优势，逐渐成为一种主流制冷剂而得到广泛的应用。但二氧化碳的临界点温度较低，超过31℃即达到跨临界状态而导致压力不可控，要实现高效安全经济地利用二氧化碳制冷的目的，一般是采用复叠技术，构建复叠式二氧化碳制冷系统，将二氧化碳控制在亚临界状态进行制冷循环。

复叠式二氧化碳制冷系统通常包含二氧化碳制冷模块和二氧化碳冷凝模块，二氧化碳在二氧化碳制冷模块中通过蒸发器与环境换热制冷，换热后的二氧化碳升温蒸发，为了防止二氧化碳进入跨临界状态，需要通过二氧化碳冷凝模块及时对二氧化碳进行降温冷凝。二氧化碳冷凝模块通常由压缩机组、冷凝器、节流阀、冷凝蒸发换热器等部件组成，二氧化碳冷凝模块中流动有制冷介质，在压缩机组的动力作用下，持续向冷凝蒸发换热器中输入低温的制冷介质。而换热后升温的二氧化碳也会进入冷凝蒸发换热器中，制冷介质与二氧化碳在冷凝蒸发换热器中换热，使二氧化碳降温冷凝，保持亚临界状态。

上述的复叠式二氧化碳制冷系统，只依靠二氧化碳冷凝模块对二氧化碳进行冷凝，二氧化碳冷凝模块内的部件，如压缩机组需持续长时间运转，一方面其运行能耗较高，另一方面会缩短部件的使用寿命，进而影响整套二氧化碳制冷系统的寿命。而在我国广大的北方，秋冬季气温普遍较低，具备自然冷凝二氧化碳的环境条件，因而，如何通过外界自然冷源与二氧化碳换热，使二氧化碳降温冷凝，以降低二氧化碳冷凝模块的运行负荷，是一个切实可行且具有实用价值的研究方向。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的之一在于提供一种二氧化碳亚临界制冷系统，目的之二在于提供一种上述制冷系统的控制方法。本发明在室外温度较低时可通过外界自然冷源冷凝二氧化碳，可减少制冷介质回路的运行时间，大幅减小运行能耗，延长部件使用寿命，具有安全、低能耗、应用广泛的优点。

本发明所述的一种二氧化碳亚临界制冷系统，包括用于通过二氧化碳制冷的二氧化碳制冷模块、以及用于冷凝二氧化碳的二氧化碳冷凝模块；所述二氧化碳冷凝模块包括三通阀、自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路；

所述二氧化碳制冷模块的出气端连通所述三通阀的第一端口，所述三通阀的第二端口连通所述自然冷凝回路，所述自然冷凝回路连通所述二氧化碳制冷模块的回液端；所述自然冷凝回路包括设置在室外的二氧化碳冷凝器，所述二氧化碳冷凝器通过外界自然冷源冷凝二氧化碳；

所述三通阀的第三端口连通所述制冷介质冷凝回路，所述制冷介质冷凝回路连通所述二氧化碳制冷模块的回液端，所述制冷介质冷凝回路通过制冷介质冷凝二氧化碳。

优选地，所述二氧化碳制冷模块包括二氧化碳压缩机组、二氧化碳储液器、二氧化碳节流阀和二氧化碳蒸发器；

所述二氧化碳压缩机组的出口连通所述三通阀的第一端口，所述二氧化碳储液器的入口为所述二氧化碳制冷模块的回液端；所述二氧化碳储液器的出口通过所述二氧化碳节流阀连通所述二氧化碳蒸发器的入口，所述二氧化碳蒸发器的出口连通所述二氧化碳压缩机组的入口。

优选地，所述二氧化碳储液器通过一供液管与所述三通阀的第一端口相连通，在所述供液管上设有单向阀，所述单向阀的流向朝向所述三通阀的第一端口。

优选地，所述制冷介质冷凝回路包括制冷介质压缩机组、制冷介质冷凝器、制冷介质储液器、制冷介质节流阀和冷凝蒸发换热器；

所述冷凝蒸发换热器包括相互换热的二氧化碳通道和制冷介质通道；所述二氧化碳通道一端连通所述三通阀的第三端口，另一端连通所述二氧化碳制冷模块的回液端；所述制冷介质压缩机组、所述制冷介质冷凝器、所述制冷介质储液器、所述制冷介质节流阀和所述制冷介质通道依次首尾连通形成制冷介质流动循环。

优选地，所述二氧化碳亚临界制冷系统还包括温度传感器，所述温度传感器设置在室外，用于感应室外环境温度。

优选地，所述三通阀为电动三通阀。

优选地，所述二氧化碳亚临界制冷系统还包括控制器，所述温度传感器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接，所述控制器的信号输出端与所述三通阀的信号输入端电连接。

一种应用于如上所述的二氧化碳亚临界制冷系统的控制方法，具体为二氧化碳制冷模块通过三通阀分别与自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路相连通；

当室外温度高于预设的阈值温度时，二氧化碳制冷模块与制冷介质冷凝回路相连通，二氧化碳在制冷介质冷凝回路中通过制冷介质冷凝；

当室外温度等于或低于预设的阈值温度时，二氧化碳制冷模块与自然冷凝回路相连通，二氧化碳在自然冷凝回路中通过外界自然冷源冷凝。

优选地，所述制冷介质为r507制冷剂。

本发明所述的一种二氧化碳亚临界制冷系统及其控制方法，其优点在于，本发明通过设置三通阀、自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路，可根据室外环境温度切换三通阀的开闭。当环境温度较高时，三通阀的第二端口关闭，第三端口开启，换热升温后的二氧化碳进入制冷介质冷凝回路中，通过制冷介质进行冷凝，使二氧化碳可以保持亚临界状态循环流动。当环境温度较低时，三通阀进行切换，第二端口开启，第三端口关闭，换热升温后的二氧化碳进入自然冷凝回路中，具体是进入设置在室外的二氧化碳冷凝器中，与室外的外界自然冷源(主要是室外的低温空气)进行换热，二氧化碳换热后降温冷凝，保持亚临界状态循环流动。

本发明通过设置自然冷凝回路和三通阀，可根据室外环境温度对三通阀进行切换，使二氧化碳进入不同的回路中进行冷凝。可使二氧化碳保持在亚临界状态，实现安全利用二氧化碳制冷的目的。在环境温度可满足冷凝条件时，将二氧化碳引入室外的二氧化碳冷凝器中，通过外界自然冷源使二氧化碳降温冷凝，将二氧化碳的热量直接排出室外，可以大幅减小制冷介质冷凝回路中制冷介质压缩机组等部件的运行时间，可减小制冷系统的整体运行能耗，也能有效减小制冷介质冷凝回路的运行负荷，延长制冷系统整体的使用寿命。

并且通过控制三通阀的切换就可以控制自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路的开闭，结构简单、成本低且控制方便，实用性良好。

另外，本发明的制冷系统可充分发挥二氧化碳低温制冷高效率的优势，可实现低至-45℃的低温制冷，满足更广泛的应用需求。基于二氧化碳低粘度、高容积制冷量的特点，制冷系统具有体积小、传输距离远和传输损耗小的优点。

附图说明

图1是本发明所述一种二氧化碳亚临界制冷系统的结构示意图。

附图标记说明：1-二氧化碳压缩机组，2-三通阀，3-二氧化碳冷凝器，4-二氧化碳储液器，5-二氧化碳节流阀，6-二氧化碳蒸发器，7-制冷介质压缩机组，8-制冷介质冷凝器，9-制冷介质储液器，10-制冷介质节流阀，11-冷凝蒸发换热器。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种二氧化碳亚临界制冷系统(以下简称制冷系统)，包括以二氧化碳作为冷媒的二氧化碳制冷模块，还包括用于冷凝换热后升温的二氧化碳的二氧化碳冷凝模块。二氧化碳冷凝模块具体包括三通阀2、自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路。

二氧化碳制冷模块的出气端连通三通阀2的第一端口，二氧化碳制冷模块中，换热后升温的二氧化碳蒸气从出气端流入三通阀2内。三通阀2的第二端口连通自然冷凝回路，自然冷凝回路连通二氧化碳制冷模块的回液端。自然冷凝回路包括设置在室外的二氧化碳冷凝器3，二氧化碳冷凝器3通过外界自然冷源(主要是室外的低温空气)冷凝二氧化碳。

当三通阀2的第二端口开启时，高温的二氧化碳蒸气从三通阀2的第二端口流入自然冷凝回路中，然后进入二氧化碳冷凝器3中。二氧化碳冷凝器3具体可选用翅片式冷凝器，翅片冷凝器通常包含蛇形的导热管，高温的二氧化碳蒸气在导热管内流动，与室外的低温空气通过导热管的管壁进行换热。二氧化碳蒸气在流动过程中，热量逐渐通过导热管的管壁散发到室外的空气中，自身降温并逐渐冷凝，当二氧化碳流出导热管时，已通过与室外低温空气换热降温冷凝变回低温的二氧化碳液体。低温的二氧化碳液体回流到二氧化碳制冷模块的回液端，进入二氧化碳制冷模块内循环使用。

另外，为了提高二氧化碳冷凝器3的换热效率，也可在二氧化碳冷凝器3的导热管附近设置高速风机，并使高速风机的出风口朝向导热管，这样可以加快导热管外的空气流速，提高二氧化碳冷凝速率。上述的自然冷凝回路，通过室外的低温空气这样的外界自然冷源来冷凝二氧化碳，无需运行压缩机组等部件，充分利用环境温度，具有节能环保的优势。

三通阀2的第三端口连通制冷介质冷凝回路。制冷介质冷凝回路连通二氧化碳制冷模块的回液端，制冷介质冷凝回路通过制冷介质冷凝二氧化碳。制冷介质冷凝回路内流动有制冷介质(通常为制冷剂)，换热后升温的二氧化碳蒸气流入制冷介质冷凝回路中，与低温的制冷介质换热，使二氧化碳蒸气降温冷凝为低温的液态二氧化碳，并通过二氧化碳制冷模块的回液端回流到二氧化碳制冷模块中循环使用。而低温的制冷介质在与二氧化碳蒸气换热后，会吸收二氧化碳的热量而蒸发为制冷介质蒸气，制冷介质蒸气会通过制冷介质冷凝回路中的各个部件进行压缩、冷凝和节流等步骤，使其重新变为低温的液态制冷介质，以循环流动使用。

本发明的二氧化碳冷凝模块，包括择一导通的自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路，二氧化碳制冷模块通过三通阀2分别与自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路相连通，可通过三通阀2的开闭控制二氧化碳制冷模块与自然冷凝回路或是与制冷介质冷凝回路连通，以控制二氧化碳制冷模块中的二氧化碳进入自然冷凝回路中或是进入制冷介质冷凝回路中。

具体可根据环境温度切换三通阀2的开闭。当环境温度较高时，三通阀2的第二端口关闭，第三端口开启，换热升温后的二氧化碳进入制冷介质冷凝回路中，通过制冷介质进行冷凝，使二氧化碳可以保持亚临界状态循环流动。当环境温度较低时，三通阀2进行切换，第二端口开启，第三端口关闭，换热升温后的二氧化碳进入自然冷凝回路中，具体是进入设置在室外的二氧化碳冷凝器3中，与室外的外界自然冷源(主要是室外的低温空气)进行换热，二氧化碳换热后降温冷凝，保持亚临界状态循环流动。

本发明通过设置自然冷凝回路和三通阀2，可根据环境温度对三通阀2进行切换，使二氧化碳进入不同的回路中进行冷凝。可使二氧化碳保持在亚临界状态，实现安全利用二氧化碳制冷的目的。在环境温度可满足冷凝条件时，将二氧化碳引入室外的二氧化碳冷凝器3中，通过外界自然冷源使二氧化碳降温冷凝，将二氧化碳的热量直接排出室外，可以大幅减小制冷介质冷凝回路中制冷介质压缩机组7等部件的运行时间，可减小制冷系统的整体运行能耗，也能有效减小制冷介质冷凝回路的运行负荷，延长制冷系统整体的使用寿命。

并且通过控制三通阀2的切换就可以控制自然冷凝回路和制冷介质冷凝回路的开闭，结构简单、成本低且控制方便，实用性良好。

另外，本发明的制冷系统可充分发挥二氧化碳低温制冷高效率的优势，可实现低至-45℃的低温制冷，满足更广泛的应用需求。基于二氧化碳低粘度、高容积制冷量的特点，制冷系统具有体积小、传输距离远和传输损耗小的优点。

二氧化碳制冷模块具体包括二氧化碳压缩机组1、二氧化碳储液器4、二氧化碳节流阀5和二氧化碳蒸发器6；

二氧化碳压缩机组1的出口连通三通阀2的第一端口，二氧化碳储液器4的入口为二氧化碳制冷模块的回液端；二氧化碳储液器4的出口通过二氧化碳节流阀5连通二氧化碳蒸发器6的入口，二氧化碳蒸发器6的出口连通二氧化碳压缩机组1的入口。

上述的二氧化碳制冷模块的运行流程如下所述，二氧化碳在二氧化碳压缩机组1中压缩为高温高压气体，高温高压气体经过二氧化碳冷凝模块进行冷凝，压力和温度降低冷凝成液态回流到二氧化碳储液器4中。然后从二氧化碳储液器4的出口流出，通过二氧化碳节流阀5进一步节流降压，变为低温低压态，然后进入二氧化碳蒸发器6中，在二氧化碳蒸发器6中吸收热量，降低室内环境的温度，实现制冷。但二氧化碳自身会升温蒸发变为二氧化碳蒸气，然后进入二氧化碳压缩机组1中进行压缩，并重复上述循环。上述的二氧化碳制冷模块的结构，制冷效果好，换热效率高，结构合理。

二氧化碳储液器4通过一供液管与三通阀2的第一端口相连通，在供液管上设有单向阀，单向阀的流向朝向三通阀2的第一端口。二氧化碳储液器4可通过供液管直接向二氧化碳冷凝模块供液进行冷凝，可保证二氧化碳的充分冷凝，进而保证二氧化碳在运行过程中处于亚临界状态，使制冷系统具有更高的安全性。单向阀可防止二氧化碳发生逆流。

制冷介质冷凝回路具体包括制冷介质压缩机组7、制冷介质冷凝器8、制冷介质储液器9、制冷介质节流阀10和冷凝蒸发换热器11；冷凝蒸发换热器11包括相互换热的二氧化碳通道和制冷介质通道；二氧化碳通道一端连通三通阀2的第三端口，另一端连通二氧化碳制冷模块的回液端；制冷介质压缩机组7、制冷介质冷凝器8、制冷介质储液器9、制冷介质节流阀10和制冷介质通道依次首尾连通形成制冷介质流动循环。

当三通阀2的第三端口开启时，二氧化碳压缩机组1输出的二氧化碳气体会通过三通阀2进入冷凝蒸发换热器11的二氧化碳通道中。另一方面，在制冷介质压缩机组7的作用下，低温的制冷介质会在制冷介质通道中流动。二氧化碳气体和制冷介质在冷凝蒸发换热器11中进行换热，二氧化碳气体散热降温，冷凝成液态的二氧化碳，液态的二氧化碳会回流到二氧化碳制冷模块的回液端。而制冷介质在与二氧化碳换热后，会吸热蒸发，变为制冷介质蒸气，制冷介质蒸气在制冷介质压缩机组7中压缩，然后在制冷介质冷凝器8中冷凝成液态的制冷介质，并回流到制冷介质储液器9中。制冷介质冷凝器8具体可选用风冷冷凝器，制冷介质冷凝时散出的热量可通过气流送出室外。液态的制冷介质从制冷介质储液器9中流出，经过制冷介质节流阀10的节流降压作用，变为低温低压态，重新进入制冷介质通道中进行换热，循环流动。上述的制冷介质冷凝回路的结构，可通过制冷介质有效地冷凝二氧化碳，且运行稳定，换热效率高。

本实施例中，在室外还设置了温度传感器，通过温度传感器实时感应室外的温度，并根据室外的温度控制三通阀2的切换。因为如果室外的温度未达到二氧化碳冷凝所需的温度就使二氧化碳进入自然冷凝回路进行冷凝的话，就会使二氧化碳的冷凝不够充分，使二氧化碳有可能脱离亚临界状态，这不利于制冷系统的安全运行。而如果在室外温度已经达到了二氧化碳冷凝所需的温度时，仍然使二氧化碳进入制冷介质冷凝回路进行冷凝的话，就会造成制冷介质冷凝回路的不必要运行，造成浪费。所以室外温度是控制三通阀2切换的关键参数，通过在室外设置温度传感器，就可以实时准确的掌握室外的温度，以便操作者根据室外温度控制三通阀2进行切换。

本实施例中，为了使三通阀2的切换更加智能，三通阀2选用可被控制信号控制的电动三通阀，并且设置了控制器。控制器具体可选用工业控制常用的单片机、mcu或plc等控制元件。将温度传感器的信号输出端连接到控制器的信号输入端，将控制器的信号输出端连接到三通阀2的信号输入端。温度传感器实时感应室外的温度，并将感应结果转化为可被控制器所识别的电信号，发送到控制器处。控制器内预设有一阈值温度，该阈值温度在控制器中也以电信号的方式表示。温度传感器实时感应室外的温度，并转化为电信号发送到控制器处，控制器接收该电信号，并将该电信号与阈值温度所对应的电信号进行比对，根据比对结果判断室外温度是否到达阈值温度。当室外温度高于阈值温度时，控制器发出控制信号，控制电动三通阀的第三端口持续导通，而第二端口关闭。当室外温度到达阈值温度时，控制器发出控制信号，控制电动三通阀的第三端口关闭，第二端口开启。另外，该控制器也可与制冷介质冷凝回路中的制冷介质压缩机组7电连接，以根据室外温度控制制冷介质压缩机组7的启停。比如，当第三端口关闭时，同步控制制冷介质压缩机组7停止运行。当第三端口开启时，同步控制制冷介质压缩机组7开始运行。

上述的控制器，使制冷系统可根据室外温度自动切换三通阀2的开闭，进而控制二氧化碳通过自然冷凝回路或是制冷介质冷凝回路进行冷凝。使得制冷系统的控制更为精确也更为方便、自动化程度更高。

本实施例还提供了一种上述制冷系统的控制方法，具体为当室外温度高于预设的阈值温度时，二氧化碳制冷模块与制冷介质冷凝回路相连通，二氧化碳在制冷介质冷凝回路中通过制冷介质冷凝；

当室外温度等于或低于预设的阈值温度时，二氧化碳制冷模块与自然冷凝回路相连通，二氧化碳在自然冷凝回路中通过外界自然冷源冷凝。

其中，制冷介质选用r507制冷剂。r507制冷剂的odp值(臭氧衰减指数)为零，不含任何破坏臭氧层的物质，具有优异的传热性能和低毒性，适合作用本实施例中二氧化碳的制冷剂。

下面将结合本实施例所述的制冷系统及其控制方法，以一应用实例详细的说明本实施例的完整流程。

以冷藏库的应用为例，该冷藏库采用了本实施例的制冷系统。在安装时，将二氧化碳蒸发器6安装于冷藏库内的顶板上，将其他部件以上文所述的连通关系依次连通，并将二氧化碳冷凝器3设置在冷藏库外部的墙壁上。在二氧化碳蒸发器6的上方可以设置向二氧化碳蒸发器6鼓送气流的轴流风机，在二氧化碳冷凝器3的上方也可以设置朝向二氧化碳冷凝器3的轴流风机。

秋冬季运行工况下，室外温度较低。当温度传感器感应到室外温度等于或低于预设的阈值温度时，控制器控制三通阀2自动切换，第二端口打开，第三端口关闭，制冷介质压缩机组7停止运行。二氧化碳经过二氧化碳压缩机组1压缩成为高温高压气体，高温高压气体经过三通阀2的第一端口和第二端口，进入自然冷凝回路的二氧化碳冷凝器3中。在二氧化碳冷凝器3中与外界自然冷源进行换热，散热降温后冷凝成为液态二氧化碳，回流到二氧化碳储液器4中。然后从二氧化碳储液器4的出口流出，经过二氧化碳节流阀5中节流降压，成为低温低压态。然后流入到位于冷藏库内的二氧化碳蒸发器6中，与冷藏库内的空气进行换热，使空气降温形成冷气，并在轴流风机的鼓送下均匀的流动到冷藏库内的各个位置，降低冷藏库内的温度，实现制冷。而二氧化碳在与空气换热后，自身吸热蒸发变为二氧化碳蒸气，二氧化碳蒸气回流到二氧化碳压缩机组1中，由二氧化碳压缩机组1进行压缩，并重复上述循环。在此循环过程中，二氧化碳始终处于亚临界状态。

春夏季运行工况下，室外温度回升，外界自然冷源无法提供有效的冷凝效果。此时，温度传感器感应到室外温度高于预设的阈值温度。控制器控制三通阀2自动切换，三通阀2的第二端口关闭，第三端口开启，同时制冷介质压缩机组7启动。二氧化碳经过二氧化碳压缩机组1压缩成为高温高压气体，高温高压气体依次经过三通阀2的第一端口和第三端口，进入冷凝蒸发换热器11的二氧化碳通道内。二氧化碳在二氧化碳通道内，与制冷介质通道内的制冷介质换热，二氧化碳降温降压冷凝成液态，回流到二氧化碳储液器4中。然后从二氧化碳储液器4的出口流出，经过二氧化碳节流阀5中节流降压，成为低温低压态。然后流入到位于冷藏库内的二氧化碳蒸发器6中，与冷藏库内的空气进行换热，实现制冷。换热后的二氧化碳蒸发变为蒸气，由二氧化碳压缩机组1进行压缩，并重复上述循环。在此循环过程中，二氧化碳始终处于亚临界状态。

本实施例所述的制冷系统及其控制方法，通过设置自然冷凝回路和三通阀2，可利用外界自然冷源冷凝二氧化碳，可有效降低系统运行能耗，减轻制冷介质冷凝回路运行负荷，实现安全、低能耗的应用二氧化碳制冷的目的。另外，除了上述的冷藏库，本实施例所述的制冷系统及其控制方法也可应用于低温加工、速冻加工、商超冷链系统等多种环境，具有广泛的适用性。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括在“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90°或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。