基于R744的两级压缩式加液系统及加液方法与流程

基于r744的两级压缩式加液系统及加液方法
技术领域
1.本发明属于r744制冷技术领域，具体涉及一种基于r744的两级压缩式加液系统及加液方法。


背景技术：

2.r744是二氧化碳，其无色、无臭、无毒、不可燃、不爆炸，热力性质极佳，是工业领域仅次于水和空气的环保物质。相同的应用工况时，相比于常规的制冷剂，r744具有最高的运行压力。如汽车空调压缩机系统，如果使用制冷剂r134a，常用的工况是-1℃蒸发，63℃冷凝，对应的蒸发压力为2.82bar，冷凝压力为18.04bar；如果使用制冷剂r410a，常用的工况是-1℃蒸发，63℃冷凝，对应的蒸发压力为7.73bar，冷凝压力为40.94bar。同样在常用的工况下，制冷剂r744则是-1℃蒸发，63℃冷凝时，蒸发压力为33.9bar，冷凝压力超过了120bar。
3.可见，应用于r744的充注设备，对所有部件和管路的耐压要求很高；尤其是传统的充注设备中，需多个储罐来分装和储存r744，各储罐均需承受极高的工作压力，直接连通各储罐的充注管段也始终承受着极高的工作压力，并且随着被充注设备的位置变动，充注管段还需要走更长的距离，导致高压气体管路很长，投入成本很高。同时，由于这些充注管段和上面的部件会难免经过场所中一些环境温度较高的空间，这时管内的r744会被动加热，导致压力进一步升高。例如某厂区摆放的r744充注设备，充注管段经过了一个运行的空气压缩机旁边，空气压缩机局部的缸体温度可能会达到100℃，此时充注管段被加热的话，原本就高压的充注管段内的压力将会进一步提升，甚至升至150bar左右，导致充注管段容易出现开裂甚至爆炸的风险，亟待解决。


技术实现要素：

4.本发明的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于r744的两级压缩式加液系统，其通过两级压缩与多级冷却耦合的方式来在线加压液化r744，并依靠人为划分高压气相区和高压液相区来缩减高压气体管路，可大大降低投入成本，使用和维护的风险更得到显著降低。本发明的另一个目的在于提供一种基于r744的两级压缩式加液系统的加液方法，从而进一步保证操作流程的简洁性和高效性。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.一种基于r744的两级压缩式加液系统，其特征在于：包括储液罐，储液罐进口端连通加压管段，储液罐出口端连通充注管段，充注管段的出口连通需充注设备，其中：
7.加压管段包括沿气体流向依序布置的储气罐、第一开关阀v1、冷却器、第一压缩机、第一气冷器、缓冲罐、第二压缩机、第二气冷器及第二开关阀v2；
8.充注管段包括沿液体流向依序布置的第三开关阀v3、第四开关阀v4、流量泵、流量调节阀lv、流量计l1及第六开关阀v6；所述充注管段还包括设有第五开关阀v5的旁支管路，第四开关阀v4和流量泵共同与该旁支管路组合构成并联管道；在流量计l1和第六开关阀v6
之间的一段充注管段上设置起到压力及温度测量功能的温压测点；
9.该加液系统还包括带有第七开关阀v7的返回管段，所述返回管段的进口连通于第六开关阀v6的进口处，返回管段的出口连通储液罐。
10.优选的，该加液系统还包括带有真空泵的抽空管段，所述抽空管段的两端分别布置第八开关阀v8和第九开关阀v9，第八开关阀v8所在端连通于第六开关阀v6出口处，第九开关阀v9所在端连通于第三开关阀v3和第四开关阀v4之间的一段充注管段上。
11.优选的，该加液系统还包括换热器，换热器位于并联管道与流量调节阀lv之间的一段充注管段上；换热器、冷却器、第一气冷器及第二气冷器均通过冷却水管道连通恒温水箱；各冷却水管道上均相应设置水泵，冷却器、第一气冷器及第二气冷器所在的冷却水管道上还相应设置有第十一开关阀v11、第十二开关阀v12和第十三开关阀v13，换热器所在的冷却水管道上设置有水温调节器。
12.优选的，该加液系统还包括冷却机组，冷却机组通过压力泵及第十开关阀v10连通储液罐的换热盘管。
13.优选的，储液罐处设置液位计、安全阀及用于视频监控罐内液体的摄像头。
14.优选的，所述流量泵为柱塞泵。
15.优选的，所述返回管段上还设置有单向阀cv。
16.优选的，一种应用所述的基于r744的两级压缩式加液系统的加液方法，其特征在于包括以下步骤：
17.1)、加压过程
18.开启加压管段，储气罐中的气态r744首先经第一开关阀v1和冷却器后进入第一压缩机内进行增压，第一压缩机将r744增压至中间压力；之后，r744再进入第一气冷器冷却，冷却后的r744进入缓冲罐，再进入第二压缩机，再经第二压缩机出口的第二气冷器冷却后，r744继续经由第二开关阀v2进入储液罐，完成加压过程；
19.2)、抽真空过程：
20.将需充注设备连接至第六开关阀v6出口处，打开第八开关阀v8和真空泵，通过抽空管段对需充注设备进行抽真空，达到设定真空要求后，关闭第八开关阀v8和真空泵，打开第六开关阀v6，完成抽真空过程；该过程与加压过程同步或先后进行；
21.3)、充注过程
22.a)开启充注管段，液态744依序经由第三开关阀v3、第四开关阀v4、流量泵、换热器后到达流量调节阀处，流量调节阀lv调节r744的流量，然后经流量计l1获得流量数值，再经过温压测点获得最终的温度值及压力值后，经由第六开关阀v6进入需充注设备，完成充注过程；
23.b)当温压测点处获得的最终的温度值及压力值不满足需充注设备的要求时，关闭第六开关阀v6，开启第七开关阀v7，液态744从返回管段返回储液罐，直至温压测点测得的最终的温度值及压力值满足需充注设备对r744的温度及压力的要求，此时关闭第七开关阀v7，重新开启第六开关阀v6，随后进入下一步骤；
24.c)当温压测点测得的最终的压力值满足需充注设备对r744的温度及压力的要求时，关闭第四开关阀v4，打开第五开关阀v5，之后进行步骤a)。
25.本发明的有益效果在于：
26.1)、本发明提供了安全可靠的r744加液系统和加液方法，通过两级压缩与多级冷却耦合，解决了r744在环境温度高时，储液罐和整个系统压力过高的难题。
27.2)、在加压管段处，本发明通过采用双级压缩方式，每台压缩机的运行工作条件较好，压比均不高。整个系统噪音更低，综合寿命和稳定性更好。低压级对吸气的状态要求比较宽泛，对回油设备的要求较低，降低了部分油路设备的成本。同时，双级压缩方式配合后段处的流量泵的组合构造，使得流量泵的功率能够更低，极端工况少，极端流量更小，初投资成本、维护成本都能得到显著降低。同时，本发明通过两级压缩与多级冷却耦合的方式来在线加压液化r744，并依靠人为划分高压气相区和高压液相区来缩减高压气体管路，高压气体管路的口径通常是高压液体管路的数倍，所以缩减高压气体管路可大大降低管路、施工、维护的综合成本，使用和维护的风险更得到显著降低。
28.3)、实际上，如果需充注设备需要充注的制冷剂r744压力温度范围要求超过四倍，且设备使用环境对噪声比较敏感，要求油路的保养维护频率较低，则推荐选择本发明所述的的上述技术方案。由本发明的上述方案，每台压缩机的工作条件较好，对回油设备的要求低，投入成本低；本发明设备能给需充注设备带来更宽泛的温度压力适用范围，成效显著。
附图说明
29.图1为本发明的管路布置图。
30.本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
31.a-需充注设备；
32.10-储液罐；11-换热盘管；12-液位计；13-安全阀；14-摄像头；
33.20-加压管段；21-储气罐；22-冷却器；23-第一压缩机；
34.24-第一气冷器；25-缓冲罐；26-第二压缩机；27-第二气冷器；
35.30-充注管段；31-流量泵；32-换热器；40-返回管段；
36.50-抽空管段；51-真空泵；60-恒温水箱；61-水温调节器；
37.70-冷却机组；71-压力泵
具体实施方式
38.为便于理解，此处结合图1，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
39.本发明的具体管路布局如图1所示，实际工作时，储气罐21中的气态r744首先经第一开关阀v1和冷却器22的管路进入第一压缩机23进行增压，第一压缩机23将r744气体从10bar，20℃增压至40bar，90℃，达到中间压力。之后r744再进入第一气冷器24冷却，冷却后的制冷剂进入缓冲罐25，再进入第二压缩机26。第二压缩机26出口的第二气冷器冷却制冷剂r744后，制冷剂继续进入第二开关阀v2和储液罐10。储液罐10出口连接第三开关阀v3，再之后连接第四开关阀v4和作为流量泵31的柱塞泵，第五开关阀v5并联于柱塞泵。制冷剂继续进入换热器32，经过流量调节阀lv调节制冷剂r744的流量，然后经过流量计l1测量具体流量数值。再经过温压测点后，经过用于开关控制流量的第六开关阀v6，随后进入需充注设备a，完成充注流程。
40.上述流程中，第四开关阀v4和第五开关阀v5用于选择旁通不使用流量泵31或是使用流量泵31；即流量泵31作为两级压缩机的补充，微调设备进口处的压力，用于设备进口压
力波动范围较大时的工况。
41.辅助的水路设备如下：配置了恒温水箱60，用于将内部的水调节至需要的温度。恒温水箱60配置有热源电加热和冷源冷却机组。同时分别配置的管路有：为冷却器22配置的冷却水管路和第十一开关阀v11。为第一气冷器24配置的冷却水管路和第十二开关阀v12。为第二气冷器27配置的冷却水管路和第十三开关阀v13。为换热器32配置的冷却水管路和水温调节器61。由于对储液罐10内的r744控制比较严格，所以单独为它配置了冷却机组70和相应的压力泵71及第十开关阀v10。此外，储液罐10是系统中压力最高的液相工质存储部件，所以配置了液位计12、安全阀13及用于视频监控罐内液体的摄像头14、压力测点，同时储液罐10还配套了换热盘管11等。
42.其他功能管路配置如下：
43.返回管段40：温压测点和需充注设备a之间设置了一条返回管段40。由于储液罐10到需充注设备a的距离非常远，并且需充注设备a对充注制冷剂的状态要求很高，所以如果r744的温度压力在即将进入设备时，可能由于某种原因而导致温度压力不满足要求，此时返回管段40就能发挥作用。具体为：r744经过第七开关阀v7、单向阀cv后返回储液罐10，重新被储液罐10调节合适的温度和被柱塞泵调节合适的压力，直至温压测点测得的状态点满足需充注设备a对r744的温度及压力的要求；这时，关闭第七开关阀v7，随后正常使用前述的流程管路。
44.抽空管段50：抽空管段50设置了真空泵51、配合真空泵51将柱塞泵的泵进口管路抽至真空的第九开关阀v9和配合真空泵51将柱塞泵的泵出口管路抽至真空的第八开关阀v8。
45.抽空过程置于加压过程之前，此时，连接需充注设备a，打开第八开关阀v8和真空泵51，对需充注设备a进行抽空。抽至设备要求的真空度后，关闭第八开关阀v8和真空泵51。
46.各部位的进一步功能：
47.经过第一气冷器24冷却后的气态r744，才能继续进入缓冲罐25和第二压缩机26被压缩，因此，第一气冷器24的作用是确保进入第二压缩机26的气体过热降低至合理范围，也即是确保第二压缩机26的排气温度在安全合理的范围内。
48.缓冲罐25用于弥补第一压缩机23和第二压缩机26之间的流量差，能确保两台压缩机安全稳定运行；有了缓冲罐25对两台压缩机的循环量缓冲和粗调节作用，本发明的整个加液系统r744的流量也会更为稳定可调，波动很小；压缩机运行时功率更低，噪音更低，综合寿命和稳定性更好。
49.经过两级压缩机的压缩，此处的制冷剂r744排气温度最高可达到150℃；直接进入需要精确调节温度的储液罐10内，会导致储液罐10内出现大温差的换热，导致储液罐10内部液体温度变动剧烈。第二气冷器27用于粗略调节控制第二压缩机26的出口排气温度，以避免上述情况出现。
50.储液罐10处设置了换热盘管11，并且储液罐10内有充足的容积；通过对两级压缩机和柱塞泵的工况分析，储液罐10的容积一般是需充注设备a供液量的6-8倍左右。大容量再加上给换热盘管11配置的水温调节回路，这些条件能够使储液罐10内的制冷剂r744能够精确调节控制温度，并且r744存量和温度、压力非常稳定，能抵御系统流量的各种变化，工作稳定性能得到进一步提升。
51.一般来说需充注设备a距离储液罐10较远，可能有几百至几千米。所以从第三开关阀v3出来的r744虽然压力温度已经很稳定，并且接近于需充注设备a要求的温度压力状态。但前述的几百至几千米传输时，可能充注管段30会经过有害的热源、冷源及大阻力的管路等，造成到达需充注设备a时，温度压力逐步提升并偏离目标值。因此，充注管段30的柱塞泵可放置于靠近需充注设备a的地方，接收温压测点反馈的压力信号来精确二次调节制冷剂的压力状态。同样的，充注管段30上的换热器32也放置于靠近需充注设备a的地方，接收温压测点反馈的温度信号来精确二次调节制冷剂的温度状态。距离近也能让调节更迅速，没有参数的迟滞，使得充注入设备的制冷剂状态更精确。第六开关阀v6直接布置在需充注设备a入口处，必要时可直接切断管路。同时，即使遇到有害的热源，换热器32也能确保相对高压的充注管段30的恒温效果，配合温压测点等，可确保避免出现意外增压问题。
52.换热器32出口处流量调节阀lv能够控制液态r744的流量参数。
53.恒温水箱60为各个冷却和换热设备提供冷却水，通过控制热源电加热和冷源冷水机组实现对恒温水箱60的温度精确调节，然后通过调节换热器32、冷却器22、第一气冷器24、第二气冷器27的换热量，实现对制冷剂侧温度状态的精确控制。更具体而言，水温调节器61通过控制换热器32，可实现对即将进入需充注设备a的制冷剂的温度调节功能；由于温度越高，制冷剂流动性越好，所以此处适宜将制冷剂加热至需要温度，然后更好的流动性进入需充注设备a。
54.当从储液罐10出来的液体经过前述的很长的管路后，压力仍然满足设备要求且无需继续调节压力时，可通过关闭第四开关阀v4，打开第五开关阀v5，将柱塞泵旁通，即不需使用柱塞泵即可满足要求。使用柱塞泵时，关闭第五开关阀v5，打开第四开关阀v4即可。
55.实际工作时，本发明还具备了以下特点：
56.1.本发明的二级增压结构，可将储气罐21输出的气态r744压力增加到80-100bar，并耦合了多级冷却系统将r744温度控制在15-20℃范围内。系统能一次完成加压和冷却的充注条件。
57.2.系统输液所用的流量泵31优选柱塞泵。柱塞泵具有输送液体精确的特点，并且能够手动机械调节流量精度。当储液罐10内的液体达到使用的压力要求后，柱塞泵能更精确和更快速的输送r744至需充注设备处。
58.3.通过温压测点，可实施监控液态r744状态。如果不符合r744工艺要求状态，则停止供液，并通过控制返回管段40将r744流回储液罐10，重新调整到r744工艺要求的状态后，再通过柱塞泵输送至需充注设备处。返回管段40能快速响应、快速处理r744液体，非常简单高效。
59.4.本发明可对各部件进行工质状态的分区，分别使用不同的安全保护装置，并重点监控液相工质大容量的储液罐10设备，也即对储液罐10设备进行了压力、工质泄露、视频等的多重监控。而当压力大于10mpa时，安全阀13可开启，将溢出的压力安全释放。同时，位于储液罐以后的高压液相区管路，由于液相工质密度大，所以同样的流量下，高压液相区所需的容器容积比高压气相区的更小，所需的系统管路更细，阀门口径更小。第三开关阀v3后的充注管段30，无需长时间和长距离的承受大量工质的高压气相负荷，爆管和裂管风险也能得到进一步的降低。
60.5.本发明的两组压缩机进行气体压缩时，升压过程会产生大量热量，排气温度过
高需要冷却，所以本装置设置了相应的冷却部件，在确保r744压力不变的情况下，控制了排气温度，拓宽了压缩机的工作范围，维护了系统的安全有效运行，使系统拥有非常宽泛的工作压力区间。
61.6.储液罐10和其换热盘管11的配合使用，能够实现储液和控温双重功能，本系统中r744储存液相工质最多的部件就是储液罐10，对这个部件的温度压力进行精确控制和监控是整个系统的安全稳定的重点。此外，通过冷却机组70配合加压管段20，也能实现储液罐10的温度压力的无级调节目的。
62.7.本发明还可搭配常规的电气控制系统，电气控制系统可主要由控制器、执行器、通讯模块、电源模块、显示单元组成。控制器负责监控系统内所有电气设备，并需要向总装车间监控系统上传设备故障信息，以辅助维修快速对故障进行定位，提高维修效率。其他各底层部件需要针对总装车间监控系统要求，预留好数据接口，并通过工厂网络上传相关信息，从而实现基础维护及自动化运行功能。
63.当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
64.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
65.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。