一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统论文和设计-姚万祥

全文摘要

本实用新型提供一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，该系统包括超低温制冷系统、低温制冷系统、常规制冷系统、水系统、空调末端，超低温制冷系统与低温制冷系统热交换；低温制冷系统与超低温制冷系统换热后分别与空调末端或若干个设有不同制冷工质的常规制冷系统热交换；常规制冷系统与低温制冷系统换热后分别与若干个空调末端热交换；所述空调末端经水系统循环散热。本实用新型的有益效果是：各子系统之间可根据需要选择性连接，并进行多次换热，实现制冷量的梯级利用，满足不同建筑分区以及多功能建筑对不同制冷温度的需求。

主设计要求

1.一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，包括超低温制冷系统、低温制冷系统、常规制冷系统、水系统、空调末端，其特征是：所述超低温制冷系统与低温制冷系统热交换；低温制冷系统与超低温制冷系统换热后分别与空调末端或若干个设有不同制冷工质的常规制冷系统热交换；常规制冷系统与低温制冷系统换热后分别与若干个空调末端热交换；所述空调末端经水系统循环散热。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，其特征是：所述超低温制冷系统制冷工质为二氧化碳制冷剂；所述常规制冷系统制冷工质为：R134a制冷剂或R410a制冷剂。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，其特征是：所述超低温制冷系统包括连接低温制冷系统的第一冷凝蒸发器(14)、第一油分离器(2)、第一压缩机(3)、低温蒸发器(4)第一节流阀(5)、第一冷媒截止阀(6)、第一电磁阀(7)、第一储液器(8)；所述低温制冷系统包括连接超低温制冷系统的第一冷凝蒸发器(14)、连接低温制冷系统的第二冷凝蒸发器(30)、第二油分离器(10)、第二压缩机(11)、中温蒸发器(12)、第二节流阀(13)、第一冷凝蒸发器(14)、第三节流阀(15)、第三冷媒截止阀(16)、第二冷媒截止阀(17)、第二电磁阀(18)、第二储液器(19)；所述常规制冷系统包括冷凝器(20)、第三油分离器(21)、第三压缩机(22)、高温蒸发器(23)、第四节流阀(24)、第五节流阀(25)、第五冷媒截止阀(26)、第四冷媒截止阀(27)、第三电磁阀(28)、第三储液器(29)、第二冷凝蒸发器(30)；

所述第一冷凝蒸发器有进口一(31)、进口二(33)、出口一(32)、出口二(34)；所述第一冷凝蒸发器的出口一(32)接第一储液器的进口；所述第一油分离器的出口接第一冷凝蒸发器的进口一(31)；所述第一冷凝蒸发器的出口二(34)接第二压缩机的进口；所述第三节流阀的出口接第一冷凝蒸发器的进口二(33)；

所述第二冷凝蒸发器有进口一(35)、进口二(37)、出口一(36)、出口二(38)；所述第二冷凝蒸发器的出口一(36)接第二储液器的进口；所述第二油分离器的出口接第二冷凝蒸发器的进口一(35)；所述第二冷凝蒸发器的出口二(38)接第三压缩机的进口；所述第五节流阀的出口接第二冷凝蒸发器的进口二(37)。

4.根据权利要求1所述的一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，其特征是：所述低温制冷系统中工作的制冷工质与超低温制冷系统中的制冷工质复叠式制冷，并作此复叠式制冷系统的高温级。

5.根据权利要求4所述的一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，其特征是：所述复叠式制冷系统的低温级温度范围-55℃～-25℃，高温级温度范围-25℃～-10℃。

6.根据权利要求1所述的一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，其特征是：所述常规制冷系统中工作的制冷工质与低温制冷系统复叠式制冷，并作此复叠式制冷系统的高温级。

7.根据权利要求6所述的一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，其特征是：所述复叠式制冷系统的低温级温度范围-25℃～-10℃；常规制冷剂与水进行三次换热，可得低温-10～10℃；低温水与空调末端进行末端换热，可得到最终舒适性空调所需温度15℃～25℃。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于制冷领域，具体为一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统。

背景技术

由于氢氯氟烃类制冷剂，会导致温室效应等各种环境问题，不满足绿色发展的要求，随着《蒙特利尔协定》的颁布，研究HCFCs的替代物质及相关制冷技术迫在眉睫。

二氧化碳作为一种环保型制冷剂，其GWP全球变暖潜能值＝1，ODP臭氧层破坏潜能＝0，约为R134a制冷剂、R22制冷剂的千分之一，另外其运动粘度低、压缩比低、单位容积制冷量高，0℃时单位容积制冷量是氨的1.58倍，是R22制冷剂的5.12倍，是R12制冷剂的8.25倍，有很好的传热性能，而且，无毒、无害、不燃、不爆，具有良好的环保特性。然而，由于其制冷工作往往发生在跨临界或亚临界区域，工作压力较高，安全性能差，对密封性要求高，不能长距离输送，制约了其在制冷领域的大规模应用。

发明内容

针对现有技术功能上的缺陷，本实用新型的目的是提供一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，在使用二氧化碳作其超低温制冷剂时，可以解决当前二氧化碳制冷剂在跨临界或亚临界制冷区域内的安全隐患和长距离输送问题，实现制冷量的梯级利用，满足各个建筑分区或多功能建筑对不同制冷温度的需要。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，包括初始的超低温制冷系统、低温制冷系统、常规制冷系统、水系统、空调末端。

所述超低温制冷系统包括连接低温制冷系统的第一冷凝蒸发器、第一油分离器、第一压缩机、低温蒸发器、第一节流阀、第一冷媒截止阀、第一电磁阀、第一储液器。

所述低温制冷系统包括连接超低温制冷系统的第一冷凝蒸发器、连接低温制冷系统的第二冷凝蒸发器、第二油分离器、第二压缩机、中温蒸发器、第二节流阀、第一冷凝蒸发器、第三节流阀、第三冷媒截止阀、第二冷媒截止阀、第二电磁阀、第二储液器。

所述常规制冷系统包括冷却器、第三油分离器、第三压缩机、高温蒸发器、第四节流阀、第五节流阀、第五冷媒截止阀、第四冷媒截止阀、第三电磁阀、第三储液器、第二冷凝蒸发器。

主系统实现的制冷方案：超低温制冷系统与其后的低温制冷系统进行一次换热实现复叠式制冷，可得到超低温，温度范围-55℃～-25℃；低温制冷系统与其后的常规制冷系统进行二次换热，可得到较低温度-25℃～-10℃；常规制冷剂与水进行三次换热，可得低温-10～10℃；低温水与空调末端进行末端换热，可得到最终舒适性空调所需温度15℃～25℃。

所述超低温制冷系统中制冷工质推荐使用二氧化碳制冷剂，其作为低温级，与所述低温级制冷系统中的制冷工质实现复叠式制冷。该系统远离人类活动区，可集中进行控制管理，降低安全隐患。

所述常规制冷系统和低温制冷系统中的制冷工质选择范围较广，可根据对制冷量的需求进行选择。

所述水系统可与不同制冷工质进行换热，得到不同的制冷量，另外可通过变频泵控制水流量，满足不同建筑分区的需要。

所述空调末端主要来自各建筑分区，通过制冷量的梯级利用，能够满足不同建筑分区所需的制冷量。

另一方面，本实用新型一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统除主系统所实现的制冷方案外，可通过改变参与制冷系统的顺序、水系统中水的流量、制冷工质的选择等因素，得到不同模式的制冷系统，从而满足不同建筑分区对制冷量的需求，具体辅助系统如下：

(1)辅助系统一组成部分：超低温制冷系统、低温制冷系统、常规制冷系统、空调末端。

(2)辅助系统二组成部分：超低温制冷系统、低温制冷系统、水系统、空调末端。

(3)辅助系统三组成部分：超低温制冷系统、低温制冷系统、空调末端。

(5)辅助系统四组成部分：低温制冷系统、常规制冷系统、水系统、空调末端。

(6)辅助系统五组成部分：低温制冷系统、常规制冷系统、空调末端。

(7)辅助系统六组成部分：常规制冷系统、水系统、空调末端。

(8)辅助系统七组成部分：低温制冷系统、水系统、空调末端。

(9)辅助系统八组成部分：常规制冷系统、空调末端。

所述辅助系统中各个子系统的工作过程与所述其在主系统中的工作过程类似。

本实用新型的效果是：

(1)本实用新型所实现的超低温制冷系统在使用二氧化碳作其制冷剂时，即二氧化碳跨临界制冷系统，其在得到较低的制冷温度和较大制冷量的同时，可进行集中的管理控制，制冷剂不需远距离输送，而是通过多级复叠，实现对制冷量的利用，减少相应的安全隐患。

(2)本实用新型可根据对制冷量的不同需求，灵活改变各子系统的组合方式，通过各系统之间的多次换热，实现能量的梯级利用，满足不同建筑分区对制冷量的需求。

(3)本实用新型所实现的亚临界二氧化碳复叠式制冷系统，可根据需要与不同种制冷工质进行复叠式制冷，得到的制冷温度范围较广。

(5)本实用新型中的水系统由变频泵控制，可与不同制冷工质进行换热，得到不同的制冷量。

附图说明

图1是本实用新型的主系统一组成示意图；

图2是本实用新型的主系统二组成示意图；

图3是本实用新型的主系统三组成示意图；

图4是本实用新型的辅助系统一组成示意图；

图5是本实用新型的辅助系统三组成示意图；

图6是本实用新型的辅助系统八组成示意图；

图7是本实用新型的二氧化碳跨临界制冷系统；

图8是本实用新型的亚临界二氧化碳复叠式制冷系统；

图9是本实用新型的三级复叠式制冷系统；

图10是本实用新型的主系统一流程图；

图11是本实用新型的辅助系统一流程图；

图12是本实用新型的辅助系统三流程图；

图13是本实用新型的辅助系统八流程图。

图中：

1.第一气体冷却器 2.第一油分离器

3.第一压缩机 4.低温蒸发器

5.第一节流阀 6.第一冷媒截止阀

7.第一电磁阀 8.第一储液器

9.第二气体冷却器 10.第二油分离器

11.第二压缩机 12.中温蒸发器

13.第二节流阀 14.第一冷凝蒸发器

15.第三节流阀 16.第三冷媒截止阀

17.第二冷媒截止阀 18.第二电磁阀

19.第二储液器 20.冷凝器

21.第三油分离器 22.第三压缩机

23.高温蒸发器 24.第四节流阀

25.第五节流阀 26.第五冷媒截止阀

27.第四冷媒截止阀 28.第三电磁阀

29.第三储液器 30.第二冷凝蒸发器

31.第一冷凝蒸发器的进口一 32.第一冷凝蒸发器的出口一

33.第一冷凝蒸发器的进口二 34.第一冷凝蒸发器的出口二

35.第二冷凝蒸发器的进口一 36.第二冷凝蒸发器的出口一

37.第二冷凝蒸发器的进口二 38.第二冷凝蒸发器的出口二

具体实施方式

结合附图对本实用新型一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统作进一步详细说明。

本实用新型为一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，实现了制冷量的梯级利用，既可向不同的城市管网输送制冷量，也可用于复杂功能的建筑，另外在使用二氧化碳作其超低温制冷剂时，对其高压部分做集中控制管理，远离人工活动区，解决了二氧化碳用作制冷剂时，由于工作压力较高、对密封性要求较为严格而产生的一系列安全问题。

如图1～图3所示，一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统包括超低温制冷系统、低温制冷系统、常规制冷系统、水系统、空调末端，所述超低温制冷系统与低温制冷系统热交换；低温制冷系统与超低温制冷系统换热后分别与空调末端或若干个设有不同制冷工质的常规制冷系统热交换；常规制冷系统与低温制冷系统换热后分别与若干个空调末端热交换；所述空调末端经水系统循环散热。

具体功能是这样实现的：

图1所示的主系统一中，超低温制冷系统与低温制冷系统进行一次换热，实现了亚临界二氧化碳复叠式制冷。低温制冷系统与常规制冷系统进行二次换热，常规制冷系统与水进行三次换热，水与空调末端进行末端换热，实现能量的梯级利用。

图2所示的主系统二中，超低温制冷系统与低温制冷系统进行一次换热，低温制冷剂分别与不同的常规制冷剂进行二次换热，得到不同的制冷量后，根据常规制冷系统中制冷剂的物性，利用变频泵改变水系统的流量，从而使不同的常规制冷剂与不同的水量换热后分别输送至不同功能的建筑分区。

图3所示的主系统三中，超低温制冷系统与低温制冷系统进行一次换热，低温制冷系统与常规制冷系统进行二次换热，常规制冷系统可与不同流量的水进行三次换热，得到不同的制冷量分别输送至不同功能的建筑分区。

如图4～图6所示，一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，除主系统外，可通过改变各个子系统之间的匹配顺序，设置多个辅助系统，具体功能是这样实现的：

图4所示的辅助系统一中，超低温制冷系统与低温制冷系统进行一次换热，低温制冷系统与常规制冷系统进行二次换热，常规制冷系统与空调末端进行末端换热，可满足多功能建筑对制冷量的需求。

图5所示的辅助系统三中，超低温制冷系统与低温制冷系统进行一次换热，低温制冷系统与空调末端进行末端换热，可满足多功能建筑对制冷量的需求。

图6所示的辅助系统八中，常规制冷系统与空调末端进行末端换热，可满足多功能建筑对制冷量的需求。

如图7～图9所示，所述一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，其中的子系统——超低温制冷系统、低温制冷系统、常规制冷系统，通过冷媒截止阀的启闭，完成不同的制冷循环，具体功能是这样实现的：

图7所示的超低温制冷系统，即二氧化碳跨临界制冷系统，开启第一冷媒截止阀6，关闭第二冷媒截止阀17、第三冷媒截止阀16、第四冷媒截止阀27、第五冷媒截止阀26。

超低温制冷系统的第一气体冷却器1的出口接第一储液器8的进口；所述第一储液器8的出口接第一电磁阀7的进口；所述第一电磁阀7的出口接第一冷媒截止阀6的进口；所述第一冷媒截止阀6的出口接第一节流阀5的进口；所述第一节流阀5的出口接低温蒸发器4的进口；所述低温蒸发器4的出口接第一压缩机3的进口；所述第一压缩机3的出口接第一油分离器2的进口；所述第一油分离器2的出口接第一气体冷却器1的进口。

如图8所示，超低温制冷系统与低温制冷系统复叠，即亚临界二氧化碳复叠式制冷系统，开启第一冷媒截止阀6、第三冷媒截止阀16，关闭第二冷媒截止阀17、第四冷媒截止阀27、第五冷媒截止阀26。

低温制冷系统作为所述亚临界二氧化碳复叠式制冷系统的高温级，所述低温制冷系统的第二气体冷却器9的出口接第二储液器19的进口；所述第二储液器19的出口接第二电磁阀18的进口；所述第二电磁阀18的出口接第三冷媒截止阀16的进口；所述第三冷媒截止阀16的出口接第三节流阀15的进口；所述第三节流阀15的出口接第一冷凝蒸发器14的进口二33；所述第一冷凝蒸发器14的出口二34接第二压缩机11的进口；所述第二压缩机11的出口接第二油分离器10的进口；所述第二油分离器10的出口接第二气体冷却器9的进口。

超低温制冷系统作为所述亚临界二氧化碳复叠式制冷系统的低温级通过第一冷凝蒸发器14复叠。

如图9所示，超低温制冷系统与低温制冷系统复叠，低温制冷系统与常规制冷系统复叠，及三级复叠式制冷系统，开启第一冷媒截止阀6、第三冷媒截止阀16、第五冷媒截止阀26，关闭第二冷媒截止阀17、第四冷媒截止阀27。

所述常规制冷系统作为所述三级复叠式制冷系统的高温级，所述常规制冷系统的冷凝器20的出口接第三储液器29的进口；所述第三储液器29的出口接第三电磁阀28的进口；所述第三电磁阀28的出口接第五冷媒截止阀26的进口；所述第五冷媒截止阀26的出口接第五节流阀25的进口；所述第五节流阀25的出口接第二冷凝蒸发器30的进口二37；所述第二冷凝蒸发器30的出口二38接第三压缩机22的进口；所述第三压缩机22的出口接第三油分离器21的进口；所述第三油分离器21的出口接冷凝器20的进口。

如图10～13所示，所述一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统，为满足各个建筑分区对制冷量的需求，具体功能是这样实现的：

图10所示的主系统一的流程图从一次换热开始，需实现亚临界二氧化碳复叠式制冷，随后判断其制冷量是否满足需求，若不是，则继续进行一次换热，直至制冷量满足需求，若是，则进行二次换热，随后经过多次换热及判断直至到达最终建筑分区所需制冷量。

图11所示的辅助系统一的流程图从一次换热开始，需实现完全二氧化碳制冷，随后判断其制冷量是否满足需求，若不是，则继续进行一次换热，直至制冷量满足需求，若是，则进行二次换热，随后经过末端换热，满足所需制冷量后输送至与之匹配的建筑分区或多功能建筑的不同房间。

图12所示的辅助系统三的流程图从一次换热开始，需实现完全二氧化碳制冷，随后判断其制冷量是否满足需求，若不是，则继续进行一次换热，直至制冷量满足需求，若是，则进行末端换热，满足所需制冷量后输送至与之匹配的建筑分区或多功能建筑的不同房间。

图13所示的辅助系统八的流程图从末端换热开始，随后判断其制冷量是否满足需求，若不是，则继续进行末端换热，直至制冷量满足需求，若满足所需制冷量后输送至与之匹配的建筑分区或多功能建筑的不同房间。

尽管上面结合图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的，而并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

设计图

一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统论文和设计

一种用于大型空调系统的多级复叠式制冷系统论文和设计-姚万祥

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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