跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构.pdf

跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构，主要包括节流阀、气液分离器、混合器、热力膨胀阀、高压控制阀，其中高压控制阀包括：高压控制阀调节流路、高压控制阀主流路、进气控制活塞、进气控制弹簧、调节螺栓、调节杆控制活塞、调节杆控制弹簧、调节杆。热力膨胀阀的开度受控于蒸发器出口的制冷剂过热度，通过开度的调节，达到调节蒸发压力和控制制冷剂过热度的作用；高压侧压力的控制是通过高压控制阀控制进入膨胀阀进口的制冷剂气体含量来实现。本发明控制机构不需要压力传感器，不需要引入控制电路，节流阀、热力膨胀阀、气液分离器、混合器均为可购置的经济通用元件，高压阀结构也较为简单，因此经济性和可靠性较好。

1、  一种跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构，主要包括节流阀(3)、气液分离器(4)、混合器(5)、热力膨胀阀(6)，其特征在于还包括高压控制阀(8)，气体冷却器(2)出口与节流阀(3)进口相连，节流阀(3)出口与汽液分离器(4)进口相连，汽液分离器(4)的气相出口与高压控制阀(8)进口相连，高压控制阀(8)出口和汽液分离器(4)的液相出口均与混合器(5)进口相连，混合器(5)出口与热力膨胀阀(6)进口相连，热力膨胀阀(6)出口则与蒸发器(7)进口相连。

2、  根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构，其特征是高压控制阀(8)包括：高压控制阀调节流路(9)、高压控制阀主流路(10)、进气控制活塞(11)、进气控制弹簧(12)、调节螺栓(13)、调节杆控制活塞(14)、调节杆控制弹簧(15)、调节杆(16)，高压控制阀主流路(10)的进口即是高压控制阀(8)进口，出口即为高压控制阀(8)的出口，高压控制阀调节流路(9)的一端与高压控制阀主流路(10)的进口相连，另一端封闭，在高压控制阀调节流路(9)中，从高压控制阀调节流路(9)与高压控制阀主流路(10)的相连端到其封闭端依次安装进气控制弹簧(12)和进气控制活塞(11)；调节螺栓(13)；调节杆控制弹簧(15)、调节杆控制活塞(14)、调节杆(16)，进气控制弹簧(12)的一端与进气控制活塞(11)相连，另一端固定在高压控制阀调节流路(9)内壁面上，调节杆控制弹簧(15)的一端与调节杆控制活塞(14)相连，另一端固定在高压控制阀调节流路(9)封闭端内壁面上，调节杆(16)的一端与调节杆控制活塞(14)固定，另一端插入高压控制阀主流路(10)内，调节螺栓(13)旋在高压控制阀调节流路(9)上。

跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构
技术领域：
本发明涉及一种制冷系统节流控制机构，特别涉及一种跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构，用于控制跨临界二氧化碳制冷系统的高压侧与低压侧的压力，属于制冷技术领域。
背景技术：
跨临界二氧化碳制冷系统，采用自然工质二氧化碳作为制冷剂，有利于保护环境，其性能与传统氟里昂制冷循环相当，发展前途得到了普遍认可。
跨临界二氧化碳制冷系统的高低压控制特性与常见的亚临界压缩式制冷系统有较大不同。亚临界循环压缩式制冷系统低压侧压力的调节，是根据蒸发器出口的过热度调整膨胀阀的开度来实现的，而对于高压侧压力则不直接进行控制。对于高压侧来讲，冷凝温度主要依赖于冷却介质的温度与流量，冷凝压力与冷凝温度一一对应，而高压侧的压力即为冷凝压力，因此高压侧的压力基本上依赖于冷却介质的温度与流量，在系统中不需要专门进行控制。对于跨临界二氧化碳系统，高压侧制冷剂发生的不是冷凝过程，而是超临界气体的冷却过程，其压力与温度是两个独立的变量。因此尽管温度受到冷却介质的限定，但是压力没有受到限制。在跨临界二氧化碳制冷系统中，高压侧压力可达70-150bar，是常用制冷装置的7-10倍，另外高压侧的压力特性对于系统的工作效率有很大的影响。因此不管是从安全性还是从热效率考虑，在跨临界二氧化碳制冷系统中，除了对于低压侧压力进行控制外，对于高压侧压力也必须进行控制。
已有技术中，Shengming Liao和Arne Jakobsen在其论文“Shengming Liao，Arne Jakobsen.Optimal heat rejection pressure in transcritical carbon dioxide airconditioning and heat pump systems.Proc.Natural Working Fluids’98，Oslo，1998：301-310”中，提出了一种控制思想，其核心是：用节流阀来控制高压侧的压力，采用变频压缩机，通过感受受冷空间的温度来调节压缩机的频率，达到控制低压侧性能的效果。这个方案，虽然在一定程度上解决了高低压侧同时受控的问题，但是对于采用定容量压缩机的二氧化碳制冷系统则不能适用。而且变频压缩机的费用大大高于定容量压缩机，故前述方案的经济性较差。
已有技术中，申请号为03116298.3的国家发明专利“跨临界二氧化碳制冷系统节流控制机构”提出了一种适用于采用定容量压缩机的跨临界二氧化碳制冷系统，能对其高低压侧压力同时进行控制的节流控制机构，其核心是：低压侧压力的控制，是根据蒸发器的过热度调整热力膨胀阀的开度来进行；高压侧压力的控制，则是通过电磁阀的开关，控制进入热力膨胀阀进口的制冷剂状态来实现。在这个方案中，需要由外接电源来驱动电磁阀的动作，以及有压力传感器来测试高压侧的压力。
到目前为止，还没有完全采用机械方式，不需要另外引入电源，可同时对于采用定容量压缩机的跨临界二氧化碳系统的高低压侧压力进行控制的机构。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种适用于采用定容量压缩机的跨临界二氧化碳制冷系统，能对其高低压侧压力同时进行控制的全机械式节流控制机构。
本发明提出的跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构包括：节流阀、气液分离器、混合器、热力膨胀阀、高压控制阀，其中高压控制阀包括：高压控制阀调节流路、高压控制阀主流路、进气控制活塞、进气控制弹簧、调节螺栓、调节杆控制活塞、调节杆控制弹簧、调节杆。压缩机出口与气体冷却器进口相连，气体冷却器出口与节流阀进口相连，节流阀出口与汽液分离器进口相连，汽液分离器的气相出口与高压控制阀进口相连，高压控制阀出口和汽液分离器的液相出口均与混合器进口相连，混合器出口与热力膨胀阀进口相连，热力膨胀阀出口与蒸发器进口相连，蒸发器出口与压缩机进口相连。
低压侧的压力由热力膨胀阀控制。当蒸发压力过低时，蒸发器出口的过热度将过大，此时热力膨胀阀的开度自动增大，使制冷剂的流量增加，从而使得蒸发压力与蒸发温度上升；当蒸发压力过高时，则膨胀阀通过减小开度，使蒸发压力回落。
高压侧的压力控制，则是通过控制进入热力膨胀阀的制冷剂状态来实现的。气体冷却器出来的高压二氧化碳，有可能为过冷液体，也有可能为超临界流体，但经过节流阀的降压，均会变为二相流体而流进气液分离器。通过高压控制阀调节气体流量，则可以调节热力膨胀阀前的制冷剂状态。当压力升高时，流过的气体较少，进入热力膨胀阀的制冷剂液体成分增加，有利于增大流量，降低高压侧的压力；而压力低的时候，流过的气体较多，这样进入热力膨胀阀的制冷剂包含较多的气体，流量就会减小，使得高压侧的压力上升。
高压控制阀中的进气控制活塞、进气控制弹簧、调节螺栓、调节杆控制活塞、调节杆控制弹簧、调节杆，用以控制流过高压控制阀的制冷剂流量大小，以及随着高压侧压力变化而产生响应的快慢。预先调定进气控制弹簧预紧力P1和调节杆控制弹簧地预紧力P2，通过进气控制活塞控制制冷剂的流道。当作用于进气控制活塞的压力大于P1时，进气控制活塞向下移动；当作用于调节杆控制活塞的压力大于P2时，调节杆控制活塞向下移动，并带动调节杆向下移动，从而增大制冷剂通过调节杆控制的高压控制阀主流路的流道阻力，减小通过的气体流量。在高压控制阀调节流路中，调节螺栓位于进气控制活塞和调节杆控制活塞之间，调节螺栓使得进气流路中形成一个节流口。将调节螺杆向下调整时，它将缩小节流口面积，使得高压阀的流量调整对于系统高压响应的时间延迟增大；而向上调整时，则可以加大节流口面积，使得高压阀的流量调整对于系统高压响应的时间延迟减小。当外面的压力升高，作用于调节杆控制活塞上的压力并不是一下子升高到与系统中的高压侧压力相等，而是要等制冷剂通过调节螺杆控制的节流孔，才能逐渐作用于调节杆控制活塞。节流孔越小，外面压力变化反映到调节杆控制活塞上的压力变化越慢。反之，当系统中的高压侧压力降低时，作用于调节杆控制活塞上的压力也不是一下子下降到与系统中的高压侧压力相等，而是通过节流口逐步将作用于活塞上部的制冷剂排出，使得压力下降，一直到等于P1时。
通过上述的控制方式，在保证低压侧有合适压力的同时，高压侧的压力也得到了控制，避免了因高压侧压力过高而引起系统的危险。
本控制机构中，节流阀、热力膨胀阀、气液分离器、混合器均为可购置的经济通用元件，高压阀虽为专门设计，但结构也较为简单，而且本控制结构不需要压力传感器，不需要引入控制电路，因此经济性和可靠性较好。虽然同时控制高压侧的压力和蒸发器的过热度这两个相互耦合的变量，需要关注控制的稳定性问题，但是由于本发明的高压阀中有可以调节时间迟延的调节螺栓，因此高压控制调节的响应慢于蒸发器过热度控制回路，可避免可能的控制不稳定问题。
附图说明：
图1为本发明跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构原理图。
图中，1是压缩机，2是气体冷却器，3是节流阀，4是气液分离器，5是混合器，6是热力膨胀阀，7是蒸发器，8是高压控制阀，9是高压控制阀调节流路，10是高压控制阀主流路，11是进气控制活塞，12是进气控制弹簧，13是调节螺栓，14是调节杆控制活塞，15是调节杆控制弹簧，16是调节杆。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1所示，本发明的跨临界二氧化碳制冷系统全机械式节流控制机构主要包括节流阀3、气液分离器4、混合器5、热力膨胀阀6、高压控制阀8，其中高压控制阀8的主要元件为高压控制阀调节流路9、高压控制阀主流路10、进气控制活塞11、进气控制弹簧12、调节螺栓13、调节杆控制活塞14、调节杆控制弹簧15、调节杆16。除节流控制机构外，跨临界二氧化碳制冷系统还包括压缩机1、气体冷却器2、蒸发器7。
压缩机1出口与气体冷却器2进口相连，气体冷却器2出口与节流阀3进口相连，节流阀3出口与汽液分离器4进口相连，汽液分离器4的气相出口与高压控制阀8进口相连，高压控制阀8出口和汽液分离器4的液相出口均与混合器5进口相连，混合器5出口与热力膨胀阀6进口相连，热力膨胀阀6出口与蒸发器7进口相连，蒸发器7出口与压缩机1进口相连。
高压控制阀主流路10的进口即是高压控制阀8进口，出口即为高压控制阀8的出口。高压控制阀调节流路9的一端与高压控制阀主流路10的进口相连，另一端封闭。在高压控制阀调节流路9中，从高压控制阀调节流路9与高压控制阀主流路10的相连端到其封闭端依次安装进气控制弹簧12和进气控制活塞11；调节螺栓13；调节杆控制弹簧15、调节杆控制活塞14、调节杆16。进气控制弹簧12的一端与进气控制活塞11相连，另一端固定在高压控制阀调节流路9内壁面上。调节杆控制弹簧15的一端与调节杆控制活塞14相连，另一端固定在高压控制阀调节流路9封闭端内壁面上。调节杆16的一端与调节杆控制活塞14固定，另一端插入高压控制阀主流路10内，通过上下移动调节杆16来改变高压控制阀主流路10的流道截面积。调节螺栓13旋在高压控制阀调节流路9上，通过旋转调节螺栓13达到改变高压控制阀调节流路9流道阻力的效果。
在正常工况下，压缩机1排出超临界二氧化碳高压气体，流经气体冷却器2后成为液体或者是温度较接近环境温度的超临界流体，再流经节流阀3后成为二相流体，通过气液分离器4的作用，液相和气相得到分离，液相直接进入混合器5，气相则通过高压控制阀8再进入混合室5，从混合室5出来的二相制冷剂通过热力膨胀阀6流进蒸发器7，然后再被压缩机8吸入。
当高压侧的压力上升时，进气控制活塞11被进一步向下推，高压气体通过调节螺栓13控制的节流孔逐渐流入，作用于调节杆控制活塞14上的压力逐渐加大，控制活塞14向下移动，并推动调节杆16向下移动。此时高压控制阀主流路10中的流动阻力增加，流过高压控制阀8的气体流量减小。当高压侧的压力下降时，通过一个相反的过程，流过高压控制阀8的气体流量将逐步增加。
调整进气控制弹簧12和调节杆控制弹簧15的预紧力，可以改变系统的高压设定。调整调节螺栓13，则可以改变压力调整过程的速度。
热力膨胀阀6的开度受控于蒸发器7出口的制冷剂过热度。当蒸发压力过低，过热度过大时，热力膨胀阀6的开度增加，制冷剂的流量增加，因此蒸发压力与蒸发温度上升，过热度下降；当蒸发压力过高时，则膨胀阀6通过减小开度，来抑制蒸发压力的上升。