本發(fā)明涉及CO₂制冷循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱電過冷器和膨脹機(jī)聯(lián)合輔助過冷CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科技和社會的發(fā)展，資源利用和環(huán)境保護(hù)問題越來越受到人們的注。在制冷和熱泵裝置中廣泛使用的CFCs、HCFCs由于對臭氧層破壞和溫室效應(yīng)有很大影響而遭淘汰，紛紛使用HFCs類制冷劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑?，F(xiàn)《京都議定書》將HFCs列入溫室氣體名單，全球各國都在大力推進(jìn)環(huán)保制冷劑代替高GWP制冷劑的工作。CO₂作為一種環(huán)境友好型工質(zhì)，以其諸多優(yōu)點(diǎn)再次受到了人們的關(guān)注。1)、CO₂對環(huán)境無破壞作用(ODP＝0、GWP＝1)，2)單位體積制冷量大，有利于減少設(shè)備體積，3)、二氧化碳粘度低，其流動損失小、傳熱效果好，4)化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定等。

但是，CO₂作為發(fā)明制冷劑仍存在一些問題。CO₂的臨界溫度為31.1℃，臨界壓力高達(dá)7.38MPa，系統(tǒng)的工作壓力很高。CO₂跨臨界制冷循環(huán)一般用于低溫制冷和超低溫制冷，由于室外溫度條件的限制，氣體冷卻器出口溫度比較高，略高于環(huán)境溫度，節(jié)流損失比較大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率不高。

因此需要我們提出一種方案對CO₂制冷系統(tǒng)進(jìn)行改善，從而大幅度提高系統(tǒng)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提出一種熱電過冷器-膨脹機(jī)聯(lián)合輔助過冷CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)。

為了解決以上問題，本發(fā)明所提出的方案是：

一種熱電過冷器-膨脹機(jī)聯(lián)合輔助過冷CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、氣體冷卻器，還包括膨脹機(jī)和熱電過冷器，所述壓縮機(jī)通過第一管路連接氣體冷卻器，用于將壓縮形成的超臨界CO₂流體送入所述氣體冷卻器，所述氣體冷卻器通過第二管路連接熱電過冷器，用于對所述超臨界CO₂流體放熱后送到熱電過冷器，由所述熱電過冷器從氣體冷卻器出口的CO₂流體中吸收熱量，實(shí)現(xiàn)對CO₂流體的過冷，輸出低溫高壓CO₂氣體；所述熱電過冷器通過第三管路連接膨脹機(jī)，用于將所述低溫高壓CO₂氣體送到膨脹機(jī)，由所述膨脹機(jī)對外膨脹做功輸出電能及低溫低壓兩相CO₂流體送到通過第四管路連接所述膨脹機(jī)的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器通過第五管路與壓縮機(jī)連接，用于將吸熱后的氣液兩相CO₂流體送入所述壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮處理成所述超臨界CO₂流體；所述膨脹機(jī)連接電源管理器，所述電源管理器通過供電電路連接壓縮機(jī)以及熱電過冷器，所述電源管理器用于將膨脹機(jī)形成的電能能量儲存并實(shí)現(xiàn)電能分配，以驅(qū)動熱電過冷器，或?qū)⒍嘤嗟碾娔芄┙o壓縮機(jī)。

所述熱電過冷器包括熱電冷卻模塊，所述熱電冷卻模塊的上側(cè)面貼合有二氧化碳管路，所述熱電冷卻模塊的下側(cè)面貼合有風(fēng)冷散熱模塊或水冷散熱模塊，所述二氧化碳管路分別與所述第二管路與第三管路相連接。

所述二氧化碳管路采用多孔扁管。

所述多孔扁管采用鋁材質(zhì)制作。

在CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)中，氣液兩相的CO₂流體從蒸發(fā)器吸熱后，進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣端，由壓縮機(jī)壓縮為超臨界CO₂流體，之后進(jìn)入氣體冷卻器向周圍環(huán)境放熱，此時(shí)CO₂流體的放熱溫度略高于環(huán)境溫度，然后流體進(jìn)入熱電過冷器進(jìn)一步冷卻為低溫高壓CO₂流體，經(jīng)過膨脹機(jī)對外做功后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖簝上嗔黧w，直至進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量，完成整個(gè)制冷循環(huán)。

另外，CO₂超臨界流體在經(jīng)過膨脹機(jī)時(shí)，對外做功變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖簝上嗔黧w，同時(shí)輸出電能儲存在電源管理器中。通過電源管理器對膨脹機(jī)輸出的電能進(jìn)行合理分配，例如膨脹機(jī)輸出的電能可以驅(qū)動熱電過冷器，多余的電量可以分配用于驅(qū)動壓縮機(jī)，反之則可以補(bǔ)充不足的電量。三者協(xié)作來提高利用率和性能。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1)、CO₂制冷循環(huán)中，CO₂流體的工作壓力高，用膨脹機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流閥可以有效恢復(fù)CO₂跨臨界循環(huán)中相當(dāng)大的節(jié)流損失。

2)、超臨界CO₂流體進(jìn)過膨脹機(jī)對外膨脹做功輸出電能，可以用于驅(qū)動熱電過冷器提高CO₂過冷度，多余電能可供給壓縮機(jī)使用，降低能耗。

3)、通過以上兩個(gè)過程的相互協(xié)作，可以有效的提高能量的利用和整個(gè)CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)的能效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的熱電過冷器-膨脹機(jī)聯(lián)合輔助過冷CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)的示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的一種熱電過冷器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的又一種熱電過冷器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、壓縮機(jī)；2、氣體冷卻器；3、膨脹機(jī)；4、蒸發(fā)器；5、熱電過冷器；6、電源管理器。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種熱電過冷器-膨脹機(jī)聯(lián)合輔助過冷CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)1、蒸發(fā)器4、氣體冷卻器2，還包括有膨脹機(jī)3和熱電過冷器5，其中，所述壓縮機(jī)1通過第一管路連接氣體冷卻器2，用于將壓縮形成的超臨界(溫度為50℃～150℃，壓力為7.5Mpa～14Mpa)CO₂流體送入所述氣體冷卻器2，所述氣體冷卻器2通過第二管路連接熱電過冷器5，用于對所述超臨界CO₂流體放熱后(放熱后溫度為30℃～45℃，壓力為7.5Mpa～14Mpa)送到熱電過冷器5，所述熱電過冷器5用于從氣體冷卻器2出口的CO₂流體中吸收熱量，實(shí)現(xiàn)對CO₂流體的過冷，輸出低溫高壓(溫度為-20℃～10℃，壓力為7.5Mpa～14Mpa)CO₂氣體；所述熱電過冷器5通過第三管路連接膨脹機(jī)3，用于將所述低溫高壓CO₂氣體送到膨脹機(jī)3，由所述膨脹機(jī)3對外膨脹做功輸出電能以及低溫低壓(溫度為-5℃～-20℃，壓力為2Mpa～4.5Mpa)兩相CO₂流體送到通過第四管路連接所述膨脹機(jī)3的蒸發(fā)器4，所述蒸發(fā)器4通過第五管路與壓縮機(jī)1的CO₂入口連接，用于將吸熱后的低溫低壓(溫度為-20℃～10℃，壓力為2Mpa～4.5Mpa)氣液兩相CO₂流體送入所述壓縮機(jī)1 進(jìn)行壓縮處理成所述超臨界CO₂流體。

其中，所述膨脹機(jī)自帶有發(fā)電機(jī)，通過所述的發(fā)電機(jī)連接電源管理器6，所述電源管理器6通過供電電路連接至壓縮機(jī)1以及熱電過冷器5，電源管理器6用于將膨脹機(jī)及發(fā)電機(jī)形成的電能能量儲存并實(shí)現(xiàn)電能的分配，用于驅(qū)動熱電過冷器，或?qū)⒍嘤嗟碾娔芄┙o壓縮機(jī)使用，為現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備，可直接采購市面上相應(yīng)的發(fā)電用的電源管理器組裝即可。

需要說明的是，本發(fā)明中，所述膨脹機(jī)通過發(fā)電機(jī)連接電源管理器6，所述電源管理器6通過供電電路分配電能到給壓縮機(jī)1以及熱電過冷器5為現(xiàn)有公知膨脹機(jī)以及發(fā)電機(jī)的發(fā)電供電控制系統(tǒng)，可以采用現(xiàn)有公知的技術(shù)以及電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，對此不再進(jìn)行詳細(xì)的說明發(fā)電以及供電的電路結(jié)構(gòu)。

由于CO₂制冷系統(tǒng)運(yùn)行壓力高，故采用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥恢復(fù)節(jié)流過程中相當(dāng)大的損失，同時(shí)CO₂流體膨脹做功發(fā)電驅(qū)動熱電過冷器對氣體冷卻器出口的CO₂流體進(jìn)一步過冷，使放熱溫度降到環(huán)境溫度以下，制冷量得到提高，還能降低能耗，提升CO₂制冷系統(tǒng)的性能

所述熱電過冷器是基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷裝置，通電即制冷。所述熱電過冷器包括熱電冷卻模塊，所述熱電冷卻模塊的上側(cè)面貼合有二氧化碳管路，所述熱電冷卻模塊的下側(cè)面貼合有散熱裝置，所述散熱裝置可以是風(fēng)冷散熱模塊或水冷散熱模塊，所述二氧化碳管路分別與所述第二管路與第三管路相連接。

圖2示出一種所述熱電過冷器的結(jié)構(gòu)，包括熱電冷卻模塊51，所述熱電冷卻模塊的上側(cè)面貼合有二氧化碳管路52，所述熱電冷卻模塊的下側(cè)面貼合有風(fēng)冷散熱模塊，其中，所述風(fēng)冷散熱模塊包括風(fēng)冷熱沉4以及設(shè)在所述風(fēng)冷熱沉下方的風(fēng)扇3。

所述熱電冷卻模塊1由若干對熱電偶N、P構(gòu)成，連接電源裝置54，為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)帕耳貼效應(yīng)，當(dāng)電流流過熱電冷卻模塊，在熱電冷卻模塊的冷端產(chǎn)生制冷效應(yīng)，在熱電冷卻模塊的另外一段發(fā)生制熱效應(yīng)。

其中，所述二氧化碳管路采用多孔扁管。所述多孔扁管采用鋁材質(zhì)制作。優(yōu)選的，所述CO₂熱電過冷器的二氧化碳管采用多孔扁管，多孔扁管的水力直徑較小，因此其承壓能力大大提高。這樣的結(jié)構(gòu)還有一個(gè)優(yōu)勢，即二氧化碳管的換熱通道壁面能夠和熱電冷卻模塊的熱電片緊密貼合，如果是圓形通道就很難貼合。

其中，所述的多孔扁管為微通道扁管，其內(nèi)部軸向方向具有多個(gè)均勻布置的孔徑微小的制冷劑通道，通道間相互封閉，可以采用鋁材質(zhì)制作而成。

其中，所述的風(fēng)扇53和風(fēng)冷熱沉54是用來幫助維持恒定溫度的，在電流流過熱電模塊51時(shí)，由于帕爾貼效應(yīng)，會吸收二氧化碳管路52中二氧化碳的熱量，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的過冷。所述二氧化碳管路52用于CO₂自一端521流入，到另一端522流出。

圖3示出又一熱電過冷器的結(jié)構(gòu)，包括熱電冷卻模塊51，所述熱電冷卻模塊的上側(cè)面貼合有二氧化碳管路52，所述熱電冷卻模塊的下側(cè)面貼合有水冷散熱模塊53。

所述熱電冷卻模塊由若干對熱電偶N、P構(gòu)成，連接電源裝置50，為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)帕耳貼效應(yīng)，當(dāng)電流流過熱電冷卻模塊，在熱電冷卻模塊的冷端產(chǎn)生制冷效應(yīng)，在熱電冷卻模塊的另外一段發(fā)生制熱效應(yīng)。

如實(shí)施例1所述，所述二氧化碳管路同樣采用多孔扁管，即在扁管的管壁均勻設(shè)有微孔。所述扁管可以采用鋁材質(zhì)制作而成。

其中，所述水冷散熱模塊為水冷管路，具有循環(huán)冷卻水的進(jìn)水口531與出水口532，實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)輸送。

其中，所述水冷散熱模塊2可以保證其恒溫狀態(tài)，在電流流過熱電冷卻模塊1時(shí)，由于帕爾貼效應(yīng)，會吸收二氧化碳管路中二氧化碳的熱量，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的過冷。

本實(shí)施例中，所述熱電過冷器-膨脹機(jī)聯(lián)合輔助過冷的CO2跨臨界系統(tǒng)的工作原理是：

第一階段：氣液兩相CO₂流體從蒸發(fā)器4吸熱后進(jìn)入壓縮機(jī)1壓縮為超臨界流體，然后進(jìn)入氣體冷卻器2向周圍環(huán)境放熱，此時(shí)超臨界的CO₂流體的溫度略高于環(huán)境溫度。

第二階段：熱電過冷器5從氣體冷卻器2出口的CO₂流體中吸收熱量，實(shí)現(xiàn)對CO₂流體的過冷，此時(shí)CO₂為低溫高壓的氣體。

第三階段：低溫高壓的氣體進(jìn)入到膨脹機(jī)3，對外膨脹做功，輸出電能，儲存在電源管理器6中，由電源管理器協(xié)調(diào)電能的分配，用于驅(qū)動熱電過冷器，或者分擔(dān)一部分壓縮機(jī)的電能輸入。

第四階段：從膨脹機(jī)3出來的低溫低壓兩相流體再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)。

所述的CO₂跨臨界制冷循環(huán)中，所用的膨脹機(jī)為現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備，所述熱電過冷器采用CO₂熱電過冷器。

其中，所述低溫低壓的CO₂兩相流體進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱然后進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮為超臨界CO₂流體，隨后進(jìn)入氣體冷卻器向周圍環(huán)境換熱，此時(shí)氣體冷卻器出口的CO₂溫度略高于環(huán)境溫度。

熱電過冷器對氣體冷卻器出口出來的略高于環(huán)境溫度的高壓的CO₂流體進(jìn)一步過冷，使之成為低溫高壓的CO₂氣體。

低溫高壓的CO₂氣體進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹機(jī)對外做功輸出電能，能量儲存在電源管理器中，由電源管理器實(shí)現(xiàn)電能的分配，用于驅(qū)動熱電過冷器，多余的電能可以供給壓縮機(jī)使用。

從膨脹機(jī)出來的低溫低壓的CO₂兩相流體再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，從而完成整個(gè)制冷循環(huán)。

利用膨脹機(jī)回收的一部分功輸出電能，用于驅(qū)動熱電過冷器對氣冷器出口的CO₂流體進(jìn)一步過冷，放熱溫度降低至環(huán)境溫度以下，制冷量得到提高，同時(shí)多余的電能可以供給壓縮機(jī)使用，有效降低能耗。綜上所述，CO₂跨臨界系統(tǒng)的效率可以得到大幅度的改善。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。