[发明专利]利用二氧化碳作为循环工质的低温制冷方法及其热泵系统

说明书

技术领域

本发明属于热泵制冷技术领域，特别涉及一种利用二氧化碳的低温制冷方法及其实现低温制冷的新型热泵技术。

背景技术：

近年来中国的经济持续稳定高速增长，随之能源的消耗也大幅增加，据2006年的统计数据，中国的石油依存度已达到了47％。其中用于民生以及建筑物的能源消耗占有很大比重；而在这部分消耗中，制冷空调的能源消耗约占30-50％。因此针对这部分的节能技术很重要。热泵技术是一个先进的节能技术，具有很大的潜力，可以广泛地用在民生以及建筑物中，提供制冷空调以及供热等，为这部分能源的高效使用以及节能做贡献。热泵系统主要由压缩机、膨胀器、蒸发器以及冷凝器所组成。在热泵技术中，只需输入一小部分电力，就可以输出几倍于这部分电力的能量，这其中利用了取之不尽，用之不完的环境能量。目前常用的热泵制冷系统所能提供的制冷温度范围相当有限，一般在-20℃-0℃。而在医疗低温制冷需要-80℃长时间地冷冻保存细胞，在渔业制冷需要-60℃快速冷却并长期保存，目前的热泵或者制冷技术就无能为力了。另一方面，目前的制冷机组及热泵系统中基本上都在使用含氟或者含氯的单一流体工质或者混合流体作为循环工质，一般都是液态的循环工质膨胀变成气液两相工质，然后气液两相工质蒸发吸收待制冷环境的热量，从而达到制冷的目的。在这些制冷方法中普遍使用气液两相工质，故其所能达到的制冷温度比较有限，只能在-20℃以上。同时所使用的大多数循环工质还会破坏臭氧层，并造成地球温暖化。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种使用二氧化碳低温制冷方法和基于该方法所构筑的低温热泵装置，可以实现-100℃～-56.6℃温度长期连续地低温制冷。本发明以二氧化碳为循环冷媒。具有不易燃烧、无毒，使用时不会对环境及个人安全造成危害的特点，同时可以管理二氧化碳等温室气体，减小地球温暖化效应。

本发明提出了一种利用二氧化碳作为循环工质的低温制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使液体(或者液-气两相)二氧化碳膨胀，达到并低于二氧化碳三相点，变成固-气二氧化碳两相流体；

2)该固-气二氧化碳两相流体吸收待制冷环境的热量，升华变成气态；

3)气态二氧化碳被压缩成高压气体，再被冷却变成液态(或者液-气两相二氧化碳)；

4)液态(或者液-气两相二氧化碳)返回步骤1)反复循环进行步骤1)-4)的冷热交换过程，从而实现待制冷环境的低温制冷。

上述方法步骤1)所述的液体(或者液-气两相)二氧化碳，其压力应高于二氧化碳的

三相点压力0.528MPa，温度应高于二氧化碳的三相点温度-56.6℃；

上述方法步骤1)实现液体(或者液-气两相)二氧化碳膨胀的膨胀器可以是膨胀阀门，

也可以是膨胀喷嘴，还可以是其它一些形式的膨胀机构。

上述方法步骤2)所述的固-气二氧化碳两相流体，其压力应低于0.528MPa，温度应低于二氧化碳的三相点温度-56.6℃；所述固-气二氧化碳两相流体吸收热量，变成气态，可以通过蒸发器实现。

上述方法步骤3)气态二氧化碳被压缩成高压气体可采用压缩机实现，其压力应高于二氧化碳的三相点压力0.528MPa；该高压气体被冷却成液态(或者液-气两相二氧化碳)，可以通过一个或多个冷凝器构成的冷却器实现。

本发明提出的一种采用上述利用二氧化碳作为循环工质的低温制冷方法的低温热泵系统，其特征在于，该系统包括：膨胀器、蒸发器、压缩机，冷却器以及将各装置连接成一体的管路；

所述膨胀器入口通过管路和所述冷凝器的出口相连，该膨胀器出口通过管路和所述蒸发器入口相连；所述蒸发器置于待制冷环境中，该蒸发器出口通过管路和压缩机入口相连；该压缩机出口通过管路和冷却器组入口相连；从而构成循环工质的热泵回路，所述热泵回路中采用二氧化碳作为循环工质。

所述冷却器采用一个冷凝器或多个冷凝器串联成一体构成的多级冷凝器组(级数的多少可视系统的设备情况和应用场合而定)，该冷凝器的入口或冷凝器组的初级端入口通过管路和所述压缩机相连，该冷凝器的出口或冷凝器组的末级端出口通过管路和膨胀器的入口相连。

上述系统的工作过程为：液态二氧化碳(或者气液两相二氧化碳)进入膨胀器膨胀，变成固气两相二氧化碳流体；固气两相二氧化碳进入蒸发器中升华，吸收待制冷环境中的热量，从而完成制冷的目的，同时固气两相二氧化碳吸收热量后变成气态；气态二氧化碳经压缩机压缩成高压气体后进入冷却器中冷却，变成液态或者气液两相二氧化碳，再进入膨胀器中膨胀，从而完成一个完整的热交换循环，如此周而复始。