CN102374694A - Co2多级喷射循环热泵、空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了CO₂多级喷射循环热泵、空调系统，包括依次连接并构成连接回路的气体冷却器、压缩机、一级汽液分离器、一级喷射器，还包括有依次连接并构成连接回路的二级汽液分离器、二级喷射器、节流阀和蒸发器；所述二级汽液分离器的一端与一级喷射器连接，所述二级喷射器的一端与一级汽液分离器连接。与无喷射器的基本循环或单个喷射器的喷射循环热泵/空调相比，两级或(多级)喷射循环能够更大幅度的提高压缩机吸气压力，减少压缩机功耗，从而提高热泵/空调系统的COP。该循环系统摆脱了传统的喷射循环仅仅使用一个喷射器的思维束缚，能够更加充分的回收膨胀功，特别适用于提高冷凝器和蒸发器压差较大的热泵/空调系统的性能，典型的例子是提高采用CO₂作为制冷剂的热泵/空调系统的性能。

Description

CO2多级喷射循环热泵、空调系统

技术领域

本发明涉及一种热泵/空调系统，特别是涉及一种适用于高低压两侧压差较大的热泵/空调系统，如CO₂跨临界循环热泵等。

背景技术

为了保护大气臭氧层和缓解全球日益变暖的气候环境，采用自然工质作为制冷剂是制冷界最终彻底解决该问题的方法。CO₂作为一种”早期”的制冷剂，是一种绿色环保的天然工质。首先，CO₂是一种绿色环保的自然冷媒，对环境无害的自然界天然存在的物质，环境性能优良。与传统冷媒氟利昂相比，CO₂对臭氧层的破坏性(ODP)为零；与目前氟利昂的替代冷媒R134a和R22相比，CO₂温室效应(GWP)很小，仅为前者的千分之一。

此外，CO₂作为热泵系统冷媒还具有许多优点：(1)单位容积制冷量大。其容积制冷量约为R22的5倍。(2)具有优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。(3)来源广泛，价格低廉，不需回收。(4)化学稳定性好，完全适用于普通的润滑油和通常的制造材料。(5)安全无毒，不可燃，适应各种润滑油及常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体。(6)CO₂跨临界循环的压缩比要比常规工质循环低，压缩机的容积效率可维持在较高的水平。(7)绝热指数高。虽然可能存在使压缩机排气温度偏高的问题，但符合制取高温热水的要求。

随着人们对环境保护和人类可持续发展的高度重视，以及人们对舒适性要求的增加，制取热水所消耗的能源逐年上升。为了有效降低能耗，提高综合能源利用率，利用环保、高能效比的制热系统便成为今后发展的重点。

但是以自然工质CO₂作为制冷剂的热泵/空调基本循环系统普遍存在节流损失过大，系统COP不够高的缺陷。这是因为CO₂系统的高压侧处于超临界状态压力在10MPa左右，而低压侧处于亚临界状态压力在3～4MPa之间，通过节流元件的压差约7MPa，节流损失非常大，在相同当量冷凝温度的情况下，CO₂循环的效率比常规工质低20％～30％。但是CO₂跨临界循环的膨胀比很小，一般为2～4，膨胀功却比较大，通常占压缩功的25％～30％。因此膨胀功的回收是提高CO₂跨临界循环效率的主要措施。目前存在的方法有用膨胀机代替膨胀阀回收膨胀功，用于发电或带动压缩机；用喷射器代替节流阀提高压缩机吸气入口压力减少压缩机功耗等方法。

其中采用喷射器提高吸气压力的方法是经济上和技术上都较为可行的方法。目前文献上采用的CO₂喷射循环都是仅仅采用一个喷射器，喷射器出口压力与蒸发器之间仍然有较大的压差，达到2～4MPa，仍然存在较大的节流损失，需要进一步回收膨胀功。因此，本发明提出了采用两个或多个喷射器将膨胀功多次回收，有效减少节流损失，提高系统性能。

需要进一步说明的是，以上内容虽然主要以CO₂作为制冷剂的情况进行论述，其回收压缩功，减少节流损失的方法同样适用于其它制冷剂，只要循环系统的高低压侧压差较大，存在较大的节流损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新颖的CO₂热泵/空调循环系统构型，该系统能够大幅度减少CO₂跨临界热泵空调循环节流损失，提高系统COP。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：CO₂多级喷射循环热泵、空调系统，包括依次连接并构成连接回路的气体冷却器、压缩机、一级汽液分离器、一级喷射器，还包括有依次连接并构成连接回路的二级汽液分离器、二级喷射器、节流阀和蒸发器；所述二级汽液分离器的一端与一级喷射器连接，所述二级喷射器的一端与一级汽液分离器连接。

在所述二级汽液分离器和二级喷射器之间还串联连接有三级喷射器和三级汽液分离器，所述三级喷射器、三级汽液分离器、节流阀、蒸发器依次连接并构成连接回路。

其中喷射器和汽液分离器配对使用。制冷剂经压缩机压缩后进入气体冷却器冷凝变为液体后作为工作介质进入喷射器主动流喷嘴，将下一级喷射器出来的制冷剂分离出的气态部分引射进入喷射器，工作介质和引射介质两股制冷剂在喷射器混合段混合随后进入扩压段升压，再排入汽液分离器，分离器中的气态制冷剂被吸入压缩机压缩，液体制冷剂作为工作介质进入二级喷射器主动流喷嘴，并将蒸发器蒸发出来的制冷剂引射吸入喷射器，同样两股流体经过混合扩压后进入汽液分离器分离，气态制冷剂被引射吸入一级喷射器，液体制冷剂进入蒸发器。依此类推，可设置三级、四级甚至更多级喷射循环。

这样，双级或多级喷射循环的压缩机入口吸气压力要比基本循环或单级喷射循环的入口压力大得多，减小了压缩机的压比，末级喷射器的出口压力与蒸发器的内部压力更接近，从而减少节流损失，提高了系统循环COP。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：与无喷射器的基本循环或单个喷射器的喷射循环热泵/空调相比，两级或(多级)喷射循环能够更大幅度的提高压缩机吸气压力，减少压缩机功耗，从而提高热泵/空调系统的COP。该循环系统摆脱了传统的喷射循环仅仅使用一个喷射器的思维束缚，能够更加充分的回收膨胀功，特别适用于提高冷凝器和蒸发器压差较大的热泵/空调系统的性能，典型的例子是提高采用CO₂作为制冷剂的热泵/空调系统的性能。

附图说明

图1为本发明的双级喷射循环构型示意图；

图2为CO₂双级喷射循环(实线箭头)与基本循环(虚线箭头)的p-h图对比；

图3为多级喷射循环系统构型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参阅图1所示，CO₂多级喷射循环热泵、空调系统，包括依次连接并构成连接回路的气体冷却器2、压缩机1、一级汽液分离器4、一级喷射器3，还包括有依次连接并构成连接回路的二级汽液分离器6、二级喷射器5、节流阀7和蒸发器8；二级汽液分离器6的一端与一级喷射器3连接，二级喷射器5的一端与一级汽液分离器4连接。

一级喷射器3的作用是将气体冷却器出来的高压液体作为工作介质，引射二级汽液分离器6分离出来的气态制冷剂，经混合扩压后，进入一级汽液分离器4，其压力高于二级汽液分离器6中的压力。一级汽液分离器4分离出来的气态制冷剂将以较高的压力进入压缩机1，从而减小压比，即减少压缩机1的功耗。而一级汽液分离器4分离出来的液体进入二级喷射器5作为工作介质，引射从蒸发器8出来的压力较低的制冷剂，经混合扩压后进入二级汽液分离器6，二级汽液分离器6中的压力高于蒸发器8中的压力，低于气体冷却器2的压力，这样二级汽液分离器6分离出的液体将以较小的压差通过节流阀7进入蒸发器8，减少节流损失。系统循环的p-h图如图2所示，双级喷射循环的压缩机的进出口a-b的压差和节流膨胀h-i的压差均分别远小于基本循环压缩机进出口j-b’的压差和节流膨胀c-i’的压差。因而整个系统的压缩比减少，节流损失降低，性能得到提高，膨胀功得到二次回收。

依次类推，还可以进行三级甚至更多级的喷射循环，更加充分的回收膨胀功。请参阅图3所示，在二级汽液分离器6和二级喷射器5之间还串联连接有三级喷射器9和三级汽液分离器10，三级喷射器9、三级汽液分离器10、节流阀7、蒸发器8依次连接并构成连接回路。但实际情况下，鉴于管道流阻，以及增加喷射器和分离器器件的成本，喷射级数不可能是越多越好。最佳喷射数将根据实际系统规模和成本限制而定。

另外，还要说明的是完整的热泵/空调系统还应包括各种传感器、控制器、阀门、甚至旁通管路等配套元件，便于对系统进行实际操作和应用，在此不再详细阐述，将根据实际应用情况而定。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.CO₂多级喷射循环热泵、空调系统，其特征在于：包括依次连接并构成连接回路的气体冷却器(2)、压缩机(1)、一级汽液分离器(4)、一级喷射器(3)，还包括有依次连接并构成连接回路的二级汽液分离器(6)、二级喷射器(5)、节流阀(7)和蒸发器(8)；所述二级汽液分离器(6)的一端与一级喷射器(3)连接，所述二级喷射器(5)的一端与一级汽液分离器(4)连接。

2.如权利要求1所述的CO₂多级喷射循环热泵、空调系统，其特征在于：在所述二级汽液分离器(6)和二级喷射器(5)之间还串联连接有三级喷射器(9)和三级汽液分离器(10)，所述三级喷射器(9)、三级汽液分离器(10)、节流阀(7)、蒸发器(8)依次连接并构成连接回路。

Images