CN103017412A

CN103017412A - 一种二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统

Info

Publication number: CN103017412A
Application number: CN2012105740696A
Authority: CN
Inventors: 李敏霞; 孙志利; 马一太
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统，该系统由R290循环系统和CO₂循环系统组成，R290循环系统由R290压缩机、油分离器、四通换向阀、R290风冷式微通道换热器、干燥过滤器、节流阀和R290/CO₂微通道换热器构成；CO₂循环系统由R290/CO₂微通道换热器、第一电磁阀、低压储液罐、工质泵、第二电磁阀、CO₂风冷式微通道换热器、第三电磁阀和第四电磁阀构成。本发明能够安全、高效利用自然工质，减小R290可燃制冷剂的充灌量，降低CO₂在系统运行时的压力，通过设备的合理利用，提高整个热泵系统的效率和运行的安全性。

Description

一种二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统

技术领域

本发明涉及一种加热和制冷组合系统，更具体的说，是涉及一种热泵系统。

背景技术

自上世纪70年代始，各国都展开了工业合成制冷剂的限制措施，其中，《蒙特利尔议定书》要求禁止使用氯氟烃（CFC）类制冷剂并逐步淘汰氢氯氟烃（HCFC）类制冷剂。虽然HCFC类制冷剂的禁用日期规定为2030年，基于对环境保护的进一步认识，世界各国均加快了替代HCFC类制冷剂的步伐，我国也将在2013年将使用量冻结在2009年与2010年的平均消耗量基线水平上，实行人工合成制冷剂使用配额制度。因此，寻找替代二氟一氯甲烷（R22）等人工合成工质的任务极其紧迫。

对于HCFC类制冷剂的替代，目前主要有两条路线，一是以美国和日本为主的氯氟烃（CFC）替代路线，其中两元近共沸混合制冷工质，即二氟甲烷和五氟乙烷混合物（R410a）已广泛应用。二是以欧洲为主，特别是德国主张的碳氢化合物替代路线。碳氢化合物是天然存在的物质，与自然的亲和性已经延续了数百万年，其臭氧层衰减指数（ODP）、温室效应指数（DWP）均为零，不会对环境造成危害。在上述两种路线中，第一种替代路线显然是缓兵之计，虽然其ODP为0，但其DWP仍然较高，未来仍属淘汰行列。第二种技术路线采用的是自然界存在的碳氢化合物，属于自然工质，从制冷剂替代的长远考虑，走该种路线是大势所趋。在自然工质中，研究人员对丙烷（R290）和二氧化碳（CO₂）给予了很高的期望。R290是一种可以从液化气中直接获得的天然碳氢制冷剂，具有优良的热力性能，价格低廉，而且R290与普通润滑油和机械结构材料具有兼容性，ODP=0，GWP很小，不需要合成，不改变自然界碳氢化合物的含量，对温室效应没有直接影响。

目前我国空调行业使用最多的制冷剂是二氟一氯甲烷（R22）。R290与R22的标准沸点、凝固点、临界点等基本物理性质非常接近，具备替代R22的基本条件。在饱和液态时，R290的密度比R22小，因此相同容积下R290的灌注量更小。实验表明，相同系统体积下R290的灌注量是R22的43%左右。另外，R290具有良好的材料相容性，与铜、钢、铸铁、润滑油等均能良好相容。与氟利昂等人工合成制冷剂相比，天然工质R290的分子中不含有氯原子，因而ODP值为零，对臭氧层不具有破坏作用。

但R290目前不能得以大规模应用，主要瓶颈是其易燃易爆性未得到有效解决。为减小安全隐患，国际电工委员会（IEC）标准对R290制冷剂的最大安全灌注量进行了限制：10平方米房间内按2.2m的安装高度时，其灌注量须低于290g。减小灌注量后在一定程度上可减小制冷剂的泄漏量，提高R290使用的安全性。

CO₂制冷剂通常被称为R744制冷剂，它的GWP值最低，仅为1；R134a的GWP值为1430，比CO₂制冷剂的破坏能力强1430倍。尽管有些CO₂会从空调系统中泄露出去，但泄露的CO₂对环境产生的影响却很小。然而使用CO₂制冷剂的空调系统比目前市场上流行的使用R134a制冷剂的空调系统效率要低很多。因此CO₂潜热很大，换热性能非常好，粘性小，同时由于工作压力高，流动的压降对循环产生的影响非常小，非常适合做载冷剂。

综上所述，R290和CO₂在实际应用中都存在其难于迅速推广的缺点，即R290的可燃性及CO₂的高运行压力，但作为替代工质的一个技术路线，其自然工质的稳定性和与自然的和谐性的优势异常明显，二者的推广和应用有势在必行。因此如何趋利避害，更好的应用自然工质和减小系统制冷剂充灌量成为研究的一个热点课题。

发明内容

本发明是为了克服现有自然工质的不足之处，提供一种能够安全、高效利用自然工质的热泵系统，即二氧化碳（CO₂）做载冷剂的丙烷（R290）热泵系统，减小R290可燃制冷剂的充灌量，降低CO₂在系统运行时的压力，通过设备的合理利用，提高整个热泵系统的效率和运行的安全性。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统，该系统由R290循环系统和CO₂循环系统组成；

所述R290循环系统由R290压缩机、油分离器、四通换向阀、R290风冷式微通道换热器、干燥过滤器、节流阀和R290/CO₂微通道换热器构成，其中四通换向阀的左端口和上端口或下端口连通、右端口和上端口或下端口连通，所述R290压缩机的出口与所述油分离器的入口连接，所述油分离器的出口与所述四通换向阀的下端口连接，所述四通换向阀的右端口依次连接所述风冷式微通道换热器、所述干燥过滤器和所述节流阀，所述节流阀与所述R290/CO₂微通道换热器中R290侧的一端连接，所述R290/CO₂微通道换热器中R290侧的另一端与所述四通换向阀的左端口连接，所述四通换向阀的上端口与所述R290压缩机的入口连接；

所述CO₂循环系统由R290/CO₂微通道换热器、第一电磁阀、低压储液罐、工质泵、第二电磁阀、CO₂风冷式微通道换热器、第三电磁阀和第四电磁阀构成，所述R290/CO₂微通道换热器中CO₂侧的一端分别与所述第一电磁阀的一端和所述第四电磁阀的一端连接，所述第一电磁阀的另一端分别与所述第三电磁阀的一端和所述低压储液罐的入口连接，所述低压储液罐的出口与所述工质泵的入口连接，所述工质泵的出口分别与所述第四电磁阀的另一端和所述第二电磁阀的一端连接，所述第二电磁阀的另一端分别与所述第三电磁阀的另一端和所述CO₂风冷式微通道换热器的一端连接，所述CO₂风冷式微通道换热器的另一端与所述R290/CO₂微通道换热器中CO₂侧的另一端连接。

所述R290/CO₂微通道换热器和所述CO₂风冷式微通道换热器的通道水力直径为0.1mm~2mm。

本发明的有益效果是：

（一）本发明的热泵系统中通过控制电磁阀的启闭实现制冷和供热工况下制冷剂流向的快速切换，保证了低压储液罐和工质泵入口始终为液态载冷剂，提高系统运行的稳定性；

（二）本发明的热泵系统过控制电磁阀的启闭实现制冷和供热工况下R290/CO₂微通道换热器内制冷剂流动的方向，使系统中R290/CO₂微通道换热器始终为逆流式换热，增强了换热效果；

（三）本发明的热泵系统的换热器全部为微通道换热器，在相同的换热量下，其制冷剂充灌量大幅度减小，提高了系统运行的安全性，同时大大减小了系统的体积和占地面积；

（四）本发明的热泵系统实现了热泵制冷剂循环和载冷剂循环的分离，将R290循环系统至于供冷或供热的区域之外，使R290循环系统与供冷或供热空间分离，即使R290出现泄漏问题也保证了供冷或供热空间的安全，提高整个系统运行的安全性和可靠性。CO₂做为一种灭火剂，一旦发生R290泄漏危险，CO₂可以被释放起到阻隔燃烧的作用。

附图说明

图1是本发明所提供的二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统的结构示意图；

图2是本发明所提供的二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统的制冷工况原理图；

图3是本发明所提供的二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统的供热工况原理图。

其中：实线表示开启管路，虚线表示关闭管路；

图中：1，R290压缩机；2，油分离器；3，四通换向阀；4，R290风冷式微通道换热器；

5，干燥过滤器；6，节流阀；7，R290/CO₂微通道换热器；8，第一电磁阀；

9，低压储液罐；10，工质泵；11，第二电磁阀；12，CO₂微通道换热器；13，第三电磁阀；

14，第四电磁阀。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例披露了一种二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统，该系统由R290循环系统和CO₂循环系统组成；

R290循环系统由R290压缩机1、油分离器2、四通换向阀3、R290风冷式微通道换热器4、干燥过滤器5、节流阀6和R290/CO2微通道换热器7构成。其中四通换向阀3的左端口和上端口或下端口连通、右端口和上端口或下端口连通。

R290压缩机1的出口与油分离器2的入口连接，油分离器2的出口与四通换向阀3的下端口连接。四通换向阀3的右端口依次连接风冷式微通道换热器4、干燥过滤器5和节流阀6。节流阀6再与R290/CO₂微通道换热器7中R290侧的一端连接，R290/CO₂微通道换热器7中R290侧的另一端与四通换向阀3的左端口连接，四通换向阀3的上端口与R290压缩机1的入口连接，从而构成R290循环系统。

CO₂循环系统由R290/CO₂微通道换热器7、第一电磁阀8、低压储液罐9、工质泵10、第二电磁阀11、CO₂风冷式微通道换热器12、第三电磁阀13以及第四电磁阀14构成。

R290/CO₂微通道换热器7中CO₂侧的一端分别与第一电磁阀8的一端和第四电磁阀14的一端连接，第一电磁阀8的另一端分别与第三电磁阀13的一端和低压储液罐9的入口连接。低压储液罐9的出口与工质泵10的入口连接，工质泵10的出口分别与所述第四电磁阀14的另一端和第二电磁阀11的一端连接。第二电磁阀11的另一端分别与第三电磁阀13的另一端和CO₂风冷式微通道换热器12的一端连接，CO₂风冷式微通道换热器12的另一端与R290/CO₂微通道换热器7中CO₂侧的另一端连接，从而构成CO₂载冷剂循环系统。

其中，R290/CO₂微通道换热器（7）和CO₂风冷式微通道换热器（12）的通道水力直径尺寸以0.1mm~2mm为佳。

本发明新型所提供的二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统的工作原理如下：

在制冷工况下，如图2所示，第一电磁阀8和第二电磁阀11开启，第三电磁阀13和第四电磁阀14关闭。

R290压缩机1排出的高温高压气体经油分离器2和四通换向阀3后，首先进入R290风冷式微通道换热器4进行热量交换，冷却为高温高压的液态制冷剂，从R290风冷式微通道换热器4出来的高压液态制冷剂经干燥过滤器5和节流阀6后成为低温低压的R290液态制冷剂，而后进入R290/CO₂微通道换热器7中的R290侧，吸收CO₂气态载冷剂的热量变为低温低压的R290气态制冷剂，然后经四通换向阀3与R290压缩机1入口连接，完成制冷工况下的R290侧系统循环。

通过R290/CO₂微通道换热器7中CO₂侧的CO₂气态载冷剂被冷却为CO₂液态载冷剂，经第一电磁阀8进入低压储液罐9，经工质泵10和第二电磁阀11后进入CO₂风冷式微通道换热器12进行蒸发换热，为室内环境提供冷量，而后变为CO₂气态制冷剂进入R290/CO₂微通道换热器7中CO₂侧继续冷却，完成CO₂载冷剂系统循环。

在供热工况下，如图3所示，第三电磁阀13和第四电磁阀14开启，第一电磁阀8和第二电磁阀11关闭。

R290压缩机1排出的高温高压气体经油分离器2和四通换向阀3后，首先进入R290/CO₂微通道换热器7中R290侧与CO₂载冷剂进行热量交换，由高温高压气态R290制冷剂变为高温高压液态R290制冷剂，而后R290制冷剂进入节流阀6进行节流降压，成为低温低压的R290液态制冷剂，经干燥过滤器5进入R290风冷式微通道换热4，吸收空气中热量变为低温低压R290气态制冷剂，然后经四通换向阀3回到压缩机吸气口，完成供热工况下的R290侧系统循环。

在CO₂载冷剂循环中，通过R290/CO₂微通道换热器7中CO₂侧的CO₂液态载冷剂被加热为CO₂气态载冷剂，而后进入CO₂风冷式微通道换热器12为室内提供热量，同时CO₂载冷剂由气态变为液态，经第三电磁阀13进入低压储液罐9，在工质泵10的作用下经第四电磁阀14进入R290/CO₂微通道换热器7中的CO₂侧继续蒸发吸热，由CO₂液态载冷剂变为CO₂气态载冷剂，完成CO₂载冷剂系统循环。

尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统，其特征在于，该系统由R290循环系统和CO₂循环系统组成；

所述R290循环系统由R290压缩机（1）、油分离器（2）、四通换向阀（3）、R290风冷式微通道换热器（4）、干燥过滤器（5）、节流阀（6）和R290/CO₂微通道换热器（7）构成，其中四通换向阀（3）的左端口和上端口或下端口连通、右端口和上端口或下端口连通，所述R290压缩机（1）的出口与所述油分离器（2）的入口连接，所述油分离器（2）的出口与所述四通换向阀（3）的下端口连接，所述四通换向阀（3）的右端口依次连接所述风冷式微通道换热器（4）、所述干燥过滤器（5）和所述节流阀（6），所述节流阀（6）与所述R290/CO₂微通道换热器（7）中R290侧的一端连接，所述R290/CO₂微通道换热器（7）中R290侧的另一端与所述四通换向阀（3）的左端口连接，所述四通换向阀（3）的上端口与所述R290压缩机（1）的入口连接；

所述CO₂循环系统由R290/CO₂微通道换热器（7）、第一电磁阀（8）、低压储液罐（9）、工质泵（10）、第二电磁阀（11）、CO₂风冷式微通道换热器（12）、第三电磁阀（13）和第四电磁阀（14）构成，所述R290/CO₂微通道换热器（7）中CO₂侧的一端分别与所述第一电磁阀（8）的一端和所述第四电磁阀（14）的一端连接，所述第一电磁阀（8）的另一端分别与所述第三电磁阀（13）的一端和所述低压储液罐（9）的入口连接，所述低压储液罐（9）的出口与所述工质泵（10）的入口连接，所述工质泵（10）的出口分别与所述第四电磁阀（14）的另一端和所述第二电磁阀（11）的一端连接，所述第二电磁阀（11）的另一端分别与所述第三电磁阀（13）的另一端和所述CO₂风冷式微通道换热器（12）的一端连接，所述CO₂风冷式微通道换热器（12）的另一端与所述R290/CO₂微通道换热器（7）中CO₂侧的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳做载冷剂的丙烷热泵系统，其特征在于，所述R290/CO₂微通道换热器（7）和所述CO₂风冷式微通道换热器（12）的通道水力直径为01mm~2mm。