CN103234302B - 一种液体循环型热泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体循环型热泵装置，它包括供热循环回路：是指从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入冷凝蒸发器（8），将冷量传递给返流的制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经压缩机（5）增压升温后送至用户系统（6）进行供热；从用户系统（6）出来的制冷剂气体（7）经冷凝蒸发器（8）、节流阀（9）返回制冷剂贮罐（1），从而形成所述的供热循环回路。本发明的供热过程蒸发器的冷量得到有效回收，蒸发器工作不受外界环境因素的影响，设备的安装、维修等工作量有效降低，是对传统热泵技术的突破。

Description

一种液体循环型热泵装置

技术领域

本发明涉及一种液体循环型热泵装置，具体属热泵技术领域。

背景技术

传统热泵的理论基础源于19世纪早期卡诺的发现,他在1824年发表了关于卡诺循环的论文。1852年汤姆逊首先提出了采用空气作为工质的热泵设想；1854年开尔文提出：冷冻装置可以用于加热。19世纪70年代，应用卡诺原理的制冷设备的开发工作得到了迅速的发展，但热泵的开发工作却远落于其后。1973年世界能源危机的出现，使得欧洲各国和苏、日、美、澳等国家对热泵工作十分重视。目前，世界各国对热泵的兴趣越来越大，欧洲、日本、北美的制造厂商都为工业、商业、建筑和民用提供大量热泵。诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，而不少新技术试验或现有热泵技术在新领域的推广应用工作正在进行或规划之中，热泵的用途在不断地拓展。热泵在节约能源方面正起着越来越重大的作用。

传统热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象，其工作原理与制冷机相同，都是按热机的逆循环工作的，所不同的只是工作温度范围。对于某些同时需要供热和制冷的某些工业部门，如肉类加工、食品、乳制品加工等，运用热泵装置进行综合供冷和供热，就显得更为经济合理。

以热泵型空调为例，对于冬季使用的家用热泵型空调，采用制冷机循环得到的大量的冷量仅用于在室外作为蒸发器吸收周围环境的废热，其本质上使一种很大的浪费；当冬季环境温度较低、阴雨连绵、空气湿度大、潮湿阴冷地区冬季供热时，市场上销售的普通空气源热泵空调，制热量衰减十分严重，甚至无法正常启动运行；因此在我国北方寒冷地区普通空气源热泵空调基本上只能在过渡季节使用，一旦进入寒冷的严冬季节，普通的空气源热泵空调几乎无法满足基本的供热需求。众所周知，在我国北方传统的集中供热采暖方式以燃煤、燃气为主，而这种供暖方式无论在节能、环保还是在安全方面都还无法达到社会发展的要求。因此必须要开发适用于在严寒的冬季正常运转的低温型热泵空调与之配套，必须要同时配备相应的辅助设备系统。

传统热泵理论的主要基础是热力学，即采用同温差的卡诺逆循环分析制冷循环过程，制冷循环的经济性指标是制冷系数，就是得到的收益和耗费的代价之比值，并且以大气环境温度T₀与温度为T_C低温热源（如冷库）之间的一切制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数为最高：

${\mathrm{\ϵ}}_c={\left(\mathrm{COP}\right)}_{R,C}=\frac{q_2}{w_0}=\frac{T_c}{T_0-T_c}---\left(1\right)$

上式中的ε_c为制冷系数，q₂为循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功。

实际上，卡诺在“关于热动力的见解”的论文中，得出的结论为：“在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机，以可逆热机的效率为最高。”即被后人称之为卡诺定理，按理想气体状态方程进行整理得出的卡诺循环的热效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_2}{T_1}---\left(2\right)$

公式（2）中的高温热源的温度T₁与低温热源的温度为T₂均高于大气环境温度T₀，并可以得出以下几点重要结论：

1）卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质吸热和放热时的温度，提高T₁和降低T₂，可以提高热效率。

2）卡诺循环的热效率只能小于1，绝不能等于1，因为T₁＝∞或T₂=0都不可能实现。这就是说，在循环发动机中即使在理想情况下，也不可能将热能全部转化为机械能，热效率当然更不可能大于1。

3）当T₁＝T₂时，循环热效率等于0，它表明，在温度平衡的体系中，热能不可能转化为机械能，热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，从而验证了借助单一热源连续做功的机器是制造不出的，或第二类永动机是不存在的。

4）卡诺循环及其热效率公式在热力学的发展上具有重大意义。首先，它奠定了热力学第二定律的理论基础；其次，卡诺循环的研究为提高各种热动力机热效率指出了方向，近可能提高工质的吸热温度和尽可能降低工质的放热温度，使放热在接近可自然得到的最低温度即大气温度时进行。卡诺循环中所提出的利用绝热压缩以提高气体吸热温度的方法，至今在以气体为工质的热动力机中仍普遍采用。

5）卡诺循环的极限点是大气环境温度，对低于环境温度的制冷过程循环，卡诺循环并没有给出明确的答案。

由于制冷系数的不完善性，国内外众多的学者对其进行研究，并提出了完善建议。马一太等在《制冷与热泵产品的能效标准研究和循环热力学完善度的分析》中结合Curzon和Ahlborn把有温差传热这个不可逆过程引入热力循环的分析，以及由此创建的有限时间热力学的启发，结合CA循环效率，提出了CA正循环的热力学完善度，使制冷和热泵产品的能效研究有了一定程度的进展。

但是运用热力学的基本理论并不能对热泵循环做出简洁、明了、直观的解释。因此，真正找到热泵循环的正确的理论基础，在此理论基础上提出新的液体循环型热泵装置并能够应用于实际中，成为热泵领域研究的难点。

发明内容

本发明的目的就是为解决卡诺定理应用于热泵理论分析的不完善性，提出对应于热力学理论的制冷理论即冷力学理论，以及应用该理论设计的新的液体循环型热泵装置。

描述冷力学理论的基本公式为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_{c1}}---\left(3\right)$

公式（3）中，Tc2＜Tc1＜To，To为环境温度，均为开氏温标。

相对环境温度To而言，冷源在Tc1、Tc2下的最大冷效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c1}}{T_0}---\left(4\right)$

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_0}---\left(5\right)$

假设为q₂循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功，则在冷源温度为Tc1时：

$w_0=(1-\frac{T_{c1}}{T_0})q_2---\left(6\right)$

同样，在冷源温度为Tc2时：

$w_0=(1-\frac{T_{c2}}{T_0})q_2---\left(7\right)$

从公式（4）至（7）不难看出，冷力学的效率为0到1之间，由于实际过程中不可逆性的不可避免，制冷循环效率是小于1的；环境温度To确定时，冷源温度越低，输入同样的功，获得的制冷量越多，从而为构造新的制冷循环即电冷高效转换指明了方向。

${\mathrm{\η}}_c=1-\sqrt{\frac{T_{c1}}{T_0}}---\left(8\right)$

假设热泵的供热平均温度为T₁，供热量为Q₀，环境温度为T₀，冷端平均吸热温度为Tc，吸热量为Q₂，则热泵的理论效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{(1-\frac{T_0}{T_1})Q_0+(1-\frac{T_c}{T_0})Q_2}{W}---\left(9\right)$

考虑有限时间冷力学观点，改进后的热泵效率公式：

$\mathrm{\η}=\frac{(1-\sqrt{\frac{T_0}{T_1}})Q_0+(1-\sqrt{\frac{T_c}{T_0}})Q_2}{W}---\left(10\right)$

基于上述基本原理，本发明提出不同于传统的热泵装置，采用回冷器回收气态制冷剂因压缩产生的冷量，从而提高热泵装置的循环效率，使提出的冷力学理论成为真正的能够指导热泵技术开发实践的初步完善的理论体系。

本发明的目的是通过以下措施实现的：一种液体循环型热泵装置，该装置包括供热循环回路，其特征在于：

所述的液体循环型热泵装置，是指从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入冷凝蒸发器（8），将冷量传递给返流的制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经压缩机（5）增压后送至用户系统（6）进行供热；从用户系统（6）出来的制冷剂气体经冷凝蒸发器（8）、节流阀（9）返回制冷剂贮罐（1），从而形成液体循环型热泵装置的供热循环回路。

设有冷交换器（4）：

从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入冷凝蒸发器（8）、冷交换器（4），将冷量传递给返流的制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经压缩机（5）增压后送至用户系统（6）进行供热；从用户系统（6）出来的制冷剂气体经冷交换器（4）、冷凝蒸发器（8）、节流阀（9）返回制冷剂贮罐（1），从而形成液体循环型热泵装置的供热循环回路。

所述的冷交换器（4）采用必要的强化传热措施，如增加肋片、采用板翅式换热器、微通道换热器等，所述的冷交换器（4）中的换冷介质采用间接传冷方式。

所述的压缩机（5）可以采用变频调速装置。

所述的制冷剂贮罐（1）采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光砂等隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。

设有与本发明的液体循环型热泵装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、与传统的热泵装置相比，供热循环中的蒸发器不受外界环境因素的影响，压缩机压缩制冷剂供热时，气态制冷剂因压缩产生的制冷量得到有效回收，设备安装便捷、安全，流程设置更加简洁，更符合节能环保原则，是对传统热泵技术的突破。

2、设备的维修工作量较传统的热泵装置有极大程度的降低，整个机组的使用寿命大为延长。

3、传冷、换热强化：较传统的热泵装置，可以方便地采用强化传冷元件，热泵机组的效率提高较多，达20%以上。

附图说明

图1是本发明的一种液体循环型热泵装置流程示意图。

图1中：1-制冷剂贮罐，2-液态制冷剂，3-低温液体泵，3-1-低温液体泵旁路管线，3-2-冷交换器进口管线,4-冷交换器，5-压缩机，6-用户系统，7-制冷剂气体，8-冷凝蒸发器，9-节流阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1。

如图1所示，一种液体循环型热泵装置，具体实施例如下：

从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入冷凝蒸发器（8）、冷交换器（4），将冷量传递给返流的制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经压缩机（5）增压后送至用户系统（6）进行供热；从用户系统（6）出来的制冷剂气体（7）经冷交换器（4）、冷凝蒸发器（8）、节流阀（9）返回制冷剂贮罐（1），从而形成液体循环型热泵装置的供热循环回路。

所述的冷交换器（4）采用必要的强化传热措施，如增加肋片、采用板翅式换热器、微通道换热器等，所述的冷交换器（4）中的换冷介质采用间接传冷方式。

所述的压缩机（5）可以采用变频调速装置。

所述的制冷剂贮罐（1）采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光砂等隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。

设有与本发明的液体循环型热泵装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。

Claims (3)

1.一种液体循环型热泵装置，它包括供热循环回路，其特征在于：

所述供热循环回路，是指从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入冷凝蒸发器（8），将冷量传递给返流的制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经压缩机（5）增压升温后送至用户系统（6）进行供热；从用户系统（6）出来的制冷剂气体（7）经冷凝蒸发器（8）、节流阀（9）返回制冷剂贮罐（1），从而形成所述的供热循环回路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

设有冷交换器（4）：

从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入冷凝蒸发器（8）、冷交换器（4），将冷量传递给返流的制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经压缩机（5）增压升温后送至用户系统（6）进行供热；从用户系统（6）出来的制冷剂气体（7）经冷交换器（4）、冷凝蒸发器（8）、节流阀（9）返回制冷剂贮罐（1），从而形成所述的供热循环回路。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述的压缩机（5）采用变频调速装置。