CN103900281A - 一种可实现循环加热的二氧化碳热泵装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可实现循环加热的二氧化碳热泵装置及使用方法。本发明的二氧化碳压缩机和二氧化碳压缩机的输出端并联后连接到油分离器和气体冷却器，对进入气体冷却器的热水进行加热，气体冷却器出来的二氧化碳制冷剂分为两路，一路进入换热器和换热器进一步冷却，热交换后通过气体加热器连接到二氧化碳压缩机；另一路通过电子膨胀阀连接到换热器，制冷剂先进入换热器，然后进入换热器，从换热器出来的制冷剂与从油分离器中分离出来的经过阀的润滑油混合后，被二氧化碳压缩机吸收并压缩。有益效果是：全部采用自然工质二氧化碳制冷剂，更加环保，对热水循环加热的效果更稳定；与常规CO2热泵相比，在进水温度较高的条件下本装置可以提高热泵效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳热泵装置，特别涉及一种可实现循环加热的二氧化碳热泵装置及使用方法。
背景技术
近年来，自然工质二氧化碳因其无毒、不可燃、臭氧破坏指数GDP为0、全球变暖潜值GWP为1等优势越来越多地受到制冷行业的重视，二氧化碳被认为是热泵系统工质替代中最有潜力的天然工质之一。二氧化碳热泵系统凭借其独特的性能，可以很轻松的制取60℃以上的热水。二氧化碳热泵系统良好的特性使得即使在低温的环境下，也可以达到较高的能效比和热水温度。但是，它也有其局限性，临界温度为31℃，常温冷却条件下系统循环的高压侧处于近临界或超临界状态，适合于一次性加热热水。当热水进水温度较高时，效率大幅降低，不适合于热水的循环加热。如图1所示，当进水温度较高时，制热效率将大幅降低，不适合于热水的循环加热。
国外对二氧化碳热泵系统也进行了不少的研究，主要集中在生活热水的制取和低温地板辐射采暖方向上，如日本的DENSO公司生产的二氧化碳热泵热水器可以将生活热水从30℃一次性加热到90℃，日本DAKIN公司生产的二氧化碳热泵热水器不仅可以制取生活热水，而且可以用于地板辐射采暖。对二氧化碳热泵用于高温段热水循环制热的系统还没有出现。
中国专利文献号为CN2890744Y，专利名称为《双联双温平衡式冷热水装置》，在两台压缩机、的四通电磁换向阀、和换热器之间依次设置四通电磁换向阀、卸荷阀、单向阀、三通电磁换向阀、换热器、毛细管、单向阀、三通电磁换向阀、单向阀、四通电磁换向阀、卸荷阀、毛细管、单向阀、三通电磁换向阀、单向阀、毛细管、三通电磁换向阀，热水箱分别与空调阀连接。具有蓄热、蓄冷和缓冲功能,既可以冷暖空调,又可以提供生活热水;既可以单独运行,又可以并联或串联运行。问题是其制冷剂的热交换是发生在两个相互独立的制冷系统中的热交换，热效率并不高。
本公司已经申报的中国专利文献号为102563969A，专利名称为《一种可实现循环加热的双系统热泵装置及制热方法》，由两套热泵系统组成，一套为二氧化碳热泵系统，一套为非二氧化碳热泵系统；从外界吸热部分由二氧化碳热泵系统完成，热水的加热部分由二氧化碳热泵和非二氧化碳热泵系统共同完成；通过两套热泵系统组成循环加热系统，二氧化碳热泵系统在加热进水温度较高的热水后，二氧化碳冷媒的温度仍然较高，需要进一步冷却；此时，通过常规热泵吸收从气体冷却器出来的二氧化碳气体的温度，使之进一步降低；同时，常规热泵吸收了二氧化碳气体的能量后，也制取热水。其存在的问题是：水路并联进入二氧化碳热泵系统的气冷和水源热泵系统的冷凝器，水路阻力不一样，对水流量的分配不易调节。此外，水源热泵使用人工合成的制冷剂，对自然不友好，不符合环保的趋势。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种可实现循环加热的二氧化碳热泵装置及使用方法，全部采用二氧化碳作为制冷剂，可以使二氧化碳热泵应用于需要高温热水循环加热的场所，如热水从40℃进入二氧化碳热泵系统被加热到90℃。
一种可实现循环加热的二氧化碳热泵装置，包括二氧化碳压缩机、二氧化碳压缩机、油分离器、气体冷却器、换热器、换热器、换热器、电子膨胀阀、电子膨胀阀、蒸发器、储液器、电磁阀、气体加热器、阀，
所述的二氧化碳压缩机和二氧化碳压缩机的输出端并联后连接到油分离器，油分离器的输出端连接到气体冷却器，对进入气体冷却器的热水进行加热，气体冷却器出来的二氧化碳制冷剂分为两路，一路进入换热器和换热器进一步冷却，从换热器出来的二氧化碳制冷剂再进入换热器，换热器通过电子膨胀阀节流降压之后连接到蒸发器和储液器，储液器的上部出口和下部出口并联后，再连接换热器，热交换后通过气体加热器连接到二氧化碳压缩机；
另一路通过电子膨胀阀连接到换热器，制冷剂先进入换热器，然后进入换热器，从换热器出来的制冷剂与从油分离器中分离出来的经过阀的润滑油混合后，被二氧化碳压缩机吸收并压缩。
本发明提到的一种可实现循环加热的二氧化碳热泵装置的使用方法，其工作步骤如下：
1）二氧化碳压缩机和二氧化碳压缩机排出的高温高压二氧化碳制冷剂进入油分离器，对润滑油和冷媒进行分离；
2）制冷剂在气体冷却器加热热水；
3）从气体冷却器出来的二氧化碳制冷剂分为两部分：
第一部分先进入换热器，然后进入换热器，进一步冷却；从换热器出来的二氧化碳制冷剂再进入换热器，出来后经过电子膨胀阀节流降压，变成气液混合物，进入蒸发器；从蒸发器出来的二氧化碳制冷剂进入储液器，进行气液分离，储液器下部的出口管路安装有电磁阀，通过对电磁阀的开关控制可以进行压缩机吸气过热度的调节；从储液器上部出来的气态制冷剂和从储液器下部出来的液态制冷剂混合后，进入换热器，热交换后进入气体加热器从气体加热器出来的制冷剂被二氧化碳压缩机吸收后压缩，再进入油分离器；
从气体冷却器分出的第二部分制冷剂经电子膨胀阀后，先进入换热器，然后进入换热器；与从换热器出来的制冷剂与从油分离器中分离出来的经过阀的润滑油混合后，被二氧化碳压缩机吸收并压缩，再进入油分离器；经过上述循环，达到使用二氧化碳热泵系统进行热水循环加热的目的。
本发明的有益效果是：全部采用自然工质二氧化碳制冷剂，更加环保，对热水循环加热的效果更稳定；与常规CO2热泵相比，在进水温度较高的条件下本装置可以提高热泵效率；经过试验得知：在进水温度40℃的情况下，常规CO2热泵的制热效率仅为1.41，在相同运行情况下，采用本发明装置的热泵制热效率可以提高到2.32。
附图说明
附图1是现有技术的制热效率图；
附图2是本发明的流程示意图；
上图中：二氧化碳压缩机1A、二氧化碳压缩机1B、油分离器2、气体冷却器3、换热器4A、换热器4B、换热器4C、电子膨胀阀5A、电子膨胀阀5B、蒸发器6、储液器7、电磁阀8、气体加热器9、阀10。
具体实施方式
结合附图2，对本发明作进一步的描述：
本发明包括二氧化碳压缩机1A、二氧化碳压缩机1B、油分离器2、气体冷却器3、换热器4A、换热器4B、换热器4C、电子膨胀阀5A、电子膨胀阀5B、蒸发器6、储液器7、电磁阀8、气体加热器9、阀10，
所述的二氧化碳压缩机1A和二氧化碳压缩机1B的输出端并联后连接到油分离器2，油分离器2的输出端连接到气体冷却器3，对进入气体冷却器3的热水进行加热，气体冷却器3出来的二氧化碳制冷剂分为两路，一路进入换热器4A和换热器4B进一步冷却，从换热器4B出来的二氧化碳制冷剂再进入换热器4C，换热器4C通过电子膨胀阀5A节流降压之后连接到蒸发器6和储液器7，储液器7的上部出口和下部出口并联后，再连接换热器4C，热交换后通过气体加热器9连接到二氧化碳压缩机1A；
另一路通过电子膨胀阀5B连接到换热器4B，制冷剂先进入换热器4B，然后进入换热器4A，从换热器4A出来的制冷剂与从油分离器2中分离出来的经过阀10的润滑油混合后，被二氧化碳压缩机1B吸收并压缩。
本发明的工作步骤如下：
1）压缩机1A和1B排出的高温高压二氧化碳制冷剂进入油分离器2，对润滑油和冷媒进行分离，见A-B；
2）制冷剂在气体冷却器3加热热水，见B-C；
3）从气体冷却器3出来的二氧化碳制冷剂分为2部分；
先介绍第一部分。第一部分先进入换热器4A，然后进入换热器4B，进一步冷却；见C-D-E；从换热器4B出来的二氧化碳制冷剂再进入换热器4C，出来后经过电子膨胀阀5A节流降压，变成气液混合物，进入蒸发器6，见E-F-G-H；从蒸发器出来的二氧化碳制冷剂进入储液器7，进行气液分离，储液器下部的出口管路安装有电磁阀，从储液器上部出来的气态制冷剂和从储液器下部出来的液态制冷剂混合后，进入换热器4C，热交换后进入气体加热器9，见H-I-J-K；从气体加热器9出来的制冷剂被压缩机1A吸收后压缩，在进入油分离器2，见K-A；
从气体冷却器3分出的第二部分制冷剂经电子膨胀阀5B后，先进入换热器4B，然后进入换热器4A，见C-L-M-N；与从换热器4A出来的制冷剂与从油分离器2中分离出来的经过阀10的润滑油混合后，被压缩机1B吸收并压缩，再进入油分离器2，见N-O-A；
本发明装置可以达到使用二氧化碳热泵系统获得高温热水（40℃-90℃）循环加热的目的。
本发明的有益效果是：全部采用自然工质二氧化碳制冷剂，更加环保。对热水循环加热的效果更稳定。与常规CO2热泵相比，在进水温度较高的条件下本装置可以提高热泵效率。
表1
| 进水温度40℃的热泵制热效率 | |
| 本发明装置 | 2.32 |
| 常规CO2热泵 | 1.41 |
如表1所示，在进水温度40℃的情况下，常规CO2热泵的制热效率仅为1.41，在相同运行情况下，采用本发明装置的热泵制热效率可以提高到2.32。上述内部试验数据表明本发明可以在进水温度较高时可以提高热泵的效率。
与现有技术的专利CN101608849A相比，系统全部二氧化碳制冷剂，更加符合节能环保的发展趋势。同时，采用在对热水循环加热的情况下，水路系统只进入气体冷却器，无需进行流量分配调节。
与专利CN2890744Y相比，本装置换热器4A、4B、4C中的制冷剂热交换都是同一个系统的制冷剂的热交换，而不是发生在2个相互独立的制冷系统中的热交换，本发明装置的热泵制热效率更高。
Claims (2)
1.一种可实现循环加热的二氧化碳热泵装置，其特征是：包括二氧化碳压缩机（1A）、二氧化碳压缩机（1B）、油分离器（2）、气体冷却器（3）、换热器（4A）、换热器（4B）、换热器（4C）、电子膨胀阀（5A）、电子膨胀阀（5B）、蒸发器（6）、储液器（7）、电磁阀（8）、气体加热器（9）、阀（10），
所述的二氧化碳压缩机（1A）和二氧化碳压缩机（1B）的输出端并联后连接到油分离器（2），油分离器（2）的输出端连接到气体冷却器（3），对进入气体冷却器（3）的热水进行加热，气体冷却器（3）出来的二氧化碳制冷剂分为两路，一路进入换热器（4A）和换热器（4B）进一步冷却，从换热器（4B）出来的二氧化碳制冷剂再进入换热器（4C），换热器（4C）通过电子膨胀阀（5A）节流降压之后连接到蒸发器（6）和储液器（7），储液器（7）的上部出口和下部出口并联后，再连接换热器（4C），热交换后通过气体加热器（9）连接到二氧化碳压缩机（1A）；
另一路通过电子膨胀阀（5B）连接到换热器（4B），制冷剂先进入换热器（4B），然后进入换热器（4A），从换热器（4A）出来的制冷剂与从油分离器（2）中分离出来的经过阀（10）的润滑油混合后，被二氧化碳压缩机（1B）吸收并压缩。
2.根据权利要求1所述的可实现循环加热的二氧化碳热泵装置的使用方法，其特征是其工作步骤如下：
1）二氧化碳压缩机（1A）和二氧化碳压缩机（1B）排出的高温高压二氧化碳制冷剂进入油分离器（2），对润滑油和冷媒进行分离；
2）制冷剂在气体冷却器（3）加热热水；
3）从气体冷却器（3）出来的二氧化碳制冷剂分为两部分：
第一部分先进入换热器（4A），然后进入换热器（4B），进一步冷却；从换热器（4B）出来的二氧化碳制冷剂再进入换热器（4C），出来后经过电子膨胀阀（5A）节流降压，变成气液混合物，进入蒸发器（6）；从蒸发器出来的二氧化碳制冷剂进入储液器（7），进行气液分离，储液器下部的出口管路安装有电磁阀，通过对电磁阀的开关控制可以进行压缩机吸气过热度的调节；从储液器上部出来的气态制冷剂和从储液器下部出来的液态制冷剂混合后，进入换热器（4C），热交换后进入气体加热器（9）；从气体加热器（9）出来的制冷剂被二氧化碳压缩机（1A）吸收后压缩，再进入油分离器（2）；
从气体冷却器（3）分出的第二部分制冷剂经电子膨胀阀（5B）后，先进入换热器（4B），然后进入换热器（4A）；与从换热器（4A）出来的制冷剂与从油分离器（2）中分离出来的经过阀（10）的润滑油混合后，被二氧化碳压缩机（1B）吸收并压缩，再进入油分离器（2）；经过上述循环，达到使用二氧化碳热泵系统进行热水循环加热的目的。
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