CN104676943A - 一种co2高温热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种CO2高温热泵系统，包括冷凝器、涡流管、压缩机、气液分离器、第一膨胀阀、第二膨胀阀和蒸发器；压缩机的出口连接涡流管的入口，涡流管的高温出口连接冷凝器的制冷剂入口，涡流管的低温出口连接气液分离器；冷凝器的制冷剂出口经第一膨胀阀连接气液分离器；气液分离器的气体出口通过吸气管连接压缩机的入口；气液分离器的液体出口经第二膨胀阀连接蒸发器的第一入口；蒸发器的第一出口气液分离器。本发明将涡流管及引射器引入热泵系统，利用涡流管的涡流效应，使热泵在恒定排气压力下，使冷凝器提供更高出水温度，进一步拓展高温热泵的应用范围；同时引射器的使用可提高压缩机吸气压力，使热泵循环系统能效增加。

Description

一种CO2高温热泵系统
【技术领域】
本发明属于机械工程技术领域，涉及一种CO2高温热泵系统。
【背景技术】
机械压缩式热泵技术利用少量高品位的机械能，利用压缩机完成制冷剂在系统中的循环，将热量从较低温度的热源中提取后加热其它介质，即通过消耗少量的高品位能量，将低品位能量提升为高品位能量。高温热泵技术的优势在于能利用40℃-50℃的较低温度的热源，产生高达80℃-120℃的热水，将本来作为废热排放的能量提供给需要消耗大量热能的场合，极大的增加了能量的利用率，在节能环保方面具有巨大的优势。
目前热泵常用来为房间供暖或是提供生活所需热水，通过吸收低温热源的能量来加热空气或水，满足一般的需热应用。在工业加热中，所需热源温度常高于100℃甚至使用蒸汽加热，目前多采用燃气或燃煤锅炉加热来满足使用要求，加热效率低，使用安全系数低。随着热泵技术的发展，将高温热泵技术应用范围拓展至工业加热领域，加热效率及使用安全性均高于锅炉系统，具有较强的应用价值。
将高温热泵应用于工业加热领域，还存在着一定的困难，主要体现在：为保证压缩机安全运行及系统中润滑油性质的稳定，压缩机排气温度不能过高，一般限制其不高于130℃，限制了压缩机的运行范围；随着冷凝温度的升高，热泵系统制热性能下降，运行经济型变差。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种CO2高温热泵系统，以解决现有热泵系统高出水温度时存在的问题，使高温热泵能够高效稳定的应用于工业加热领域。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种CO2高温热泵系统，包括冷凝器、涡流管、压缩机、气液分离器、第一膨胀阀、第二膨胀阀和蒸发器；压缩机的出口连接涡流管的入口，涡流管的高温出口连接冷凝器的制冷剂入口，涡流管的低温出口连接气液分离器；冷凝器的制冷剂出口经第一膨胀阀连接气液分离器；气液分离器的气体出口通过吸气管连接压缩机的入口；气液分离器的液体出口经第二膨胀阀连接蒸发器的第一入口；蒸发器的第一出口气液分离器。
所述高温热泵循环系统还包括引射器；涡流管的低温出口连接引射器的第一入口；蒸发器的第一出口连接引射器的第二入口；引射器的出口连接气液分离器。
所述高温热泵循环系统还包括增压水泵；增压水泵的出口连接冷凝器的水入口，冷凝器的水出口连接出水管。
来自气液分离器的饱和制冷剂气体，经过压缩机压缩后形成的高温高压制冷剂经涡流管后，分为冷热两路，分别流入冷凝器的制冷剂入口及引射器的第一入口；温度高于压缩机出口温度的制冷剂热流体进入冷凝器中，制冷剂气体在冷凝器中放热后被冷却为液体，经过第一膨胀阀节流后以气液两相态进入气液分离器中，气液分离器中液态制冷剂流经第二膨胀阀进一步节流后进入蒸发器吸蒸发热，蒸发器出口制冷剂气体与来自涡流管分流出的冷流体在引射器中混合后进入气液分离器，与气液分离器中制冷剂气体混合。
所述一种CO2高温热泵系统采用的制冷剂为CO2。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明为提高热泵系统进入冷凝器中的制冷剂温度，在系统排气管路上设置涡流管，利用涡流管的涡流效应实现制冷剂气体的冷热分离。分离后的热流体温度高于压缩机排气温度，进入冷凝器后加热冷却介质，被冷却后经过初级膨胀阀节流后进入气液分离器。冷凝器中冷却介质在压缩机排气温度不变的情况下可获得更高温度，实现热泵系统供热范围的扩大。
为提高热泵系统的能效，在系统循环中设置引射器。引射器利用来自涡流管的冷流体，引射来自蒸发器的制冷剂气体，经引射器扩压后，混合气体的压力提高后进入气液分离器，提高了气液分离器中气态制冷剂的压力。引射器的使用可提高压缩机的吸气压力，改善压缩机吸排气压比，进而提高热泵系统的循环性能。
本发明将涡流管及喷射器的组合使用，打破了现有制冷压缩机及系统配件对热泵冷凝器高出水温度的限制，提升了热泵系统循环效率，扩大了高温热泵应用范围。
【附图说明】
图1是本发明的系统结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1所示，本发明一种CO2高温热泵系统，包括增压水泵1、冷凝器2、涡流管3、压缩机4、引射器5、气液分离器6、第一膨胀阀7、第二膨胀阀8和蒸发器9。
增压水泵1的出口连接冷凝器2的水入口，冷凝器2的水出口连接出水管。
压缩机4的出口连接涡流管3的入口，涡流管3的高温出口连接冷凝器2的制冷剂入口，涡流管3的低温出口连接引射器5的第一入口；冷凝器2的制冷剂出口经第一膨胀阀7连接气液分离器6；气液分离器6的气体出口通过吸气管连接压缩机4的入口；气液分离器6的液体出口经第二膨胀阀8连接蒸发器9的第一入口；蒸发器9的第一出口连接引射器5的第二入口；引射器5的出口连接气液分离器6。
本发明通过设置涡流管3及引射器5，通过增压水泵1的设置，获得高温出水及高于100℃的过热水，同时改进高温热泵系统循环性能，保证热泵机组在高冷凝温度下稳定高效运行。
本发明在热泵系统的排气管路上设置涡流管3，在蒸发器9出口与气液分离器6之间的管道上增加引射器5，系统设置有第一膨胀阀7与第二膨胀阀8，使制冷剂两次节流获得两个不同的温度。来自气液分离器6的75℃饱和制冷剂气体，经过压缩机4压缩后，进入排气管路上设置的涡流管3，120℃的高温高压制冷剂流经涡流管3后，分为冷热150℃与90℃两路，分别流入冷凝器2的制冷剂入口及引射器5的第一入口；温度高于压缩机4出口温度的150℃制冷剂热流体进入冷凝器2中，制冷剂气体在冷凝器2中冷却为130℃液体后，经过第一膨胀阀7节流后以75℃气液两相态进入气液分离器6中，气液分离器6中液态制冷剂流经第二膨胀阀8后进入蒸发器蒸发9吸热，蒸发器9第一出口55℃制冷剂气体与来自涡流管3分流出的90℃冷流体在引射器5中混合后以75℃进入气液分离器6，与气液分离器6中制冷剂气体混合后，以75℃经吸气管路进入压缩机4。蒸发器9第二入口通入80℃流体，供液态制冷剂吸热后降温为60℃从蒸发器9第二出口流出。本发明所采用的制冷剂工质为CO2。
本发明中增加涡流管3来进一步增加压缩机4的排气温度。涡流管3的设置，将压缩机4排出的120℃制冷剂气体在涡流效应下分为冷热两部分，温度更高150℃的热流体进入冷凝器2中，可提供高达120℃的热水，进一步提高了出水温度，拓宽了热泵系统的应用范围。同时压缩机4排气压力及温度保持不变，冷凝器2出水温度的提高对压缩机4的运行工况无明显影响，保证了压缩机4的安全运行，热泵系统在冷凝器2高出水温度时整体运行稳定。
本发明同时增加了引射器5来提升热泵系统的循环性能。引射器5采用来自涡流管3分离出的高压低温的90℃冷流体作为工作流体，将来自蒸发器9的55℃制冷剂饱和气体作为引射流体，在引射器5中混合后以75℃进入气液分离器6中。由于引射器5的作用，从引射器5中进入气液分离器6中的制冷剂气体压力及温度高于蒸发器9中制冷剂气体压力，使得气液分离器6中制冷剂气体压力高于热泵系统蒸发压力，增加了压缩机4的吸气压力，提高热泵系统运行效率。
本发明中气液分离器6配合第一膨胀阀7与第二膨胀阀8使用，保证了进入蒸发器9中的制冷剂为液态，避免了两相流体进入蒸发器9带来的能量损失，提高了蒸发器9的制冷量。
本发明将涡流管与高温热泵系统结合，使得通过涡流管后，制冷剂气体分为冷热两股流体，热流体温度高于压缩机排气温度，进入冷凝器中可提供更高温度出水。进一步的将引射器与高温热泵系统结合，引射器利用来自涡流管的冷流体，引射来自蒸发器的制冷剂气体，改变其压力及温度后排入气液分离器，改变压缩机的吸气压力与温度，改善热泵循环效率。涡流管的使用可提升高温热泵系统的供热温度，引射器的使用可提升热泵系统的循环效率。涡流管和喷射器的使用，使得热泵系统运行工况的受冷凝器及蒸发器影响减小，保证了系统的经济型及稳定性。

Claims (5)

1.一种CO2高温热泵系统，其特征在于：包括冷凝器(2)、涡流管(3)、压缩机(4)、气液分离器(6)、第一膨胀阀(7)、第二膨胀阀(8)和蒸发器(9)；压缩机(4)的出口连接涡流管(3)的入口，涡流管(3)的高温出口连接冷凝器(2)的制冷剂入口，涡流管(3)的低温出口连接气液分离器(6)；冷凝器(2)的制冷剂出口经第一膨胀阀(7)连接气液分离器(6)；气液分离器(6)的气体出口通过吸气管连接压缩机(4)的入口；气液分离器(6)的液体出口经第二膨胀阀(8)连接蒸发器(9)的第一入口；蒸发器(9)的第一出口气液分离器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种CO2高温热泵系统，其特征在于：所述高温热泵循环系统还包括引射器(5)；涡流管(3)的低温出口连接引射器(5)的第一入口；蒸发器(9)的第一出口连接引射器(5)的第二入口；引射器(5)的出口连接气液分离器(6)。
3.根据权利要求1所述的一种CO2高温热泵系统，其特征在于：所述高温热泵循环系统还包括增压水泵(1)；增压水泵(1)的出口连接冷凝器(2)的水入口，冷凝器(2)的水出口连接出水管。
4.根据权利要求2所述的一种CO2高温热泵系统，其特征在于：来自气液分离器(6)的饱和制冷剂气体，经过压缩机(4)压缩后形成的高温高压制冷剂经涡流管(3)后，分为冷热两路，分别流入冷凝器(2)的制冷剂入口及引射器(5)的第一入口；温度高于压缩机(4)出口温度的制冷剂热流体进入冷凝器(2)中，制冷剂气体在冷凝器(2)中放热后被冷却为液体，经过第一膨胀阀(7)节流后以气液两相态进入气液分离器(6)中，气液分离器(6)中液态制冷剂流经第二膨胀阀(8)进一步节流后进入蒸发器(9)吸蒸发热，蒸发器(9)出口制冷剂气体与来自涡流管(3)分流出的冷流体在引射器(5)中混合后进入气液分离器(6)，与气液分离器(6)中制冷剂气体混合。
5.根据权利要求1所述的一种CO2高温热泵系统，其特征在于：所述一种CO2高温热泵系统采用的制冷剂为CO2。
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