CN104949390B - 一种暖气片供暖用跨临界co2热泵系统 - Google Patents

一种暖气片供暖用跨临界co2热泵系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，包括第一冷凝器、第一蒸发器、第一膨胀阀、第一压缩机、气体冷却器、引射器、第二压缩机、气液分离器、第二膨胀阀和第二蒸发器；运用两组独立热泵系统，采用跨临界CO2热泵系统将来自暖气片回水加热至暖气片供暖需热温度；本发明通过调节跨临界CO2热泵中气体冷却器进口水温，保证热泵系统以制热能效比最大运行；本发明将引射器引入跨临界CO2热泵系统，增加热泵循环系统在极低环境温度下能效；为解决跨临界CO2热泵系统运行过程中的结霜现象，通过四通换向阀的使用，改变系统流程，实现系统自动除霜。

Description

一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统
【技术领域】
本发明属于热泵技术领域，涉及一种暖气片供暖用跨临界CO2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。空气源热泵以室外空气为热源进行供暖或供应热水，其安装使用方便，对环境污染较小，其节能效果要明显高于电加热等采暖方式。但是由于空气源热泵在低温环境下运行存在着一些不足，如随着环境温度的降低，室内热负荷需求增大，而空气源热泵的制热量会减小，不能满足室内需求；同时由于环境温度降低，蒸发压力也随之降低，压缩机压比增大，排气温度升高，容易引起压缩机过热保护而停机，空气源热泵在我国北方大部分地区尚未得到普遍应用。
CO2属于惰性气体，无毒无刺激；良好的安全性和化学稳定性，安全无毒，不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体；其对全球变暖潜力指数GWP为1，CO2不需要工业合成，只需要在大气中提取就可以，使用方便；同时，它对大气臭氧层无任何破环作用，ODP为0。并且，CO2本身优越的热物理特性以及良好的迁移特性也适合其作为制冷工质，导热系数以及定压比热高，蒸汽密度小，动力粘度小，表面张力小，这些特点为机组的小型化以及成本节省提供了前提。CO2临界温度为30.98℃，临界压力为7.38MPa，在跨临界区与外部介质换热时不发生相变，因此跨临界CO2循环不存在潜热交换和冷凝过程。考虑到CO2较高的临界压力，在相同的条件下，跨临界CO2热泵能够将水加热到更高的温度。
跨临界CO2热泵可以把水温升到更高的温度，适应于将冷水(10℃-15℃)直接加热到80℃ 以上的直热式热泵。由于跨临界CO2系统受气体冷却器进水温度影响大，随着进水温度的升高，机组性能变差，特别是在低环境温度，进出水温度为40℃/45℃采暖工况下，跨临界CO2热泵制热能效比较低，将其直接应用于采暖加热存在一定的技术难题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，以解决现有供暖热泵系统采用CO2工质时存在的问题，并考虑环境温度变化对系统性能的影响，使跨临界CO2热泵系统能够高效稳定的应用于暖气片形式供暖。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，包括第一冷凝器、第一蒸发器、第一压缩机、气体冷却器、第二压缩机、气液分离器、第二蒸发器、引射器、第一四通换向阀和第二四通换向阀；
暖气片的回水管路分成两路，一路连接第一冷凝器的回水入口，另一路连接第一蒸发器的回水入口；第一冷凝器的回水出口连接混合器的第一入口，第一蒸发器的回水出口连接气体冷却器的回水入口，气体冷却器的回水出口连接混合器的第二入口，混合器的出口连接暖气片供暖系统；第一压缩机的出口连接第一冷凝器的工质入口，第一冷凝器的工质出口分成两路，一路连接第一蒸发器的工质入口，另一路连接第二蒸发器的第二工质入口；第一蒸发器的工质出口连接第一压缩机的入口；第二蒸发器的第二工质出口连接第一压缩机的入口；
第二压缩机的出口、第二蒸发器的第一工质出口、气体冷却器的工质入口和引射器的第一入口均连接第一四通换向阀；气体冷却器的工质出口、引射器的第二入口、第二蒸发器的第一工质入口和气液分离器的液体出口均连接第二四通换向阀；引射器的出口连接气液分离器的入口，气液分离器的气体出口连接第二压缩机的入口。
本发明进一步的改进在于：第一冷凝器的工质出口设有第一膨胀阀，第一膨胀阀的出口分 成两路，一路连接第一蒸发器的工质入口，另一路连接第二蒸发器的第二工质入口；第一蒸发器的工质入口设有第一电磁阀，第一蒸发器的工质出口设有第二电磁阀；第二蒸发器的第二工质入口设有第三电磁阀；第二蒸发器的第二工质出口设有第四电磁阀；气液分离器的液体出口设有第二膨胀阀。
本发明进一步的改进在于：来自暖气片的回水分为两部分后，一部分进入第一冷凝器中升温，另一部分进入第一蒸发器中降温，第一冷凝器升温后的热水进入混合器中，第一蒸发器中被冷却的冷水进入气体冷却器中被加热后进入混合器，热水在混合器中混合后进入暖气片供暖系统。
本发明进一步的改进在于：第二压缩机通过第一四通换向阀将高温高压的跨临界状态CO2排入气体冷却器中，加热暖气片回水后温度降低，通过第二四通换向阀进入引射器的第二入口中，引射来自第二蒸发器中的CO2气体后混合进入气液分离器中，气液分离器中CO2气体经第二压缩机压缩后排入气体冷却器中，气液分离器中CO2液体通过第二四通换向阀进入第二蒸发器中蒸发吸热，产生的气体进入引射器的第一入口，然后经引射器进入气液分离器中。
本发明进一步的改进在于：第一冷凝器、第一膨胀阀、第一蒸发器、第一压缩机组成第一热泵系统；气体冷却器、第二压缩机、气液分离器、第二节流阀、第二蒸发器、引射器、第一四通换向阀和第二四通换向阀组成第二热泵系统，第二热泵系统为跨临界CO2热泵系统。
本发明进一步的改进在于：第二热泵系统停机，第一热泵系统运行；第一电磁阀、第二电磁阀关闭；第三电磁阀、第四电磁阀开启；第一热泵系统中第一蒸发器停用，第一膨胀阀经第三电磁阀连接第二蒸发器，第二蒸发器经第四电磁阀连接第一压缩机，第一压缩机连接第一冷凝器。
本发明进一步的改进在于：来自第二压缩机的高温高压蒸气经第一四通换向阀后进入第二蒸发器中，将热量传递给霜层后温度降低，经第二四通换向阀后进入引射器中，与来自第一四 通换向阀中的工质混合后进入气液分离器中，气液分离器中的CO2液体由四通换向阀进入气体冷却器中蒸发吸热，气体冷却器产生的CO2气体经第一四通换向阀后进入引射器中，气液分离器中的CO2气体进入第二压缩机中。
本发明进一步的改进在于：所述暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统中选用的工质为天然工质CO2。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过合理设置系统流程，将跨临界CO2热泵系统应用于暖气片形式供暖，极大的提升了热泵系统循环效率，使得新型环保工质能应用于房间供暖，对于冬季需供暖基础设施节能减排改造具有极大的实际意义。
本发明跨临界CO2热泵系统引入引射器，进一步改善较低环境温度时跨临界CO2热泵系统热力性能；气体冷却器出口CO2气体进过引射器后，作为工作气体引射来自第二蒸发器中的气体后，进入气液分离器，气液分离器中的气体进入第二压缩机中，被压缩后进入气体冷却器中，加热来自第一蒸发器中的回水，气液分离器中的CO2液体经第二膨胀阀后进入第二蒸发器中，第二蒸发器产生的其他由引射器引射进入气液分离器。
通过设置四个电磁阀保证热泵系统在环境温度改变时均能满足使用要求。当环境温度较低时，控制电磁阀开启/关闭，使第一热泵系统与第二热泵系统均工作；当环境温度升高时，控制电磁阀开启/关闭，使第一热泵系统中，工质流经第一膨胀阀后进入第二蒸发器中，完成蒸发吸热后进入第一压缩机中，该工况下，第二热泵系统停机。
本发明设置四通换向阀解决热泵系统在供暖过程中出现的结霜现象；当处于除霜工况时，来自压缩机的高温气体进入第二蒸发器中，将热量传递给霜层，气体被冷却后作为工作流体进入引射器中后进入气液分离器中，气液分离器中的CO2液体经过第二膨胀阀后进入气体冷却器中蒸发吸热，其产生的其他作为引射流体进入引射器中，与来自第一蒸发器中的气体混合后 进入气液分离器中，气液分离器中的气体进入第二压缩机。
【附图说明】
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是除霜工况下系统循环示意图。
【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，本发明一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，包括第一冷凝器1、第一膨胀阀3、第一蒸发器6、第一压缩机4、气体冷却器9、第二压缩机12、气液分离器15、第二膨胀阀16、第二蒸发器13、引射器14、及四通换向阀10、17。第一冷凝器1、第一膨胀阀3、第一蒸发器6、第一压缩机4组成第一热泵系统。气体冷却器9、第二压缩机12、气液分离器15、第二膨胀阀16、第二蒸发器13、引射器14、及四通换向阀10、17组成第二热泵系统，第二热泵系统为跨临界CO2热泵系统。
暖气片的回水管路分成两路，一路连接第一冷凝器1的回水入口，另一路连接第一蒸发器6的回水入口；第一冷凝器1的回水出口连接混合器2的第一入口，第一蒸发器6的回水出口连接气体冷却器9的回水入口，气体冷却器9的回水出口连接混合器2的第二入口，混合器2的出口连接暖气片供暖系统。第一压缩机4的出口连接第一冷凝器1的工质入口，第一冷凝器1的工质出口设有第一膨胀阀3，第一膨胀阀3的出口分成两路，一路连接第一蒸发器6的工质入口，另一路连接第二蒸发器13的第二工质入口；第一蒸发器6的工质入口设有电磁阀5，第二蒸发器13的第二工质入口设有电磁阀11；第一蒸发器6的工质出口连接第一压缩机4的入口；第一蒸发器6的工质出口设有电磁阀7。第二蒸发器13的第二工质出口连接第一压缩机4的入口；第二蒸发器13的第二工质出口设有电磁阀8。
第二压缩机12的出口、第二蒸发器13的第一工质出口、气体冷却器9的工质入口和引射 器14的第一入口均连接四通换向阀10；气体冷却器9的工质出口、引射器14的第二入口、第二蒸发器13的第一工质入口和气液分离器15的液体出口均连接四通换向阀17；气液分离器15的液体出口设有第二膨胀阀16；引射器14的出口连接气液分离器15的入口，气液分离器15的气体出口连接第二压缩机12的入口。
来自暖气片供暖系统的低温回水分为两部分，一部分进入第一冷凝器1中升温，另一部分进入第一蒸发器6中降温，第一冷凝器1升温后满足供暖需求温度的热水进入混合器2中，第一蒸发器6中被冷却的冷水进入气体冷却器9中被加热后到满足供暖需求的温度后进入混合器2，热水在混合器2中混合后进入暖气片供暖系统。
跨临界CO2热泵系统流程为：第二压缩机12将高温高压的跨临界状态CO2排入气体冷却器9中，加热暖气片回水后温度降低，进入引射器14中，引射来自第二蒸发器13中的CO2气体后混合进入气液分离器15中，气液分离器15中CO2气体经第二压缩机12压缩后排入气体冷却器9中，气液分离器15中CO2液体经第二膨胀阀16后进入第二蒸发器13中蒸发吸热，产生的气体经引射器14进入气液分离器15中。
第一热泵系统与第二热泵系统的搭配使用，可调节进入第二热泵系统气体冷却器9中的回水温度，使得跨临界CO2热泵系统中气体冷却器9中的换热满足超临界CO2气体换热特性，保证了跨临界CO2热泵系统能始终工作在制热能效最大工况，使得整体热泵系统供热能耗最小。
为保证系统在环境温度改变时满足供热需求，本发明设置了两种运行模式：
1、低环境温度下，第一热泵系统与第二热泵系统均运行，运行流程如图1中实线所示，当环境温度升高时，第二热泵系统停机，第一热泵系统运行，其运行流程如图1中虚线所示，此时，电磁阀8、11开启，电磁阀5、7关闭，第一热泵系统中第一蒸发器6停用，第一膨胀阀3经电磁阀11连接第二蒸发器13，第二蒸发器13经电磁阀8连接第一压缩机4，第一压缩 机4连接第一冷凝器1。
2、除霜工况下系统循环参阅图2所示：当热泵系统出现结霜工况时，通过调整系统中的四通换向阀10、17，改变工质流向后实现第二蒸发器13除霜。此时的系统流程为：来自第二压缩机12的高温高压蒸气经四通换向阀10后进入第二蒸发器13中，将热量传递给霜层后温度降低，经四通换向阀17后进入引射器14中，与来自四通换向阀10中的工质混合后进入气液分离器15中，气液分离器15中的CO2液体经第二膨胀阀16后由四通换向阀17进入气体冷却器9中蒸发吸热，气体冷却器9产生的CO2气体经四通换向阀10后进入引射器14中，气液分离器15中的CO2气体进入第二压缩机12中。
本发明通过改变第一冷凝器1与第一蒸发器6中水流量分配，可以改变气体冷却器9进口水温，保证跨临界CO2热泵系统始终在制热能效最大运行，在保证供暖需求下，系统能耗最小。
本发明跨临界CO2热泵系统引入引射器14，进一步改善较低环境温度时跨临界CO2热泵系统热力性能；气体冷却器9出口CO2气体进过引射器14后，作为工作气体引射来自第二蒸发器13中的气体后，进入气液分离器15，气液分离器中的气体进入第二压缩机12中，被压缩后进入气体冷却器9中，加热来自第一蒸发器6中的回水，气液分离器15中的CO2液体经第二膨胀阀16后进入第二蒸发器13中，第二蒸发器13产生的其他由引射器14引射进入气液分离器15。
本发明跨临界CO2热泵系统设置四通换向阀10、17解决热泵系统在供暖过程中出现的结霜现象；当处于除霜工况时，来自第二压缩机12的高温气体进入第二蒸发器13中，将热量传递给霜层，气体被冷却后作为工作流体进入引射器14中后进入气液分离器15中，气液分离器15中的CO2液体经过第二膨胀阀16后进入气体冷却器9中蒸发吸热，其产生的气体作为引射流体进入引射器14中，与来自第二蒸发器13中的气体混合后进入气液分离器11中，气液分 离器15中的气体进入第二压缩机12。
本发明跨临界CO2热泵系统通过设置电磁阀5、7、8、11保证热泵系统在环境温度改变时均能满足使用要求。当环境温度较低时，电磁阀8、11关闭，电磁阀5、7开启，第一热泵系统与第二热泵系统均工作；当环境温度升高时，电磁阀8、11开启，电磁阀5、7关闭，第一热泵系统中，工质流经第一膨胀阀3后进入第二蒸发器13中，完成蒸发吸热后进入第一压缩机4中，该工况下，第二热泵系统停机。

Claims (6)

1.一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，其特征在于：包括第一冷凝器(1)、第一蒸发器(6)、第一压缩机(4)、气体冷却器(9)、第二压缩机(12)、气液分离器(15)、第二蒸发器(13)、引射器(14)、第一四通换向阀(10)和第二四通换向阀(17)；
暖气片的回水管路分成两路，一路连接第一冷凝器(1)的回水入口，另一路连接第一蒸发器(6)的回水入口；第一冷凝器(1)的回水出口连接混合器(2)的第一入口，第一蒸发器(6)的回水出口连接气体冷却器(9)的回水入口，气体冷却器(9)的回水出口连接混合器(2)的第二入口，混合器(2)的出口连接暖气片供暖系统；第一压缩机(4)的出口连接第一冷凝器(1)的工质入口，第一冷凝器(1)的工质出口分成两路，一路连接第一蒸发器(6)的工质入口，另一路连接第二蒸发器(13)的第二工质入口；第一蒸发器(6)的工质出口连接第一压缩机(4)的入口；第二蒸发器(13)的第二工质出口连接第一压缩机(4)的入口；
第二压缩机(12)的出口、第二蒸发器(13)的第一工质出口、气体冷却器(9)的工质入口和引射器(14)的第一入口均连接第一四通换向阀(10)；气体冷却器(9)的工质出口、引射器(14)的第二入口、第二蒸发器(13)的第一工质入口和气液分离器(15)的液体出口均连接第二四通换向阀(17)；引射器(14)的出口连接气液分离器(15)的入口，气液分离器(15)的气体出口连接第二压缩机(12)的入口；
第一冷凝器(1)的工质出口设有第一膨胀阀(3)，第一膨胀阀(3)的出口分成两路，一路连接第一蒸发器(6)的工质入口，另一路连接第二蒸发器(13)的第二工质入口；第一蒸发器(6)的工质入口设有第一电磁阀(5)，第一蒸发器(6)的工质出口设有第二电磁阀(7)；第二蒸发器(13)的第二工质入口设有第三电磁阀(11)；第二蒸发器(13)的第二工质出口设有第四电磁阀(8)；气液分离器(15)的液体出口设有第二膨胀阀(16)；
来自暖气片的回水分为两部分后，一部分进入第一冷凝器(1)中升温，另一部分进入第一蒸发器(6)中降温，第一冷凝器(1)升温后的热水进入混合器(2)中，第一蒸发器(6)中被冷却的冷水进入气体冷却器(9)中被加热后进入混合器(2)，热水在混合器(2)中混合后进入暖气片供暖系统。
2.根据权利要求1所述的一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，其特征在于：第二压缩机(12)通过第一四通换向阀(10)将高温高压的跨临界状态CO2排入气体冷却器(9)中，加热暖气片回水后温度降低，通过第二四通换向阀(17)进入引射器(14)的第二入口中，引射来自第二蒸发器(13)中的CO2气体后混合进入气液分离器(15)中，气液分离器(15)中CO2气体经第二压缩机(12)压缩后排入气体冷却器(9)中，气液分离器(15)中CO2液体通过第二四通换向阀(17)进入第二蒸发器(13)中蒸发吸热，产生的气体进入引射器(14)的第一入口，然后经引射器(14)进入气液分离器(15)中。
3.根据权利要求1所述的一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，其特征在于：第一冷凝器(1)、第一膨胀阀(3)、第一蒸发器(6)、第一压缩机(4)组成第一热泵系统；气体冷却器(9)、第二压缩机(12)、气液分离器(15)、第二节流阀(16)、第二蒸发器(13)、引射器(14)、第一四通换向阀(10)和第二四通换向阀(17)组成第二热泵系统，第二热泵系统为跨临界CO2热泵系统。
4.根据权利要求3所述的一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，其特征在于：第二热泵系统停机，第一热泵系统运行；第一电磁阀(5)、第二电磁阀(7)关闭；第三电磁阀(11)、第四电磁阀(8)开启；第一热泵系统中第一蒸发器(6)停用，第一膨胀阀(3)经第三电磁阀(11)连接第二蒸发器(13)，第二蒸发器(13)经第四电磁阀(8)连接第一压缩机(4)，第一压缩机(4)连接第一冷凝器(1)。
5.根据权利要求3所述的一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，其特征在于：来自第二压缩机(12)的高温高压蒸气经第一四通换向阀(10)后进入第二蒸发器(13)中，将热量传递给霜层后温度降低，经第二四通换向阀(17)后进入引射器(14)中，与来自第一四通换向阀(10)中的工质混合后进入气液分离器(15)中，气液分离器(15)中的CO2液体由四通换向阀(17)进入气体冷却器(9)中蒸发吸热，气体冷却器(9)产生的CO2气体经第一四通换向阀(10)后进入引射器(14)中，气液分离器(15)中的CO2气体进入第二压缩机(12)中。
6.根据权利要求1所述的一种暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统，其特征在于：所述暖气片供暖用跨临界CO2热泵系统中选用的工质为天然工质CO2。
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