CN105466059A - 一种跨临界热泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种跨临界热泵装置，包括压缩系统、冷凝器(2)、主节流装置(401)和蒸发器(3)，其中在位于所述主节流装置(401)和所述蒸发器(3)之间的制冷剂管路上还设置有闪蒸器(5)，所述闪蒸器(5)的排气端经由闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的低压端、中压端或高压端，且所述压缩系统为包括两个串联压缩机或两个串联压缩腔的压缩机的双级压缩系统。通过本发明能够有效实现跨临界双级压缩循环，最大程度地提高了该循环单位质量制冷剂的吸热量，进而实现供热温度高，可提供120～130℃的供热温度，拓宽了高温热泵的应用范围，提高了循环效率；且还能够有效地降低高低压压比、且系统成本降低、体积减小。

Description

一种跨临界热泵装置
技术领域
本发明属于空调热泵技术领域，具体涉及一种跨临界热泵装置。
背景技术
高温热泵是一种消耗部分电能，通过热力循环把热能由低温热源转移到高温热源的能量利用系统，因此工业领域的一些其它方法较难利用的工业余热可以通过高温热泵将这部分热量转移到高温热源中，而余热热源以较低的温度排放到环境中，从而减少了对环境的热污染，而产生的高温热源不仅可用于供暖，还可以用于如食品/木材干燥、海水淡化、精馏化工等工业领域。由于高温热泵具有明显的经济效益和社会效益，市场潜力巨大，使其成为近年国际热泵研究的一个基本方向。但是，普通的亚临界循环高温热泵系统受高压压力的限制提供的供热温度一般在70～80℃左右，限制了其在高温工业领域的应用范围。跨临界循环高温热泵能够提供120-130℃的供热温度，远高于普通热泵系统的供热温度，因此应用前景更广阔。但由于其高低压压比远高于普通的热泵系统，循环效率相对较低。现有技术中存在一种多级压缩、逐级升温的方案，见图11所示，系统由两个相对独立的循环组成，低温级冷凝器输出的热源继续通过高温级冷凝器的加热，使得热源温度进一步提高，低温级过冷却器为高温级的蒸发器。该系统增加了一个或多个包括压缩机和冷凝器的辅路循环，系统成本较高，而且增大了系统的体积和控制复杂度。
由于现有技术中存在亚临界循环高温热泵由于供热温度低而限制了应用范围；虽然跨临界循环高温热泵供热温度高但是其高低压比较大、循环效率较低；逐级升温热泵系统虽然供热温度高、高低压压比较低但是成本较高且系统体积较大、控制度复杂的技术问题，因此本发明研究设计出一种跨临界热泵装置。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的热泵系统存在无法同时实现供热温度高、高低压压比低且成本低、系统体积较小的缺陷，从而提供一种跨临界热泵装置。
本发明提供了一种跨临界热泵装置，包括压缩系统、冷凝器、主节流装置和蒸发器，其中在位于所述主节流装置和所述蒸发器之间的制冷剂管路上还设置有闪蒸器，所述闪蒸器的排气端经由闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的低压端、中压端或高压端，且所述压缩系统为包括两个串联压缩机或两个串联压缩腔的压缩机的双级压缩系统。
优选地，所述双级压缩系统包括串联连接的第一压缩机和第二压缩机。
优选地，所述双级压缩系统为包含低压压缩腔和高压压缩腔串联连接的双缸双转子压缩机。
优选地，所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的低压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有压力平衡装置。
优选地，所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的中压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有第三压缩机。
优选地，所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的高压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有第三压缩机。
优选地，所述双级压缩系统和第三压缩机是低压压缩腔和高压压缩腔串联并设有中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联的结构，或者是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元。
优选地，所述双级压缩系统和第三压缩机是低压压缩腔和高压压缩腔串联且不设中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联的结构，或者是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元。
优选地，在所述闪蒸器与蒸发器之间的管路上还设置有辅助节流装置。
优选地，还包括设置在制冷剂管路上的中间换热器，所述中间换热器热端设置在冷凝器出口和主节流装置之间的管路上，冷端设置在蒸发器出口与所述压缩系统低压端之间的管路上。
优选地，所述闪蒸器是单向闪蒸器或双向闪蒸器。
优选地，当具有辅助节流装置时，所述主节流装置和辅助节流装置是毛细管、节流短管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流孔板中的任意一种。
优选地，所示压力平衡装置是流通截面积可调的阀门元件。
本发明提供的跨临界热泵装置具有如下有益效果：
1.通过本发明的设置闪蒸器及闪蒸旁通管路的跨临界热泵装置，能够有效实现跨临界双级压缩循环，最大程度地提高了该循环单位质量制冷剂的吸热量，进而实现供热温度高，可提供120～130℃的供热温度，拓宽了高温热泵的应用范围，提高了循环效率；
并且通过将压缩系统设置为包括两个串联压缩机或两个串联压缩腔的压缩机的双级压缩系统，能够有效地降低高低压压比、且系统成本降低、体积减小；
2.增加小排量的第三压缩机将闪发器分离的气体压缩到中间压力或高压压力，降低了主路压缩机的耗功，且主路压缩机采用双缸串联压缩腔并与辅路压缩机压缩腔并联的方式，减小了压缩机体积，降低了系统成本和控制的复杂程度；
3.通过增加中间换热器，还能够增加闪发器分离的饱和液体制冷剂流量，蒸发器的换热量会进一步提高，系统制热能力和能效因此也得到进一步提升。
附图说明
图1是本发明的跨临界热泵装置的实施方式一的结构示意图；
图2是本发明的跨临界热泵装置的实施方式二的结构示意图；
图3是本发明的跨临界热泵装置的实施方式三的结构示意图；
图4是本发明的跨临界热泵装置的实施方式四的结构示意图；
图5是本发明的跨临界热泵装置的实施方式五的结构示意图；
图6是本发明的跨临界热泵装置的实施方式六的结构示意图；
图7是本发明的跨临界热泵装置的实施方式七的结构示意图；
图8是本发明的跨临界热泵装置的实施方式八的结构示意图；
图9是本发明的跨临界热泵装置的实施方式九的结构示意图；
图10是本发明的跨临界热泵装置的压缩机单元的结构示意图；
其中(a)表示压缩机单元第一种结构的示意图；(b)表示压缩机单元第一种结构的示意图；(c)表示压缩机单元第一种结构的示意图；
图11是现有技术的逐级升温技术方案的热泵装置的结构示意图。
图中附图标记表示为：
101—第一压缩机，102—第二压缩机，103—第三压缩机，2—冷凝器(气冷器)，3—蒸发器；401—主节流装置，402—辅助节流装置，5—闪蒸器(闪发器)；6—压力平衡装置；7—中间换热器(经济器)。
具体实施方式
如图1-10所示，本发明提供一种跨临界热泵装置，包括压缩系统、冷凝器2、主节流装置401和蒸发器3，其中在位于所述主节流装置401和所述蒸发器3之间的制冷剂管路上还设置有闪蒸器5(也可称作闪发器)，所述闪蒸器5的排气端经由闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的低压端、中压端或高压端，且所述压缩系统为包括两个串联压缩机或两个串联压缩腔的压缩机的双级压缩系统。
通过设置上述的闪蒸器及相应的连接结构能够将主节流装置节流后的两相制冷剂经由闪发器进行分离，使得进入蒸发器的制冷剂达到或近似为饱和液体，最大程度地提高了该循环单位质量制冷剂的吸热量，而且由于蒸发器进口制冷剂为饱和液体状态或干度非常低的两相状态有利于蒸发器分流均匀性的改善，有效降低了蒸发器制冷剂侧的压降(制冷剂蒸发过程中的压降随着制冷剂的干度增加而增加，所以将蒸发器进口的干度降低能够降低蒸发器内制冷剂的压降)，增加了蒸发器传热温差；从而能够有效实现跨临界双级压缩循环，最大程度地提高了该循环单位质量制冷剂的吸热量，进而实现供热温度高，可提供120～130℃的供热温度，拓宽了高温热泵的应用范围，提高了循环效率。(尤其对于采用CO2制冷剂的高温热泵系统，还提升了制冷剂侧蒸发换热系数(CO2蒸发换热系数随着制冷剂干度的降低而增加，所以将蒸发器进口的干度降低能提升制冷剂侧蒸发换热系数。其它的R410A、R32、R22、R134a等制冷剂蒸发换热系数均是随制冷剂干度的降低而降低的。所以，这里特别列出CO2制冷剂的高温热泵系统，本方案对该系统性能的提升相对其它制冷剂更有效果)，使得蒸发器换热性能大幅度提升，在制热量不变的条件下蒸发温度升高，降低了循环压缩比功(蒸发器换热性能好，意味着蒸发器换热量会变大，在制热量不变的条件下，蒸发器换热量Q＝U.A.ΔT也要保持不变，所以ΔT会减小(因为总传热系数U基本不变，换热器不变其换热面积A也不变)，蒸发器传热温差ΔT变小，也就意味着蒸发温度会升高(ΔT≈Ta-Te，空气温度Ta就是设定的工况，不变，所以只有蒸发温度Te升高)，则压缩机吸气温度也升高，压比降低，所以压缩机压缩比功也降低)，使得系统性能提升)；
并且将现有技术中的将压缩系统设置为包括两个串联压缩机或两个串联压缩腔的压缩机的双级压缩系统，使得单个压缩机的压比大幅度降低，压缩机效率大幅度提升，系统循环COP因此也能得到提升；相比对比方案中(见图1)需要两个压缩机分别设置在主路循环和辅路循环中，本发明可以减少一个辅路压缩机，从而降低了系统成本、体积以及控制的复杂程度；
因而同时实现了热泵装置供热温度高、高低压压比低且成本低、系统体积较小的有益效果。
优选地，所述双级压缩系统包括串联连接的第一压缩机101和第二压缩机102。这是一种优选的双级压缩系统的结构和实施方式，可以参见图10(a)。
优选地，所述双级压缩系统为包含低压压缩腔和高压压缩腔串联连接的双缸双转子压缩机，这也是一种优选的双级压缩系统的结构和实施方式，见图10(a)所示。进一步可优选该低压压缩腔和高压压缩腔之间不设中间补气口，达到结构简单的目的。
如图1，图4，图7所示，优选地，所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的低压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有压力平衡装置6。通过设置压力平衡装置的主要作用是对经由闪发旁通装置分离出的气态制冷剂降压，以防止液态制冷剂进入低压级压缩机102吸气口。
如图2，图5，图8所示，优选地，所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的中压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有第三压缩机103。将闪发器分离的饱和气体通过第三压缩机103压缩为中间压力的高温中压制冷剂，与第二压缩机102排出的高温中压的制冷剂混合进入第三压缩机103压缩为高温高压的制冷剂。通过设置第三压缩机能够将闪发器分离的低压饱和制冷剂气体由第三压缩机101压缩到中间压力，相比起采用压力平衡装置能够减小一定的节流损失，从而能够降低了主路压缩机的压缩功。
如图3，图6，图9所示，优选地，所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的高压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有第三压缩机103。将闪发器分离的饱和气体通过第三压缩机103压缩为高温高压的制冷剂，与第一压缩机101压缩的高温高压制冷剂混合后进入气冷器冷却。通过设置较小排量的第三压缩机103代替压力平衡装置6，能够将闪发器分离的低压饱和制冷剂气体由第三压缩机101压缩到排气压力，相比起采用压力平衡装置能够减小一定的节流损失，从而能够降低了主路压缩机的压缩功。
通过在所述闪蒸器旁通管路上设置第三压缩机103(优选为较小排量)代替压力平衡装置6能够将闪发器分离的低压饱和制冷剂气体由第三压缩机101压缩到中间压力或排气压力，减小了压力平衡装置6引起的节流损失，从而降低了主路压缩机的压缩功。
优选地，所述双级压缩系统和第三压缩机103是低压压缩腔和高压压缩腔串联并设有中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联的结构，或者是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元，如图10(b)所示。通过该种结构能够有效地降低压缩系统的体积，从而减小成本。
优选地，所述双级压缩系统和第三压缩机103是低压压缩腔和高压压缩腔串联且不设中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联的结构，或者是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元，见图10(c)所示。通过该种结构能够有效地降低压缩系统的体积，从而减小成本。
如图4-6所示，优选地，在所述闪蒸器5(或称闪发器)与蒸发器3之间的管路上还设置有辅助节流装置402，该辅助流装置402可用来调节蒸发器进口制冷剂干度，尤其对于R32、R134a、R1234yf等制冷剂，蒸发换热系数和制冷剂侧压降均随着制冷剂干度的增加而增加，通过调节辅助节流装置9可平衡蒸发器内换热系数及压降，保证蒸发器性能发挥到最佳。
如图7-9所示，分别是在图1～3的方案上引入中间换热器的双级压缩机一级节流闪发旁通的跨临界循环高温热泵系统原理图。即优选地，还包括设置在制冷剂管路上的中间换热器，所述中间换热器热端设置在冷凝器2(气冷器)出口和主节流装置401之间的管路上，冷端设置在蒸发器3出口与所述压缩系统低压端之间的管路上。对于气体冷却器出口温度高的高温热泵系统，中间换热器7能显著降低气冷器2出口温度，进而降低第一节流装置401节流后的比焓和干度，增加闪发器分离的饱和液体制冷剂流量，蒸发器的换热量会进一步提高，系统制热能力和能效因此也得到进一步提升。
优选地，所述闪蒸器5(闪发器)是单向闪蒸器或双向闪蒸器。这是闪蒸器的一种优选种类和结构。
优选地，压力平衡装置6是流通截面积可调的阀门元件，这是压力平衡装置的一种优选的种类和结构。进一步优选地压力平衡装置6还可以是如毛细管的内径较小的管路。
优选地，所述主节流装置401和辅助节流装置402是毛细管、节流短管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流孔板中的任意一种。这也是节流装置的优选种类和结构。
下面介绍一下本发明的优选实施方式
实施方式一
本发明提供的一种采用双级压缩机一级节流闪发旁通的跨临界循环高温热泵系统原理图如图1所示，高温高压的制冷剂气体从第一压缩机101排出进入气冷器2后变成相对较低温度的高压超临界状态气体，进入电子膨胀阀401节流后变成低温低压的制冷剂两相混合物进入闪发器5中，经闪发器的气液分离作用分离出饱和液体和饱和气体，饱和液体进入蒸发器3后蒸发后变成低温低压的制冷剂气体，饱和气体经过压力平衡装置6后与蒸发器3出来的低温低压制冷剂气体混合进入第二压缩机102压缩为高温中压的制冷剂，再进入第一压缩机101压缩为高温高压的制冷剂，完成一个循环。该实施例将现有技术中的单级压缩改为双级压缩机，使得单个压缩机的压比大幅度降低，压缩机效率大幅度提升，系统循环COP因此也能得到提升。另外，该实施例将节流后的两相制冷剂通过闪发器进行分离，使得进入蒸发器的制冷剂达到或近似为饱和液体，最大程度地提高了该循环单位质量制冷剂的吸热量，而且由于蒸发器进口制冷剂为饱和液体状态或干度非常低的两相状态有利于蒸发器分流均匀性的改善，有效降低了蒸发器制冷剂侧的压降，增加了蒸发器传热温差，对于采用CO2制冷剂的高温热泵系统，还提升了制冷剂侧蒸发换热系数，使得蒸发器换热性能大幅度提升，在制热量不变的条件下蒸发温度升高，降低了循环压缩比功，系统性能提升。本实施例中采用的第一压缩机101和第二压缩机102可以是包含低压压缩腔和高压压缩腔的双缸双转子压缩机，见图10(a)所示，低压压缩腔和高压压缩腔串联连接，即压缩机工作时分两级同时进行制冷剂的压缩，相比对比方案中(见图11)需要两个压缩机分别设置在主路循环和辅路循环中，本发明可以减少一个辅路压缩机，从而降低了系统成本、体积以及控制的复杂程度。
实施方式二和实施方式三
图2和图3为本发明的较优方案，由较小排量的第三压缩机103代替压力平衡装置6，图2是将闪发器分离的饱和气体通过第三压缩机103压缩为中间压力的高温中压制冷剂，与第二压缩机102排出的高温中压的制冷剂混合进入第三压缩机103压缩为高温高压的制冷剂；图3是将闪发器分离的饱和气体通过第三压缩机103压缩为高温高压的制冷剂，与第一压缩机101压缩的高温高压制冷剂混合后进入气冷器冷却。实施方式二和实施方式三将闪发器分离的低压饱和制冷剂气体由第三压缩机101压缩到中间压力(图2)或排气压力(图3)，减小了图1中压力平衡装置6引起的节流损失，降低了主路压缩机的压缩功。
实施方式四、实施方式五和实施方式六
图4～图6是在图1～3的闪发器5与蒸发器3之间的管路上设置辅助节流装置402，该辅助流装置402可用来调节蒸发器进口制冷剂干度，对于R32、R134a、R1234yf等制冷剂，蒸发换热系数和制冷剂侧压降均随着制冷剂干度的增加而增加，通过调节辅助节流装置9可平衡蒸发器内换热系数及压降，保证蒸发器性能发挥到最佳。
实施方式七、实施方式八和实施方式九
图7～图9分别是在图1～3的方案上引入中间换热器的双级压缩机一级节流闪发旁通的跨临界循环高温热泵系统原理图。中间换热器热端设置在气冷器出口和第一节流装置401之间的管路上，冷端设置在蒸发器3出口管路上。对于气体冷却器出口温度高的高温热泵系统，中间换热器7能显著降低气冷器2出口温度，进而降低第一节流装置401节流后的比焓和干度，增加闪发器分离的饱和液体制冷剂流量，蒸发器的换热量会进一步提高，系统制热能力和能效因此也得到进一步提升。
图1和图4所示的实施例中，第一压缩机101和第二压缩机102可以是包含低压压缩腔和高压压缩腔的双缸双转子压缩机，低压压缩腔和高压压缩腔串联连接，且低压压缩腔和高压压缩腔之间可不设中间补气口，见图10(a)所示。
图2、图5及图8所示的实施例中，第一压缩机101、第二压缩机102和第三压缩机103可以是低压压缩腔和高压压缩腔串联的并设有中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联，也可以是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元，见图10(b)所示。
图3、图6及图9所示的实施例中，第一压缩机101、第二压缩机102和第三压缩机103可以是低压压缩腔和高压压缩腔串联的不设中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联，也可以是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元，见图10(c)所示。
本发明的实施例中采用的闪发器5可以是单向闪发器或双向闪发器，也可以是其它具有气液分离作用的闪发器。采用的节流装置401和辅助节流装置402可以是毛细管、节流短管、热力膨胀阀、电子膨胀、节流孔板等或其组合。压力平衡装置6可以是如毛细管的内径较小的管路，也可以是流通截面积可调的阀门元件，其主要作用是对经由闪发旁通装置分离出的气态制冷剂降压，以防止液态制冷剂进入低压级压缩机102吸气口。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种跨临界热泵装置，包括压缩系统、冷凝器(2)、主节流装置(401)和蒸发器(3)，其特征在于：在位于所述主节流装置(401)和所述蒸发器(3)之间的制冷剂管路上还设置有闪蒸器(5)，所述闪蒸器(5)的排气端经由闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的低压端、中压端或高压端，且所述压缩系统为包括两个串联压缩机或两个串联压缩腔的压缩机的双级压缩系统。
2.根据权利要求1所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述双级压缩系统包括串联连接的第一压缩机(101)和第二压缩机(102)。
3.根据权利要求1所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述双级压缩系统为包含低压压缩腔和高压压缩腔串联连接的双缸双转子压缩机。
4.根据权利要求1-3之一所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的低压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有压力平衡装置(6)。
5.根据权利要求1-3之一所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的中压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有第三压缩机(103)。
6.根据权利要求1-3之一所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述闪蒸器旁通管路连接到所述压缩系统的高压端，且在所述闪蒸器旁通管路上设置有第三压缩机(103)。
7.根据权利要求5所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述双级压缩系统和第三压缩机(103)是低压压缩腔和高压压缩腔串联并设有中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联的结构，或者是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元。
8.根据权利要求6所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述双级压缩系统和第三压缩机(103)是低压压缩腔和高压压缩腔串联且不设中间补气口的双缸双转子压缩机与转子压缩机并联的结构，或者是三个压缩机在一个壳体内的压缩机单元。
9.根据权利要求1-8之一所述的跨临界热泵装置，其特征在于：在所述闪蒸器(5)与蒸发器(3)之间的管路上还设置有辅助节流装置(402)。
10.根据权利要求1-9之一所述的跨临界热泵装置，其特征在于：还包括设置在制冷剂管路上的中间换热器(7)，所述中间换热器热端设置在冷凝器(2)出口和主节流装置(401)之间的管路上，冷端设置在蒸发器(3)出口与所述压缩系统低压端之间的管路上。
11.根据权利要求1-10之一所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述闪蒸器(5)是单向闪蒸器或双向闪蒸器。
12.根据权利要求9-11之一所述的跨临界热泵装置，其特征在于：当具有辅助节流装置(402)时，所述主节流装置(401)和辅助节流装置(402)是毛细管、节流短管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流孔板中的任意一种。
13.根据权利要求4所述的跨临界热泵装置，其特征在于：所述压力平衡装置(6)是流通截面积可调的阀门元件。
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