CN105928231B - 一种多级串联置换换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热交换技术领域，尤其涉及一种多级串联置换换热系统。包括通过工质流道连接的蒸发器、压缩机、冷凝器、以及第一节流件；所述蒸发器的出口连接所述压缩机的入口，所述压缩机的出口连接所述冷凝器的入口，所述冷凝器的出口连接所述第一节流件的入口，所述第一节流件的出口连接所述蒸发器的入口；其特征在于：所述冷凝器出口和所述第一节流件入口之间设有多级串联热量置换区。建立在所述冷凝器和所述第一节流件之间的多级串联热量置换区将系统的冷凝区和蒸发区隔离开，在提升冷凝同时，隔绝冷凝余热对蒸发区的影响，使得系统能效大大提升。

Description

一种多级串联置换换热系统

技术领域

本发明涉及热交换技术领域，尤其涉及一种多级串联置换换热系统。

背景技术

如图1，传统空调及热泵制热/制冷系统包括压缩机、冷凝器、节流件、以及蒸发器，制热/冷系统内的低温低压工质流经蒸发器吸收热量气化，在压缩机中被压缩为高温高压的气体，流经冷凝器释放热量，最后经节流件降压后再次进入蒸发器。工质在系统内的循环过程中不断的吸热、放热，实现系统制热/制冷。

制热/制冷系统在用于制热时，将冷凝器安装于需要制热的环境中，工质在蒸发器中吸收蒸发器所处环境中的热量，并经工质流道输送至冷凝器中释放热量，以提高冷凝器所处环境的温度，达到制热效果。制热/制冷系统在用于制冷时，将蒸发器安装于需要制冷的环境中，工质在蒸发器中吸收蒸发器所处环境中的热量以降低蒸发器所处环境的温度，并经工质流道输送至冷凝器中将吸收到的热量释放到冷凝器所处的环境中，达到制冷效果。

如图2，传统空调及热泵制冷/制热系统的应用场景被划分为了两个区域：在节流件之前的冷凝区，以及在节流件之后的蒸发区。高温高压工质经冷凝器进入到蒸发器之间有两个环节：环节一，由冷凝器流出的高温高压工质首先经过工质管道到达节流件；环节二，经过节流件到达蒸发器。在环节一中，工质的一部分热量散发到环境当中，没有被充分利用，造成了工质热量资源的浪费。在环节二中，工质通过节流件的作用以后温度被降低，最终入蒸发区蒸发吸热。但是，传统空调制冷/制热系统中节流件对工质的降温作用是有限的，工质仍然会带着一部分冷凝余热进入到蒸发器中。对于制冷/制热系统而言，在一定范围内，进入蒸发器的工质温度越低，蒸发器内工质与蒸发区环境之间的温度差越大，蒸发器中工质吸收的热量越多，相应地，换热系统的制冷/制热能力也就越强。但是，环节二中工质携带的冷凝余热却缩小了蒸发器内工质与外界环境之间的温度差，破坏了蒸发器的蒸发场景。因此，传统的空调热泵制冷/制热系统中，冷凝区和蒸发区并不是完全独立隔离的，工质将冷凝余热带入到蒸发器内，不仅浪费了部分冷凝余热，而且造成冷凝区与蒸发区的相互感染，整个系统的能效无法达到最优。

更有甚者，在极端温度条件在工作时，例如我国北方的冬天室外温度能达到零下十几度甚至零下几十度。传统空调热泵制冷/制热系统的蒸发器所在环境的温度只有零下十几度。此时，经冷凝器流出的高温高压工质（假设工质温度为50度），即使在由冷凝区进入到蒸发区的过程中，释放了部分热量到外界环境中，并且进一步经过了节流部件以后，进入蒸发器的工质温度降低至35-40度。但是，这个温度仍然高于蒸发器的环境温度。而蒸发器工作的前提是其内部的工质与外部环境之间的温度差大于8度，此时蒸发器根本无法启动工作。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种多级串联置换换热系统。

本发明的技术方案如下：

一种多级串联置换换热系统，包括通过工质流道连接的蒸发器、压缩机、冷凝器、以及第一节流件；所述蒸发器的出口连接所述压缩机的入口，所述压缩机的出口连接所述冷凝器的入口，所述冷凝器的出口连接所述第一节流件的入口，所述第一节流件的出口连接所述蒸发器的入口；其特征在于：所述冷凝器出口和所述第一节流件入口之间设有多级串联热量置换区。建立在所述冷凝器和所述第一节流件之间的多级串联热量置换区将传统的冷凝区和蒸发区隔离开，在提升冷凝同时，隔绝冷凝余热对蒸发区的影响，使得系统能效大大提升。

作为优选，所述多级串联热量置换区包括第二节流件、以及多级串联热量置换装置；所述第二节流件的入口连接所述冷凝器的出口，所述第二节流件的出口连接所述多级串联热量置换装置的入口，所述多级串联热量置换装置的第一出口连接所述第一节流件的入口。所述第二节流件之前为工质等温变换的冷凝区，所述第一节流件之后为蒸发区。所述第二节流件将传统卡诺式循环中的节流件前移，缩短了冷凝器出口至节流件之间的距离，设置在第二节流件与蒸发器之间的多级串联热量置换装置回收利用原本在前述环节一种释放到环境中的部分冷凝余热，即避免了冷凝余热释放到环境中造成浪费，又使得进入蒸发器的工质温度能够更低，避免了冷凝余热对蒸发器蒸发场景的破坏，将冷凝区和蒸发区隔离开来，避免了冷凝区和蒸发区的相互感染。

作为优选，所述多级串联热量置换装置包括至少两个热量置换子系统；所述热量置换子系统包括热量回收单元、热量利用单元；所述热量回收单元串联在所述多级串联热量置换装置的入口和所述多级串联热量置换装置的第一出口之间。所述热量回收单元串联于所述多级串联热量置换装置的入口和第一出口之间，可以对工质冷凝热进行深度的多级回收利用，大大降低进入到蒸发器的工质的温度。

作为优选，所述热量置换子系统还包括第三节流件，所述第三节流件的入口连接所述多级串联热量置换装置的第一出口，所述第三节流件的出口连接所述热量利用单元的入口，所述热量利用单元的出口连接所述多级串联热量置换装置的第二出口。

作为优选，所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述压缩机的入口。

作为优选，所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述蒸发器的入口。

作为优选，所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述压缩机的入口，所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述蒸发器的入口。

作为优选，所述热量回收单元包括设有工质流道的第一换热板片，所述热量利用单元包括设有工质流道的第二换热板片，所述热量回收单元的入口和所述热量回收单元的出口通过所述第一换热板片的工质流道连通，所述热量利用单元的入口和所述热量利用单元的出口通过所述第二换热板片的工质流道连通；所述第一换热板片和所述第二换热板片间隔贴地紧密贴合。

作为优选，所述换热系统为制热系统。

作为优选，所述换热系统为制冷系统。

如图3，本发明的技术方案改变了传统卡诺式循环应用系统两大区域、四大部件的构造格局，在所述冷凝区和所述蒸发区之间设置多级串联热量置换区，经所述冷凝器流出的工质经过所述多级串联热量置换区再进入所述蒸发器。使得整个换热系统具有下述有益效果：

1. 所述第二节流件将传统空调热泵制冷/制热系统中蒸发器前端的节流件前移，将原本浪费释放到外部环境中的冷凝热回收利用，用于多级串联热量置换装置对工质进行蒸发，提高了系统的能效。

2. 所述多级串联热量置换装置中的热量回收单元提取经所述冷凝器流出工质的热量，避免了工质携带的冷凝余热破坏蒸发器的蒸发场景。

3. 所述多级串联热量置换装置中热量回收单元提取经冷凝器流出工质的冷凝余热，使得经所述热量置换装置流出至蒸发器端的工质温度大大降低，增加了蒸发器内工质与蒸发器外部环境之间的温度差，增加了系统的吸热能力，提高了系统的效率。

4. 所述多级串联热量置换装置中热量利用单元利用所述热量回收单元提取的冷凝余热对工质进行加热，使得部分工质蒸发为气态。将这部分气态工质输出至压缩机入口，可以提高压缩机的吸气压力，从而提高压缩机的效率。

5. 将所述多级串联热量置换装置中热量利用单元蒸发获得的气态工质输出至压缩机入口，还可减小压缩机的压差，延长压缩机的使用寿命。

6. 所述多级串联热量置换装置中热量利用单元利用所述热量回收单元提取的冷凝余热对工质进行加热，使得部分工质蒸发为气态。将这部分气态工质输出至换热系统中的蒸发器（如，异聚态聚热板），可以提高蒸发器进入蒸发器的工质中气态工质的占比，使得被动吸热型的蒸发器内工质的分布更均匀，避免在蒸发器内形成液堆，提高蒸发器的蒸发效率。

7. 本换热系统结构简单，只需将多级串联热量置换装置和第二节流件加入到冷凝器与第一节流件之间就能完成对于传统的空调热泵制冷/制热系统的改造，整个升级过程不涉及原系统部件结构的改变。

8. 多个所述热量置换子系统的所述热量回收单元串联于所述多级热量置换装置的入口和第一出口之间，所述热量回收单元和所述热量利用单元之间的热量置换更加彻底，可以对工质冷凝热进行深度的多级回收利用，大大降低进入到蒸发器的工质的温度。

9. 更加适用于在极端温度环境中，可以根据应用环境的需求选择所述热量置换系统的数量，环境温差越大，采用越多的热量置换系统串联；环境温差较小时，可以仅采用较少数量的热量置换系统串联。

附图说明

图1为现有制热/制冷系统的系统图。

图2为现有制热/制冷系统场景图。

图3为本发明的换热系统场景图。

图4实施例一多级串联置换换热系统的系统图。

图5实施例二多级串联置换换热系统的系统图。

图6实施例三多级串联置换换热系统的系统图。

图7实施例四多级串联置换换热系统的系统图。

图8热量置换子系统侧视图。

图9热量置换子系统结构示意图一。

图10热量置换子系统结构示意图二。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

实施例一

如图4为一种多级串联置换换热系统，包括通过工质流道连接的压缩机、冷凝器、蒸发器、第一节流件、第二节流件、多级串联热量置换装置。压缩机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接第二节流件的入口，第二节流件的出口连接多级串联热量置换装置的入口，多级串联热量置换装置的第一出口连接第一节流件的入口，第一节流件的出口连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接压缩机的入口。将冷凝器放置在需要制热的房间等密闭环境之中，将蒸发器放置在该密闭环境之外。冷凝器所在的密闭环境形成冷凝区，蒸发器所在的环境形成蒸发区。工质在工质流道中流动的过程中，吸收蒸发区的环境热量，并释放到冷凝区中，为密闭的制热环境供热，提高房间内的温度，达到制热效果。

多级串联热量置换装置包括两个热量置换子系统（本实施例中，分称为第一热量置换子系统和第二热量置换子系统）。热量置换子系统包括：热量回收单元2、热量利用单元3和第三节流件。第一热量置换子系统的热量回收单元的入口连接至多级串联热量置换装置的入口，第一热量置换子系统的热量回收单元的出口连接至第二热量置换子系统的热量回收单元的入口，第二热量置换子系统的热量回收单元的出口连接至多级串联热量置换装置的第一出口。多级串联热量置换装置的第一出口的工质分三路：一路连接至换热系统的第一节流件入口，另一路回到第二热量置换子系统的第三节流件的入口、最后一路回到第一热量置换子系统的第三节流件的入口，第二热量置换子系统的第三节流件的出口连接至第二热量置换子系统的热量利用单元的入口，第一热量置换子系统的第三节流件的出口连接至第一热量置换子系统的热量利用单元的入口，第一热量置换子系统的热量利用单元的出口和第二热量置换子系统的热量利用单元均连接至多级串联热量置换装置的第二出口。

第二节流件在第一节流件和冷凝器之间建立一个将蒸发区和冷凝区隔离开的多级串联热量置换区。工质进行等温变换的冷凝区位于第二节流件之前，在多级串联热量置换区内的热量回收单元对工质热量的吸收并且不会影响到冷凝器的冷凝压差，因此可以最大限度的回收工质的冷凝余热，使得进入蒸发器的工质温度大大降低。避免工质携带过多冷凝热进入蒸发器破坏蒸发器的蒸发场景；多级串联热量置换区的热量利用装置利用热量回收装置提取的冷凝余热将工质蒸发为气态，提高了系统的能效。两个热量置换子系统的热量回收单元串联于多级热量置换装置的入口和第一出口之间，热量回收单元和热量利用单元之间的热量置换更加彻底，可以对工质冷凝余热进行深度的多级回收利用，大大降低进入到蒸发器的工质的温度。

如图8为热量置换子系统侧视图。热量回收单元包括竖直放置的金属材质的第一换热板片2，热量利用单元包括竖直放置的金属材质的第二换热板片3。热量回收单元可包括多个第一换热板片2，热量利用单元也可包含多个第二换热板片3。第一换热板片2与第二换热板片的数量相同，并且间隔地重叠在一起。

如图9，第一换热板片2包括设置在顶部的工质入口21、设置在底部的工质出口22、以及设置在工质入口和工质出口之间的工质流道23。该第二换热板片3包括设置在底部的工质入口31、设置在顶部的工质出口32、以及设置在工质入口31和工质出口32之间的工质流道33。第一换热板片2的工质流道23内的工质流向与第二换热板片3的工质流道33内的工质流向相反。第一换热板片2的工质入口连接热量回收单元的入口，第一换热板片2的工质出口连接热量回收单元的出口。第二换热板片3的工质入口连接热量利用单元的入口，第二换热板片3的工质出口32连接热量利用单元的出口。

第三节流件4的入口连接热量回收单元的出口（即第一换热板片的工质出口22），第三节流件4的出口连接热量利用单元入口（即第二换热板片的工质入口31）。经冷凝器出来的高温高压工质在未完全冷凝之前会以气液两相态的形式先后进入第一热量置换子系统的热量回收单元和第二热量置换子系统的热量回收单元。热量置换子系统的第三节流件可以调节该热量置换子系统中由多级串联热量置换装置的第一出口流向热量利用单元的工质的流量，实现对热量回收单元和热量利用单元内的工质密度的调节。热量置换子系统通过第三节流件调节热量回收单元内的工质密度大于热量利用单元内的工质密度，使得第一换热板片2内工质的总焓值大于第二换热板3内的工质的总焓值。金属材质的第一换热板片2和第二换热板片3紧密地重叠在一起，由于两者的总焓值不同，导致他们相互之间进行热传递。在第二换热板片3内的气液混合态工质吸收第一换热板片2内的气液混合态的工质热量，第二换热板片3内的工质吸收热量蒸发为气态，第一换热板片2内的工质释放热量被液化，并且温度进一步降低。气液两相态的工质经过第一热量置换子系统的热量回收单元，由热量回收单元的出口流出的工质热量被转移，其中大部分工质变为温度更加低的液态工质；进一步地进入第二热量置换子系统的热量回收单元，工质的更多热量被转移，温度进一步降低。部分工质由第二热量置换子系统的热量回收单元的出口流出至多级串联热量置换装置的第一出口，被输送至制热系统的第一节流件。剩余的部分工质被分别送至第一热量置换子系统的热量利用单元和第二热量置换子系统的热量利用单元，吸收热量以后变为气态工质经多级串联热量置换装置的第二出口送至压缩机吸气口。通过两个串联的热量置换系统加大了经多级串联热量置换装置的第一出口流出的工质与经多级串联热量置换装置的入口流入的工质之间的温度差，使得制热系统更加适用于恶劣的极端低温制热环境。第一热量置换子系统的第一换热板片和第二换热板片内工质的总焓值差大于第二热量置换子系统的第一换热板片和第二换热板片内工质的总焓值差，热量置换的程度较高。一方面可以在第一时间快速的对工质进行热量置换；另一方面，通过调整分流至各级热量置换系统的热量利用单元内的工质的量，可以调整经多级串联热量置换装置的第二出口流出工质中气态工质的占比，满足制热系统在不同的使用环境中的不同需求。

冷凝器的出口流出的气液混合态工质，顺着工质流道进入多级串联热量置换区。在多级串联热量置换装置中，热量回收单元和热量利用单元充分进行热量置换。最后，经多级串联热量置换装置的第一出口流出并进入第一节流件的入口的工质温度比由冷凝器的出口流出的工质温度大幅度降低。从而大幅度降低了通过第一节流件进入蒸发器的工质的热量，进入蒸发器的工质温度超低，调节蒸发压力，使得蒸发器的吸热能力更高。

如图4多级串联热量置换装置的第二出口连接至压缩机的入口（压缩机也可为补焓式压缩机，此时，可将多级串联热量置换装置的第二出口连接至该补焓压缩机的补气口），经多级串联热量置换装置的第二出口流出的含有更多气态工质的工质流输出至压缩机，提高了压缩机吸气压力，从而提升了压缩机的压缩比。

实施例二

如图5为一种多级串联置换换热系统，包括通过工质流道连接的压缩机、冷凝器、蒸发器、第一节流件、第二节流件、多级串联热量置换装置。其中，蒸发器包括普通蒸发器和聚热板（被动式吸热的异聚态吸热板）。压缩机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接第二节流件的入口，第二节流件的出口连接多级串联热量置换装置的入口，多级串联热量置换装置的第一出口连接第一节流件的入口，第一节流件的出口连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接压缩机的入口。将冷凝器放置在需要制热的房间等密闭环境之中，将蒸发器放置在该密闭环境之外。冷凝器所在的密闭环境形成冷凝区，蒸发器所在的环境形成蒸发区。工质在工质流道中流动的过程中，吸收蒸发区的环境热量，并释放到冷凝区中，为密闭的制热环境供热，提高房间内的温度，达到制热效果。

多级串联热量置换子系统的结构与实施例一相同，本实施例中不再赘述。同样，冷凝器的出口流出的气液混合态工质，顺着工质流道进入多级串联热量置换区。在多级串联热量置换装置中，热量回收单元和热量利用单元充分进行热量置换。最后，经多级串联热量置换装置的第一出口流出并进入第一节流件的入口的工质温度比由冷凝器的出口流出的工质温度大幅度降低。从而大幅度降低了通过第一节流件进入蒸发器的工质的热量，进入蒸发器的工质温度超低，调节蒸发压力，使得蒸发器的吸热能力更高。

如图5在热量利用单元中吸收热量被蒸发的含有更多气态工质的工质经多级串联热量置换装置的第二出口流出。可将多级串联热量置换装置的第二出口连接至压缩机的入口，提高了压缩机吸气压力，从而提升了压缩机的压缩比。

实施例三

如图6为一种多级串联置换换热系统，包括通过工质流道连接的压缩机、冷凝器、蒸发器、第一节流件、第二节流件、多级串联热量置换装置。其中，蒸发器包括普通蒸发器和聚热板（被动式吸热的异聚态吸热板）。压缩机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接第二节流件的入口，第二节流件的出口连接多级串联热量置换装置的入口，多级串联热量置换装置的第一出口连接第一节流件的入口，第一节流件的出口连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接压缩机的入口。将冷凝器放置在需要制热的房间等密闭环境之中，将蒸发器放置在该密闭环境之外。冷凝器所在的密闭环境形成冷凝区，蒸发器所在的环境形成蒸发区。工质在工质流道中流动的过程中，吸收蒸发区的环境热量，并释放到冷凝区中，为密闭的制热环境供热，提高房间内的温度，达到制热效果。

热量置换子系统的结构与实施例一相同，本实施例中不再赘述。同样，冷凝器的出口流出的气液混合态工质，顺着工质流道进入多级串联热量置换区。在多级串联热量置换装置中，热量回收单元和热量利用单元充分进行热量置换。最后，经多级串联热量置换装置的第一出口流出并进入第一节流件的入口的工质温度比由冷凝器的出口流出的工质温度大幅度降低。从而大幅度降低了通过第一节流件进入蒸发器的工质的热量，进入蒸发器的工质温度超低，调节蒸发压力，使得蒸发器的吸热能力更高。

如图6在热量利用单元中吸收热量被蒸发的含有更多气态工质的工质经多级串联热量置换装置的第二出口流出。可将多级串联热量置换装置的第二出口连接至第一节流件的入口，通过第一节流件进入聚热板，提高进入聚热板工质中的气态工质的占比，使得被动吸热型的聚热板内的工质分布更加均匀，相当于为聚热板进行了一次初级蒸发，提高系统的制热能力。

实施例四

本实施例中未描述部分与实施例三相同，在此不再赘述。本实施例与实施例的区别在于：

如图7在热量利用单元中吸收热量被蒸发的含有更多气态工质的工质经多级串联热量置换装置的第二出口流出。可将多级串联热量置换装置的第二出口分别连接至第一节流件的入口和压缩机的入口。一方面，提高了压缩机吸气压力，从而提升了压缩机的压缩比；另一反面，通过第一节流件进入聚热板，提高进入聚热板工质中的气态工质的占比，使得被动吸热型的聚热板内的工质分布更加均匀，相当于为聚热板进行了一次初级蒸发，提高系统的制热能力。

前述实施例一至实施例五中的热量置换子系统也可以采用如图10的结构：

热量回收单元包括竖直放置的金属材质的第一换热板片2，该第一换热板片2包括设置在顶部的工质入口21、设置在底部的工质出口22、设置在工质入口和工质出口之间的吸热工质流道26、集液管23和气相回流管24。吸热工质流道26为呈S形的弯曲流道，吸热工质流道26入口连接工质入口21，集液管23和吸热工质流道26通过第一回流通道25连通，气相回流管24和吸热工质流道26通过第二回流通道27连通。第一回流通道25为倾斜的直线流道，第一回流通道25与集液管23的连接点的位置低于第一回流通道25与吸热工质流道26的连接点的位置。第二回流通道27为倾斜的直线流道，第二回流通道27与气相回流通道24的连接点的位置高于第二回流通道27与吸热工质流道26的连接点的位置。

气液混态的工质经工质入口21进入吸热工质流道26，在吸热工质流道内大部分工质的热量被吸收转移，变为温度更低的液态工质。液态工质由于重力作用经向下倾斜的第一回流通道25进入集液管23中被收集。仍然为气态的工质在弯曲的吸热工质流道26内上升，经向上倾斜的第二回流通道27进入气相回流管24返回工质入口21处再次进入吸热工质流道26，使得其热量能够被吸收转移而被液化。

热量利用单元包括竖直放置的金属材质的第二换热板片3，该第二换热板片3包括设置在底部的工质入口31、设置在顶部的工质出口32、以及设置在工质入口31和工质出口32之间的供热工质流道36、集气管33和液相回流管34。供热工质流道36为呈S形的弯曲流道，供热工质流道36入口连接工质入口31，集气管33和供热工质流道36通过第一回流通道37连通，液相回流管34和供热工质流道36通过第二回流通道35连通。第一回流通道37为倾斜的直线流道，第一回流通道37与集气管33的连接点的位置高于第一回流通道37与供热工质流道36的连接点的位置。第二回流通道35为倾斜的直线流道，第二回流通道35与液相回流管34的连接点的位置低于第二回流通道35与供热工质流道36的连接点的位置。

经第二换热板片出来的液态工质经工质入口31进入供热工质流道36。在供热工质流道36内大部分工质吸收热量以后变为气态工质。气态工质由于重力作用经向上倾斜的第一回流通道37进入集气管33中被收集。仍然为液态的工质在弯曲的供热工质流道36内向下流动，经向下倾斜的第二回流通道35进入液相回流管34返回工质入口21处再次进入供热工质流道36，使得其能够再次吸收热量而变为气态工质。

如图8为热量置换装置1的侧视图。热量回收单元包括竖直放置的金属材质的第一换热板片2，热量利用单元包括竖直放置的金属材质的第二换热板片3。热量回收单元可包括多个第一换热板片2，热量利用单元也可包含多个第二换热板片3。第一换热板片2与第二换热板片的数量相同，并且间隔地重叠在一起。第一换热板片2的工质入口连接热量回收单元的入口，第一换热板片2的工质出口连接热量回收单元的出口。第二换热板片3的工质入口连接热量利用单元的入口，第二换热板片3的工质出口32连接热量利用单元的出口。第三节流件4的入口连接热量回收单元的出口（即第一换热板片的工质出口22），第三节流件4的出口连接热量利用单元入口（即第二换热板片的工质入口31）。第一换热板片2和第二换热板片3紧密贴合，吸热工质流道26内的工质由上往下流动，供热工质流道36内的工质由下往上流动，两个工质流道内的工质形成对流，促进相互之间的热量交换。

经冷凝器流出的工质为气液混合态，第三节流件4可以通过调节由多级串联热量置换装置的第一出口流向热量利用单元的工质的流量实现对调节热量回收单元和热量利用单元内的工质密度的调节。通过第三节流件4调节热量回收单元内的工质密度大于热量利用单元内的工质密度，使得具有相同结构的第一换热板片2和第二换热板片3，第一换热板片2内工质的总焓值大于第二换热板3内的工质的总焓值。金属材质的第一换热板片2和第二换热板片3紧密地重叠在一起，由于两者的总焓值不同，导致他们相互之间进行热传递。在第二换热板片3内的气液混合态工质吸收第一换热板片2内的气液混合态的工质热量，第二换热板片3内的工质吸收热量蒸发为气态，第一换热板片2内的工质释放热量被液化，并且温度进一步降低。

另外，上述所有实施例中的制热系统也可以用于制冷，用于制冷时将蒸发器放置在需要制热的房间等密闭环境之中，将冷凝器放置在该密闭环境之外。蒸发器所在的密闭环境形成蒸发区，冷凝器所在的环境形成冷凝区。工质在工质流道中流动的过程中，将蒸发区的环境热量吸收，并释放到冷凝区中，为密闭的制冷环境吸热，降低房间内的温度，达到制冷效果。

本发明的技术方案改变了传统卡诺式循环应用系统两大区域、四大部件的构造格局，通过第二节流件和多级串联热量置换装置在所述冷凝区和所述蒸发区之间设置多级串联热量置换区。节流件的前移可以将冷凝余热用于热量置换，避免冷凝余热的浪费，提高系统的有效产热量。在多级串联热量置换装置内部将工质分为两部分，提取在传统卡诺式循环应用系统无法再利用的低品质的冷凝余热，使得经多级串联热量置换装置的第一出口进入蒸发器的工质温度比由冷凝器出口直接进入蒸发器的工质温度更低。保证了整个制冷/制热系统中冷凝、蒸发场景的完整，减少工质由冷凝区进入蒸发区过程中的冷凝热量和蒸发热量的损失。通过对多级串联热量置换装置的合理优化，为卡诺循环机的效率无限趋近于理想效率拓开了一个方向。从而突破了制冷/制热系统的技术瓶颈，大大提高了制冷/制热系统的能效比。多级串联置换换热系统更加适合于环境温差大的极端制冷/制热环境，通过多级串联热量置换装置对工质进行多级热量置换，增加蒸发器入口和出口之间的温度差，提高蒸发器的工作性能，保证了系统在极端条件下仍能够正常工作。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (7)

1.一种多级串联置换换热系统，包括通过工质流道连接的蒸发器、压缩机、冷凝器、以及第一节流件；所述蒸发器的出口连接所述压缩机的入口，所述压缩机的出口连接所述冷凝器的入口，所述冷凝器的出口连接所述第一节流件的入口，所述第一节流件的出口连接所述蒸发器的入口；其特征在于：所述冷凝器出口和所述第一节流件入口之间设有多级串联热量置换区；所述多级串联热量置换区包括第二节流件、以及多级串联热量置换装置；所述第二节流件的入口连接所述冷凝器的出口，所述第二节流件的出口连接所述多级串联热量置换装置的入口，所述多级串联热量置换装置的第一出口连接所述第一节流件的入口；所述多级串联热量置换装置包括至少两个热量置换子系统；所述热量置换子系统包括热量回收单元、热量利用单元；所述热量回收单元串联在所述多级串联热量置换装置的入口和所述多级串联热量置换装置的第一出口之间；所述热量回收单元包括设有工质流道的第一换热板片，所述热量利用单元包括设有工质流道的第二换热板片，所述热量回收单元的入口和所述热量回收单元的出口通过所述第一换热板片的工质流道连通，所述热量利用单元的入口和所述热量利用单元的出口通过所述第二换热板片的工质流道连通；所述第一换热板片和所述第二换热板片间隔地紧密贴合；所述热量回收单元包括竖直放置的第一换热板片，所述第一换热板片包括设置在顶部的工质入口、设置在底部的工质出口、设置在工质入口和工质出口之间的吸热工质流道、集液管和气相回流管；所述吸热工质流道为呈S形的弯曲流道，所述吸热工质流道入口连接所述工质入口，所述集液管和所述吸热工质流道通过第一换热板片的第一回流通道连通，所述气相回流管和所述吸热工质流道通过第一换热板片的第二回流通道连通；第一回流通道为倾斜的直线流道，所述第一回流通道与所述集液管的连接点的位置低于所述第一回流通道与吸热工质流道的连接点的位置；所述第二回流通道为倾斜的直线流道，所述第二回流通道与气相回流管的连接点的位置高于所述第二回流通道与吸热工质流道的连接点的位置；

热量利用单元包括竖直放置的第二换热板片，所述第二换热板片包括设置在底部的工质入口、设置在顶部的工质出口、以及设置在工质入口和工质出口之间的供热工质流道、集气管和液相回流管；所述供热工质流道为呈S形的弯曲流道，所述供热工质流道入口连接所述工质入口，所述集气管和所述供热工质流道通过第二换热板片的第一回流通道连通，所述液相回流管和所述供热工质流道通过第二换热板片的第二回流通道连通；所述第一回流通道为倾斜的直线流道，所述第一回流通道与所述集气管的连接点的位置高于所述第一回流通道与所述供热工质流道的连接点的位置；所述第二回流通道为倾斜的直线流道，所述第二回流通道与所述液相回流管的连接点的位置低于所述第二回流通道与所述供热工质流道的连接点的位置。

2.根据权利要求1所述的一种多级串联置换换热系统，其特征在于：所述热量置换子系统还包括第三节流件，所述第三节流件的入口连接所述多级串联热量置换装置的第一出口，所述第三节流件的出口连接所述热量利用单元的入口，所述热量利用单元的出口连接所述多级串联热量置换装置的第二出口。

3.根据权利要求2所述的一种多级串联置换换热系统，其特征在于：所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述压缩机的入口。

4.根据权利要求2所述的一种多级串联置换换热系统，其特征在于：所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述蒸发器的入口。

5.根据权利要求2所述的一种多级串联置换换热系统，其特征在于：所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述压缩机的入口，所述多级串联热量置换装置的第二出口连接所述蒸发器的入口。

6.根据权利要求1所述的一种多级串联置换换热系统，其特征在于：所述换热系统为制热系统。

7.根据权利要求1所述的一种多级串联置换换热系统，其特征在于：所述换热系统为制冷系统。