CN105972864B - 一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两器内浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，包括正常浓度回路、变冷凝器浓度旁路和变蒸发器浓度旁路；正常浓度回路包括：压缩机、冷凝器、过冷器、节流装置、主气液分离器和蒸发器，变冷凝器浓度旁路包括副气液分离器和调节阀，变蒸发器浓度旁路包括主气液分离器、过冷器和调节阀。本发明可以实现给定工况条件下进一步提高热泵空调系统的能源效率；先改变冷凝器中混合工质的浓度，再改变蒸发器内混合工质的浓度，实现变工况条件下冷凝器和蒸发器中均产生好的温度匹配，保证较高的热泵空调系统能源效率；结构简单、操作方便和改造成本低，通过控制增设的调节阀的开闭及开度可实现冷凝器和蒸发器中混合工质浓度的单独调节。

Description

一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统

技术领域

本发明涉及热泵空调及制冷的技术领域，具体涉及一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统。

背景技术

由于在换热过程中伴随着换热流体的温度变化，而纯质在蒸发和冷凝过程中的温度恒定不变（忽略换热过程中的压降），导致蒸发器和冷凝器之间很难实现较好的温度匹配，即由传热引起的不可逆损失增大，进而造成系统的能源效率较低。与纯质相比，混合工质可以实现纯质之间彼此优势的互补，尤其是非共沸混合工质特有的温度滑移特性，可以近似实现洛伦兹循环，很好地解决纯工质很难实现换热流体之间良好温度匹配的难题，从而进一步提高热泵空调系统的能源效率。

对于常规热泵空调循环系统而言，冷凝器与蒸发器内在某个相同的混合工质循环浓度情况下，换热流体之间由传热引起的不可逆损失相加后最小，可以获得较高的循环性能。但是这个系统中两个换热器内各自由传热引起的不可逆损失并非都是最小的。特别是在低温热源和高温热源的工作温差存在较大差异的情况下，在冷凝器和蒸发器中换热流体之间的温度匹配很难同时达到最佳。同时常规热泵空调循环系统也很难在变工况条件下保持高效运行。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，在热泵空调循环系统中增设主气液分离器、副气液分离器、过冷器和若干调节阀，可以实现冷凝器和蒸发器中混合工质浓度的单独调节，从而实现在不同工况条件下冷凝器和蒸发器中换热流体之间良好的温度匹配，达到热泵空调系统高效运行的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，包正常浓度回路、变冷凝器浓度旁路和变蒸发器浓度旁路；所述正常浓度回路包括：压缩机、冷凝器、过冷器、节流装置、主气液分离器和蒸发器，压缩机与冷凝器相连接，冷凝器与过冷器相连接，过冷器与节流装置相连接，节流装置与主气液分离器相连接，主气液分离器通过调节阀与蒸发器相连接，蒸发器与压缩机相连接，冷凝器与高温侧换热流体相连接，蒸发器与低温侧流体相连接；所述变冷凝器浓度旁路包括：副气液分离器和调节阀，副气液分离器通过调节阀与主气液分离器相连接，副气液分离器通过调节阀与蒸发器相连接，蒸发器与压缩机相连接，压缩机与冷凝器相连接；所述变蒸发器浓度旁路包括：主气液分离器、过冷器和调节阀，主气液分离器通过调节阀分别与过冷器和蒸发器相连接，过冷器与压缩机相连接。

所述正常浓度回路的压缩机的排气口与冷凝器的进口相连接，冷凝器的出口与过冷器的第一进口相连，过冷器的第一出口与节流装置的进口相连接，节流装置的出口与主气液分离器的进口相连接，主气液分离器的第一出口与第三调节阀的进口相连接，第三调节阀的出口与第四调节阀的进口相连接，第四调节阀的出口与蒸发器的进口相连接，蒸发器的出口与压缩机的吸气口相连接；所述变冷凝器浓度旁路通过第一调节阀的进口与主气液分离器的第一出口相连接，第一调节阀的出口与副气液分离器的进口相连接，副气液分离器的出口与第二调节阀的进口相连接，第二调节阀的出口与第四调节阀的进口相连接，第四调节阀的出口与蒸发器的进口相连接，蒸发器的出口与压缩机的吸气口相连接，压缩机的排气口与冷凝器的进口相连接；所述变蒸发器浓度旁路的主气液分离器的第二出口分别与第六调节阀的进口和第七调节阀的进口相连接，第六调节阀的出口分别与蒸发器的进口和第四调节阀的出口相连接，主气液分离器的第一出口与第三调节阀的进口相连接，第三调节阀的出口分别与第四调节阀的进口和第五调节阀的进口相连接，第五调节阀的出口与过冷器的第二进口相连接；第五调节阀的出口、第七调节阀的出口均与过冷器的第二进口相连接，过冷器的第二出口与压缩机的吸气口相连接。

所述冷凝器和蒸发器为沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器，过冷器为套管式或板式换热器。

所述节流装置为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

所述第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀、第六调节阀和第七调节阀为手动调节阀或自动调节阀。

所述正常浓度回路、变冷凝器浓度旁路和变蒸发器浓度旁路的混合工质为二元或二元以上混合工质。

所述低温侧换热流体为水、空气、盐水、乙二醇或丙三醇等载冷剂；所述的高温侧换热流体为空气、水或工艺用热介质。

本发明与现有技术相比具有如下明显的优点和有益效果：

1）可以实现给定工况条件下进一步提高热泵空调系统的能源效率。在不改变冷凝器中混合工质循环浓度的前提下，可以实现蒸发器内混合工质浓度相对独立的变化，使得冷凝器中良好的温度匹配得到了优先保证，同时可以实现蒸发器中产生好的温度匹配。

2）通过先改变冷凝器中混合工质的浓度，再改变蒸发器内混合工质的浓度，实现变工况条件下冷凝器和蒸发器中均产生好的温度匹配，保证较高的热泵空调系统能源效率。

3）结构简单、操作方便和改造成本低。本发明通过控制增设的调节阀的开闭及开度可实现冷凝器和蒸发器中混合工质浓度的单独调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理框图。

图2为图1的具体结构示意图。

图中，1为压缩机，2为冷凝器，3为过冷器，4为节流装置，5为主气液分离器，6为副气液分离器，7为蒸发器，8为第一调节阀，9为第二调节阀，10为第三调节阀，11为第四调节阀，12为第五调节阀，13为第六调节阀，14为第七调节阀，15为高温侧换热流体，16为低温侧换热流体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，包括正常浓度回路、变冷凝器浓度旁路和变蒸发器浓度旁路。所述正常浓度回路包括：压缩机1、冷凝器2、过冷器3、节流装置4、主气液分离器5和蒸发器7，压缩机1与冷凝器2相连接，冷凝器2与过冷器3相连接，过冷器3与节流装置4相连接，节流装置4与主气液分离器5相连接，主气液分离器5通过调节阀与蒸发器7相连接，蒸发器7与压缩机1相连接，冷凝器2与高温侧换热流体15相连接，蒸发器7与低温侧换热流体16相连接。变冷凝器浓度旁路包括：副气液分离器6和调节阀，副气液分离器6通过调节阀与主气液分离器5相连接，副气液分离器6通过调节阀与蒸发器7相连接，蒸发器7与压缩机1相连接，压缩机1与冷凝器2相连接。变蒸发器浓度旁路包括：主气液分离器5、过冷器3和调节阀，主气液分离器5通过调节阀分别与过冷器3和蒸发器7相连接，过冷器3与压缩机1相连接。

如图2所示，正常浓度回路的压缩机1的排气口1b与冷凝器2的第一进口2a相连接，冷凝器2的第一出口2b与过冷器3的第一进口3a相连，过冷器3的第一出口3b与节流装置4的进口4a相连接，节流装置4的出口4b与主气液分离器5的进口5a相连接，主气液分离器5的第一出口5b与第三调节阀10的进口10a相连接，第三调节阀10的出口10b与第四调节阀11的进口11a相连接，第四调节阀11的出口11b与蒸发器7的第一进口7a相连接，蒸发器7的第一出口7b与压缩机1的吸气口1a相连接；冷凝器2的第二进口2c与热汇水15的进口15a相连接，冷凝器2的第二出口2d与热汇水15的出口15b相连接，热汇水15在冷凝器2中吸收混合工质放出的热量。蒸发器7的第二进口7c与热源水16的进口16a相连接，蒸发器7的第二出口7d与热源水16的出口相连接，热源水16在蒸发器7中放出的热量被混合工质吸收。变冷凝器浓度旁路通过第一调节阀8的进口8a与主气液分离器5的第一出口5b相连接，第一调节阀8的出口8b与副气液分离器6的进口6a相连接，副气液分离器6的出口6b与第二调节阀9的进口9a相连接，第二调节阀9的出口9b与第四调节阀11的进口11a相连接，第四调节阀11的出口11b与蒸发器7的第一进口7a相连接，蒸发器7的第一出口7b与压缩机1的吸气口1a相连接，压缩机1的排气口1b与冷凝器2的第一进口2a相连接。

变蒸发器浓度旁路的主气液分离器5的第二出口5c分别与第六调节阀13的进口13a和第七调节阀14的进口14a相连接，第六调节阀13的出口13b分别与蒸发器7的进口7a和第四调节阀11的出口11b相连接，主气液分离器5的第一出口5b与第三调节阀10的进口10a相连接，第三调节阀10的出口10b分别与第四调节阀11的进口11a和第五调节阀12的进口12a相连接，第五调节阀12的出口12b、第七调节阀14的出口14b均与过冷器3的第二进口3c相连接，过冷器3的第二出口3d与压缩机1的吸气口1a相连接。压缩机1采用现有蒸气压缩式热泵循环系统中的压缩机即可实现。冷凝器2和蒸发器7为沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器，过冷器3为套管式或板式换热器。节流装置4为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。主气液分离器5和副气液分离器6与普通热泵空调装置中的气液分离器类似。第一调节阀8、第二调节阀9、第三调节阀10、第四调节阀11、第五调节阀12、第六调节阀13和第七调节阀14为手动调节阀或自动调节阀。各个部件之间的连接采用制冷剂管道连接，并在管道、冷凝器2、蒸发器7和过冷器3的外部包裹保温材料。

正常浓度回路、变冷凝器浓度旁路和变蒸发器浓度旁路的混合工质为二元或二元以上混合工质。低温侧换即热源水的热流体为水、空气、盐水、乙二醇或丙三醇等载冷剂；高温侧即热汇水的换热流体为空气、水或工艺用热介质。

以非共沸混合工质水源热泵热水器为例，其中，低温侧换热流体为热源（水），高温侧换热流体为热汇（水）。以下是详细的工作流程：

开机前，首先确认第一调节阀8、第二调节阀9、第五调节阀12、第六调节阀13和第七调节阀14处于关闭状态。开机后，由压缩机1排出的高温高压混合工质气体经冷凝器2和过冷器3的冷凝和过冷，再流经节流装置4绝热膨胀成为气液两相进入气液分离器5，混合工质饱和液体从气液分离器5的第一出口5b流出，经第三调节阀10和第四调节阀11进入蒸发器7，在蒸发器7中吸热后，流回压缩机1的吸气口1a。为解决在给定工况下，由于热源水和热汇水的工作温差存在较大的差异造成了冷凝器2中换热流体之间温度匹配良好、而蒸发器7中换热流体之间温度匹配较差的问题，需要启用变蒸发器浓度旁路。

启用变蒸发器浓度旁路：通过控制第五调节阀12、第六调节阀13和第七调节阀14的开闭及开度，控制流向蒸发器7和过冷器3的混合工质浓度。混合工质气液两相经主气液分离器5分离后，富含低沸点组分的气相混合工质通过第七调节阀14引入过冷器3，使得进入蒸发器7的混合工质中低沸点的组分降低，此时，第五调节阀12和第六调节阀13开度变小或关闭；或者将从主气液分离器5流出的部分富含高沸点组分的液相混合工质经第三调节阀10、第五调节阀12流入过冷器3，此时，第六调节阀13打开或变大，第七调节阀14开度变小或关闭，让余下液相部分混合工质与从富含低沸点组分的气相混合进入蒸发器7中，使得蒸发器7内混合工质中低沸点组分浓度提高。

变工况条件下，冷凝器2和蒸发器7中换热流体之间的温度滑移变差，需要先启用变冷凝器浓度旁路，再启用变蒸发器浓度旁路。

启用变冷凝器浓度旁路：当冷凝器2中热汇水的进出口温差变大时需要减小混合工质中高沸点组分的浓度以获到更大的温度滑移从而实现换热流体之间具有良好的温度匹配。通过打开第一调节阀8、关闭第二调节阀9和第三调节阀10，将富含高沸点组分的液相混合工质储存在副气液分离器6中；当冷凝器2中热汇水的进出口温差变小时，通过关闭第一调节阀8和第三调节阀10、打开第二调节阀9，即可将副气液分离器6中富含高沸点组分的液相混合工质释放出来，获得较小的温度滑移。储存或释放液相混合工质的多少可通过控制调节阀开闭的时间来实现。达到冷凝器2中换热流体之间具有良好的温度匹配的目的后，关闭第一调节阀8和第二调节阀9，打开第三调节阀10。

再次启用变蒸发器浓度旁路，与上述操作方法相同，此处不再赘述。利用上述调节方法，可以通过先改变整个系统中混合工质的浓度，再改变蒸发器7内混合工质的浓度，实现冷凝器2和蒸发器7中均产生好的温度匹配，保证较高的热泵系统能源效率。

停机后，立即关闭热源水入口，但需要稍后关闭热汇水进口，使冷凝器2中混合工质的温度不至过高。在下个开机循环中可以继续依次启用变蒸发器浓度旁路和变冷凝器浓度旁路。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，其特征在于，包括正常浓度回路、变冷凝器浓度旁路和变蒸发器浓度旁路；所述正常浓度回路包括：压缩机（1）、冷凝器（2）、过冷器（3）、节流装置（4）、主气液分离器（5）和蒸发器（7），压缩机（1）与冷凝器（2）相连接，冷凝器（2）与过冷器（3）相连接，过冷器（3）与节流装置（4）相连接，节流装置（4）与主气液分离器（5）相连接，主气液分离器（5）通过调节阀与蒸发器（7）相连接，蒸发器（7）与压缩机（1）相连接，冷凝器（2）与高温侧换热流体（15）相连接，蒸发器（7）与低温侧换热流体（16）相连接；所述变冷凝器浓度旁路包括：副气液分离器（6）和调节阀，副气液分离器（6）通过调节阀与主气液分离器（5）相连接，副气液分离器（6）通过调节阀与蒸发器（7）相连接，蒸发器（7）与压缩机（1）相连接，压缩机（1）与冷凝器（2）相连接；所述变蒸发器浓度旁路包括：主气液分离器（5）、过冷器（3）和调节阀，主气液分离器（5）通过调节阀分别与过冷器（3）、蒸发器（7）相连接，过冷器（3）与压缩机（1）相连接。

2.根据权利要求1所述的浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，其特征在于，所述正常浓度回路的压缩机（1）的排气口（1b）与冷凝器（2）的进口（2a）相连接，冷凝器（2）的出口（2b）与过冷器（3）的第一进口（3a）相连，过冷器（3）的第一出口（3b）与节流装置（4）的进口（4a）相连接，节流装置（4）的出口（4b）与主气液分离器（5）的进口（5a）相连接，主气液分离器（5）的第一出口（5b）与第三调节阀（10）的进口（10a）相连接，第三调节阀（10）的出口（10b）与第四调节阀（11）的进口（11a）相连接，第四调节阀（11）的出口（11b）与蒸发器（7）的进口（7a）相连接，蒸发器（7）的出口（7b）与压缩机（1）的吸气口（1a）相连接；所述变冷凝器浓度旁路通过第一调节阀（8）的进口（8a）与主气液分离器（5）的第一出口（5b）相连接，第一调节阀（8）的出口（8b）与副气液分离器（6）的进口（6a）相连接，副气液分离器（6）的出口（6b）与第二调节阀（9）的进口（9a）相连接，第二调节阀（9）的出口（9b）与第四调节阀（11）的进口（11a）相连接，第四调节阀（11）的出口（11b）与蒸发器（7）的进口（7a）相连接，蒸发器（7）的出口（7b）与压缩机（1）的吸气口（1a）相连接，压缩机（1）的排气口（1b）与冷凝器（2）的进口（2a）相连接；所述变蒸发器浓度旁路的主气液分离器（5）的第二出口（5c）分别与第六调节阀（13）的进口（13a）和第七调节阀（14）的进口（14a）相连接，第六调节阀（13）的出口（13b）分别与蒸发器（7）的进口（7a）和第四调节阀（11）的出口（11b）相连接，主气液分离器（5）的第一出口（5b）与第三调节阀（10）的进口（10a）相连接，第三调节阀（10）的出口（10b）分别与第四调节阀（11）的进口（11a）和第五调节阀（12）的进口（12a）相连接，第五调节阀（12）的出口（12b）、第七调节阀（14）的出口（14b）均与过冷器（3）的第二进口（3c）相连接，过冷器（3）的第二出口（3d）与压缩机（1）的吸气口（1a）相连接。

3.根据权利要求1或2所述的浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，其特征在于，所述冷凝器（2）和蒸发器（7）为沉浸式、喷淋式、列管式、套管式或板式换热器，过冷器（3）为套管式或板式换热器。

4.根据权利要求1或2所述的浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，其特征在于，所述节流装置（4）为手动节流阀、自动节流阀或毛细管。

5.根据权利要求2所述的浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，其特征在于，所述第一调节阀（8）、第二调节阀（9）、第三调节阀（10）、第四调节阀（11）、第五调节阀（12）、第六调节阀（13）和第七调节阀（14）为手动调节阀或自动调节阀。

6.根据权利要求1或2所述的浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，其特征在于，所述正常浓度回路、变冷凝器浓度旁路和变蒸发器浓度旁路的混合工质为二元或二元以上混合工质。

7.根据权利要求1或2所述的一种浓度可调的非共沸混合工质热泵空调系统，其特征在于，所述低温侧换热流体为水、空气、盐水、乙二醇或丙三醇的载冷剂；所述高温侧换热流体为空气、水或工艺用热介质。