CN106152608B - 一种结合空压系统与热泵系统的复合系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结合空压系统与热泵系统的复合系统，其包括压缩机(1)、冷却/冷凝器(2)、节流装置(3)以及由上述部件连成的循环回路，所述压缩机(1)包括空气进口端(11)、制冷剂进口端(12)和出口端(13)，且所述空气进口端(11)用于吸入空气、所述制冷剂进口端(12)与所述节流装置(3)相连、所述出口端(13)与所述冷却/冷凝器(2)相连。通过本发明能利用制冷剂对空气进行冷却以降低其排气温度、且利用高温的压缩空气对制冷剂进行加热升温以使得制冷剂完成蒸发吸热的过程，有效地利用了空气压缩系统的排气热量，同时解决了空气压缩机排气温度较高以及热泵系统缺乏稳定的热源的技术问题。

Description

一种结合空压系统与热泵系统的复合系统

技术领域

本发明属于空调热泵技术领域，具体涉及一种结合空压系统与热泵系统的复合系统。

背景技术

现有技术中的常规空气压缩机排气温度较高热量较大，如果用风冷或水冷系统，不仅热量完全浪费，而且消耗大量冷却水或冷却风扇的电能，同时压缩过程为达到较高的压比也需要喷入大量的冷却液体。常规压缩式热泵系统，如果要得到80℃以上高温，对热源品质要求较高，如果需要从室外低温环境下吸收热量，则需要消耗整个热泵系统尤其是压缩机大量的功率来得以实现，使得能耗较大。

现有技术中存在空气压缩机排气温度较高、热量浪费，若对其进行冷却则需要补入冷却液体(如冷却水、冷却油等)或使用冷却风扇，会带来冷却液体或冷却风扇的能量消耗，且热泵系统缺乏稳定的热源以维持换热过程、若从低位环境下吸取热量需要消耗较大的功率等技术问题，因此本发明研究设计出一种结合空压系统与热泵系统的复合系统。

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空气压缩机排气温度较高以及热泵系统缺乏稳定热源的缺陷，从而提供一种结合空压系统与热泵系统的复合系统。

本发明提供一种结合空压系统与热泵系统的复合系统，其包括压缩机、冷却/冷凝器、节流装置以及由上述部件连成的循环回路，所述压缩机包括空气进口端、制冷剂进口端和出口端，且所述空气进口端用于吸入空气、所述制冷剂进口端与所述节流装置相连、所述出口端与所述冷却/冷凝器相连。

优选地，在所述循环回路上位于所述冷却/冷凝器与所述节流装置之间还设置有气液分离器。

优选地，还包括压缩空气储气罐，所述气液分离器的出气端连接至压缩空气储气罐。

优选地，在所述气液分离器的所述出气端与所述压缩空气储气罐之间还设置有第一制冷剂回收器。

优选地，所述气液分离器的出液端与所述节流装置相连。

优选地，所述空气进口端连接空气吸气管路，且在所述空气吸气管路上设置有第二制冷剂回收器。

优选地，在所述空气吸气管路上、位于所述空气进口端与所述第二制冷剂回收器之间还设置有止回阀。

优选地，所述压缩机为无油单级螺杆压缩机。

优选地，所述压缩机的吸气压力为0.1MPa，排气压力为0.8MPa；所述循环回路中的制冷剂为R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa中的至少一种。

优选地，所述冷却/冷凝器用于与水进行换热，且经过换热后的水温能达到80℃以上。

本发明提供的一种结合空压系统与热泵系统的复合系统具有如下有益效果：

1.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，采用将空气压缩系统与高温热泵系统进行结合的方式，使得高温热泵的制冷剂工质充当空气压缩机的冷却喷液、空气压缩机的高温排气充当高温热泵的热源，能利用制冷剂对空气进行冷却以降低其排气温度、且利用高温的压缩空气对制冷剂进行加热升温以使得制冷剂完成蒸发吸热的过程，有效地利用了空气压缩系统的排气热量，同时解决了空气压缩机排气温度较高以及热泵系统缺乏稳定的热源的技术问题；

2.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，使得高温热泵的制冷剂工质充当空气压缩机的冷却喷液、空气压缩机的高温排气充当高温热泵的热源，从而使得空气压缩系统能够省去喷油冷却，避免了润滑油的消耗，降低运行成本；

3.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，采用将空气压缩系统与高温热泵系统进行结合的方式，能使用常规单层壁压缩机实现单级无油压缩，降低了压缩机的成产成本；

4.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，能够使得空气压缩系统和压缩式热泵系统两个系统共用一个冷却/冷凝器和一台压缩机，使得压缩机起到压缩空气和制冷剂的同时，还能充当蒸发器的作用以对冷媒进行加热，即压缩热泵系统能够省去蒸发器和稳定的高温热源，几乎没有设备投入，减小了设备的增加，降低了成本。

5.通过在吸气处设置止回阀、排气处设置高效液分，并配合设置制冷剂吸收装置的方式能够有效回收漏出的制冷剂、防止了制冷剂的泄漏。

附图说明

图1是本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1—压缩机，11—空气进口端，12—制冷剂进口端，13—出口端，2—冷却/冷凝器(或称冷却或冷凝器)，3—节流装置，4—气液分离器，41—出气端，5—压缩空气储气罐，6—第一制冷剂回收器，7—第二制冷剂回收器，8—止回阀。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种结合空压系统与热泵系统的复合系统，其包括压缩机1、冷却/冷凝器2、节流装置3以及由上述部件连成的循环回路(热泵闭式循环回路)，所述压缩机1包括空气进口端11、制冷剂进口端12和出口端13，且所述空气进口端11用于吸入空气、所述制冷剂进口端12与所述节流装置3相连、所述出口端13与所述冷却/冷凝器2相连，所述节流装置3的另一端连至冷却/冷凝器2。

1.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，采用将空气压缩系统与高温热泵系统进行结合的方式，使得高温热泵的制冷剂工质充当空气压缩机的冷却喷液、空气压缩机的高温排气充当高温热泵的热源，能在压缩机内部利用制冷剂对空气进行冷却以降低其排气温度、且利用高温的压缩空气对制冷剂进行加热升温(即压缩机内部起到热泵系统中的蒸发器的作用)以使得制冷剂完成蒸发吸热的过程，有效地利用了空气压缩系统的排气热量，同时解决了空气压缩机排气温度较高以及热泵系统缺乏稳定的高温热源的技术问题；

2.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，使得高温热泵的制冷剂工质充当空气压缩机的冷却喷液、空气压缩机的高温排气充当高温热泵的热源，从而使得空气压缩系统能够省去喷油冷却，避免了润滑油的消耗，降低运行成本；

3.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，采用将空气压缩系统与高温热泵系统进行结合的方式，能使用常规单层壁压缩机实现单级无油压缩，降低了压缩机的生产成本；

4.通过本发明的结合空压系统与热泵系统的复合系统，能够使得空气压缩系统和压缩式热泵系统两个系统共用一个冷却/冷凝器和一台压缩机，使得压缩机起到压缩空气和制冷剂的同时，还能充当蒸发器的作用以对冷媒进行加热，即压缩热泵系统能够省去蒸发器和稳定的高温热源，几乎没有设备投入，减小了设备的增加，降低了成本。

优选地，在所述循环回路上位于所述冷却/冷凝器2与所述节流装置3之间还设置有气液分离器4。通过设置气液分离器能够将经过冷却/冷凝器降温放热过后的空气与制冷剂液体的混合物进行分离作用，从而将压缩后的空气导入指定的所需位置、将液体制冷剂仍然进入热泵循环过程继续制热循环；并且将气液分离器设置于冷却/冷凝器与节流装置之间，即将其设置在冷却/冷凝器的气流方向的后端，这是因为经过冷却/冷凝器的降温换热之后制冷剂已绝大部分变成了液态，从而采用气液分离器就能够便利地将空气与制冷剂之间进行有效的分离(若将其设置在压缩机气流后方则因为空气和制冷剂都是气体、不利于二者的分离)，从而完成空气压缩和热泵循环制热的目的和效果。

进一步地，所述气液分离器为高效气液分离器，从而实现气液的高效分离，防止制冷剂从空气管路发生泄漏。

优选地，还包括压缩空气储气罐7，所述气液分离器4的出气端41连接至压缩空气储气罐5。通过设置压缩空气储气罐的结构形式能够有效地将气液分离器分离出来的气体(即压缩空气)进行存储，以根据需要时将其输送至指定位置处。

优选地，在所述气液分离器4的所述出气端41与所述压缩空气储气罐5之间还设置有第一制冷剂回收器6。通过设置第一制冷剂回收器的方式，能够有效地对分离不完全、而进入气体排出通道中的制冷剂进行回收，从而有效地防止了制冷剂的泄漏，保证了空气的纯度、同时保证了热泵循环的正常、可靠的运行。

优选地，所述气液分离器4的出液端42与所述节流装置3相连。这样能够将气液分离器出液端分离出的液态制冷剂重新导入热泵循环系统中、进入节流装置中节流膨胀，以继续进行热泵制热的循环过程。

优选地，所述空气进口端11连接空气吸气管路，通过所述空气吸气管路吸入空气，且在所述空气吸气管路上(位于空气进口端的气流方向前端)设置有第二制冷剂回收器7。通过在空气吸气管路上还设置第二制冷剂回收器的方式，还能够对从压缩机的空气进口端意外泄漏出的制冷剂进行回收，从而防止制冷剂从该处产生泄漏，避免对热泵压缩系统的正常运行造成影响。

由于压缩热泵系统为闭式系统，而空气压缩系统为开式系统，将闭式系统的压缩热泵系统与开式系统的空气压缩系统进行结合时，难免会存在从开式系统的进、出口端出现泄漏的情况，因此采取在上述压缩机的空气进口端和气液分离器的出气端均设置制冷剂回收器的方式，良好地防止了制冷剂的泄漏。

优选地，在所述空气吸气管路上、位于所述空气进口端11与所述第二制冷剂回收器7之间还设置有止回阀8。通过在上述位置还设置止回阀的方式，能够防止空气流和制冷剂从空气吸气管路倒流至压缩机外部，进一步有效地防止了制冷剂从压缩机空气进口端泄漏的情况的发生，保障热泵制热循环回路的正常可靠的运行。

优选地，所述压缩机为无油单级螺杆压缩机。这是本发明的压缩机的优选种类和结构形式，采用无油单级螺杆压缩机能够使得其排气温度降低以及成本降低的效果更佳，适用性更强。因为螺杆压缩机喷油机、无油机界限明显，长期以来排气温度一直困扰无油螺杆压缩机的开发和推广，无油螺杆压缩机生产开发成本明显高于喷油机。以生产常压0.8MPa压缩空气为例，喷油螺杆压缩机单级压缩即可将排气温度控制在80℃以下，无油压缩机必须采用双级压缩且机体铸件双层设计，排气温度仍然高达200℃以上。本发明通过喷制冷剂冷却的方法解决了现有无油螺杆压缩机排气温度过高的问题，提高了无油螺杆压缩机的单级压比，省略了机体双层结构，至少降低一半的生产成本。相对喷油螺杆压缩机，喷制冷剂螺杆压缩机避免了润滑油的消耗，降低了系统运行成本。

优选地，所述压缩机的吸气压力为0.1MPa，排气压力为0.8MPa；所述循环回路中的制冷剂为R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa中的至少一种(即任意一种及两种以上)。这是本发明的空气压缩与压缩式热泵的复合系统中的压缩机的优选吸、排气压力的数值大小，这样的吸、排气压力更佳地适用于无油单级螺杆压缩机，且采用R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa中的任意一种及两种以上作为制冷剂，是由于经过大量实验研究结果表明，上述制冷剂在上述的吸、排气压力值下能够有效地满足吸气状态下为液体，排气状态下为气体的需求，能够有效地保证进入压缩机中的制冷剂为液态以进行蒸发吸热、而进入冷却/冷凝器中的制冷剂为气体以进行冷凝放热，使得热泵循环系统得以正常有效的运行。

优选地，所述冷却/冷凝器2用于与水进行换热，且经过换热后的水的温度能达到80℃以上。这是本发明的空气压缩与压缩式热泵的复合系统的冷却/冷凝器换热端的具体换热工质，将其与水进行换热，能够有效地制取热水，实现利用热泵循环系统制取热水的目的和效果，且换热后的水温能达到80℃以上能够制取高温热水。

下面介绍一下本发明的工作原理和优选实施例

本发明设计了一种结合空气压缩系统和压缩热泵系统的复合系统，克服两者自身缺点，各取所需，空气压缩系统避免了润滑油的消耗且实现了单级压缩，降低了压缩机的生产成本，压缩热泵系统省略蒸发器，与空气压缩系统共用一套冷却器和压缩机，无设备投入。本专利降低了两套系统的运行成本和设备成本，提高了能源利用效率。

由于空压机高温排气热源稳定热量充足温度高，是理想的热泵热源，本发明将空气压缩系统与压缩式热泵循环结合，高温热泵的制冷剂工质充当空气压缩机的冷却喷液，空气压缩机的高温排气可以充当高温热泵的热源。通过该复合系统，空气压缩系统可以省去喷油冷却用常规压缩机实现无油压缩，压缩热泵系统可以省去蒸发器，同时两个系统共用一个冷却器、一台压缩机，能较大的降低设备成本。

本发明将空气压缩系统和高温热泵系统结合，在实现80℃以上热泵的同时生产无油的压缩空气。压缩空气系统内，不需要喷润滑油冷却(轴承润滑系统还需要少量润滑油)，避免了空气和油的接触，实现了无油压缩，避免了润滑油的消耗，降低了压缩机运行成本。常规无油压缩机，没有润滑油冷却，排气温度可能达到200～300℃，为保证压缩机机体铸件不发生较大热变形，通常需要双级压缩，且每级压缩机机体设计有双层结构，中间设有充注水或其他液体的冷却夹套，极大了增加了压缩机的生产成本。而本系统通过制冷剂冷却，压缩机可以采用单级压缩，且机体可采用单层结构，将降低压缩机的生产成本一半以上。

常规压缩热泵系统，设备上需要一台压缩机、一个蒸发器、一个冷凝器，还需要有稳定的高温热源。通过与空气压缩系统结合，解决了热源的同时省去了蒸发器，而压缩机和冷凝器也全部由空气压缩系统提供。仅需要添加一个气液分离器，而常规喷油空气压缩系统也是有油气分离器的，相当于本热泵系统无设备投入。

值得注意的是，压缩热泵系统为闭式系统，压缩空气系统为开式系统，两系统结合需要解决制冷剂泄露问题。因此吸气处(图1中标号11处)需要添加止回阀，排气处(图1中标号41处)需要高效液分，同时吸排气处皆需要布置制冷剂吸收装置用于回收漏出的制冷剂。

本发明以无油喷液螺杆压缩机为例进行最优实施例分析。因为螺杆压缩机喷油机、无油机界限明显，长期以来排气温度一直困扰无油螺杆压缩机的开发和推广，无油螺杆压缩机生产开发成本明显高于喷油机。以生产常压0.8MPa压缩空气为例，喷油螺杆压缩机单级压缩即可将排气温度控制在80℃以下，无油压缩机必须采用双级压缩且机体铸件双层设计，排气温度仍然高达200℃以上。本发明通过喷制冷剂冷却的方法解决了现有无油螺杆压缩机排气温度过高的问题，提高了无油螺杆压缩机的单级压比，省略了机体双层结构，至少降低一半的生产成本。相对喷油螺杆压缩机，喷制冷剂螺杆压缩机避免了润滑油的消耗，降低了系统运行成本。

如图1所示，常温常压空气a经第二制冷剂回收器7和止回阀8后吸入压缩机1，与制冷剂喷液混合为气液两相混合物b。两相混合物b经压缩机1压缩至高温高压混合气体c，混合气体c通入冷却/冷凝器2降温冷却为空气和制冷剂的低温气液两相混合物d，两相混合物d再经气液分离器4分离为低温高压空气e和低温高压液态制冷剂f。液态制冷剂f经节流装置3(优选为节流阀)降压为低压液体g(可能闪发出一定量的制冷剂蒸汽)后喷回压缩机1，完成闭式的制冷剂热泵循环。压缩空气e经第一制冷剂回收器6后通入压缩空气储罐5供用户使用，完成空气的开式压缩循环。

以最常见的压缩空气系统：吸气压力0.1MPa，排气压力0.8MPa为例进行计算。对于本发明的压缩热泵系统所用制冷剂，本发明用以下单一工质制冷剂：

R11，R113，R114，R115，R116，R12，R123，R124，R125，R13，R134a，R14，R141b，R142b，R143a，R152a，R218，R22，R227ea，R23，R236ea，R236fa，R245ca，R245fa，R32，R41，RC318，ammonia，argon，butane，CO2，ethane，isobutan，methane，nitrogen，oxygen，propane，propylen，water。

和以下混合工质制冷剂：

R401a，R401b，R401c，R402a，R402b，R403a，R403b，

R404a，R405a，R406a，R407a，R407b，R407c，R407d，

R407e，R408a，R409a，R409b，R410a，R410b，R411a，

R411b，R412a，R413a，R414a，R414b，R415a，R415b，

R416a，R417a，R418a，R419a，R420a，R421a，R421b，

R422a，R422b，R422c，R422d，R423a，R424a，R425a，

R426a，R427a，R428a，R500，R501，R502，R503，R504，

R507a，R508a，R508b，R509a。

进行了初步计算。发现只有R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa的热力性质满足0.1/0.8MPa的要求，即吸气状态下为液体，排气状态下为气体。并最终选择常用的高温工质R245fa为例进行了计算(R245fa 0.1MPa时蒸发温度为14.8℃，R245ca 0.1MPa时蒸发温度24.8℃)。设压缩机吸气相对质量流量(即设压缩机吸气的质量流量为单位1，其他点的质量流量就是该点值就是与吸气质量流量的比值，例如为2就是吸气值的2倍)为1，系统各点状态如下，换热温差取为3℃(即冷却冷凝器里气体和冷却水的换热温差)，压缩机等熵效率取为90％，如下表所示：

表1系统循环点状态表

系统每生产0.8MPa压缩空气1kg/s，可制80℃热水1.30kg/s。

每生产单位质量压缩空气，能源消耗、利用情况如下表所示：

表2系统性能表

随喷液量的降低，系统排气温度升高，系统综合制热COP降低，但是单位质量压缩空气产热水量随之升高(喷液量降低、压缩机功耗增加，导致压缩空气热量升高、加热热水使得热水量随之升高)。即压缩空气产量不变时，喷液量降低，生产热水量增加，生产单位质量热水的成本也增加(此时压缩机功耗增加、效率降低、导致浪费较多、成本增加)。

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 (10)

1.一种结合空压系统与热泵系统的复合系统，其特征在于：包括压缩机(1)、冷却/冷凝器(2)、节流装置(3)以及由上述部件连成的循环回路，所述压缩机(1)包括空气进口端(11)、制冷剂进口端(12)和出口端(13)，且所述空气进口端(11)用于吸入空气、所述制冷剂进口端(12)与所述节流装置(3)相连、所述出口端(13)与所述冷却/冷凝器(2)相连。

2.根据权利要求1所述的复合系统，其特征在于：在所述循环回路上位于所述冷却/冷凝器(2)与所述节流装置(3)之间还设置有气液分离器(4)。

3.根据权利要求2所述的复合系统，其特征在于：还包括压缩空气储气罐(5)，所述气液分离器(4)的出气端(41)连接至所述压缩空气储气罐(5)。

4.根据权利要求3所述的复合系统，其特征在于：在所述气液分离器(4)的所述出气端(41)与所述压缩空气储气罐(5)之间还设置有第一制冷剂回收器(6)。

5.根据权利要求2-4之一所述的复合系统，其特征在于：所述气液分离器(4)的出液端(42)与所述节流装置(3)相连。

6.根据权利要求1-4之一所述的复合系统，其特征在于：所述空气进口端(11)连接空气吸气管路，且在所述空气吸气管路上设置有第二制冷剂回收器(7)。

7.根据权利要求6所述的复合系统，其特征在于：在所述空气吸气管路上、位于所述空气进口端(11)与所述第二制冷剂回收器(7)之间还设置有止回阀(8)。

8.根据权利要求1-4之一所述的复合系统，其特征在于：所述压缩机为无油单级螺杆压缩机。

9.根据权利要求1-4之一所述的复合系统，其特征在于：所述压缩机的吸气压力为0.1MPa，排气压力为0.8MPa；所述循环回路中的制冷剂为R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa中的至少一种。

10.根据权利要求1-4之一所述的复合系统，其特征在于：所述冷却/冷凝器(2)用于与水进行换热，且经过换热后的水温能达到80℃以上。