CN106168420B - 一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组 - Google Patents

一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，包括压缩机，出口与压缩机吸气口连接的气液分离器，还包括与压缩机排气口相连接用于混合制冷剂中高沸点组分冷凝用的第二用户端换热器以及分馏器；分馏器气相出口连接一个用于富含低沸点组分制冷剂冷凝用的第一用户端换热器，该第一用户端换热器的制冷剂出口连接第二节流阀和电磁阀，所述的第二节流阀与电磁阀并联连接后与溶液再生换热器的入口相连，该溶液再生换热器的出口与四通换向阀的第一接口连接。本发明利用高温高压非共沸混合工质中高沸点组分和低沸点组分分别在第二用户端换热器和第一用户端换热器冷凝放热，实现用户侧换热介质的大温差换热。

Description

一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组
技术领域
本发明属于制冷、空调与热泵技术领域，特别是一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组。
背景技术
近年来，随着传统热泵技术的日益成熟，工业用高温热水的需求日渐增加，但传统空气源热泵在出水温度较高时，可能导致冷凝压力及排气温度过高，使机组运行的可靠性降低，同时机组的制热性能降低。目前采用的主要技术措施是采用多级压缩、压缩机喷气或喷液来降低排气温度，但喷气的降温效果不好，喷液可能使压缩机带液。此外，也有利用非共沸制冷剂不同组元沸点不同的特点，在热泵系统中充注非共沸混合制冷剂，当供热温度较高时，调高热泵回路循环制冷剂中的高沸点制冷剂的组成比率(中谷和生，谏山安彦.液体循环式供暖系统.申请号：CN201010108289.0)。该发明虽然具有一定的随着负荷升高提高工作温度的能力，但该装置调节范围有限，调节控制系统复杂，对冷凝器二次侧难以实现大温差换热。
另一方面，在长江中下游及类似气候区域，空气源热泵制热运行时，再室外侧换热器表面温度低于空气露点温度且低于0℃时，会导致室外换热器表面结霜。当机组室外换热器表面结霜后，会使室外换热器的传热热阻增加、空气流通通道面积减小导致室外换热器通风量降低，最终导致热泵机组制热量降低、制热性能下降，甚至出现低压报警等故障。因此，当热泵机组室外换热器表面结霜后，需要对其进行除霜。
目前，在空气源热泵系统中，常采用的除霜方式有热泵机组逆向除霜、热气旁通除霜、蓄热除霜、电除霜等，而上述所列各除霜方式均为通过加热方式去除换热器表面霜层，均会消耗额外的电能，使热泵机组的制热性能降低。近年来，溶液除霜由于其迅速可靠的优点得到了大家的广泛关注，闫凌等人提出了一种无霜空气源热泵新系统(闫凌，无霜空气源热泵系统喷淋溶液特性变化规律研究，哈尔滨工业大学，2011)，该系统在传统空气源热泵的室外机部分外加一个溶液喷淋系统。在结霜达到一定程度之后，开启溶液喷淋装置，虽然其除霜效果较为理想，但未设置合适的再生装置制约了其应用。余延顺等人提出了一种带有冷冻再生装置的溶液除霜型热泵机组，即将冷冻再生其与室外换热器串联，并将室外换热器和溶液再生换热器分别置于上下游的方式实现对溶液除霜后的稀溶液进行再生(余延顺、孙成龙、孙家正，一种冷冻再生的溶液除霜型热泵机组，申请号：201510218768.0)，得到了较好的结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，利用具有一定滑移温差的非共沸混合工质，实现冷凝侧换热介质的大温差换热。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，包括用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机，一个出口与压缩机吸气口连接的气液分离器，还包括一个与压缩机排气口相连接用于混合制冷剂中高沸点组分冷凝用的第二用户端换热器；
一个用于分离第二用户端换热器制冷剂出口气液两相制冷剂的分馏器，该分馏器液相出口连接一个用于液态富含高沸点组分制冷剂节流用的第一节流阀和单向阀，所述的第一节流阀的入口和单向阀的出口并联，第一节流阀的出口与室外换热器的入口连接，单向阀的入口与四通换向阀的第四接口连接，室外换热器的出口通过制冷剂管路与气液分离器的入口连接，四通换向阀的第三接口及第二接口分别与所述的室外换热器的出口及气液分离器入口间的制冷剂管路连接；
所述的分馏器气相出口连接一个用于富含低沸点组分制冷剂冷凝用的第一用户端换热器，该第一用户端换热器的制冷剂出口连接第二节流阀和电磁阀，所述的第二节流阀与电磁阀并联连接后与溶液再生换热器的入口相连，该溶液再生换热器的出口与四通换向阀的第一接口连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用高温高压非共沸混合工质中高沸点组分和低沸点组分分别在第二用户端换热器和第一用户端换热器冷凝放热，实现用户侧换热介质的大温差换热。(2)提供了两个具有不同泡点温度的蒸发器，高泡点温度蒸发器作为室外换热器、低泡点温度蒸发器作为溶液再生换热器，降低溶液再生温度，有效提高稀溶液再生效率与速率。(3)采用溶液除霜的方式，并能及时再生，能够使机组不间断供热，而且除霜速度快，适应能力强。(4)使用旁通第一用户端换热器出口高温高压液体(富含低沸点组分制冷剂液体)进行脱冰，脱冰迅速，效果较好。(5)利用低沸点组分提供的低温条件实现对溶液除霜后的稀溶液进行高效冷冻再生，实现机组除霜零能耗、除霜过程不停机并能有效提高机组的制热性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明提供的一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组实施原理图。
图2为本发明提供的另一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组实施原理图。
具体实施方式
本发明非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组可以提高二次侧换热介质温差的热泵设备，同时该设备采用溶液除霜并冷冻再生的除霜方式，特别适用于用户侧的二次侧换热介质需要大温差的应用场合以及空气源热泵结霜除霜损失较大的热泵制热应用场合，包括用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机1，一个出口与压缩机1吸气口连接的气液分离器9，还包括一个与压缩机1排气口相连接用于混合制冷剂中高沸点组分冷凝用的第二用户端换热器2；
一个用于分离第二用户端换热器2制冷剂出口气液两相制冷剂(冷凝后的高沸点制冷剂成分和未冷凝的低沸点制冷剂成分)的分馏器4，该分馏器4液相出口连接一个用于液态富含高沸点组分制冷剂节流用的第一节流阀5和单向阀19，所述的第一节流阀5的入口和单向阀19的出口并联，第一节流阀5的出口与室外换热器7的入口连接，单向阀19的入口与四通换向阀18的第四接口18-4连接，室外换热器7的出口通过制冷剂管路与气液分离器9的入口连接，四通换向阀18的第三接口18-3及第二接口18-2分别与所述的室外换热器7的出口及气液分离器9入口间的制冷剂管路连接；
所述的分馏器4气相出口连接一个用于富含低沸点组分制冷剂冷凝用的第一用户端换热器3，该第一用户端换热器3的制冷剂出口连接第二节流阀6和电磁阀17，所述的第二节流阀6与电磁阀17并联连接后与溶液再生换热器8的入口相连，该溶液再生换热器8的出口与四通换向阀18的第一接口18-1连接。
本发明的制冷剂采用非共沸混合制冷剂，一般具有不同沸点温度的两种以上制冷剂按通常比例混合构成并具有一定滑移温差。富含低沸点组分制冷剂是指含有低沸点成分制冷剂含量更高。
本发明非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组还包括一个与室外换热器7、溶液再生换热器8实现除霜与再生的溶液循环系统。
所述的第一种溶液循环系统包括一个用于容纳溶液的溶液池10、溶液泵11、第二溶液电磁阀12、除霜喷淋管14，溶液泵11的入口与溶液池10的出液口相连，溶液泵11的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀12及除霜喷淋管14连接，所述的除霜喷淋管14安装于室外换热器7的顶部用于向室外换热器7的表面喷淋溶液实现对室外换热器7的除霜。该溶液循环系统还包括一个第一溶液电磁阀13、再生喷淋管15，所述的再生喷淋管15并联在溶液泵11及第二溶液电磁阀12之间管路中，在再生喷淋管15的入口管段设置有第一溶液电磁阀(13)，再生喷淋管15安装于溶液再生换热器8的顶部，用于向溶液再生换热器8的表面喷淋稀溶液实现溶液的冷冻再生过程。所述的溶液池10顶部设置有用于过滤分离溶液再生换热器8脱冰过程冰液的分离孔板16。
所述的第二种溶液循环系统包括一个用于容纳溶液的溶液池10、溶液泵11、第二溶液电磁阀12、除霜喷淋管14，溶液泵11的入口与溶液池10的出液口相连，溶液泵11的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀12及除霜喷淋管14连接，所述的除霜喷淋管14安装于室外换热器7的顶部用于向室外换热器7的表面喷淋溶液实现对室外换热器7的除霜；所述的溶液再生换热器8浸没于溶液池10中。
本发明的第二用户端换热器2和第一用户端换热器3为露点温度不同的两个冷凝器，第二用户端换热器2为高温冷凝器，第一用户端换热器3为低温冷凝器。所述的第二用户端换热器2和第一用户端换热器3二次侧换热介质是空气、水或其他载热流体；所述的二次侧换热介质在第一用户端换热器3和第二用户端换热器2中串联，形成二次侧换热介质大温差换热。所述的第二用户端换热器2制冷剂出口，流入分馏器4的混合物制冷剂为气液两相流，包括冷凝的液态富含高沸点制冷剂成分，以及气相富含低沸点制冷剂成分。
本发明的第二用户端换热器2出口的两相流体在分馏器4中气液分离，其中液相组分富含高沸点组分制冷剂从分馏器4出口流出经第一节流阀5节流，然后在室外换热器7蒸发吸热变为低温低压气态，具有较高的泡点温度；所述的分馏器4中气相富含低沸点组分制冷剂流入第一用户端换热器3冷凝放热，冷凝后的液态富含低沸点组分制冷剂经第二节流阀6节流，进入溶液再生换热器8蒸发吸热后变为低温低压气态，具有较低的泡点温度。
本发明的溶液再生换热器8在非脱冰工况下与室外换热器7内制冷剂压力相等，制冷剂泡点温度不同，构成双泡点温度蒸发系统，所述的溶液再生换热器8与室外换热器7出口的低压制冷剂混合后进入气液分离器9，并从气液分离器9的出气口进入压缩机1。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
结合图1，本发明非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，利用高低温冷凝器来提高二次侧换热介质温差，并利用低泡点温度蒸发器作为溶液再生换热器对除霜后的稀溶液进行冷冻再生。机组的各运行模式如下：
(1)正常制热运行模式
电磁阀17关闭，四通换向阀18的18-3与18-4接口连接，18-1与18-2接口连接。压缩机1出口高温高压气态先进入第二用户端换热器2冷凝变为气液两相，其中高沸点组分几乎已经完全冷凝。气液两相混合物制冷剂然后进入分馏器4气液分离，分离后的富含高沸点组分制冷剂液体经第一节流阀5节流后进入室外换热器7蒸发吸热；分馏器4分离出的富含低沸点组分制冷剂气体进入第一用户端换热器3冷凝成高温高压液体，然后依次经过第二节流阀6节流，溶液再生换热器8蒸发吸热变为低温低压气态，室外换热器7和溶液再生换热器8出口低温低压气态制冷剂混合后进入气液分离器9，最后再进入压缩机1进行压缩，如此循环，实现制热运行。
(2)溶液除霜运行模式
此时热泵机组处于正常制热运行模式，当室外换热器7表面霜层达到一定厚度时，开启溶液泵11，打开第二溶液电磁阀12，将浓溶液通过除霜喷淋管14喷淋至室外换热器7表面，完成除霜。
(3)溶液再生运行模式
此时热泵机组处于正常制热运行模式，除霜完成之后，溶液池10中溶液为稀溶液，无法进行再次除霜，所以需要将稀溶液进行再生。打开溶液泵11，打开第一溶液电磁阀13，关闭第二溶液电磁阀12，将稀溶液通过再生喷淋管15喷淋至溶液再生换热器8，使稀溶液中的水分在盘管表面结成冰而析出，完成稀溶液冷冻再生的过程。
(4)脱冰运行模式
当冰层在溶液再生换热器8表面达到一定厚度时，此时系统切换至脱冰运行模式，四通换向阀18，18-1与18-4接通，18-2与18-3接通，电磁阀17开启，第一用户端3换热器出口的高温高压的制冷剂液体经电磁阀17流入溶液再生换热器8进行过冷，实现对溶液再生换热器8表面脱冰的目的，经溶液再生换热器8过冷后的高压液态富含低沸点组分制冷剂经四通换向阀18及单向阀19流入节流阀件5的入口与分流器4液相出口富含高沸点组分的高压液体混合后经节流后进入室外换热器7蒸发气化，溶液再生换热器8表面脱落的冰液混合物经冰液分离多孔板分离，浓溶液流回溶液池10，冰分离，实现脱冰运行。
实施例2
结合图2，本发明非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，利用高低温冷凝器来提高二次侧换热介质温差，并利用低泡点温度蒸发器作为溶液再生换热器对除霜后的稀溶液进行冷冻再生。机组的各运行模式如下：
(1)正常制热运行模式
电磁阀17关闭，四通换向阀18的18-3与18-4接口连接，18-1与18-2接口连接。压缩机1出口高温高压气态先进入第二用户端换热器2冷凝为气液两相，其中高沸点组分几乎已经完全冷凝。气液两相混合物制冷剂进入分馏器4气液分离，分离后的富含高沸点组分制冷剂液体经第一节流阀5节流后进入室外换热器7蒸发吸热；分馏器4分离出的富含低沸点组分制冷剂气体进入第一用户端换热器3冷凝成高温高压液体，然后依次经过第二节流阀6节流，溶液再生换热器8蒸发吸热变为低温低压气态。室外换热器7和溶液再生换热器8出口低温低压气态制冷剂混合后进入气液分离器9，最后进入压缩机1进行压缩，如此构成制热循环。
(2)溶液除霜运行模式
此时热泵机组处于正常制热运行模式，当室外换热器7表面霜层达到一定厚度时，开启溶液泵11，打开第二溶液电磁阀12，将溶液池10中的浓溶液通过除霜喷淋管14喷淋至室外换热器7表面进行除霜，除霜后的溶液在重力作用下流回溶液池10，完成溶液除霜过程。
(3)溶液再生运行模式
此时热泵机组处于正常制热运行模式，除霜完成之后，溶液池10中溶液为稀溶液，系统切换至溶液再生运行模式，溶液再生运行模式与正常制热运行模式相同，此时溶液再生换热器8作为低泡点温度蒸发器浸没于溶液池10中从溶液中吸热，使稀溶液中水分在溶液再生换热器8表面以冰的形式析出，实现对溶液池10中的稀溶液的冷冻再生过程。
(4)脱冰运行模式
当冰层在溶液再生换热器8表面达到一定厚度时，此时系统切换至脱冰运行模式。四通换向阀18，18-1与18-4接通，18-2与18-3接通，电磁阀17开启，第一用户端3换热器出口的高温高压的制冷剂液体经电磁阀17流入溶液再生换热器8进行过冷，实现对溶液再生换热器8表面脱冰的目的，经溶液再生换热器8过冷后的高压液态富含低沸点组分制冷剂经四通换向阀18及单向阀19流入节流阀件5的入口与分流器4液相出口富含高沸点组分的高压液体混合后经节流后进入室外换热器7蒸发气化，实现脱冰运行。

Claims (10)

1.一种非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，包括用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机(1)，一个出口与压缩机(1)吸气口连接的气液分离器(9)，其特征在于：还包括一个与压缩机(1)排气口相连接用于混合制冷剂中高沸点组分冷凝用的第二用户端换热器(2)；
一个用于分离第二用户端换热器(2)制冷剂出口气液两相制冷剂的分馏器(4)，该分馏器(4)液相出口连接一个用于液态富含高沸点组分制冷剂节流用的第一节流阀(5)和单向阀(19)，所述的第一节流阀(5)的入口和单向阀(19)的出口并联，第一节流阀(5)的出口与室外换热器(7)的入口连接，单向阀(19)的入口与四通换向阀(18)的第四接口(18-4)连接，室外换热器(7)的出口通过制冷剂管路与气液分离器(9)的入口连接，四通换向阀(18)的第三接口(18-3)及第二接口(18-2)分别与所述的室外换热器(7)的出口及气液分离器(9)入口间的制冷剂管路连接；
所述的分馏器(4)气相出口连接一个用于富含低沸点组分制冷剂冷凝用的第一用户端换热器(3)，该第一用户端换热器(3)的制冷剂出口连接第二节流阀(6)和电磁阀(17)，所述的第二节流阀(6)与电磁阀(17)并联连接后与溶液再生换热器(8)的入口相连，该溶液再生换热器(8)的出口与四通换向阀(18)的第一接口(18-1)连接。
2.根据权利要求1所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：所述的制冷剂采用非共沸混合制冷剂。
3.根据权利要求1或2所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：还包括一个与室外换热器(7)、溶液再生换热器(8)实现除霜与再生的溶液循环系统。
4.根据权利要求3所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：溶液循环系统包括一个用于容纳溶液的溶液池(10)、溶液泵(11)、第二溶液电磁阀(12)、除霜喷淋管(14)，溶液泵(11)的入口与溶液池(10)的出液口相连，溶液泵(11)的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀(12)及除霜喷淋管(14)连接，所述的除霜喷淋管(14)安装于室外换热器(7)的顶部用于向室外换热器(7)的表面喷淋溶液实现对室外换热器(7)的除霜。
5.根据权利要求4所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：溶液循环系统还包括一个第一溶液电磁阀(13)、再生喷淋管(15)，所述的再生喷淋管(15)并联在溶液泵(11)及第二溶液电磁阀(12)之间管路中，在再生喷淋管(15)的入口管段设置有第一溶液电磁阀(13)，再生喷淋管(15)安装于溶液再生换热器(8)的顶部，用于向溶液再生换热器(8)的表面喷淋稀溶液实现溶液的冷冻再生过程。
6.根据权利要求4或5所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：所述的溶液池(10)顶部设置有用于过滤分离溶液再生换热器(8)脱冰过程冰液的分离孔板(16)。
7.根据权利要求3所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：溶液循环系统包括一个用于容纳溶液的溶液池(10)、溶液泵(11)、第二溶液电磁阀(12)、除霜喷淋管(14)，溶液泵(11)的入口与溶液池(10)的出液口相连，溶液泵(11)的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀(12)及除霜喷淋管(14)连接，所述的除霜喷淋管(14)安装于室外换热器(7)的顶部用于向室外换热器(7)的表面喷淋溶液实现对室外换热器(7)的除霜；所述的溶液再生换热器(8)浸没于溶液池(10)中。
8.根据权利要求1所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：所述的第二用户端换热器(2)和第一用户端换热器(3)二次侧换热介质是空气、水或其他载热流体；所述的二次侧换热介质在第一用户端换热器(3)和第二用户端换热器(2)中串联，形成二次侧换热介质大温差换热。
9.根据权利要求1所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：所述的第二用户端换热器(2)出口的两相流体在分馏器(4)中气液分离，其中液相组分富含高沸点组分制冷剂从分馏器(4)出口流出经第一节流阀(5)节流，然后在室外换热器(7)蒸发吸热变为低温低压气态，具有较高的泡点温度；
所述的分馏器(4)中气相富含低沸点组分制冷剂流入第一用户端换热器(3)冷凝放热，冷凝后的液态富含低沸点组分制冷剂经第二节流阀(6)节流，进入溶液再生换热器(8)蒸发吸热后变为低温低压气态，具有较低的泡点温度。
10.根据权利要求1所述的非共沸混合工质溶液除霜冷冻再生大温差热泵机组，其特征在于：所述的溶液再生换热器(8)在非脱冰工况下与室外换热器(7)内制冷剂压力相等，制冷剂泡点温度不同，构成双泡点温度蒸发系统，所述的溶液再生换热器(8)与室外换热器(7)出口的低压制冷剂混合后进入气液分离器(9)，并从气液分离器(9)的出气口进入压缩机(1)。
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