CN106257159A - 一种双热源大温差热泵机组及制热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双热源大温差热泵机组及制热方法，包括吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机，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；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；入口与第一用户端换热器的制冷剂出口连接的第二节流阀；入口与第二节流阀出口连接并用于富含低沸点组分制冷剂蒸发换热的低温蒸发器；入口与第一节流阀出口连接并用于液态富含高沸点组分制冷剂蒸发换热的高温蒸发器。本发明将高温高压非共沸混合制冷剂气体中高沸点和低沸点两种不同组分在两个具有不同露点温度的冷凝器中冷凝放热，实现二次侧大温差换热。

Description

一种双热源大温差热泵机组及制热方法
技术领域
本发明属于制冷、空调与热泵技术领域，特别是一种双热源大温差热泵机组及利用非共沸混合工质提供双低温热源及二次侧大温差换热的双热源大温差热泵制热方法。
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，但是传统空气源热泵对出水温度有较高的限制，冷凝温度蒸发温度之差一般为40-50℃，如果出水较高或冷凝蒸发温度差较大，则会导致冷凝压力及排气温度过高，使系统运行的可靠性降低；同时，热泵机组的制热性能也会急剧降低。为此，现有研究很多着眼于寻找合适的工质来解决排气温度过高的问题，早期研究中的CFC11、CFC114工质由于其对环境的污染已被弃用，近期则以HCFCs非共沸工质为主。朱秋兰等研发的HTR02新型工质使得常规热泵装置可以将水温升高至75℃(朱秋兰，史琳，韩礼钟，等.中高温热泵新工质HTR02实验研究[J].工程热物理学报，2005，26(2)：208-2l0)。孙方田等开发的新工质TJR01也具有较好的性质(孙方田，马一太，王洪利.中高温热泵热水器新工质TJR01循环性能分析[J].天津大学学报，2007，40(2)：153-156)。而常规热泵使用这些新型工质，虽能解决排气温度高问题，但在一个系统中难以实现二次侧大温差换热及双热源换热的功能。
此外，也有利用非共沸制冷剂不同组元沸点不同的特点，在热泵系统中充注由沸点不同的两种及以上的制冷剂混合而成的非共沸混合物作为制冷剂，当供热温度较高时，调高热泵回路中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差的能力，但该装置调节范围有限，而且调节控制系统复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双热源大温差热泵机组以及利用非共沸混合工质提供双低温热源及二次侧大温差换热的双热源大温差热泵制热方法，利用具有一定滑移温差的非共沸混合工质，实现在双低温热源温度条件下蒸发换热及保证用户侧二次介质大温差换热，并实现机组在两种不同蒸发温度或两种不同品位低温热源条件下高效、可靠制热运行，并使系统结构简化、可靠性提高。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种双热源大温差热泵机组，包括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，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；
一个入口与第一用户端换热器的制冷剂出口连接的第二节流阀；
一个入口与第二节流阀出口连接并用于富含低沸点组分制冷剂蒸发换热的低温蒸发器；
一个入口与第一节流阀出口连接并用于液态富含高沸点组分制冷剂蒸发换热的高温蒸发器；
所述的低温蒸发器及高温蒸发器的出口通过制冷剂管路连接后与气液分离器的入口连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明将高温高压非共沸混合制冷剂气体中高沸点和低沸点两种不同组分在两个具有不同露点温度的冷凝器中冷凝放热，实现二次侧大温差换热。(2)本发明提供了两个具有不同泡点温度的蒸发器，实现机组在双热源或双蒸发温度条件下的蒸发换热，提高机组低温条件下的制热性能及可靠性。(3)本发明同时实现二次侧大温差换热及双热源蒸发，具有结构简单、运行可靠的特点。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明提供的双热源大温差热泵机组构造图。
图2为本发明提供的双热源大温差热泵机组原理图。
图3为本发明提供的双热源大温差热泵机组温度-浓度图。
具体实施方式
结合图1，本发明双热源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，尤其适用于用户侧的二次侧换热介质需要大温差及具备两种不同低温热源条件的应用场合，包括吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机101，一个出口与压缩机101吸气口连接的气液分离器102，还包括一个与压缩机101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103；
一个用于分离第二用户端换热器103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104；该分馏器104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105，分馏器104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106；
一个入口与第一用户端换热器106的制冷剂出口连接的第二节流阀107；
一个入口与第二节流阀107出口连接并用于富含低沸点组分制冷剂蒸发换热的低温蒸发器108；
一个入口与第一节流阀105出口连接并用于液态富含高沸点组分制冷剂蒸发换热的高温蒸发器109；
所述的低温蒸发器108及高温蒸发器109的出口通过制冷剂管路连接后与气液分离器102的入口连接。
所述的制冷剂为非共沸混合制冷剂，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。
所述第二用户端换热器103和第一用户端换热器106为两个露点温度不同的冷凝器，第二用户端换热器103为高温冷凝器，第一用户端换热器106为低温冷凝器。所述第二用户端换热器103和第一用户端换热器106二次侧换热介质是空气、水或其他载热流体。所述二次侧换热介质在第一用户端换热器106和第二用户端换热器103中串联，形成二次侧换热介质大温差换热。
本发明双热源大温差热泵机组的非共沸混合制冷剂经第二用户端换热器103冷凝并流入分馏器104的混合物相态为气液两相，包括冷凝的液态富含高沸点制冷剂组分，以及气相富含低沸点制冷剂组分。
本发明的第二用户端换热器103出口的两相流体在分馏器104中气液分离，其中液相富含高沸点组分制冷剂直接从分馏器104液相出口流出经第一节流阀105节流，然后在高温蒸发器109蒸发吸热变为低温低压气态，具有较高的泡点温度。
本发明的分馏器104中气相富含低沸点组分制冷剂由分馏器104的气相出口进入第一用户端换热器106冷凝放热，冷凝为液态富含低沸点组分制冷剂经第二节流阀107节流，进入低温蒸发器108蒸发吸热变为低温低压气态，具有较低的泡点温度。所述第一节流阀105、第二节流阀107采用电子膨胀阀、热力膨胀阀、毛细管或孔板节流阀。
本发明双热源大温差热泵机组的高温蒸发器109与低温蒸发器108内制冷剂压力相等，制冷剂泡点温度不同，构成双热源蒸发系统，所述的高温蒸发器109与低温蒸发器108出口的低压制冷剂混合后进入气液分离器102，并从气液分离器102的出气口进入压缩机101。
结合图1，本发明利用非共沸混合工质提供双低温热源及二次侧大温差换热的双热源大温差热泵制热方法，即压缩机101吸入非共沸混合气态制冷剂并进行压缩输出给第二用户端换热器103，该第二用户端换热器103将非共沸混合制冷剂中高沸点组分冷凝，在分馏器104中对冷凝后的气液两相制冷剂进行分离，该分馏器104分离出的富含高沸点组分的液相制冷剂经第一节流阀105节流；气相富含低沸点组分制冷剂在第一用户端换热器106中冷凝，冷凝后的液态富含低沸点组分制冷剂在第二节流阀107中节流；
在第二节流阀107出口处由低温蒸发器108用于液态富含低沸点组分制冷剂蒸发换热，具有较低泡点温度；在第一节流阀105出口处由高温蒸发器109用于液态富含高沸点组分制冷剂蒸发换热，具有较高泡点温度；
第二用户端换热器103为高沸点组分冷凝换热器，具有较高露点温度，为高温冷凝器；第一用户端换热器106为低沸点组分冷凝换热器，具有较低露点温度，为低温冷凝器。二次侧换热介质空气、水或其他载热流体依次串联流经第一用户端换热器106和第二用户端换热器103，形成二次侧换热介质大温差换热；
高温蒸发器109与低温蒸发器108内制冷剂压力相等，制冷剂泡点温度不同，构成双热源蒸发系统；高温蒸发器109与低温蒸发器108出口的低压制冷剂混合后进入气液分离器102进行气液分离，分离出的气体从气液分离器102的出口进入压缩机101。
下面结合图2和图3对本发明的工作原理进一步详细描述。
本发明的基于非共沸混合工质的双热源大温差热泵机组，包括吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机101，其出口制冷剂状态对应于图3的状态点2点；一个出口与压缩机101吸气口连接的气液分离器102，还包括一个与压缩机101排气口相连接用于混合物制冷剂中高沸点组分冷凝用的第二用户端换热器103，其出口状态点对应于3点；一个用于分离第二用户端换热器103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104，所述分馏器104将状态点为3点的制冷剂分离为饱和气相5点和饱和液相4点；分馏器104液相出口接有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105，所述第一节流阀105将状态点4点节流至状态点9点；分馏器104气相出口接有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106，将处于状态点5点的气相制冷剂冷凝至饱和液相，对应于6点；一个与第一用户端换热器106的制冷剂出口连接的第二节流阀107，所述第二节流阀107将冷凝后的富含低沸点组分制冷剂液体节流至状态点7；一个位于第二节流阀107出口用于液态富含低沸点组分制冷剂蒸发换热的低温蒸发器108，使得富含低沸点组分制冷剂液体蒸发，达到状态点8；一个位于第一节流阀105出口用于液态富含高沸点组分制冷剂蒸发换热的高温蒸发器109，使得富含高沸点组分制冷剂液体蒸发，达到状态点10；最终状态点8和状态点10对应状态的制冷剂混合后至状态点1，进入气液分离器102。
所述的基于非共沸混合工质的双热源大温差热泵机组的第二用户端换热器103和第一用户端换热器106为露点温度不同的两个冷凝器，第二用户端换热器103为高温冷凝器，第一用户端换热器106为低温冷凝器，其中第一用户换热器的冷凝温度Tc2为图3中介于点5和点6温度之间的某个温度，第二用户换热器的冷凝温度Tc1为图3中介于点2和点3温度之间的某个温度。
所述的基于非共沸混合工质的双热源大温差热泵机组的第二用户端换热器103和第一用户端换热器106二次侧换热介质可以是空气或水或其他载热流体；所述的二次侧换热介质在第一用户端换热器106和第二用户端换热器103中串联，形成二次侧换热介质大温差换热。
所述的基于非共沸混合工质的双热源大温差热泵机组的第二用户端换热器103出口，流入分馏器104的混合物制冷剂为气液两相流，包括几乎全部冷凝的液态高沸点制冷剂成分，以及仍处于气相的低沸点制冷剂成分，对应于图3中的状态点3。
所述的基于非共沸混合工质的双热源大温差热泵机组的第二用户端换热器103出口的两相流体在分馏器104中气液分离，其中液相组分富含高沸点组分制冷剂直接从分馏器104出口流出经第一节流阀105节流，然后在高温蒸发器109蒸发吸热变为低温低压气态，具有较高的泡点温度，该温度Te1为介于图3状态点9和10的温度之间的某个温度。
所述的基于非共沸混合工质的双热源大温差热泵机组的分馏器104中气相组分富含低沸点组分制冷剂流入第一用户端换热器106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107节流，进入低温蒸发器108蒸发吸热后变为低温低压气态，具有较低的泡点温度，该温度Te2为介于图3状态点7和8的温度之间的某个温度。
所述的基于非共沸混合工质的双热源大温差热泵机组的高温蒸发器109与低温蒸发器108内制冷剂压力相等，制冷剂泡点温度不同(分别为Te1和Te2)，构成双热源蒸发系统，所述的高温蒸发器109与低温蒸发器108出口的低压制冷剂混合后，此时制冷剂状态对应于图3中的点1，然后进入气液分离器102，并从气液分离器102的出气口进入压缩机101。

Claims (10)

1.一种双热源大温差热泵机组，包括吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机(101)，一个出口与压缩机(101)吸气口连接的气液分离器(102)，其特征在于：还包括一个与压缩机(101)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(103)；
一个用于分离第二用户端换热器(103)制冷剂出口气液两相制冷剂的分馏器(104)；该分馏器(104)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(105)，分馏器(104)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(106)；
一个入口与第一用户端换热器(106)的制冷剂出口连接的第二节流阀(107)；
一个入口与第二节流阀(107)出口连接并用于富含低沸点组分制冷剂蒸发换热的低温蒸发器(108)；
一个入口与第一节流阀(105)出口连接并用于液态富含高沸点组分制冷剂蒸发换热的高温蒸发器(109)；
所述的低温蒸发器(108)及高温蒸发器(109)的出口通过制冷剂管路连接后与气液分离器(102)的入口连接。
2.根据权利要求1所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述的制冷剂为非共沸混合制冷剂。
3.根据权利要求1或2所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述第二用户端换热器(103)和第一用户端换热器(106)为两个露点温度不同的冷凝器，第二用户端换热器(103)为高温冷凝器，第一用户端换热器(106)为低温冷凝器。
4.根据权利要求1、2或3所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述第二用户端换热器(103)和第一用户端换热器(106)二次侧换热介质是空气、水或其他载热流体。
5.根据权利要求3所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述二次侧换热介质在第一用户端换热器(106)和第二用户端换热器(103)中串联，形成二次侧换热介质大温差换热。
6.根据权利要求1所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述的非共沸混合制冷剂经第二用户端换热器(103)冷凝并流入分馏器(104)的混合物相态为气液两相，包括冷凝的液态富含高沸点制冷剂组分，以及气相富含低沸点制冷剂组分。
7.根据权利要求1所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述的第二用户端换热器(103)出口的两相流体在分馏器(104)中气液分离，其中液相富含高沸点组分制冷剂直接从分馏器(104)液相出口流出经第一节流阀(105)节流，然后在高温蒸发器(109)蒸发吸热变为低温低压气态，具有较高的泡点温度。
8.根据权利要求1所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述分馏器(104)中气相富含低沸点组分制冷剂由分馏器(104)的气相出口进入第一用户端换热器(106)冷凝放热，冷凝为液态富含低沸点组分制冷剂经第二节流阀(107)节流，进入低温蒸发器(108)蒸发吸热变为低温低压气态，具有较低的泡点温度。
9.根据权利要求1、7或8所述的双热源大温差热泵机组，其特征在于：所述高温蒸发器(109)与低温蒸发器(108)内制冷剂压力相等，制冷剂泡点温度不同，构成双热源蒸发系统，所述的高温蒸发器(109)与低温蒸发器(108)出口的低压制冷剂混合后进入气液分离器(102)，并从气液分离器(102)的出气口进入压缩机(101)。
10.一种利用非共沸混合工质提供双低温热源及二次侧大温差换热的双热源大温差热泵制热方法，其特征在于：
压缩机(101)吸入非共沸混合气态制冷剂并进行压缩输出给第二用户端换热器(103)，该第二用户端换热器(103)将非共沸混合制冷剂中高沸点组分冷凝，在分馏器(104)中对冷凝后的气液两相制冷剂进行分离，该分馏器(104)分离出的富含高沸点组分的液相制冷剂经第一节流阀(105)节流；气相富含低沸点组分制冷剂在第一用户端换热器(106)中冷凝，冷凝后的液态富含低沸点组分制冷剂在第二节流阀(107)中节流；
在第二节流阀(107)出口处由低温蒸发器(108)用于液态富含低沸点组分制冷剂蒸发换热，具有较低泡点温度；在第一节流阀(105)出口处由高温蒸发器(109)用于液态富含高沸点组分制冷剂蒸发换热，具有较高泡点温度；
第二用户端换热器(103)为高沸点组分冷凝换热器，具有较高露点温度，为高温冷凝器；第一用户端换热器(106)为低沸点组分冷凝换热器，具有较低露点温度，为低温冷凝器。二次侧换热介质(空气、水或其他载热流体)依次串联流经第一用户端换热器(106)和第二用户端换热器(103)，形成二次侧换热介质大温差换热；
高温蒸发器(109)与低温蒸发器(108)内制冷剂压力相等，制冷剂泡点温度不同，构成双热源蒸发系统；高温蒸发器(109)与低温蒸发器(108)出口的低压制冷剂混合后进入气液分离器(102)进行气液分离，分离出的气体从气液分离器(102)的出口进入压缩机(101)。
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