CN106802010A - 一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，该热泵系统由若干个独立的热泵回路构成，每个热泵回路都由压缩机、四通换向阀、第一换热盘管、节流元件、第二换热盘管和管路组成。本发明采用由若干个独立热泵回路依次嵌套而成的多重回路热泵系统，可以使每个热泵回路的工作温差小于冷、热流体的最大温差；热泵回路的换热盘管依次叠放，一方面有助于各热泵回路的工作温差趋于均匀，另一方面，也有助于工质形成与流体换热温差相匹配的温度梯度，有效减少换热损失。相对于传统的单回路热泵系统，显著提升了热泵系统的能效水平和可靠性，同时也有效降低了工质泄漏的风险。

Description

一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统

技术领域

本发明主要涉及低品位热能利用和余热回收的热泵技术领域，特别是换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统领域。

背景技术

电动热泵系统是低品位热能利用和余热回收的高效清洁技术装备，特别是气候寒冷地区的中心城市，使用电动热泵带来的节能减排效果尤其明显。例如，在华北地区冬季，建筑物换气时室内排气的温度高于室外气温约20～30℃，浴室洗浴热废水的温度高达30～35℃；另一方面，室外新风引入室内、自来水加热为洗浴热水也需要较大的温度提升。当然利用热泵技术将室内排气热量回收用于余热新风、回收废水的热量加热洗浴水，能够产生巨大的节能减排效益，目前，这些热泵技术和产品在工程上已经得到了一定程度的推广应用。但是，传统热泵在实际工程应用时也暴露出一些不足，主要是热泵在大温升工况下的能效水平显著降低、可靠变差。产生这一问题原因是：传统热泵是单回路系统，在大温升工况下流体经过冷凝器和蒸发器均要产生20～30℃甚至更大的温差，这时冷凝温度要和加热流体最高温度相对应，而蒸发温度要和降温热流体最低温度相对应，压缩机承受的压力比较大，致使压缩功和排气温度都会快速增长。通过以上分析可知，传统单回路热泵系统在大温升工况下出现能效比和可靠性下降是其固有特性。

发明内容

本发明的目的，是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种结构简单，系统运行能效水平和可靠性显著改善的多重回路热泵系统。

为了实现上述的发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，该热泵系统由若干个独立的热泵回路构成，每个热泵回路都由压缩机、四通换向阀、第一换热盘管、节流元件、第二换热盘管和管路组成，压缩机、四通换向阀、第一换热盘管、节流元件、第二换热盘管之间通过管路连接成密闭的回路，回路的连接次序为：四通换向阀的主阀口21与压缩机的排气口相连、口a22与第一换热盘管连接、口b23与压缩机的吸气口相连、口c24与第二换热盘管连接，第一换热盘管通过节流元件和第二换热盘管连接；回路中充注低沸点工质；各热泵回路的第一换热盘管和第二换热盘管在沿流体流动方向上依次排列地叠放在一起。流经第一换热盘管内的介质为流体A，流经第二换热盘管内的介质为流体B。

压缩机是独立的压缩机或压缩机组，或是一台多缸压缩机中吸、排气独立的气缸或气缸组；各压缩机或气缸承受的压力比均匀或者接近的，或是由小到大依次递增或者递减的。

热泵回路的换热盘管叠放原则为：若各压缩机压力比是均匀的，则第一换热盘管接触流体A的时序，正好与其第二换热盘管接触流体B的时序相反；若压力比是递增或者递减的，则第一换热盘管接触流体A的时序与其第二换热盘管接触流体B的时序相同。当流体A温度与流体B温度相差10℃以上时，部分热泵回路的节流元件可以省去。

热泵回路数是2、3、4或5，并且热泵回路数通过第一换热盘管进出口和第二换热盘管进出口增加旁通阀进行调整。

四通换向阀能够省去，这时阀口短接的方式取决于流体的用途。若流体A为热汇、流体B为热源，短接方式为主阀口21与口a22短接、口b23与口c24短接；若流体B为热汇、流体A为热源，短接方式为主阀口21与口c24短接、口a22与口b23短接。

第一换热盘管和第二换热盘管是一组盘管或者多组盘管串接起来；或是将第一换热盘管或者第二换热盘管的进、出口分别连通汇合在一起。

流体A和流体B是气态相、液态相或者气液两相。

各热泵回路中充注相同的工质或是不同的工质，或工质混合物。

压缩机是活塞式、滚动活塞式、螺杆式、涡旋式或离心式。

换热盘管是管翅式，板翅式、管带式、套管式、管壳式或板式。

本发明采用由若干个独立热泵回路依次嵌套而成的多重回路热泵系统，可以使每个热泵回路的工作温差小于冷、热流体的最大温差；热泵回路的换热盘管依次叠放，一方面有助于各热泵回路的工作温差趋于均匀，另一方面，也有助于工质形成与流体换热温差相匹配的温度梯度，有效减少换热损失。相对于传统的单回路热泵系统，显著提升了热泵系统的能效水平和可靠性，同时也有效降低了工质泄漏的风险。

附图说明

下面结合附图及具体的实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的系统连接图。

图2是本发明实施例二的系统连接图。

图3是本发明实施例三的系统连接图。

图4是本发明实施例四的系统连接图。

图5是本发明实施例五的系统连接图。

图6是本发明实施例六的系统连接图。

图中：1a、压缩机a，1b、压缩机b，1c、压缩机c，1d、压缩机d，2a、四通换向阀a，2b、四通换向阀b，2c、四通换向阀c，2d、四通换向阀d，3a、第一换热盘管a，3b、第一换热盘管b，3c、第一换热盘管c，3d、第一换热盘管d，4a、节流元件a，4b、节流元件b，4c、节流元件c，4d、节流元件d，5a、流体B换热盘管a，5b、流体B换热盘管b，5c、流体B换热盘管c，5d、流体B换热盘管d，6、管路，7a、旁通阀a，7b、旁通阀b，7c、旁通阀c，21、主阀口，22、口a，23、口b，24、口c。

具体实施方式

实施例一

参考图1，该实施例是由a、b、c三个独立热泵回路嵌套组成的三重回路热泵系统，主要用于气候寒冷地区的建筑物换气热量回收。每个热泵回路都由压缩机气缸、四通换向阀、第一换热盘管、节流元件和第二换热盘管等组成。压缩机为三路独立吸气、排气的三缸或六缸活塞压缩机，第一换热盘管和第二换热盘管均为多管排数的整体管片式换热器，每回路的换热盘管由2～4排换热管编制而成。用管路将它们依次连接成密闭的回路，回路的连接次序为：四通换向阀的主阀口21与压缩机的排气口相连、口a22与第一换热盘管连接、口b23与压缩机的吸气口相连、口c24与换热盘管连接，第一换热盘管通过节流元件和第二换热盘管连接；回路中充注一定量的R32。

第一换热盘管沿流体A流动方向上排列的次序是第一换热盘管c3c、第一换热盘管b3b、第一换热盘管a3a；第二换热盘管沿流体B流动方向上排列的次序是第二换热盘管a5a、第二换热盘管b5b、第二换热盘管5c。流体A为室外新风，流体B为室内排风。冬季运行时，压缩气缸1排出的R32气体通过四通换向阀流过第一换热盘管，释放热量给室外新风并使之预热，R32凝结为液体，经节流元件降压后流过第二换热盘管，吸收室内排风的热量并使之降温，R32汽化为气体，经四通换向阀被压缩气缸吸入，完成热泵循环。这样，就将排风热量在其排出室内之前转移给要进入室内的新风。室外新风是依次经过第一换热盘管c3c、第一换热盘管b3b、第一换热盘管a3a逐渐预热，而室内排风依次经过第二换热盘管a5a、第二换热盘管b5b、第二换热盘管c5c逐渐降温，产生大的温降或温升，且每个热泵回路换热盘管承受的温差相对接近，且均小于新风和排风的最大温差，致使各压缩气缸工作时承受着均匀或者接近的压力比，压缩效率得到有效的改善，相对于传统的单回路热泵系统，显著提升了热泵系统的能效水平。

夏季运行时，四通换向阀换向，改变了气缸的排气流向。压缩气缸排出的R32气体通过四通换向阀，流过第二换热盘管，释放热量给室内排风并使之升温，R32凝结为液体，经节流元件降压后流过第一换热盘管，吸收室外新风的热量并使之降温，R32汽化为气体，经四通换向阀被压缩气缸吸入，完成热泵循环。这样，就将排风冷量在其排出室内之前转移给要进入室内的新风。

实施例二

参考图2，该实施例是由a、b两个独立热泵回路嵌套组成的二重回路热泵系统，主要用于气候寒冷地区的建筑物换气热量回收。每个热泵回路的组成和连接方式、换热盘管构成，均与实施例一相同。压缩机为二路独立吸气、排气的双缸滚动活塞压缩机，回路中充注一定量的R410A。

冬夏季工况转换也与与实施例一相同。

实施例三

参考图3，该实施例是由a、b两个独立热泵回路嵌套组成的双重回路热泵系统，主要用于气候寒冷地区的建筑物换气热量回收。与实施例二的主要区别为：b回路将最先接触气流且承受着最大换热温差的换热盘管连成回路，并省去了节流元件b4b，压缩机b1b的气缸只需产生很小的压力比，能保证工质在回路压缩机b1b中循环流动即可。

第一换热盘管沿流体A流动方向上排列的次序是第一换热盘管b3b、第一换热盘管a3a；第二换热盘管沿流体B流动方向上排列的次序是第二换热盘管a5a、第二换热盘管b5b。流体A为室外新风，流体B为室内排风。冬季运行时，压缩气缸压缩机b1b推动R410A气体通过四通换向阀b2b流过第一换热盘管b3b，释放热量给室外新风并使之预热，R410A凝结为过冷液体，之后再流过第一换热盘管a5a，吸收室内排风的热量并使之降温，R410A汽化为气体，经四通换向阀2b被压缩气缸吸入，完成工质循环流动；压缩缸a1a排出的R410A气体通过四通换向阀a2a流过第一换热盘管a3a，释放热量给室外新风并使之预热，R410A凝结为液体，经节流元件a4a降压后流过第二换热盘管b5b，吸收室内排风的热量并使之降温，R410A汽化为气体，经四通换向阀被压缩气缸吸入，完成热泵循环。这样，b回路最先接触气流并在最大换热温差下产生高效换热，使a回路的热泵换热盘管承受的温差大为降低，有效降低了压缩机a1a气缸的压缩功率，同时压缩机b1b气缸只需产生很小的压力比，因此消耗的功率也很小。这样，压缩机功耗显著降低，而热泵系统的能效水平显著提升。

夏季运行时，四通换向阀换向，气缸排气流向的改变实现了工况的转换。

实施例四

参考图4，该实施例是由a、b、c、d四个独立热泵回路嵌套组成的四重回路热泵系统，主要用于公共浴室洗浴废水的热量回收。与实施例一相比，每个热泵回路省去了四通换向阀，增加了旁通阀，其余与实施例一相同。压缩机活塞压缩机，第一换热盘管和第二换热盘管均为套管式换热器。回路中充注一定量的R134a。

第一换热盘管沿流体A流动方向上排列的次序是第一换热盘管d3d、第一换热盘管c3c、第一换热盘管b3b、第一换热盘管a3a；第二换热盘管沿流体B流动方向上排列的次序是第二换热盘管a5a、第二换热盘管b5b、第二换热盘管c5c、第二换热盘管d5d。热汇为洗浴水，热源为洗浴废水。压缩气缸排出的R134a气体流过换热盘管，释放热量给热汇并使之加热，R134a凝结为液体，经节流元件降压后流过第二换热盘管，吸收热源的热量并使之降温，R134a汽化为气体，经四通换向阀被压缩机吸入，完成热泵循环。这样，就将洗浴废水热量在其排放之前转移给要进入洗浴水。自来水是依次经过第一换热盘管d3d、第一换热盘管c3c、第一换热盘管b3b、第一换热盘管a3a逐渐加热，而洗浴废水依次经过第二换热盘管a5a、第二换热盘管b5b、第二换热盘管c5c、第二换热盘管d5d逐渐降温，产生较大的温降或温升，且每个热泵回路换热盘管承受的温差相对接近，压缩效率得到有效的改善，相对于传统的单回路热泵系统，显著提升了热泵系统的能效水平。

当旁通阀a7a、旁通阀b7b、旁通阀c7c全部打开，该四重回路热泵系统就退化为单回路热泵系统；当旁通阀a7a、旁通阀c7c打开，旁通阀b7b关闭，该四重回路热泵系统就退化为双重回路热泵系统。

实施例五

参考图5，该实施例热源侧换热温差较小、而热汇侧换热温差较大的场合，如即热式空气源热泵水器或干燥器等。与实施例四相比，压缩机为滚动活塞压缩机，三个压缩机排气相互独立，而吸气汇合在一起；热源侧为一整体式换热器，热汇侧的第一换热盘管a3a、第一换热盘管b3b、第一换热盘管c3c依次叠放在一起，其出口分别接有节流元件a4a、节流元件b4b、节流元件c4c，工质流出节流元件后汇合在一起进入换热器，从换热器出来的工质气体被压缩机吸入。回路中充注一定量的R22。这样，既充分高效地利用了热源的热量，又能使热汇侧产生较大的升温幅度。

实施例六

参考图6，该实施例热汇侧换热温差较小、而热源侧换热温差较大的场合，如深度除湿设备或回收洗浴废水热量的游泳池用热水器等。与实施例四相比，压缩机为滚动活塞压缩机，三个压缩机吸气相互独立，而排气汇合在一起；热汇侧为一整体式换热器，热源侧的第二换热盘管a5a、第二换热盘管b5b、第二换热盘管c5c依次叠放在一起，其进口分别接有节流元件a4a、节流元件b4b、节流元件c4c，节流元件进口汇合在一起与换热器的出口相连；从第二换热盘管a5a、第二换热盘管b5b、第二换热盘管c5c出来的工质气体分别被压缩机a1a、压缩机b1b、压缩机c1c吸入；压缩机排出的气体汇合后流入换热器。回路中充注一定量的R22。这样，既能使热源侧产生较大的降温幅度，又能使热源热量在热汇侧得到充分利用。

Claims (10)

1.一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：该热泵系统由若干个独立的热泵回路构成，每个热泵回路都由压缩机、四通换向阀、第一换热盘管、节流元件、第二换热盘管和管路组成，压缩机、四通换向阀、第一换热盘管、节流元件、第二换热盘管之间通过管路连接成密闭的回路，回路的连接次序为：四通换向阀的主阀口(21)与压缩机的排气口相连、口a(22)与第一换热盘管连接、口b(23)与压缩机的吸气口相连、口c(24)与第二换热盘管连接，第一换热盘管通过节流元件和第二换热盘管连接；回路中充注低沸点工质；各热泵回路的第一换热盘管和第二换热盘管在沿流体流动方向上依次排列地叠放在一起；第一换热盘管内为流体A，第二换热盘管内为流体B。

2.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：压缩机是独立的压缩机或压缩机组，或是一台多缸压缩机中吸、排气独立的气缸或气缸组；各压缩机或气缸承受的压力比均匀或者接近的，或是由小到大依次递增或者递减的。

3.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：热泵回路的换热盘管叠放原则为：若各压缩机压力比是均匀的，则第一换热盘管接触流体A的时序，正好与其第二换热盘管接触流体B的时序相反；若压力比是递增或者递减的，则第一换热盘管接触流体A的时序与其第二换热盘管接触流体B的时序相同。

4.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：热泵回路数是2、3、4或5，并且热泵回路数通过第一换热盘管进出口和第二换热盘管进出口增加旁通阀进行调整。

5.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：四通换向阀能够省去，这时阀口短接的方式取决于流体的用途；若流体A为热汇、流体B为热源，短接方式为主阀口21与口a22短接、口b23与口c24短接；若流体B为热汇、流体A为热源，短接方式为主阀口21与口c24短接、口a22与口b23短接。

6.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：第一换热盘管和第二换热盘管是一组盘管或者多组盘管串接起来；或是将第一换热盘管或者第二换热盘管的进、出口分别连通汇合在一起。

7.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：流体A和流体B是气态相、液态相或者气液两相。

8.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：各热泵回路中充注相同的工质或是不同的工质，或工质混合物。

9.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：压缩机是活塞式、滚动活塞式、螺杆式、涡旋式或离心式。

10.根据权利要求1所述的一种换热盘管依次叠放的多重回路热泵系统，其特征在于：换热盘管是管翅式，板翅式、管带式、套管式、管壳式或板式。