CN107894113A - Co2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，包括压缩机、气体冷却器、蒸发器和用户端；所述压缩机的制冷剂出口与气体冷却器的制冷剂进口连通，气体冷却器的制冷剂出口与蒸发器的制冷剂进口连通，蒸发器的制冷剂出口与压缩机的制冷剂进口连通；气体冷却器的相变载冷剂进口与用户端的出口连通，气体冷却器的相变载冷剂出口与用户端的进口连通。供暖系统用户侧采用无外动力驱动循环的形式，不设置水泵，利用相变载冷剂吸热放热发生的相态变化所产生的推动力，推动其在用户端与气体冷却器之间循环；这种供暖方式去掉了水泵的功耗部分，大大减少了供热系统的总功耗，提高了能源利用率。

Description

CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统
技术领域
本发明涉及供暖领域，具体涉及一种CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统。
背景技术
进入2016年，北京、河北、山西等北方省市全面加速了“煤改电”进程，清洁采暖改造步入了深层次阶段，不仅为空气能采暖产业全面崛起带来新机遇，也为国内热泵企业进军北方采暖市场迎来发展新契机。但是，空气源热泵受外界环境温度波动的影响较大，尤其是低温环境。中国辐射制冷供暖委员会专家委员会邓有源曾直言：“技术壁垒是阻碍空气能北方市场发展的一大难题，首当其冲的就是产品的耐寒性，与传统的家用或商用热水不同，采暖对于技术指标的要求更为严格，需要满足超低温环境工况下的强效制热、超低温环境工况下的高效化除冻霜以及超低温环境下的管路畅通等条件。”
CO2本身优越的物理特性使其很适合作为制冷工质，其跨临界循环中温度滑移很大，能将冷水加热到很高的温度，但随着进水温度的升高，气体冷却器换热效果急剧衰减，换热器出口制冷剂温度升高，节流损失增大，热泵性能也急剧下降。同时，用户侧水泵的功耗也一直在热泵系统能耗中占有不少比重，供热输配循环水泵能耗约占供热系统总耗电量的40％，大大降低了供热热源效率。
近些年出现的直膨式跨临界CO2热泵采暖系统，直接采用制冷剂为传热介质，利用从压缩机排放的高温制冷剂与室内空气通过换热器交换热量或直接向室内辐射供热，传递热量为水的10倍，系统无需二次热源，减少了一个能量传递环节和传热热阻，也不需要循环泵等输送系统，大大减少了输送能耗和能量损失。然而，直膨式热泵由于一次侧和二次侧使用一种工质，如需单独调控二次侧工质流量较为困难，不便于控制，且由于系统管道压力大，制冷剂分子极易从不良接缝处泄露。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以独立调控一次侧与二次侧的流量，避免制冷剂分子泄露的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统。
本发明的具体技术方案如下：
一种CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，包括压缩机、气体冷却器、蒸发器和用户端；所述气体冷却器包括换热管，所述换热管为同心设置的内管和外管，内管的两端分别为制冷剂出口和制冷剂进口，内管和外管形成的环形空腔的两端分别为相变载冷剂进口、相变载冷剂出口，所述制冷剂进口与相变载冷剂出口位于换热管的同一端；所述压缩机的制冷剂出口与气体冷却器的制冷剂进口连通，气体冷却器的制冷剂出口与蒸发器的制冷剂进口连通，蒸发器的制冷剂出口与压缩机的制冷剂进口连通；气体冷却器的相变载冷剂进口与用户端的出口连通，气体冷却器的相变载冷剂出口与用户端的进口连通。
作为本发明的进一步改进所述换热管包括细径段、粗径段，所述细径段的内管直径等于粗径段的内管直径，细径段的外管直径小于粗径段的外管直径，所述细径段设在相变载冷剂出口处、粗径段设在相变载冷剂进口处，细径段与粗径段之间具有外管直径由细径段至粗径段逐渐增大的渐变段。
作为本发明的进一步改进，所述粗径段的外管直径与细径段的外管直径比为1.2～1.5。
作为本发明的进一步改进，所述粗径段的长度占换热管总长的1/4～1/3，渐变段的长度为4～6cm。
作为本发明的进一步改进，所述气体冷却器和蒸发器之间设有电子膨胀阀。
作为本发明的进一步改进，所述压缩机和气体冷却器之间设有高压控制器。
作为本发明的进一步改进，所述压缩机和蒸发器之间设有低压控制器。
作为本发明的进一步改进，所述气体冷却器的相变载冷剂出口与用户端的进口之间设有调节阀。
作为本发明的进一步改进，所述同心设置的内管和外管呈螺旋状结构。
作为本发明的进一步改进，所述相变载冷剂的相变温度为43℃-50℃；优选的所述相变载冷剂为1,3-二氟丙烷或二氯甲烷。
本发明的的优点在于：
1、供暖系统用户侧采用无外动力驱动循环的形式，不设置水泵，利用相变载冷剂吸热放热发生的相态变化所产生的推动力，推动其在用户端与气体冷却器之间循环；这种供暖方式去掉了水泵的功耗部分，大大减少了供热系统的总功耗，提高了能源利用率。
2、选用比热高，相变温度适宜，动力粘度小的载冷剂，管道内流动时阻力小，降低了CO2在气体冷却器的出口温度，减小节流损失；避免水质问题带来的换热器结垢和腐蚀；提高了换热器的传热效率，增强了其换热效果，供暖时用户侧温度上升速度快，满足人们热舒适需求；而低熔点的载冷剂又减少了采用地暖时出现“地暖试水不供暖造成管道冻裂”的现象，为系统安全运行提供了保障。
3、本发明采用用户侧载冷剂自驱的形式，与直膨式热泵相比，虽然两者均无水泵功耗，但是本发明的自驱系统制冷剂和相变载冷剂通过气体冷却器进行逆流换热，一次侧和用户侧流量可以独立控制，弥补了直膨式热泵的一种制冷工质在供热系统内循环所造成控制不便等缺点，使系统能够有效调控、以便在不同的工况条件下运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明气体冷却器内管和外管的结构示意图；
图3为图2的A-A向及B-B向截面图。
其中：1为压缩机，2为气体冷却器，3为电子膨胀阀，4为蒸发器，5为低压控制器，6为高压控制器，7为四通阀，8为用户端，9为调节阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明未提及部分均为现有技术。
参见图1，本发明提供的一种CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，包括压缩机1、气体冷却器2、蒸发器4和用户端8。
气体冷却器2包括换热管，所述换热管为同心设置的内管和外管，内管的两端分别为制冷剂出口和制冷剂进口，内管和外管形成的环形空腔的两端分别为相变载冷剂进口、相变载冷剂出口，所述制冷剂进口与相变载冷剂出口位于换热管的同一端。。
压缩机1的制冷剂出口与气体冷却器2的制冷剂进口连通，气体冷却器2的制冷剂出口与蒸发器4的制冷剂进口连通，蒸发器4的制冷剂出口与压缩机1的制冷剂进口连通；气体冷却器2的相变载冷剂进口与用户端8的出口连通，气体冷却器2的相变载冷剂出口与用户端8的进口连通，相变载冷剂完成循环。
压缩机1和气体冷却器2之间设有高压控制器6，压缩机1和蒸发器4之间设有低压控制器5；以便对压缩机出口、进口处的压力进行控制调节。
高压控制器6的出口与四通阀7的一个阀口连通、低压控制器5的入口与四通阀7的一个阀口连通、气体冷却器2的制冷剂进口以及蒸发器4的制冷剂出口分别与四通阀7的两个阀口相连通。气体冷却器2的制冷剂出口排放的高压低温制冷剂经过电子膨胀阀3节流降压后进入蒸发器4的制冷剂进口，气体冷却器 2中制冷剂与相变载冷剂逆流换热，吸收热量发生相变的相变载冷剂通过调节阀 9进入用户端8放热，用户端8的出口直接与气体冷却器2的相变载冷剂进口相连，管路上设置的调节阀9则可用来调节载冷剂的流速，满足用户需求。
参见图2和图3，本发明所述的气体冷却器的内管和外管同心设置，为了减少换热过程中的热量损失、提高换热效率，优选的，所述同心设置的内管和外管呈螺旋状结构。气体冷却器的内管走高压二氧化碳，内管和外管形成的环形空腔走相变载冷剂，两者采用逆流换热的形式，在换热的后半段，相变载冷剂吸热由液相变为气相，为了提高相变载冷剂的换热系数，所述换热管包括细径段、粗径段，所述细径段的内管直径等于粗径段的内管直径，细径段的外管直径小于粗径段的外管直径，所述细径段设在相变载冷剂出口处、粗径段设在相变载冷剂进口处，细径段与粗径段之间具有外管直径由细径段至粗径段逐渐增大的渐变段。优选的，粗径段B-B截面处的外管直径与细径段A-A截面处的外管直径比为 1.2～1.5，相变载冷剂吸热由液相变为气相，外管管径也相应减小，此时内外管之间压力高，流道截面积小，变为气相的相变载冷剂流速快，增大其换热系数，从而提高了总换热系数，增强换热效果。所述粗径段的长度占换热管总长的1/4～1/3，渐变段的长度为4～6cm；在相变载冷剂吸热变为气相时适当减小外管管径，压力大，流速快，气相相变载冷剂换热系数增大，换热器换热效果进一步增强。
本发明的工作原理如下：CO2经压缩机压缩成高压二氧化碳，高压二氧化碳由气体冷却器的制冷剂进口进入、与气体冷却器中的相变载冷剂逆流换热后从气体冷却器的制冷剂出口流出，然后进入蒸发器，经蒸发器吸热，吸热后的气体进入压缩机进行压缩；相变载冷剂与高压二氧化碳换热后由液相变为气相，利用相变载冷剂吸热放热发生的相态变化所产生的推动力，推动其在用户端与气体冷却器之间循环。
本发明在用户侧不设置水泵，无需外动力驱使载冷剂循环，依靠相变载冷剂在气体冷却器中吸收热量，由液态变为气态；在用户侧放热，由气态变为液态，这种相态变化产生的体积压力变化，从而推动了相变载冷剂的循环。
本发明所选用的相变载冷剂，满足以下条件：低熔点，低温下呈液态；相变温度适宜，在43℃-50℃左右；比热大，动力粘度小；一定量的相变载冷剂相变产生的压力差足够推动循环。例如1，3-二氟丙烷，沸点温度为47.6℃(760mmHg)，湖北巨胜科技有限公司和湖北信康医药化工有限公司均有供应；二氯甲烷，低毒性，有芳香气味，熔点-97℃，沸点39.7℃，供应商有济南世纪通达化工有限公司、湖北盛天恒创生物科技有限公司等等。
本发明无外动力驱动、在用户端采用相变载冷剂循环，不加设水泵，大大减少了供热系统总耗能。载冷剂由水换为相变温度在43℃-50℃、比热大、粘度小的相变载冷剂，降低了CO2在气体冷却器的出口温度，减小节流损失；避免水质问题带来的换热器结垢和腐蚀；提高了换热器的传热效率，增强了其换热效果，管径得以减小，也节省了管材，供暖时用户侧温度上升速度快，满足人们热舒适需求。

Claims (10)

1.一种CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，包括压缩机、气体冷却器、蒸发器和用户端；
所述气体冷却器包括换热管，所述换热管为同心设置的内管和外管，内管的两端分别为制冷剂出口和制冷剂进口，内管和外管形成的环形空腔的两端分别为相变载冷剂进口、相变载冷剂出口，所述制冷剂进口与相变载冷剂出口位于换热管的同一端；
所述压缩机的制冷剂出口与气体冷却器的制冷剂进口连通，气体冷却器的制冷剂出口与蒸发器的制冷剂进口连通，蒸发器的制冷剂出口与压缩机的制冷剂进口连通；气体冷却器的相变载冷剂进口与用户端的出口连通，气体冷却器的相变载冷剂出口与用户端的进口连通。
2.根据权利要求1所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述换热管包括细径段、粗径段，所述细径段的内管直径等于粗径段的内管直径，细径段的外管直径小于粗径段的外管直径，所述细径段设在相变载冷剂出口处、粗径段设在相变载冷剂进口处，细径段与粗径段之间具有外管直径由细径段至粗径段逐渐增大的渐变段。
3.根据权利要求2所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述粗径段的外管直径与细径段的外管直径比为1.2～1.5。
4.根据权利要求2或3所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述粗径段的长度占换热管总长的1/4～1/3，渐变段的长度为4～6cm。
5.根据权利要求4所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述气体冷却器和蒸发器之间设有电子膨胀阀。
6.根据权利要求5所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述压缩机和气体冷却器之间设有高压控制器。
7.根据权利要求6所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述压缩机和蒸发器之间设有低压控制器。
8.根据权利要求7所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述气体冷却器的相变载冷剂出口与用户端的进口之间设有调节阀。
9.根据权利要求1所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述同心设置的内管和外管呈螺旋状结构。
10.根据权利要求1所述的CO2热泵用相变载冷剂自驱供暖系统，其特征在于，所述相变载冷剂的相变温度为43℃-50℃。
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