CN108061400A - 一种可切换的双向混合工质热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可切换的双向混合工质热泵系统，属于加热技术领域。该双向混合工质热泵系统包括为自复叠流程回路的高温差回路，为回热流程回路的低温差回路，及用于有选择地切换从压缩机输出工质的流向以允许工质朝高温差回路循环流动而形成高温差流程循环或朝低温差回路循环流动而形成低温差流程循环的高/低温差回路切换装置。可根据实际使用工况在两个回路间的切换，以匹配现场工况，而提高热泵的运行效率，其可广泛用于不同热源的制热技术领域。

Description

一种可切换的双向混合工质热泵系统

技术领域

本发明涉及供热技术领域，具体地说，涉及一种可在高温差模式与低温差模式间切换的双向混合工质热泵系统。

背景技术

热泵是近年来备受关注的节能技术，其利用电能驱动，以从空气、水及土壤等热源中获取热量，并为人们提供所需的高品位热能；使其作为传统燃煤供暖系统的强有力替代者而成为解决当今能源枯竭问题与环境污染问题的主要方法之一。

而现主要使用的热泵系统均使用单一工质为制冷剂，在我国北方的寒冷环境下，出水温度通常在50℃以下，导致这部分地区仍使用效率不高的电加热方式或者污染严重的燃煤制热方式获取高温热水。

采用非共沸工质的自复叠热泵系统和回热热泵系统，均可使用单个压缩机实现大温差制热的目的，但相对而言，自复叠热泵系统在大温差制热工况下的效率高于回热热泵系统，而在小温差制热工况下的制热效率反而低于回热热泵系统。在实际使用过程中，热源侧与使用侧间的温差会随着四季温度或供热需求的变化而变化，单一热泵系统较难满足幅度较大的温差变化。

此外，在我国北方冬季气候条件下，为了避免室外换热器结霜而对热泵系统运行性能与效率造成影响，通常需在室外换热器上增设一套电热除霜系统，不仅除霜能耗大，且效果较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种可切换的双向混合热泵系统，通过在回热流程回路与自复叠流程回路间切换，以根据热源温度变化在高温差流程或低温差流程间切换，提高热泵的运行效率；

本发明的另一目的是提供一种可切换的双向混合热泵系统，通过在制热回路与除霜回路间切换，以反向运行而除去室外换热器上的结霜，提高制热时的运行效率。

为了实现上述目的，本发明提供的双向混合工质热泵系统基于非共沸混合工质，包括高温差回路、低温差回路及高/低温差回路切换装置；高温差回路包括通过管路连接成自复叠流程回路的压缩机、室内换热器、精馏柱、第一回热器、第二回热器、副节流装置、主节流装置及室外换热器，第一回热器与第二回热器串联；低温差回路包括通过管路连接成回热流程回路的压缩机、室外换热器、第一回热器、第二回热器、主节流装置及室内换热器；高/低温差回路切换装置用于有选择地切换从压缩机输出工质的流向以允许工质朝高温差回路循环流动而形成高温差流程循环或朝低温差回路循环流动而形成低温差流程循环。

在实际使用过程中，用户可根据用户侧的实际需求选择低温差回路进行回热流程循环而实现低温差工作模式或选择高温差回路进行自复叠流程循环而实现高温差工作模式，以配合该热泵的工况，从而提高该热泵系统的运行效率。

具体的方案为第一回热器热流体通道的进口端与精馏柱的顶部排气端口连通，冷流体通道的出口端通过精馏柱的釜顶换热器与压缩机的进口端连通，精馏柱的底部排液端口通过副节流装置与第一回热器的冷流体通道进口端连通。

基于两个相互串联的回热器，可对从精馏柱的顶部排气端口排出的气体进行两次预冷，即对回流回压缩机的工质进行两次预热，从而提高整个热泵的运行效率，且经副节流装置节流制冷后的工质与第二回热器内工质混合后对第一回热器热流体通道内的工质进行预冷，预冷效果更好。

更具体的方案为高/低温差回路切换装置包括第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀及旁接在精馏柱的进口端与出口端上的旁接管路；第一截止阀串联于底部排液端口与副节流装置之间的连接管路上，第二截止阀串联于旁接管路进口端与精馏柱的进口端之间的连接管路上，第三截止阀串联在旁接管路上，第四截止阀串联于旁接管路出口端与精馏柱的顶部排气端口之间的连接管路上。

在该切换装置中，不仅使热泵系统在高温差模式与低温差模式间切换，也可通过截止阀的启闭而调整工作回路中的工质量。

为了实现上述另一目的，本发明提供的优选方案为双向混合工质热泵系统包括制热回路、除霜回路与制热/除霜切换装置；制热回路包括通过管路连接的压缩机、室内换热器、精馏柱、第一回热器、第二回热器、副节流装置、主节流装置及室外换热器；除霜回路包括通过管路连接的压缩机、室外换热器、精馏柱、第一回热器、第二回热器、副节流装置、主节流装置及室内换热器；制热/除霜切换装置用于有选择地切换从压缩机输出工质的流向以允许工质朝制热回路循环流动而形成制热循环或朝除霜回路循环流动而形成除霜循环。

基于制热/除霜切换装置，可在室外换热器结霜时进行除霜，以提高热泵的制热效率。

更优选的方案为制热/除霜切换装置包括第一四通阀与第二四通阀；第一四通阀的D端口与压缩机的出口端连通，E端口与室外换热器的一端口连通，C端口与室内换热器的一端口连通，S端通过主节流装置与第二回热器的热流体通道的出口端连通；第二四通阀的D端口与室外换热器的另一端口连通，C端口与第二回热器的冷流体通道的进口端连通，E端口与精馏柱的进口端连通，S端口与室内换热器的另一端口连通。

基于两个四通阀组成的切换装置，结构简单、成本低，且可通过人工控制二者的动作而实现制热/除霜切换，也可根据设于室外换热器上的传感器对其结霜情况的检测而实现自动化切换进行除霜与制热。

另一个优选的方案为压缩机的两端并联有开机保护管路，开机保护管路包括通过管路依次串联的出口端截止阀、储气罐及进口端截止阀。可通过控制两个截止阀的启闭状态而实现压缩机的低压启动。

另一个优选的方案为节流装置选自手动膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管或热力膨胀阀。

再一个优选的方案为压缩机选自变频压缩机或定频压缩机。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构图；

图2为本发明实施例2的结构图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例1

参见图1，本发明双向混合工质热泵系统包括端口间通过管路连接的压缩机1、室内换热器2、精馏柱3、第一回热器41、第二回热器42、副节流装置43、主节流装置5、室外换热器6、第一四通阀7、第二四通阀8、第一截止阀91、第二截止阀92、第三截止阀93及第四截止阀94，其基于非共沸混合工质进行工作。

第一四通阀7的D端口与压缩机1的出口端连通，S端口与主节流装置5的出口端连通，E端口与室外换热器6的进口端连通，C端口与室内换热器2的进口端连通。

第二四通阀8的D端口与室外换热器6的出口端连通，S端口与室内换热器2的出口端连通，E端口通过三通管路与第二截止阀92及第三截止阀93连通，C端口与第二回热器42的冷流体通道的进口端连通。

第一回热器41的热流体通道的进口端与精馏柱3的顶部排气端口通过第四截止阀94连通，出口端与第二回热器42的热流体通道的进口端连通；冷流体通道的进口端通过三通管路与副节流装置43的出口端及第二回热器42的冷流体流道的出口端连通，出口端通过精馏柱3的换热器后与压缩机1的进口端连通。主节流装置5的进口端与第二回热器42的热流体通道的出口端连通，副节流装置43的进口端通过第一截止阀91与精馏柱3的底部排液口连通。

第二截止阀92的另一端与精馏柱3的进口端连通，第三截止阀93的另一端通过三通与第四截止阀94与第一回热器41的热流体通道的进口端之间的管路连通。

在工作过程中：

(一)若室内侧对温差的需求较低，例如需提供45度的热水，则通过连通第一四通阀7的D端口与C端口，连通第二四通阀8的D端口与C端口，打开第三截止阀93，关闭第一截止阀91、第二截止阀92、第四截止阀94；(1)启动压缩机1，以将工质压缩成高温高压气体，并通过管路输出，流经第一四通阀7的D端口与C端口，进入室内换热器2，通过与室内媒介进行热交换而制热，工质本身部分冷凝为液体；(2)气液两相共存的工质在后续工质的输送推动下，依次流经第二四通阀8的S端口与E端口及第三截止阀93后，再依次进入第一回热器41的热流体通道、第二回热器42的热流体通道进行两次预冷后由主节流装置5节流制冷，并流经第一四通阀7的S端口与E端口进入室外换热器6中吸收室外环境中的热量；经室外换热的工质在后续工质的推动下流经第二四通阀8的D端口与C端口，进入第二回热器42的冷流体通道，以对热流体通道中的工质进行再次预冷；接着进入第一回热器41的冷流体通道对其热流体通道内的工质进行首次预冷，并流经精馏柱3的釜顶换热器而流回压缩机1完成本轮制热循环。在该循环流程中，通过工质从外部吸热并向内部放热，整个回路构成回热流程回路，为低温差制热回路，即实现低温差流程循环，此时的制热回路包括压缩机1、室内换热器2、第一回热器41、第二回热器42、主节流装置5及室外换热器6，其中，室内换热器2构成冷凝器，而室外换热器6构成蒸发器。

此时，若该制热流程中的制冷剂过多，可通过打开第二截止阀92以将多余的工质存入精馏柱3中储存；若该制热流程中的工质不足，则可通过打开第四截止阀94以将低沸点组分充入制热回路中，或通过打开第一截止阀91以将高沸点组分充入该制热回路中，精馏柱3可充当储罐功能。

(二)若室内侧对温差的需求较高，例如需提供75度热水，则通过连通第一四通阀7的D端口与C端口，连通第二四通阀8的D端口与C端口，打开第一截止阀91、第二截止阀92、第四截止阀94，并关闭第三截止阀93；(1)启动压缩机1，以将工质压缩成高温高压气体，并通过管路输出，流经第一四通阀7的D端口与C端口，进入室内换热器2，通过与室内媒介进行热交换而制热，工质本身部分冷凝为液体；(2)气液两相共存的工质在后续工质的输送推动下，流经第二四通阀8的S端口与E端口及第二截止阀92，进入精馏柱3；在精馏柱3内，主要成分为混合工质中的低沸点组分从精馏柱3顶部的排气端口排出经由第四截止阀94，并依次流经第一回热器41的热流体通道、第二回热器42的热流体通道进行两次预冷后由主节流装置5节流制冷，并流经第一四通阀7的S端口与E端口进入室外换热器6中吸收室外环境中的热量；经室外换热的工质在后续工质的推动下流经第二四通阀8的D端口与C端口，进入第二回热器42的冷流体通道，以对其热流体通道内的工质进行再次预冷；而含有较多高沸点组分的混合物从精馏柱3底部排液端口流出，经过副节流装置43节流制冷后与第二回热器42出口的冷流体混合后进入第一回热器41的冷流体通道，对其热流体通道内的工质进行首次预冷，并流经精馏柱3的釜顶换热器流回压缩机1完成本轮制热循环。在该循环流程中，通过工质从外部吸热并向内部放热，整个回路构成自复叠流程回路，为高温差制热回路，即实现高温差流程循环，即本实施例中的高温差制热回路包括通过管路连接的压缩机1、室内换热器2、精馏柱3、第一回热器41、第二回热器42、副节流装置43、主节流装置5及室外换热器6，其中精馏柱3构成整个制热回路的气液分离器，此时，室内换热器2构成冷凝器，而室外换热器6构成蒸发器。

(三)当需除霜时，若室内侧与室外侧温差小于50度，例如室外侧温度为-10度而室内侧温度为35度，则连通第一四通阀7的D端口与E端口，及连通第二四通阀8的D端口与E端口，打开第三截止阀93，并关闭第一截止阀91、第二截止阀92、第四截止阀94；(1)启动压缩机1，将工质压缩成高温高压气体，并通过管路输送，流经第一四通阀7的D端口与E端口，进入室外换热器6，通过与外部环境中媒介进行热交换进行除霜，部分工质冷凝为液体；(2)换热后的工质经流第二四通阀8的D端口与E端口及第三截止阀93，再依次进入第一回热器41的热流体通道、第二回热器42的热流体通道进行两次预冷后由主节流装置5节流制冷，并流经第一四通阀7的S端口与C端口进入室内换热器2中吸收室内环境中的热量；经室内换热的工质在后续工质的推动下流经第二四通阀8的S端口与C端口，进入第二回热器42的冷流体通道，以对其热流体通道内的工质进行再次预冷；接着进入第一回热器41的冷流体通道对其热流体通道内的工质进行首次预冷，并流经精馏柱3的釜顶换热器而流回压缩机1完成本轮除霜循环。在该循环流程中，由工质将室内侧的部分热量带至室外换热器6用于除霜，整个回路构成回热流程回路，为低温差除霜回路，即实现低温差流程循环，即在本实施例中的除霜回路包括由管路连接的压缩机1、室外换热器6、第一回热器41、第二回热器42、主节流装置5及室内换热器2，此时，室内换热器2构成蒸发器，而室外换热器6构成冷凝器。

此时，若该除霜流程中的制冷剂过多，可通过打开第二截止阀92以将多余的工质存入精馏柱3中储存；若该制除霜流程中的工质不足，则可通过打开第四截止阀94以将低沸点组分充入除霜回路中，或通过打开第一截止阀91以将高沸点组分充入该除霜回路中，精馏柱3可充当储罐功能。

(四)当需除霜时，若室内侧与室外侧温差大于60度，例如室外侧温度为-10度而室内侧热水箱温度为50度，则连通第一四通阀7的D端口与E端口，及连通第二四通阀8的D端口与E端口，打开第一截止阀91、第二截止阀92、第四截止阀94，并关闭第三截止阀93；(1)启动压缩机1，将工质压缩成高温高压气体，并通过管路输送，流经第一四通阀7的D端口与E端口，进入室外换热器6，通过与外部环境中媒介进行热交换进行除霜，部分工质冷凝为液体；(2)换热后的工质经流第二四通阀8的D端口与E端口及第二截止阀92，进入精馏柱3；在精馏柱3内，主要成分为混合工质中的低沸点组分从精馏柱3顶部的排气端口排出，依次流经第一回热器41的热流体通道、第二回热器42的热流体通道进行两次预冷后由主节流装置5节流制冷，并流经第一四通阀7的S端口与C端口进入室内换热器2中吸收室内环境中的热量；经室内换热的工质在后续工质的推动下流经第二四通阀8的S端口与C端口，进入第二回热器42的冷流体通道，以对其热流体通道内的工质进行再次预冷；而含有较多高沸点组分的混合物从精馏柱3底部排液端口流出，经由第一截止阀91进入副节流装置43进行节流制冷后，与第二回热器42出口的冷流体混合后进入第一回热器41的冷流体通道，对第一回热器41热流体通道内的工质进行首次预冷，并流经精馏柱3的釜顶换热器而流回压缩机1完成本轮除霜循环。在该循环流程中，由工质将室内侧的部分热量带至室外换热器6用于除霜，整个回路构成自复叠流程回路，为高温差除霜回路，即实现高温差流程循环，即在本实施例中的除霜回路包括由管路连接的压缩机1、室外换热器6、精馏柱3、第一回热器41、第二回热器42、副节流装置43、主节流装置5及室内换热器2，此时，室内换热器2构成蒸发器，而室外换热器6构成冷凝器。

在高温差的制热与除霜过程中，可通过调整和设定主节流装置5与副节流装置43的开度以控制所需的制热与除霜温度；在低温差的制热与除霜过程中，可通过调整和设定主节流装置5的开度以控制所需的制热与除霜温度。

其中，压缩机1可选用变频压缩机或定频压缩机；室内换热器2可选用空气换热、水媒介换热或辐射换热等换热方式，室外换热器6可选择使用空气换热或水媒介换热等换热方式，具体换热方式由使用需求和条件具体确定；副节流装置43与主节流装置5可选用手动膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管或热力膨胀阀。

在本实施例中，利用分布于管路中的四个截止阀组成的高/低温差回路切换装置，以有选择地切换从压缩机输出工质的流向以允许工质朝为自复叠流程回路的高温差回路循环流动而形成高温差流程循环或为朝回热流程回路的低温差回路循环流动而形成低温差流程循环，由此实现在系统中达到高低温差制热/除霜的目的；及利用分布于管路中的两个四通阀组成的制热/除霜切换装置，以有选择地切换从压缩机输出工质的流向以允许工质朝制热回路循环流动而形成制热循环或朝除霜回路循环流动而形成除霜循环，由此实现在系统中达到制热/除霜的目的，即可在高低温差回路间切换，且在制热循环过程中混合工质从室内换热器流向室外换热器，而在除霜过程中混合工质从室外换热器流向室内换热器，从而构成可切换的双向混合工质热泵系统，即可在室外侧换热器结霜严重导致换热效率下降时，以反向运行实现室外侧的除霜，这种做法降低了初投资成本和运行能耗，简化了设备。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

参见图2，在压缩机1的两端并联有开机保护管路，该开机保护管路包括储气罐13，储气罐13的一端通过截止阀11与压缩机1的进口端连通，另一端通过截止阀12与压缩机1的出口端连通，工作时，通过对截止阀11、12启闭状态的控制，对压缩机1两端口进行旁通，以使压缩机1在低压负载下启动。

本发明的主要构思是通过基于回热流程回路与自复叠流程回路间的重复构件，通过构建高/低温差回路切换装置和/或制热/除霜切换装置，实现双向混合工质热泵系统在高低温差模式间切换和/或制热除霜模式间切换，以提高实际使用过程中的运行效率；基于本构思，高/低温差回路切换装置并不局限于上述实施例中的结构，还可采用不同个数的截止阀或截止阀与单向阀的配合而实现切换，且管路连接也还可有多种显而易见的变化；制热/除霜切换装置并不局限于上述实施例中的结构，还可采用不同个数的截止阀或截止阀与单向阀的配合而实现切换，且管路连接也还可有多种显而易见的变化；此外，对于高低温差的描述为二者相对的，并不局限于上述实施例中的列举数值，虽然本实施例在实际使用过程中能达到上述所列数值。

Claims (8)

1.一种可切换的双向混合工质热泵系统，基于非共沸混合工质，其特征在于，包括：

高温差回路，包括通过管路连接成自复叠流程回路的压缩机、室内换热器、精馏柱、第一回热器、第二回热器、副节流装置、主节流装置及室外换热器，所述第一回热器与所述第二回热器串联；

低温差回路，包括通过管路连接成回热流程回路的所述压缩机、所述室内换热器、所述第一回热器、所述第二回热器、所述主节流装置及所述室外换热器；

高/低温差回路切换装置，用于有选择地切换从所述压缩机输出工质的流向以允许工质朝所述高温差回路循环流动而形成高温差流程循环或朝所述低温差回路循环流动而形成低温差流程循环。

2.根据权利要求1所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

所述第一回热器的热流体通道的进口端与所述精馏柱的顶部排气端口连通，冷流体通道的出口端通过所述精馏柱的釜顶换热器与所述压缩机的进口端连通，所述精馏柱的底部排液端口通过所述副节流装置与所述第一回热器的冷流体通道的进口端连通。

3.根据权利要求2所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

所述高/低温差回路切换装置包括第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀及旁接在所述精馏柱的进口端与出口端上的旁接管路；

所述第一截止阀串联于所述底部排液端口与所述副节流装置之间的连接管路上，所述第二截止阀串联于所述旁接管路的进口端与精馏柱的进口端之间的连接管路上，所述第三截止阀串联在所述旁接管路上，所述第四截止阀串联于所述旁接管路的出口端与所述精馏柱的顶部排气端口的连接管路上。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于，所述双向混合工质热泵系统包括制热回路、除霜回路与制热/除霜切换装置；

所述制热回路包括通过管路连接的所述压缩机、所述室内换热器、所述精馏柱、所述第一回热器、所述第二回热器、所述副节流装置、所述主节流装置及所述室外换热器；

所述除霜回路包括通过管路连接的所述压缩机、所述室外换热器、所述精馏柱、所述第一回热器、所述第二回热器、所述副节流装置、所述主节流装置及所述室内换热器；

所述制热/除霜切换装置用于有选择地切换从所述压缩机输出工质的流向以允许工质朝所述制热回路循环流动而形成制热循环或朝所述除霜回路循环流动而形成除霜循环。

5.根据权利要求4所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

所述制热/除霜切换装置包括第一四通阀与第二四通阀；

所述第一四通阀的D端口与所述压缩机的出口端连通，E端口与所述室外换热器的一端口连通，C端口与所述室内换热器的一端口连通，S端通过所述主节流装置与所述第二回热器的热流体通道的出口端连通；

所述第二四通阀的D端口与所述室外换热器的另一端口连通，C端口与所述第二回热器的冷流体通道的进口端连通，E端口与所述精馏柱的进口端连通，S端口与所述室内换热器的另一端口连通。

6.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

所述压缩机的两端并联有开机保护管路，所述开机保护管路包括通过管路依次串联的出口端截止阀、储气罐及进口端截止阀。

7.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

节流装置为手动膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管或热力膨胀阀。

8.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

所述压缩机为变频压缩机或定频压缩机。