CN108061404A - 一种双向混合工质热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向混合工质热泵系统，属于加热技术领域。其中，热泵系统基于非共沸混合工质进行工作，包括制热回路、除霜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的制热/除霜切换装置。通过切换装置，在室外换热器出现结霜而影响热泵系统的运行效率时，使系统反向运行进行除霜，以确保热泵系统的运行效率，可广泛应用于不同热源的制热领域中。

Description

一种双向混合工质热泵系统

技术领域

本发明涉及供热系统技术领域，具体地说，涉及一种双向混合工质热泵系统。

背景技术

随着煤炭资源的日渐耗竭与环境污染的日益严重，采用空气源热泵等电能驱动的热泵系统替代传统燃煤供暖系统成为解决前述能源与环境问题的主要手段之一。

现有应用较为成熟的热泵系统为单级蒸汽压缩式热泵系统，受热源温度以及系统本身性能的限制，其出水温度通常在50℃以下，因而不适用于对热源侧与使用侧具有较大温差要求的场合。

因此，在实际高温使用场合中，仍然使用热效率不高于100％的电加热方式或污染严重的燃煤制热方式。

自复叠制冷/制热技术采用非共沸工质，使用单个压缩机即可实现大温差制冷/制热，现已广泛应用于低温保存箱及热泵热水器等多种制冷/制热设备。由于自复叠热泵系统在工作过程中需进行气液两相工质分离，因此无法采用与普通空调一样的技术手段实现双向循环，在同一台机器中同时实现制热/制冷效果。这样就限制了自复叠热泵系统在冬天环境温度低于0℃地区的使用，因为通常需在室外换热器上增设一套电热除霜系统，减少室外换热器结霜而对其运行性能造成影响，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双向混合工质热泵系统，在提高热泵的制热温差的同时，可基于自身系统进行除霜，以提高其运行效率及减少成本投资。

为了实现上述目的，本发明提供的热泵系统基于非共沸混合工质进行工作，包括制热回路、除霜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的制热/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、主节流装置、副节流装置、相互串联的第一回热器与第二回热器及室外换热器；除霜回路包括通过管路顺序连接的压缩机、所述室外换热器、除霜节流装置及所述室内换热器。

通过制热/除霜切换装置的切换，可在室外换热器出现结霜时，反向运行对其进行除霜，从而可提高其运行效率；同时，在制热系统中，基于节流装置与两个串联布置的回热器，可有效地提高其制热温差。

第一个具体的方案为精馏柱与压缩机间旁接有分存管路，分存管路包括储液罐，储液罐的一端通过截止阀与精馏柱的底部排液端口连通，另一端通过截止阀与压缩机的进口端连通，以根据实际需要，从回路中分存出部分多余的工质，或在回路中工质偏少时充入部分存储在储液罐中的工质，以满足实际工况需要。此外，可利用该分存管路对工作回路中工质浓度进行调整，以优化工况。

第二个具体的方案为压缩机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。通过增设开机保护管路，以实现压缩机低压启动。

第三个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；第二回热器的热流体通道的出口端与主节流装置的进口端连通，冷流体通道的进口端与制热/除霜切换装置连通；精馏柱的底部排液端口与第一回热器的冷流体通道间通过副节流装置连通。从而该方案可对两个回热器的热流体通道内工质进行两次预冷并进行节流制冷，同时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；并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。

其中，第一个优选的方案为制热/除霜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、第五截止阀及第六截止阀；压缩机的出口端与第一截止阀及第二截止阀连通，第一截止阀的另一端与室外换热器的进口端连通，第二截止阀的另一端口与室内换热器的进口端连通；室外换热器的出口端通过第三截止阀与除霜节流装置连通，并通过第四截止阀与第二回热器冷流体通道的进口端连通；室内换热器的出口端通过第五截止阀与压缩机的进口端连通，及通过第六截止阀与精馏柱的进口端连通。

此时，更优选的方案为第一截止阀与室外换热器间通过防止流体逆流回第一截止阀的单向阀连通，主节流装置与室外换热器间通过防止流体逆流回主节流装置的单向阀连通，精馏柱的釜顶换热器与压缩机间通过防止流体逆流回釜顶换热器的单向阀连通，从而有效地确保整个切换装置及整个热泵系统的稳定正常工作。

第二个优选的方案为除霜回路还包括除霜回热器；除霜回热器的热流体通道的进口端与室外换热器的出口端连通，出口端与除霜节流装置的进口端连通；冷流体通道的进口端与室内换热器的出口端连通，出口端与压缩机的进口端连通。除霜回热器可对进入除霜节流装置前的工质进行预冷，同时对回流回压缩机内的工质进行预热，有效地提高除霜回路的运行效率。

此时，更优选的方案为制热/除霜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、第五截止阀及第六截止阀；压缩机的出口端与第一截止阀及第二截止阀连通，第一截止阀的另一端与室外换热器的进口端连通，第二截止阀的另一端口与室内换热器的进口端连通；室外换热器的出口端通过第三截止阀与除霜回热器连通，并通过第四截止阀与第二回热器的冷流体通道的进口端连通；除霜回热器的冷流体通道的出口端通过第五截止阀与压缩机的进口端连通及通过第六截止阀与精馏柱的进口端连通。

则有再优选的方案为第一截止阀与室外换热器间通过防止流体逆流回第一截止阀的单向阀连通，主节流装置与室外换热器间通过防止流体逆流回主节流装置的单向阀连通，精馏柱的釜顶换热器与压缩机间通过防止流体逆流回釜顶换热器的单向阀连通，从而有效地确保整个切换装置及整个热泵系统的稳定正常工作。

第三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；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；

图3为本发明实施例3的结构图；

图4为本发明实施例4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44、室外换热器5、除霜回热器6、除霜节流装置7、第一截止阀81至第八截止阀88、储液罐91、单向阀92-94。

压缩机1的出口端通过三通管路与第一截止阀81、第二截止阀82连通，第一截止阀81另一端口通过管路与单向阀93连通以防止流体逆流回第一截止阀81，第二截止阀82通过三通管路与室内换热器2的进口端及除霜节流装置7的出口端流通。除霜回热器6冷流体通道的出口端通过三通管路与第五截止阀85、第六截止阀86连通，进口端与室内换热器2出口端连通，热流体通道的出口端与节流装置7的进口端连通；精馏柱3的进口端与第六截止阀86的另一端口连通；压缩机1的进口端通过四通管路与第八截止阀88、单向阀94及第五截止阀85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的冷流体通道的出口端连通，出口端通过精馏柱3的釜顶换热器后与单向阀94连通，以防流体逆流回第一回热器41。主节流装置44的进口端与第二回热器42的热流体通道的出口端连通，出口端与单向阀92连通，以防止流体逆流回主节流装置44。室外换热器5的进口端通过三通管路与单向阀92、93连通，出口端通过三通管路与第三截止阀83、第四截止阀84连通，第三截止阀83的另一端与除霜回热器6热流体通道的进口端连通，第四截止阀84的另一端口与第二回热器42的冷流体通道的进口端连通。

通过关闭第一截止阀81、第三截止阀83、第五截止阀85及开启第二截止阀82、第四截止阀84、第六截止阀86，(1)启动压缩机1，以将非共沸混合工质压缩成高温高压气体，并通过管路输出，流经第二截止阀82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，依次流经除霜回热器6与第六截止阀86，进入精馏柱3换热实现气液分离；在精馏柱3内，主要成分为混合工质中的低沸点组分的工质从精馏柱3的顶部排气端口排出，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9节流制冷，并进入室外换热器5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四截止阀84而进入第二回热器42的冷流体通道，以对精馏柱3顶部排出的气体进行再次预冷；而含有较多高沸点组分的混合物从其底部排液端口流出，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，对精馏柱3顶部排出的气体进行首次预冷，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，整个回路构成制热回路，此时为自复叠流程回路，与传统电加热方式相比能有效地节约昂贵的高品质电能，且能有效地提高制热温度与制热效率。即本实施例中的制热回路包括由管路顺序连通的压缩机1、室内换热器2、精馏柱3、主节流装置44、副节流装置43、相互串联的第一回热器41与第二回热器42及室外换热器5，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5构成蒸发器。

通过关闭第二截止阀82、第四截止阀84、第六截止阀86及开启第一截止阀81、第三截止阀83、第五截止阀85，(1)启动压缩机1，非共沸混合工质被压缩机1压缩成为高温高压气体，并通过管路输送，流经第一截止阀81进入室外换热器5，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)换热除霜后的工质经流第三截止阀83，进入除霜回热器6的热流体通道进一步换热而进行预冷，再经过除霜节流装置7节流制冷后携带冷量在室内换热器2中吸收热量，并流回除霜回热器6的冷流体通道对经室外换热器5进行换热后的工质流体进行预冷，最后流经第五截止阀85返回压缩机1入口端。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5用于除霜，整个回路构成除霜回路，此时构成传统回热流程回路，实现室外侧除霜，即在本实施例中的除霜回路包括由管路顺序连接的压缩机1、室外换热器5、除霜回热器6、除霜节流装置7、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5构成冷凝器。

在工作过程中，可通过调整和设定主节流装置44和副节流装置43的开度以控制所需的制热温度，或通过调整和设定除霜节流装置7的开度以控制所需的除霜温度。

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5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；节流装置7、43和44可选用手动膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管或热力膨胀阀。

储液罐91的一端端口与第八截止阀88连通，另一端通过第七截止阀87与精馏柱3的底部排液口连通，即在精馏柱3与压缩机1间设置一分存管路，以通过对截止阀87、88启闭状态的控制，在回路中工质过剩时，存储部分工质；而在工质偏少时向回路中充入工质，以确保回路运行效率。此外，精馏柱3底部存储的工质主要成分为混合工质中的高沸点组分，即储液罐91中存储的为混合工质中的高沸点组分，因此可对系统内的工质浓度进行调节，以优化热泵的工作状况。

在本实施例中，利用分布于管路中的截止阀与单向阀组成的制热/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，即在制热循环中混合工质从室内换热器流向室外换热器，而在除霜循环中混合工质从室外换热器流向室内换热器，从而构成双向混合工质热泵系统，由此在系统中达到制热/除霜的目的，即可在室外侧换热器结霜严重导致换热效率下降时，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；且通过精馏柱的气液分离、回热器与节流装置的配合可实现75℃以上的大温差制热，从而满足中高温热泵对于温度位的需求。

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的出口端连通，另一端通过截止阀12与压缩机1的进口端连通，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低压启动。

实施例3

作为对本发明实施例3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3，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的出口端连通，另一端通过截止阀12与压缩机1的进口端连通，略去实施例1中的分存管路；其不仅可使压缩机进行低压启动，而且在工作过程中可将部分工质存储至储气罐13内，以对回路中处于工作状态工质的量进行调整。

实施例4

作为对本发明实施例4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4，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的出口端连通，另一端通过截止阀12与压缩机1的进口端连通，略去实施例1中的分存管路与除霜回热器；其不仅可使压缩机1进行低压启动，而且在工作过程中可将部分工质存储至储气罐13内，以对回路中处于工作状态工质的量进行调整。

在本实施例中，室外换热器5的出口端通过第三截止阀83与除霜节流装置7连通，室内换热器2的出口端通过第五截止阀85与压缩机1的进口端连通，及通过第六截止阀86与精馏柱3的进口端连通。

本发明的主要构思是通过基于制热回路与除霜回路间的重复构件，通过构建制热/除霜切换装置，实现热泵系统在制热/除霜工作模式间切换，以提高实际使用过程中的运行效率；基于本构思，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。

Claims (10)

1.一种双向混合工质热泵系统，基于非共沸混合工质进行工作，包括制热回路，所述制热回路包括通过管路连接的压缩机、室内换热器、精馏柱、主节流装置、副节流装置、相互串联的第一回热器与第二回热器及室外换热器；

其特征在于，还包括除霜回路与制热/除霜切换装置；

所述除霜回路包括通过管路顺序连接的所述压缩机、所述室外换热器、除霜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。

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：

所述精馏柱与所述压缩机间旁接有分存管路，所述分存管路包括储液罐，所述储液罐的一端通过截止阀与所述精馏柱的底部排液端口连通，另一端通过截止阀与所述压缩机的进口端连通。

3.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。

4.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；所述第二回热器的热流体通道的出口端与所述主节流装置的进口端连通，冷流体通道的进口端与所述制热/除霜切换装置连通；所述精馏柱的底部排液端口与所述第一回热器的冷流体通道的进口端通过所述副节流装置连通。

5.根据权利要求1至4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：

所述制热/除霜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、第五截止阀及第六截止阀；

所述压缩机的出口端与所述第一截止阀及所述第二截止阀连通，所述第一截止阀的另一端与所述室外换热器的进口端连通，所述第二截止阀的另一端口与所述室内换热器的进口端连通；

所述室外换热器的出口端通过所述第三截止阀与所述除霜节流装置连通，并通过所述第四截止阀与所述第二回热器的冷流体通道的进口端连通；

所述室内换热器的出口端通过所述第五截止阀与所述压缩机的进口端连通，及通过所述第六截止阀与所述精馏柱的进口端连通。

6.根据权利要求5所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

所述第一截止阀与所述室外换热器间通过防止流体逆流回所述第一截止阀的单向阀连通，所述主节流装置与所述室外换热器间通过防止流体逆流回所述主节流装置的单向阀连通，所述精馏柱的釜顶换热器与所述压缩机间通过防止流体逆流回釜顶换热器的单向阀连通。

7.根据权利要求1至4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：

所述除霜回路还包括除霜回热器；

所述室外换热器的出口端与所述除霜节流装置的进口端通过所述除霜回热器的热流体通道连通；所述室内换热器的出口端与所述压缩机的进口端通过所述除霜回热器的冷流体通道连通。

8.根据权利要求7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截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀及第六截止阀；

所述压缩机的出口端与所述第一截止阀及所述第二截止阀连通，所述第一截止阀的另一端与所述室外换热器的进口端连通，所述第二截止阀的另一端口与所述室内换热器的进口端连通；

所述室外换热器的出口端通过所述第三截止阀与所述除霜回热器连通，并通过所述第四截止阀与所述第二回热器的冷流体通道的进口端连通；

所述除霜回热器的冷流体通道的出口端通过所述第五截止阀与所述压缩机的进口端连通及通过所述第六截止阀与所述精馏柱的进口端连通。

9.根据权利要求8所述的双向混合工质热泵系统，其特征在于：

所述第一截止阀与所述室外换热器间通过防止流体逆流回所述第一截止阀的单向阀连通，所述主节流装置与所述室外换热器间通过防止流体逆流回所述主节流装置的单向阀连通，所述精馏柱的釜顶换热器与所述压缩机间通过防止流体逆流回釜顶换热器的单向阀连通。

10.根据权利要求1至4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；所述压缩机为变频压缩机或定频压缩机。