CN108072202A - 一种热泵用的桥式双向自复叠系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵用的桥式双向自复叠系统，属于加热技术领域。在该桥式双向自复叠系统中，构建出均为自复叠流程回路且用于制热循环的正向回路与用于除霜循环的反向回路，并通过具有桥式连接结构的流向切换装置有选择地切换从压缩机输出工质的流向以允许工质朝正向回路循环流动而形成制热循环或朝反向回路循环流动而形成除霜循环。在室内温度偏低时，通过切换装置将其切换至正向回路而基于自复叠流程回路实现75℃以上的大温差制热，当室外换热器出现结霜而影响热泵系统的运行效率时，通过切换装置将其切换至反向回路进行除霜，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

一种热泵用的桥式双向自复叠系统

技术领域

本发明涉及供热系统技术领域，具体地说，涉及一种热泵用的桥式双向自复叠系统。

背景技术

电地暖锅炉是我国北方目前替代传统燃煤供暖系统的主要手段之一，但是电锅炉的实际热效率低于100％，是一种非常不节能的供热技术。而采用空气源热泵等电能驱动的热泵技术可实现100％以上的热效率，因此其将成为今后节能、环保、高效供热技术的主要发展技术之一。

由于现今广泛应用的空气源热泵系统均采用纯工质为制冷剂，导致其在我国北方冬季气候条件下的出水温度难以达到50℃，严重阻碍了其推广应用。

自复叠循环多用于温差较大的低温制冷领域，也偶见于中高温热泵领域。自复叠循环是一种采用非共沸混合工质并使之多次分离与回热以实现大温差制冷/制热的循环，只需一个压缩机就可以实现复叠式循环所能达到的温度位。相比于复叠式循环，基于自复叠循环的热泵具有结构简单、设备投资少等优点。然而，由于自复叠热泵在工作过程存在工质分离步骤，导致其难以实现循环反向运行，在我国冬季室外温度0℃以下的地区难以推广应用。由于除霜需求的必然性，需在自复叠热泵上另增电热除霜系统或热水除霜系统，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热泵用的桥式双向自复叠系统，通过自身系统进行除霜，提高其运行效率及减少成本投资。

为了实现上述目的，本发明提供基于非共沸混合工质的桥式双向自复叠系统，包括均为自复叠流程回路的正向回路与反向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正向回路循环流动而形成制热循环或朝反向回路循环流动而形成除霜循环的流向切换装置：正向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、回热单元、制热节流装置及室外换热器，回热单元包括混合节流装置及相互串联的第一回热器与第二回热器；反向回路包括通过管路连接成自复叠流程回路的压缩机、室外换热器、精馏柱、回热单元、除霜节流装置及室内换热器；流向切换装置包括桥式连接结构；桥式连接结构包括与室内换热器的一端口连通的内切换端口，与第二回热器的热流体通道的出口端连通的入口端及与精馏柱的进口端连通的排出端，与室外换热器的一端口连通的外切换端口，位于内切换端口与排出端间的单向阀，位于内切换端口与入口端间的除霜节流装置与截止阀，位于外切换端口与排出端间的单向阀，及位于外切换端口与入口端间的制热节流装置与截止阀。

基于上述具有桥式连接结构的流向切换装置的切换，可在室外换热器出现结霜时，反向运行对其进行除霜，从而可提高热泵运行效率；同时，该正向回路与反向回路均为自复叠流程回路，基于精馏柱、双回热器与节流装置的配合，可有效地提高其制热温差，以满足中高温热泵的需求。

第一个具体的方案为第一回热器的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桥式连接结构的入口端连通，冷流体通道的进口端与流向切换装置连通；精馏柱的底部排液端口与第一回热器间的冷流体通道进口端通过混合节流装置连通，从而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；并且经混合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，可进一步提高运行效率。

另一个具体的方案为流向切换装置包括四通阀；四通阀的D端口与压缩机的出口端连通，E端口与室内换热器的另一端口连通，C端口与室外换热器的另一端口连通，S端口与第二回热器的冷流体通道的进口端连通。

其中，第一个优选的方案为压缩机选自变频压缩机或定频压缩机。

第二个优选的方案为压缩机的两端并联有开机保护管路，该开机保护管路包括储气罐及位于储气罐两侧且与其串联的截止阀，可使压缩机低压启动。

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。

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，本热泵系统包括端口间通过管路连接的压缩机11、室内换热器12、精馏柱13、第一回热器21、第二回热器22、混合节流装置23、制热节流装置14、除霜节流装置15、室外换热器16、截止阀31、32、单向阀33、34。

四通阀4的D端口与压缩机11的出口端连通，S端口与第二回热器22的冷流体通道的进口端连通，E端口与室内换热器12的热端口连通，C端口与室外换热器16的热端口连通。

截止阀31、32及单向阀33、34由管路连接成具有四个三通连接端口的桥式连接结构，该四个三通连接端口分别为入口端301、排出端302、内切换端口303及外切换端口304；入口端301连接截止阀31、32及第二回热器22的热流体通道的出口端；排出端302连接精馏柱13的进口端与单向阀33、34；内切换端口304连接室内换热器12的冷端口、除霜节流装置15的出口端及单向阀34，以防止流体逆流回内切换端口304；外切换端口303连接室外换热器16的冷端口、制热节流装置14的出口端及单向阀33，以防止流体逆流回外切换端口303。

第一回热器21的热流体通道的进口端与精馏柱13的顶部排气端口连通，出口端与第二回热器22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混合节流装置23的出口端及第二回热器22的冷流体流道的出口端连通，出口端通过精馏柱13的釜顶换热器后与压缩机11的进口端连通，从而使第一回热器21与第二回热器22构成串联结构。

通过关闭截止阀32及开启截止阀31，连通四通阀4的D端口与E端口，(1)启动压缩机11，将非共沸混合工质压缩成高温高压气体，并通过管路输出，流经四通阀4的D端口与E端口，进入室内换热器12，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，流经单向阀34，进入精馏柱13换热实现气液分离；在精馏柱13内，主要成分为混合工质中低沸点组分的工质气体从精馏柱13顶部的排气端口排出，依次流经第一回热器21的热流体通道、第二回热器22的热流体通道进行两次预冷后，经由桥式连接结构入口端301与截止阀31进入制热节流装置14节流制冷，并进入室外换热器16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四通阀4的C端口与S端口而进入第二回热器22的冷流体通道，以对精馏柱13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，经过混合节流装置23节流制冷后与第二回热器22出口的冷流体混合后进入第一回热器21的冷流体通道，对精馏柱13顶部排出的气体进行首次预冷，并流经精馏柱13的釜顶换热器而流回压缩机11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，整个回路构成正向回路，为自复叠流程回路，即本实施例中的正向回路包括由管路连接的压缩机11、室内换热器12、精馏柱13、回热单元、制热节流装置14及室外换热器16，其中，回热单元包括混合节流装置23及相互串联的第一回热器21与第二回热器22，此时，室内换热器12构成冷凝器，而室外换热器16构成蒸发器。

通过关闭截止阀31及开启截止阀32，连通四通阀4的D端口与C端口，(1)启动压缩机11，非共沸混合工质被压缩机11压缩成为高温高压气体，并通过管路输送，流经四通阀4的D端口与C端口，进入室外换热器16，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)换热除霜后的工质流经单向阀33，进入精馏柱13换热实现气液分离；在精馏柱13内，主要成分为混合工质中低沸点组分的工质气体从精馏柱13顶部的排气端口排出，依次流经第一回热器21的热流体通道、第二回热器22的热流体通道进行两次预冷后，经由桥式连接结构入口端301与截止阀32进入除霜节流装置15节流制冷，并进入室内换热器12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四通阀4的E端口与S端口，进入第二回热器22的冷流体通道，以对精馏柱13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精馏柱13底部排液端口流出，经过混合节流装置23节流制冷后与第二回热器22出口的冷流体混合后进入第一回热器21的冷流体通道，对精馏柱13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11完成除霜循环。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16用于除霜，整个回路构成反向回路，为自复叠流程回路，即在本实施例中的反向回路包括由管路连接成自复叠流程回路的压缩机11、室外换热器16、精馏柱13、回热单元、除霜节流装置15及室内换热器12，其中，回热单元包括混合节流装置23及相互串联的第一回热器21与第二回热器22，此时，室内换热器12构成蒸发器，而室外换热器16构成冷凝器。

在工作过程中，可通过调整和设定制热节流装置14和混合节流装置23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15与混合节流装置23的开度以控制所需的除霜温度。

其中，压缩机11可选用变频压缩机或定频压缩机；室内换热器12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16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；混合节流装置23、制热节流装置14与除霜节流装置15可选用手动膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管或热力膨胀阀。

在除霜与制热过程中，精馏柱13可构成流体储液罐，对系统压力变化起到缓冲保护作用。

在本实施例中，利用分布于管路中的四通阀与桥式连接结构组成的流向切换装置，有选择地切换从压缩机输出工质的流向以允许工质朝正向回路循环流动而形成制热循环或朝反向回路循环流动而形成除霜循环，由此在系统中达到制热/除霜的目的，即可在室外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而可实现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11的两端并联有开机保护管路，该开机保护管路包括储气罐53，储气罐53的一端通过截止阀51与压缩机11的进口端连通，另一端通过截止阀52与压缩机11的出口端连通，工作时，通过对截止阀51、52启闭状态的控制，对压缩机11两端口进行旁通，以使压缩机11可以低压启动。

本发明的主要构思是通过基于自复叠流程回路构建出用于制热循环的正向回路与用于除霜循环的反向回路，即正反向回路构成双向自复叠系统，通过构建具有桥式连接结构的流向切换装置，实现双向自复叠系统在制热/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，流向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替换上述四通阀而实现切换，且管路连接也还可有多种显而易见的变化。

Claims (7)

1.一种热泵用的桥式双向自复叠系统，基于非共沸混合工质，其特征在于，包括：

正向回路，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、回热单元、制热节流装置及室外换热器，所述回热单元包括混合节流装置及相互串联的第一回热器与第二回热器；

反向回路，包括通过管路连接成自复叠流程回路的所述压缩机、所述室外换热器、所述精馏柱、所述回热单元、除霜节流装置及所述室内换热器；

流向切换装置，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正向回路循环流动而形成制热循环或朝所述反向回路循环流动而形成除霜循环，包括桥式连接结构；

所述桥式连接结构包括与所述室内换热器的一端口连通的内切换端口，与所述第二回热器的热流体通道的出口端连通的入口端及与所述精馏柱的进口端连通的排出端，与所述室外换热器的一端口连通的外切换端口，位于所述内切换端口与所述排出端间的单向阀，位于所述内切换端口与所述入口端间的所述除霜节流装置与截止阀，位于所述外切换端口与所述排出端间的单向阀，及位于所述外切换端口与所述入口端间的所述制热节流装置与截止阀。

2.根据权利要求1所述的桥式双向自复叠系统，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入口端连通，冷流体通道的进口端与所述流向切换装置连通；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混合节流装置连通。

3.根据权利要求1所述的桥式双向自复叠系统，其特征在于：

所述流向切换装置包括四通阀；

所述四通阀的D端口与所述压缩机的出口端连通，E端口与所述室内换热器的另一端口连通，C端口与所述室外换热器的另一端口连通，S端口与所述第二回热器的冷流体通道的进口端连通。

4.根据权利要求3所述的桥式双向自复叠系统，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入口端连通，冷流体通道的进口端与所述流向切换装置连通；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混合节流装置连通。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的桥式双向自复叠系统，其特征在于：

所述压缩机为变频压缩机或定频压缩机。

6.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的桥式双向自复叠系统，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储气罐及位于所述储气罐两侧且与其串联的截止阀。

7.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的桥式双向自复叠系统，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。