CN108548346A - 一种压缩机补气循环机构及其热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩机补气循环机构，包括闪发器和中间换热器，压缩机的压缩机排气口通过冷凝器与所述闪发器的闪发器进口相连通，闪发器对进入其内部的介质进行高低沸点组分分离，经分离的一部分高沸点组份通过中间换热器与压缩机相连，对压缩机进行补气；经分离的低沸点组份和另一部分高沸点组份再次混合后通过中间换热器与蒸发器相连，蒸发器的出口与压缩机的压缩机进气口相连通；在中间换热器内，部分高沸点组份与经混合后的高沸点组份和低沸点组份进行换热。通过上述闪发器与中间换热器相互配合，拓展了蒸发器温度匹配调节范围，随着蒸发器的蒸发压力得到有效提升，功耗也随之减少，从而有效改善了系统能耗。

Description

一种压缩机补气循环机构及其热泵系统

技术领域

本发明涉及空气能热泵技术领域，具体涉及一种用于压缩机的非共沸工质蒸气压缩补气循环机构及其具有该机构的热泵系统。

背景技术

空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置，具有适用范围广、运行成本低、无污染、性能稳定和占地空间小的优点，是北方地区尤其是寒冷地区替代燃煤采暖的重要选项。虽然空气源热泵在上述地区已有所应用，但空气源热泵在低温工况下仍旧存在制热量不足和能效低的问题，导致其至今并未大规模使用。

现有技术中，为了改善空气源热泵在低温工况下制热量不足、能效低下的问题。如图5所示，公开了一种具有压缩机补气装置的热泵系统包括压缩机101、冷凝器102、节流装置103及蒸发器106四个部分，为了提升系统在低温工况下的性能，采用压缩中间补气技术，即在上述热泵系统基础上增加闪发罐104、二级节流装置105，上述方案在压缩机101的补气口连接管上进行补气，可增加冷凝器的质量流量，从而使系统的制热量得到提升。

虽然在该系统中应用非共沸混合工质，利用非共沸混合工质的温度滑移特性提高了蒸发器和冷凝器中的温度匹配程度。但是，由于制冷剂经过闪发罐106气液相分离后，富含高沸点组分的液相制冷剂进入蒸发器106，会导致蒸发器106的蒸发压力严重降低，导致压缩机101的压比增加，同时压缩机101的等熵效率、容积效率有所下降，进而造成热泵系统能效降低的问题，在上述技术方案中具有蒸发器106的热泵系统支路富含高沸点组分的液相制冷剂，导致蒸发器温度匹配调节范围较小，不利于全工况下蒸发器温度匹配，造成热泵系统能耗高的问题。

发明内容

本发明解决了现有技术中的压缩机补气循环机构其蒸发器温度匹配调节范围较小，不利于全工况下蒸发器温度匹配，造成热泵系统能耗高的问题，同时也能进一步降低系统运行压比，提升系统整体性能。

为此，本发明的技术方案如下：

一种压缩机补气循环机构，包括闪发器和中间换热器，压缩机的压缩机排气口通过冷凝器与所述闪发器的闪发器进口相连通，所述闪发器对进入其内部的介质进行高低沸点组分分离，经分离的一部分高沸点组份通过所述中间换热器与所述压缩机相连，对压缩机进行补气；经分离的低沸点组份和另一部分高沸点组份再次混合后通过所述中间换热器与蒸发器相连，所述蒸发器的出口与所述压缩机的压缩机进气口相连通；

在所述中间换热器内，所述部分高沸点组份与经混合后的高沸点组份和低沸点组份进行换热。

所述闪发器上设有第一高沸点组份出口，所述第一高沸点组份出口与具有第一节流装置的第一工质出口支路相连，所述第一工质出口支路与所述中间换热器的第一换热支路相连，所述第一换热支路通过连接管道与所述压缩机相连对其进行补气。

所述闪发器设有低沸点组份出口和第二高沸点组份出口，所述低沸点组份出口与具有第一流量调节阀的第二工质出口支路相连，所述第二高沸点组份出口与具有第二流量调节阀的第三工质出口支路相连，相互并联设置的所述第二工质出口支路和所述第三工质出口支路与所述中间换热器的第二换热支路相连，所述第二换热支路与蒸发器的进口相连，流经所述第一换热支路和所述第二换热支路的工作介质进行相互换热。

所述冷凝器和所述闪发器之间设有第二节流装置。

所述蒸发器和所述中间换热器之间设置有第三节流装置。

所述压缩机为补气压缩机，所述经分离的一部分高沸点组份通过所述中间换热器与所述补气压缩机的压缩机吸气口相连通。

所述压缩机为双级压缩机，包括首尾相连的低压级压缩机和高压级压缩机，所述低压级压缩机的压缩机进气口与所述蒸发器的出口相连，所述高压级压缩机的压缩机排气口与所述冷凝器进口相连通，所述经分离的一部分高沸点组份通过所述中间换热器与所述高压级压缩机的进气口相连。

所述闪发器上设置有高沸点组份总出口，所述第一高沸点组份出口和所述第二高沸点组份出口均与所述高沸点组份总出口相连。

一种热泵系统，上述压缩机补气循环机构，以及与所述压缩机补气循环机构对应设置的压缩机、冷凝器和蒸发器。

一种上述热泵系统使用方法，包括：

在热泵系统处于制热条件下，当外界环境温度变低，压缩机的系统运行压比增大时，在低温工况下需要增加的压缩机补气量需要调低第二流量调节阀开度并调高第一流量调节阀开度，同时为了保证闪发器的液位平衡还需要调低第二节流装置开度并调高第一节流装置开度；

在热泵系统处于制热条件下，当外界环境温度增高，压缩机的系统运行压比减小时，在高温工况下需要减小压缩机补气量需要调高第二流量调节阀开度并调低第一流量调节阀开度，同时为了保证闪发器的液位平衡还需要调高第二节流装置开度并调低第一节流装置开度。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的压缩机补气循环机构，通过在热泵系统上设置闪发器和中间换热器，经闪发器分离的一部分高沸点组份通过中间换热器与压缩机相连，对压缩机进行补气；经闪发器分离的低沸点组份和另一部分高沸点组份再次混合后通过中间换热器与蒸发器相连，蒸发器的出口与压缩机的压缩机进气口相连通；并且在中间换热器内，部分高沸点组份与经混合后的高沸点组份和低沸点组份进行换热。上述非共沸工质蒸气压缩补气循环系统，在热泵系统处于制热条件下，通过非共沸工质、补气、自复叠结合应用的方式，增加了系统循环制冷剂流量，有效提升系统制热量；同时，可在非共沸补气系统中使更多低沸点组分进入蒸发器，拓展了蒸发器温度匹配调节范围，更进一步减少系统中不可逆损失，随着系统蒸发压力得到大大提升，功耗也随之减少，从而有效降低了热泵系统的能耗。

2.本发明提供的压缩机补气循环机构，通过第一节流装置控制经第一高沸点组份出口流出的一部分高沸点组份的流量，通过第一流量调节阀控制经低沸点组份出口流出的低沸点组份，并通过第二流量调节阀控制经第二高沸点组份出口流出的另部分高沸点组份的流量，通过上述三个流量调节阀以及相互配合的管路控制流入中间换热器的部分高沸点组份与经混合后的高沸点组份和低沸点组份的流量，从而可以使压缩机补气循环机构可以根据不同的使用条件工况调节进入中间换热器的介质流量，拓宽了该系统的运行范围。

3.本发明提供的压缩机补气循环机构，通过在冷凝器和闪发器之间设置第二节流装置，压缩机的排气流经排气口后进入冷凝器，高温高压气态非共沸工质在冷凝器中冷凝为高温高压液态非共沸工质后，经过第二节流装置，被节流为两相非共沸工质，从而通过闪发器进口进入闪发器，并在闪发器中通过气液相分离，实现高低沸点组分分离，通过上述第二节流装置可以在保证冷凝器制热量的同时，有效地将高温高压液态非共沸工质节流为两相非共沸工质，保证该状态下的非共沸工质进入闪发器可以进行高低沸点组分分离。

4.本发明提供的压缩机补气循环机构，通过在蒸发器和中间换热器之间设置有第三节流装置，经分离的低沸点组份和另一部分高沸点组份再次混合后进入中间换热器，在中间换热器中富含相对低沸点组分的非共沸工质被冷却至液态或两相态进入第三节流装置，被节流为低压两相非共沸工质，从而使上述富含相对低沸点组分的非共沸工质进入蒸发器吸热成为低温低压气态非共沸工质，随之进入压缩机。第三节流装置可以有效的将富含相对低沸点组分的非共沸工质节流为低压两相非共沸工质。

4.本发明提供的压缩机补气循环机构，通过将压缩机设置为补气压缩机，经分离的部分高沸点组份可以直接通过中间换热器与补气压缩机的压缩机吸气口相连通，提高了压缩机补气循环机构的使用便捷性。

5.本发明提供的压缩机补气循环机构，在热泵系统处于制热条件下，当外界环境温度变低，可以通过调低第二流量调节阀开度并调高第一流量调节阀开度的方式增加的压缩机补气量，同时通过调低第二节流装置开度并调高第一节流装置开度的方式保证闪发器的液位平衡；当外界环境温度增高，可以通过调节调高第二流量调节阀开度并调低第一流量调节阀开度的方式减小压缩机补气量，同时通过调高第二节流装置开度并调低第一节流装置开度的方式保证闪发器的液位平衡。该系统调节方便，通过该调解方法可有效保证系统稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的具有压缩机补气循环机构的热泵系统各个组件的连接示意图；

图2为本发明提供的具有双级压缩机的热泵系统各个组件的连接示意图；

图3为本发明提供的冷凝器和闪发器直接相连的热泵系统各个组件的连接示意图；

图4为本发明提供的具有通过高沸点组份总出口分别连接第一高沸点组份出口和第二高沸点组份出口的闪发器的热泵系统各个组件的连接示意图；

图5为现有技术中具有压缩机补气装置的热泵系统各个组件的连接示意图；

1-闪发器；1a-闪发器进口；1b-第一高沸点组份出口；1c-低沸点组份出口；1d-第二高沸点组份出口；1e-高沸点组份总出口；2-中间换热器；3-压缩机；3a-压缩机排气口；3b-压缩机进气口；3c-压缩机吸气口；4-冷凝器；5-蒸发器；6-第一节流装置；7-第一工质出口支路；8-连接端；9-第一流量调节阀；10-第二工质出口支路；11-第二流量调节阀；12-第三工质出口支路；13-第二换热支路；14-第二节流装置；15-第三节流装置；16-低压级压缩机；17-高压级压缩机；101-压缩机；102-冷凝器；103-节流装置；104-闪发罐；105-二级节流装置；106-蒸发器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种具有非共沸工质蒸气压缩补气循环机构的热泵系统，所述热泵系统包括压缩机补气循环机构，以及与所述压缩机补气循环机构对应设置的压缩机3、冷凝器4和蒸发器5，所述压缩机3为具有压缩机排气口3a、压缩机进气口3b和压缩机吸气口3c的补气压缩机；所述压缩机补气循环机构包括：

中间换热器2，包括第一换热支路8和第二换热支路13，流经其二者的介质在所述中间换热器2内进行相互换热；

压缩机3排出的气体流经压缩机排气口3a后进入冷凝器4，高温高压气态非共沸工质在冷凝器4中冷凝为高温高压液态非共沸工质后，经过设置在所述冷凝器4和所述闪发器1之间的第二节流装置14被节流为两相非共沸工质，两相非共沸工质通过闪发器进口1a进入闪发器1，闪发器1通过气液相分离将高低沸点组分分离，富含低沸点组分的工质存在于闪发器1的气相中，富含高沸点组分的工质存在于闪发器1的液相中，所述闪发器1上设有供所述一部分高沸点组份流出的第一高沸点组份出口1b，所述第一高沸点组份出口1b与具有第一节流装置6的第一工质出口支路7相连，所述第一节流装置6将富含高沸点组分的非共沸工质节流为温度、压力更低的两相非共沸工质，再进入所述第一换热支路8；所述闪发器1设有供所述低沸点组份流出的低沸点组份出口1c和供所述另一部分高沸点组份流出的第二高沸点组份出口1d，所述低沸点组份出口1c与具有第一流量调节阀9的第二工质出口支路10相连，所述第二高沸点组份出口1d与具有第二流量调节阀11的第三工质出口支路12相连，相互并联设置的所述第二工质出口支路10和所述第三工质出口支路12合并为一条管路后与所述中间换热器2的第二换热支路13相连，通过第一流量调节阀9，可调节从闪发器富含低沸点组分进入第二换热支路13的流量；通过第二流量调节阀11，可调节从闪发器富含高沸点组分进入第二换热支路13的流量，总体而言富含相对低沸点组分的非共沸工质通过第二换热支路13进入中间换热器2。在所述中间换热器2内，第二换热支路13内的高温的富含相对低沸点组分的非共沸工质与第一换热支路8内低温的富含高沸点组分的非共沸工质进行换热，富含高沸点组分的非共沸工质被加热至气态后，从第一换热支路8流出与压缩机吸气口3c相连，对压缩机3进行补气；富含相对低沸点组分的非共沸工质被冷却至液态或两相态后，从第二换热支路13流出进入位于所述蒸发器5和所述中间换热器2之间的第三节流装置15，被节流为低压两相非共沸工质后，进入蒸发器5，吸热成为低温低压气态非共沸工质，随之通过压缩机进气口3b进入压缩机3，通过压缩内富含相对低沸点组分的非共沸工质与通过补气和压缩的富含高沸点组分的非共沸工质，在压缩机3中混合为原充注浓度的非共沸工质，通过压缩机排气口3a排出。

现有技术中使用非共沸工质的传统蒸气压缩补气系统中，存在以下两个主要问题，限制了其能效水平的进一步提升：1经过闪发罐气液相分离后，富含高沸点组分的液相制冷剂进入蒸发器，蒸发压力大大降低，进而导致压缩机压比增加，等熵效率、容积效率均有所下降，能效降低；2经过闪发罐气液相分离后，系统特征为补气支路富含低沸点组分，进蒸发器支路富含高沸点组分。该系统可根据不同工况调节蒸发器组分浓度以实现蒸发器温度最大程度匹配，但依然无法突破蒸发器支路富含高沸点组分这一桎梏，蒸发器温度匹配程度调节受到限制，不利于全工况下蒸发器温度匹配，因此无法保障系统所有工况下按预期高效运行。

相比较于使用非共沸工质的传统蒸气压缩补气系统，本专利所提出的非共沸工质蒸气压缩补气循环系统可实现富含高沸点组分的工质补气、富含低沸点组分的工质进入蒸发器的功能，可提升系统蒸发压力，并同时拓宽了蒸发器匹配度调节范围，可大大减小功耗，进一步增加系统能效。该功能主要由闪发器和中间换热器配合完成。经过一次节流后，两相非共沸工质进入闪发器，并在闪发器中进行气液相分离，实现高低沸点组分分离，富含低沸点组分的工质存在于气相中，富含高沸点组分的工质存在于液相中。将气相与部分液相工质组合成富含相对低沸点组分的非共沸工质，流入中间换热器，之后将另一部分富含高沸点组分的液相非共沸工质通过节流后，也流入中间换热器，实现这两股流体的换热。经过换热后，富含高沸点组分的非共沸工质被加热至气态补入压缩机中；富含相对低沸点组分的非共沸工质被冷却至液态或两相态，进入蒸发器。至此，即实现了富含高沸点组分的工质补气、富含低沸点组分的工质进入蒸发器的功能。本申请提供的具有非共沸工质蒸气压缩补气循环机构的热泵系统，通过非共沸工质、补气、自复叠结合应用的方式，增加了系统循环制冷剂流量，有效提升系统制热量；同时，可在非共沸补气系统中使更多低沸点组分进入蒸发器，拓展了蒸发器温度匹配调节范围，更进一步较少了系统中不可逆损失，随着系统蒸发压力得到大大提升，功耗也随之减少，从而有效改善了系统能耗。

本实施例中的热泵系统使用方法如下：

在热泵系统处于制热条件下，当外界环境温度变低，压缩机3的系统运行压比增大时，在低温工况下需要增加的压缩机3补气量需要调低第二流量调节阀11开度并调高第一流量调节阀9开度，同时为了保证闪发器1的液位平衡还需要调低第二节流装置14开度并调高第一节流装置6开度；

在热泵系统处于制热条件下，当外界环境温度增高，压缩机3的系统运行压比减小时，在高温工况下需要减小压缩机3补气量需要调高第二流量调节阀11开度并调低第一流量调节阀9开度，同时为了保证闪发器1的液位平衡还需要调高第二节流装置14开度并调低第一节流装置6开度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，如图2所示，所述压缩机3为双级压缩机，包括首尾相连的低压级压缩机16和高压级压缩机17，所述低压级压缩机16的压缩机进气口3b与所述蒸发器5的出口相连，所述高压级压缩机17的压缩机排气口3a与所述冷凝器4进口相连通，所述经分离的一部分高沸点组份通过所述中间换热器2与所述高压级压缩机17的进气口相连。通过将补气压缩机更改为双级压缩机可以让使用人员具有更多选择，用户可以根据实际需要更改压缩机的类型提高了非共沸工质蒸气压缩补气循环机构的适用范围。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，如图3所示，压缩机3排出的气体流经压缩机排气口3a后进入冷凝器4，高温高压气态非共沸工质在冷凝器4中冷凝为高温高压液态非共沸工质后并被转换为两相状态，两相非共沸工质通过闪发器进口1a进入闪发器1，闪发器1通过气液相分离将高低沸点组分分离，富含低沸点组分的工质存在于闪发器1的气相中，富含高沸点组分的工质存在于闪发器1的液相中，所述闪发器1上设有供所述一部分高沸点组份流出的第一高沸点组份出口1b，所述第一高沸点组份出口1b直接通过第一工质出口支路7进入所述第一换热支路8。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，如图4所示，所述闪发器1上设置有高沸点组份总出口1e，所述第一高沸点组份出口1b和所述第二高沸点组份出口1d均与所述高沸点组份总出口1e相连。本方案中闪发器1上只设置有一个高沸点组份总出口，无需设置两个高沸点组份出口分别流向中间换热器两个换热管路，用户可以根据实际情况选择不同型号的闪发器，提高了非共沸工质蒸气压缩补气循环机构的适用范围。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种压缩机补气循环机构，其特征在于，包括闪发器(1)和中间换热器(2)，压缩机(3)的压缩机排气口(3a)通过冷凝器(4)与所述闪发器(1)的闪发器进口(1a)相连通，所述闪发器(1)对进入其内部的介质进行高低沸点组分分离，经分离的一部分高沸点组份通过所述中间换热器(2)与所述压缩机(3)相连，对压缩机进行补气；经分离的低沸点组份和另一部分高沸点组份再次混合后通过所述中间换热器(2)与蒸发器(5)相连，所述蒸发器(5)的出口与所述压缩机(3)的压缩机进气口(3b)相连通；

在所述中间换热器(2)内，所述部分高沸点组份与经混合后的高沸点组份和低沸点组份进行换热。

2.根据权利要求1所述的压缩机补气循环机构，其特征在于，所述闪发器(1)上设有供所述一部分高沸点组份流出的第一高沸点组份出口(1b)，所述第一高沸点组份出口(1b)与具有第一节流装置(6)的第一工质出口支路(7)相连，所述第一工质出口支路(7)与所述中间换热器(2)的第一换热支路(8)相连，所述第一换热支路(8)通过连接管道与所述压缩机(3)相连对其进行补气。

3.根据权利要求2所述的压缩机补气循环机构，其特征在于，所述闪发器(1)设有供所述低沸点组份流出的低沸点组份出口(1c)和供所述另一部分高沸点组份流出的第二高沸点组份出口(1d)，所述低沸点组份出口(1c)与具有第一流量调节阀(9)的第二工质出口支路(10)相连，所述第二高沸点组份出口(1d)与具有第二流量调节阀(11)的第三工质出口支路(12)相连，相互并联设置的所述第二工质出口支路(10)和所述第三工质出口支路(12)与所述中间换热器(2)的第二换热支路(13)相连，所述第二换热支路(13)与蒸发器(5)的进口相连，流经所述第一换热支路(8)和所述第二换热支路(13)的工作介质进行相互换热。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的压缩机补气循环机构，其特征在于，所述冷凝器(4)和所述闪发器(1)之间设有第二节流装置(14)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的压缩机补气循环机构，其特征在于，所述蒸发器(5)和所述中间换热器(2)之间设置有第三节流装置(15)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的压缩机补气循环机构，其特征在于，所述压缩机(3)为补气压缩机，所述经分离的一部分高沸点组份通过所述中间换热器(2)与所述补气压缩机的压缩机吸气口(3c)相连通。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的压缩机补气循环机构，其特征在于，所述压缩机(3)为双级压缩机，包括首尾相连的低压级压缩机(16)和高压级压缩机(17)，所述低压级压缩机(16)的压缩机进气口(3b)与所述蒸发器(5)的出口相连，所述高压级压缩机(17)的压缩机排气口(3a)与所述冷凝器(4)进口相连通，所述经分离的一部分高沸点组份通过所述中间换热器(2)与所述高压级压缩机(17)的进气口相连。

8.根据权利要求3所述的压缩机补气循环机构，其特征在于，所述闪发器(1)上设置有高沸点组份总出口(1e)，所述第一高沸点组份出口(1b)和所述第二高沸点组份出口(1d)均与所述高沸点组份总出口(1e)相连。

9.一种热泵系统，其特征在于：包括权利要求1-8中任一项所述的压缩机补气循环机构，以及与所述压缩机补气循环机构对应设置的压缩机(3)、冷凝器(4)和蒸发器(5)。