CN108571835A - 带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置及其回油方法 - Google Patents

带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置及其回油方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及地源热泵技术领域，公开了一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置及其回油方法，该系统回油装置包括压缩机、油分离器、冷凝器/气体冷却器、中间换热器、第一喷射器、气液分离器、第一电磁阀、第二喷射器、第二电磁阀、节流阀、井下换热器、回油管、油位传感器和控制器。本发明将喷射器应用于直膨式地源热泵系统，在回油工况下中间换热器出口的高压制冷剂工质通过第二喷射器引射收集于回油管的U型弯头中的液态润滑油，在不增加外部输入功的情况下，使得润滑油顺利返回压缩机，其不但能解决直膨式地源热泵系统在供热工况下的压缩机回油问题，还可降低节流损失，节省压缩机输入功，且适用于所有制冷剂工质。

Description

带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置及其回油方法
技术领域
本发明涉及地源热泵技术领域，更具体的说，是涉及一种直膨式地源热泵系统的回油装置及其回油方法。
背景技术
在我国北方地区，冬季城镇采暖能耗占全国城镇建筑能耗的40％，是建筑能耗的主要组成部分。在采暖方式上，主要采用集中供热和热电联产，两者所用燃料主要为燃煤。而以燃煤为主的供暖方式不仅消耗了大量的煤资源，还造成了严重的环境污染。因此，开发清洁的、高效的、节能的可再生能源供暖技术尤为重要。而作为一种新型的地质体跨季节储能用能技术，直膨式地源热泵技术兼具清洁、高效和节能等诸多优点。
直膨式地源热泵系统是将铜管环路直接埋于地下土壤中，流动于其中的制冷剂工质直接与土壤或地下水换热。在供热工况下，埋于土壤中的铜管(也称井下换热器，一般为U型管)可作为热泵系统的蒸发器，制冷剂工质直接在井下换热器中蒸发吸热。由于井下换热器中存在相变过程，因此换热系数大大提高，这也使得系统效率得以提升。但是在冬季供暖工况下，系统运行过程中压缩机的润滑油会随液态制冷剂工质一起进入井下换热器中，液态制冷剂工质吸收土壤或地下水的热量转变为气态，而润滑油仍保持液态。由于液态润滑油密度远大于气态制冷剂密度，因此在重力作用下井下换热器上升立管中制冷剂蒸气很难携带润滑油上升，尤其是当上升立管中的制冷剂蒸气流速较小时，这就导致大部分润滑油滞留于井下换热器U型弯的底部。润滑油的存在不仅增加了流动阻力，还削弱了地下换热过程。同时，随着系统的不断运行，滞留于井下换热器底部的润滑油越来越多，而压缩机内的润滑油越来越少，造成压缩机回油困难、耗功增大，最终导致系统不能正常运行，压缩机极易损坏。
针对直膨式地源热泵系统中的压缩机回油困难问题，现阶段主要的解决方法有：
1)在井下换热器的上升立管上每隔一定距离设置一个回油弯，利用回油弯中制冷剂工质较大的流速促进润滑油回流。但当系统在低负荷状态下连续运行时，井下换热器中制冷剂流速较低，压缩机回油问题依旧无法得到解决。此外，当直膨式地源热泵系统中井下换热器的立管长度达到上百米时，多个回油弯的设置必定给井下换热器的制造工艺带来不便；
2)在压缩机出口设置油分离器，减少进入井下换热器中润滑油的量，但该方法只能延缓润滑油在井下换热器底部聚集的速度，无法从根本上解决回油问题。再者，当制冷剂工质为二氧化碳时，在压缩机出口二氧化碳一般为超临界流体，在该状态下，二氧化碳与润滑油的相溶性较好，油分离器的作用不明显；
3)将压缩机出口节流后的高压制冷剂引入井下换热器，利用压差将滞留于井下换热器底部的润滑油冲回压缩机。该方法有一定的可行性，但节流损失较大，系统效率不高，尤其不适用于二氧化碳直膨式地源热泵系统。
由此可见，上述现有的直膨式地源热泵系统的回油装置在结构、方法和使用条件上仍存有缺陷与限制，因此研发一种新型的直膨式地源热泵系统的回油装置及其回油方法，使其不但能解决直膨式地源热泵系统在供热工况下的压缩机回油问题，还可降低节流损失，节省压缩机输入功，且不受制冷剂种类限制，已成为当前直膨式地源热泵领域的首要任务。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷与限制，本发明提供一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置及其回油方法，其不但能解决直膨式地源热泵系统在供热工况下的压缩机回油问题，还可降低节流损失，节省压缩机输入功，且适用于所有制冷剂工质。
为了解决上述技术问题，本发明具体通过以下的技术方案予以实现：
一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，包括压缩机(1)、油分离器(2)、冷凝器/气体冷却器(3)、中间换热器(4)、第一喷射器(5)、气液分离器(6)、第一电磁阀(7)、第二喷射器(8)、第二电磁阀(9)、节流阀(10)、井下换热器(11)、回油管(12)、油位传感器(13)、控制器(14)、低温载冷剂工质排出口(101)和高温载冷剂工质流入口(102)；
所述压缩机(1)的出口与所述油分离器(2)的入口连接，所述油分离器(2)的出口与所述冷凝器/气体冷却器(3)的制冷剂工质侧入口连接，所述冷凝器/气体冷却器(3)的制冷剂工质侧出口与所述中间换热器(4)的高压工质侧入口连接，所述中间换热器(4)的高压工质侧出口与所述第一喷射器(5)的工作流体入口以及所述第一电磁阀(7)的入口连接，所述第一喷射器(5)的出口与所述气液分离器(6)的入口连接，所述气液分离器(6)的气体出口与所述中间换热器(4)的低压工质侧入口连接，所述中间换热器(4)的低压工质侧出口与所述压缩机(1)的入口连接；所述第一电磁阀(7)的出口与所述第二喷射器(8)的工作流体入口连接，所述第二喷射器(8)的出口与所述第二电磁阀(9)的入口连接，所述第二电磁阀(9)的出口与所述中间换热器(4)的低压工质侧入口连接；所述气液分离器(6)的液体出口与所述节流阀(10)的入口连接，所述节流阀(10)的出口与所述井下换热器(11)的入口连接，所述井下换热器(11)的出口与所述第一喷射器(5)的引射流体入口连接；所述回油管(12)的入口与所述井下换热器(11)的底部连接，所述回油管(12)的出口与所述第二喷射器(8)的引射流体入口连接；所述低温载冷剂工质排出口(101)与所述冷凝器/气体冷却器(3)的载冷剂工质侧入口连接，所述冷凝器/气体冷却器(3)的载冷剂工质侧出口与所述高温载冷剂工质流入口(102)连接；
所述油位传感器(13)用于测定所述压缩机(1)的油位，并将其测定的油位信号传递给所述控制器(14)，所述控制器(14)判断所述油位传感器(13)反馈的油位是否在所述压缩机(1)的正常油位范围内，并根据判断结果控制所述第一电磁阀(7)和所述第二电磁阀(9)的通断。
优选地，所述井下换热器(11)和所述回油管(12)均为U型结构，所述回油管(12)的入口与所述井下换热器(11)的U型弯头最低处连接。
优选地，所述井下换热器(11)和所述回油管(12)均垂直地埋于土壤中。
优选地，所述回油管(12)的直径小于所述井下换热器(11)的直径，使得所述回油管(12)在该直径下的管内流速在8—12m/s范围内。
优选地，所述第一喷射器(5)的出口背压设计值等于所述第二喷射器(8)的出口背压设计值。
优选地，所述压缩机(1)的正常油位范围为1/3—2/3满油位。
优选地，所述带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置适用于以现有所有制冷剂为工质的直膨式地源热泵系统中。
更为优选地，所述带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置适用于二氧化碳直膨式地源热泵系统。
上述带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置的回油方法，供热工况下，无法被制冷剂蒸气夹带而返回至所述压缩机(1)的润滑油在重力作用下逐渐积聚于所述回油管(12)的U型弯头中；随着系统的运行，积聚于所述回油管(12)底部的润滑油增多，而所述压缩机(1)中的润滑油减少，当所述油位传感器(13)测定到所述压缩机(1)的油位降低至满油位的1/3时，所述控制器(14)判定该油位为所述压缩机(1)的最低油位，所述控制器(14)开启所述第一电磁阀(7)和所述第二电磁阀(9)，系统进入回油工况，收集于所述回油管(12)的U型弯头中的润滑油在所述第二喷射器(8)的引射作用下返回至所述压缩机(1)；回油工况下，所述压缩机(1)的油位逐渐上升，当所述油位传感器(13)测定到所述压缩机(1)的油位到达满油位的2/3时，所述控制器(14)关闭所述第一电磁阀(7)和所述第二电磁阀(9)，所述第二喷射器(8)停止工作，回油工况结束。
本发明的有益效果是：
(一)本发明针对现有回油装置的缺陷与不足，在系统中设置喷射器，利用喷射原理，在不增加外部输入功的情况下解决压缩机回油问题，保证系统在供热工况下正常持续运行；
(二)本发明将井下换热器与回油管垂直地埋于土壤中，并将回油管的入口与井下换热器U型弯头的最低处连接，如此可利用回油管的U型弯作为润滑油的收集器，减少积聚于井下换热器底部的润滑油量，从而提高井下换热器的换热效率；
(三)本发明将回油管设置为较细的U型管，可提高回油管内的流速，从而促进回油；
(四)本发明利用喷射器回收制冷剂工质膨胀过程的部分动能，同时节省压缩机输入功，降低节流损失，使得系统效率得以提升；
(五)本发明适用于以现有所有制冷剂为工质的直膨式地源热泵系统中，尤其适用于二氧化碳直膨式地源热泵系统；
(六)本发明通过中间换热器利用冷凝器/气体冷却器出口的制冷剂余热加热压缩机进口处的制冷剂，保证制冷剂的过热度，从而避免制冷剂液滴进入压缩机而发生液击现象。
附图说明
图1是本发明的带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置的结构示意图；
图2是本发明的带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置在供热工况下的原理图；
其中：箭头表示工质流动方向。
上述图中：1，压缩机；2，油分离器；3，冷凝器/气体冷却器；4，中间换热器；5，第一喷射器；6，气液分离器；7，第一电磁阀；8，第二喷射器；9，第二电磁阀；10，节流阀；11，井下换热器；12，回油管；13，油位传感器；14，控制器；101，低温载冷剂工质排出口；102，高温载冷剂工质流入口。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1所示，本实施例公开了一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，包括压缩机1、油分离器2、冷凝器/气体冷却器3、中间换热器4、第一喷射器5、气液分离器6、第一电磁阀7、第二喷射器8、第二电磁阀9、节流阀10、井下换热器11、回油管12、油位传感器13、控制器14、低温载冷剂工质排出口101、高温载冷剂工质流入口102。
其中，井下换热器11和回油管12埋于地下土壤中，其余部件均位于地面以上。
其中，冷凝器/气体冷却器3是以一侧管路中的流体加热另一侧管路中的流体，本方案中将冷凝器/气体冷却器3的两侧分别称之为制冷剂工质侧和载冷剂工质侧。
其中，中间换热器4是以一侧管路中的制冷剂工质加热另一侧管路中的制冷剂工质，本方案中将中间换热器4的两侧分别称之为高压工质侧和低压工质侧。
其中，第一喷射器5和第二喷射器8都是以高压的工作流体引射低压的引射流体，并在喷射器出口混合成压力居中的流体，本方案中将喷射器的高压流体入口和低压流体入口分别称之为工作流体入口和引射流体入口。
压缩机1的出口与油分离器2的入口连接，油分离器2的出口与冷凝器/气体冷却器3的制冷剂工质侧入口连接，冷凝器/气体冷却器3的制冷剂工质侧出口与中间换热器4的高压工质侧入口连接，中间换热器4的高压工质侧出口与第一喷射器5的工作流体入口以及第一电磁阀7的入口连接，第一喷射器5的出口与气液分离器6的入口连接，气液分离器6的气体出口与中间换热器4的低压工质侧入口连接，中间换热器4的低压工质侧出口与压缩机1的入口连接。第一电磁阀7的出口与第二喷射器8的工作流体入口连接，第二喷射器8的出口与第二电磁阀9的入口连接，第二电磁阀9的出口与中间换热器4的低压工质侧入口连接。气液分离器6的液体出口与节流阀10的入口连接，节流阀10的出口与井下换热器11的入口连接，井下换热器11的出口与第一喷射器5的引射流体入口连接。回油管12的入口与井下换热器11的底部连接，回油管12的出口与第二喷射器8的引射流体入口连接。低温载冷剂工质排出口101与冷凝器/气体冷却器3的载冷剂工质侧入口连接，冷凝器/气体冷却器3的载冷剂工质侧出口与高温载冷剂工质流入口102连接。
油位传感器13用于测定压缩机1的油位，并将其测定的油位信号传递给控制器14，控制器14判断该油位传感器13反馈的油位是否在该压缩机1设置的正常油位范围(1/3—2/3满油位)内，并根据判断结果控制第一电磁阀7和第二电磁阀9的通断，以实现回油工况的启停。
井下换热器11和回油管12均设置为U型结构，且均垂直埋于土壤中。回油管12的入口与井下换热器11的U型弯头最低处连接，如此可将回油管12的U型弯作为润滑油收集器，减少积聚于井下换热器底部的润滑油量。回油管12的U型弯头最低处低于井下换热器11的U型弯头最低处，并且回油管12的U型弯头最低处与井下换热器11的U型弯头最低处具有一定的高度差，该高度差设计为井下换热器11两根立管管间距的1—1.5倍，这样既能保证一定的润滑油收集量，又能保证回油管12不至于过长而影响井下换热器11的安装深度。
回油管12的直径小于井下换热器11的直径以提高回油管12管内流速，从而促进回油。在选取回油管12的直径时，以回油管12内流速为8—12m/s为设计流速进行回油管12直径的设计计算。
运用气体动力学法进行第一喷射器5和第二喷射器8的设计计算，其中第一喷射器5的出口背压设计值等于第二喷射器8的出口背压设计值，以避免回油工况下从第二电磁阀9的出口流出的流体与从气液分离器6的气体出口流出的制冷剂蒸气发生相互逆流。
本发明还提供了上述带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置的回油方法，供热工况下，无法被制冷剂蒸气夹带而返回至压缩机1的润滑油在重力作用下逐渐积聚于回油管12的U型弯头中。随着系统的运行，积聚于回油管12底部的润滑油越来越多，而压缩机1中的润滑油越来越少，当油位传感器13测定到压缩机1的油位降低至满油位的1/3时，控制器14判定该油位为压缩机1的最低油位，控制器14开启第一电磁阀7和第二电磁阀9，系统进入回油工况，收集于回油管12的U型弯头中的润滑油在第二喷射器8的引射作用下返回至压缩机。回油工况下，压缩机1的油位逐渐上升，当油位传感器13测定到压缩机1的油位到达满油位的2/3时，控制器14关闭第一电磁阀7和第二电磁阀9，第二喷射器8停止工作，回油工况结束。
如图2所示，本发明所提供的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置的工作原理如下：
油位传感器13始终监测压缩机1的油位，并将所测得的油位信号传递给控制器14。在无需回油的供热工况下，控制器14控制第一电磁阀7和第二电磁阀9断开。
压缩机1出口的高温高压制冷剂进入油分离器2分离出部分润滑油，经油分离器2后润滑油含量降低的高温高压制冷剂进入冷凝器/气体冷却器3的制冷剂工质侧，在低温载冷剂工质作用下冷凝/冷却，温度降低，被冷凝/冷却的高压制冷剂进入中间换热器4的高压工质侧释放余热加热低压工质侧的制冷剂，降温后从中间换热器4流出的高压制冷剂流入第一喷射器5引射来自井下换热器11中的低压制冷剂蒸气，两股压力不同的制冷剂在第一喷射器5中混合成压力居中的流体流出第一喷射器5，经气液分离器6后完成气液分离。从气液分离器6的气体出口流出的制冷剂蒸气流入中间换热器4的低压工质侧，被加热成过热蒸气后流回至压缩机1。从气液分离器6的液体出口流出的液态制冷剂经节流阀10降温降压后流入井下换热器11，在井下换热器11中吸收土壤或地下水的热量后变成制冷剂蒸气，该低压制冷剂蒸气在第一喷射器5的引射作用下被抽吸回第一喷射器5中。
在以上所述工况下，压缩机润滑油随着制冷剂工质的循环流动不断进入到井下换热器11中，滞留于井下换热器11中的润滑油在重力作用下流入回油管12底部的U型弯头中。随着系统的连续运行，压缩机1中的油位不断降低，积聚于回油管12底部的润滑油不断增加。当油位传感器13测定到压缩机1的油位降低至满油位的1/3时，控制器14判定该油位为压缩机1的最低油位，此时控制器14开启第一电磁阀7和第二电磁阀9，系统进入回油工况。从中间换热器4流出的部分高压制冷剂经第一电磁阀7进入第二喷射器8引射收集于回油管12的U型弯头中的润滑油，润滑油和高压制冷剂在第二喷射器8中混合后流出第二喷射器8，再经第二电磁阀9流入中间换热器4的低压工质侧，在中间换热器4中被加热成过热蒸气的制冷剂与润滑油一同返回至压缩机1，如此实现压缩机回油。回油工况下，压缩机1的油位逐渐上升，当油位传感器13测定到压缩机1的油位到达满油位的2/3时，控制器14关闭第一电磁阀7和第二电磁阀9，第二喷射器8停止工作，回油工况结束。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，包括压缩机(1)、油分离器(2)、冷凝器/气体冷却器(3)、中间换热器(4)、第一喷射器(5)、气液分离器(6)、第一电磁阀(7)、第二喷射器(8)、第二电磁阀(9)、节流阀(10)、井下换热器(11)、回油管(12)、油位传感器(13)、控制器(14)、低温载冷剂工质排出口(101)和高温载冷剂工质流入口(102)；
所述压缩机(1)的出口与所述油分离器(2)的入口连接，所述油分离器(2)的出口与所述冷凝器/气体冷却器(3)的制冷剂工质侧入口连接，所述冷凝器/气体冷却器(3)的制冷剂工质侧出口与所述中间换热器(4)的高压工质侧入口连接，所述中间换热器(4)的高压工质侧出口与所述第一喷射器(5)的工作流体入口以及所述第一电磁阀(7)的入口连接，所述第一喷射器(5)的出口与所述气液分离器(6)的入口连接，所述气液分离器(6)的气体出口与所述中间换热器(4)的低压工质侧入口连接，所述中间换热器(4)的低压工质侧出口与所述压缩机(1)的入口连接；所述第一电磁阀(7)的出口与所述第二喷射器(8)的工作流体入口连接，所述第二喷射器(8)的出口与所述第二电磁阀(9)的入口连接，所述第二电磁阀(9)的出口与所述中间换热器(4)的低压工质侧入口连接；所述气液分离器(6)的液体出口与所述节流阀(10)的入口连接，所述节流阀(10)的出口与所述井下换热器(11)的入口连接，所述井下换热器(11)的出口与所述第一喷射器(5)的引射流体入口连接；所述回油管(12)的入口与所述井下换热器(11)的底部连接，所述回油管(12)的出口与所述第二喷射器(8)的引射流体入口连接；所述低温载冷剂工质排出口(101)与所述冷凝器/气体冷却器(3)的载冷剂工质侧入口连接，所述冷凝器/气体冷却器(3)的载冷剂工质侧出口与所述高温载冷剂工质流入口(102)连接；
所述油位传感器(13)用于测定所述压缩机(1)的油位，并将其测定的油位信号传递给所述控制器(14)，所述控制器(14)判断所述油位传感器(13)反馈的油位是否在所述压缩机(1)的正常油位范围内，并根据判断结果控制所述第一电磁阀(7)和所述第二电磁阀(9)的通断。
2.根据权利要求1所述的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，所述井下换热器(11)和所述回油管(12)均为U型结构，所述回油管(12)的入口与所述井下换热器(11)的U型弯头最低处连接。
3.根据权利要求1所述的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，所述井下换热器(11)和所述回油管(12)均垂直地埋于土壤中。
4.根据权利要求1所述的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，所述回油管(12)的直径小于所述井下换热器(11)的直径，使得所述回油管(12)在该直径下的管内流速在8—12m/s范围内。
5.根据权利要求1所述的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，所述第一喷射器(5)的出口背压设计值等于所述第二喷射器(8)的出口背压设计值。
6.根据权利要求1所述的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，所述压缩机(1)的正常油位范围为1/3—2/3满油位。
7.根据权利要求1所述的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，所述带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置适用于以现有所有制冷剂为工质的直膨式地源热泵系统中。
8.根据权利要求7所述的一种带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置，其特征在于，所述带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置适用于二氧化碳直膨式地源热泵系统。
9.根据权利要求1-8中任一项所述带双喷射器的直膨式地源热泵系统回油装置的回油方法，其特征在于，供热工况下，无法被制冷剂蒸气夹带而返回至所述压缩机(1)的润滑油在重力作用下逐渐积聚于所述回油管(12)的U型弯头中；随着系统的运行，积聚于所述回油管(12)底部的润滑油增多，而所述压缩机(1)中的润滑油减少，当所述油位传感器(13)测定到所述压缩机(1)的油位降低至满油位的1/3时，所述控制器(14)判定该油位为所述压缩机(1)的最低油位，所述控制器(14)开启所述第一电磁阀(7)和所述第二电磁阀(9)，系统进入回油工况，收集于所述回油管(12)的U型弯头中的润滑油在所述第二喷射器(8)的引射作用下返回至所述压缩机(1)；回油工况下，所述压缩机(1)的油位逐渐上升，当所述油位传感器(13)测定到所述压缩机(1)的油位到达满油位的2/3时，所述控制器(14)关闭所述第一电磁阀(7)和所述第二电磁阀(9)，所述第二喷射器(8)停止工作，回油工况结束。
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