CN108759157B - 一次节流双级压缩热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一次节流双级压缩热泵系统，旨在提供一种冬季供暖时采用带低压级压缩机热泵除霜的双级压缩制热循环，夏季供冷时采用单级压缩制冷循环的一次节流双级压缩热泵系统。包括高压级压缩机组、室内换热器、第一节流阀、第二两通阀、第三两通阀、经济器及多个低压级单元；每个低压级单元包括低压级压缩机、四通换向阀、第二节流阀、室外换热器、第一两通阀、第一单向阀、第二单向阀及第三单向阀。通过第一两通阀、第二两通阀和第三两通阀的启闭及四通换向阀的接口变换实现冬季一次节流双级压缩制热/除霜循环、冬季无除霜功能单级压缩制热循环及夏季单级压缩制冷循环。该系统通过逆循环除霜，除霜效率高，温度波动小。

Description

一次节流双级压缩热泵系统
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，更具体的说，是涉及一种季采用热气为室外换热器轮流融霜的一次节流双级压缩制热循环，夏季采用单级压缩制冷循环的一次节流双级压缩热泵系统。
背景技术
空气源热泵是一种以低温热源为基础，利用空气中的低品位热能制取高于环境温度的热水或空气的节能装置。空气源作为低位热源其储量丰富，而且与传统的供热方式相比，空气源热泵既降低能耗，又减少环境污染。推广空气源热泵技术在节能减排、保护环境方面具有广泛的应用价值。空气源热泵的运行受周围环境的温、湿度影响较大，在寒冷地区或极端天气条件下运行时系统的制热效率低与结霜问题制约着其推广范围及发展速度。
传统的热泵系统在冬季供热时一般均采用单级压缩循环或准双级(喷气增焓)热泵循环，这两种热泵系统有以下缺点：一是在为室外换热器除霜方法时改变四通换向阀的连接方式，使工质逆流，室外换热器转换为冷凝器，室内换热器转换为蒸发器，除霜的热量来源于室内与压缩机耗工，因此在除霜时室内温度降低，室内的温度舒适性降低，供热出现间断，不能实现为室内连续供热；二是由于人们生活质量的提高,对居住环境也提出新的要求,比如夏季人们要求供冷,冬季一些用户要求提前供热,一些用户却要求推迟供热,甚至在春秋两季人们对供冷供热也提出了不同程度的要求,但这两种热泵系统供热模式比较单一，在冬季寒冷地区短时间的极低环境温度条件下，均不能实现高效率供热。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种冬季供暖时采用带低压级压缩机热泵除霜的双级压缩制热循环，夏季供冷时采用单级压缩制冷循环的一次节流双级压缩热泵系统。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种一次节流双级压缩热泵系统，包括高压级压缩机组、室内换热器、第一节流阀、第二两通阀、第三两通阀、经济器及多个低压级单元；每个所述低压级单元包括低压级压缩机、四通换向阀、第二节流阀、室外换热器、第一两通阀、第一单向阀、第二单向阀及第三单向阀；所述低压级压缩机的吸气端与所述四通换向阀的第四接口连接，所述低压级压缩机的排气端与所述四通换向阀的第二接口连接，所述四通换向阀的第三接口分别与所述第一单向阀的进口及所述第二单向阀的出口连接，所述四通换向阀的第一接口经所述室外换热器与所述第二节流阀的第一接口连接，所述第二节流阀的第二接口分别与所述第三单向阀的出口和所述第一两通阀的第一接口连接；所述第三单向阀的进口并联在一起并与所述经济器的第一接口连接，所述第一两通阀的第二接口并联在一起后分为两路，一路与所述经济器的第四接口连接，另一路分别与所述室内换热器的第二接口及所述第一节流阀的第一接口连接；所述第一单向阀的出口、所述第二单向阀的进口以及所述高压级压缩机组的吸气端分别并联后连接于所述第二两通阀的第一接口，所述第二两通阀的第二接口与所述经济器的第二接口连接；所述高压级压缩机组的排气端与所述室内换热器的第一接口连接，所述第一节流阀的第二接口与所述经济器的第三接口连接；所述第三两通阀的两端并联连接于所述高压级压缩机组的吸气端与排气端；通过第一两通阀、第二两通阀和第三两通阀的启闭及四通换向阀的接口变换实现冬季一次节流双级压缩制热/除霜循环、冬季无除霜功能单级压缩制热循环及夏季单级压缩制冷循环。
所述高压级压缩机组包括一台或多台高压级压缩机，当采用多台高压级压缩机时，每台所述高压级压缩机的吸气接口并联作为所述高压级压缩机组的吸气端，每台所述高压级压缩机的排气接口并联作为所述高压级压缩机组的排气端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的热泵系统通过阀门的切换可以实现冬季一次节流双级压缩制热/除霜循环、冬季无除霜功能单级压缩制热循环及夏季单级压缩制冷循环。在除霜模式下，实现除霜功能的低压级压缩机转换成高压级压缩机运行，实现除霜功能的低压级单元中的低温压缩机吸收来自实现制热功能的低压级压缩机的中压过热蒸气，实现低压级单元的逆循环融霜，除霜循环与制热循环均是双级压缩循环，进而形成一个动态系统，温度波动小，除霜效率高，节约能源。同时，压缩机能够稳定运行，提高了系统的使用寿命。
2、本发明一次节流双级压缩热泵系统中的室外换热器除霜采用逆循环热泵除霜法，室外换热器可以轮档除霜，实现室外换热除霜时，室内换热器的持续供热，增加了室外换热除霜时室内环境温度的舒适性。
3、本发明一次节流双级压缩热泵系统中的室外换热器除霜采用逆循环热泵除霜法，从霜层内部加热,霜容易从冷却表面脱落,所以实际上除霜的热量比理论值小得多。同时,霜层融化由内到外,在除霜初期没有水蒸气向室外换热器外逸出。只有当霜融化脱落后,肋管上的热才向外辐射,但此时除霜阶段也趋于结束,因此与周围环境的换热量少,其除霜效率比较高。
4、本发明二次节流中间不完全冷却双级压缩热泵系统冬季供热时，当有低压级单元中室外换热器除霜时，除霜低压级单元低温室外换热器除霜的热量来源为中压过热气体，即除霜低压级单元中低压级压缩机直接从制冷低压级单元低压级压缩机排气端吸入过热度较高的中压蒸气，除霜低压级单元低压级压缩机排出的高压工质温度更高，进入除霜低压级单元室外换热器的工质温度更高，除霜效果更好，除霜速度更快。
5、本发明一次节流双级压缩热泵系统在冬季供热时可以依据具体工况，运行双级压缩制热循环与单级压缩制热循环，在运行双级压缩制热循环时又可以通过调节第一节流阀的开度实现一次节流中间完全冷却双级压缩制热循环与一次节流中间不完全冷却双级压缩制热循环。系统简单，切换灵活，适用范围广。
附图说明
图1所示为本发明一次节流双级压缩热泵系统的结构示意图；
图2所示为经济器的接口示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一次节流双级压缩热泵系统的结构示意图如图1所示，包括高压级压缩机组、室内换热器5、第一节流阀4-1、第二两通阀8-2、第三两通阀8-3、经济器3及多个低压级单元。本实施例中，所述高压级压缩机组包括一台或多台高压级压缩机，当采用多台高压级压缩机时，每台所述高压级压缩机的吸气接口并联作为所述高压级压缩机组的吸气端，每台所述高压级压缩机的排气接口并联作为所述高压级压缩机组的排气端。每个低压级单元包括低压级压缩机1-1、四通换向阀2、第二节流阀4-2、室外换热器6、第一两通阀8-1、第一单向阀7-1、第二单向阀7-2及第三单向阀7-3；所述低压级压缩机1-1的吸气端与所述四通换向阀2的第四接口连接，所述低压级压缩机1-1的排气端与所述四通换向阀2的第二接口连接，所述四通换向阀2的第三接口分别与所述第一单向阀7-1的进口及所述第二单向阀7-2的出口连接，所述四通换向阀2的第一接口经所述室外换热器6与所述第二节流阀4-2的第一接口连接，所述第二节流阀4-2的第二接口分别与所述第三单向阀7-3的出口和所述第一两通阀8-1的第一接口连接；所述第三单向阀7-3的进口并联在一起并与所述经济器3的第一接口3-1连接，所述第一两通阀8-1的第二接口并联在一起后分为两路，一路与所述经济器3的第四接口3-4连接，另一路分别与所述室内换热器5的第二接口及所述第一节流阀4-1的第一接口连接；所述第一单向阀7-1的出口、所述第二单向阀7-2的进口以及所述高压级压缩机组的吸气端分别并联后连接于所述第二两通阀8-2的第一接口，所述第二两通阀8-2的第二接口与所述经济器3的第二接口3-2连接；所述高压级压缩机组的排气端与所述室内换热器5的第一接口连接，所述第一节流阀4-1的第二接口与所述经济器3的第三接口3-3连接；所述第三两通阀8-3的两端并联连接于所述高压级压缩机组的吸气端与排气端。通过第一两通阀8-1、第二两通阀8-2和第三两通阀8-3的启闭及四通换向阀2的接口变换实现冬季室外环境温度极低条件下制热循环、冬季一次节流双级压缩制热/除霜循环、冬季无除霜功能单级压缩制热循环/及夏季单级压缩制冷循环。具体运行过程如下：
在冬季供热时，本发明的热泵系统以一次节流双级压缩制热循环运行。其中所述低压级单元可用于制热循环或除霜循环，用于制热循环时工作在双级压缩的低压级系统中，即该低压级单元中的室外换热器从室外环境吸收热量，定义为制热低压级单元。用于除霜循环时工作在双级压缩的高压级系统中，即该低压级单元中的室外换热器除霜，定义为除霜低压级单元。在夏季供冷时，本发明的热泵系统以单级压缩制冷循环运行，其中所述低压级单元用于制冷循环，即低压级单元中的室外换热器向室外环境散发热量，定义为制冷低压级单元。
在冬季供热时，本发明的热泵系统以一次节流双级压缩制热循环运行。当低压级单元中室外换热器都不需要除霜时，所有低压级单元用于制热循环，即所有低压级单元为制热低压级单元。所述第一两通阀8-1关闭，所述第二两通阀8-2打开，所述第三两通阀8-3关闭。制热低压级单元中所述四通换向阀2的第一接口与第四接口连接、第二接口与第三接口连接。一次节流双级压缩制热循环热力过程如下：制冷低压级单元中低压级压缩机1-1经所述四通换向阀2从所述室外换热器6中吸入低压蒸气，低压蒸气经所述四通换向阀2及第一单向阀7-1与从所述经济器3的第二接口3-2经所述第二两通阀8-2流出的中压工质混合；混合后的中压工质被所述高压级压缩机组吸入；蒸气经所述高压级压缩机组中高压级压缩机1-2压缩升压变为高压过热蒸气后被排入所述室内换热器5中冷凝，向室内转移热量，产生制热现象。从所述室内换热器5中出来的液体分两部分，一部分经所述第一节流阀4-1节流降压由所述经济器3的第三接口3-3进入所述经济器3蒸发，另一部分高压液体由所述经济器3的第四接口3-4进入所述经济器3过冷，从所述经济器3的第一接口3-1出来的被过冷完的液体经所述第三单向阀7-3及第二节流阀4-2节流降压变为低压湿蒸气进入所述室外换热器6中蒸发，吸收室外环境的热量，从所述室外换热器6中出来的低压蒸气经所述四通换向阀2回到所述低压级压缩机1-1吸气端，完成一次节流双级压缩制热循环。
当有低压级单元中的室外换热器需要除霜时，对应的低压级单元为除霜低压级单元，其余的低压级单元为制热低压级单元。所述第二两通阀8-2关闭，所述第三两通阀8-3关闭。除霜低压级单元中的所述四通换向阀2第一接口与第二接口连接、第三接口与第四接口连接，所述第一两通阀8-1打开。制热低压级单元中的所述四通换向阀2第一接口与第四接口连接、第二接口与第三接口连接，所述第一两通阀8-1关闭。在上述一次节流双级压缩制热循环热力过程基础上，除霜低压级单元中所述室外换热器6的除霜热力过程如下：除霜低压级单元中所述低压级压缩机1-1经所述四通换向阀2及第二单向阀7-2从制热低压级单元所述低压级压缩机1-1的排气端吸入过热度较大的中压蒸气，蒸气经所述低压级压缩机1-1压缩升压后变为高压过热蒸气被排入所述低温室外换热器6中冷凝，加热所述室外换热器6，产生所述室外换热器6的融霜现象，被冷凝成的高压液体工质经所述第二节流阀4-2节流降压变为中压湿蒸气，湿蒸气经所述第一两通阀8-1及经济器3的第四接口3-4进入所述经济器3，完成采用低压级压缩机排出的高温热气融霜的一次节流双级压缩制热循环。当有低压级单元中所述室外换热器6需要除霜时，为加大除霜效率，所述高压级压缩机1-2可以全部停机，使更大流量的中压工质流向除霜低压级单元，实现多个所述室外换热器6同时除霜，所述高压级压缩机1-2可以部分停机，实现多个室外换热器6除霜轮档除霜，保证所述室内换热器5持续供热。一个除霜低压级单元中所述室外换热器6除霜结束后立即转换为制热低压级单元，为其它低压级单元所述室外换热器6除霜。
在冬季供热时，本发明的热泵系统以无除霜功能单级压缩制热循环运行，所有低压级单元用于制热循环。所述高压级压缩机1-2停机，所述第二两通阀8-2关闭，所述第三两通阀8-3打开，所述制冷低压级单元中四通换向阀2的第一接口与第四接口连接、第二接口与第三接口连接，所述第一两通阀8-1关闭。制热低压级单元中所述低压级压缩机1-1经所述四通换向阀2从所述室外换热器6中吸入低压蒸气，低压蒸气经所述制冷低压级压缩机1-1压缩升压变为高压蒸气经所述四通换向阀2、第一单向阀7-1及第三两通阀8-3被排入所述室内换热器5中冷凝，向室内转移热量，产生制热现象；从所述室内换热器5出来的高压液体经所述经济器3的第四接口3-4、所述经济器3的第一接口3-1及第三单向阀7-3进入所述第二节流阀4-2节流降压变为低压湿蒸气进入所述室外换热器6蒸发，吸收室外环境热量；从室外换热器6中出来的低压蒸气经所述四通换向阀2回到制热低压级单元中的所述低压级压缩机1-1的吸气端，完成无除霜功能单级压缩制热循环。
在夏季供冷时，本发明的热泵系统以单级压缩制冷循环运行，所有低压级单元用于制冷循环。所述高压级压缩机1-2停机，所述第二两通阀8-2关闭，所述第三两通阀8-3打开，所述制冷低压级单元中四通换向阀2的第一接口与第二接口连接、第三接口与第四接口连接，所述第一两通阀8-1打开。制冷低压级单元中的所述低压级压缩机1-1经所述第三两通阀8-3、第二单向阀7-2、四通换向阀2从所述室内换热器5中吸入低压蒸气，蒸气经所述制冷低压级压缩机1-1压缩升压变为高压蒸气经所述四通换向阀2被排入所述室外换热器6中冷凝，向室外转移热量；从所述室外换热器6出来的高压液体经所述第二节流阀4-2节流降压变为低压湿蒸气进入所述室内换热器5蒸发，吸收室内环境热量，产生制冷现象；从室内换热器5中出来的低压蒸气经所述第三两通阀8-3、第二单向阀7-2、四通换向阀2回到制冷单元中所述低压级压缩机1-1的吸气端，完成单级压缩制冷循环。
本发明的热泵系统冬季供热时由于为除霜低压级单元室外换热器6除霜的热量来自制热低压级单元室外换热器6，低压级单元个数多个。高压级机组中的高压级压缩机数量不限。在除霜过程中，高压级压缩机是否停机或部分停机取决于高低压级机头配比、具体工况、除霜质量等，除霜时，高低压级运行配比种类更多。
所述低压级压缩机和高压级压缩机可以选用为涡旋压缩机、转子压缩机、螺杆压缩机和活塞压缩机中的任一种。
所述经济器为板式换热器、套管式换热器或壳管式换热器。
所述第一节流阀和第二节流阀为电子膨胀阀、热力膨胀阀、毛细管或孔板节流装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种一次节流双级压缩热泵系统，其特征在于，包括高压级压缩机组、室内换热器、第一节流阀、第二两通阀、第三两通阀、经济器及多个低压级单元； 每个所述低压级单元包括低压级压缩机、四通换向阀、第二节流阀、室外换热器、第一两通阀、第一单向阀、第二单向阀及第三单向阀；所述低压级压缩机的吸气端与所述四通换向阀的第四接口连接，所述低压级压缩机的排气端与所述四通换向阀的第二接口连接，所述四通换向阀的第三接口分别与所述第一单向阀的进口及所述第二单向阀的出口连接，所述四通换向阀的第一接口经所述室外换热器与所述第二节流阀的第一接口连接，所述第二节流阀的第二接口分别与所述第三单向阀的出口和所述第一两通阀的第一接口连接；所述第三单向阀的进口并联在一起并与所述经济器的第一接口连接，所述第一两通阀的第二接口并联在一起后分为两路，一路与所述经济器的第四接口连接，另一路分别与所述室内换热器的第二接口及所述第一节流阀的第一接口连接；所述第一单向阀的出口、所述第二单向阀的进口以及所述高压级压缩机组的吸气端分别并联后连接于所述第二两通阀的第一接口，所述第二两通阀的第二接口与所述经济器的第二接口连接；所述高压级压缩机组的排气端与所述室内换热器的第一接口连接，所述第一节流阀的第二接口与所述经济器的第三接口连接；所述第三两通阀的两端并联连接于所述高压级压缩机组的吸气端与排气端；通过第一两通阀、第二两通阀和第三两通阀的启闭及四通换向阀的接口变换实现冬季一次节流双级压缩制热/除霜循环、冬季无除霜功能单级压缩制热循环及夏季单级压缩制冷循环；冬季一次节流双级压缩制热循环时，所述第一两通阀关闭，所述第二两通阀打开，所述第三两通阀关闭；制热低压级单元中所述四通换向阀的第一接口与第四接口连接、第二接口与第三接口连接；冬季一次节流双级压缩除霜循环时，所述第二两通阀关闭，所述第三两通阀关闭；除霜低压级单元中的所述四通换向阀第一接口与第二接口连接、第三接口与第四接口连接，所述第一两通阀打开；制热低压级单元中的所述四通换向阀第一接口与第四接口连接、第二接口与第三接口连接，所述第一两通阀关闭；冬季无除霜功能单级压缩制热循环时，高压级压缩机停机，所述第二两通阀关闭，所述第三两通阀打开，制冷低压级单元中四通换向阀的第一接口与第四接口连接、第二接口与第三接口连接，所述第一两通阀关闭；夏季单级压缩制冷循环时，高压级压缩机停机，所述第二两通阀关闭，所述第三两通阀打开，制冷低压级单元中四通换向阀的第一接口与第二接口连接、第三接口与第四接口连接，所述第一两通阀打开。
2.根据权利要求1所述的一次节流双级压缩热泵系统，其特征在于，所述高压级压缩机组包括一台或多台高压级压缩机，当采用多台高压级压缩机时，每台所述高压级压缩机的吸气接口并联作为所述高压级压缩机组的吸气端，每台所述高压级压缩机的排气接口并联作为所述高压级压缩机组的排气端。
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