CN109028628A - 一种二氧化碳热泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳热泵装置，包括依次连接在主制热循环管路上的压缩机、气体冷却器、油换热器、第一过滤器、节流装置、蒸发器、气液分离器，该CO2热泵装置还包括融冰循环管路以及连接在融冰循环管路上的压缩机、第三过滤器、第二电磁阀、蒸发器、气液分离器，当蒸发器底部结冰时，打开第二电磁阀，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第三过滤器以及第二电磁阀，进入蒸发器内下部的独立管路，将蒸发器底部的冰层融化，然后产生的热CO2蒸气经过气液分离器回到压缩机回气口，形成CO2热泵装置的融冰循环。本发明的CO2热泵装置在低环境温度下运行，可以实现快速融冰，使系统制热运行稳定。

Description

一种二氧化碳热泵装置
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体涉及CO2热泵装置。
背景技术
CO2热泵技术是以天然CO2作为循环工质，采用跨临界循环方式，在超临界工况下进行放热，放热是一个较大温度滑移的变温过程，与所需的变温热源非常匹配，是一种特殊的洛伦茨(Lorenz)循环。
CO2热泵在低温环境地区应用时，都会存在结霜的情况，特别是在极寒地区，由于气温低，蒸发器化霜后的水未能及时流走，化霜结束后会在蒸发器的底部迅速结冰，冰层会影响热泵系统的制热能力。现有技术有提出过从气体冷却器出口引入过冷段走蒸发器底部，来防结冰，但在低温环境下一般进口水温度就比较低，CO2在气体冷却器内换热有很大的温度滑移，使得气体冷却器出口CO2制冷剂与进水的温度接近或稍高，不像氟制冷剂有较高的出口冷凝温度，出口CO2制冷剂与进口水进行热交换后，气体冷却器出口CO2制冷剂与冰层的温差实际较小，融冰效果一般。
发明内容
本发明针对CO2热泵装置在低温环境地区应用时，蒸发器的底部结冰的问题，提供一种可以快速融冰的二氧化碳热泵装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种二氧化碳热泵装置，包括依次连接在主制热循环管路上的压缩机、气体冷却器、油换热器、第一过滤器、节流装置、蒸发器、气液分离器，CO2制冷剂被压缩机压缩成高温高压的气体，从压缩机出口通过主制热循环管路进入气体冷却器，在气体冷却器经过热交换后变成较低温度的高压气体，进入油换热器，再经过第一过滤器、节流装置，变成低温低压气体或液体，进入蒸发器，在蒸发器中与介质进行热交换后，变成过热CO2蒸气，进入气液分离器，从气液分离器出口回到压缩机回气口，形成该CO2热泵装置CO2制冷剂的主制热循环，该CO2热泵装置还包括融冰循环管路以及连接在融冰循环管路上的压缩机、第三过滤器、第二电磁阀、蒸发器、气液分离器，当蒸发器底部结冰时，打开第二电磁阀，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第三过滤器以及第二电磁阀，进入蒸发器内下部的独立管路，将蒸发器底部的冰层融化，然后产生的热CO2蒸气经过气液分离器回到压缩机回气口，形成CO2热泵装置的融冰循环。
进一步的，该CO2热泵装置还包括融霜循环管路以及连接在融霜循环管路上的压缩机、第二过滤器、第一电磁阀、节流装置、蒸发器、气液分离器，所述第一电磁阀与节流装置出口相连的同时与蒸发器入口相连，当该CO2热泵装置在低环境温度运行时，蒸发器表面结霜，打开第一电磁阀，关闭节流装置，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第二过滤器及第一电磁阀进入蒸发器，将蒸发器上的霜层融化，然后产生的热CO2蒸气经过气液分离器回到压缩机回气口，形成CO2热泵装置的融霜循环。
进一步的，所述第二电磁阀或者在CO2热泵装置主制热循环时独立打开融冰，或者在CO2热泵装置融霜循环时独立打开融冰。
进一步的，该CO2热泵装置设有第一供水管路及连接在第一供水管路上的第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀，冷水由冷水进口进，通过第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀进入气体冷却器,在气体冷却器中经过热交换，加热成高温热水,最后至热水出口，形成该CO2热泵装置的一次直接加热运行的管路循环。
进一步的，该CO2热泵装置设有第二供水管路及连接在第二供水管路上的第四电磁阀、第二止回阀、三通L、水泵、第一调节阀，循环水由循环水进口进，通过第四电磁阀、第二止回阀、三通L、水泵、第一调节阀进入气体冷却器，在气体冷却器中经过热交换，加热成高温热水，最后至热水出口，其中热水出口与循环水进口通过容器或管道形成循环通路，形成CO2热泵装置的循环加热运行的管路循环。
进一步的，该CO2热泵装置设有第三供水管路及连接在第三供水管路上的第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀、气体冷却器、三通M、第二调节阀、第三止回阀，冷水由冷水进口进，通过第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀进入气体冷却器，在气体冷却器中经过热交换，加热成高温热水，再通过三通M，一部分由热水出口流出，另一部分经过第二调节阀、第三止回阀汇入三通K，再次经过循环，三通K处由冷水口进入的过低的低温水与由气体冷却器出来的高温水混合，变成CO2热泵装置允许的水温条件，形成进水温度过低条件下供水运行的管路循环。
进一步的，该CO2热泵装置还包括压缩机冷冻油独立回油循环管路以及连接在压缩机冷冻油独立回油循环管路上的压缩机、气液分离器、油换热器、第四过滤器、第五电磁阀，打开第五电磁阀，经气液分离器分离出来的冷冻油从气液分离器出口，进入油换热器，经过热交换后，将冷冻油加热，再经过第四过滤器、第五电磁阀，进入压缩机回油口，形成压缩机冷冻油独立的回油循环。
进一步的，所述压缩机设有与CO2热泵装置的主控制电路连接的油位传感器，当CO2热泵装置在低环境温度或变频条件下运行时，当油位传感器检测到油位下限时，CO2热泵装置的主控制电路控制打开第五电磁阀。
进一步的，所述节流装置是膨胀阀、毛细管及其串并联组合的任一结构。
本发明采用上述技术方案后，带来的有益效果为：
在设有主制热循环管路的同时，还设置有融冰循环管路，当蒸发器底部结冰时，打开第二电磁阀，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第三过滤器以及第二电磁阀，进入蒸发器内下部的独立管路，将蒸发器底部的冰层融化，因此，CO2热泵装置在低环境温度下运行，可以实现快速融冰，使系统制热运行稳定。
另外，本发明还设有融霜循环管路，因为CO2热泵在低温环境地区应用时，都会存在结霜的情况，在蒸发器表面结霜时，打开第一电磁阀，关闭节流装置，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第二过滤器及第一电磁阀进入蒸发器，将蒸发器上的霜层融化。
而且，上述的融冰循环管路，可以在主制热循环时独立打开融冰，或者在CO2热泵装置融霜循环时独立打开融冰，适应性更好。
同时本发明设有压缩机冷冻油独立回油循环管路，在低温环境下通过油换热器加热冷冻油，可以使压缩机油位保持稳定，同时保持回压缩机的冷冻油温度不致过低，保持压缩机润滑可靠，系统制热运行稳定。
采用一次直接加热、循环加热和进水温度过低条件下供水运行三种功能的供水管路系统，实现CO2热泵在不同的供水条件下快速切换运行，减少外部管路安装与调节工作量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1是本发明优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一，如图1所示，一种CO2热泵装置，包括主制热循环管路以及依次连接在主制热循环管路上的压缩机1、气体冷却器2、油换热器6、第一过滤器11、节流装置3、蒸发器4、气液分离器5。CO2热泵装置制热运行时，主制热循环管路的CO2制冷剂被压缩机1压缩成高温高压的气体，从压缩机出口出，经气体冷却器进口2－a进入气体冷却器2，经过热交换后变成较低温度的高压气体从气体冷却器出口2－b出，经油换热器进口6－c进入油换热器6，从油换热器出口6－d出，再经过第一过滤器11和节流装置3，变成低温低压气体或液体、经蒸发器进口4－1a进入蒸发器4，在蒸发器主管路4-1中与介质进行热交换后，变成过热CO2蒸气，从蒸发器出口4－1b，经气液分离器进口5－a进入气液分离器5，从气液分离器5出口5-b回到压缩机回气口1－a，形成整个CO2热泵装置CO2制冷剂的主制热循环。
该CO2热泵装置还包括融冰循环管路以及连接在融冰循环管路上的压缩机1、第三过滤器8、第二电磁阀10、蒸发器4、气液分离器5，与蒸发器底部的独立管路4－2连接，蒸发器出口4-1b和4-2b通过管路汇合后与气液分离器进口5-a连接，从气液分离器出口5-b回到压缩机回气口1－a。蒸发器内下部的独立管路4－2独立于蒸发器主管路4-1设置。
当蒸发器底部结冰时，打开第二电磁阀10，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第三过滤器8以及第二电磁阀10，进入蒸发器内下部的独立管路4－2，将蒸发器底部的冰层融化，然后产生的热CO2蒸气经过气液分离器5回到压缩机回气口1－a，形成CO2热泵装置的融冰循环。
其中，所述节流装置3是膨胀阀、毛细管及其串并联组合的任一结构。
实施例2，在实施例一的基础上，该CO2热泵装置还包括融霜循环管路以及连接在融霜循环管路上的压缩机1、第二过滤器7、第一电磁阀9、节流装置3、蒸发器4、气液分离器5，所述第一电磁阀9与节流装置出口3-b相连的同时与蒸发器入口4－1a相连，然后接入气液分离器进口5－a，从气液分离器出口5-b回到压缩机回气口1－a。
当该CO2热泵装置在低环境温度运行时，蒸发器表面结霜，打开第一电磁阀9，关闭节流装置3，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第二过滤器7及第一电磁阀9，经蒸发器进口4－1a进入蒸发器，将蒸发器上的霜层融化，然后产生的热CO2蒸气，从蒸发器出口4－1b出，经气液分离器进口5－a进入气液分离器5，从气液分离器5出口5-b回到压缩机回气口1－a，形成CO2热泵装置的融霜循环。其他与实施例一的结构相同，在此不再赘述。
其中，第二电磁阀或者在CO2热泵装置主制热循环时独立打开融冰，或者在CO2热泵装置融霜循环时独立打开融冰，可以适应不同的使用需求。
实施例三，在实施例一的基础上，该CO2热泵装置还包括压缩机冷冻油独立回油循环管路以及连接在压缩机冷冻油独立回油循环管路上的压缩机1、气液分离器5、油换热器6、第四过滤器12、第五电磁阀13。当CO2热泵装置在低环境温度或变频条件下运行时，压缩机1上的油位传感器14检测到油位下限时，通过CO2热泵装置的主控制电路控制，打开第五电磁阀13，经气液分离器5分离出来的冷冻油从气液分离器出口5-c出，经油换热器进口6-b进入油换热器6，经过热交换后，将冷冻油加热，从油换热器出口6-a出，再经过第四过滤器12、第五电磁阀13，与压缩机1回油口1-b连接，形成压缩机冷冻油独立的回油循环及控制。
CO2热泵在低温环境运行时，一般采用低压侧气液分离后，再将冷冻油和CO2气体一起回压缩机，如果采用变频运行时，回气管路制冷剂流速会随频率变化而变化，导致压缩机回油有多有少，不能很好地保持在合理的液面高度，影响压缩机油润滑效果。另外较低的油温进压缩机也会导致系统的制热稳定性。
本发明提出上述独立回油控制及加热方案，采用独立控制冷冻油回压缩机，在低温环境下通过油换热器加热冷冻油，可以使压缩机油位保持稳定，同时保持回压缩机的冷冻油温度不致过低，保持压缩机润滑可靠，系统制热运行稳定。
由于压缩机设有与CO2热泵装置的主控制电路连接的油位传感器，当CO2热泵装置在低环境温度或变频条件下运行时，当油位传感器检测到油位下限时，CO2热泵装置的主控制电路控制打开第五电磁阀。
当然，本领域技术人员可以理解的是，实施例三同时也可以与实施例二进行结合。
实施例四，在实施例一的基础上，该CO2热泵装置设有第一供水管路及连接在第一供水管路上的第三电磁阀19、第一止回阀20、三通K、三通L、水泵17、第一调节阀18。打开第三电磁阀19，开启水泵17，控制第一调节阀18开度动作，冷水由冷水进口进，通过第三电磁阀19、第一止回阀20、三通K、三通L、水泵、第一调节阀18进入气体冷却器2,在气体冷却器2中经过热交换，加热成高温热水,最后至热水出口，形成该CO2热泵装置的一次直接加热运行的管路循环。此循环的特点是可实现小流量大温差控制，实现CO2热泵的一次直接供热水功能。
该CO2热泵装置设有第二供水管路及连接在第二供水管路上的第四电磁阀15、第二止回阀16、三通L、水泵17、第一调节阀18，通过打开第四电磁阀15，开启水泵17，控制第一调节阀18开度动作，循环水由循环水进口进，通过第四电磁阀15、第二止回阀16、三通L、水泵17、第一调节阀18进入气体冷却器2，在气体冷却器中2经过热交换，加热成高温热水，最后至热水出口，其中热水出口与循环水进口通过容器或管道形成循环通路，形成CO2热泵装置的循环加热运行的管路循环。此循环的特点是可实现大流量小温差控制，实现CO2热泵装置的循环加热功能。
该CO2热泵装置设有第三供水管路及连接在第三供水管路上的第三电磁阀19、第一止回阀20、三通K、三通L、水泵17、第一调节阀18、气体冷却器2、三通M、第二调节阀22、第三止回阀21。此循环主要是通过打开第三电磁阀19、开启水泵17，控制第一调节阀18开度，控制第二调节阀22开度动作，冷水由冷水进口进，通过第三电磁阀19、第一止回阀20、三通K、三通L、水泵17、第一调节阀18进入气体冷却器2，在气体冷却器2中经过热交换，加热成高温热水，再通过三通M，一部分由热水出口流出，另一部分经过第二调节阀22、第三止回阀21汇入三通K，再次经过循环，三通K处由冷水口进入的过低的低温水与由气体冷却器出来的高温水混合，变成CO2热泵装置允许的水温条件，从而实现CO2热泵装置在进水温度过低条件下供水加热运行的功能。
其中，第一供水管路、第二供水管路、第三供水管路可以单独设置，当然可以设置其中任意两个，或者同时设置。
当然，本领域技术人员可以理解的是，实施例四同时也可以与实施例二、实施例三进行结合。
CO2热泵装置一般采用一次直接加热水的方式制热，需有一套小流量大温差的管路，同时满足水箱水温低的情况下进行保温加热，则有需要一套大流量小温差的管路，再者当外部冷水进口供水水温低于热泵运行的最低水温条件时，需要一套方案来保证热泵稳定运行。
为了同时能实现上述三种功能，本发明提出同时设置第一供水管路、第二个供水管路、第三供水管路的供水管路系统方案。采用一次直接加热、循环加热和进水温度过低条件下供水运行三种功能的供水管路系统，实现CO2热泵在不同的供水条件下快速切换运行，减少外部管路安装与调节工作量。
另外，本领域技术人员可以理解的是，上述主制热循环管路、融冰循环管路、融霜循环管路、第一供水管路、第二供水管路、第三供水管路以及压缩机冷冻油独立回油循环管路中涉及到的压缩机1、气体冷却器2、油换热器6、节蒸发器4、气液分离器5等均可以在各管路中独立作用，但并非针对每个管路单独设置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (9)

1.一种CO2热泵装置，包括依次连接在主制热循环管路上的压缩机、气体冷却器、油换热器、第一过滤器、节流装置、蒸发器、气液分离器，CO2制冷剂被压缩机压缩成高温高压的气体，从压缩机出口通过主制热循环管路进入气体冷却器，在气体冷却器经过热交换后变成较低温度的高压气体，进入油换热器，再经过第一过滤器、节流装置，变成低温低压气体或液体，进入蒸发器，在蒸发器中与介质进行热交换后，变成过热CO2蒸气，进入气液分离器，从气液分离器出口回到压缩机回气口，形成该CO2热泵装置CO2制冷剂的主制热循环，其特征在于，该CO2热泵装置还包括融冰循环管路以及连接在融冰循环管路上的压缩机、第三过滤器、第二电磁阀、蒸发器、气液分离器，当蒸发器底部结冰时，打开第二电磁阀，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第三过滤器以及第二电磁阀，进入蒸发器内下部的独立管路，将蒸发器底部的冰层融化，然后产生的热CO2蒸气经过气液分离器回到压缩机回气口，形成CO2热泵装置的融冰循环。
2.根据权利要求1所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：该CO2热泵装置还包括融霜循环管路以及连接在融霜循环管路上的压缩机、第二过滤器、第一电磁阀、节流装置、蒸发器、气液分离器，所述第一电磁阀与节流装置出口相连的同时与蒸发器入口相连，当该CO2热泵装置在低环境温度运行时，蒸发器表面结霜，打开第一电磁阀，关闭节流装置，高温高压的CO2气体从压缩机出口经过第二过滤器及第一电磁阀进入蒸发器，将蒸发器上的霜层融化，然后产生的热CO2蒸气经过气液分离器回到压缩机回气口，形成CO2热泵装置的融霜循环。
3.根据权利要求2所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：所述第二电磁阀或者在CO2热泵装置主制热循环时独立打开融冰，或者在CO2热泵装置融霜循环时独立打开融冰。
4.根据权利要求1所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：该CO2热泵装置设有第一供水管路及连接在第一供水管路上的第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀，冷水由冷水进口进，通过第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀进入气体冷却器,在气体冷却器中经过热交换，加热成高温热水,最后至热水出口，形成该CO2热泵装置的一次直接加热运行的管路循环。
5.根据权利要求4所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：该CO2热泵装置设有第二供水管路及连接在第二供水管路上的第四电磁阀、第二止回阀、三通L、水泵、第一调节阀，循环水由循环水进口进，通过第四电磁阀、第二止回阀、三通L、水泵、第一调节阀进入气体冷却器，在气体冷却器中经过热交换，加热成高温热水，最后至热水出口，其中热水出口与循环水进口通过容器或管道形成循环通路，形成CO2热泵装置的循环加热运行的管路循环。
6.根据权利要求5所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：该CO2热泵装置设有第三供水管路及连接在第三供水管路上的第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀、气体冷却器、三通M、第二调节阀、第三止回阀，冷水由冷水进口进，通过第三电磁阀、第一止回阀、三通K、三通L、水泵、第一调节阀进入气体冷却器，在气体冷却器中经过热交换，加热成高温热水，再通过三通M，一部分由热水出口流出，另一部分经过第二调节阀、第三止回阀汇入三通K，再次经过循环，三通K处由冷水口进入的过低的低温水与由气体冷却器出来的高温水混合，变成CO2热泵装置允许的水温条件，形成进水温度过低条件下供水运行的管路循环。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：该CO2热泵装置还包括压缩机冷冻油独立回油循环管路以及连接在压缩机冷冻油独立回油循环管路上的压缩机、气液分离器、油换热器、第四过滤器、第五电磁阀，打开第五电磁阀，经气液分离器分离出来的冷冻油从气液分离器出口，进入油换热器，经过热交换后，将冷冻油加热，再经过第四过滤器、第五电磁阀，进入压缩机回油口，形成压缩机冷冻油独立的回油循环。
8.根据权利要求7所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：所述压缩机设有与CO2热泵装置的主控制电路连接的油位传感器，当CO2热泵装置在低环境温度或变频条件下运行时，当油位传感器检测到油位下限时，CO2热泵装置的主控制电路控制打开第五电磁阀。
9.根据权利要求7所述的一种CO2热泵装置，其特征在于：所述节流装置是膨胀阀、毛细管及其串并联组合的任一结构。
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