CN109186115B - 一种跨临界co2并行压缩系统及其容量配比方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨临界CO2并行压缩系统及其容量配比方法，包含主回路和辅助回路两个回路，应用辅助回路在过冷‑蒸发器中的蒸发作用将气体冷却器主回路出口的温度降低至过冷‑蒸发器主回路出口；本发明根据环境温度包括三种工作模式：正常运行模式下，环境温度为‑20‑0℃，调节辅助回路压缩机的频率来保证系统高效运行；低频运行模式下，环境温度为0‑15℃，在环境温度高、制热量较大时，通过降频来节约能源；超频运行模式下，环境温度低于‑20℃，保证系统在极低环境温度下的制热量和运行稳定性；三种模式中回水温度均为35‑50℃，出水温度均为50‑70℃。启动过程中，在辅助回路压力小于5MPa时进行辅助回路压缩机的低频启动方式，保证辅助回路启动运行过程的稳定性。

Description

一种跨临界CO2并行压缩系统及其容量配比方法
技术领域
本发明属于热泵技术领域，涉及一种跨临界CO2并行压缩系统及其容量配比方法。
背景技术
热泵是通过消耗能量做功比如机械能、电能及热能，通过热力循坏，把热能从低位转移至高位的技术。应用于供暖系统的传统热泵大多使用R134a，R410a等传统工质，环保性较差，正在面临逐渐淘汰。取而代之的是应用自然工质的供暖用热泵系统，CO2以其较高的导热系数和定压比热、更小的气态密度、粘度和表面张力，更适合作为制冷剂。CO2作为制冷剂具有良好的环保性能，其本身为惰性气体，并且没有毒性；其化学结构稳定，不会在高温环境下产生有害气体，不具备燃烧性；并且CO2的GWP为1，ODP为0，不会破坏臭氧层；CO2极易获取，一般通过分离空气即可被提取出来，故在无排放的同时可能实现负排放。
1990年，前国际制冷学会主席G.Lorentzen提出了标准跨临界CO2循环系统，随后跨临界 CO2系统应用在了多个领域。CO2临界温度为30.98℃，临界压力为7.38MPa，因为超临界区放热过程无相变，存在一个较大的温度滑移，且压缩机排气温度可轻松达到100℃以上，故更加适合给水加热。在相同的条件下，相比传统工质的热泵系统，跨临界CO2热泵能够将水加热到更高的温度。
跨临界CO2热泵可以把水温升到更高的温度，适用于将水从环境温度(低于20℃)加热到高温(超过80℃)，最高出水温度可以达到90℃。但随着气体冷却器进水温度的升高，系统性能变差，特别是在低环境温度，回水温度为40-50℃的供暖工况下，跨临界CO2热泵制热能效比较差，跨临界CO2热泵系统气体冷却器进水温度对系统性能的影响如图2所示。
跨临界CO2并行压缩系统通过辅助回路的蒸发吸热作用给气体冷却器主回路出口降温，可以有效降低主回路电子膨胀阀前温度，从而增加蒸发器从环境温度中的吸热量，有效提升在高回水温度下的系统性能，降低在高回水温度下的最优排气压力。现有的跨临界CO2并行压缩系统具有变频压缩机，在每个环境温度下，由于主回路质量流量随环境温度的变化，辅助回路的质量流量也要相应变化才可以达到更好的系统性能。辅助回路的质量流量变化则需要调整辅助回路压缩机的频率。
现有的跨临界CO2并行压缩系统运行的环境温度范围为-20-0℃，这一运行温度范围可以满足大多数我国北方地区的应用，但对于纬度更高、海拔更高的环境工况更加恶劣的地区，并行压缩系统的正常运行模式已经不能满足制热需求，并且系统运行稳定性下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨临界CO2并行压缩系统及其容量配比方法，以保证现有跨临界CO2并行压缩系统性能在每个环境温度下均可以达到最优状态，解决在不同环温下主回路与辅助回路压缩机频率配比问题。在环境温度为0-15℃时，采用低频运行模式，主回路压缩机频率固定为45Hz，辅助回路压缩机频率固定为70Hz。在环境温度为-20-0℃时，采用正常运行模式，主回路压缩机频率固定为50Hz，辅助回路压缩机频率变化由拟合公式(1)确定；在环境温度低于-20℃时，采用超频运行模式，主回路压缩机频率固定为90Hz，辅助回路压缩机频率固定为100Hz。在辅助回路压缩机启动前压力低于5MPa时，采用低频启动方式。
为了实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：
一种跨临界CO2并行压缩系统，包括：CO2主回路压缩机、气体冷却器、过冷-蒸发器、主回路电子膨胀阀、蒸发器、CO2辅助压缩机、辅助回路电子膨胀阀、水泵和风机；
CO2主回路压缩机的出口通连接气体冷却器的第一换热通路入口，气体冷却器的第一换热通路出口连接过冷-蒸发器的第一通换热通路入口，过冷-蒸发器的第一换热通路出口连接CO2主回路电子膨胀阀、蒸发器连接CO2主回路压缩机的入口，构成主回路；
CO2辅助回路压缩机的出口连接气体冷却器的第二换热通路入口，气体冷却器的第二换热通路出口通过CO2辅助回路电子膨胀阀连接过冷-蒸发器的第二通换热通路入口，冷-蒸发器的第二通换热通路出口连接CO2辅助回路压缩机的入口，构成辅助回路；带有水泵的用户热水回路连通气体冷却器的第三换热通路；
蒸发器上对应设置有风机。
进一步的，包括三种工作模式：
低频运行模式，CO2主回路压缩机频率固定为45Hz，CO2辅助回路压缩机频率固定为70Hz；风机开启；
正常运行模式，CO2主回路压缩机频率固定为50Hz，CO2辅助回路压缩机频率调节使跨临界CO2并行压缩系统COP最大；风机开启；
超频运行模式，CO2主回路压缩机频率固定为90Hz，CO2辅助回路压缩机频率固定为100Hz；风机开启。
进一步的，正常运行模式，CO2辅助回路压缩机的频率f根据公式(1)来确定：
Figure BDA0001736542320000031
其中：f——辅助回路压缩机频率/Hz；
tair——环境温度/℃。
进一步的，正常运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为 -20-0℃；低频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为大于0℃且小于15℃；超频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度低于 -20℃。
进一步的，CO2主回路压缩机和CO2辅助压缩机均为变频压缩机。
一种跨临界CO2并行压缩系统的容量配比方法，包括三种工作模式：
低频运行模式，CO2主回路压缩机频率固定为45Hz，CO2辅助回路压缩机频率固定为70Hz；风机开启；
正常运行模式，CO2主回路压缩机频率固定为50Hz，CO2辅助回路压缩机频率调节使跨临界CO2并行压缩系统COP最大；风机开启；
超频运行模式，CO2主回路压缩机频率固定为90Hz，CO2辅助回路压缩机频率固定为100Hz；风机开启。
进一步的，正常运行模式，CO2辅助回路压缩机的频率f根据公式(1)来确定：
Figure BDA0001736542320000041
其中：f——辅助回路压缩机频率/Hz；
tair——环境温度/℃。
进一步的，正常运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为 -20-0℃；低频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为大于0℃且小于15℃；超频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度低于 -20℃。
进一步的，主回路压缩机、辅助回路压缩机、主回路电子膨胀阀、辅助回路电子膨胀阀分别独立控制，应用辅助回路在过冷-蒸发器中的蒸发吸热作用，将气体冷却器第一换热通路出口c处温度降低至过冷-蒸发器第一换热通路出口d处温度。
进一步的，包含一种辅助回路压缩机低频启动方式，低频启动方式适用于辅助回路启动前压力低于5MPa时，具体启动方式为：辅助回路压缩机在通电后，先以40Hz运行5min，再以 60Hz运行2min，最后达到相应运行模式下的设定频率。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
在环境温度为-20-0℃，跨临界CO2并行压缩系统正常运行时，在每个环境温度下，主回路压缩机频率固定在50Hz，辅助回路压缩机的频率则随着环境温度变化而变化，从而控制辅助回路的质量流量与主回路的质量流量配比更加适合，使整个系统在每个环境温度下均保持在最优COP的运行状态，达到高效率和低能耗。
进一步的，环境温度为0-15℃，跨临界CO2并行压缩系统低频运行时，主回路压缩机频率固定在45Hz，辅助回路压缩机频率固定在70Hz，随着环境温度的升高，系统的制热量随着环境温度的升高而增大，将主回路与辅助回路压缩机频率降低可在保证所需制热量的条件下，适当节约电能。
进一步的，环境温度低于-20℃，跨临界CO2并行压缩系统超频运行时，主回路压缩机频率固定在90Hz，辅助回路压缩机频率固定在100Hz，主回路和辅助回路压缩机频率的升高增大了主回路和辅助回路的系统质量流量，故会增大制热量；同时，主回路与辅助回路压缩机排气温度可以通过频率的升高适当降低，保证系统运行的稳定性。
进一步的，在辅助回路启动前，判定一下辅助回路运行前压力，在辅助回路压力小于5MPa 时进行辅助回路压缩机的低频启动，防止辅助回路吸气压力过低、排气压力过高，防止辅助回路出现启动过程中的大压差，防止辅助回路排气温度过高，从而保证辅助回路启动运行过程的稳定性。
进一步的，CO2的导热系数和定压比热较高，气态密度、粘度和表面张力更小，更适合作为制冷剂；CO2作为制冷剂具有良好的环保性能，其本身为惰性气体，并且没有毒性；CO2化学结构稳定，不会在高温环境下产生有害气体，不具备燃烧性；CO2的GWP为1，ODP为0，不会破坏臭氧层；CO2极易获取，一般通过分离空气即可被提取出来，故在无排放的同时可能实现负排放。
进一步的，本发明采用循环式制热的方式，可直接替代冬季供暖用锅炉；跨临界CO2系统在低温下性能更好，能源利用率更高；CO2单位容积制冷量大，可显著减小系统的尺寸，整个系统非常紧凑；因为优秀的环保性能和系统运行性能，跨临界CO2并行压缩系统的应用可以显著减轻冬季雾霾现象。
进一步的，跨临界CO2并行压缩系统的回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃。
为了改善以上问题，本发明提供了一种跨临界CO2并行压缩系统的正常运行的频率配比以及极低环温工况下(低于-20℃)超频运行模式和环境温度较高时(0-15℃)低频运行模式。在正常运行时保证系统高效运行，达到节约能源的目的，低频运行时更加省电，超频运行时保证系统的制热量和运行的稳定性。在辅助回路设置了低频启动方式，保证系统启动过程稳定运行。
附图说明
图1是本发明一种跨临界CO2并行压缩系统的系统的示意图；
图2是不同气体冷却器进水温度时的p-h循环图；
图3是本发明一种跨临界CO2并行压缩系统的p-h循环图；
其中：1、CO2主回路压缩机；2、气体冷却器；3、过冷-蒸发器；4、CO2主回路电子膨胀阀；5、蒸发器；6、CO2辅助回路压缩机；7、CO2辅助回路电子膨胀阀；8、水泵；9、风机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明一种跨临界CO2并行压缩系统，包括CO2主回路压缩机1、气体冷却器2、过冷-蒸发器3、CO2主回路电子膨胀阀4、蒸发器5、CO2辅助回路压缩机6、CO2辅助回路电子膨胀阀7、水泵8和风机9；CO2主回路压缩机1的出口通连接气体冷却器2的第一换热通路入口，气体冷却器2的第一换热通路出口连接过冷-蒸发器3的第一通换热通路入口，过冷-蒸发器3的第一换热通路出口连接CO2主回路电子膨胀阀4、蒸发器5连接CO2主回路压缩机1的入口，构成主回路；CO2辅助回路压缩机6的出口连接气体冷却器2的第二换热通路入口，气体冷却器2的第二换热通路出口通过CO2辅助回路电子膨胀阀7连接过冷-蒸发器 3的第二通换热通路入口，冷-蒸发器3的第二通换热通路出口连接CO2辅助回路压缩机6的入口，构成辅助回路；带有水泵8的用户热水回路连通气体冷却器2的第三换热通路。蒸发器 5上对应设置有风机9。
本发明一种跨临界CO2并行压缩系统包含主回路和辅助回路两个回路，其最大特点在于：应用辅助回路在过冷-蒸发器3中的蒸发吸热作用，将气体冷却器主回路出口c处温度降低至过冷-蒸发器主回路出口d处温度；
本发明一种跨临界CO2并行压缩系统容量配比方法，主回路CO2压缩机1与辅助回路CO2压缩机6均采用变频压缩机，通过压缩机变频调节改变主回路与辅助回路容量配比；主回路压缩机1、辅助回路压缩机6、主回路电子膨胀阀4、辅助回路电子膨胀阀7分别独立控制；
请参阅图2，为便于说明随回水温度升高系统性能下降问题，结合图2说明系统性能下降原因(图2中字母1-6为状态点)；回水温度直接决定了气体冷却器CO2出口温度，气体冷却器中CO2放热过程在回水温度高时为2-3过程，在回水温度低时为2-4过程，故在相同排气压力和质量流量下，回水温度升高会直接导致制热量降低；同时，高回水温度也影响着蒸发吸热过程，回水温度低时的蒸发吸热为5-1过程，而回水温度高时的蒸发吸热过程为6-1，回水温度高时的吸热量明显减少；以上均为回水温度升高导致系统性能下降的原因；
请参阅图3，为便于详细说明一种跨临界CO2并行压缩系统热力特性，结合图3说明系统的循环特性(图3中字母a-i为状态点，与图1中节点相对应)；主回路压缩机1、辅助回路压缩机6、主回路电子膨胀阀4、辅助回路电子膨胀阀7分别独立控制，应用辅助回路在过冷-蒸发器3中的蒸发作用i-f将气体冷却器2主回路出口c的温度降低至过冷-蒸发器3主回路出口d；
CO2主回路压缩机1与CO2辅助回路压缩机6直接影响着主回路与辅助回路循环的质量流量，主回路与辅助回路循环的质量流量直接影响着过冷-蒸发器3中i-f与c-d的换热效果，而气体冷却器2主回路出口c的温度降低至过冷-蒸发器3主回路出口d的程度则直接关系到蒸发器5中的吸热过程e-a，从而直接影响着所述一种跨临界CO2并行压缩系统COP；
为使本发明一种跨临界CO2并行压缩系统在环境温度为-20℃-0℃时系统COP均能达到最佳，控制CO2主回路压缩机1的频率恒定为50Hz，调节CO2辅助回路压缩机6的频率使所述一种跨临界CO2并行压缩系统COP达到最大，辅助回路压缩机6频率随环境温度变化的拟合公式如下：
Figure BDA0001736542320000081
其中：f——辅助回路压缩机频率/Hz；
tair——环境温度/℃；
本发明一种跨临界CO2并行压缩系统容量配比方法，包括三种工作模式：
低频运行模式，CO2主回路压缩机1频率固定为45Hz，CO2辅助回路压缩机6频率固定为70Hz；风机9开启；
正常运行模式，CO2主回路压缩机1频率固定为50Hz，CO2辅助回路压缩机6频率根据公式(1)来确定；风机9开启；
超频运行模式，CO2主回路压缩机1频率固定为90Hz，CO2辅助回路压缩机6频率固定为100Hz；风机8开启；
本发明一种跨临界CO2并行压缩系统容量配比方法，包括三种工作模式中，正常运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为-20-0℃，通过调节辅助回路压缩,6的频率来保证系统高效运行，达到节约能源的目的；低频运行模式适用于回水温度为 35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为0-15℃，在高环境温度下主回路压缩机吸气密度升高，制热量高，降低频率使制热量不要过高的同时，节约了能源消耗；超频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度低于-20℃，低环境温度条件下吸气密度低，所需要的压比大，故提升频率保证系统在极低环境温度下的制热量和运行稳定性。
本发明一种跨临界CO2并行压缩系统容量配比方法，包含一种辅助回路压缩机低频启动方式；在低温条件下系统停止运行时间较长后，辅助回路压力冷却至接近环境温度下的饱和压力，为防止辅助回路压缩机启动后的吸气压力过低，防止辅助回路吸气压力和排气压力间的大压差，也防止辅助回路排气温度过高，故发明低频启动方式；该方式适用于辅助回路启动前压力低于5MPa时，辅助回路压缩机在通电后，先以40Hz运行5min，再以60Hz运行2min，最后达到相应运行模式下的设定频率；辅助回路低频启动方式保证了辅助回路启动过程的运行稳定性。

Claims (9)

1.一种跨临界CO2并行压缩系统，其特征在于，包括：CO2主回路压缩机(1)、气体冷却器(2)、过冷-蒸发器(3)、主回路电子膨胀阀(4)、蒸发器(5)、CO2辅助压缩机(6)、辅助回路电子膨胀阀(7)、水泵(8)和风机(9)；
CO2主回路压缩机(1)的出口通连接气体冷却器(2)的第一换热通路入口，气体冷却器(2)的第一换热通路出口连接过冷-蒸发器(3)的第一通换热通路入口，过冷-蒸发器(3)的第一换热通路出口连接CO2主回路电子膨胀阀(4)、蒸发器(5)连接CO2主回路压缩机(1)的入口，构成主回路；
CO2辅助回路压缩机(6)的出口连接气体冷却器(2)的第二换热通路入口，气体冷却器(2)的第二换热通路出口通过CO2辅助回路电子膨胀阀(7)连接过冷-蒸发器(3)的第二通换热通路入口，冷-蒸发器(3)的第二通换热通路出口连接CO2辅助回路压缩机(6)的入口，构成辅助回路；带有水泵(8)的用户热水回路连通气体冷却器(2)的第三换热通路；
蒸发器(5)上对应设置有风机(9)；
所述跨临界CO2并行压缩系统，包括三种工作模式：
低频运行模式，CO2主回路压缩机(1)频率固定为45Hz，CO2辅助回路压缩机(6)频率固定为70Hz；风机(9)开启；
正常运行模式，CO2主回路压缩机(1)频率固定为50Hz，CO2辅助回路压缩机(6)频率调节使跨临界CO2并行压缩系统COP最大；风机(9)开启；
超频运行模式，CO2主回路压缩机(1)频率固定为90Hz，CO2辅助回路压缩机(6)频率固定为100Hz；风机(9)开启。
2.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2并行压缩系统，其特征在于，正常运行模式，CO2辅助回路压缩机(6)的频率f根据公式(1)来确定：
Figure FDA0002379654040000011
其中：f——辅助回路压缩机频率/Hz；
tair——环境温度/℃。
3.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2并行压缩系统，其特征在于，正常运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为-20-0℃；低频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为大于0℃且小于15℃；超频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度低于-20℃。
4.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2并行压缩系统，其特征在于，CO2主回路压缩机(1)和CO2辅助压缩机(6)均为变频压缩机。
5.一种跨临界CO2并行压缩系统的容量配比方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种跨临界CO2并行压缩系统，包括三种工作模式：
低频运行模式，CO2主回路压缩机(1)频率固定为45Hz，CO2辅助回路压缩机(6)频率固定为70Hz；风机(9)开启；
正常运行模式，CO2主回路压缩机(1)频率固定为50Hz，CO2辅助回路压缩机(6)频率调节使跨临界CO2并行压缩系统COP最大；风机(9)开启；
超频运行模式，CO2主回路压缩机(1)频率固定为90Hz，CO2辅助回路压缩机(6)频率固定为100Hz；风机(9)开启。
6.根据权利要求5所述的容量配比方法，其特征在于，正常运行模式，CO2辅助回路压缩机(6)的频率f根据公式(1)来确定：
Figure FDA0002379654040000021
其中：f——辅助回路压缩机频率/Hz；
tair——环境温度/℃。
7.根据权利要求5所述的容量配比方法，其特征在于，正常运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为-20-0℃；低频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度为大于0℃且小于15℃；超频运行模式适用于回水温度为35-50℃，出水温度为50-70℃，环境温度低于-20℃。
8.根据权利要求5所述的容量配比方法，其特征在于，主回路压缩机(1)、辅助回路压缩机(6)、主回路电子膨胀阀(4)、辅助回路电子膨胀阀(7)分别独立控制，应用辅助回路在过冷-蒸发器(3)中的蒸发吸热作用，将气体冷却器(2)第一换热通路出口c处温度降低至过冷-蒸发器(3)第一换热通路出口d处温度。
9.根据权利要求5所述的容量配比方法，其特征在于，包含一种辅助回路压缩机低频启动方式，低频启动方式适用于辅助回路启动前压力低于5MPa时，具体启动方式为：辅助回路压缩机(6)在通电后，先以40Hz运行5min，再以60Hz运行2min，最后达到相应运行模式下的设定频率。
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