CN109612157A - 一种回温式节能热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种回温式节能热泵系统，包括：主循环回路和温度钳位回路；所述主循环回路包括依次顺序连接的蒸发器、回温换热器吸热侧、压缩机、汇流器、冷凝器、气液分离器、回温换热器放热侧以及节流膨胀阀，且节流膨胀阀通过管路与蒸发器连接；温度钳位回路包括依次顺序连接的气液分离器、钳位回流管、汇流器以及冷凝器，且冷凝器通过管路与气液分离器连接；主循环回路和温度钳位回路自汇流器、冷凝器以及气液分离器为共有回路。在温度钳位回路的控制下，显著提高冷凝器工质出口温度，通过利用该出口工质的剩余热能，在回温换热器总加热另一侧工质可有效提升压缩机进口工质内能，大幅降低压缩机功耗50％以上，有显著的节能降耗效果。

Description

一种回温式节能热泵系统

技术领域

本发明涉及节能换热领域，具体涉及一种回温式节能热泵系统。

背景技术

当前，广泛使用的制冰、制冷、制热系统和空调系统绝大多数都是基于热泵原理，即：压缩增压—高温冷凝放热—膨胀降温减压—低温蒸发吸热的循环系统。热泵式循环系统的功率消耗，主要是来自压缩机增压功耗和冷凝器、蒸发器外侧为维持冷源媒介或热源媒介循环的动力损耗。在热泵系统中，压缩机功耗并非直接用于循环系统的热能转移，而是提供循环工质必要的冷凝和蒸发压力，借助工质在不同冷凝和蒸发温度下的吸收或释放相变潜热，实现热能在空间的转移，同时，压缩机还为工质在系统中循环克服阻力提供动力。

为降低热泵系统的功耗，除了提高冷凝器、蒸发器、压缩机等部件的效率外，直接降低压缩机运行功率，合理利用热泵系统循环中的工质温度分布中所含的余热，是一条重要的途径。降低压缩机功率的途径一般有三种：一是降低工质流量，但受热泵循环总热量要求限制，调整余地有限；二是降低压缩机出口工质焓值，但受热泵放热侧温度条件限制，不可能下降过多；三是提高压缩机进口工质焓值，也即提高工质进口温度，而合理提高压缩机进口温度，既可以在热泵系统外部实现，也可以在热泵循环系统内部实现，但是利用系统外部条件提高压缩机进口工质温度，需消耗额外能量。

现有的热泵由于不能有效利用冷凝器工质出口剩余能量而在节流环节消耗过多工质内能，这些过度消耗的工质内能又必须以压缩机功耗予以补偿，实现平衡，造成压缩机增加了不少额外的功耗。

发明内容

本发明要解决的是当前热泵系统额外的功耗过高、成本比较大的问题，针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种回温式节能热泵系统，本发明提供的回温式热泵系统，可大幅降低压缩机功耗50％以上，提高热泵系统压缩机功效近2倍，有显著的节能降耗效果。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种回温式节能热泵系统，包括：主循环回路和温度钳位回路；

所述主循环回路包括依次通过管路顺序连接的蒸发器、回温换热器吸热侧、压缩机、汇流器、冷凝器、气液分离器、回温换热器放热侧以及节流膨胀阀，且节流膨胀阀通过管路与蒸发器连接；

所述温度钳位回路包括依次通过管路顺序连接的气液分离器、钳位回流管、汇流器以及冷凝器，且冷凝器通过管路与气液分离器连接；

所述主循环回路和温度钳位回路自汇流器、冷凝器以及气液分离器为共有回路，以增加冷凝器所通过的工质流量。

进一步地，所述回温器可以但不限于是板式换热器、管壳式换热器、翅片式换热器、螺旋管换热器以及盘管式换热器的一种或一种以上的组合。

进一步地，所述钳位回流管可以但不限于是变径管路、同径管路、局部孔板限流管路以及毛细管的一种或一种以上的组合。

进一步地，所述汇流器可以但不限于是泵、自吸式喉管、文丘里管或自吸式射流部件。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

在温度钳位回路的控制下，冷凝器工质流量大幅提高，增强冷凝器内工质紊流状态，改善了冷凝器换热能力，显著提升冷凝器工质出口温度，通过回温换热器回收利用该出口工质的剩余热能，再回温换热加热另一侧工质可有效提升压缩机进口工质内能，缩小压缩机进出口工质焓差；同时也有效降节流膨胀阀的工质内能消耗，使热泵循环系统在低功耗状态下实现新的功率平衡。计算显示，本发明提供的回温式热泵系统，可大幅降低压缩机功耗50％以上，提高热泵系统压缩机功效近2倍，有显著的节能降耗效果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为一种采用温度钳位控制技术的回温式集中空调制冷系统示意图；

图2为一种采用温度钳位控制技术的回温式冷暖空调系统制冷工况示意图；

图3为一种采用温度钳位控制技术的回温式冷暖空调系统制热工况示意图。

图中附图标记依次为：冷凝器a、回温换热器b、蒸发器c、节流膨胀阀d、压缩机e、散热流体泵f、冷冻流体泵g、汇流器h、钳位回流管i、气液分离器j、室外机a1、回温式换热器b1、室内机c1、节流膨胀阀d1、压缩机e1、第一四通两路换向阀f1、汇流器g1、钳位回流管路h1、气液分离器i1、室外机a2、回温式换热器b2、室内机c2、节流膨胀阀d2、压缩机e2、第二四通两路换向阀f2、汇流器g2、钳位回流管路h2、气液分离器i2。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

附图1为一种采用温度钳位控制技术的回温式集中空调制冷系统示意图，数字1，2，3，……均为工况节流点，

实施例1：

一种回温式节能热泵系统，包括：主循环回路和温度钳位回路；所述主循环回路包括依次顺序连接的蒸发器c、回温换热器b吸热侧、压缩机e、汇流器h、冷凝器a、气液分离器j、回温换热器b放热侧以及节流膨胀阀d，且节流膨胀阀d通过管路与蒸发器c连接；所述温度钳位回路包括依次顺序连接的气液分离器j、钳位回流管i、汇流器h以及冷凝器a，且冷凝器a通过管路与气液分离器j连接；所述主循环回路和温度钳位回路自汇流器h、冷凝器a以及气液分离器j为共有回路，以增加冷凝器a所通过的工质流量，在回路c→b→e→h→a→j→b→d→c中，工质在蒸发器c中蒸发汽化成低温低压气态6，在回温换热器b中被加热升温成中温低压态6，，经压缩机e增压成为高温高压态3，在汇流器h中混合来自钳位回流管i的次高温高压态4^，，工质，成为混合态3^，，共同进入冷凝器a释放热能，冷凝成为次高温高压液态4，经气液分离器j分流，进入回温换热器b释放余热后，降温为次低温低压饱和态5，重新进入蒸发器c，完成一次热泵循环。

在温度钳位回路j→i→h→a→j中，经气液分离器j分流的次高温高压态4^，，工质，经钳位回流管i和汇流器h汇入主回路，与主回路中高温高压气态3工质混合成为混合态3^，，共同进入冷凝器a，以次高温高压态4从冷凝器a流出，进入气液分离器j，完成温度钳位回路循环。

进一步地，所述钳位回流管i可以但不限于是变径管路、同径管路、局部孔板限流管路以及毛细管的一种或一种以上的合理组合；变径管路是指将直径不同的管段按顺序串联连接起来的管道，同径管路则是不同的管材、相同管径连接在一起的管路，钳位回流管路i通用于上述任何一种或以上的合理组合。

进一步地，所述汇流器h可以但不限于是泵、自吸式喉管、文丘里管或自吸式射流部件；自吸式喉管形状如同喇叭状，汇流器h用于混合来自钳位回流管i的次高温高压态4^，，工质，泵、自吸式喉管、文丘里管或自吸式射流部件均能满足汇流器h的要求。

回温换热器b包含工质放热侧和工质吸热侧，工质放热侧一端连接自气液分离器j的液相出口，另一端连接至节流膨胀阀d进口，吸热侧一端连接至蒸发器c工质出口，另一端连接至压缩机e进口，使来自气液分离器j的次高温液态4工质的余热，用于加热另一个来自蒸发器c出口的低温低压气态6工质，提高进入压缩机e的进口工质温度。

进一步地，所述汇流器h可以但不限于是泵、自吸式喉管、文丘里管或自吸式射流部件，用于将来自气液分离器j的工质，经温度钳位回路与主回路中的工质混合，提高冷凝器a中的工质流量，提升流体的紊流状态，改善换热能力。

本发明运行的具体原理为：主循环回路中的循环工质在蒸发器c中吸收来自热源的热能，蒸发成低温低压气态，继续进入回温换热器b的吸热侧，吸收来自另一侧工质释放的热能，升温成中温低压气态，随后进入压缩机e，经压缩机e增压后成为高温高压气态，继而经汇流器h进入冷凝器a，在冷凝器a中向散热媒介放热后，冷凝成为次高温高压液态。次高温高压工质离开冷凝器a进入气液分离器j，以液态方式流出进入回温换热器b放热侧，向另一侧的低温低压工质放热，放热后的液态工质成中温高压态，进入节流膨胀阀d膨胀减压后成低温低压气液饱和态，再次进入蒸发器c吸收热源热能，完成一次主循环回路的热泵循环。在温度钳位回路中，次高温高压工质以气液分离器j中分流，以液态或气态或气液混合态进入钳位回路，继而经汇流器h吸入主循环回路，与主回路中的气态高温高压工质混合进入冷凝器a，增加冷凝器a中工质流量，提高冷凝器a中工质的紊流状态，改善冷凝器a换热能力，提高冷凝器a工质出口温度。再经回温换热器b回收利用该冷凝器a出口工质的余热，提高压缩机e进口工质温度，降低节流膨胀阀d耗损，实现新的低能耗热力平衡。

本发明工作理论支持：

众所周知，热泵循环系统必须满足以下平衡关系：

蒸发器功率+压缩机功耗＝冷凝器功率+节流膨胀阀耗损

即：在蒸发器功率和冷凝器功率不变的情况下，降低压缩机功耗和节流膨胀阀耗损，不仅仍然能使功率平衡，而且可以提高压缩机的功效比，功效比：蒸发功率或冷凝功率与压缩机功耗比。

本发明正是基于上述原理而设计。经钳位回流管i汇入主回路的工质，在冷凝器a中将使出口温度增加。相较于没有设置温度钳位回路的冷凝器，出口温度提升幅度为：

式中：m，₃为节点3处工质流量，m，₄，，为节点4，，处工质流量，为工质平均定压比热，是冷凝器a的单位工质换热量，是节点3，处工质流量，式1表明：冷凝器a工质出口温度T₄增幅与钳位管路中的流量呈正相关，随流量的增加冷凝器a工质出口的温度T₄将随之增加，反之则降低。

当钳位回流管路i中的分流量足够大时，冷凝器i工质出口温度下T₄将升高至冷凝器温度T_c，(即T₄＝T_c)。此时冷凝器a出口工质为冷凝饱和气态，经气液分离器j分离后，以气态汇入主回路的工质流量减少，冷凝器a出口工质温度T₄下降，重新以冷凝液态流出，进入气液分离器j后以液态工质分流，重新增加汇入主回路的工质流量，再次使冷凝器a出口工质温度提升。以上过程反复，将冷凝器a出口工质温度T₄钳制在冷凝温度T_c附近。

另一方面，当回温换热器b的换热率足够高，可将吸热侧出口气态工质温度，T₆，与放热侧液体工质进口温度T₄，的温差ΔT_m＝T₄ ^，-T₆，控制在有限范围内。优选地，此温差ΔT_m可控制在3-5℃，由此，压缩机e的进口工质温度T₆，将大幅提升。

由以上工作原理可知：温度钳位回路为回温换热器b有效回温加热压缩机e进口工质温度起增强作用，而回温换热器b是降低压缩机e功耗的必须条件。

与没有采用温度钳位技术的普遍热泵压缩机e功率W_c*相比，采用了温度钳位技术的回温式热泵系统的压缩机功率Wc，可降低功耗约的幅度约为：

ε＝(W_c*-W_c)/W_c*＝(T_c-T₆-ΔT_m)/(T₃-T₆) (2)

在本实施例中，以建筑物/楼宇集中制冷空调的常规数据为据，当压缩机e的出口温度为T₃＝60℃，冷凝温度Tc＝45℃，蒸发器c的工质出口温度T₆＝20℃，回温换热器b的端口最小温差ΔT_m＝5℃时，采用温度钳位技术的回温式集中制冷空调系统，可比普通集中制冷空调降低压缩机功耗50％。

实施例2：

参见附图2和附图3采用温度钳位技术的回温式冷暖空调系统。工作原理与实施例1完全相同。当用于制冷或制热时，需要通过四通两路换向阀转接。附图2制冷工况中，该工况下室外机a1为冷凝器，室内机c1为蒸发器，主回路流程为：d1→f1→c1→j1→b1→e1→g1→j1→a1→f1→i1→b1→d1；温度钳位回路流程为：i1→h1→g1→j1→a1→f1→i1。

附图3中为制热工况，该工况如下，室外机a2为蒸发器，室内机c2为冷凝器，主回路流程为：d2→f2→a2→j2→b2→e2→g2→j2→c2→f2→i2→b2→d2；温度钳位回路流程为：i2→h2→g2→j2→c2→f2→i2。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果，在温度钳位回路的控制下，冷凝器工质流量大幅提高，改善了冷凝器换热能力，显著提高冷凝器工质出口温度，通过回温换热器利用该出口工质的剩余热能，可有效提升压缩机进口工质内能，缩小压缩机进出口工质焓差，同时可减少节流膨胀阀环节的工质内能耗损，令热泵循环系统在低功耗状态下实现功率平衡，可大幅降低压缩机功耗50％以上，提高热泵系统压缩机功效近2倍，有显著的节能降耗效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种回温式节能热泵系统，其特征在于，包括：主循环回路和温度钳位回路；

所述主循环回路包括依次通过管路顺序连接的蒸发器、回温换热器吸热侧、压缩机、汇流器、冷凝器、气液分离器、回温换热器放热侧以及节流膨胀阀，且节流膨胀阀通过管路与蒸发器连接；

所述温度钳位回路包括依次通过管路顺序连接的气液分离器、钳位回流管、汇流器以及冷凝器，且冷凝器通过管路与气液分离器连接；

所述主循环回路和温度钳位回路自汇流器、冷凝器以及气液分离器为共有回路，以增加冷凝器所通过的工质流量。

2.根据权利要求1所述的一种回温式节能热泵系统，其特征在于，所述回温器可以但不限于是板式换热器、管壳式换热器、翅片式换热器、螺旋管换热器以及盘管式换热器的一种或一种以上的合理组合。

3.根据权利要求1所述的一种回温式节能热泵系统，其特征在于，所述钳位回流管可以但不限于是变径管路、同径管路、局部孔板限流管路以及毛细管的一种或一种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的一种回温式节能热泵系统，其特征在于，所述汇流器可以但不限于是泵、自吸式喉管、文丘里管或自吸式射流部件。