CN110044093B - 双级压缩中间补气co2三级回热冷却热泵/制冷系统 - Google Patents

双级压缩中间补气co2三级回热冷却热泵/制冷系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热泵/制冷技术领域，公开了一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，该系统由蒸发器、低压压缩机、中间冷却器、高压压缩机、气体冷却器、第一回热器、第一膨胀阀、第二回热器、第三回热器、第二膨胀阀、分流器、三通阀、第一气液分离器、第二气液分离器、第一油分离器、第二油分离器组成，通过分流器将系统分为主回路和补气回路两个并联支路。本发明的系统能够应用于热泵和制冷，通过双级压缩中间补气，使得系统在极低温环境下可实现较高的制热COP；通过回热器回热，使得系统在高气体冷却器排气温度的情况下可实现较高制热COP和制冷COP。

Description

双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统
技术领域
本发明涉及热泵/制冷技术领域，更具体的说，是涉及一种CO2热泵/制冷系统。
背景技术
在制冷剂的发展史中，人工合成制冷剂因制冷性能好而被广泛使用。然而，在利用这些制冷剂的同时，人们逐渐发现远离自然的人工合成制冷剂会对环境造成某种程度的危害。
第二代制冷剂CFCs和HCFCS的氯原子或溴原子与大气上空平流层的臭氧发生反应，使得臭氧层破坏的环境问题越来越明显，并且逐渐引起人们的普遍关注。第三代制冷剂主要包括不含氯和溴的HFCs和其他制冷剂，其ODP为零，然而，随着第三代制冷剂的应用，人们发现其温室效应严重。研究发现，大量生产和应用HFCs必将加快全球变暖的趋势。2016年，《蒙特利尔议定书》缔约方达成一致：发达国家将在2019年前开始逐步减少HFCs；发展中国家将在2024年起冻结HFCs的消费量，其中一些发展中国家则需在2028年冻结消费。
历史的经验说明远离自然态的物质一旦大量使用，便会在自然界大量积累，破坏环境。在考虑成本和制冷性能的角度上，使用常见的自然工质CO2是非常具有竞争力的。CO2作为制冷剂有很多优点：环境性能优良，它的臭氧层破坏潜能(ODP)为零，其温室效应潜能极小(GWP＝1)；自身费用低，无需回收或再生，操作与运行的费用也较低；安全无毒，不可燃，即使在高温下也不分解产生有害气体。
近几年，CO2热泵/制冷系统发展迅速。由于跨临界CO2为逆流换热，CO2热泵受高回水温度的影响，要求气体冷却器排气温度较高，因此COP较低。此外，CO2热泵/制冷系统在低温环境下性能衰退，不能很好地普及。因此，设计一种在高气体冷却器排气温度和低温环境下能够实现较高COP的CO2热泵/制冷系统具有重要价值。
发明内容
本发明着力解决的是CO2热泵/制冷系统在高气体冷却器排气温度下COP较低，且在极低温环境下，系统性能衰减的技术问题，通过设计一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，在双级压缩和中间补气的条件下，可以实现在低温环境下高效运行，且在高气体冷却器排气温度下能够实现较高COP。
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：
一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，包括蒸发器(1)、低压压缩机(2)、中间冷却器(3)、高压压缩机(4)、气体冷却器(5)、第一回热器(6)、第一膨胀阀(7)、第二回热器(8)、第三回热器(9)、第二膨胀阀(10)、分流器(11)、三通阀(12)、第一气液分离器(13)、第二气液分离器(14)、第一油分离器(15)、第二油分离器(16)；
其中，所述第一回热器(6)、第二回热器(8)、第三回热器(9)均包括蒸发侧入口、蒸发侧出口、冷却侧入口、冷却侧出口；所述分流器(11)包括入口、第一出口、第二出口；所述三通阀(12)包括第一入口、第二入口、出口；
所述蒸发器(1)的出口与所述第三回热器(9)的蒸发侧入口连接，所述第三回热器(9)的蒸发侧出口与所述第一气液分离器(13)的入口连接，所述第一气液分离器(13)的出口与所述低压压缩机(2)的入口连接，所述低压压缩机(2)的出口与所述第一油分离器(15)的入口连接，所述第一油分离器(15)的出口与所述中间冷却器(3)的入口连接，所述中间冷却器(3)的出口与所述三通阀(12)的第一入口连接，所述三通阀(12)的出口与所述高压压缩机(4)的入口连接，所述高压压缩机(4)的出口与所述第二油分离器(16)的入口连接，所述第二油分离器(16)的出口与所述气体冷却器(5)的入口连接，所述气体冷却器(5)的出口与所述第一回热器(6)的冷却侧入口连接，所述第一回热器(6)的冷却侧出口与所述分流器(11)的入口连接；
所述分流器(11)的第一出口与所述第二回热器(8)的冷却侧入口连接，所述第二回热器(8)的冷却侧出口与所述第三回热器(9)的冷却侧入口连接，所述第三回热器(9)的冷却侧出口与所述第二膨胀阀(10)的入口连接，所述第二膨胀阀(10)的出口与所述蒸发器(1)的入口连接；
所述分流器(11)的第二出口与所述第一膨胀阀(7)的入口连接，所述第一膨胀阀(7)的出口与所述第二回热器(8)的蒸发侧入口连接，所述第二回热器(8)的蒸发侧出口与所述第一回热器(6)的蒸发侧入口连接，所述第一回热器(6)的蒸发侧出口与所述第二气液分离器(14)的入口连接，所述第二气液分离器(14)的出口与所述三通阀(12)的第二入口连接；
所述分流器(11)将系统分为主回路和补气回路两个并联支路；所述蒸发器(1)、所述第三回热器(9)、所述第一气液分离器(13)、所述低压压缩机(2)、所述第一油分离器(15)、所述中间冷却器(3)、所述三通阀(12)、所述高压压缩机(4)、所述第二油分离器(16)、所述气体冷却器(5)、所述第一回热器(6)、所述分流器(11)、所述第二回热器(8)、所述第二膨胀阀(10)构成主回路；所述三通阀(12)、所述高压压缩机(4)、所述第二油分离器(16)、所述气体冷却器(5)、所述第一回热器(6)、所述分流器(11)、所述第一膨胀阀(7)、所述第二回热器(8)、所述第二气液分离器(14)构成补气回路。
进一步地，所述第一回热器(6)和所述第二回热器(8)将所述补气回路中的CO2工质回热到过热工况，与所述中间冷却器(3)出口的所述主回路的CO2工质在所述三通阀(12)中混合补气。
进一步地，所述第一回热器(6)、所述第二回热器(8)、所述第三回热器(9)选用套管式换热器、板式换热器、层积式换热器中的一种。
进一步地，所述低压压缩机(2)和所述高压压缩机(4)选用活塞式压缩机、转子式压缩机、涡旋式压缩机中的一种。
进一步地，所述第一膨胀阀(7)和所述第二膨胀阀(10)选用热力膨胀阀、电子膨胀阀中的一种。
进一步地，所述蒸发器(1)选用管翅式蒸发器、平行流式蒸发器、管壳式蒸发器中的一种。
进一步地，所述中间冷却器(3)和所述气体冷却器(5)选用管翅式气体冷却器、套管式气体冷却器、板式气体冷却器中的一种。
进一步地，所述第一膨胀阀(7)用于使补气压力与中间冷却器(3)出口压力相同。
进一步地，系统外部流体与所述中间冷却器(3)换热之后再与所述气体冷却器(5)换热形成串联换热；或者系统外部流体与所述气体冷却器(5)换热之后再与所述中间冷却器(3)换热形成串联换热；或者系统外部流体分成两路分别与所述中间冷却器(3)和所述气体冷却器(5)形成并联换热。
本发明的有益效果是：
(一)本发明实现了在低温环境下，通过双级压缩中间补气提高高压压缩机中工质的质量流量，从而提升系统COP。
(二)本发明降低了回水温度对系统的影响，避免因回水温度过高要求气体冷却器排气温度过高，导致系统COP的降低。
(三)本发明采用双级压缩且中间冷却器和气体冷却器均可供热，从而提高系统的COP。
(四)本发明利用回热器和气液分离器，保证了干度，避免液滴进入压缩机，提高压缩机的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统的结构示意图。
上述图中：1-蒸发器；2-低压压缩机；3-中间冷却器；4-高压压缩机；5-气体冷却器；6-第一回热器；7-第一膨胀阀；8-第二回热器；9-第三回热器；10-第二膨胀阀；11-分流器；12-三通阀；13-第一气液分离器；14-第二气液分离器；15-第一油分离器；16-第二油分离器。
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双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，包括蒸发器1、低压压缩机2、中间冷却器3、高压压缩机4、气体冷却器5、第一回热器6、第一膨胀阀7、第二回热器8、第三回热器9、第二膨胀阀10、分流器11、三通阀12、第一气液分离器13、第二气液分离器14、第一油分离器15、第二油分离器16。
其中，第一回热器6、第二回热器8、第三回热器9均是以一侧管路中的流体加热另一侧管路中的CO2流体，本方案中将第一回热器6、第二回热器8、第三回热器9的两侧分别称之为蒸发侧和冷却侧。
其中，分流器11包括入口、第一出口、第二出口。
其中，三通阀12包括第一入口、第二入口、出口。
本发明通过分流器将系统分为主回路和补气回路两个并联支路，补气回路为主回路补气，增加高压压缩机4排气量，增加系统中制热的工质流量，增加制热量，解决低环境温度下因压缩机吸入工质的质量流量低造成的系统COP低的问题，更适用于环境温度较低的寒冷、严寒地区。
主回路由蒸发器1、第三回热器9、第一气液分离器13、低压压缩机2、第一油分离器15、中间冷却器3、三通阀12、高压压缩机4、第二油分离器16、气体冷却器5、第一回热器6、分流器11、第二回热器8、第二膨胀阀10组成。蒸发器1的出口和第三回热器9的蒸发侧入口连接，第三回热器9的蒸发侧出口和第一气液分离器13的入口连接，第一气液分离器13的出口和低压压缩机2的入口连接，低压压缩机2的出口和第一油分离器15的入口连接，第一油分离器15的出口和中间冷却器3的入口连接，中间冷却器3的出口和三通阀12的第一入口连接，三通阀12的出口和高压压缩机4的入口连接，高压压缩机4的出口和第二油分离器16的入口连接，第二油分离器16的出口和气体冷却器5的入口连接，气体冷却器5的出口和第一回热器6的冷却侧入口连接，第一回热器6的冷却侧出口和分流器11的入口连接，分流器11的第一出口和第二回热器8的冷却侧入口连接，第二回热器8的冷却侧出口和第三回热器9的冷却侧入口连接，第三回热器9的冷却侧出口和第二膨胀阀10的入口连接，第二膨胀阀10的出口和蒸发器1的入口连接。
补气回路由三通阀12、高压压缩机4、第二油分离器16、气体冷却器5、第一回热器6、分流器11、第一膨胀阀7、第二回热器8、第二气液分离器14构成。高压压缩机4的出口和第二油分离器16的入口连接，第二油分离器16的出口和气体冷却器5的入口连接，气体冷却器5的出口和第一回热器6的冷却侧入口连接，第一回热器6的冷却侧出口和分流器11的入口连接，分流器11的第二出口和第一膨胀阀7的入口连接，第一膨胀阀7的出口和第二回热器8的蒸发侧入口连接，第二回热器8的蒸发侧出口和第一回热器6的蒸发侧入口连接，第一回热器6的蒸发侧出口和第二气液分离器14的入口连接，第二气液分离器14的出口和三通阀12的第二入口连接，三通阀12的出口和高压压缩机4的入口连接。
其中，第一回热器6、第二回热器8、第三回热器9可为套管式换热器、板式换热器或层积式换热器。第二回热器8、第三回热器9可以降低第二膨胀阀10的入口温度，增加系统的冷量，避免因气体冷却器排气温度高导致的系统COP低的问题，提高系统的COP。此外，第一回热器6和第二回热器8将补气回路中CO2工质回热到过热工况，与中间冷却器3出口的主回路CO2工质在三通阀12中混合补气。
其中，低压压缩机2和高压压缩机4可为活塞式压缩机、转子式压缩机或涡旋式压缩机。第一膨胀阀7和第二膨胀阀10可为热力膨胀阀或电子膨胀阀，通过调节第一膨胀阀7使补气压力与中间冷却器3出口压力相同。蒸发器1可为管翅式蒸发器、平行流式蒸发器或管壳式蒸发器；中间冷却器3和气体冷却器5可为管翅式气体冷却器、套管式气体冷却器或板式气体冷却器，中间冷却器3和气体冷却器5可进行供热；分流器11通过控制补气回路的流量，进而调节补气的温度。
本发明的系统可以在外部流体(水或空气)与中间冷却器3换热之后再与气体冷却器5换热形成串联换热；也可以在外部流体(水或空气)与气体冷却器5换热之后再与中换热间冷却器3形成串联换热；还可以将外部流体(水或空气)分成两路分别与中换热间冷却器3和气体冷却器5形成并联换热。
本发明所提供的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统的工作原理如下：CO2工质在高压压缩机4中被压缩至高温高压状态，经过第二油分离器16，排气进入气体冷却器5并在其中冷却降温放热，再流经第一回热器6放热。气体冷却器5以一侧管路中的CO2流体加热另一侧的空气或水路。然后工质通过分流器11分流，将双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统分为主回路和补气回路两个并联支路。
在主回路中，CO2工质从分流器11的第一出口进入第二回热器8和第三回热器9进行冷却放热。然后经过第二膨胀阀10节流变成低温低压的气液两相工质，再流入蒸发器1中吸热蒸发。蒸发器1以一侧的空气加热另一侧管路中的CO2流体。CO2饱和气体在第三回热器9中回热至过热状态，经过第一气液分离器13，进入低压压缩机2压缩至中间压力，经过第一油分离器15，在中间冷却器3中放热冷却，最后流入三通阀12与补气回路的CO2工质混合，进人高压压缩机4入口完成循环。中间冷却器3以一侧管路中的CO2流体加热另一侧的空气或水路。
在补气回路中，CO2工质从分流器11的第二出口流出，经过第一膨胀阀7节流到一定中间压力，然后依次在第二回热器8和第一回热器6中回热到一定温度，经过第二气液分离器14，最后流入三通阀12与主回路CO2工质混合进行补气，进人高压压缩机4入口完成循环。
本发明的双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，实现了在低温环境下，通过双级压缩中间补气提高高压压缩机中工质的质量流量，从而提升系统COP。同时降低回水温度对系统的影响，避免因回水温度过高要求气体冷却器排气温度过高，导致系统COP的降低。
上述双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统中仅体现了主要的制冷部件，其他辅助部件，比如阀门件和压力容器等均未示出。
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)

1.一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，包括蒸发器(1)、低压压缩机(2)、中间冷却器(3)、高压压缩机(4)、气体冷却器(5)、第一回热器(6)、第一膨胀阀(7)、第二回热器(8)、第三回热器(9)、第二膨胀阀(10)、分流器(11)、三通阀(12)、第一气液分离器(13)、第二气液分离器(14)、第一油分离器(15)、第二油分离器(16)；
其中，所述第一回热器(6)、第二回热器(8)、第三回热器(9)均包括蒸发侧入口、蒸发侧出口、冷却侧入口、冷却侧出口；所述分流器(11)包括入口、第一出口、第二出口；所述三通阀(12)包括第一入口、第二入口、出口；
所述蒸发器(1)的出口与所述第三回热器(9)的蒸发侧入口连接，所述第三回热器(9)的蒸发侧出口与所述第一气液分离器(13)的入口连接，所述第一气液分离器(13)的出口与所述低压压缩机(2)的入口连接，所述低压压缩机(2)的出口与所述第一油分离器(15)的入口连接，所述第一油分离器(15)的出口与所述中间冷却器(3)的入口连接，所述中间冷却器(3)的出口与所述三通阀(12)的第一入口连接，所述三通阀(12)的出口与所述高压压缩机(4)的入口连接，所述高压压缩机(4)的出口与所述第二油分离器(16)的入口连接，所述第二油分离器(16)的出口与所述气体冷却器(5)的入口连接，所述气体冷却器(5)的出口与所述第一回热器(6)的冷却侧入口连接，所述第一回热器(6)的冷却侧出口与所述分流器(11)的入口连接；
所述分流器(11)的第一出口与所述第二回热器(8)的冷却侧入口连接，所述第二回热器(8)的冷却侧出口与所述第三回热器(9)的冷却侧入口连接，所述第三回热器(9)的冷却侧出口与所述第二膨胀阀(10)的入口连接，所述第二膨胀阀(10)的出口与所述蒸发器(1)的入口连接；
所述分流器(11)的第二出口与所述第一膨胀阀(7)的入口连接，所述第一膨胀阀(7)的出口与所述第二回热器(8)的蒸发侧入口连接，所述第二回热器(8)的蒸发侧出口与所述第一回热器(6)的蒸发侧入口连接，所述第一回热器(6)的蒸发侧出口与所述第二气液分离器(14)的入口连接，所述第二气液分离器(14)的出口与所述三通阀(12)的第二入口连接；
所述分流器(11)将系统分为主回路和补气回路两个并联支路；所述蒸发器(1)、所述第三回热器(9)、所述第一气液分离器(13)、所述低压压缩机(2)、所述第一油分离器(15)、所述中间冷却器(3)、所述三通阀(12)、所述高压压缩机(4)、所述第二油分离器(16)、所述气体冷却器(5)、所述第一回热器(6)、所述分流器(11)、所述第二回热器(8)、所述第二膨胀阀(10)构成主回路；所述三通阀(12)、所述高压压缩机(4)、所述第二油分离器(16)、所述气体冷却器(5)、所述第一回热器(6)、所述分流器(11)、所述第一膨胀阀(7)、所述第二回热器(8)、所述第二气液分离器(14)构成补气回路。
2.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，所述第一回热器(6)和所述第二回热器(8)将所述补气回路中的CO2工质回热到过热工况，与所述中间冷却器(3)出口的所述主回路的CO2工质在所述三通阀(12)中混合补气。
3.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，所述第一回热器(6)、所述第二回热器(8)、所述第三回热器(9)选用套管式换热器、板式换热器、层积式换热器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，所述低压压缩机(2)和所述高压压缩机(4)选用活塞式压缩机、转子式压缩机、涡旋式压缩机中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，所述第一膨胀阀(7)和所述第二膨胀阀(10)选用热力膨胀阀、电子膨胀阀中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，所述蒸发器(1)选用管翅式蒸发器、平行流式蒸发器、管壳式蒸发器中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，所述中间冷却器(3)和所述气体冷却器(5)选用管翅式气体冷却器、套管式气体冷却器、板式气体冷却器中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，所述第一膨胀阀(7)用于使补气压力与中间冷却器(3)出口压力相同。
9.根据权利要求1所述的一种双级压缩中间补气CO2三级回热冷却热泵/制冷系统，其特征在于，系统外部流体与所述中间冷却器(3)换热之后再与所述气体冷却器(5)换热形成串联换热；或者系统外部流体与所述气体冷却器(5)换热之后再与所述中间冷却器(3)换热形成串联换热；或者系统外部流体分成两路分别与所述中间冷却器(3)和所述气体冷却器(5)形成并联换热。
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