CN110220326B - 一种超低温空气制取高温热水自动变负荷空气源热泵 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了超低温空气制取高温热水自动变负荷空气源热泵，属于电动热泵应用范畴。配备有变工质充注量和变工质配比的两级汽液分离器和储液罐，其可以工作在超低温空气（‑40℃以下）制取高温热水（80℃以上）满足供热及工艺生产用热水的需求，该热泵采用高压级氟利昂循环、低压级氟利昂循环和工质分离及充注循环，该热泵采用混合工质，可以根据不同的室外温度改变循环工质的流量以及改变混合工质的配比，该热泵解决了严寒地区的空气源热泵应用性能过低的难题，并且具有较好的运行能耗。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，特别是涉及超低温空气(-40℃以下)制 取高温热水(80℃以上)的自动变负荷的空气源热泵。
背景技术
空气源热泵技术作为一种节能技术已经越来越得到推广应用，空气源热泵 可以从室外低温空气中提取热量给房间供热，由于其COP(性能系数)大于1， 所以1份电力可以产生高于1份的热量，所以相比电锅炉等方式具有显著的性能优势，但由空气源热泵循环限制，当室外空气温度降低时，在保持相同热水出 口温度情况下热泵的COP会显著降低，尤其是极寒天气(-30℃)以下常规空气 源热泵的COP接近于1，所以热泵的制热量显著减少，而极寒天气下房间所应需 的供热量更多，而此时热泵的供热量减少导致其不能满足房间的供热需求。
由于在整个采暖季过程中，室外的空气温度变化较为显著，导致房间供热 所需负荷以及热泵的供热量产生显著变化，而随着室外温度下降，房间需要的 供热量增加，而热泵的实际供热量却不断下降，由于现有空气源热泵的内部氟 利昂工质充注量为定值，因此随着热泵COP的下降其供热量也相应下降，因此本申请提出一种针对严寒地区适用的空气源热泵技术，采用两级压缩和变工质 循环量变工质配比的空气源热泵。
发明内容
该发明提出了一种两级空气源热泵，配备有变工质充注量和变工质配比的 两级汽液分离器和储液罐，其可以工作在超低温空气(-40℃以下)制取高温 热水(80℃以上)满足供热及工艺生产用热水的需求，该热泵采用高压级氟利 昂循环、低压级氟利昂循环和工质分离及充注循环，设置双相变换热器，低压 级蒸发器从空气中提取热量，通过双相变换热器将低压级循环提取的空气热量 释放给高压级循环，最终通过高压级循环的冷凝器加热热水。该空气源热泵采 用混合工质，能够在换热温差较大的工况下获得更好的COP，为了匹配不同使 用时间的变化较大的室外空气温度，通过改变混合工质的循环量和配比的方法，一方面改变热泵的换热量，满足在不同室外温度下的不同的热负荷需求； 另一方面改变循环工质的配比，获得在不同室外温度下更好的COP，以获得在 该负荷下更低的耗电量。该热泵所采用的混合工质由两种、三种或者四种纯质 氟利昂配制而成，其中纯质氟利昂的沸点不同。在室外空气温度较高时，用户 所需的热负荷较低时，开启高压和低压分离阀门，高压和低压循环的氟利昂循环工质的一部分进入汽液分离器，在汽液分离器中气相从顶部离开返回继续循 环，液相从底部离开而进入储液装置，由于混合工质中的纯质工质沸点不同， 在气相中沸点低的成分较高，在液相中沸点高的成分较高，所以该汽液分离器 不仅实现了降低混合工质中高沸点浓度的比例，也实现了将部分循环工质分离 出循环的效果，从而改变了工质配比和循环量，减小了热泵的负荷。在室外空 气温度较低时，用户所需热负荷较高，该热泵需要更多的工质循环量，此时，关闭高压和低压分离阀门，为了能够使得储液装置中的储存的氟利昂返回系统 继续循环，采用部分制取的热水旁通给储液装置加热的方式，加热储液装置的 液态氟利昂使之变成蒸汽，再由高压和低压充注阀门控制往高压级循环和低压 级循环的充注量，由于循环的工质量增加，热泵所制取的热量有所上升，同时 充注后也改变了循环工质的组分配比，更加适配该工况，虽然室外温度产生了 较大的变化，也能获得较为优越的COP。
该空气源热泵制热过程由高压级循环和低压级循环构成，高压级循环包括 高压压缩机1、冷凝器2、高压节流阀9和双相变换热器4以及连接管路构成，低 压级循环包括低压压缩机3、蒸发器5、低压节流阀6和双相变换热器4以及连接 管路构成，完成高压级循环和低压级循环衔接的为双相变换热器4，低压级循 环的氟利昂介质在其中释放热量，高压级循环的氟利昂介质在其中吸收热量。超低温空气通过空气入口17进入蒸发器5后被提取热量后由空气出口18离开， 热水由热水入口19进入冷凝器2被加热后从热水出口20离开。
高压级循环中混合工质在双相变换热器4中被加热为蒸汽状态，该氟利昂 蒸汽进入高压压缩机1被压缩，升温升压后的氟利昂蒸汽进入冷凝器2加热热水后变成液态的氟利昂，液态的氟利昂再经过高压节流阀9后变成汽液混合物进 入双相变换热器4，吸收热量后变成汽态氟利昂，如此往复循环。
低压级循环中混合工质在蒸发器5被室外空气加热变成氟利昂蒸汽，该氟 利昂蒸汽进入低压压缩机3后被压缩，升温升压后进入双相变换热器4后释放热量变成液态氟利昂，然后再进入低压节流阀6后变成汽液混合物，再进入蒸发 器5被室外空气加热后变成氟利昂蒸汽，如此往复循环。
该空气源热泵还包含高压分离器10、低压分离器7、储液装置8、高压分离 阀门13、低压分离阀门16、高压充注阀门14和低压充注阀门15和连接管路构成。
循环工质分离的原理为：在高压级循环中，混合工质离开冷凝器2为液态， 部分循环工质经过高压分离阀门13，其余循环工质经过高压节流阀9继续循环， 液态的循环工质经过高压分离阀门13后减温减压进入汽液两相区，变成汽液混 合物后进入高压分离器10，高压分离器10内安装有螺旋状填充物，汽液混合物在螺旋状填充物中流动的过程中汽液混合物逐渐分离，由于循环工质由沸点不 同的氟利昂配制而成，分离的气相中沸点低的氟利昂成分较高，而分离后的液 相中沸点高的氟利昂成分较高，分离后的气相返回继续循环，而分离后的液相 进入储液装置8进行储存，完成该分离过程后不仅实现了循环工质量的减少， 同时改变了循环工质的成分配比，该过程适用于室外温度较高，用户热负荷较小的工况。
循环工质充注的原理为：部分所制取的热水经过储液加热阀门12用于加热 储存在储液装置8中的液态氟利昂，液态氟利昂被加热变成蒸汽，然后再经过 高压充注阀门14和低压充注阀门15进入到热泵循环压缩机入口处，充注的量可以通过调节阀门开度控制，完成该充注过程后，不仅实现了循环工质量的增加， 同时改变了循环工质的成分配比，该过程适用于室外温度较低时，用户热负荷 较大的工况。
附图说明
图1是一种超低温空气制取高温热水自动变负荷空气源热泵流程 示意图。
图2是分离器结构图。
附图标记：
1-高压压缩机，2-冷凝器，3-低压压缩机，4-双相变换热器，5-蒸发器， 6-低压节流阀，7-低压分离器，8-储液装置，9-高压节流阀，10-高压分离器，11-热水阀门，12-储液加热阀门，13-高压分离阀门，14-高压充注阀门，15-低压充注阀门，16-低压分离阀门，17-空气入口，18-空气出口，19-热水入口， 20-热水出口
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中， 自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的 元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通 过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
该空气源热泵采用R134a和R142b作为混合组分的循环工质，两种组分的 摩尔比例为0.5：0.5，这两种工质的沸点不同，在标准大气压下，R134a的沸 点为-26.1℃，R142b的沸点为-9.3℃，R134a属于低沸点工质，R142b属于高 沸点工质。
该热泵采用高压级氟利昂压缩和低压级氟利昂压缩两级循环，设置双相变 换热器，低压级蒸发器从空气中提取热量，通过双相变换热器将低压级循环提 取的空气热量释放给高压级循环，最终通过高压级循环的冷凝器加热热水。该 空气源热泵采用R134a和R142b的混合工质，能够在换热温差较大的工况下获得 更好的COP，为了匹配不同使用时间的变化较大的室外空气温度，通过改变 R134a和R142b混合工质的循环量和配比的方法，一方面改变热泵的换热量，满足在不同室外温度下的不同的热负荷需求；另一方面改变循环工质的配比，获 得在不同室外温度下更好的COP，以获得在该负荷下更低的耗电量。
在室外空气温度较高时，用户所需的热负荷较低时，开启高压和低压分离 阀门，高压和低压循环的R134a和R142b混合工质的一部分进入汽液分离器，在 汽液分离器中气相从顶部离开返回继续循环，液相从底部离开而进入储液装 置，由于R134a和R142b混合工质中的两种工质沸点不同，在气相中沸点低的 R134a成分较高，在液相中沸点高的R142b成分较高，所以该汽液分离器不仅实现了降低混合工质中R142b浓度的比例，也实现了将部分循环工质分离的效果， 从而改变工质配比和循环量，减小了热泵的负荷。在室外空气温度较低时，用 户所需热负荷较高，该热泵需要更多的工质循环量，此时，关闭高压和低压分离阀门，为了能够使得储液装置中的储存的氟利昂返回系统继续循环，采用部 分制取的热水旁通给储液装置加热的方式，加热储液装置的液态氟利昂使之变成蒸汽，再由高压和低压充注阀门控制往高压级循环和低压级循环的充注量， 由于循环的工质量增加，热泵所制取的热量有所上升，同时充注后也改变了循 环工质的组分配比，更加适配该工况，虽然室外温度产生了较大的变化，也能 获得较为优越的COP。
该空气源热泵制热过程由高压级循环和低压级循环构成，高压级循环包括 高压压缩机1、冷凝器2、高压节流阀9和双相变换热器4以及连接管路构成，低 压级循环包括低压压缩机3、蒸发器5、低压节流阀6和双相变换热器4以及连接 管路构成，完成高压级循环和低压级循环衔接的为双相变换热器4，低压级循 环的氟利昂介质在其中释放热量，高压级循环的氟利昂介质在其中吸收热量。超低温空气通过空气入口17进入蒸发器5后被提取热量后由空气出口18离开， 热水由热水入口19进入冷凝器2被加热后从热水出口20离开。
高压级循环中混合工质R134a和R142b在双相变换热器4中被加热为蒸汽状 态，该R134a和R142b蒸汽进入高压压缩机1被压缩，升温升压后的R134a和R142b 蒸汽进入冷凝器2加热热水后R134a和R142b混合物变成液态，液态的R134a和 R142b混合物再经过高压节流阀9后变成汽液混合物进入双相变换热器4，吸收 热量后变成汽态R134a和R142b混合物，如此往复循环。
低压级循环中R134a和R142b混合物在蒸发器5被室外空气加热变成R134a 和R142b混合物蒸汽，该氟利昂蒸汽进入低压压缩机3后被压缩，升温升压后进 入双相变换热器4后释放热量变成液态，然后再进入低压节流阀6后变成汽液 R134a和R142b混合物，再进入蒸发器5被室外空气加热后变成R134a和R142b混 合物蒸汽，如此往复循环。
该空气源热泵还包含高压分离器10、低压分离器7、储液装置8、高压分离 阀门13、低压分离阀门16、高压充注阀门14和低压充注阀门15和连接管路构成。
循环工质分离的原理为：在高压级循环中，R134a和R142b混合物离开冷凝 器2为液态，部分循环工质经过高压分离阀门13，其余循环工质经过高压节流 阀9继续循环，液态的R134a和R142b混合物经过高压分离阀门13后减温减压进 入汽液两相区，变成汽液混合物后进入高压分离器10，高压分离器10内安装有 螺旋状填充物，汽液混合物在螺旋状填充物表面流动的过程中R134a和R142b 混合物汽相和液相逐渐分离，分离的气相中沸点低的R134a成分较高，而分离 后的液相中沸点高的R142b成分较高，分离后的气相返回继续循环，而分离后 的液相进入储液装置8进行储存，完成该分离过程后不仅实现了循环工质量的 减少，同时改变了循环工质的成分配比，该过程适用于室外温度较高，用户热 负荷较小的工况。
循环工质充注的原理为：部分所制取的热水经过储液加热阀门12用于加热 储存在储液装置8中的液态R134a和R142b混合物，液态R134a和R142b混合物被 加热变成蒸汽，然后再经过高压充注阀门14和低压充注阀门15进入到热泵循环压缩机入口处，充注的R134a和R142b混合物数量可以通过调节阀门开度控制， 完成该充注过程后，不仅实现了循环工质量的增加，同时改变了循环工质的成 分配比，该过程适用于室外温度较低时，用户热负荷较大的工况。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人 员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对 其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案 的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种超低温空气制取高温热水自动变负荷空气源热泵，其特征在于：空气源热泵由高压级循环、低压级循环和循环工质分离及充注循环构成，循环工质为混合工质，高压级循环包括高压压缩机(1)、冷凝器(2)、高压节流阀(9)和双相变换热器(4)以及连接管路构成，低压级循环包括低压压缩机(3)、蒸发器(5)、低压节流阀(6)和双相变换热器(4)以及连接管路构成，完成高压级循环和低压级循环衔接的为双相变换热器(4)，低压级循环的氟利昂介质在其中释放热量，高压级循环的氟利昂介质在其中吸收热量，循环工质分离及充注循环包括高压分离器(10)、低压分离器(7)、储液装置(8)、高压分离阀门(13)、低压分离阀门(16)、高压充注阀门(14)、低压充注阀门(15)、储液装置(8)加热回路以及连接管路构成；高压级循环和低压级循环的混合工质分离过程为：在高压级循环中，液态的混合工质在进入高压节流阀(9)前部分工质经过高压分离阀门(13)后进入高压分离器(10)，控制高压分离阀门(13)的开度，实现经过高压分离阀门(13)的混合工质进入汽液两相区，气相混合物从高压分离器(10)顶部离开，与经过高压节流阀(9)的循环工质进行混合后继续循环，高压分离器(10)的液相混合工质从底部离开进入储液装置(8)，在低压级循环中，液态的混合工质在进入低压节流阀(6)前部分工质经过低压分离阀门(16)后进入低压分离器(7)，控制低压分离阀门(16)的开度，实现经过低压分离阀门(16)的混合工质进入汽液两相区，气相混合物从低压分离器(7)顶部离开，与经过低压节流阀(6)的循环工质进行混合后继续循环，低压分离器(7)的液相混合工质从底部离开进入储液装置(8)，由于混合工质的组成成分沸点不同，在分离的气相中低沸点的组分比例较大，在分离的液相中高沸点的组分比例较大，经过该分离过程，实现了循环工质的减少以及改变循环工质成分比例的目的；高压级循环和低压级循环的混合工质充注过程为：关闭高压分离阀门(13)和低压分离阀门(16)，开启储液加热阀门(12)，所制取的热水的部分用于加热储液装置(8)的液态混合工质使之变成气相，气相的混合工质同时充注给高压级循环和低压级循环，通过控制高压充注阀门(14)和低压充注阀门(15)开度控制高压级循环和低压级循环各自的充注量和循环工质配比；
在循环工质分离过程中，高压级循环和低压级循环的液态混合工质在进入高压节流阀(9)和低压节流阀(6)之前被部分分离，经过高压分离阀门(13)和低压分离阀门(16)后变成汽液混合物，通过控制高压分离阀门(13)和低压分离阀门(16)的开度控制进入分离器的工质总量和汽液混合物中的气相和液相的比例；在循环工质充注过程中，储液装置(8)所产生的汽态混合工质同时充注到高压压缩机(1)和低压压缩机(3)的入口处，通过控制高压充注阀门(14)和低压充注阀门(15)的开度控制高压级循环和低压级循环各自所需的充注量和循环工质的配比；
高压分离器(10)和低压分离器(7)内安装具有螺旋表面的立柱，汽液混合物在螺旋状表面流动过程中不断汽液分离，气相从分离器顶部离开，液相从分离器底部离开。
2.根据权利要求1所述的一种超低温空气制取高温热水自动变负荷空气源热泵，其特征在于：高压级循环和低压级循环的混合工质为两元、三元或者四元纯质工质混合而成；所用纯质工质为碳氟化合物或自然工质。
3.根据权利要求1所述的一种超低温空气制取高温热水自动变负荷空气源热泵，储液装置(8)的加热热源为所制取的热水的部分旁通进行加热。
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