CN110470073B - 一种二氧化碳热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳热泵系统，包括气侧主回路,所述气侧主回路包括通过管路连接的压缩机、高压油分器、气体冷却器、回热器、节流装置、蒸发器，该二氧化碳热泵系统还包括高压回油回路，所述高压回油回路包括通过管路与高压油分器连接的第三电磁阀，第三电磁阀的出口分为两个并联支路，第一支路包括通过管路连接的第四电磁阀和第三毛细管，第二支路包括连接在第二支路管路上的换热器，两个并联支路共同汇至压缩机进口。本发明采用高压油分离器将制冷剂与冷冻油分离，使气体冷却器中含油量减少，可以提升换热效果，从而提升系统制热量和能效。

Description

一种二氧化碳热泵系统
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体涉及二氧化碳热泵。
背景技术
二氧化碳制冷剂作为第四代制冷剂具有环保、无毒、不燃的特点，二氧化碳热泵也具有高温出水、低环境温度下高效制热的特点，具有很好的市场前景。
目前各企业与机构都在相继推出相关产品，主要的技术路线如图1所示，主要采用传统的制热系统，虽然简单，但换热器因含有冷冻油，换热效果不理想；相关学者研究表明二氧化碳热泵系统应用回热器是视工况条件而定，有些工况下起正作用能增加系统能效，而在另一些工况下起负作用会降低系统能效，现有方案中要么不用回热器，要么一直应用回热器，系统能效并未达到最优。二氧化碳热泵系统停机静态压力高，特别高环境温度或高进水温度下，停机后系统低压侧压力会比较高，增加低压侧部件承压等级和制作成本。另外压缩机吸气口有时会在因系统控制或除霜控制不佳时会带液，这样直接影响压缩机的使用寿命。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可改善换热效果的二氧化碳热泵系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种二氧化碳热泵系统，包括气侧主回路,所述气侧主回路包括通过管路连接的压缩机、高压油分器、气体冷却器、回热器、节流装置、蒸发器，该二氧化碳热泵系统制热运行时，压缩机压缩制冷剂为高温高压气体并送入高压油分器，高压油分器将冷冻油分离出，制冷剂气体从高压油分器分离后进入气体冷却器换热后变成低温高压气体或液体，然后进入回热器，出回热器后再进入节流装置变成低压低温液体或气液两相，然后进入蒸发器变成低压过热气体，该二氧化碳热泵系统还包括高压回油回路，所述高压回油回路包括通过管路与高压油分器连接的第三电磁阀，第三电磁阀的出口分为两个并联支路，第一支路包括通过管路连接的第四电磁阀和第三毛细管，第二支路包括连接在第二支路管路上的换热器，两个并联支路共同汇至压缩机进口。
优选的，该二氧化碳热泵系统还包括水侧回路，所述水侧回路包括第一回路和第二回路，所述第一回路包括通过管路连接的第五电磁阀、水泵、调节阀，所述第二支路包括通过管路与水泵连接的第六电磁阀、第七电磁阀，所述第五电磁阀和第六电磁阀分别设于第一回路和第二回路的进口端来控制进水，所述调节阀与换热器进口连接，所述第七电磁阀和换热器与气体冷却器进口连接。
优选的，所述水侧回路包括两种工作状态：
(1)进水温度低时，第一回路运行，第二回路关闭，进水依次通过第五电磁阀、水泵、调节阀、换热器，在换热器中加热提高温度，最后进入气体冷却器；
(2)进水温度高时，第一回路关闭，第二回路运行，进水依次通过第六电磁阀、水泵、第七电磁阀，最后进入气体冷却器。
优选的，该二氧化碳热泵系统还包括在回热器出口和节流装置入口之间设置的缓冲装置，在系统停机时制冷剂暂存在缓冲装置中。
优选的，所述缓冲装置包括第八电磁阀和缓冲罐，系统停机时，第八电磁阀关，通过缓冲罐存储部分高压气体，系统开机时打开第八电磁阀。
优选的，该二氧化碳热泵系统还包括热气旁通回路，所述热气旁通回路包括通过管路连接在高压油分器与蒸发器之间的第一电磁阀和第一毛细管。
优选的，该二氧化碳热泵系统还包括热气补充回路，所述热气补充回路包括通过管路连接在高压油分器与压缩机之间的第二电磁阀和第二毛细管。
优选的，在除霜运行时，制冷剂流经热气旁通回路，且制冷剂流向是高压油分离器、第一电磁阀、第一毛细管，最后至蒸发器进口；同时制冷剂流经热气补充回路，且制冷剂流向是高压油分离器、第二电磁阀、第二毛细管，最后至压缩机进口。
优选的，所述气侧主回路还包括三通换向阀、回热器、气液分离器，从蒸发器出来的低压过热气体由三通换向阀切换流向，或者经三通换向阀后进入回热器回至气液分离器，再至压缩机进口；或者经三通换向阀后直接通过管路至气液分离器，再至压缩机进口。
优选的，所述节流装置是膨胀阀、节流孔板、毛细管其中之一，或者是膨胀阀、节流孔板、毛细管串并联组合的任一结构。
本发明采用上述技术方案后，具有如下有益效果：
1、采用高压油分离器将制冷剂与冷冻油分离，使气体冷却器中含油量减少，可以提升换热效果，从而提升系统制热量和能效。
2、水侧回路具有第一回路和第二回路，分别进冷水和热水，并通过对应的电磁阀控制开关，进冷水时，通过换热器可以降低油温提升水温，可以充分利用冷冻油的热量，使热量最大化利用。
3、在回热器出口和节流装置入口之间设置的缓冲装置，在系统停机时制冷剂暂存在缓冲装置中，降低系统低压侧的压力。
4、设有热气旁通回路，用于热泵热气旁通除霜。
5、设有热气补充回路，在除霜运行时，用于防止压缩机回气管路带液。
6、通过三通换向阀切换流向，可以根据工况选择是否使用回热器，使系统能效达到最优。
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是传统的二氧化碳热泵制热系统结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
1-压缩机、2-高压油分器、3-气体冷却器、4-回热器、5-节流装置、6-蒸发器、7-三通换向阀、8-气液分离器、9-第一电磁阀、10-第一毛细管、11-第二电磁阀、12-第二毛细管、13-第三电磁阀、14-第四电磁阀、15-第三毛细管、16-换热器、17-第五电磁阀、18-第六电磁阀、19-水泵、20-调节阀、21-第七电磁阀、22-第八电磁阀、23-缓冲罐。
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2所示，一种二氧化碳热泵系统，包括气侧主回路,所述气侧主回路包括通过管路连接的压缩机1、高压油分器2、气体冷却器3、回热器4、节流装置5、蒸发器6，该二氧化碳热泵系统制热运行时，压缩机1压缩制冷剂为高温高压气体并送入高压油分器2，高压油分器2将冷冻油分离出，制冷剂气体从高压油分器2分离后进入气体冷却器3(流动方向为e、f口))换热后变成低温高压气体或液体，然后进入回热器4(流动方向为i、j口)，出回热器后再进入节流装置5变成低压低温液体或气液两相，然后进入蒸发器6变成低压过热气体。
为了克服换热器因含有冷冻油，换热效果不理想的缺陷，本实施例中，二氧化碳热泵系统还包括高压回油回路，所述高压回油回路包括通过管路与高压油分器2连接的第三电磁阀13，第三电磁阀13的出口分为两个并联支路，第一支路包括通过管路连接的第四电磁阀14和第三毛细管15，第二支路包括换热器16，两个并联支路共同汇至压缩机1进口。
该二氧化碳热泵系统还包括水侧回路，所述水侧回路包括第一回路和第二回路，所述第一回路包括通过管路连接的第五电磁阀17、水泵19、调节阀20，所述第二支路包括通过管路与水泵19连接的第六电磁阀18、第七电磁阀21，所述第五电磁阀17和第六电磁阀18分别设于第一回路和第二回路的进口端，用于控制进水，所述调节阀20与换热器16进口连接，所述第七电磁阀21和换热器16与气体冷却器3进口连接。
上述的系统水侧回路顺序分两种情况运行：
(1)进水温度低时，第一回路运行，第二回路关闭，进水依次通过第五电磁阀17、水泵19、调节阀20、换热器16(流动方向为c、d口)、气体冷却器3(流动方向为g、h口)，可以实现进水温度低时，通过换热器16提升进水温度，充分吸收冷冻油的热量，提升系统能效。
(2)进水温度高时，第一回路关闭，第二回路运行，进水依次通过第六电磁阀18、水泵19、第七电磁阀21，最后进入气体冷却器3(流动方向为g、h口)，可以实现进水温度高时循环加热。
两个回路是根据进水温度来切换，区分温度高低可以预先设定，使热泵系统可以一次直热运行(低温小流量)和保温运行(高温大流量)。
根据上述分析可以知道，上述的高压回油回路用于将高压油分离器2分离出来冷冻油通过上述两个并联支路减压降温回至压缩机1进口，同时可以通过换热器16降低冷冻油的温度并提升进水温度，可以充分利用冷冻油的热量。
其中，
(1)当进水温度较低时，第三电磁阀13开、第四电磁阀14关，冷冻油通过换热器16(流动方向为a、b口)与换热器水侧(流动方向为c、d口)换热从而降低油温，进入压缩机1进口。
(2)当进水温度较高时，第四电磁阀14开，通过第三毛细管15与空气换热从而降低油温，再进入压缩机1进口。
综上，本发明采用高压油分离器2，将制冷剂与冷冻油分离，使气体冷却器3中含油量减少可以提升换热效果，从而提升系统制热量和能效，另外通过换热器16可以降低油温提升水温，热量最大化利用，最后通过第四电磁阀14开关来切换，使冷冻油分别能通过水冷却或空气冷却实现。
为了克服现有技术方案中要么不用回热器，要么一直应用回热器，系统能效并未达到最优的缺陷。所述气侧主回路还包括三通换向阀7、气液分离器8，从蒸发器6出来的低压过热气体由三通换向阀7切换流向，或者经三通换向阀7(流动方向为m、n口)后进入回热器4(流动方向k、l口)回至气液分离器8，再至压缩机1进口；或者经三通换向阀7(流动方向为m、o口)后直接通过管路至气液分离器8，再至压缩机1进口。
举例说明但不限于此工况情况：进水温度高于环境温度时，当进入气体冷却器3(流动方向为g、h口)的水温偏高直接影响气体冷却器3(流动方向为e、f口)出口f的温度偏高，如果不设置回热器4，直接节流，制冷量少，系统能效偏低；如果切换到情况(1)，回热器4(流动方向i、j口)与回热器4(流动方向为k、l口)热交换后，使回热器4(流动方向为i、j口)出口制冷剂焓值增加，节流后制冷量增加，系统能效增加。而当进水温度低和环境温度高时，此蒸发温度高于气体冷却器3出口温度，如果经过回热器4就会增加回热器4的j出口温度，减少制冷剂焓值，从而减少制冷量，系统能效偏低，此时就需要切换三通换向阀7(流动方向为m、o口)，不使用回热器。此方案可在不同工况下，运用三通换向阀7切换，使系统可选择是否使用回热器4，使系统在全工况下能效COP最优，解决了无回热器或固定使用回热器不可切换的问题和系统全年能效不高的问题。
为了解决热泵除霜问题，该二氧化碳热泵系统还可以包括热气旁通回路，所述热气旁通回路包括通过管路连接在高压油分器2与蒸发器6之间的第一电磁阀9和第一毛细管10，热气旁通回路是用于热泵热气旁通除霜。
进一步的，为了解决压缩机吸气口有时会在因系统控制或除霜控制不佳时会带液，影响压缩机的使用寿命的问题。该二氧化碳热泵系统还包括热气补充回路，所述热气补充回路包括通过管路连接在高压油分器2与压缩机1之间的第二电磁阀11和第二毛细管12。在除霜运行时，制冷剂流经热气旁通回路，且制冷剂流向是高压油分离器2、第一电磁阀9、第一毛细管10，最后至蒸发器6进口；同时制冷剂流经热气补充回路，且制冷剂流向是高压油分离器2、第二电磁阀11、第二毛细管12，最后至压缩机1进口。因此解决了由于除霜时，蒸发器出口过热控制不佳带液对压缩机寿命的影响，通过热气补充，使压缩机1进口管路不带液，保证压缩机可靠运行。
为了解决系统停机静态压力高，增加低压侧部件承压等级和制作成本的技术问题。该二氧化碳热泵系统还可以进一步包括在回热器4出口和节流装置5入口之间设置的缓冲装置，所述缓冲装置包括第八电磁阀22和缓冲罐23，系统停机时，第八电磁阀22关，通过缓冲罐23存储部分高压气体，系统开机时打开第八电磁阀22。这样使系统停机时低压侧制冷剂容量减少，减少因环境温度升高使压力升高的风险，减少低压侧部件的承压等级和制造成本。
本领域技术人员可以理解的是，上述的节流装置可以是常用的膨胀阀、节流孔板、毛细管其中之一，或者也可以是膨胀阀、节流孔板、毛细管串并联组合的任一结构。
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)

1.一种二氧化碳热泵系统，包括气侧主回路,所述气侧主回路包括通过管路连接的压缩机、高压油分器、气体冷却器、回热器、节流装置、蒸发器，该二氧化碳热泵系统制热运行时，压缩机压缩制冷剂为高温高压气体并送入高压油分器，高压油分器将冷冻油分离出，制冷剂气体从高压油分器分离后进入气体冷却器换热后变成低温高压气体或液体，然后进入回热器，出回热器后再进入节流装置变成低压低温液体或气液两相，然后进入蒸发器变成低压过热气体，其特征在于，该二氧化碳热泵系统还包括高压回油回路，所述高压回油回路包括通过管路与高压油分器连接的第三电磁阀，第三电磁阀的出口分为两个并联支路，第一支路包括通过管路连接的第四电磁阀和第三毛细管，第二支路包括连接在第二支路管路上的换热器，两个并联支路共同汇至压缩机进口，通过第四电磁阀开关来切换，使得冷冻油分别能通过水冷却或空气冷却实现；该二氧化碳热泵系统还包括水侧回路，所述水侧回路包括第一回路和第二回路，所述第一回路包括通过管路连接的第五电磁阀、水泵、调节阀，所述第二回路包括通过管路与水泵连接的第六电磁阀、第七电磁阀，所述第五电磁阀和第六电磁阀分别设于第一回路和第二回路的进口端来控制进水，所述调节阀与换热器进口连接，所述第七电磁阀和换热器与气体冷却器进口连接。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述水侧回路包括两种工作状态：
(1)进水温度低时，第一回路运行，第二回路关闭，进水依次通过第五电磁阀、水泵、调节阀、换热器，在换热器中加热提高温度，最后进入气体冷却器；
(2)进水温度高时，第一回路关闭，第二回路运行，进水依次通过第六电磁阀、水泵、第七电磁阀，最后进入气体冷却器。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：该二氧化碳热泵系统还包括在回热器出口和节流装置入口之间设置的缓冲装置，在系统停机时制冷剂暂存在缓冲装置中。
4.根据权利要求3所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述缓冲装置包括第八电磁阀和缓冲罐，系统停机时，第八电磁阀关，通过缓冲罐存储部分高压气体，系统开机时打开第八电磁阀。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：该二氧化碳热泵系统还包括热气旁通回路，所述热气旁通回路包括通过管路连接在高压油分器与蒸发器之间的第一电磁阀和第一毛细管。
6.根据权利要求5所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：该二氧化碳热泵系统还包括热气补充回路，所述热气补充回路包括通过管路连接在高压油分器与压缩机之间的第二电磁阀和第二毛细管。
7.根据权利要求6所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：在除霜运行时，制冷剂流经热气旁通回路，且制冷剂流向是高压油分离器、第一电磁阀、第一毛细管，最后至蒸发器进口；同时制冷剂流经热气补充回路，且制冷剂流向是高压油分离器、第二电磁阀、第二毛细管，最后至压缩机进口。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述气侧主回路还包括三通换向阀、气液分离器，从蒸发器出来的低压过热气体由三通换向阀切换流向，或者经三通换向阀后进入回热器回至气液分离器，再至压缩机进口；或者经三通换向阀后直接通过管路至气液分离器，再至压缩机进口。
9.根据权利要求8所述的一种二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述节流装置是膨胀阀、节流孔板、毛细管其中之一，或者是膨胀阀、节流孔板、毛细管串并联组合的任一结构。
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