CN111102761B - 一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，属于温控技术领域，包括：气源热泵模块、泵驱两相模块及两个换热器；两个换热器分别为第一换热器和第二换热器；所述第一换热器和第二换热器内均设有两个换热通道，分别为第一换热通道和第二换热通道；所述泵驱两相模块包括：氟泵、第二四通阀、第二调节阀及末端换热装置；所述气源热泵模块与第一换热器的第一换热通道的两端连接，并与第二换热器的第一换热通道的两端连接；气源热泵模块通过第一换热器和第二换热器与泵驱两相模块进行热交换；本发明采用气源热泵模块、泵驱两相模块相耦合的方式，解决了气源热泵模块冬季低压端过冷导致系统能效低的问题。

Description

一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统
技术领域
本发明属于温控技术领域，具体涉及一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统。
背景技术
按照室内热湿负荷所用的介质不同，空调系统通常分为全空气系统、水-空气系统、制冷剂-空气系统。
博物馆、美术馆、数据中心等场合对环境有安全性和可靠性要求较高，空调系统在不间断运行的同时，还必须保证空调输水管不能出现腐蚀穿孔、腐蚀开裂等现象，一旦有水喷溅，将会对文物造成无法挽回的损失。对于安全性较高的场合，通常只能使用制冷剂-空气系统。
制冷剂-空气系统通常采用气源热泵，气源热泵制热量随着室外环境温度的降低而减少，当环境温度低于-10℃时，通常情况下制热性能衰减超过30％，吸气压力过低导致压缩机易损坏，影响系统使用寿命。此外，由于管路里面有制冷剂和润滑油，管路长度有限，压缩机回油困难，因此系统机组通常比较小，只适应于小规模场合。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，采用气源热泵模块、泵驱两相模块相耦合的方式，解决了气源热泵模块冬季低压端过冷导致系统能效低的问题；气源热泵模块和泵驱两相模块均采用无腐蚀的工质，具有较高在可靠性，且相比水系统，采用高效泵驱两相模块，具有明显的节能特点；此外，该装置大小不受管路长度限制，冷媒管路没润滑油，解决了冬天回油的问题。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，包括：气源热泵模块、泵驱两相模块及两个换热器；
两个换热器分别为第一换热器和第二换热器；所述第一换热器和第二换热器内均设有两个换热通道，分别为第一换热通道和第二换热通道；
所述泵驱两相模块包括：氟泵、第二四通阀、第二调节阀及末端换热装置；
所述气源热泵模块与第一换热器的第一换热通道的两端连接，并与第二换热器的第一换热通道的两端连接；气源热泵模块通过第一换热器和第二换热器与泵驱两相模块进行热交换；
所述第二四通阀的四个口分别为a口、b口、c口和d口，第二四通阀具有两种工作模式，第一种工作模式为：a口与c口相通、b口与d口相通；第二种工作模式为：a口与b口相通、c口与d口相通；
第二四通阀的a口通过管路F与氟泵的出口连接，b口通过管路与第一换热器的第二换热通道出口连接，c口通过管路D与末端换热装置的入口连接，d口通过管路E与氟泵的入口连接；末端换热装置的出口通过管路与第一换热器的第二换热通道入口连接；所述第二换热器的第二换热通道的两端分别与管路D相通，且位于所述第二换热通道的两端之间的管路D上安装有第二调节阀；
其中，所述第一储液罐和第二储液罐内装有工质，工质采用制冷剂。
进一步的，所述气源热泵模块包括：压缩机、第一四通阀、风冷换热器、第一膨胀阀、第一储液罐及第二膨胀阀；
第一四通阀的四个口分别为a口、b口、c口和d口，第一四通阀具有两种工作模式，第一种工作模式为：a口与b口相通、c口与d口相通；第二种工作模式为：a口与c口相通、b口与d口相通；
第一四通阀的a口通过管路与压缩机的出口连接，b口通过管路与风冷换热器的入口连接，c口通过管路与第一换热器的第一换热通道出口连接，d口通过管路与压缩机的入口连接；风冷换热器的出口通过管路A与第二换热器的第一换热通道的入口连接；第二换热器的第一换热通道的出口通过管路B与第一储液罐的入口连接，该管路B上安装有第一膨胀阀；第一储液罐的出口通过管路C与第一换热器的第一换热通道入口连接，该管路C上安装有第二膨胀阀。
进一步的，所述气源热泵模块还包括油分离器，所述油分离器安装在压缩机与第一四通阀的a口之间的管路上。
进一步的，所述气源热泵模块还包括两个球阀，一个球阀安装在风冷换热器与第二换热器之间的管路A上；另一个球阀安装在第二换热器与第一储液罐之间的管路B上。
进一步的，所述泵驱两相模块还包括换热管路、第一调节阀和第二储液罐；
所述第二储液罐安装在所述管路E上，并与其相通；所述换热管路的两端均与所述管路F相通，换热管路的中部位于第二储液罐内，换热管路上安装有第一调节阀。
进一步的，所述第二储液罐内设有加热器。
进一步的，两个换热器均采用板式换热器。
进一步的，所述制冷剂采用R134a、R113、R410a或CO2。
有益效果：
(1)本发明采用气源热泵模块进行制冷/制热，采用泵驱两相模块输送冷热量，末端换热装置通过工质相变进行制冷或制热，结合了水系统和冷剂系统的优点；且泵驱两相模块与气源热泵模块通过两个换热器耦合，在制冷模式下，利用气源热泵模块的高温端为泵驱两相模块工质预热，避免使用电加热预热，提高了系统能效；在制热模式下，利用气源热泵模块为泵驱两相模块回气工质过冷，避免单独过冷，在保证泵驱两相模块正常运行的同时，解决了压缩机在冬天低温时效率低的问题，且在系统提高冬天压缩机效率的同时，与传统空调水冷系统相比，泵的功耗及流量减小80％以上，提高了系统的能效。
(2)本发明利用工质在循环流动过程中的蒸发吸热和冷凝放热的过程来进行热量收集和运输；热量传输能力强，相变过程利用液体汽化潜热，比单相液冷(诸如水冷)高两个数量级；因此，所需要的工质流量很小，泵功率和管道尺寸减小，可高效解决大功率、长距离运输的问题。
(3)本发明的工质可采用R134a、R113、R410a、CO2等无腐蚀性，系统安全性较高。
(4)本发明的管路中没有润滑油，因此不存在回油困难的问题，可以将单台机组提高到百千瓦以上，可适应于大型场合。
附图说明
图1为本发明制冷模式的原理图；
图2为本发明制热模式的原理图；
其中，1-压缩机，2-油分离器，3-第一四通阀，4-风冷换热器，5-第一膨胀阀，6-第一储液罐，7-第二膨胀阀，8-第一换热器，9-球阀，10-氟泵，11-第一调节阀，12-第二四通阀，13-第二储液罐，14-第二换热器，15-第二调节阀，16-末端换热装置。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，参见附图1和图2，包括：气源热泵模块、泵驱两相模块及两个换热器；
两个换热器均采用板式换热器，分别为第一换热器8和第二换热器14；
所述气源热泵模块包括：压缩机1、油分离器2、第一四通阀3、风冷换热器4、球阀9、第一膨胀阀5、第一储液罐6及第二膨胀阀7；其中第一四通阀3的四个口分别为a口、b口、c口和d口，第一四通阀3具有两种工作模式，第一种工作模式为：a口与b口相通、c口与d口相通；第二种工作模式为：a口与c口相通、b口与d口相通；
所述泵驱两相模块包括：氟泵10、第一调节阀11、第二四通阀12、第二储液罐13、第二调节阀15、换热管路及末端换热装置16；其中第二四通阀12的四个口分别为a口、b口、c口和d口，第二四通阀12具有两种工作模式，第一种工作模式为：a口与c口相通、b口与d口相通；第二种工作模式为：a口与b口相通、c口与d口相通；
整体连接关系如下：第一四通阀3的a口通过管路与油分离器2的出口连接，b口通过管路与风冷换热器4的入口连接，c口通过管路与第一换热器8的第一换热通道出口连接，d口通过管路与压缩机1的入口连接；压缩机1的出口通过管路与油分离器2的入口连接；风冷换热器4的出口通过管路A与第二换热器14的第一换热通道的入口连接，该管路A上安装有一个球阀9；第二换热器14的第一换热通道的出口通过管路B与第一储液罐6的入口连接，该管路B上安装有第一膨胀阀5和另一个球阀9；第一储液罐6的出口通过管路C与第一换热器8的第一换热通道入口连接，该管路C上安装有第二膨胀阀7；
第二四通阀12的a口通过管路F与氟泵10的出口连接，b口通过管路与第一换热器8的第二换热通道出口连接，c口通过管路D与末端换热装置16的入口连接，d口通过管路E与氟泵10的入口连接；末端换热装置16的出口通过管路与第一换热器8的第二换热通道入口连接；所述第二换热器14的第二换热通道的两端分别与管路D相通，且位于所述第二换热通道的两端之间的管路D上安装有第二调节阀15；所述第二储液罐13安装在管路E上，并与其相通；所述换热管路的两端均与管路F相通，换热管路的中部位于第二储液罐13内，换热管路上安装有第一调节阀11；
其中，所述第一储液罐6和第二储液罐13内装有工质，工质采用制冷剂，如R134a、R113、R410a或CO2，本实施例中采用氟利昂；且第二储液罐13内设有加热器。
工作原理：
制冷模式：参见附图1，将第一四通阀3切换为a口与b口相通、c口与d口相通的模式，第一膨胀阀5打开到最大，使其不起节流作用；在压缩机1的作用下，从第一储液罐6输出的高温高压的液态氟利昂通过第二膨胀阀7节流焓变为低温低压的气液两相态的氟利昂后，进入到第一换热器8的第一换热通道中，并在第一换热器8中蒸发吸收热量，转变为高温低压的气态氟利昂；高温低压的气态氟利昂通过第一四通阀3的c-d通道(c口与d口相通的通道)后进入到压缩机1中，压缩机1对所述高温低压的气态氟利昂进行压缩，使其转变为高温高压的气态氟利昂；所述高温高压的气态氟利昂通过油分离器2将压缩机1内的润滑油分离，使该润滑油回到压缩机1，气态氟利昂再通过第一四通阀3的a-b通道(a口与b口相通的通道)后进入到风冷换热器4中，并在风冷换热器4中进行气态液化，转变为高温高压的液态氟利昂；该高温高压的液态氟利昂通过球阀9(球阀9用于对该液态氟利昂进行流量的调节)后，进入第二换热器14的第一换热通道预冷，但依然为高温高压的液态氟利昂，高温高压的液态氟利昂通过不工作的第一膨胀阀5进入到第一储液罐6中，完成一个制冷循环；整个循环以压缩机1的耗能为代价，完成了将热量从低位热源传入高位热源的“热泵”过程。
同时，将第二四通阀12切换为a口与c口相通、b口与d口相通的模式，打开第二调节阀15，关闭第一调节阀11；氟泵10提供动力将第一换热器8的第二换热通道内的液态氟利昂通过第二四通阀12的b-d通道输出到氟泵10中，氟泵10再将该液态氟利昂通过第二四通阀12的a-c通道输入到第二换热器14的第二换热通道中，所述液态氟利昂在第二换热器14的第二换热通道中预热，减小液态氟利昂的过冷，但依然为液态氟利昂；该预热后的液态氟利昂进入末端换热装置16，在末端换热装置16蒸发吸收热量，实现制冷，并转变为气液两相态的氟利昂后，再进入第一换热器8的第二换热通道中；该气液两相态的氟利昂在第一换热器8的第二换热通道冷凝放出热量，并转变为液态氟利昂后，再被氟泵10传输到第二换热器14的第二换热通道中，完成一个循环；整个循环以泵的耗能为代价，完成了将热量从高温热源传递到低温环境的过程；
若关闭第二调节阀15，从氟泵10输出的液态氟利昂通过第二四通阀12的a-c通道直接进入末端换热装置16，完成循环；
若打开第一调节阀11，从氟泵10输出的液态氟利昂进入到换热管路中，并在第二储液罐13内换热，对第二储液罐13内液态氟利昂进行降温，同时对换热管路中的液态氟利昂升温后，再通过第二四通阀12的a-c通道输出给第二换热器14的第二换热通道或末端换热装置16，完成循环；其中，由于第二储液罐13内设有加热器，通过对第二储液器13内的液态氟利昂进行加热升温，对换热管路中的液态氟利昂进行温度控制，进而实现对整个装置内管道蒸发温度的温度控制；且由于第二储液罐13安装在管路E上，并与其相通，第二储液罐13内的液态氟利昂能够起到调节管路E内压力的作用；即当管路E内压力小于第二储液罐13内的压力时，第二储液罐13内的液态氟利昂进入到管路E中，进而进入到氟泵10中；当管路E内压力大于第二储液罐13内的压力时，管路E中的液态氟利昂进入到第二储液罐13内；当管路E内压力等于第二储液罐13内的压力时，二者之间没有液体流通。
制热模式：参见附图2，将第一四通阀3切换为a口与c口相通、b口与d口相通的模式，第二膨胀阀7打开到最大，使其不起节流作用；在压缩机1的作用下，从第一储液罐6输出的高温高压的液态氟利昂通过第一膨胀阀5节流焓变为低温低压的气液两相态的氟利昂后，进入到第二换热器14的第一换热通道中，并在第二换热器14预热，但依然为低温低压的气液两相态的氟利昂；该预热后的低温低压的气液两相态的氟利昂通过球阀9(球阀9用于对该气液两相态的氟利昂进行流量的调节)后，进入到风冷换热器4中，并在风冷换热器4中从空气中吸热，转变为低温低压的气态氟利昂；该低温低压的气态氟利昂通过第一四通阀3的b-d通道后进入到压缩机1中，压缩机1对所述低温低压的气态氟利昂进行压缩，使其转变为高温高压的气态氟利昂；所述高温高压的气态氟利昂通过油分离器2将压缩机1内的润滑油分离，使该润滑油回到压缩机1，气态氟利昂再通过第一四通阀3的a-c通道后进入到第一换热器8的第一换热通道中，在所述第一换热通道进行冷凝放热，转变为高温高压的液态氟利昂，高温高压的液态氟利昂通过不工作的第二膨胀阀7进入到第一储液罐6中，再经第一膨胀阀5节流焓变为低温低压的气液两相态的氟利昂后，进入第二换热器14，完成一个制热循环；整个循环以压缩机1的耗能为代价。
同时，将第二四通阀12切换为a口与b口相通、c口与d口相通的模式，打开第二调节阀15，关闭第一调节阀11；氟泵10提供动力将第二换热器14的第二换热通道内的液态氟利昂通过第二四通阀12的c-d通道输出到氟泵10中，氟泵10再将该液态氟利昂通过第二四通阀12的a-b通道输入到第一换热器8的第二换热通道中，所述液态氟利昂在第一换热器8的第二换热通道中蒸发吸热，转变为气液两相态的氟利昂；该气液两相态的氟利昂进入到末端换热装置16中，在末端换热装置16中冷凝放热，实现制热，并转变为液态氟利昂后，再进入到第二换热器14的第二换热通道中，所述液态氟利昂在第二换热器14的第二换热通道中预冷，依然为液态氟利昂；该预冷后的液态氟利昂再被氟泵10传输到第一换热器8的第二换热通道中，完成一个循环；整个循环以泵的耗能为代价；
若关闭第二调节阀15，从末端换热装置16输出的液态氟利昂通过第二四通阀12的c-d通道直接进入氟泵10，完成循环；
若打开第一调节阀11，从氟泵10输出的液态氟利昂进入到换热管路中，并在第二储液罐13内换热，对第二储液罐13内液态氟利昂进行降温，同时对换热管路中的液态氟利昂升温后，再通过第二四通阀12的a-b通道输出给第一换热器8的第二换热通道，完成循环；其中，由于第二储液罐13内设有加热器，通过对第二储液器13内的液态氟利昂进行加热升温，对换热管路中的液态氟利昂进行温度控制，进而实现对整个装置内管道蒸发温度的温度控制；且由于第二储液罐13安装在管路E上，并与其相通，第二储液罐13内的液态氟利昂能够起到调节管路E内压力的作用；即当管路E内压力小于第二储液罐13内的压力时，第二储液罐13内的液态氟利昂进入到管路E中，进而进入到氟泵1中；当管路E内压力大于第二储液罐13内的压力时，管路E中的液态氟利昂进入到第二储液罐13内；当管路E内压力等于第二储液罐13内的压力时，二者之间没有液体流通。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，其特征在于，包括：气源热泵模块、泵驱两相模块及两个换热器；
两个换热器分别为第一换热器(8)和第二换热器(14)；所述第一换热器(8)和第二换热器(14)内均设有两个换热通道，分别为第一换热通道和第二换热通道；
所述泵驱两相模块包括：氟泵(10)、第二四通阀(12)、第二调节阀(15)及末端换热装置(16)；
所述气源热泵模块包括：压缩机(1)、第一四通阀(3)、风冷换热器(4)、第一膨胀阀(5)、第一储液罐(6)及第二膨胀阀(7)；
第一四通阀(3)的四个口分别为a口、b口、c口和d口，第一四通阀(3)具有两种工作模式，第一种工作模式为：a口与b口相通、c口与d口相通；第二种工作模式为：a口与c口相通、b口与d口相通；
第一四通阀(3)的a口通过管路与压缩机(1)的出口连接，b口通过管路与风冷换热器(4)的入口连接，c口通过管路与第一换热器(8)的第一换热通道出口连接，d口通过管路与压缩机(1)的入口连接；风冷换热器(4)的出口通过管路A与第二换热器(14)的第一换热通道的入口连接；第二换热器(14)的第一换热通道的出口通过管路B与第一储液罐(6)的入口连接，该管路B上安装有第一膨胀阀(5)；第一储液罐(6)的出口通过管路C与第一换热器(8)的第一换热通道入口连接，该管路C上安装有第二膨胀阀(7)；
所述气源热泵模块与第一换热器(8)的第一换热通道的两端连接，并与第二换热器(14)的第一换热通道的两端连接；气源热泵模块通过第一换热器(8)和第二换热器与泵驱两相模块进行热交换；
所述第二四通阀(12)的四个口分别为a口、b口、c口和d口，第二四通阀(12)具有两种工作模式，第一种工作模式为：a口与c口相通、b口与d口相通；第二种工作模式为：a口与b口相通、c口与d口相通；
第二四通阀(12)的a口通过管路F与氟泵(10)的出口连接，b口通过管路与第一换热器(8)的第二换热通道出口连接，c口通过管路D与末端换热装置(16)的入口连接，d口通过管路E与氟泵(10)的入口连接；末端换热装置(16)的出口通过管路与第一换热器(8)的第二换热通道入口连接；所述第二换热器(14)的第二换热通道的两端分别与管路D相通，且位于所述第二换热通道的两端之间的管路D上安装有第二调节阀(15)；
所述泵驱两相模块还包括换热管路、第一调节阀(11)和第二储液罐(13)；
所述第二储液罐(13)安装在所述管路E上，并与其相通；所述换热管路的两端均与所述管路F相通，换热管路的中部位于第二储液罐(13)内，换热管路上安装有第一调节阀(11)；
其中，所述第一储液罐(6)和第二储液罐(13)内装有工质，工质采用制冷剂。
2.如权利要求1所述的一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，其特征在于，所述气源热泵模块还包括油分离器(2)，所述油分离器(2)安装在压缩机(1)与第一四通阀(3)的a口之间的管路上。
3.如权利要求1所述的一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，其特征在于，所述气源热泵模块还包括两个球阀(9)，一个球阀安装在风冷换热器(4)与第二换热器(14)之间的管路A上；另一个球阀(9)安装在第二换热器(14)与第一储液罐(6)之间的管路B上。
4.如权利要求1所述的一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，其特征在于，所述第二储液罐(13)内设有加热器。
5.如权利要求1所述的一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，其特征在于，两个换热器均采用板式换热器。
6.如权利要求1所述的一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统，其特征在于，所述制冷剂采用R134a、R113、R410a或CO2。
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