CN111912142A - 带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统及工作方法 - Google Patents

带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统及工作方法，该系统包括压缩机，压缩机的排气口与冷凝器的入口相连，冷凝器的出口分为两路，一路经一级膨胀阀进入闪发器，闪发器出来的制冷剂液体经二级膨胀阀进入蒸发器，吸热蒸发后进入压缩机的吸气口；冷凝器出来的另一路高压制冷剂液体经膨胀调节阀进入高温热源集热器，吸热蒸发后进入喷射器的一次流体入口，闪发器出来的制冷剂气体进入喷射器的二次流体入口，喷射器的出口与压缩机的补气口相连。通过采用喷射器实现对高温辅助热源的应用升级，将其做功能力转化为对闪发蒸气的引射和升压，从而减小了压缩机对闪发蒸气的压缩耗功。该系统可通过调节三个膨胀阀的的开度来适应两个热源换热量的变化。

Description

带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统及工作方法
技术领域
本发明属于热泵技术领域，具体涉及一种用于热泵装置的带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统及工作方法。
背景技术
蒸气压缩式空气源热泵技术作为一种节能、环保的制热技术越来越多地被应用于商用建筑和住宅的供热中，如热泵型空调器与热泵热水器。随着经济发展和人民生活水平的提高，空气源热泵在我国的发展十分迅速，相关技术的研究也在不断创新。然而，当蒸气压缩式空气源热泵在较低室外空气环境温度下工作时，压缩机吸排气压差增大，压缩机吸入的制冷剂的密度减小，热泵系统内部制冷剂的循环流量减小，导致热泵系统向室内空气或热水提供的热量减少，热泵系统制热性能衰减(即制热效率与制热量降低)是其存在的突出技术问题，从而影响其大范围的应用。
为使空气源热泵在低温环境中高效、安全运行，人们进行了许多技术研发和改进，其中目前应用较多的是压缩机变频技术、补气增焓技术和喷射器增效技术。另外，寻求第二热源的辅助也是低温空气源热泵的一个研究热点，其中太阳能作为一种比较容易获得的辅助热源，与空气源热泵系统结合已经发展出串联、并联和混联等多种形式。
目前，常用的补气增焓型热泵循环系统主要包括带补气口的压缩机、冷凝器、蒸发器、经济器(闪发器或过冷器)和膨胀阀等部件；其中，压缩机通常采用具有补气功能的涡旋压缩机或滚动转子压缩机，其压缩过程被补气过程分成两级，也即准二级压缩过程。补气过程的介入一方面实现了准二级压缩过程的级间冷却，可有效降低压缩机大压比工况下的排气温度；另一方面在压缩机级间补入制冷剂，及时弥补了蒸发压力较低时因吸气比容增大而导致的系统循环流量衰减问题，增大了高压侧的制冷剂循环流量和冷凝器的散热量，实现了增焓(增大单位容积制热量)的目的。
然而，在现有的补气增焓型热泵循环系统中，仅依靠空气单一热源，在低环温下受蒸发器结霜的影响，其性能的提升有限，因此太阳能等第二热源的引入具有实际意义。在对用水侧系统改变较小的情况下，可以考虑将高温热源通过直接膨胀式集热器引入制冷剂循环系统；而为了同时利用这部分高温高压制冷剂蒸气的做功能力，可以同时引入喷射器，利用喷射器的引射功能和升压能力，将从闪发器出来的制冷剂饱和蒸气引射并升压后再进行补气。这样在引入第二热源的同时，可以使循环系统的性能获得提高，进一步改善低温环境下制热性能衰减情况。
许多研究表明,在蒸气压缩循环系统上采用喷射器可以提高制冷与热泵系统的性能。然而，目前有关喷射器在蒸气压缩循环系统上的应用，大多数是针对单级蒸气压缩式循环系统。总的来说，在补气增焓型热泵循环系统中应用喷射器外加第二热源辅助的技术措施还存在空白。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的局限和不足，本发明的目的在于提出一种带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统及工作方法，通过在制冷剂循环系统中引入高温辅助热源，并利用喷射器实现对高温辅助热源的升级利用，将其做功能力转化为对闪发蒸气的引射和升压，从而减小了压缩机对闪发蒸气的压缩耗功；从另一角度看，在补气压力不变的情况下，可以使闪发器在更低的压力下工作，其意义是降低了进入蒸发器的制冷剂干度，提升了单位质量制冷剂在蒸发器中的吸热量，有助于减小蒸发器的设计尺寸。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统，包括具有补气增焓功能的压缩机101，压缩机101具有吸气口、补气口和排气口，压缩机101由补气口分为低压级和高压级两部分，从吸气口到补气口为压缩机101的低压级，从补气口到排气口为压缩机101的高压级；压缩机101的排气口与冷凝器102的入口相连接，冷凝器102的出口分为两路，一路与一级膨胀阀103入口相连接，一级膨胀阀103出口与闪发器104入口相连接，闪发器104出口通过二级膨胀阀105连接蒸发器106的入口，闪发器104出来的制冷剂液体经二级膨胀阀105后进入蒸发器106，蒸发器106的出口与压缩机101的吸气口相连接；冷凝器102的另一出口通过膨胀调节阀107连接高温热源集热器108 的入口，冷凝器102出来的另一路高压制冷剂液体经膨胀调节阀107 进入高温热源集热器108，高温热源集热器108的出口与喷射器109的一次流体入口相连接，闪发器104的气相出口与喷射器109的二次流体入口相连接，喷射器109的出口与压缩机101的补气口相连接。
所述喷射器109中来自高温热源集热器108出口的高压制冷剂为一次流体(工作流体)，其压力大于从闪发器104气相出口出来的二次流体(被引射流体)的压力。闪发器104气相出口的饱和制冷剂气体在喷射器109中被来自高温热源集热器108出口的制冷剂引射，在喷射器109的混合段中混合后，在扩压段减速增压并进入压缩机的补气口。
所述高温热源集热器108，制冷剂液体直接在其内部蒸发吸热，将外部高温热源的热量直接引入制冷剂循环中；当高温热源为太阳能时，该集热器即为在多种系统中已实际应用的太阳能直膨式集热器；当高温热源为液体废热时(工业或生活等)，该集热器可为套管式换热器。
当高温热源集热器108吸收的热量变化时，该系统通过调节一级膨胀阀103、二级膨胀阀105和膨胀调节阀107的开度来调节闪发器104 的闪发压力，从而实现对喷射器109的升压比、引射比的调节，也即实现了对系统压力和流量分配的调节，从而适应热源提供热量的变化。
所述的带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统的工作方法，当高温热源的吸热量过低，以至于无法保证该系统的正常运行时，通过关闭膨胀调节阀107使系统切换为带闪发器的补气增焓循环，此时高温热源集热器108回路被切断，喷射器109中的喷嘴不工作，从喷射器109的二次流体入口到出口此时相当于一条连通的制冷剂管路，其流动阻力损失可忽略不计，闪发器104中的饱和制冷剂气体通过喷射器109的腔体部分进入压缩机101的补气口，则此时系统即成为带闪发器的补气增焓循环。
相比于现有的补气增焓型热泵循环系统，本发明提出的带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统及工作方法，通过采用喷射器实现对高温辅助热源的应用升级，即将高温热源产出的高温高压制冷剂蒸气的做功能力，进一步转化为对闪发蒸气的引射和升压，从而减小了压缩机对闪发蒸气的压缩耗功；从另一角度看，在补气压力不变的情况下，可以使闪发器在更低的压力下工作，其意义是降低了进入蒸发器的制冷剂干度(相比于现有补气增焓循环闪发后的液体节流过程)，提升了单位质量制冷剂在蒸发器中的吸热量，有助于减小蒸发器的设计尺寸。这一技术将对热泵装置的性能提升和绿色节能有着积极的推动作用，从而带来更好的环境效益和经济效益。该系统是一种经济、有效、可行的改善方案，能有效提高热泵循环系统性能，可促进热泵产品节能技术的发展。
附图说明
图1是本发明双热源热泵循环系统示意图。
图2是本发明双热源热泵循环系统工作过程的循环压-焓图(p–h 图)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种用于热泵装置的带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统，包括一个具有补气增焓功能的压缩机101(包括常用的涡旋压缩机或滚动转子压缩机等)，具有吸气口、补气口和排气口，压缩机101由补气口分为低压级和高压级两部分，从吸气口到补气口为压缩机101的低压级，从补气口到排气口为压缩机101的高压级；压缩机101的排气口与冷凝器102的入口相连接，冷凝器 102的出口分为两路，一路与一级膨胀阀103入口相连接，一级膨胀阀103出口与闪发器104入口相连接，闪发器104出来的制冷剂液体经二级膨胀阀105后进入蒸发器106，蒸发器106的出口与压缩机101 的吸气口相连接；冷凝器102出来的另一路高压制冷剂液体经膨胀调节阀107进入高温热源集热器108，高温热源集热器108的出口与喷射器109的一次流体入口相连接，闪发器104出来的制冷剂饱和气体与喷射器109的二次流体入口相连接，喷射器109的出口与压缩机 101的补气口相连接。
如图2所示，为本发明双热源热泵循环系统工作过程的循环压-焓图(p–h图)，其示意的热泵系统工作过程为：压缩机101低压级出口的中温中压过热气态制冷剂(图中2点处)与喷射器109出口的近饱和气中压制冷剂(图中11点处)混合后进入压缩机101的高压级入口(图中3点处)，经压缩机101高压级进一步压缩后的高温高压的过热气态制冷剂(图中4点处)；在冷凝器102中放出热量实现制热目的后成为高压饱和/过冷液态制冷剂(图中5点处)；冷凝器102出口的饱和/过冷液态制冷剂分为两路，一路高压制冷剂液体经一级膨胀阀103降压降温后(图中6点处)进入闪发器104进行气液分离；其中闪发器104出来的制冷剂液体(图中6l点处)经二级膨胀阀105降压降温后(图中7 点处)进入蒸发器106中吸热蒸发成为气态制冷剂(图中1点处)；蒸发器106出口的气态制冷剂进入压缩机101低压级吸气口；冷凝器102 出来的另一路高压制冷剂液体经膨胀调节阀107进入高温热源集热器108(比如太阳能直膨式集热器)吸热蒸发成为高温高压饱和制冷剂 (图中8点处)，并作为工作流体进入喷射器109的喷嘴，在喷嘴中膨胀后变为低压高速气液两相混合制冷剂(图中9点处)；低压高速气液两相混合制冷剂与从闪发器104出来的饱和气态制冷剂(图中6v点处) 在喷射器109的混合段中混合后(图中10点处)再经喷射器109的扩压段减速增压成为升压后的近饱和制冷剂流体(图中11点处)后排出；喷射器109出口的近饱和制冷剂流体进入压缩机101的中间补气口。以上完成整个循环过程。
本发明的整个系统循环工作过程中存在四个不同的工作压力, 从高到低依次为冷凝器102的冷凝压力、压缩机101的补气压力、闪发器104的闪发压力和蒸发器106的蒸发压力。其中冷凝器102的冷凝压力和蒸发器106的蒸发压力是由循环系统的工作工况所决定(即冷凝温度和蒸发温度)，这又取决于制热温度要求和环境空气温度；压缩机101的补气压力为设计工况参数，一般根据冷凝压力和蒸发压力选取其平方根值；闪发器104的闪发压力同时也是喷射器109的二次流体 (被引射流体)压力，由闪发器104和喷射器109的工作特性、循环中的质量守恒、动量守恒和能量守恒关系所决定，需要根据两个热源的吸热量比例进行调节。
当高温热源可以提供的热量变化时(比如太阳能随时间和天气等的变化)，该系统可以通过调节一级膨胀阀103、二级膨胀阀105和膨胀调节阀107的的开度来调节闪发器104的闪发压力以及高温热源流路的流量，从而实现对喷射器109的升压比、引射比的调节，以及两个热源流路流量分配的调节，从而适应两个热源可提供热量的变化。当高温热源的吸热量过低，以至于无法保证该系统的正常运行时(图 2中8点干度降低到某一程度时会导致压缩机101的高压级入口3点的制冷剂为气液两相)，可以通过关闭膨胀调节阀107使系统切换为带闪发器的补气增焓循环，此时高温热源回路被切断(见图1中虚线部分回路)，喷射器109中的喷嘴不工作，从喷射器109的二次流体入口到出口此时相当于一条连通的制冷剂管路，其流动阻力损失可忽略不计，闪发器104中的饱和制冷剂气体通过喷射器109的腔体部分进入压缩机101的补气口，则此时系统即成为带闪发器的补气增焓循环。
所述一级膨胀阀103的开度可以通过喷射器109出口(见p-h图中 11点)的制冷剂过热度进行调节控制，当吸热比(高温热源集热器 108吸热量/蒸发器106吸热量)升高时，则需要减小一级膨胀阀103 的开度，降低闪发器104的闪发压力，从而提高了喷射器109的升压比，增大了喷射器109一次流体的流量和出口流量，即增大了通过高温热源集热器108的制冷剂流量和压缩机补气量，从而适应高温热源集热器108吸热量的增大；反之则进行相反的调节。
所述膨胀调节阀107的开度可通过高温热源集热器108出口(见 p-h图中8点)高温高压饱和制冷剂的过热度进行调节，保证8点的制冷剂为饱和态或接近饱和，其最小干度的取值是保证压缩机101中高压级入口3点为饱和气态，则实际上高温热源集热器108出口8点的最小干度针对不同的制冷剂可以低至0.86(R134a)甚至0.75(R290)；另一方面，系统允许高温热源集热器108出口高温高压饱和制冷剂8 点过热，但不宜设定过高，因为高温热源集热器108出口高温高压饱和制冷剂8点的温度越低，则喷射器109出口的近饱和气中压制冷剂11点的温度越低，继而压缩机级间冷却的效果越好，排气温度则越低。膨胀调节阀107的开度同时还受到一级膨胀阀103和状态点11 的牵制，当高温热源可以提供的热量不足以维持高温热源集热器108 出口高温高压饱和制冷剂8点的最小干度时(即使此时已经将一级膨胀阀103调节至最大有效开度，即保证喷射器109的升压比不低于 1.1)，但仍无法保证压缩机101中高压级入口3点不带液，则需要通过完全关闭膨胀调节阀107来切断高温热源回路(图1中虚线部分流路)，使系统切换为带闪发器的补气增焓系统。
在对一级膨胀阀103和膨胀调节阀107优先调节后，所述二级膨胀阀105的开度可以通过蒸发器106出口气态制冷剂(见p-h图中1点) 的过热度进行调节控制，目的是保证蒸发器106出口的制冷剂不带液，防止对压缩机101造成液击损伤，1点维持在一定的过热度也有利于整个系统的稳定运行。

Claims (5)

1.一种带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统，其特征在于：包括具有补气增焓功能的压缩机(101)，压缩机(101)具有吸气口、补气口和排气口，压缩机(101)由补气口分为低压级和高压级两部分，从吸气口到补气口为压缩机(101)的低压级，从补气口到排气口为压缩机(101)的高压级；压缩机(101)的排气口与冷凝器(102)的入口相连接，冷凝器(102)的出口分为两路，一路与一级膨胀阀(103)入口相连接，一级膨胀阀(103)出口与闪发器(104)入口相连接，闪发器(104)出口通过二级膨胀阀(105)连接蒸发器(106)的入口，闪发器(104)出来的制冷剂液体经二级膨胀阀(105)后进入蒸发器(106)，蒸发器(106)的出口与压缩机(101)的吸气口相连接；冷凝器(102)的另一出口通过膨胀调节阀(107)连接高温热源集热器(108)的入口，冷凝器(102)出来的另一路高压制冷剂液体经膨胀调节阀(107)进入高温热源集热器(108)，高温热源集热器(108)的出口与喷射器(109)的一次流体入口相连接，闪发器(104)的气相出口与喷射器(109)的二次流体入口相连接，喷射器(109)的出口与压缩机(101)的补气口相连接。
2.根据权利要求1所述的带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统，其特征在于：所述喷射器(109)中来自高温热源集热器(108)出口的制冷剂为一次流体即工作流体，其压力大于从闪发器(104)气相出口出来的二次流体即被引射流体的压力；所述闪发器(104)气相出口的饱和制冷剂气体在喷射器(109)中被来自高温热源集热器(108)出口的制冷剂引射，在喷射器(109)的混合段中混合后，在扩压段减速增压并进入压缩机(101)的补气口。
3.根据权利要求1所述的带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统，其特征在于：所述高温热源集热器(108)，制冷剂液体直接在其内部蒸发吸热，将外部高温热源的热量直接引入制冷剂循环中；当高温热源为太阳能时，该集热器为太阳能直膨式集热器；当高温热源为液体废热时，该集热器为套管式换热器。
4.权利要求1至3任一项所述的带喷射器的补气增焓型双热源热泵循环系统的工作方法，其特征在于：当高温热源集热器(108)吸收的热量变化时，该系统通过调节一级膨胀阀(103)、二级膨胀阀(105)和膨胀调节阀(107)的开度来调节闪发器(104)的闪发压力，从而实现对喷射器(109)的升压比、引射比的调节，也即实现了对系统压力和流量分配的调节，从而适应热源提供热量的变化；
当高温热源的吸热量过低，以至于无法保证该系统的正常运行时，通过关闭膨胀调节阀(107)使系统切换为带闪发器的补气增焓循环，此时高温热源集热器(108)回路被切断，喷射器(109)中的喷嘴不工作，从喷射器(109)的二次流体入口到出口此时相当于一条连通的制冷剂管路，其流动阻力损失忽略不计，闪发器(104)中的饱和制冷剂气体通过喷射器(109)的腔体部分进入压缩机(101)的补气口，则此时系统即成为带闪发器的补气增焓循环。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：所述一级膨胀阀(103)的开度通过喷射器(109)出口的制冷剂过热度进行调节控制，当吸热比即高温热源集热器(108)吸热量/蒸发器(106)吸热量升高时，则需要减小一级膨胀阀(103)的开度，降低闪发器(104)的闪发压力，从而提高了喷射器(109)的升压比，增大了喷射器(109一次流体的流量和出口流量，即增大了通过高温热源集热器(108)的制冷剂流量和压缩机补气量，从而适应高温热源集热器(108)吸热量的增大；反之则进行相反的调节；
所述膨胀调节阀(107)的开度通过高温热源集热器(108)出口高温高压饱和制冷剂的过热度进行调节，保证高温热源集热器(108)出口的制冷剂为饱和态或接近饱和，其最小干度的取值是保证压缩机(101)的高压级入口为饱和气态，则实际上高温热源集热器(108)出口的最小干度针对不同的制冷剂低至0.86甚至0.75；另一方面，系统允许高温热源集热器(108)出口高温高压饱和制冷剂过热，但不宜设定过高，因为高温热源集热器(108)出口高温高压饱和制冷剂的温度越低，则喷射器(109)出口的近饱和气中压制冷剂温度越低，继而压缩机级间冷却的效果越好，排气温度则越低；膨胀调节阀(107)的开度同时还受到一级膨胀阀(103)和喷射器(109)出口的近饱和气中压制冷剂的牵制，当高温热源提供的热量不足以维持高温热源集热器(108)出口高温高压饱和制冷剂的最小干度时，但仍无法保证压缩机(101)中高压级入口不带液，则需要通过完全关闭膨胀调节阀(107)来切断高温热源集热器(108)回路，使系统切换为带闪发器的补气增焓系统；
在对一级膨胀阀(103)和膨胀调节阀(107)优先调节后，所述二级膨胀阀(105)的开度通过蒸发器(106)出口气态制冷剂的过热度进行调节控制，目的是保证蒸发器(106)出口的制冷剂不带液，防止对压缩机(101)造成液击损伤，蒸发器(106)出口气态制冷剂维持在一定的过热度也有利于整个系统的稳定运行。
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