CN112229085B - 一种适用于大温跨的低温热泵循环系统及循环方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于大温跨的低温热泵循环系统及循环方法，该系统使用两台压缩机，低压侧和高压侧压缩机；高低压压缩机排气形成两个不同的冷凝温度，满足大温跨供热需求。该循环可以通过双压缩机独立运行，通过喷射器将两个单独的系统进行耦合，提高系统运行的可靠性，并通过双冷凝温度下的梯度加热实现大温跨供热；同时，通过喷射器，可以提高低压侧压缩机的吸气压力，通过中间闪蒸控制高压侧压缩机的吸气压力，从而降低双压缩机的压比，适应低环境温度下的运行，提高系统的整体性能；另外，由于喷射器的压力提升作用造成两蒸发器的蒸发温度不同，减少了制冷工质与热源之间传热过程的不可逆损失，也进一步提高了系统性能。

Description

一种适用于大温跨的低温热泵循环系统及循环方法
技术领域
本发明属于蒸气压缩式热泵技术领域，具体涉及一种适用于大温跨的低温热泵循环系统及循环方法。
技术背景
随着环境问题的日益严重，提高能源利用率，减少能源利用过程中的环境问题是当今世界关注的主要问题之一。热泵作为一种充分利用低品位热能的高效节能装置，是现阶段世界上倍受关注的新能源技术之一。近年来，随着我国清洁能源改革的推进,热泵技术发展迅速，特别是在北方寒冷地区得到了广泛使用。目前，随着科技水平的不断发展和进步，在食品、医药等工农业烘干、建筑采暖，工业供热等方面对高供热温度和大温跨的供热需求与日俱增，尤其在北方寒冷地区，发展适用于大温跨的低温热泵技术是目前热泵行业的主要发展方向之一。
在传统的单级压缩热泵低温工况下会出现热负荷衰减严重，供热温度不够，压缩机压比过大等问题，从而降低了压缩机效率并严重限制了热泵在寒冷地区的使用。另外，传统热泵技术在面对高供热温度的时候，需要系统运行在较高的冷凝温度和压力下，这样会导致压缩机压比的增大和系统可靠性的降低；同时大的温跨下，冷凝器传热温差过大也会增大传热不可逆损失，降低系统的整体性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种采用喷射器增效的大温跨低温热泵循环系统，该系统不但可以保证高的供热温度还可以适应低的环境温度，同时降低系统耗功，提高系统整体性能。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供的第一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，采用双压缩机独立运行，通过喷射器和气液分离器将两个子系统进行耦合，实现双温区和大温跨制热；所述系统包括：低压侧压缩机101、低温侧冷凝器102、第一节流装置103、气液分离器104-1、第二节流装置105、低温侧蒸发器106、喷射器107、高温侧蒸发器108、高压侧压缩机109和高温侧冷凝器110；
所述低压侧压缩机101排气口与低温侧冷凝器102入口相连，低温侧冷凝器102出口与第一节流装置103进口相连；低温侧冷凝器102供热介质出口与高温侧冷凝器110供热介质入口相连；第一节流装置103出口与气液分离器104-1入口相连，气液分离器104气体出口与高压侧压缩机109、高温侧冷凝器110和喷射器107一次流入口依次相连，气液分离器104-1液体出口与第二节流装置105、低温侧蒸发器106和喷射器107的二次流入口依次相连；喷射器107出口与高温侧蒸发器108入口相连，高温侧蒸发器108出口与低压侧压缩机101入口相连；形成完整的热泵循环系统。
高温侧冷凝器110出口的液态制冷剂作为喷射器107一次流，可以提高喷射器的引射能力，回收更多的膨胀功，同时，由于喷射器107的升压作用，可以有效降低低压侧蒸发压力和温度，提升低压侧压缩机101的吸气压力；另外，设置了气液分离器104-1，气液分离器104-1中处于中间压力的饱和气态制冷剂进入高压侧压缩机109，保证高压侧压缩机109较高的吸气压力，因此有效降低了两个压缩机的压缩比，适应低环温下高的供热温度，同时提高系统性能。
所述的第一种适用于大温跨供热的低温热泵循环系统及循环方法，低压侧压缩机101将制冷剂压缩至中间压力，然后进入低温侧冷凝器102放热冷凝为液态制冷剂，随后经过第一节流装置103节流后变为两相状态进入气液分离器104-1，气液分离器104-1中的气态工质作为高压侧压缩机109吸气，经高压侧压缩机109压缩后变为高温高压的气态工质后进入高温侧冷凝器110放热冷凝为液态或两相态工质后，作为一次流进入喷射器107；气液分离器104-1中的液态工质经过第二节流装置105节流后变为两相状态，以两相状态进入低温侧蒸发器106蒸发，低温侧蒸发器106出口的气态或两相态工质作为二次流进入喷射器107；一次流与二次流在喷射器107内混合升压后，以两相状态进入高温侧蒸发器108蒸发，蒸发后的气态工质回到低压侧压缩机101，实现完整的循环。
本发明提供的第二种适用于大温跨的低温热泵循环系统，采用双压缩机独立运行，通过喷射器和回热器将两个压缩机进行耦合，实现双温区和大温跨制热；所述系统包括：低压侧压缩机101、低温侧冷凝器102、第一节流装置103、回热器104-2、第二节流装置105、低温侧蒸发器106、喷射器107、高温侧蒸发器108、高压侧压缩机109和高温侧冷凝器110；
所述低压侧压缩机101排气口与低温侧冷凝器102入口相连，低温侧冷凝器102出口分为两路，一路与回热器104-2高压侧入口相连，另一路与第一节流装置103进口相连；低温侧冷凝器102供热介质出口与高温侧冷凝器110供热介质入口相连；第一节流装置103出口与回热器104-2低压侧入口相连，回热器104-2低压侧出口与高压侧压缩机109、高温侧冷凝器110和喷射器107一次流入口依次相连；回热器104-2高压侧出口与第二节流装置105、低温侧蒸发器106和喷射器107的二次流入口依次相连；喷射器107出口与高温侧蒸发器108入口相连，高温侧蒸发器108出口与低压侧压缩机101入口相连；形成完整的热泵循环系统。
所述的第二种适用于大温跨供热的低温热泵循环系统及循环方法，低压侧压缩机101将制冷剂压缩至中间压力，然后进入低温侧冷凝器102放热冷凝为液态制冷剂，随后制冷剂分为两路，一路经过第一节流装置103变为两相工质后进入回热器104-2中吸热蒸发为气态工质作为高压侧压缩机109吸气，经高压侧压缩机109压缩后变为高温高压的气态工质后进入高温侧冷凝器110放热冷凝为液态或两相态工质后，作为一次流进入喷射器107；另外一路进入回热器104-2放热冷凝为过冷液体后，经过第二节流装置105节流后变为两相状态，以两相状态进入低温侧蒸发器106蒸发，低温侧蒸发器106出口的气态或两相态工质作为二次流进入喷射器107；一次流与二次流在喷射器107内混合升压后，以两相状态进入高温侧蒸发器108蒸发，蒸发后的气态工质回到低压侧压缩机101，实现完整的循环。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)本发明系统使用两台压缩机，低压侧和高压侧压缩机；高低压压缩机排气形成两个不同的冷凝温度，满足大温跨供热需求。
2)本发明可以通过双压缩机独立运行的方式，通过喷射器与气液分离器或回热器将两个子系统进行耦合，不仅提高了系统运行的稳定性，还可以实现双冷凝压力和双蒸发温度，通过双温冷凝器实现梯度加热，减少了传热温差，同时满足高温冷凝器获得更高温度的供热。并通过双冷凝温度下的梯度加热实现大温跨供热。
3)本发明通过引入气液分离器，将中间压下下闪蒸出的气体引入高压侧蒸发，可以高压侧压缩机的压比，从而提高了系统性能。
4)本发明引入了喷射器，回收了高温冷凝器出口制冷剂节流过程的部分膨胀功，用以提高低压侧压缩机的吸气压力，从而进一步降低低压侧压缩机压缩机的压比，适应低环境温度下的运行，有效改善系统的整体性能。另外，由于喷射器的压力提升作用造成两蒸发器的蒸发温度不同，减少了制冷工质与热源之间传热过程的不可逆损失，也进一步提高了系统性能。
本发明所述的热泵循环是一种经济、高效可行的方案，可以有效地提高热泵系统的性能，并促进热泵技术在大温跨低温供热领域的应用和发展。
附图说明
图1为本发明施例一的系统示意图。
图2为本发明施例一的热泵循环系统工作过程的压-焓图(p-h图)。
图3为本发明施例二的系统示意图。
图4为本发明施例二的热泵循环系统工作过程的压-焓图(p-h图)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚简明，以下结合附图及两种实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
图1所示的是本发明的一种实现方式。所述系统中的低压侧压缩机101排气口与低温侧冷凝器102气体入口相连，低温侧冷凝器102气体出口与第一节流装置103进口相连；低温侧冷凝器102供热介质出口与高温侧冷凝器110供热介质入口相连；第一节流装置103出口与气液分离器104-1入口相连，气液分离器104-1气体出口与高压侧压缩机109、高温侧冷凝器110和喷射器107一次流入口依次相连，气液分离器104-1液体出口与第二节流装置105、低温侧蒸发器106和喷射器107的二次流入口依次相连；喷射器107出口与高温侧蒸发器108入口相连，高温侧蒸发器108出口与低压侧压缩机入口相连；实现完整的热泵循环系统。
图2为实施例一的热泵循环工作过程的压-焓图(p-h图)。本实施例系统具体工作过程为：低压饱和制冷剂气体(图2中1点)经过低压压缩机101被压缩至中间压力(图2中2点)，然后气态制冷剂进入低温侧冷凝器102，被冷凝后的液态制冷剂(图2中3点)，经过第一节流装置103节流后进入气液分离器104-1(图2中4点)，气液分离器104-1中的气态制冷剂回到高压侧压缩机109(图2中5点)，经高压侧压缩机109压缩后的高温高压制冷剂气体(图2中6点)进入高温侧冷凝器110冷凝为液态工质(图2中7点)，随后作为一次流进入喷射器107；气液分离器104-1中的液态制冷剂(图2中8点)经第二节流装置105节流后变为两相状态(图2中9点)，随后进入低温侧蒸发器106蒸发制冷，蒸发后的气态制冷剂工质作为二次流进入喷射器107中(图2中10点)，喷射器107出口两相状态的制冷剂(图2中12点)经过高温侧蒸发器108后回到低压侧压缩机101(图2中1点)，从而完成整个热泵循环。
低温供热介质(水或者空气)(图1中16点)经过低温侧冷凝器102并进行换热，达到中间温度(图1中17点)，随后进入高温侧冷凝器110进一步加热得到较高温度(图1中18点)。该热泵系统可以实现向高温区供热，也可以实现向多温区同时供热。
实施例二
图3示出的是本发明的另一种实现方式，其特征在于：使用回热器代替气液分离器。所述系统中的低压侧压缩机101排气口与低温侧冷凝器102的入口相连，低温侧冷凝器102出口分为两路，一路与回热器104-2高压侧入口相连，另一路与第一节流装置103进口相连；第一节流装置103出口与回热器104-2低压侧入口相连，回热器104-2低压侧出口与高压侧压缩机109、高温侧冷凝器110和喷射器107一次流入口依次相连；回热器104-2高压侧出口与第二节流装置105、低温侧蒸发器106和喷射器107的二次流入口依次相连；喷射器107出口与高温侧蒸发器108入口相连，高温侧蒸发器108出口与低压侧压缩机101入口相连；形成完整的热泵循环系统。
图4为为实施例二的热泵循环工作过程的压-焓图(p-h图)。本实施例系统具体工作过程为：低压饱和制冷剂气体(图4中1点)经过低压压缩机101被压缩至中间压力(图4中2点)，然后气态制冷剂进入低温侧冷凝器102，被冷凝后的液态制冷剂(图4中3点)分为两路，其中一路经过第一节流装置103节流后变为两相状态(图4中9点)，两相制冷剂进入回热器104-2吸热蒸发后进入高压侧压缩机109(图4中10点)，经高压侧压缩机109压缩后的高温高压制冷剂气体(图4中11点)进入高温侧冷凝器110冷凝为液态工质(图4中12点)，随后作为一次流进入喷射器107，膨胀为高速两相流体(图4中12＇)；另外一路经过回热器104-2放热冷凝为过冷态制冷剂(图4中4点)经第二节流装置105节流后变为两相状态(图4中5点)，随后进入低温侧蒸发器106蒸发制冷，蒸发后的气态制冷剂工质作为二次流进入喷射器107中(图4中6点)，与一次流在混合室内充分混合(图4中7点)，喷射器107出口两相状态的制冷剂(图4中8点)经过高温侧蒸发器108后回到低压侧压缩机101(图4中1点)，从而完成整个热泵循环。

Claims (10)

1.一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于，采用双压缩机独立运行，通过喷射器和气液分离器将两个子系统进行耦合，实现双温区和大温跨制热；所述系统包括：低压侧压缩机(101)、低温侧冷凝器(102)、第一节流装置(103)、气液分离器(104-1)、第二节流装置(105)、低温侧蒸发器(106)、喷射器(107)、高温侧蒸发器(108)、高压侧压缩机(109)和高温侧冷凝器(110)；
所述低压侧压缩机(101)排气口与低温侧冷凝器(102)入口相连，低温侧冷凝器(102)出口与第一节流装置(103)进口相连；低温侧冷凝器(102)供热介质出口与高温侧冷凝器(110)供热介质入口相连；第一节流装置(103)出口与气液分离器(104-1)入口相连，气液分离器(104-1)气体出口与高压侧压缩机(109)、高温侧冷凝器(110)和喷射器(107)一次流入口依次相连，气液分离器(104-1)液体出口与第二节流装置(105)、低温侧蒸发器(106)和喷射器(107)的二次流入口依次相连；喷射器(107)出口与高温侧蒸发器(108)入口相连，高温侧蒸发器(108)出口与低压侧压缩机(101)入口相连；形成完整的热泵循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于：设置了气液分离器(104-1)，使得经过低温侧冷凝器(102)和第一节流装置(103)后，压力较高的气态工质进入高压侧压缩机(109)吸气口，提高了压缩机的吸气压力，降低压缩机压比，提升了系统性能。
3.一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于，采用双压缩机独立运行，通过喷射器和回热器将两个压缩机进行耦合，实现双温区和大温跨制热；所述系统包括：低压侧压缩机(101)、低温侧冷凝器(102)、第一节流装置(103)、回热器(104-2)、第二节流装置(105)、低温侧蒸发器(106)、喷射器(107)、高温侧蒸发器(108)、高压侧压缩机(109)和高温侧冷凝器(110)；
所述低压侧压缩机(101)排气口与低温侧冷凝器(102)入口相连，低温侧冷凝器(102)出口分为两路，一路与回热器(104-2)高压侧入口相连，另一路与第一节流装置(103)进口相连；低温侧冷凝器(102)供热介质出口与高温侧冷凝器110)供热介质入口相连；第一节流装置(103)出口与回热器(104-2)低压侧入口相连，回热器(104-2)低压侧出口与高压侧压缩机(109)、高温侧冷凝器(110)和喷射器(107)一次流入口依次相连；回热器(104-2)高压侧出口与第二节流装置(105)、低温侧蒸发器(106)和喷射器(107)的二次流入口依次相连；喷射器(107)出口与高温侧蒸发器(108)入口相连，高温侧蒸发器(108)出口与低压侧压缩机(101)入口相连；形成完整的热泵循环系统。
4.根据权利要求1或3所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于：高温侧冷凝器(110)出口的制冷剂工质和低温侧蒸发器(106)出口的制冷剂工质分别进入喷射器(107)一次流和二次流入口；不仅有效提高了喷射器(107)的引射能力，还回收了液态工质节流过程中的膨胀功，提升了低压侧压缩机(101)的吸气压力，降低了压缩机压比，提高了系统能效。
5.根据权利要求1或3所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于：所述系统具有双冷凝压力和冷凝温度，降低换热温差，减少传热过程中的不可逆损失，提高换热效率及系统能效。
6.根据权利要求1或3所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于：所属系统具有双蒸发温度，且在喷射器(107)的升压缩作用下能够获得更低的蒸发温度，适应更低环境温度的供热需求。
7.根据权利要求1或3所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于：所述低压侧压缩机(101)和高压侧压缩机(109)为螺杆压缩机、涡旋压缩机、滚动转子压缩机、活塞压缩机或具有双吸排气口的压缩机。
8.根据权利要求1或3所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统，其特征在于：所述第一节流装置(103)和第二节流装置(105)为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀。
9.权利要求1所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统的循环方法，其特征在于：低压侧压缩机(101)将制冷剂压缩至中间压力，然后进入低温侧冷凝器(102)放热冷凝为液态制冷剂，随后经过第一节流装置(103)节流后变为两相状态进入气液分离器(104-1)，气液分离器(104-1)中的气态工质作为高压侧压缩机(109)吸气，经高压侧压缩机(109)压缩后变为高温高压的气态工质后进入高温侧冷凝器(110)放热冷凝为液态或两相态工质后，作为一次流进入喷射器(107)；气液分离器(104-1)中的液态工质经过第二节流装置(105)节流后变为两相状态，以两相状态进入低温侧蒸发器(106)蒸发，低温侧蒸发器(106)出口的气态或两相态工质作为二次流进入喷射器(107)；一次流与二次流在喷射器(107)内混合升压后，以两相状态进入高温侧蒸发器(108)蒸发，蒸发后的气态工质回到低压侧压缩机(101)，实现完整的循环。
10.权利要求3所述的一种适用于大温跨的低温热泵循环系统的循环方法，其特征在于：低压侧压缩机(101)将制冷剂压缩至中间压力，然后进入低温侧冷凝器(102)放热冷凝为液态制冷剂，随后制冷剂分为两路，一路经过第一节流装置(103)变为两相工质后进入回热器(104-2)中吸热蒸发为气态工质作为高压侧压缩机(109)吸气，经高压侧压缩机(109)压缩后变为高温高压的气态工质后进入高温侧冷凝器(110)放热冷凝为液态或两相态工质后，作为一次流进入喷射器(107)；另外一路进入回热器(104-2)放热冷凝为过冷液体后，经过第二节流装置(105)节流后变为两相状态，以两相状态进入低温侧蒸发器(106)蒸发，低温侧蒸发器(106)出口的气态或两相态工质作为二次流进入喷射器(107)；一次流与二次流在喷射器(107)内混合升压后，以两相状态进入高温侧蒸发器(108)蒸发，蒸发后的气态工质回到低压侧压缩机(101)，实现完整的循环。
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