CN112902442A - 跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，包括变频压缩机、气冷器、回热器、经济器、第一节流阀、第二节流阀、蒸发器、气液分离器以及控制器，变频压缩机、气冷器的第一换热管路、回热器的第二换热管路、经济器的第四换热管路、第一节流阀、第二节流阀、蒸发器、回热器的第三换热管路、气液分离器依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的主回路，变频压缩机、气冷器的第一换热管路、回热器的第二换热管路、经济器的第四换热管路、第一节流阀、经济器的第五换热管路依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的补气回路，主回路和补气回路上设置有多个温度传感器，从而控制器控制各部件工作，使得换热水路的出水口一侧温度达到设定温度。

Description

跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组

技术领域

本发明涉及二氧化碳热泵技术领域，特别涉及一种跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组。

背景技术

以天然工质二氧化碳为制冷剂的热泵我们称为二氧化碳热泵，二氧化碳热泵利用二氧化碳热物理性与水换热形成巨大温度滑移，非常有利于水侧吸收，整体系统用于热水的制取性能非常优秀。但是在实际使用过程中，受到环境温度的变化，进水温度的变化的影响，加之用户侧对于出水温度不同的要求，普通跨临界二氧化碳系统，无法满足不同环境温度下和不同进水温度下，如何为用户提供设定温度的热水。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有高性能且能在不同环境温度下，不同进水温度下，通过全系统变频调整达到设定的出水温度且运行在较高能效比情况下的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组。

为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，包括：

变频压缩机，其出气口一侧设置有第一温度传感器；

气冷器，内部具有相互换热的第一换热管路和换热水路，所述的换热水路上连接有变频水泵，所述换热水路的进水口一侧设置有第二温度传感器，所述换热水路的出水口一侧设置有第三温度传感器，所述第一换热管路的出口一侧设置有第四温度传感器；

回热器，内部具有相互换热的第二换热管路和第三换热管路；

经济器，内部具有相互换热的第四换热管路和第五换热管路，所述第五换热管路的出口一侧设置有第五温度传感器；

第一节流阀；

第二节流阀；

蒸发器，其盘管一侧设置有第六温度传感器；

气液分离器，其出口一侧设置有第七温度传感器；

控制器，与所述的变频压缩机、变频水泵、第一节流阀、第二节流阀分别控制连接，所述的控制器与所述的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第七温度传感器分别信号连接；

所述的变频压缩机、气冷器的第一换热管路、回热器的第二换热管路、经济器的第四换热管路、第一节流阀、第二节流阀、蒸发器、回热器的第三换热管路、气液分离器依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的主回路，所述的变频压缩机、气冷器的第一换热管路、回热器的第二换热管路、经济器的第四换热管路、第一节流阀、经济器的第五换热管路依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的补气回路，所述的控制器能够基于各个所述的温度传感器发送的温度检测信号来控制所述的变频压缩机、变频水泵、第一节流阀以及第二节流阀分别工作，以使得所述换热水路的出水口一侧温度达到设定温度。

上述技术方案中，优选的，该跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组的工作环境温度为-40～43℃，气冷器的换热水路的进水口一侧的温度为5～60℃，气冷器的换热水路的出水口一侧的温度为30～99℃。

上述技术方案中，优选的，所述的变频水泵靠近所述换热水路的进水口一侧。

上述技术方案中，优选的，所述的第二节流阀有一对，一对所述的第二节流阀并联设置在所述的主回路中。

上述技术方案中，优选的，所述的变频压缩机与所述的气冷器之间连接有油分离器。

上述技术方案中，优选的，所述的变频压缩机为直流变频压缩机或交流变频压缩机。

上述技术方案中，优选的，还包括用于测定外界环境温度的环境温度传感器，所述的控制器与所述的环境温度传感器信号连接，所述变频压缩机的初始转速与环境温度的关系满足下列公式：

FreqCS＝4500-AT*50；

其中，FreqCS为变频压缩机的初始转速；AT为环境温度传感器测得的环境温度值，AT为正值或负值或零。

上述技术方案中，优选的，所述的变频压缩机具有一转速上限值和一转速下限值，变频压缩机每次变频的转速差值与设定温度和第二温度传感器反馈的换热水路的进水温度之间的关系满足下列公式：

ΔFreqC＝(SetT-IT)*3；

FreqC＝ΔFreqC+pFreqC；

其中，ΔFreqC为变频压缩机每次变频的转速差值；SetT为设定温度；IT为第二温度传感器反馈的换热水路的进水温度；FreqC为变频压缩机每次变频后的转速；pFreqC是变频压缩机每次需要进行变频时，前一次变频时的转速；其中，变频压缩机首次变频时，pFreqC＝FreqCS；并且FreqC介于转速上限值和转速下限值之间。

上述技术方案中，优选的，所述电子膨胀阀的初开度与环境温度的关系满足下列公式：

ST＝4*AT+150；

其中，ST为电子膨胀阀的初开度；AT为环境温度传感器测得的环境温度值，AT为正值或负值或零。

本发明通过设置主回路和补气回路，增加变频压缩机的进气量，提高变频压缩机的能效比，通过在主回路上和补气回路上设置多个温度传感器来分别检测变频压缩机进出气口的温度情况、换热水路进出水口的温度情况、蒸发器温度情况以及经济器补气温度情况，并且通过控制器分别对变频压缩机进行变频控制、对第一节流阀和第二节流阀的流量调节、对变频水泵进行流量控制，从而在环境温度变化情况下、进水温度变化情况下，实现热泵机组自动调节控制以达到设定出水温度。

附图说明

图1是本发明跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组的结构原理示意图；

其中：1、变频压缩机；2、气冷器；21、第一换热管路；22、换热水路；3、回热器；31、第二换热管路；32、第三换热管路；4、经济器；41、第四换热管路；42、第五换热管路；5、第一节流阀；6、第二节流阀；7、蒸发器；8、气液分离器；9、油分离器；10、变频水泵；A、第一温度传感器；B、第二温度传感器；C、第三温度传感器；D、第四温度传感器；E、第五温度传感器；F、第六温度传感器；G、第七温度传感器。

具体实施方式

为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

如图1所示，跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组包括变频压缩机1、气冷器2、回热器3、经济器4、第一节流阀5、第二节流阀6、蒸发器7以及控制器。

变频压缩机1可选用直流变频压缩机或交流变频压缩机，其出气口一侧设置有第一温度传感器A。气冷器2内部具有相互换热的第一换热管路21和换热水路22，换热水路22上连接有变频水泵10，变频水泵10靠近换热水路22的进水口一侧，当然，也可设置在出水口一侧，其起到提供水流不断泵入换热水路22的动力以及可以调节换热水路22流量的作用。换热水路22的进水口一侧设置有第二温度传感器B，换热水路22的出水口一侧设置有第三温度传感器C，第一换热管路21的出口一侧设置有第四温度传感器D。回热器3内部具有相互换热的第二换热管路31和第三换热管路32。经济器4内部具有相互换热的第四换热管路41和第五换热管路42，第五换热管路42的出口一侧设置有第五温度传感器E。蒸发器7在其盘管一侧设置有第六温度传感器F。气液分离器8在其出口一侧设置有第七温度传感器G。控制器与变频压缩机1、变频水泵10、第一节流阀5、第二节流阀6分别控制连接，控制器与第一温度传感器A、第二温度传感器B、第三温度传感器C、第四温度传感器D、第五温度传感器E、第六温度传感器F、第七温度传感器G分别信号连接。

变频压缩机1、气冷器2的第一换热管路21、回热器3的第二换热管路31、经济器4的第四换热管路41、第一节流阀5、第二节流阀6、蒸发器7、回热器3的第三换热管路32、气液分离器8依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的主回路，变频压缩机1、气冷器2的第一换热管路21、回热器3的第二换热管路31、经济器4的第四换热管路41、第一节流阀5、经济器4的第五换热管路42依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的补气回路，控制器能够基于各个温度传感器发送的温度检测信号来控制变频压缩机1、变频水泵10、第一节流阀5以及第二节流阀6分别工作，以使得换热水路22的出水口一侧温度达到设定温度。

具体的，该热泵机组的工作原理是，二氧化碳制冷剂经变频压缩机1压缩至高温高压状态后，从其出气口排出，之后进入气冷器2的第一换热管路21内，通过第一换热管路21与换热水路22进行热交换，从而将大部分的热量传递给换热水路22，对换热水路22进行加热，以提供所需热水，供用户使用；换热后的二氧化碳制冷剂在跨临界状态下进入回热器3的第二换热管路31内进行放热过冷，随后进入经济器4的第四换热管路41中进行放热过冷，经第一节流阀5节流后分为两路，其中一路二氧化碳制冷剂再次进入经济器4的第五换热管路42中，并与经济器4的第四换热管路41进行热交换，从而吸收第四换热管路41放出的热量得以升温，最后返回至变频压缩机1内完成一个补气回路循环；而另一路二氧化碳制冷剂经第二节流阀6节流后进入蒸发器7的盘管内，与外界环境进行热交换，从而吸收外界环境中的热量得以升温，之后进入回热器3的第三换热管路32中，并与回热器3的第二换热管路31进行热交换，吸收第二换热管路31放出的热量，再次得以升温，之后经气液分离器8进行气液分离后最终返回至变频压缩机1内，完成一个主回路循环。本例中，通过在主回路上和补气回路上设置多个温度传感器来分别检测变频压缩机1进出气口的温度情况、换热水路22进出水口的温度情况、蒸发器7温度情况以及经济器4补气温度情况，并且通过控制器分别对变频压缩机1进行变频控制、对第一节流阀5和第二节流阀6的流量调节、对变频水泵10进行流量控制，从而在环境温度变化情况下、进水温度变化情况下，实现热泵机组自动调节控制以达到设定出水温度。由于增设了补气回路循环，使得变频压缩机1的进气量得以增加，变频压缩机1的能效比更高。

为了对从变频压缩机1出气口排出的高温高压的二氧化碳制冷剂进行过滤，在变频压缩机1与气冷器2之间连接有油分离器9。油分离器9能够把变频压缩机排出的润滑油通过回油管路迅速返回至变频压缩机中以保证变频压缩机内部润滑可靠，也降低对二氧化碳制冷剂制热循环的影响。为了便于对主回路上二氧化碳制冷剂分别进行节流，第二节流阀6可设置一对，一对第二节流阀6并联设置在主回路中。

本例中，控制器控制变频压缩机1、变频水泵10、第一节流阀5以及第二节流阀6分别工作，其具体的控制原理如下：

一、变频压缩机的变频控制：系统还包括用于测定外界环境温度的环境温度传感器，控制器与该环境温度传感器信号连接，变频压缩机的初始转速与环境温度的关系满足下列公式：

FreqCS＝4500-AT*50；

其中，FreqCS为变频压缩机的初始转速；AT为环境温度传感器测得的环境温度值，AT为正值或负值或零。

所述的变频压缩机具有一转速上限值和一转速下限值，变频压缩机每次变频的转速差值与设定温度和第二温度传感器反馈的换热水路的进水温度之间的关系满足下列公式：

ΔFreqC＝(SetT-IT)*3；

FreqC＝ΔFreqC+pFreqC；

其中，ΔFreqC为变频压缩机每次变频的转速差值；SetT为设定温度；IT为第二温度传感器反馈的换热水路的进水温度；FreqC为变频压缩机每次变频后的转速；pFreqC是变频压缩机每次需要进行变频时，前一次变频时的转速；其中，变频压缩机首次变频时，pFreqC＝FreqCS；并且FreqC介于转速上限值和转速下限值之间。

当压缩机按照初始转速运行5分钟后，开始变频运行。按照设置温度和进水温度的差值进行压缩机转速变化，差值越大，每次压缩机转速变化的数值越大。

二、电子膨胀阀的控制：电子膨胀阀的初开度与环境温度的关系满足下列公式：

ST＝4*AT+150；

其中，ST为电子膨胀阀的初开度；AT为环境温度传感器测得的环境温度值，AT为正值或负值或零。正常自动阀控的时候，按照过热度PID进行控制，过热度为吸气温度和盘管温度的差值，即第六温度传感器的实测温度值与第七温度传感器的实测温度值的差值，控制器基于此差值来变频控制电子膨胀阀的开度大小。

三、变频水泵的控制：

按照环境温度确定水泵的初始转速，环境温度越高，初始转速越高，流量越大；环境温度越低，初始转速越低，流量越小。在运行阶段，环境温度进行变化，水泵也转速也进行变化，环境温度升高1℃，水泵转速提高5％，降低1℃，水泵转速降低5％。此部分的具体控制演化公式为:

初转速持续阶段执行(1)、(2)公式；

(1)ΔInitFreqWp＝(AT-pAT)pInitFreqWp*5％；

(2)InitFreqWp＝ΔInitFreqWp+pInitFreqWp；

ΔInitFreqWp：初转速变化,pInitFreqWp:前一次初转速；

AT：环境温度，pAT：前一次环境温度；

InitFreqWp：此次初转速。

在水泵正常运行阶段，以目标出水温度来微调水泵的转速，让实际出水水温靠近目标出水温度，具体控制公式为：

ΔFreqWp＝(OT-sOT)*maxFreqWp/1000；

ΔFreqWp的范围不超过：(-(maxFreqWp/100)<ΔFreqWp<(maxFreqWp/100))；

FreqWp＝ΔFreqWp+pFreqWp；

ΔFreqWp为变化转速，FreqWp为实际转速，maxFreqWp为该水泵最大转速，OT为实际出水温度，sOT为设置出水温度。

四、蒸发器侧的风机的控制：按照环境温度值进行调整。环境温度越高，风机转速越慢，环境温度越低，风机转速按照环境温度进行速度的控制。

此部分的具体控制公式为:

FreqFn＝(((maxFreqFn-minFreqFn)/60)*(AT+30))+minFreqFn,其中AT的范围为-30～30℃；

FreqFn为实际风机转速，maxFreqFn为风机最大的转速，minFreqFn为风机最小转速，AT为实际环境温度。

该跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组的工作环境温度为-40～43℃，气冷器的换热水路的进水口一侧的温度为5～60℃，气冷器的换热水路的出水口一侧的温度为30～99℃。具体参照下列表格：

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于，包括：

变频压缩机(1)，其出气口一侧设置有第一温度传感器(A)；

气冷器(2)，内部具有相互换热的第一换热管路(21)和换热水路(22)，所述的换热水路(22)上连接有变频水泵(10)，所述换热水路(22)的进水口一侧设置有第二温度传感器(B)，所述换热水路(22)的出水口一侧设置有第三温度传感器(C)，所述第一换热管路(21)的出口一侧设置有第四温度传感器(D)；

回热器(3)，内部具有相互换热的第二换热管路(31)和第三换热管路(32)；

经济器(4)，内部具有相互换热的第四换热管路(41)和第五换热管路(42)，所述第五换热管路(42)的出口一侧设置有第五温度传感器(E)；

第一节流阀(5)；

第二节流阀(6)；

蒸发器(7)，其盘管一侧设置有第六温度传感器(F)；

气液分离器(8)，其出口一侧设置有第七温度传感器(G)；

控制器，与所述的变频压缩机(1)、变频水泵(10)、第一节流阀(5)、第二节流阀(6)分别控制连接，所述的控制器与所述的第一温度传感器(A)、第二温度传感器(B)、第三温度传感器(C)、第四温度传感器(D)、第五温度传感器(E)、第六温度传感器(F)、第七温度传感器(G)分别信号连接；

所述的变频压缩机(1)、气冷器(2)的第一换热管路(21)、回热器(3)的第二换热管路(31)、经济器(4)的第四换热管路(41)、第一节流阀(5)、第二节流阀(6)、蒸发器(7)、回热器(3)的第三换热管路(32)、气液分离器(8)依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的主回路，所述的变频压缩机(1)、气冷器(2)的第一换热管路(21)、回热器(3)的第二换热管路(31)、经济器(4)的第四换热管路(41)、第一节流阀(5)、经济器(4)的第五换热管路(42)依次相连通构成供二氧化碳制冷剂循环的补气回路，所述的控制器能够基于各个所述的温度传感器发送的温度检测信号来控制所述的变频压缩机(1)、变频水泵(10)、第一节流阀(5)以及第二节流阀(6)分别工作，以使得所述换热水路(22)的出水口一侧温度达到设定温度。

2.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：该跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组的工作环境温度为-40～43℃，气冷器(2)的换热水路(22)的进水口一侧的温度为5～60℃，气冷器(2)的换热水路(22)的出水口一侧的温度为30～99℃。

3.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：所述的变频水泵(10)靠近所述换热水路(22)的进水口一侧。

4.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：所述的第二节流阀(6)有一对，一对所述的第二节流阀(6)并联设置在所述的主回路中。

5.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：所述的变频压缩机(1)与所述的气冷器(2)之间连接有油分离器(9)。

6.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：所述的变频压缩机(1)为直流变频压缩机或交流变频压缩机。

7.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：还包括用于测定外界环境温度的环境温度传感器，所述的控制器与所述的环境温度传感器信号连接，所述变频压缩机的初始转速与环境温度的关系满足下列公式：

FreqCS＝4500-AT*50；

其中，FreqCS为变频压缩机的初始转速；AT为环境温度传感器测得的环境温度值，AT为正值或负值或零。

8.根据权利要求7所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：所述的变频压缩机具有一转速上限值和一转速下限值，变频压缩机每次变频的转速差值与设定温度和第二温度传感器反馈的换热水路的进水温度之间的关系满足下列公式：

ΔFreqC＝(SetT-IT)*3；

FreqC＝ΔFreqC+pFreqC；

其中，ΔFreqC为变频压缩机每次变频的转速差值；SetT为设定温度；IT为第二温度传感器反馈的换热水路的进水温度；FreqC为变频压缩机每次变频后的转速；pFreqC是变频压缩机每次需要进行变频时，前一次变频时的转速；其中，变频压缩机首次变频时，pFreqC＝FreqCS；并且FreqC

介于转速上限值和转速下限值之间。

9.根据权利要求7所述的跨临界二氧化碳带补气系统的全变频热泵机组，其特征在于：所述电子膨胀阀的初开度与环境温度的关系满足下列公式：

ST＝4*AT+150；

其中，ST为电子膨胀阀的初开度；AT为环境温度传感器测得的环境温度

值，AT为正值或负值或零。

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