CN113203136A - 一种双高效二氧化碳空调热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双高效二氧化碳空调热泵系统，采用自然环保的二氧化碳作为制冷剂，具有制冷和制热两个工作模式，制冷模式下系统具有两个蒸发温度，通过喷射器回收高压管路中的制冷剂压力能，引射气液分离器中部分制冷剂液体实现低温制冷，达到独立除湿并回收部分压缩功降低压缩机功耗提高制冷效率的目的；制热模式下压缩机高温排气依次进入第二室内换热器和第一室内换热器，实现与室内空气的逆流换热，换热充分，提高系统制热能力，达到高效制热的目的；从而整个系统能够实现制冷制热双高效。

Description

一种双高效二氧化碳空调热泵系统

技术领域

本发明属于空调领域，更具体地，涉及一种双高效二氧化碳空调热泵系统。

背景技术

制冷空调系统广泛应用于各类制冷和空气调节场合。传统的空调系统制冷剂采用氟利昂类或者碳氢类制冷剂，前者由于臭氧层或者全球变暖效应受到《蒙特利尔》和关于气候变化的《巴黎协议》的限制，后者在替代氟利昂类制冷剂方面具有系统兼容性良好、能效比高等优点，但是存在可燃性的缺陷，同时相对于二氧化碳作为制冷剂的制冷空调系统，传统空调系统的制热能力较低。二氧化碳作为一种环保安全的制冷剂，不可燃，无ODP效应，极低的GWP效应，具有优异的制热能力，在未来制冷剂替代领域具有较强的潜在竞争力。但是二氧化碳的临界温度低，应用于蒸气压缩制冷系统时，往往难以冷凝而使得系统工作在跨临界循环，导致系统制冷能效低下，在节能效果方面难以与传统的氟利昂类以及碳氢类制冷剂竞争。

为了提高制冷效率，针对空调系统在夏季制冷工况下一般都需要对空气降温和除湿的要求，申请号为CN200510091531.7的专利提出了一种采用喷射器作为节流机构从而实现双温蒸发和温湿度独立控制的制冷系统，该系统的工作原理是从压缩机211排出的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器213被冷凝成制冷剂的液体，然后分成两路，一路经过节流机构217节流到较低温度和压力，进入第二蒸发器218蒸发对流经该蒸发起的空气期主要的除湿作用，随后经过喷射器214的214b口被喷射器214吸入；另一路进入喷射器214的主入口214a喷射降压并吸入喷射器214的214b口的较低压力的制冷剂蒸汽，一起流经喷射器的214c段和214d段升压到一个较高的压力和温度，进入第一蒸发器215蒸发制冷，主要对流经该蒸发起的空气进行降温处理，然后被压缩机211吸入，完成制冷循环。由于该系统采用了喷射器实现了双温蒸发、温湿度独立控制，提高了制冷效率。然而，该系统只能用于制冷，不能实现制热，同时该系统也不能采用二氧化碳作为制冷剂，因为二氧化碳的临界温度太低，在制冷空调工况下换热器213不能将其冷凝为液体，仍然处于气体状态，从而会导致喷射器214和节流机构217的不稳定工作。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双高效二氧化碳空调系统，由此解决现有空调系统效率不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种双高效二氧化碳空调热泵系统，包括：压缩机、四通换向阀、室外换热器、回热器、喷射器、第一室内换热器、第二室内换热器、气液分离器、第一节流机构、第二节流机构、室内换热器风机、第二室外换热器风机、单向阀F1-F7以及电磁阀；

所述压缩机的出气口依次与四通换向阀、室外换热器的第二端口、第一端口、回热器的第一端口、第二端口、单向阀F3、喷射器的第一入口、喷射器的出口、单向阀F5、第一室内换热器的第一端口、第二端口、单向阀F7、气液分离器的第二端口连接、第一端口、回热器的第四端口、第二端口、四通换向阀、压缩机的进口连接；

所述气液分离器的第三端口依次与第一节流机构、第二室内换热器的第二端口、第一端口、电磁阀、喷射器的第二入口连接；

在回热器的第三端口与四通换向阀之间、在四通换向阀与气液分离器之间、回热器的第二端口与室内换热器之间、第一室内换热器的第二端口与第二室内换热器的第一端口之间分别设有单向阀F1、F2、F4、F6；

在制冷模式下，电磁阀开启，第一节流机构闭合，在压缩机的出口、室外换热器、回热器、喷射器、第一室内换热器、气液分离器的第二端口和第一端口、回热器、四通换向阀、压缩机的进口之间形成制冷循环通路，以及在气液分离器的第三端口、第二室内换热器、喷射器、第一室内换热器、气液分离器的第二端口之间形成制冷循环通路；

在制热模式下，电磁阀关闭，第一节流机构全开，在压缩机、气液分离器、第二室内换热器、第一室内换热器、回热器、室外换热器之间形成制热循环通路。

优选地，单向阀F1的进口与回热器的第三端口连接，出口分别与单向阀F2的进口和四通换向阀连接；单向阀F2的进口还与四通换向阀连接，出口分别与回热器的第四端口和气液分离器的第一端口连接。

优选地，所述回热器的第一端口与第二端口在回热器内形成第一通道，回热器的第三端口与第四端口在回热器内形成第二通道。

优选地，气液分离器的第一端口位于顶部，第三端口位于底部，第二端口位于顶部和底部之间。

优选地，所述制冷剂为二氧化碳。

优选地，第一室内换热器为降温蒸发器，第二室内换热器为除湿蒸发器。

优选地，第一节流机构和第二节流机构为电子膨胀阀。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明从流程优化的角度，实现了以二氧化碳为制冷剂的空调系统制冷制热循环，利用二氧化碳制冷剂的高效制热特性的同时，采用喷射节流方法实现制冷温湿度独立控制，提高制冷效率，降低压缩机功耗，实现了制冷制热双高效。

2、通过将喷射器出口管路上的气液分离器设置在降温蒸发器后端，使得系统结构得到大幅度简化，而且整体系统只需要对现有的空调器压缩机的气液分离器进行适当的改造，而无需独立增加气液分离器，大幅度的简化系统构造，使得系统具有更高的可靠性；

3、本发明通过有效利用喷射器的压力能回收以及喷射器出口和引射入口压力不同的工作特点及机理，成功实现与现有技术明显不同的制冷系统温湿度独立控制功能，并能够实现对不同蒸发温度的精准调节及控制操作；此外，该制冷系统工作在两个蒸发压力下，除湿蒸发制冷循环动力主要由喷射器回收的压力能提供，而非消耗压缩机功耗，而降温蒸发器则工作在一个相对较高的蒸发温度下，压缩机的总功耗不变，由于蒸发温度提高，系统的循环性能系数可大幅度提高；

4、与现有的采用溶液除湿或者固体吸附除湿技术的温湿度独立控制空调技术相比，本发明不仅取得了更好的空调温湿度独立控制和节能效果，而且本发明并不采用对人体有毒有害有强烈腐蚀性的除湿溶液以及固体吸附质，具有环保健康以及非常高的安全特性优势；同时，还具备结构紧凑、便于后期维护和产品升级，成本低和运行可靠等优点。

附图说明

图1是本发明提供的双高效二氧化碳空调热泵系统结构示意图。

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明白，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种双高效二氧化碳空调热泵系统，如图1所示，包括：

压缩机1、四通换向阀2、室外换热器3、回热器4、喷射器5、第一室内换热器6、第二室内换热器7、气液分离器8、第一节流机构11、第二节流机构10、室内换热器风机9、第二室外换热器风机20、单向阀F1-F7以及电磁阀19；

所述压缩机1的出气口依次与四通换向阀2、室外换热器3的第二端口、第一端口、回热器的第一端口、第二端口、单向阀F314、喷射器5的第一入口、喷射器5的出口、单向阀F516、第一室内换热器6的第一端口、第二端口、单向阀F718、气液分离器8的第二端口连接、第一端口、回热器的第四端口、第二端口、四通换向阀、压缩机的进口连接；

所述气液分离器8的第三端口依次与第一节流机构11、第二室内换热器7的第二端口、第一端口、电磁阀19、喷射器5的第二入口连接；

所述气液分离器8的第三端口依次与第一节流机构11、第二室内换热器7的第二端口、第一端口、电磁阀19、喷射器5的第二入口连接。

具体地，所述四通换向阀2分别与压缩机1的出气口、吸气口、室外换热器3的第二端口以及气液分离器8的第一端口连接；所述回热器4的第一端口与第二端口在回热器4内形成第一通道，回热器4的第三端口与第四端口在回热器4内形成第二通道；回热器4的第一端口与室外换热器3的第一端口连接，回热器4的第二端口与喷射器5的第一入口连接，回热器的第四端口与气液分离器8的第一端口连接；喷射器5的出口与第一室内换热器6的第一端口连接，第一室内换热器6的第二端口与气液分离器8的第二端口连接，气液分离器8的第三端口与第二室内换热器7的第二端口连接，第二室内换热器7的第一端口经电磁阀19与喷射器的第二入口连接。

单向阀F112的进口与回热器4的第三端口连接，出口分别与单向阀F213的进口和四通换向阀2连接；单向阀F213的进口还与四通换向阀2连接，出口分别与回热器4的第四端口和气液分离器8的第一端口连接；单向阀F516与第一室内换热器6之间的通道依次通过单向阀F415、第二节流机构10连接至回热器的第二端口与单向阀F314之间的通道；电磁阀17与第二室内换热器7的第一端口之间的通道通过单向阀F617连接至第二室内换热器7的第二端口与单向阀F718之间的通道。

单向阀12的进口与回热器4的第三端口连接，单向阀12出口分别与单向阀13的进口和四通换向阀2连接；单向阀13的出口分别与回热器4的第四端口和气液分离器8的第一端口连接；单向阀14的进口和出口分别与回热器4的第二端口和喷射器5的第一入口连接；单向阀15的进口分别与第一室内换热器6的第一端口和单向阀16的出口连接，单向阀15的出口经第二节流机构10分别与回热器的第二端口和单向阀14的进口连接；单向阀16的进口与喷射器5的出口连接，单向阀16的出口还连接至第一室内换热器6的第一端口；单向阀17的入口与分别与电磁阀19和第二室内换热器7的第一端口连接，单向阀17的出口分别与第一换热器6的第二端口和单向阀18的入口连接；单向阀18的入口与气液分离器8的第二端口连接。

在制冷模式下，四通换向阀2将压缩机1的排气口与室外换热器3的第一端口连通，以及将压缩机1的吸气口与回热器12的第三端口连通，电磁阀19开启；在压缩机1的出口、室外换热器3、回热器4、喷射器5、第一室内换热器6、气液分离器8的第二端口和第一端口、回热器4、四通换向阀2、压缩机1的进口之间形成制冷循环通路，以及在气液分离器8的第三端口、第二室内换热器7、喷射器5、第一室内换热器6、气液分离器8的第二端口之间形成制冷循环通路。

具体地，在制冷模式下，所述四通换向阀2将所述压缩机1排气口与所述室外换热器3入口连通，所述四通换向阀2将所述压缩机1吸气口与所述回热器12的低温气体出口连通；所述压缩机1将制冷剂压缩至高温高压后经所述四通换向阀2后进入所述室外换热器3，制冷剂在所述室外换热器3冷却后进入所述回热器4，制冷剂在所述回热器4与回流的低温制冷剂气体进行热量交换后经所述单向阀14进入所述喷射器5的第一入口，所述喷射器5具有三个接口，分别为第一入口，第二入口和出口，高压制冷剂作为动力流体从第一入口进入所述喷射器5内喷射后，在喷射器5出口和第二入口分别形成第一压力和第二压力，其中第一压力高于第二压力，同时第一压力和第二压力均小于喷射器5入口高压气体压力，所述第二室内换热器7出口第二压力的制冷剂蒸气经过打开状态的电磁阀19和喷射器的第二入口进入喷射器5与动力流体制冷剂混合，混合制冷剂压力被提升至第一压力后从喷射器5出口流出，喷射器5出口的第一压力的制冷剂经单向阀16后进入所述第一室内换热器6蒸发吸热制冷，所述第一室内换热器6出口制冷剂经单向阀18后进入所述气液分离器8，在所述气液分离器8中，未能在所述第一室内换热器6中完全蒸发的制冷剂液体经气液分离后从所述气液分离器8的液体出口流出，经所述第一节流机构11节流降压降温后进入所述第二室内换热器7中蒸发吸热后经过电磁阀19被所述喷射器5第二入口吸入，所述气液分离器8气体出口制冷剂蒸气经所述回热器4进一步吸热后经单向阀12后进入所述四通换向阀后进入所述压缩机1吸气口，完成制冷循环。

制冷工况下，回热器4将室外换热器3出口的高压常温的制冷剂与气液分离器8回流的低温制冷剂进行热量交换，可实现喷射器入口的动力流体被全部或者部分冷凝成液体，提高循环效率。

在制热模式下，四通换向阀2将压缩机1的排气口与气液分离器8的第一端口连通，以及将压缩机1的吸气口与室外换热器3的第二端口连通，电磁阀19关闭，第一节流机构11全开；在压缩机1、气液分离器8、第二室内换热器7、第一室内换热器6、回热器4、室外换热器3之间形成制热循环通路。

具体地，制热模式下，所述四通换向阀2将所述压缩机1排气口与所述气液分离器8气体出口连通，制热模式下气液分离器不起气液分离的作用，并且电磁阀19处于关闭状态。所述四通换向阀2将所述压缩机1吸气口与所述室外换热器3气体出口连通；所述压缩机1将制冷剂压缩至高温高压后经所述四通换向阀2和单向阀13后进入所述气液分离器8，高温高压制冷剂气体流经气液分离器后经第一节流机构11后进入第二室内换热器7，此时第一节流机构11全开，不起节流作用，高温高压制冷剂在所述第二室内换热器7中放热，对流经该换热器的空气进行加热，此时电磁阀19关闭，制冷剂蒸汽经单向阀17进入第一室内换热器6进一步放热并对流经该换热器的空气进行加热后流出，第一室内换热器6出口高压制冷剂经单向阀15进入所述第二节流机构10节流降温降压后经所述回热器4进入所述室外换热器3，低温低压制冷剂在所述室外换热器3内吸热蒸发后经四通换向阀2后被压缩机吸气口吸入，完成制热循环。

通过设置单向阀组能够有效地实现系统制冷与制热之间的转换，并同时使得系统实现制冷制热双高效。

通过设置电磁阀19，制冷工况下，电磁阀19打开，使得从第二室内换热器出来的制冷剂蒸汽能够经过电磁阀19被喷射器5的第二入口吸入，在制热工况下，电磁阀19关闭，使得从第二室内换热器出来的已经对流经该换热器空气进行加热的制冷剂蒸汽能够经过单向阀17进入第一室内换热器6对流经该换热器的空气进行加热，从而实现制冷剂与换热器外被加热的空气逆流换热，提高制热能力和制热效率。

所述第一室内换热器6和第二室内换热器7为串联布置，制冷工况下，室内空气回风经降温蒸发器6降温后，全部或者部分回风可进入第二室内换热器7进一步降温至露点温度以下，实现冷凝除湿。

本发明实施例提供的空调热泵系统，不仅引入了喷射节流的基本工作机理，而且还对系统的流程以及关键部件的连接方式做了创新设计，一方面使系统具有可靠的制冷和制热工作模式，另一方面根据二氧化碳制冷剂的性能特点匹配了系统部件设置，优化提升系统的工作性能。

优选地，单向阀F112的进口与回热器4的第三端口连接，出口分别与单向阀F213的进口和四通换向阀2连接；单向阀F213的进口还与四通换向阀2连接，出口分别与回热器4的第四端口和气液分离器8的第一端口连接。

优选地，所述回热器的第一端口与第二端口在回热器内形成第一通道，回热器的第三端口与第四端口在回热器内形成第二通道。

本发明实施例提供的空调热泵系统，通过设置单向阀F112及单向阀F213，能够使从气液分离器的第一端口流出的低温制冷剂气体流经回热器的第二通道，在回热器中与反向流经第一通道的制冷剂进行热量交换后再回到压缩机的吸气口完成制冷循环，从而提高制冷效率

优选地，气液分离器的第一端口位于顶部，第三端口位于底部，第二端口位于顶部和底部之间。

优选地，所述制冷剂为二氧化碳。

系统采用二氧化碳作为制冷剂，利用二氧化碳的高效制热能力，实现制热工况的高效制热。

优选地，第一室内换热器为降温蒸发器，第二室内换热器为除湿蒸发器。

具体地，第一室内换热器为降温蒸发器，主要起降温功能；第二室内换热器为除湿蒸发器，主要起除湿功能。

优选地，第一节流机构和第二节流机构为电子膨胀阀。

具体应用实例：

空调器制冷工况下的工作的环境参数：室内干球温度27℃，湿球温度19℃，室外干球温度35℃。空调器基本性能参数：制冷剂R744(二氧化碳)，室外换热器出口温度40℃，回热器热流体出口温度38℃，室内第一换热器(降温蒸发器)蒸发温度18℃，室内第二换热器(除湿蒸发器)蒸发温度10℃，除湿蒸发器出口过热度2℃，压缩机排量0.0005m³/s，压缩机指示效率0.85，喷射器引射系数0.2，压缩机排气压力10MPa，压缩机电效率0.92，压缩机摩擦效率0.92。

本发明实施例提供的双高效二氧化碳空调系统在上述制冷工况下的具体工作参数为：室内第一换热器蒸发压力5.46MPa，压缩机吸气温度21.1℃，制冷剂被压缩机吸入压缩至10MPa后排气温度为69.4℃，排气进入室外换热器冷却至40℃，进一步经回热器冷却至38℃后进入喷射器，喷射器第二入口连通室内第二蒸发器压力为4.5MPa，喷射器出口压力5.46MPa，室内第一换热器(降温蒸发器)蒸发温度18℃，降温制冷量6.59kW，室内第二换热器(除湿蒸发器)蒸发温度10℃，除湿制冷量3.20kW，喷射器入口制冷剂流量0.0897kg/s，除湿量4.65kg/h，压缩机指示功耗为2.44kW，压缩机实际功耗2.94kW，室外换热器热负荷12.24kW，回热器热负荷0.94kW，基于压缩机指示功耗的循环制冷系数为5.33，基于压缩机实际功耗的循环制冷系数为3.33。

空调器制热工况下的工作的环境参数：室内干球温度20℃，室外干球温度7℃。空调器基本性能参数：制冷剂R744(二氧化碳)，室外换热器蒸发温度2℃，室外换热器过热度2℃，室内换热器出口温度40℃，压缩机排量0.0005m³/s，压缩机指示效率0.85，压缩机排气压力10MPa，压缩机电效率0.92，压缩机摩擦效率0.92。

本发明提供的双高效二氧化碳空调系统在上述制热工况下的具体工作参数为：室外换热器蒸发压力3.48MPa，压缩机吸气温度4℃，制冷剂被压缩机吸入压缩至10MPa后排气温度为85.86℃，排气进入室内第一第二换热器冷却至40℃，制冷剂循环量0.05kg/s，空调系统总制热量8.52kW，室外换热器吸热量6.1kW，压缩机指示功耗为2.43kW，压缩机实际功耗2.93kW，基于压缩机指示功耗的循环制热系数为3.52，基于压缩机实际功耗的循环制冷系数为2.91。

对于现有的房间空调器，采用氟利昂或者碳氢制冷剂条件下，国家标准要求的房间空调器制冷系数大约在3.2左右，而传统的采用二氧化碳为制冷剂的制冷系统制冷系数更低，本发明的采用二氧化碳为制冷剂的空调系统制冷系数与氟利昂系统性能系数相当。因此，本发明的一种双高效二氧化碳空调系统在于当前传统的空调系统实现同样的制冷量和除湿量的条件下，具有非常良好的节能效果。同时，本发明的空调系统的实际制热系数可达2.91，具有高效制热能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种二氧化碳空调热泵系统，其特征在于，包括：压缩机(1)、四通换向阀(2)、室外换热器(3)、回热器(4)、喷射器(5)、第一室内换热器(6)、第二室内换热器(7)、气液分离器(8)、第一节流机构(11)、第二节流机构(10)、室内换热器风机(9)、第二室外换热器风机(20)、单向阀F1-F7以及电磁阀(19)；

所述压缩机(1)的出气口依次与四通换向阀(2)、室外换热器(3)的第二端口、第一端口、回热器的第一端口、第二端口、单向阀F3(14)、喷射器(5)的第一入口、喷射器(5)的出口、单向阀F5(16)、第一室内换热器(6)的第一端口、第二端口、单向阀F7(18)、气液分离器(8)的第二端口连接、第一端口、回热器的第四端口、第二端口、四通换向阀、压缩机的进口连接；

所述气液分离器(8)的第三端口依次与第一节流机构(11)、第二室内换热器(7)的第二端口、第一端口、电磁阀(19)、喷射器(5)的第二入口连接；

在回热器(4)的第三端口与四通换向阀(2)之间、在四通换向阀(2)与气液分离器(8)之间、回热器(4)的第二端口与室内换热器(6)之间、第一室内换热器(6)的第二端口与第二室内换热器(7)的第一端口之间分别设有单向阀F1(12)、F2(13)、F4(15)、F6(17)；

在制冷模式下，电磁阀(19)开启，第一节流机构(11)闭合，在压缩机(1)的出口、室外换热器(3)、回热器(4)、喷射器(5)、第一室内换热器(6)、气液分离器(8)的第二端口和第一端口、回热器(4)、四通换向阀(2)、压缩机(1)的进口之间形成制冷循环通路，以及在气液分离器(8)的第三端口、第二室内换热器(7)、喷射器(5)、第一室内换热器(6)、气液分离器(8)的第二端口之间形成制冷循环通路；

在制热模式下，电磁阀(19)关闭，第一节流机构(11)全开，在压缩机(1)、气液分离器(8)、第二室内换热器(7)、第一室内换热器(6)、回热器(4)、室外换热器(3)之间形成制热循环通路。

2.如权利要求1所述的二氧化碳空调热泵系统，其特征在于，单向阀F1(12)的进口与回热器(4)的第三端口连接，出口分别与单向阀F2(13)的进口和四通换向阀(2)连接；单向阀F2(13)的进口还与四通换向阀(2)连接，出口分别与回热器(4)的第四端口和气液分离器(8)的第一端口连接。

3.如权利要求1或2任一项所述的二氧化碳空调热泵系统，其特征在于，所述回热器的第一端口与第二端口在回热器内形成第一通道，回热器的第三端口与第四端口在回热器内形成第二通道。

4.如权利要求1所述的二氧化碳空调热泵系统，其特征在于，气液分离器(8)的第一端口位于顶部，第三端口位于底部，第二端口位于顶部和底部之间。

5.如权利要求1所述的二氧化碳空调热泵系统，其特征在于，所述制冷剂为二氧化碳。

6.如权利要求1所述的二氧化碳空调热泵系统，其特征在于，第一室内换热器为降温蒸发器,第二室内换热器为除湿蒸发器。

7.如权利要求1所述的二氧化碳空调热泵系统，其特征在于，第一节流机构和第二节流机构为电子膨胀阀。

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