CN113883763A - 蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统及控制方法，包括压缩机、室外换热器、室内换热器、第一换向四通阀、气液分离器、第二换向四通阀；其中，压缩机出口经第一换向四通阀、室外换热器/室内换热器、第二换向四通阀与气液分离器入口相连，气液分离器液体出口与第二换向四通阀相连，气液分离器气体出口与压缩机入口相连。本发明利用气液分离技术充分降低蒸发器入口干度，提高蒸发器制冷剂分配均匀性，从而提升蒸发器换热面积有效利用率及换热效率；引入第二换向四通阀解决气液分离器对制冷剂流向变化的限制，实现制冷与制热模式之间的便捷、高效切换，使不同模式下蒸发器传热性能均可得到强化，进而提升制冷/热泵系统的全年能源消耗效率。
Description
技术领域
本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统及控制方法。
背景技术
随着人民生活水平的提高，以蒸汽压缩制冷循环为基础的制冷/热泵产品使用量急速上升，已成为民用与商用建筑中最大的能源消耗终端，其中空调系统能耗占比达18％～73％，热水系统能耗占比达27％，提高蒸汽压缩式制冷/热泵系统能效、降低能耗已成为节能减排的关键。
在蒸汽压缩式制冷/热泵系统中，蒸发器是直接产生冷量的部件，蒸发器的改进在提高制冷/热泵系统能效中扮演着重要角色，具有巨大的节能潜力。在蒸发器中，循环流动的液态制冷剂通过相变不断地从换热流体中吸收热量使其降温，从而实现制冷的目的。然而，在实际蒸汽压缩循环中，液态制冷剂在进入蒸发器前需要先经过节流结构降压，导致部分液态工质闪蒸汽化，蒸发器入口处制冷剂由单相液态变为气液两相混合物。与液态相比，汽态制冷剂对蒸发器内的换热过程贡献很小，因而基本没有制冷效果，但闪蒸气的存在却不仅使制冷剂流速增加，导致沿程压降增大，还占据了部分换热面积，导致蒸发器换热效率明显下降。此外，现有蒸发器在使用过程中一般采用增加分路的方式来降低制冷剂侧压力损失，由于气液两相制冷剂存在显著的密度差和速度差，使得制冷剂在蒸发器各支路中的流量、干度分配并不均匀，导致蒸发器换热面积以及液态制冷剂的相变潜热都无法充分利用，使蒸发器换热性能进一步恶化。因此，采取措施降低蒸发器入口干度并使制冷剂分配均匀，对于提高蒸发器性能与制冷/热泵系统能效有着十分重要的意义。
为实现上述目标，现有技术普遍采用在节流结构与蒸发器之间增设气液分离过程的技术方案，通过气液分离过程一方面最大程度降低蒸发器入口干度，另一方面排除气相对制冷剂均匀分配的影响。
中国专利CN101038116A提出了一种气液分离蒸发器，制冷剂首先进入气液分离器，在气液分离器顶部与底部分别设有气相出口与液相出口，分离后的液相制冷剂经由液相出口进入蒸发器，气相工质由气相出口进入旁通管而不参与换热，从而降低蒸发器入口干度、提高换热效率。缺点是常规气液分离器尺寸较大，既增加了制冷剂的充注量，也不利于系统紧凑式设计。此外，对于同时具有制冷与制热需求的热泵空调系统，这种一体式设计方案也将极大增加室内换热器与室外换热器切换的技术成本。
中国专利CN105526745A公开了一种基于闪蒸气旁通过冷技术的制冷系统。在蒸发器与节流阀之间增设闪蒸罐，通过节流后的闪发气体对节流前的液相工质进行过冷，降低节流阀出口制冷剂干度，并通过闪蒸罐进行气液分离，改善制冷剂分配均匀性并提高蒸发器换热效率。缺点是系统中增加了回热器与带内部换热器的闪蒸罐，气液分离器及制冷系统复杂，且只对制冷工况有效，不能满足热泵空调需求。
文献(SAE Int.J.Mater.Manuf,2011,4(1),231-239)也提出了一种基于闪蒸气旁通技术的制冷系统，不同之处在于采用T形管代替传统重力式或离心式分离设备，从而极大降低气液分离装置的复杂性和尺寸。缺点缺少对气液分离过程的控制手段，且提出的系统设计方案同样仅适用于制冷工况。
中国专利CN206739683U公布了一种气体旁通微通道蒸发器，将小型气液分离管嵌在蒸发器分配管内部，分离管一端与分配管入口相连通，另一端设有节流孔板用于排出气相工质，分离管壁设有若干通道用于提供液相制冷剂，分离管内设有旋流板，通过离心力实现气液分离。缺点主要是气液分离过程无法控制，液相制冷剂可通过孔板流出，而气相制冷剂可从管壁通道流出，导致气液分离效率下降。
文献(可再生能源，2020，38(10)，1326-1332)提出在微通道蒸发器入口处增设低压储液器，通过储液器的气液分离作用，改变进入蒸发器的制冷剂干度和流速，从而改善制冷剂分配特性，强化蒸发器换热能力。缺点是储液器的气液分离效率有限，无法实现完全相分离，且所提方案无法用于兼具制冷与制热模式的系统)。
综上，现有基于气液分离强化蒸发器换热性能的技术，无论是采用气液分离器与蒸发器一体式设计结构，还是分体式设计结构，都是针对单一机组运行模式(制冷或制热)的优化方案。而随着社会经济水平的提高，市场对于应用范围更广、能够一机多用(制冷、制热、提供生活热水)的热泵空调的需求正迅速攀升，对热泵空调中蒸发器性能进行改善更具经济和社会效益。热泵空调机组结构与单冷空调结构基本相同，只是增加了一个四通换向阀，以使空调系统内的蒸发器与冷凝器的功能可在不同运行模式下互相对换。以家用热泵空调为例，制冷模式下，室内换热器为蒸发器，室外换热器为冷凝器，热量从室内流向室外；而制热模式下，室内换热器变为冷凝器，室外换热器变为蒸发器，热量从室外流向室内。因此，若仅对室内换热器增加气液分离强化措施，当运行模式由制冷变为制热时，实际的蒸发器(室外换热器)性能仍无法得到提升。若对室内换热器与室外换热器同时增加气液分离强化措施，则需要考虑空间和成本方面的制约。因此，如何经济、高效、便捷地利用气液分离器对热泵空调不同运行模式下的蒸发器性能进行提升，仍是业界尚未解决的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统及控制方法，以解决多运行模式系统内节流后闪蒸气影响蒸发器内制冷剂分配、降低蒸发器换热性能的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，包括压缩机、室外换热器、节流机构、室内换热器、储罐、第一换向四通阀、气液分离器、第二换向四通阀；
其中，储罐出口经压缩机与第一换向四通阀的高压入口相连，第一换向四通阀的低压出口与储罐入口相连；
第一换向四通阀的第二端口经室外换热器与第二换向四通阀的第二端口相连，第二换向四通阀的第一端口经室内换热器与第一换向四通阀的第一端口相连；
第二换向四通阀的高压出口经节流机构与气液分离器入口相连，气液分离器的气体出口与储罐的入口相连；气液分离器的液体出口与第二换向四通阀的低压入口相连。
进一步的，气液分离器的气体出口经气相调节阀、止回阀与储罐的入口相连。
进一步的，气液分离器的液体出口经液相调节阀与第二换向四通阀的低压入口相连。
进一步的，第二换向四通阀包括通过若干导向毛细管相连的第二换向四通阀主阀组件与第二换向四通阀先导阀组件，第二换向四通阀主阀组件与第二换向四通阀先导阀组件采用一体式或分体式布局。
进一步的，第二换向四通阀主阀组件包括主阀阀体，其中，主阀阀体顶部设置有第二换向四通阀低压入口，底部设置有第二换向四通阀高压出口、第二换向四通阀第一端口和第二换向四通阀第二端口；
主阀阀体内部设置有用于将主阀阀体内部空腔分割为主阀第一活塞腔与主阀第二活塞腔的主阀阀芯，主阀阀芯包括第一滑块及一对活塞，活塞设置在第一连杆两端，第一滑块设置在第一连杆上，通过调控第一活塞腔和第二活塞腔之间的压差，推动第一滑块随第一连杆左右移动，从而使第二换向四通阀第一端口或第二换向四通阀第二端口在制热或制冷模式下分别与第二换向四通阀高压出口相连通；
第二换向四通阀低压入口经液相调节阀与气液分离器液体出口相连通，第二换向四通阀第一端口与室内换热器相连通，第二换向四通阀高压出口经节流机构与气液分离器入口相连通，第二换向四通阀第二端口与室外换热器相连通。
进一步的，第二换向四通阀先导阀组件包括先导阀阀体和设置在先导阀阀体外部的电磁线圈，其中，先导阀阀体顶部开设有先导阀高压入口，底部开设有先导阀低压出口、先导阀第二端口与先导阀第一端口；
先导阀高压入口通过毛细管与第二换向四通阀高压出口相连通，先导阀第一端口通过毛细管与主阀第二活塞腔相连通，先导阀第二端口通过毛细管与主阀第一活塞腔相连通，先导阀低压出口通过毛细管与第二换向四通阀低压入口相连通。
进一步的，先导阀阀体内设置有弹簧、第二滑块、动铁芯、第二连杆及静铁芯，第二连杆一端设置第二滑块，第二连杆另一端设置动铁芯，先导阀阀体一端内壁上设置静铁芯，静铁芯一侧设置有水平布置的弹簧，弹簧一端与静铁芯相连，弹簧另一端与动铁芯相连；电磁线圈设置在先导阀阀体外部并与动铁芯、静铁芯相对应的位置。
进一步的，气液分离器为T形管气液分离装置；T形管气液分离装置包括液分离器本体，气液分离器本体上设置有气液分离器入口、气液分离器液相出口以及气液分离器气相出口，其中，气液分离器入口与节流机构相连通，制冷模式下，液相出口经液相调节阀、第二换向四通阀低压入口、第二换向四通阀第一端口后与室内换热器相连通，室内换热器另一端经第一换向四通阀第一端口、第一换向四通阀低压出口与储罐相连通；
制热模式下，液相出口经液相调节阀、第二换向四通阀低压入口、第二换向四通阀第二端口后与室外换热器相连通，室外换热器另一端经第一换向四通阀第二端口、第一换向四通阀低压出口与储罐相连通；
定义由气液分离器液相出口至储罐的管路为液相回路；
气液分离器气相出口依次经过气相调节阀、止回阀后与储罐相连通；
定义由气液分离器气相出口至储罐的管路为气相回路；在储罐前设置液相回路与气相回路的汇合点，使两回路制冷剂经等压混合后再进入压缩机。
一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵控制方法，包括制冷模式和制热模式，通过控制第一换向四通阀及第二换向四通阀的通电或断电，实现系统运行模式的切换；
制冷模式下，室内换热器为蒸发器，室外换热器为冷凝器；来自室外换热器的高压液态制冷剂经过第二换向四通阀后进入节流机构，节流降压后形成的低压气液两相制冷剂进入气液分离器进行相分离；分离后制冷剂分为两路，第一路制冷剂以低压液态制冷剂为主，由气液分离器液相出口流出后经液相调节阀、第二换向四通阀进入室内换热器，低压液态制冷剂在室内换热器中不断吸热蒸发，转变为低压气态或高干度气液两相制冷剂，从而实现制冷，离开室内换热器的低压气态或高干度气液两相制冷剂经第一换向四通阀后流向储罐前的汇合点，第二路制冷剂以低压气态制冷剂为主，由气液分离器气相出口流出后经由气相调节阀、止回阀、第一换向四通阀与第一路低压制冷剂在汇合点进行等压混合，混合后的制冷剂流入储罐，再进入压缩机完成升压过程，压缩机排出的高温、高压气态制冷剂经第一换向四通阀后进入室外换热器，高压气态制冷剂在室外换热器内完成冷凝过程，并向室外环境排放热量，制冷剂重新恢复高压液态，完成循环；
制热模式下，室外换热器为蒸发器，室内换热器为冷凝器；来自室内换热器的高压液态制冷剂经过第二换向四通阀后进入节流机构，节流降压后形成的低压气液两相制冷剂进入气液分离器进行相分离；分离后制冷剂分为两路，一路制冷剂以低压液态制冷剂为主，由气液分离器液相出口流出后经液相调节阀及第二换向四通阀后进入室外换热器中吸热蒸发，转变为低压气态或高干度气液两相制冷剂，室外换热器中低压气态或高干度气液两相制冷剂经第一换向四通阀后流向储罐前的汇合点；另一路制冷剂以低压气态制冷剂为主，由气液分离器气相出口流出，低压气态制冷剂依次经过气相调节阀、止回阀、第一换向四通阀后与前一路低压制冷剂在汇合点进行等压混合，并流入储罐，最后进入压缩机完成升压过程，压缩机排出的高温、高压气态制冷剂经第一换向四通阀后进入室内换热器，实现制热，制冷剂重新恢复高压液态，完成循环；
在制冷或制热模式下，通过同步调控气相调节阀与液相调节阀的开度，对气液分离器液相出口与气液分离器气相出口的制冷剂流量及干度分配比例进行控制，并使液相回路与气相回路内制冷剂压降相等，实现液相回路与气相回路制冷剂在储罐前等压混合。
相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明利用气液分离技术降低蒸汽压缩制冷/热泵系统中蒸发器入口处的制冷剂干度，避免吸热能力较差的气相制冷剂进入蒸发器，因而能够增加蒸发器的有效换热面积，改善蒸发器换热性能，提高制冷/热泵系统能效。本发明利用气液分离技术可使制冷剂以完全液相状态进入蒸发器，将传统蒸发器内各流路之间复杂的气液两相流分配转化为液相分配，避免气液两相之间显著的密度、速度差异导致的分液不均问题，从而提高蒸发器换热面积有效利用率及换热效率，进而改善系统整体性能。本发明既可在制冷模式下提升室内换热器的性能，也可在制热模式下提升室外换热器的性能，从而提升系统的全年能源消耗效率，特别适合热泵空调等兼具制冷与制热功能的系统。本发明不受制冷剂种类及物性的影响，既可用于纯工质系统，也可用于共沸或非共沸工质系统；也不受热力循环构型的限制，既可用于传统的亚临界单级蒸汽压缩循环，也可用于各种改进的单级蒸汽压缩循环、复合循环、跨临界循环等。
进一步的，本发明利用包括第二换向四通阀主阀与第二换向四通阀先导阀的第二换向四通阀，一方面可有效解决气液分离器对制冷剂流向变化的限制，保证系统制冷模式与制热模式之间的方便、高效切换，另一方面可以实现基于单台气液分离器对不同系统运行模式下的蒸发器进行性能强化，从而极大地简化了系统结构和控制难度。
进一步的，本发明优先采用T形管气液分离装置，可有效减小气液分离器的尺寸，实现系统的紧凑式设计，降低气液分离器与现有商业空调热泵机组一体化集成的成本。
附图说明
图1是本发明在制冷模式下的系统原理图。
图2是本发明在制热模式下的系统原理图。
图3是本发明中第二换向四通阀在制冷模式下的工作原理图。
图4是本发明中第二换向四通阀在制热模式下的工作原理图。
其中：1-压缩机，2-第一换向四通阀，3-室外换热器，4-节流机构，5-气液分离器，6-第二换向四通阀，7-室内换热器，8-储罐，9-气相调节阀，10-止回阀，11-液相调节阀，201-第一换向四通阀高压入口，202-第一换向四通阀第一端口，203-第一换向四通阀低压出口，204-第一换向四通阀第二端口，501-气液分离器入口，502-气液分离器液相出口，503-气液分离器气相出口，60-第二换向四通阀主阀组件，61-第二换向四通阀先导阀组件，600-主阀阀体，601-第二换向四通阀低压入口，602-第二换向四通阀第一端口，603-第二换向四通阀高压出口，604-第二换向四通阀第二端口，605-主阀第一活塞腔，606-主阀第二活塞腔，607-第一滑块，608-活塞，609-第一连杆，610-先导阀阀体，611-先导阀低压出口，612-电磁线圈，613-先导阀高压入口，614-弹簧，615-先导阀第二端口，616-先导阀第一端口，617-第二滑块，618-动铁芯，619-第二连杆。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
参见图1-图4，本发明一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，包括常规蒸汽压缩式制冷循环主要部件(如压缩机1、室外换热器3、节流机构4、室内换热器7以及储罐8)、第一换向四通阀2、气液分离器5、第二换向四通阀6，以及多种辅助阀门(如气相调节阀9、止回阀10以及液相调节阀11)。
第一换向四通阀2为热泵空调系统中常用的电磁式四通阀，用于制冷剂流向发生变化时确保制冷剂由压缩机低压入口流入，并从高压出口流出，实现系统运行模式改变时蒸发器与冷凝器角色对换。第一换向四通阀2由主阀组件和先导阀组件构成，主阀组件和先导阀组件通过4根导向毛细管连接，主阀组件与先导阀组件可为一体式或分体式。具体连接方式及工作原理在既有文献中已有详细说明，相关技术产品也十分成熟，故此处不在赘述，只对第一换向四通阀2与系统其他部件的连接关系进行描述。如图1和图2所示，第一换向四通阀2的主阀具有四个接口，分别为第一换向四通阀高压入口201、第一换向四通阀第一端口202、第一换向四通阀低压出口203以及第一换向四通阀第二端口204，其中，第一换向四通阀高压入口201与压缩机1出口相连通，第一换向四通阀第一端口202与室内换热器7(露点端)相连通，第一换向四通阀低压出口203经储罐8与压缩机1入口相连通，第一换向四通阀第二端口204与室外换热器3(露点端)相连通。
第二换向四通阀6用于解决气液分离器5对制冷剂流动方向的限制问题，主要由第二换向四通阀主阀组件60、第二换向四通阀先导阀组件61及两者之间的导向毛细管构成。第二换向四通阀主阀组件60与第二换向四通阀先导阀组件61通过导向毛细管相连，第二换向四通阀主阀组件60与第二换向四通阀先导阀组件61可采用一体式或分体式布局。
与常规电磁式四通阀(如第一换向四通阀2)的工作原理相似，第二换向四通阀6也是依靠调节主阀左右两侧活塞腔的压力控制四个接口的连接状态，但因气液分离器前后制冷剂压力变化与压缩机前后不同，因此无法直接应用常规四通阀，需要根据主阀各接口制冷剂压力状态，对第二换向四通阀主阀组件60与第二换向四通阀先导阀组件61之间的若干导向毛细管连接顺序进行调整。第二换向四通阀主阀组件60包括主阀阀体600，以及设置在第一阀体内部的零件，主阀阀体600顶部设置有第二换向四通阀低压入口601，底部设置有第二换向四通阀第一端口602、第二换向四通阀高压出口603以及第二换向四通阀第二端口604。
其中，第二换向四通阀低压入口601经液相调节阀11与气液分离器5的气液分离器液相出口502相连通，第二换向四通阀第一端口602与室内换热器7(泡点端)相连通，第二换向四通阀高压出口603经节流机构4与气液分离器5的气液分离器入口501相连通，第二换向四通阀第二端口604与室外换热器3(泡点端)相连通。
主阀阀体600内部设置有用于将主阀阀体600内部空腔分割为容积可以变化的主阀第一活塞腔605与主阀第二活塞腔606的主阀阀芯，主阀阀芯包括第一滑块607及一对活塞608，一对活塞608分别设置在第一连杆609两端，第一滑块607设置在第一连杆609上，通过调控第一活塞腔605和第二活塞腔606之间的压差，推动第一滑块607随第一连杆609左右移动，从而使第二换向四通阀第一端口602或第二换向四通阀第二端口604在不同运行模式(制热或制冷)下分别与第二换向四通阀高压出口603相连通。
参见图3和图4，第二换向四通阀先导阀组件61包括先导阀阀体610、先导阀阀体610外部的电磁线圈612及先导阀阀体610内部零件，其中，先导阀阀体610顶部开设有先导阀高压入口613，底部开设有先导阀低压出口611、先导阀第二端口615与先导阀第一端口616。
因主阀各端口处制冷剂压力状态发生变化，常规的电磁式四通阀已无法直接用作第二换向四通阀6。依据主阀各端口压力状态，对第二换向四通阀主阀组件60与第二换向四通阀先导阀组件61之间的导向毛细管连接顺序进行调整。新的导向毛细管连接顺序为：第二阀体顶部设置有先导阀高压入口613，底部设置有先导阀低压出口611、先导阀第二端口615与先导阀第一端口616；先导阀高压入口613通过毛细管与第二换向四通阀高压出口603相连通，位于阀体底部的先导阀第一端口616通过毛细管与主阀第二活塞腔606相连通，位于阀体底部的先导阀第二端口615通过毛细管与主阀第一活塞腔605相连通，位于阀体底部的先导阀低压出口611通过毛细管与第二换向四通阀低压入口601相连通。
具体的，先导阀阀体610内设置有弹簧614、第二滑块617、动铁芯618、第二连杆619及静铁芯620，第二连杆619一端设置第二滑块617，第二连杆619另一端设置动铁芯618，先导阀阀体610一端内壁上设置静铁芯620，静铁芯620一侧设置有水平布置的弹簧614，弹簧614一端与静铁芯620相连，弹簧614另一端与动铁芯618相连；电磁线圈612设置在先导阀阀体610外部。优选的，电磁线圈612设置在先导阀阀体610外部且与动铁芯618和静铁芯620相对应的位置。
气液分离器5用于降低蒸发器入口处的制冷剂干度，通常以蒸发器入口干度为零作为目标值。气液分离器5可采用多种形式，可以为重力式、离心式等传统气液分离器或其改进，但考虑到空间布局、成本等方面的限制，优先使用T形管气液分离装置，T形管气液分离装置为单级T形管或复合T形管。
单级T形管是一种由主管与支管按一定角度固定连接形成的具有三个端口的管路分配器。主管与支管可以同时为圆管或方管，主管与支管的管径可以相同也可以不同。主管与支管的交点位置、夹角、管径、管径比、长度等几何因素对分离性能有重要影响，是需要根据实际工况优化的参数。
复合T形管是由多个T形管通过多种连接方式形成的分配管网结构，起到强化气液分离的作用，无论网络多么复杂，但仍保持一进两出的三端口特征。
具体的，气液分离器5具有三个接口，分别为气液分离器入口501、气液分离器液相出口502以及气液分离器气相出口503，其中，气液分离器入口501与节流机构4相连通，制冷模式下，液相出口502经液相调节阀11、第二换向四通阀低压入口601、第二换向四通阀第一端口602后与室内换热器7一端(泡点端)相连通，室内换热器7另一端(露点端)经第一换向四通阀第一端口202、第一换向四通阀低压出口203与储罐8相连通。
制热模式下，液相出口502经液相调节阀11、第二换向四通阀低压入口601、第二换向四通阀第二端口604后与室外换热器3(泡点端)相连通，室外换热器3另一端(露点端)经第一换向四通阀第二端口204、第一换向四通阀低压出口203与储罐8相连通；
定义由气液分离器液相出口502至储罐8的管路为液相回路，不同模式下液相回路流经的部件并不相同；气液分离器气相出口503依次经过气相调节阀9、止回阀10后，与储罐8相连通，定义由气液分离器气相出口503至储罐8的管路为气相回路。通常，在储罐8前设置液相回路与气相回路的汇合点，使两回路制冷剂经等压混合后再进入压缩机1。
其中，液相回路中的制冷剂经过蒸发器后状态已经由液体变为气态(或高干度气液混合物)，经过四通阀制冷剂状态不会变化。虽然从气液分离器液相出口502到第二四通阀出口203的这段回路定义为液相回路，但制冷剂在其中经历状态变化，在液相回路后程中已经大部分为气态。气相回路与液相回路是基于T形管气相出口与液相出口定义的，与回路最终的制冷剂状态无关。另外，由于液封作用，从气液分离器液相出口502流出的制冷剂基本为液态；理想情况下，由气相出口流出的制冷剂为气态，但由于气态夹带作用以及调控流量的目的，在某些情况下也会有一部分液体经气液分离器气相出口503流出。
具体的，储罐8出口与压缩机1入口相连，压缩机1出口与第一换向四通阀高压入口201相连，第一换向四通阀低压出口203与储罐8入口相连，第一换向四通阀第二端口204与室外换热器3入口相连，室外换热器3出口与第二换向四通阀第二端口604相连，第二换向四通阀第一端口602与室内换热器7入口相连，室内换热器7出口与第一换向四通阀第一端口202相连。
第二换向四通阀高压出口603与节流机构4入口相连，节流机构4出口与气液分离器入口501相连，气液分离器液相出口502经液相调节阀11与第二换向四通阀低压入口601相连，气液分离器气相出口503经过气相调节阀9、止回阀10后与储罐8入口相连通。
本发明一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统控制方法如下：
通过控制第一换向四通阀2与第二换向四通阀6的通电/断电状态，实现系统在制冷模式与制热模式之间的切换。
(1)制冷模式：
制冷模式下，室内换热器7为蒸发器，蒸发压力为P1；室外换热器3为冷凝器，冷凝压力为P2；冷凝压力大于蒸发压力，即P2>P1。
此时，第一换向四通阀2的电磁线圈未通电，对于常规电磁式四通阀，可知其第一端口202与低压出口203相连通，第二端口204与高压入口201相连通。
此时，第二换向四通阀6的电磁线圈612未通电，由图3可知，弹簧614的推力由动铁芯618、第二连杆619和第二滑块617组成的先导阀阀芯向远离静铁芯620的方向移动，使先导阀第一端口616与先导阀低压出口611相连通、先导阀高压入口613与先导阀第二端口615相连通，从而使主阀第一活塞腔605的压力(约为P2)高于主阀第二活塞腔606的压力(约为P1)，压差推动由第一滑块607、第一连杆609及一对活塞608组成的主阀阀芯向主阀第二活塞腔606一侧移动，使第二换向四通阀高压出口603与第二换向四通阀第二端口604相连通、第二换向四通阀低压入口601与第二换向四通阀第一端口602相连通。
制冷模式下，循环的工作过程为：
如图1所示，制冷模式下，室内换热器7为蒸发器，室外换热器3为冷凝器，热量由室内向室外迁移。第二换向四通阀的电磁线圈612未通电，第二换向四通阀第二端口604与第二换向四通阀高压出口603相连通，第二换向四通阀第一端口602与第二换向四通阀低压入口601相连通。第一换向四通阀的电磁线圈612未通电，第一换向四通阀第一端口202与低压出口相连通，第一换向四通阀第二端口204与高压入口相连通。
本发明中，通过控制电磁线圈612的通电与断电，使弹簧614产生压缩或膨胀，从而推动第二滑块617移动。
来自室外换热器3(泡点端)的高压(P2)液态制冷剂依次经过第二换向四通阀第二端口604、第二换向四通阀高压出口603后进入节流机构4，节流后制冷剂压力由P2降为P1，相态由液态变为气液两相混合状态，随后气液两相混合制冷剂由气液分离器入口501进入气液分离器5进行相分离。分离后制冷剂分两路离开气液分离器5，其中一路以低压液态制冷剂为主(压力为P1)，经由气液分离器液相出口502流出(即液相回路)，依次流经液相调节阀11、第二换向四通阀低压入口601、第二换向四通阀第一端口602后进入室内换热器7(泡点端)，低压液态制冷剂在室内换热器7中不断吸热蒸发，逐渐转变为低压气态(或高干度气液两相混合物)制冷剂，此过程中制冷剂通过相变蒸发吸收室内环境的热量，从而实现制冷，完成蒸发过程的低压(约为P1)制冷剂离开室内换热器7(露点端)，经第一换向四通阀第一端口202与第一换向四通阀低压出口203后流向储罐8；与此同时，另一路以低压气态制冷剂为主(约为P1)，由气液分离器气相出口503流出(即气相回路)，依次经过气相调节阀9与止回阀10后与液相回路制冷剂进行等压混合(混合压力约为P1)，并流入储罐8。随后，来自储罐8的低压(约为P1)气态制冷剂进入压缩机1完成升压过程，压缩机1排出的高温、高压(约为P2)气态制冷剂经第一换向四通阀高压入口201、第一换向四通阀第二端口204后进入室外换热器3(露点端)，高压气态制冷剂在室外换热器3内完成冷凝过程，并向室外环境排放热量，制冷剂重新恢复高压(P2)液态，完成循环。
系统运行过程中，根据室内外环境温度等条件的变化，可通过调节气相调节阀9与液相调节阀11，对气液分离器5的流量分配系数和相分离效率进行调控，并确保压缩机入口前两路制冷剂在等压条件下进行混合，避免混合过程对压缩机性能产生不利影响。例如，当制冷负荷增大时，需要增大液相调节阀11的开度，增加分离器液相出口502的分流比，使更多的低温制冷剂进入室内换热器7；当制冷负荷减小时，则需要降低进入蒸发器的液态制冷剂流量，通过减小液相调节阀11的开度，可使多余的液态制冷剂经气液分离器气相出口503直接流入储罐8而不参与制冷。同时，通过调节气相节流阀9来辅助控制分流比，并使气相回路的压降与液相回路的压降相等，确保两个回路中的制冷剂在储罐8前近似等压混合。分流比、分离效率及各回路压降均通过温度、压力等状态参数产生的电信号进行快速调控。
(2)制热模式：
制热模式下，室外换热器3为蒸发器，蒸发压力为P3；室内换热器7为冷凝器，冷凝压力为P4；冷凝压力大于蒸发压力，即P4>P3。
此时，第一换向四通阀2的电磁线圈通电，对于常规电磁式四通阀，可知第一换向四通阀第二端口204与第一换向四通阀低压出口203相连通，第一换向四通阀第一端口202与第一换向四通阀高压入口201相连通。
此时，第二换向四通阀6的电磁线圈612通电，由图4可知，电磁线圈612形成的电磁场将吸引铁芯618右移并压缩弹簧614，带动第二滑块617一起右移，使先导阀第二端口615与先导阀低压出口611相连通、先导阀第一端口616与先导阀高压入口613相连通，从而使主阀第二活塞腔606的压力(约为P4)高于主阀第一活塞腔605的压力(约为P3)，压差推动第一滑块607向左侧移动，使第二换向四通阀高压出口603与第二换向四通阀第一端口602相连通、第二换向四通阀低压入口601与第二换向四通阀第二端口604相连通。
制热模式下，循环的工作过程为：
如图2所示，制热模式下，室外换热器3为蒸发器，室内换热器7为冷凝器，热量由室外向室内迁移。第二换向四通阀的电磁线圈612通电，第二换向四通阀第二端口604与第二换向四通阀低压入口601相连通，第二换向四通阀第一端口602与第二换向四通阀高压出口603相连通。第一换向四通阀通电，第一换向四通阀第一端口202与第一换向四通阀高压入口201相连通，第一换向四通阀第二端口204与第一换向四通阀低压出口203相连通。
制热模式下，来自室内换热器7(泡点端)的高压(P4)液态制冷剂依次经过第二换向四通阀第一端口602、第二换向四通阀高压出口603后进入节流机构4，节流降压后形成的低压气液两相制冷剂(压力由P4降为P3)，由气液分离器入口501进入气液分离器5进行相分离。
分离后制冷剂分两路离开气液分离器5，其中一路以低压液态制冷剂为主(压力为P3)，经由气液分离器液相出口502流出后依次流经液相调节阀11及第二换向四通阀低压入口601、第二换向四通阀第二端口604后进入室外换热器3(泡点端)，低压液态制冷剂在室外换热器3中不断吸热蒸发，逐渐转变为低压(约为P3)气态(或高干度气液两相混合物)制冷剂，此过程中制冷剂通过相变蒸发吸收室外环境的热量，完成蒸发过程的低压(约为P3)制冷剂离开室外换热器3(露点端)，经第一换向四通阀第二端口204、第一换向四通阀低压出口203后流向储罐8；与此同时，另一路制冷剂以低压气态制冷剂为主(压力约为P3)，由气液分离器气相出口503流出(即气相回路)后依次经过气相调节阀9与止回阀10后与液相回路制冷剂进行等压混合(混合压力约为P3)，并流入储罐8。随后，来自储罐8的低压(约为P3)气态制冷剂进入压缩机1完成升压过程，压缩机1排出的高温、高压(约为P4)气态制冷剂经第一换向四通阀高压入口201、第一换向四通阀第一端口202后进入室内换热器7(露点端)，气态制冷剂在室内换热器7内完成冷凝过程，并向室内环境排放热量，实现制热，制冷剂重新恢复高压(P4)液态，完成循环。
系统运行过程中，根据室内外环境温度等条件的变化，可通过调节气相调节阀9与液相调节阀11，对气液分离器5的流量分配系数和相分离效率进行调控，并确保压缩机入口前两路制冷剂在等压条件下进行混合，避免混合过程对压缩机性能产生不利影响。例如，当制热负荷增大时，需要增大液相调节阀11的开度，增加分离器液相出口502的分流比，使更多的液态制冷剂进入室外换热器3；当制热负荷减小时，则可降低进入蒸发器的液态制冷剂流量，通过减小液相调节阀11的开度，可使多余的液态制冷剂经分离器气相出口503直接流入储罐8而不参与吸热。同时，通过调节气相节流阀9来辅助控制分流比，并使气相回路的压降与液相回路的压降相等，确保两个回路在储罐8前等压混合。分流比、分离效率及各回路压降均通过温度、压力等状态参数产生的电信号进行快速调控。
在制冷或制热模式下，通过同步调控气相调节阀9与液相调节阀11的开度，对气液分离器液相出口502与气液分离器气相出口503的制冷剂流量及干度分配比例进行控制，并使液相回路与气相回路内制冷剂压降相等，实现液相回路与气相回路制冷剂在储罐8前近似等压混合。
基于稳态热力学模型，对常规热泵空调系统(ACHP)与本专利所提出的蒸发器前气液分离的热泵空调系统(MACHP)的热力学性能进行比较。系统模型的计算均根据热泵空调器稳态运行时能量平衡与质量平衡的原则来进行，通过迭代计算，使冷凝器与蒸发器内的传热窄点温度达到预设值，从而确定冷凝压力与蒸发压力。计算过程中，制冷剂与空气的热物性参数通过NIST REFPROP物性数据库得到。各系统均采用R410A制冷剂，压缩机理论排气量为8.2m3/h，室内空气循环量为1050m3/h，室外空气循环量为2100m3/h。采用全年能源消耗效率(APF)作为各系统性能的评价指标参数，具体计算方法参见国标GB21455-2019。表1给出了计算APF所需的各工况温度条件。
表1计算工况(单位：℃)
不同工况下计算得到的ACHP系统与MACHP系统的循环参数如表2所示。
表2各个工况下的主要循环参数
注：Pcond-冷凝压力，Pevap蒸发压力，mr-总流量，mr,e-液相回路流量，Wcomp-压缩功耗，Tdis-排气温度，ηcomp,s-压缩机等熵效率，Q-制冷/制热量，COP-制热性能系数，EER-制冷性能系数。
如表2所示，在额定制冷工况下，MACHP系统的制冷量基本与ACHP循环相同，EER则提升了约6.1％。而对于中间制冷及最小制冷工况，EER的相对提升量分别为6.9％和7.2％。对于制热模式，在额定制热、中间制热及低温制热三种工况下，MACHP循环COP相较ACHP循环分别提升了4.8％，2.3％和4.3％。
基于表2中的计算结果，采用两点法对ACHP和MACHP两系统的APF进行计算，表3～6给出了两系统在制冷与制热模式下的详细计算结果。根据国标GB21455-2019得到制冷/制热工况运行时室外环境各温度的发生时长。综合各表计算结果，得到ACHP系统的APF约为4.22，MACHP系统的APF约为4.37，提升幅度约为3.6％，提升效果明显。
表3基于两点法的ACHP系统制冷工况参数
表4基于两点法的ACHP系统制热工况参数
表5基于两点法的MACHP系统制冷工况参数
表6基于两点法的MACHP系统制热工况参数
Claims (10)
1.一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，包括压缩机(1)、室外换热器(3)、节流机构(4)、室内换热器(7)、储罐(8)、第一换向四通阀(2)、气液分离器(5)、第二换向四通阀(6)；
其中，储罐(8)出口经压缩机(1)与第一换向四通阀(2)的高压入口相连，第一换向四通阀(2)的低压出口与储罐(8)入口相连；
第一换向四通阀(2)的第二端口经室外换热器(3)与第二换向四通阀(6)的第二端口相连，第二换向四通阀(6)的第一端口经室内换热器(7)与第一换向四通阀(2)的第一端口相连；
第二换向四通阀(6)的高压出口经节流机构(4)与气液分离器(5)入口相连，气液分离器(5)的气体出口与储罐(8)的入口相连；气液分离器(5)的液体出口与第二换向四通阀(6)的低压入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，气液分离器(5)的气体出口经气相调节阀(9)、止回阀(10)与储罐(8)的入口相连。
3.根据权利要求1所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，气液分离器(5)的液体出口经液相调节阀(11)与第二换向四通阀(6)的低压入口相连。
4.根据权利要求1所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，第二换向四通阀(6)包括通过若干导向毛细管相连的第二换向四通阀主阀组件(60)与第二换向四通阀先导阀组件(61)，第二换向四通阀主阀组件(60)与第二换向四通阀先导阀组件(61)采用一体式或分体式布局。
5.根据权利要求4所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，第二换向四通阀主阀组件(60)包括主阀阀体(600)，其中，主阀阀体(600)顶部设置有第二换向四通阀低压入口(601)，底部设置有第二换向四通阀高压出口(603)、第二换向四通阀第一端口(602)和第二换向四通阀第二端口(604)；
主阀阀体(600)内部设置有用于将主阀阀体(600)内部空腔分割为第一活塞腔(605)与主阀第二活塞腔(606)的主阀阀芯，主阀阀芯包括第一滑块(607)及一对活塞(608)，活塞(608)设置在第一连杆(609)两端，第一滑块(607)设置在第一连杆(609)上，通过调控第一活塞腔(605)和第二活塞腔(606)之间的压差，推动第一滑块(607)随第一连杆(609)左右移动，从而使第二换向四通阀第一端口(602)或第二换向四通阀第二端口(604)在制热或制冷模式下分别与第二换向四通阀高压出口(603)相连通；
第二换向四通阀低压入口(601)经液相调节阀(11)与气液分离器液体出口(502)相连通，第二换向四通阀第一端口(602)与室内换热器(7)相连通，第二换向四通阀高压出口(603)经节流机构(4)与气液分离器入口(501)相连通，第二换向四通阀第二端口(604)与室外换热器(3)相连通。
6.根据权利要求5所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，第二换向四通阀先导阀组件(61)包括先导阀阀体(610)和设置在先导阀阀体(610)外部的电磁线圈(612)，其中，先导阀阀体(610)顶部开设有先导阀高压入口(613)，底部开设有先导阀低压出口(611)、先导阀第二端口(615)与先导阀第一端口(616)；
先导阀高压入口(613)通过毛细管与第二换向四通阀高压出口(603)相连通，先导阀第一端口(616)通过毛细管与主阀第二活塞腔(606)相连通，先导阀第二端口(615)通过毛细管与主阀第一活塞腔(605)相连通，先导阀低压出口(611)通过毛细管与第二换向四通阀低压入口(601)相连通。
7.根据权利要求6所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，先导阀阀体(610)内设置有弹簧(614)、第二滑块(617)、动铁芯(618)、第二连杆(619)及静铁芯(620)，第二连杆(619)一端设置第二滑块(617)，第二连杆(619)另一端设置动铁芯(618)，先导阀阀体(610)一端内壁上设置静铁芯(620)，静铁芯(620)一侧设置有水平布置的弹簧(614)，弹簧(614)一端与静铁芯(620)相连，弹簧(614)另一端与动铁芯(618)相连；电磁线圈(612)设置在先导阀阀体(610)外部并与动铁芯(618)、静铁芯(620)相对应的位置。
8.根据权利要求7所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，电磁线圈(612)未通电时，弹簧(614)的推力推动先导阀阀体向远离静铁芯(620)的方向移动，使先导阀第一端口(616)与先导阀低压出口(611)相连通，先导阀高压入口(613)与先导阀第二端口(615)相连通，从而使主阀第一活塞腔(605)的压力高于主阀第二活塞腔(606)的压力，主阀第一活塞腔(605)与主阀第二活塞腔(606)之间的压差推动主阀阀芯向主阀第二活塞腔(606)一侧移动，使第二换向四通阀高压出口(603)与第二换向四通阀第二端口(604)相连通、第二换向四通阀低压入口(601)与第二换向四通阀第一端口(602)相连通；
电磁线圈(612)通电时，电磁线圈(612)形成的电磁场将吸引铁芯(618)移动并压缩弹簧(614)，带动第二滑块(617)移动，使先导阀第二端口(615)与先导阀低压出口(611)相连通、先导阀第一端口(616)与先导阀高压入口(613)相连通，从而使主阀第二活塞腔(606)的压力高于主阀第一活塞腔(605)的压力，压差推动第一滑块(607)移动，使第二换向四通阀高压出口(603)与第二换向四通阀第一端口(602)相连通、第二换向四通阀低压入口(601)与第二换向四通阀第二端口(604)相连通。
9.根据权利要求4所述的一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统，其特征在于，气液分离器(5)为T形管气液分离装置；T形管气液分离装置包括液分离器本体，液分离器本体上设置有气液分离器入口(501)、气液分离器液相出口(502)以及气液分离器气相出口(503)，其中，气液分离器入口(501)与节流机构(4)相连通，制冷模式下，液相出口(502)经液相调节阀(11)、第二换向四通阀低压入口(601)、第二换向四通阀第一端口(602)后与室内换热器(7)相连通，室内换热器(7)另一端经第一换向四通阀第一端口(202)、第一换向四通阀低压出口(203)与储罐(8)相连通；
制热模式下，液相出口(502)经液相调节阀(11)、第二换向四通阀低压入口(601)、第二换向四通阀第二端口(604)后与室外换热器(3)相连通，室外换热器(3)另一端经第一换向四通阀第二端口(204)、第一换向四通阀低压出口(203)与储罐(8)相连通；
定义由气液分离器液相出口(502)至储罐(8)的管路为液相回路；
气液分离器气相出口(503)依次经过气相调节阀(9)、止回阀(10)后与储罐(8)相连通；
定义由气液分离器气相出口(503)至储罐(8)的管路为气相回路；在储罐(8)前设置液相回路与气相回路的汇合点，使两回路制冷剂经等压混合后再进入压缩机(1)。
10.一种如权利要求9所述系统的蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵控制方法，其特征在于，包括制冷模式和制热模式；
制冷模式下，室内换热器(7)为蒸发器，室外换热器(3)为冷凝器，来自室外换热器(3)的高压液态制冷剂经过第二换向四通阀(6)后进入节流机构(4)，节流降压后形成的低压气液两相制冷剂进入气液分离器(5)进行相分离；分离后制冷剂分为两路，第一路制冷剂以低压液态制冷剂为主，由气液分离器液相出口(502)流出后经液相调节阀(11)、第二换向四通阀(6)进入室内换热器(7)，低压液态制冷剂在室内换热器(7)中不断吸热蒸发，转变为低压气态或高干度气液两相制冷剂，从而实现制冷，离开室内换热器(7)的低压气态或高干度气液两相制冷剂经第一换向四通阀(2)后流向储罐(8)前的汇合点，第二路制冷剂以低压气态制冷剂为主，由气液分离器气相出口(503)流出后经由气相调节阀(9)、止回阀(10)、第一换向四通阀(2)与第一路低压制冷剂在汇合点进行等压混合，混合后的制冷剂流入储罐(8)，再进入压缩机(1)完成升压过程，压缩机(1)排出的高温、高压气态制冷剂经第一换向四通阀(2)后进入室外换热器(3)，高压气态制冷剂在室外换热器(3)内完成冷凝过程，并向室外环境排放热量，制冷剂重新恢复高压液态，完成循环；
制热模式下，室外换热器(3)为蒸发器，室内换热器(7)为冷凝器；来自室内换热器(7)的高压液态制冷剂经过第二换向四通阀(6)后进入节流机构(4)，节流降压后形成的低压气液两相制冷剂进入气液分离器(5)进行相分离；分离后制冷剂分为两路，一路制冷剂以低压液态制冷剂为主，由气液分离器液相出口(502)流出后经液相调节阀(11)及第二换向四通阀(6)后进入室外换热器(3)中吸热蒸发，转变为低压气态或高干度气液两相制冷剂，室外换热器(3)中低压气态或高干度气液两相制冷剂经第一换向四通阀(2)后流向储罐(8)前的汇合点；另一路制冷剂以低压气态制冷剂为主，由气液分离器气相出口(503)流出，低压气态制冷剂依次经过气相调节阀(9)、止回阀(10)、第一换向四通阀(2)后与前一路低压制冷剂在汇合点进行等压混合，并流入储罐(8)，最后进入压缩机(1)完成升压过程，压缩机(1)排出的高温、高压气态制冷剂经第一换向四通阀(2)后进入室内换热器(7)，实现制热，制冷剂重新恢复高压液态，完成循环；
在制冷或制热模式下，通过同步调控气相调节阀(9)与液相调节阀(11)的开度，对气液分离器液相出口(502)与气液分离器气相出口(503)的制冷剂流量及干度分配比例进行控制，并使液相回路与气相回路内制冷剂压降相等，实现液相回路与气相回路制冷剂在储罐(8)前等压混合。
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