CN115046309A - 一种涡流管二氧化碳热泵系统及其热回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡流管二氧化碳热泵系统及其热回收方法，压缩机出口连接第一涡流管；第一涡流管热流体出口与第一过热降温器进口连接，第一过热降温器出口与第二涡流管气体进口连接；第一涡流管冷流体出口与回热器连接，回热器通过第三节流阀与蒸发器进口连接；第二涡流管的高温工质出口与第二过热降温器进口连接，第二过热降温器出口与气体冷却器进口连接，气体冷却器与蒸发器进口连接；第二涡流管的冷流体出口与蒸发器进口连接；蒸发器出口与回热器连接，回热器与压缩机连接。本发明利用涡流管得到高温二氧化碳，进一步提高换热温差，通过多个涡流管得到的高温二氧化碳接续与水换热，将水加热到水蒸汽状态得到高品位热源。

Description

一种涡流管二氧化碳热泵系统及其热回收方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳热泵技术领域，特别涉及一种涡流管二氧化碳热泵系统及其热回收方法。
背景技术
热泵产热水相较于传统的燃气热水器和电热水器，极大节约了能源，具有良好的经济性。目前市场上常见的热泵均采用氟利昂工质，存在的问题是会引起温室效应并且热水输出温度较低。在此背景下，自然工质出现在人们的视线中，二氧化碳是替代工质中最有潜力的天然工质之一。二氧化碳具有安全、无毒、化学稳定性好和单位容积制冷量大等优点。二氧化碳热泵供水温度范围大，能够提供高温(约90℃)热水，气体冷却器中的温度滑移正好和水的温升过程匹配，减小了温差传热导致的不可逆损失，提高了换热器效率。涡流管是一个简单的可以实现冷热分离的装置，它包括冷端管、冷孔板、喷嘴、热端管、涡流室、热端出口阀组成。根据涡流管的结构，工质从喷嘴进入涡流管，在喷嘴处发生膨胀，之后变成自由涡流的形式被通入到涡流室中。这股工质的角速度在边界相对较小，但在涡流管中心的角速度较大，最终工质的角速度会受粘性力影响达到相等的状态。因此，在工质向前流动的过程中，涡流管中内层工质速度逐渐降低，外层升高，内层的功会传递到外层，导致内层温度降低。相反，外层温度升高，这样就将冷热两股工质分离开来。将0.6MPa，20℃的压缩空气通进涡流管，在经过转换后热端温度可达100℃以上，冷端温度可达-40℃。涡流管可调冷流比，以达到最高效的状态。目前涡流管均应用于普通流体，例如空气，对超临界流体的应用还比较少。跨临界二氧化碳循环最大的缺点是膨胀过程的不可逆损失所导致的COP较低，当环境温度较高时，系统效率较低，需采用两级压缩等技术提高效率，工作流程增加，产品运行成本增加。这就需要一种减小能量损失，同时又充分利用热能的系统。虽然说相较于传统的空气能热泵，二氧化碳热泵已经能提供高温热水，但对于更高品位的热源也是我们的追求，希望能通过二氧化碳热泵将水加热到水蒸气状态，得到的水蒸气就能更好地利用它相变时的潜热去完成更多的事情。
发明内容
为了解决上述问题，本发明参照二氧化碳热泵的技术要求对其进行了创新性的改进，提出了一种涡流管二氧化碳热泵系统及其热回收方法，进一步提高了热泵效率，并实现高温热水和水蒸汽的制取。
本发明的具体方案如下：
一种涡流管二氧化碳热泵系统，包括压缩机、气体冷却器、第一涡流管、第二涡流管、第一过热降温器、第二过热降温器、蒸发器、回热器、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀。
压缩机出口连接第一涡流管进口；
第一涡流管热流体出口与第一过热降温器进口连接，第一过热降温器出口与第二涡流管气体进口连接；
第一涡流管冷流体出口与回热器连接，回热器通过第三节流阀与蒸发器进口连接；
第二涡流管的高温工质出口与第二过热降温器进口连接，第二过热降温器出口与气体冷却器进口连接，气体冷却器通过第一节流阀与蒸发器进口连接；
第二涡流管的冷流体出口通过第二节流阀与蒸发器进口连接；
蒸发器出口与回热器连接，回热器与压缩机连接。
根据所述的一种涡流管二氧化碳热泵系统的热回收方法，包括以下过程：
从压缩机出口排出的高温高压二氧化碳进入第一涡流管，第一涡流管产生的热流体与第一过热降温器换热完成的水换热进一步提高水的温度使其成为蒸汽备用，换热完成的二氧化碳进入第二涡流管，第一涡流管产生的冷流体进入回热器与蒸发器出口工质进行换热保证压缩机进口过热度，从第一过热降温器出来的工质进入第二涡流管膨胀后分成冷热两股气流，高温气流经过第二过热降温器与来自气体冷却器已经具有一定温度的水换热得到更高温度的热水来使用，第二过热降温器换热完成的二氧化碳进入气体冷却器继续与水换热，水的换热顺序是先经过气体冷却器，再到第二过热降温器，最后去第一过热降温器；二氧化碳换热完成后继续经过第一节流阀与第二涡流管分离出的两股节流后的冷流体相汇一起进入蒸发器蒸发吸热，最后通过回热器再回到压缩机，从而完成一个循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用涡流管得到高温二氧化碳工质，进一步提高换热温差，通过多个涡流管得到的高温二氧化碳工质接续与水换热，将水加热到水蒸汽状态得到高品位热源。
在不同设备均可获得不同温度的热水，实现了能量的多级利用，满足用户需求。
经过涡流管后的二氧化碳冷流体压力变低，节流阀压降减小，从而减小节流损失。
附图说明
图1是本发明涡流管工作原理图；
图2是本发明结构原理示意图。
附图标记：1、冷端管；2、冷孔板；3、喷嘴；4、涡流室；5、热端管；6、高温气体；7、热端出口阀；8、低温气体；9、压缩机；10、第一涡流管；11、第一过热降温器；12、第二涡流管；13、第二过热降温器；14、气体冷却器；15、第一节流阀；16、第二节流阀；17、第三节流阀；18、蒸发器；19、回热器。
具体实施方式
结合附图说明本发明的技术方案。
如图2所示，一种涡流管二氧化碳热泵系统，包括压缩机9、第一涡流管10、第一过热降温器11、第二涡流管12、第二过热降温器13、气体冷却器14、蒸发器18、回热器19、第一节流阀15、第二节流阀16以及第三节流阀17；
压缩机9高温工质出口连接第一涡流管10进口；
第一涡流管10热流体出口与第一过热降温器11进口连接，第一过热降温器11出口与第二涡流管12进口连接；
第一涡流管10冷流体出口与回热器19连接，回热器19通过第三节流阀17与蒸发器18进口连接；
第二涡流管12的高温工质出口与第二过热降温器13进口连接，第二过热降温器13出口与气体冷却器14进口连接，气体冷却器14通过第一节流阀15蒸发器18进口连接；
第二涡流管12的冷流体出口通过第二节流阀16与蒸发器18进口连接；
蒸发器18出口与回热器19连接，回热器19与压缩机9连接。
第一涡流管10、第二涡流管12的结构一样，如图1所示，包括：涡流室4，涡流室4一端设有冷端管1，冷端管1进口内设有冷孔板2，冷端管1一侧设有喷嘴3，涡流室4另一端为热端管5，热端管5连接热端出口阀7。低温气体8从冷端管1进入，成为高温气体6从热端出口阀7排出。
热回收过程为：
从压缩机9出口排出的高温高压二氧化碳进入第一涡流管10，第一涡流管10产生的热流体与第一过热降温器11换热完成的水换热进一步提高水的温度使其成为蒸汽备用，换热完成的二氧化碳进入第二涡流管12，第一涡流管10产生的冷流体(冷只是相对于热流体的温度来说，冷流体也具有较高温度，只是没有热流体温度那么高)进入回热器19与蒸发器18出口工质进行换热保证压缩机进口过热度，从第一过热降温器11出来的工质进入第二涡流管12膨胀后分成冷热两股气流，高温气流经过第二过热降温器13与来自气体冷却器14已经具有一定温度的水换热得到更高温度的热水来使用，第二过热降温器13换热完成的二氧化碳进入气体冷却器14继续与水换热，水的换热顺序是先经过气体冷却器14，再到第二过热降温器13，最后去第一过热降温器11；二氧化碳换热完成后继续经过第一节流阀15与第二涡流管12分离出的两股节流后的冷流体相汇一起进入蒸发器18蒸发吸热，最后通过回热器19再回到压缩机9，从而完成一个循环。
采用以上实施方式可以提高效率、多次利用二氧化碳的热量，获得高温度热水，同时也是在压缩机出口获得更多的热量。
在不脱离本发明原理的前提下，通过改变系统结构形式，例如：改变涡流管的位置，使用其他节流设备替代节流阀，均可替代本发明。

Claims (2)

1.一种涡流管二氧化碳热泵系统，其特征在于，包括压缩机(9)、第一涡流管(10)、第一过热降温器(11)、第二涡流管(12)、第二过热降温器(13)、气体冷却器(14)、蒸发器(18)、回热器(19)、第一节流阀(15)、第二节流阀(16)以及第三节流阀(17)；
压缩机(9)高温工质出口连接第一涡流管(10)进口；
第一涡流管(10)热流体出口与第一过热降温器(11)进口连接，第一过热降温器(11)出口与第二涡流管(12)进口连接；
第一涡流管(10)冷流体出口与回热器(19)连接，回热器(19)通过第三节流阀(17)与蒸发器(18)进口连接；
第二涡流管(12)的高温工质出口与第二过热降温器(13)进口连接，第二过热降温器(13)出口与气体冷却器(14)进口连接，气体冷却器(14)通过第一节流阀(15)蒸发器(18)进口连接；
第二涡流管(12)的冷流体出口通过第二节流阀(16)与蒸发器(18)进口连接；
蒸发器(18)出口与回热器(19)连接，回热器(19)与压缩机(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种涡流管二氧化碳热泵系统的热回收方法，其特征在于，包括以下过程：
从压缩机(9)出口排出的高温高压二氧化碳进入第一涡流管(10)，第一涡流管(10)产生的热流体与第一过热降温器(11)换热完成的水换热进一步提高水的温度使其成为蒸汽备用，换热完成的二氧化碳进入第二涡流管(12)，第一涡流管(10)产生的冷流体进入回热器(19)与蒸发器(18)出口工质进行换热保证压缩机进口过热度，从第一过热降温器(11)出来的工质进入第二涡流管(12)膨胀后分成冷热两股气流，高温气流经过第二过热降温器(13)与来自气体冷却器(14)已经具有一定温度的水换热得到更高温度的热水来使用，第二过热降温器(13)换热完成的二氧化碳进入气体冷却器(14)继续与水换热，水的换热顺序是先经过气体冷却器(14)，再到第二过热降温器(13)，最后去第一过热降温器(11)；二氧化碳换热完成后继续经过第一节流阀(15)与第二涡流管(12)分离出的两股节流后的冷流体相汇一起进入蒸发器(18)蒸发吸热，最后通过回热器(19)再回到压缩机(9)，从而完成一个循环。
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