CN116045405A - 一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方案，包括：压缩机、蒸发器、冷凝器、经济器、节流装置。所述压缩机为离心压缩机，一般具有两级到多级，与蒸发器和冷凝器连接，具有高转速、大压比、输出功率高等特点。离心机热泵具有容量大、效率高的特点，但是限于电机、轴承等配套技术的发展水平制约，电机所能达到的转速与压缩机气动设计要求的转速不匹配，对压缩机效率的提升、大容量热泵制冷机组的开发形成巨大挑战。本发明公开的一种热泵制冷机组，通过特有的并联方案和重要部件的合理布局，解决了电机转速和压缩机设计转速之间的矛盾，获得了机组的循环制冷/制热量与压缩机工作效率同时提升的技术效果。

Description

一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法
技术领域
本发明涉及暖通空调、热泵技术领域，具体为一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法。
背景技术
热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能系统，在消耗少量电功率的前提下，获得更多的高品位热能来直接使用。热泵压缩机在对工作介质做功压缩过程中，随着压力的增加，工质温度会大幅提升，相应的压缩功耗也会增加。由于受限于工作介质的热稳定温度、气动设计复杂性、转动部件的密封以及轴向推力的平衡，单台热泵机组的功率从百千瓦级提升至兆瓦级别时，高温、高压、大压比、高转速成为热泵机组单机功率提升的重要瓶颈。
尤其是受限于目前电机、轴承等重要配套部件的发展水平，电机所能达到的转速与压缩机高参数气动设计要求的转速极其不匹配，导致压缩机效率无法提升，开发单台大容量热泵制冷机组更是难上加难。
对于冷凝温度较高的热泵机组，包括提供热水的高温热泵和直接产生高温蒸汽的蒸汽型超高温热泵，单台热泵机组的功率增加、COP增加，可显著降低单位功率对应的设备成本，在市场应用中会取得非常明显的技术优势。现有热泵机组的压缩机主要包括螺杆压缩机、涡旋压缩机、离心压缩机等，单台机组的功率仅仅只有几十至几百千瓦，系统COP高、单台功率超过兆瓦级别的热泵制冷机组基本是处于空白。
针对以上描述的重要瓶颈与技术空白，本专利提出的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，能够解决电机转速与气动设计要求转速之间的严重不匹配、机组容量提升与超高设计参数和要求之间无法协调的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，以解决上述背景技术中提到的高温、高压、大压比、高转速下大功率热泵机组的设计与布局难题，尤其是电机转速与气动设计要求转速之间的严重不匹配难题，从而大幅提升单台热泵制冷机组的功率，实现大功率热泵制冷机组的高参数化设计、低成本化大规模使用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，包括：压缩机、冷凝器、节流装置、经济器、蒸发器，所述压缩机、冷凝器、节流装置、经济器和蒸发器依次连接形成闭式循环，所述压缩机的出口端连接于冷凝器上，所述冷凝器的出口端连接于经济器的入口处，所述经济器设置有两个出口，且经济器的两个出口分别接入低压压缩机出口端和蒸发器入口端，所述蒸发器包括第一蒸发器和第二蒸发器，第一蒸发器和第二蒸发器在机组设备的布局上，采用独特的并联方案。
优选的，所述压缩机包括低压压缩机和高压压缩机。
优选的，所述低压压缩机和所述高压压缩机组成两级压缩。
优选的，所述低压压缩机和高压压缩机包括电机、叶轮和高速旋转轴，所述电机的两端安装有高速旋转轴，所述高速旋转轴上安装有叶轮。
优选的，所述低压压缩机在同一旋转轴上带动两个叶轮并联运行，所述高压压缩机在同一旋转轴上带动两个叶轮并联运行；
优选的，所述经济器的入口设置有第一节流装置。
优选的，所述蒸发器入口设置有第二节流装置和第三节流装置；
优选的，所述热泵机组的工质可以是混合工质，也可以是单相纯制冷剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，巧妙地解决了电机转速与气动设计要求转速之间的不匹配难题、单台热泵机组容量与超高运行参数之间不可调和的矛盾，克服了单级压缩压比不高、压缩后运行参数偏高无法调控的难题。同时在同一级压缩采用双叶轮并联运行的方式，可大幅提升压缩效率和输出功率，对设计出气动效率更高的叶轮非常有利，也降低了对电机的转速要求。在低压压缩机出口设置中间补气，可明显改善高压压缩机入口参数、进一步提高压缩效率，避免进入冷凝器的工质参数太高，降低了冷凝器承压非常高的风险。此外，蒸发器可以做成分级蒸发的并联形式，对外界热源的温度范围适应性更广。尤其是热泵机组采用多种制冷剂的混合物作为工质时，可显著减小吸热温差、大幅提升蒸发器的换热功率。相应地，冷凝器的运行参数不用在特别高的情形下，其换热功率即可达到兆瓦级别，单位功率下的设备成本大大降低，具有非常明显的市场优势。
附图说明
图1为本发明的分级蒸发并联运行示意图；
图2为本发明单级压缩机双叶轮并联运行示意图；
图3为本发明的高低压级叶轮同轴时压缩机并联运行示意图。
图中：1、压缩机；101、低压压缩机；102、高压压缩机；103、电机；104、叶轮；105、旋转轴；2、冷凝器；3、节流装置；301、第一节流装置；302、第二节流装置；303、第三节流装置；4、经济器；5、蒸发器；501、第一蒸发器；502、第二蒸发器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：结合图1和图2，本发明提供一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，包括：低压压缩机101、高压压缩机102、冷凝器2、节流装置3、经济器4、第一蒸发器501和第二蒸发器502。
第一蒸发器501和第二蒸发器502是并联运行的换热设备，通过调节第二节流装置302和第三节流装置303，可以使得第一蒸发器501和第二蒸发器502分别在不同压力下蒸发吸热，从而适应温度范围更广的热源、充分吸热达到吸热量的最大化。采用分级、并联蒸发的形式，可以有效降低机组工质与热源之间的传热温差，提高换热效率、缩小换热设备体积，在同样换热面积时获得更多的蒸发吸热量、显著提升机组容量。
且与分级、并联蒸发原理类似，冷凝器2可以同时布局为第一冷凝器201和第二冷凝器202，采用降膜、闪蒸等多种高效换热方式来实现极低换热温差下的大容量换热，使设备更加紧凑。
实施例2：在机组部件布局上，采取并联方案，机组采用两级或者多级压缩，单级压缩机在同一旋转轴105上带动两个叶轮104并联运行，在匹配气动设计转速的同时，既增加了工质流量，又提高了压缩机1压缩效率。结合能源梯级利用原理，与压缩机1连接的蒸发器5、冷凝器2可以采用分段并联方式，有效降低机组工质与热源/冷源之间的传热温差，提高传热效率；为了避免高压压缩机102入口参数过热度太大，在高压压缩机102进气之前，通过中间补气的方式来调整进气参数。中间补气的压力与温度，通过经济器4之前的节流装置3来调整。经济器4内部的饱和液体工质，在经过进一步的节流降压降温以后，进入蒸发器5吸热。热泵制冷机组的工质可以是单相纯制冷剂，也可以是多种制冷剂的混合物。
热泵机组工质从第一蒸发器501和第二蒸发器502吸热以后，分别进入低压压缩机101两端时具有不同的温度与压力，但是在经过压缩后又达到同一状态点。
这种布局带来的好处就是：一方面，增加了机组工质的循环流量，大幅提升机组功率；另一方面，机组对热源的适应性更广，系统稳定性更强。低压压缩机101通过高速旋转轴105带动双叶轮104并联运行，叶轮104可以同轴两端对称布置，也可以在轴的一端布置。所述叶轮104可以是开式叶轮或者闭式叶轮。
在低压压缩机101出口会引入冷工质进行中间补气，从而调整高压压缩机102入口的过热度，可避免高压压缩机102入口工质过热度过高，压缩后的工质温度、压力不可控的问题，经济器4的补气压力通过入口前的第一节流装置301来调整；同样，高压压缩机102也是通过高速旋转轴105带动双叶轮104并联运行，在进入冷凝器2之前达到高温、高压状态；从经济器4出来的饱和液相工质，通过第二节流装置302和第三节流装置303后变成气液混合状态，进入第一蒸发器501和第二蒸发器502重新吸热。
在整个循环过程中，低压压缩机101与高压压缩机102是两级压缩，单级压缩比不用太高，且并联运行时有利于设计气动效率更高的叶轮104、降低对电机103转速的要求。尤其在双叶轮104对称布置的情形下，轴向推力很小，可显著改善压缩机1高速旋转的运行环境，提高机组运行的稳定性、可靠性。
实施例3：结合图2和图3，本发明提供一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，包括：低压压缩机101、高压压缩机102、冷凝器2、第一节流装置301、第二节流装置302、经济器4和蒸发器5。
与实施例1不同的是，对于每一台低压压缩机101和高压压缩机102而言，高速旋转轴105带动的是低压级、高压级叶轮104串联运行，低压压缩机101和高压压缩机102之间是并联运行。在此情形下，即使某一台压缩机不工作，整个热泵制冷机组仍然可以部分负荷运行。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，包括：压缩机(1)、冷凝器(2)、节流装置(3)、经济器(4)、蒸发器(5)，其特征在于：所述压缩机(1)、冷凝器(2)、节流装置(3)、经济器(4)和蒸发器(5)依次连接形成闭式循环，所述压缩机(1)的出口端连接于冷凝器(2)上，所述冷凝器(2)的出口端连接于经济器(4)的入口处，所述经济器(4)设置有两个出口，且经济器(4)的两个出口分别接入低压压缩机(101)出口端和蒸发器(5)入口端，所述蒸发器(5)包括第一蒸发器(501)和第二蒸发器(502)。
2.根据权利要求1所述的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，其特征在于：所述压缩机(1)包括低压压缩机(101)和高压压缩机(102)。
3.根据权利要求2所述的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，其特征在于：所述低压压缩机(101)和所述高压压缩机(102)组成两级压缩。
4.根据权利要求1所述的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，其特征在于：所述低压压缩机(101)和高压压缩机(102)包括电机(103)、叶轮(104)和高速旋转轴(105)，所述电机(103)的两端安装有高速旋转轴(105)，所述高速旋转轴(105)上安装有叶轮(104)。
5.根据权利要求4所述的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，其特征在于：所述低压压缩机(101)在同一旋转轴上带动两个叶轮(104)并联运行，所述高压压缩机(102)在同一旋转轴上带动两个叶轮(104)并联运行。
6.根据权利要求1所述的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，其特征在于：所述经济器(4)的入口设置有第一节流装置(301)。
7.根据权利要求1所述的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，其特征在于：所述蒸发器(5)入口设置有第二节流装置(302)和第三节流装置(303)。
8.根据权利要求1所述的一种并联式大功率热泵制冷机组及其并联方法，其特征在于：所述热泵机组的工质可以是混合工质，也可以是单相纯制冷剂。
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