CN1729375A - 改进的蒸气压缩热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压缩制冷系统，包括连接成闭合循环回路的压缩机(1)、散热器(2)、膨胀装置(3)和吸热器(4)，该系统可以在超临界高侧压力下运行。

Description

改进的蒸气压缩热泵系统
技术领域
本发明涉及压缩制冷系统，该系统包括连接成闭合循环回路的压缩机、散热器、膨胀装置和吸热器，通过采用二氧化碳或含有二氧化碳的混合物来作为系统中的制冷剂，该系统可以在超临界高侧压力下运行。
背景技术
通常的蒸气压缩系统通过在次临界压力下制冷剂的冷凝来散热，该次临界压力由在指定温度下的饱和压力来确定。当采用临界温度较低的制冷剂(例如CO2)时，如果吸热源的温度较高(例如高于制冷剂的临界温度)，散热压力则会超临界，以便得到系统的高效运行。因此运行循环是跨临界的，例如从WO 90/07683中已知。
WO 94/14016和WO 97/27437都描述了用于实现该系统的简单回路，该系统基本包括连接成闭合回路的压缩机、散热器、膨胀装置和蒸发器。CO2是用于两者的优选制冷剂。
在超临界压力下的散热会导致制冷剂的温度滑移。这可以利用来制成高效的热水供应系统，例如从US 6370896 B1中已知。
周围环境空气是几乎处处可得的廉价的热源。通过采用周围环境空气作为热源，蒸气压缩系统通常得到投资经济的简单设计。但是，当周围环境空气的温度较高时，压缩机的出口温度变低(例如对于跨临界CO2循环该温度约为70℃)。所需的自来水温度通常是60-90℃。通过升高出口压力可以升高出口温度，但是会导致系统性能下降。升高压力的另一个缺点是：由于部件的设计压力更高，所以部件会更加昂贵。
周围环境温度较高时的另一个缺点是：只要蒸发温度高于散热器的制冷剂出口温度，不可能实现压缩机吸气的过热(通常通过内部换热器(IHX)来提供)。因此，存在液体进入压缩机的危险。
解决这些问题的方法是调节蒸发温度以使蒸发温度一直低于散热器的制冷剂出口温度。这样可以使得吸气过热，同时升高压缩机的排气温度用于更好地生产热水，但是由于吸气压力比所需的压力要低，系统的能效较差。
US 6370896 B1提出了解决这些问题的方法。该方法是利用散热器的一部分来加热压缩机的吸入气体。高压侧的完全流与低压侧的完全流进行换热。这确保了压缩机吸气的过热，从而保证了压缩机的安全运行，但是相对于压缩饱和气体(如果可能的话)并在更高的出口压力下运行以便得到足够的压缩机排气温度的系统来说，该系统的效率降低了。因此，所提出的解决方法更具有运行上的重要性。
发明内容
本发明的主要目的是制成能够避免前述缺点和不利的简单、高效的系统。
本发明的特征在于由所附的独立权利要求1所定义的特征。
本发明的有利特征在所附的独立权利要求2-8中进一步定义。
本发明基于上述系统，至少包括压缩机、散热器、膨胀装置和吸热器。通过使压缩机吸气温度过热，可以升高压缩机的出口温度而不会增加出口压力，同时可以产生所需温度的热水。通过利用来自散热器的合适温度的分流，可以使压缩机吸气过热(例如利用逆流换热器)。当加热压缩机的吸气后，该分流直接膨胀到系统的低压侧。这样，由于散热器的后部分的流量较低，散热器的两部分的具有不同的每千克水流的加热能力。因此可以采用更接近制冷剂冷却温度分布的水加热温度分布。可以在高侧压力较低时产生热水，因此系统效率更高。
附图说明
下面通过参考附图仅以示例的方式进一步描述本发明。
图1表示用于蒸气压缩系统的简单回路；
图2表示二氧化碳的温熵图，图中表示了用于产生热水的运行循环的实例；
图3表示提高系统的性能和运行范围的改进的循环的实例的示意图；
图4表示提高系统的性能和运行范围的改进的循环的另一实例的示意图；
图5表示二氧化碳的温熵图，图中表示了散热器的温度分布的实例。
具体实施方式
图1表示了通常的蒸气压缩系统，包括连接成闭合循环系统的压缩机1、散热器2、膨胀装置3和吸热器4。当采用例如CO2作为制冷剂时，在热水供应系统中高侧压力通常是超临界的，以便在散热器中有效地产生热水，如图2中回路A所示。所需的自来水温度通常是60-90℃，散热器2的制冷剂入口温度(等于或低于压缩机排气温度)必须高于所需的热水温度。
周围环境空气通常优选作为用于热泵的热源。空气几乎处处可得而且不贵，同时可以使吸热器系统简单且投资经济。但是，当周围环境温度升高时，如果压缩机的排气压力不变，则蒸发温度会升高而压缩机的排气温度会下降，参见图2中回路B。压缩机的排气温度可能会降低到所需的自来水温度以下。如果没有其它热源的辅助，将不可能产生所需温度的自来水。
升高排气温度的一种方法是升高高侧压力，参见图2中回路C。但是该方法引起系统效率的降低。
使吸气过热的传统的方法是采用内部换热器(IHX)，参见图3。但是例如当加热自来水时，在散热器(2)中制冷剂被冷却到接近净水温(通常约10℃)。如果蒸发温度高于该温度，则吸气将被冷却而不是过热，参见图2。液体会进入压缩机1而引起严重的问题。当蒸发温度等于或高于净水温时，不可能避免采用IHX5。
不管周围环境温度多高，本发明将确保吸气过热。当蒸发温度(或其它合适的温度)达到预定的水平时，将来自散热器2的合适温度的分流运送到换热器(例如逆流式换热器)中用于加热压缩机的吸气。压缩机的排气温度升高，且可以在较高的系统效率下产生热水，参见图2中回路D。在加热压缩机的吸气后，该分流直接膨胀到降到低压侧。
实例1
用于本发明的一个可能的构造是引导分流通过已存在的IHX5。因此必须实现用于使主流在IHX5外部旁通且引导分流通过IHX5的构造。该构造有多种解决方法。一种选择是如图3所示采用两个三通阀6’和6”。可以例如用两个截止阀来替代一个或两个三通阀。该分流通过IHX5下游的孔7直接膨胀到低压侧。可以用其它膨胀装置来替代孔7，阀可以安装在膨胀装置的上游和/或下游，用于更精密地控制通过膨胀装置7的流量。
实例2
另一个可能是安装单独的换热器8(例如逆流式换热器)用于加热吸气。如图4所示。当蒸发温度(或其可用的温度)达到预定水平时，通过打开阀10将分流运送通过吸气加热器8。该阀可以安装在分流管路的任意位置。该分流通过膨胀装置(例如图4中所示的孔7)直接膨胀到低压侧。通过由三通阀9’所示的在高压侧的构造，或者通过由图4中虚线所示的在低压侧的相同构造，可以避开IHX5。
可以通过调节分流流量来控制吸气的过热。这可以例如通过在分流管路中的计量阀实现。另一个选择是使用热膨胀阀。
如上所述，本发明将提高当热源温度较高时的能效，如图2中回路D所示。原因在于：通过应用本发明，高侧压力相对于通常的最优压力会进一步减小。如图5所示。散热器的第一部分2’比散热器的后部分2”相对于水流有更高的加热能力。水加热的温度分布更好地适用于制冷剂的冷却分布，参见图5中水加热分布b。使用通常的系统会产生水加热分布a。从图5中可见，散热器2中会发生温度收缩效应(pinch)。因此必须升高高侧压力。通过本发明，可以产生所需温度的热水同时高侧压力较低，导致能效更高的系统。

Claims (8)

1.一种压缩制冷系统，其包括被连接成可以在超临界高侧压力下运行的闭合循环回路的至少一个压缩机(1)、散热器(2)、膨胀装置(3)和吸热器(4)，其特征在于：通过控制压缩机的吸气过热可以提高该系统的热泵效率；以及采用二氧化碳或含有二氧化碳的制冷剂混合物来作为该系统的制冷剂。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当热源温度高于预定水平时会增加所述过热。
3.根据权利要求1-2中任一所述的系统，其特征在于：所述过热的限制是压缩机的排气温度，该温度不能超过预定水平。
4.根据权利要求1-3中任一所述的系统，其特征在于：来自散热器(2)的分流用于使压缩机的吸气过热。
5.根据权利要求1-4中任一所述的系统，其特征在于：在加热所述吸气后，来自高压侧的分流直接膨胀下降到吸热器的压力。
6.根据权利要求1-5中任一所述的系统，其特征在于：可以调节分流流量以便控制所述吸气过热。
7.根据权利要求1-6中任一所述的系统，其特征在于：逆流换热器用于加热压缩机的吸气。
8.根据权利要求1-7中任一所述的系统，其特征在于：所述逆流换热器可以是单独的装置或是已经安装的内部换热器。
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