CN203274353U - 水源回热型高温热泵 - Google Patents

Abstract

一种水源回热型高温热泵，通过水源过冷热泵循环，完成冷媒深度过冷，确保膨胀阀长期可靠运行；通过水源回热循环回收冷媒深度过冷显热与油冷却显热等，用于提升水源进口温度和蒸发温度，降低热泵压缩比，确保热泵高效运行，同时降低压缩机排气温度，确保压缩机长期可靠运行；此外，制热负荷与水源温度的波动，不再像经济器或回热器等技术中的多回路循环那样，引发水源高温热泵的不稳定运行，因此无需使用电子膨胀阀处理波动问题。

Description

水源回热型高温热泵

(一)技术领域

本发明涉及一种水源回热型高温热泵。 

(二)背景技术

在水源高温热泵所采用的主要部件中，半封闭螺杆压缩机的排气温度最高限定值为110℃，而膨胀阀进口冷媒温度的最高限定值为68℃；因此当水源高温热泵实现90℃出水时，其冷凝温度已达95℃，即使考虑冷凝器中的5℃过冷，膨胀阀进口冷媒温度也达90℃，远超其68℃的最高限定值；此时，非等熵压缩的排气温度也超110℃。 

如何把水源高温热泵的压缩机排气温度降低到110℃以下，以及把膨胀阀进口冷媒温度降低到68℃以下；确保其长期可靠运行，就成为水源高温热泵急需解决的关键性技术。 

传统的经济器技术是水源高温热泵的备选方案之一。经济器兼具冷媒的过冷器，以及冷却压缩机等双重作用；其中冷凝器出口的冷媒流量被分成两部分，较少部分m1节流后在经济器中压侧蒸发，以冷却高压侧较多部分m2，使其进一步过冷；在蒸发器中冷媒流量m2减少但过冷的前提下，提高热泵的制热功率与制热能效；所形成的中压冷媒气流m1则从补气口流入压缩机，对其提供额外的冷却。 

然而，经济器技术存在的问题如下： 

(1)带经济器的热泵，需增加压缩机补气口、经济器及其膨胀阀等，投资的增加使其通常适用于大型热泵； 

(2)只有当热泵压缩比大于4时，经济器技术才对提高其制热功 率与制热能效有所帮助； 

(3)压缩机补气口的直径，通过限制经济器中压侧的冷媒补气流量，而限制了经济器高压侧的过冷度，通常为5至8℃，从而使得蒸发器膨胀阀的进口冷媒温度只能过冷到82℃，仍远高于最高限定值68℃，这就严重制约蒸发器膨胀阀的可靠性； 

(4)带有经济器的热泵为双回路系统，一旦制热负荷或水源温度波动，将会引发水源高温热泵的不稳定运行，因此该技术只适用于稳定工况运行； 

(5)由于经济器膨胀阀的进口冷媒温度仍为90℃，这就严重制约经济器膨胀阀的可靠性。 

传统的回热器技术是水源高温热泵的备选方案之二。冷凝器出口引入回热器一侧的高温冷媒液，加热蒸发器出口引入另侧的低温冷媒气，从而使得高温冷媒液进一步过冷，以提高蒸发器中制冷量；同时低温冷媒气进一步过热，从而避免压缩机液击；这使蒸发器中用于过热的换热面积最小化，以便高效利用蒸发器换热面积，获得更高蒸发温度，或可选用更少换热面积的蒸发器。由于冷媒质量流量在回热器两侧相同，因此冷媒液的过冷焓减，便会精确等于冷媒气的过热焓增。 

然而，回热器技术存在的问题如下： 

(1)冷媒气过热度的增加，会导致排气温度的升高，一旦超出其最高限定值，就会造成压缩机故障；因此这就限制了过冷度的提高； 

(2)带有回热器的热泵为双回路系统，一旦制热负荷或水源温度波动，将会引发水源高温热泵的不稳定运行，因此该技术只适用于稳定工况运行； 

(3)为确保水源高温热泵的稳定运行，需使用电子膨胀阀处理负荷波动； 

(4)由于该技术中冷媒气过热度的增加，导致排气温度进一步升高，因此不适用于要求降低排气温度的水源高温热泵。 

(三)发明内容

本发明的目的是综合经济器技术与回热器技术各自的优点，改进其不足之处，从而提供一种通过水源为载冷剂以实现高温热泵两端回热，确保增加膨胀阀进口冷媒过冷度的同时，降低压缩机排气温度；不仅提高机组制热能效，而且提高产品可靠性。 

按照附图1所示的水源回热型高温热泵：其由压缩机1的排气出口法兰，通过管道、油分离器2的冷媒侧、使用侧冷凝器3冷媒侧、充注三通、过冷回热器4冷媒侧、手动阀门5、干燥过滤器6、与干管并联连接的视液镜7、分流三通、电磁阀8、膨胀阀9、水源蒸发器10冷媒侧、充注三通，连接压缩机1吸气入口法兰，以组成水源过冷热泵回路； 

压缩机1的出油接头，通过管道、手动阀门5、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油冷侧、分流三通、视液镜7、消音器13，连接压缩机1的入油接头，以形成压缩机1的油冷回路； 

油分离器2的出油角阀，通过管道、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油分侧、视液镜7，连接压缩机1的冷媒接头，以形成压缩机1的油分回路； 

通过管道、分流三通及油冷侧的手动阀门5、并联连接的过冷回热器4与油冷回热器14、汇流三通、水源蒸发器10的水源侧进口，以形成水源回热回路； 

过冷回热器4冷媒侧出口的分流三通，通过管道、电磁阀8、手动节流阀11，连接压缩机1的液冷喷射口，以形成压缩机1的电机液冷喷射回路； 

油冷回热回路中的分流三通，通过管道、手动阀门5，连接压缩机1的压缩室喷射口，以形成压缩机1的压缩室喷油冷却回路； 

压缩机1的排气口与吸气口，使用侧冷凝器3的进水口与出水口，水源蒸发器10的进水口与出水口，过冷回热器4与油冷回热器14的分流三通进水口，油冷回热器14的油冷出口处，各设置1只温度传感器15，压缩机1的电机绕组中预埋1只铂电阻温度传感器17，压缩机1的排气腔处设置1只温度开关16，以形成水源高温热泵的温度检测回路； 

压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力表18，压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力控制器20，压缩机1的高压侧角阀与压差开关接头之间接入1只压差开关21，使用侧冷凝器3的冷媒侧设置1只或多只安全阀22，以形成水源高温热泵的压力检测回路； 

使用侧冷凝器3的冷媒侧出口液管，与水源蒸发器10的冷媒侧出口气管，通过充注三通各设置1只冷媒充注阀23，以形成水源高温热泵的2个冷媒充注点； 

压缩机1的底部油池中充注润滑油24，压缩机1的底部油池中设置润滑油加热器25； 

水源过冷热泵回路中充注冷媒26。 

压缩机1的吸气进口处分别设置1只铂电阻温度传感器17和1只压力传感器19，与膨胀阀9形成节流控制回路。 

压缩机1是离心式压缩机或半封闭螺杆压缩机或开启式螺杆压缩机或涡旋式压缩机或转子式压缩机或活塞式压缩机。 

使用侧冷凝器3和/或水源蒸发器10，是干式换热器或满液式换热器。 

使用侧冷凝器3和/或水源蒸发器10，是管壳式换热器或板式换热器或套管式换热器或板翅式换热器或盘管式换热器。 

膨胀阀9是电子膨胀阀或热力膨胀阀或手动膨胀阀或节流孔板或毛细管，或者是上述各种膨胀阀相互之间的并联连接。 

润滑油24是CPI320润滑油。 

冷媒26是R134a或R124或R245fa。 

本发明的工作原理结合附图1说明如下： 

压缩机1启动，以驱动冷媒26流经油分离器2冷媒侧、使用侧冷凝器3冷媒侧、充注三通、过冷回热器4冷媒侧、手动阀门5、干燥过滤器6、与干管并联连接的视液镜7、分流三通、电磁阀8、膨胀阀9、水源蒸发器10冷媒侧、充注三通、压缩机1；其中，经膨胀阀9节流后形成的低温低压两相冷媒，在水源蒸发器10冷媒侧从水源侧的水流中吸收热量Q，而蒸发成低温低压的过热冷媒气，并使水流降温后排出；然后过热冷媒气被输入轴功率W的压缩机1，压缩成高温高压的过热冷媒气，再经油分离器2的分离后，进入使用侧冷凝器3的冷媒侧凝结为高温高压的过冷冷媒液，同时把冷凝热量(Q+W)释放给使用侧的高温回水，使其进一步加热升温，而高压过冷的冷媒液再流经过冷回热器4的冷媒侧，被另侧的水源进水深度过冷，然后再经膨胀阀9节流，而重新成为低温低压的两相冷媒，以完成水源过冷热泵循环。 

润滑油从压缩机1内部高压端经出油接头、管道、手动阀门5、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14油冷侧、分流三通、视液镜7、消音器13等，流回压缩机1低压端入油接头，其中在油冷回热器14中把润滑油的冷却显热释放给另侧的水源进水，以完成压缩机1的润滑油冷却循环； 

油分离器2下部被分离出的润滑油经浮球阀控制流经出油角阀、 管道、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油分侧、视液镜7，而流入压缩机1的冷媒接头，其中在油冷回热器14中把润滑油的分离后冷却显热释放给另侧的水源进水，以完成油分离器2的润滑油分离后冷却循环； 

水源进水，流经分流三通及油冷侧手动阀门5、并联连接过冷回热器4与油冷回热器14的水源侧、汇流三通等形成的水源回热回路，以充分回收过冷回热器4中另侧的高温冷媒深度过冷显热、油冷回热器14中另侧的润滑油冷却显热与润滑油分离后冷却显热，提升温度后的进水，再进入水源蒸发器10的水源侧，以提升水源蒸发器10中蒸发温度，完成水源回热循环； 

经过冷回热器4深度过冷后的冷媒液，流经分流三通、管道、电磁阀8、手动节流阀11、液冷喷射口，以喷射冷媒液冷却压缩机1的电机，完成电机液冷喷射循环； 

经油冷回热器14的油冷侧，被另侧的水源进水充分冷却后的压缩机1中润滑油，流经分流三通、管道、手动阀门5、喷射口，以喷入并冷却压缩机1中压缩室，完成电机油冷喷射循环； 

压缩机1的排气口与吸气口、使用侧冷凝器3的进水口与出水口、水源蒸发器10的进水口与出水口、过冷回热器4与油冷回热器14的分流三通进水口、油冷回热器14的油冷出口等处设置温度传感器15，压缩机1电机绕组中预埋的铂电阻温度传感器17，压缩机1排气腔处设置的温度开关16等，共同配合电气控制系统，完成对水源高温热泵的温度控制； 

压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀设置的压力表18与压力控制器20、压缩机1的高压侧角阀与压差开关接头之间接入的压差开关21、使用侧冷凝器3冷媒侧设置的安全阀22，共同配合电气控制系统，完 成对水源高温热泵的压力控制； 

压缩机1吸气进口处分别设置的铂电阻温度传感器17和压力传感器19，共同配合电气控制系统，完成对膨胀阀9的开度控制； 

水源高温热泵组装完成后，通过使用侧冷凝器3的冷媒出口液管，与水源蒸发器10的冷媒出口气管上，设置的冷媒充注阀23，完成对水源高温热泵的冷媒充注。 

与现有技术相比较，本发明的结构特点如下： 

1、通过水源过冷热泵循环，完成使用侧冷凝器3出口冷媒的深度过冷，其过冷度不再受压缩机补气口流通直径的限制，从而确保膨胀阀9的长期可靠运行； 

2、通过水源回热循环，即可同时回收高温冷媒深度过冷显热、润滑油冷却显热、润滑油分离后冷却显热，进而提升水源蒸发器10的水源进口温度和蒸发温度，降低热泵压缩比，确保水源高温热泵的高效运行； 

3、由于水源的回热热量，是用于提升水源蒸发器10中蒸发温度，而非像回热器技术那样，用于增加冷媒气过热度；因此就可通过提升蒸发温度，降低热泵压缩比，进而降低压缩机排气温度，确保压缩机长期可靠运行； 

4、由于水源过冷热泵循环的特点为冷媒的单回路循环，因此制热负荷或水源温度的波动，不再像经济器或回热器等技术中的冷媒多回路循环那样，引发水源高温热泵的不稳定运行，以使本发明广泛适用于制热负荷或水源温度不稳定的运行工况； 

5、为确保水源高温热泵的稳定运行，不再需要使用电子膨胀阀处理制热负荷或水源温度的波动。 

因此与现有经济器或回热器等技术相比，本发明的技术优势如下： 本发明通过冷媒单回路的水源过冷热泵循环，完成冷媒深度过冷，确保膨胀阀长期可靠运行；通过水源回热循环同时回收冷媒深度过冷显热与油冷却显热等，用于提升水源进口温度和蒸发温度，降低热泵压缩比，确保热泵高效运行，同时降低压缩机排气温度，确保压缩机长期可靠运行；此外，制热负荷与水源温度的波动，不再像经济器或回热器等技术中的多回路循环那样，引发水源高温热泵的不稳定运行，因此无需使用电子膨胀阀处理波动问题。 

(四)附图说明

附图1为本发明的系统流程图。 

如附图1所示，其中：1-压缩机；2-油分离器；3-使用侧冷凝器；4-过冷回热器；5-手动阀门；6-干燥过滤器；7-视液镜；8-电磁阀；9-膨胀阀；10-水源蒸发器；11-手动节流阀；12-油过滤器；13-消音器；14-油冷回热器；15-温度传感器；16-温度开关；17-铂电阻温度传感器；18-压力表；19-压力传感器；20-压力控制器；21-压差开关；22-安全阀；23-冷媒充注阀；24-润滑油；25-润滑油加热器；26-冷媒。 

(五)具体实施方式

本发明提出的水源回热型高温热泵实施例如附图1所示，现说明如下：其由RC2-930B型半封闭螺杆压缩机1的排气出口法兰，通过直径76mm紫铜管、接口直径76mm的油分离器2冷媒侧、进口直径76mm、出口直径64mm且换热面积138.6m²的使用侧满液式管壳冷凝器3冷媒侧、接口直径64mm+64mm+6mm的充注三通、接口直径64mm的过冷回热器4冷媒侧、接口直径64mm的手动球阀5、接口直径64mm的干燥过滤器6、接口直径9.4mm且与直径64mm的干管并联连接的视液镜7、接口直径64mm+64mm+6mm的分流三通、接口直径64mm的电磁阀8、接口直径41mm且型号EX8-I21的电子膨胀阀9、进口直径64mm、出口直径 108mm且换热面积69.1m²的水源干式管壳蒸发器10冷媒侧、接口直径108mm+108mm+6mm的充注三通等，连接接口直径108mm的压缩机1吸气入口法兰，以组成水源过冷热泵回路； 

压缩机1的接口直径3/4″出油接头，通过直径19mm紫铜管、接口直径3/4″手动球阀5、接口直径3/4″油过滤器12、接口直径3/4″手动球阀5、接口直径19mm油冷回热器14的油冷侧、接口直径19mm+19mm+6mm分流三通、接口直径3/4″视液镜7、接口直径3/4″消音器13等，连接压缩机1接口直径3/4″的入油接头，以形成压缩机1的油冷回路； 

油分离器2的接口直径3/8″出油角阀，通过直径3/8″紫铜管、接口直径3/8″油过滤器12、接口直径3/8″手动球阀5、接口直径3/8″油冷回热器14油分侧、接口直径3/8″视液镜7等，连接压缩机1接口直径3/8″的冷媒接头，以形成压缩机1的油分回路； 

通过直径159mm钢管、接口直径分别为159mm+100mm+73mm分流三通，及接口直径73mm油冷侧手动球阀5、并联连接的接口直径100mm过冷回热器4与接口直径73mm油冷回热器14、接口直径分别为159mm+100mm+73mm的汇流三通、水源蒸发器10水源侧的直径159mm进口等，以形成水源回热回路； 

过冷回热器4冷媒侧出口直径分别为64mm+64mm+9mm的分流三通，通过直径9mm紫铜管、接口直径9mm电磁阀8、接口直径9mm手动节流阀11等，连接压缩机1的直径6mm液冷喷射口，以形成压缩机1的电机液冷喷射回路； 

油冷回热回路中接口直径分别为19mm+19mm+6mm的分流三通，通过直径6mm紫铜管、接口直径6mm手动球阀5等，连接压缩机1中压缩室的直径6mm喷射口，以形成压缩机1的压缩室喷油冷却回路； 

压缩机1的直径76mm排气口与直径108mm吸气口，使用侧冷凝器3的直径133mm进水口与直径133mm出水口，水源蒸发器10的直径159mm进水口与直径159mm出水口，过冷回热器4与油冷回热器14的分流三通进水口，油冷回热器14的直径19mm油冷出口等处，各设置1只ECN-N60型温度传感器15，压缩机1的电机绕组中预埋1只PT100铂电阻温度传感器17，压缩机1的排气腔处设置1只接口直径6mm的温度开关16等，以形成水源高温热泵的温度检测回路； 

压缩机1的高压侧接口直径1/4″角阀与低压侧接口直径1/4″角阀各设置1只型号WI-3.8和WI-1.8的压力表18，压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只型号KP5和KP1的压力控制器20，压缩机1的高压侧角阀与压差开关直径1/4″接头之间接入1只油过滤器用压差开关21，使用侧冷凝器3的冷媒侧设置2只安全阀22等，以形成水源高温热泵的压力检测回路； 

使用侧冷凝器3的冷媒侧直径64mm出口液管，与水源蒸发器10的冷媒侧直径108mm出口气管，通过直径64mm+64mm+6mm与直径108mm+108mm+6mm的充注三通，各设置1只1/4″针阀23，以形成水源高温热泵的2个冷媒充注点； 

压缩机1的底部油池中充注16kgCPI320润滑油24，压缩机1的底部油池中设置300W润滑油加热器25； 

水源过冷热泵回路中充注R124冷媒26。 

压缩机1接口直径108mm的吸气进口处分别设置1只PT100铂电阻温度传感器17和1只型号PT5-07M的压力传感器19，与膨胀阀9形成节流控制回路。 

膨胀阀9是接口直径41mm且型号EX8-121的电子膨胀阀9与接口直径41mm且型号RS150H的手动膨胀阀之间并联连接。 

本发明实施例在水源进口温度48℃，通过水源回热循环提升水源进口温度至51.3℃，水源蒸发器进出口温差仍保持8℃，循环供水温度90℃且回水温度82℃时，可实现热泵制热功率812.1kW，总输入电功率264.1kW，热泵制热系数3.07，距离机组1m处运行噪音80dB，运行重量9500kg。 

Claims (8)

1.一种水源回热型高温热泵，其由压缩机(1)；油分离器(2)；使用侧冷凝器(3)；过冷回热器(4)；手动阀门(5)；干燥过滤器(6)；视液镜(7)；电磁阀(8)；膨胀阀(9)；水源蒸发器(10)；手动节流阀(11)；油过滤器(12)；消音器(13)；油冷回热器(14)；温度传感器(15)；温度开关(16)；铂电阻温度传感器(17)；压力表(18)；压力传感器(19)；压力控制器(20)；压差开关(21)；安全阀(22)；冷媒充注阀(23)；润滑油(24)；润滑油加热器(25)；冷媒(26)组成；其特征在于：由压缩机(1)的排气出口法兰，通过管道、油分离器(2)的冷媒侧、使用侧冷凝器(3)冷媒侧、充注三通、过冷回热器(4)冷媒侧、手动阀门(5)、干燥过滤器(6)、与干管并联连接的视液镜(7)、分流三通、电磁阀(8)、膨胀阀(9)、水源蒸发器(10)冷媒侧、充注三通，连接压缩机(1)吸气入口法兰，以组成水源过冷热泵回路；压缩机(1)的出油接头，通过管道、手动阀门(5)、油过滤器(12)、手动阀门(5)、油冷回热器(14)的油冷侧、分流三通、视液镜(7)、消音器(13)，连接压缩机(1)的入油接头，以形成压缩机(1)的油冷回路；油分离器(2)的出油角阀，通过管道、油过滤器(12)、手动阀门(5)、油冷回热器(14)的油分侧、视液镜(7)，连接压缩机(1)的冷媒接头，以形成压缩机(1)的油分回路；通过管道、分流三通及油冷侧的手动阀门(5)、并联连接的过冷回热器(4)与油冷回热器(14)、汇流三通、水源蒸发器(10)的水源侧进口，以形成水源回热回路；过冷回热器(4)冷媒侧出口的分流三通，通过管道、电磁阀(8)、手动节流阀(11)，连接压缩机(1)的液冷喷射口，以形成压缩机(1)的电机液冷喷射回路；油冷回热回路中的分流三通， 通过管道、手动阀门(5)，连接压缩机(1)的压缩室喷射口，以形成压缩机(1)的压缩室喷油冷却回路；压缩机(1)的排气口与吸气口，使用侧冷凝器(3)的进水口与出水口，水源蒸发器(10)的进水口与出水口，过冷回热器(4)与油冷回热器(14)的分流三通进水口，油冷回热器(14)的油冷出口处，各设置1只温度传感器(15)，压缩机(1)的电机绕组中预埋1只铂电阻温度传感器(17)，压缩机(1)的排气腔处设置1只温度开关(16)，以形成水源高温热泵的温度检测回路；压缩机(1)的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力表(18)，压缩机(1)的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力控制器(20)，压缩机(1)的高压侧角阀与压差开关接头之间接入1只压差开关(21)，使用侧冷凝器(3)的冷媒侧设置1只或多只安全阀(22)，以形成水源高温热泵的压力检测回路；使用侧冷凝器(3)的冷媒侧出口液管，与水源蒸发器(10)的冷媒侧出口气管，通过充注三通各设置1只冷媒充注阀(23)，以形成水源高温热泵的2个冷媒充注点；压缩机(1)的底部油池中充注润滑油(24)，压缩机(1)的底部油池中设置润滑油加热器(25)；水源过冷热泵回路中充注冷媒(26)。 

2.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：压缩机(1)的吸气进口处分别设置1只铂电阻温度传感器(17)和1只压力传感器(19)，与膨胀阀(9)形成节流控制回路。 

3.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：压缩机(1)是离心式压缩机或半封闭螺杆压缩机或开启式螺杆压缩机或涡旋式压缩机或转子式压缩机或活塞式压缩机。 

4.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：使用侧冷凝器(3)和/或水源蒸发器(10)，是干式换热器或满液式换热器。 

5.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：使用侧冷凝器(3)和/或水源蒸发器(10)，是管壳式换热器或板式换热器或套管式换热器或板翅式换热器或盘管式换热器。 

6.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：膨胀阀(9)是电子膨胀阀或热力膨胀阀或手动膨胀阀或节流孔板或毛细管，或者是上述各种膨胀阀相互之间的并联连接。 

7.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：润滑油(24)是CPI320润滑油。 

8.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：冷媒(26)是R134a或R124或R245fa。 

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