CN204730517U - 一种浓度可调的非共沸工质热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种浓度可调的非共沸工质热泵系统，该系统主要包括压缩机、四通阀、室外换热器、流向切换装置、组分调控装置、系统膨胀阀和室内换热器；本实用新型通过增设组分调控装置、组分分离罐及相应连管和阀门，可实现准二级压缩、喷液和系统工质浓度调节等多项功能。该热泵系统通过非共沸工质、补气、喷液和组分浓度调节技术的综合应用，能提高热泵在低温工况的制热量和COP，提高热泵装置的季节能效水平，并有效控制压缩机低温工况的排气温度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种浓度可调的非共沸工质热泵系统，特别涉及一种浓度可调的非共沸工质热泵系统，属于热泵空调设备技术领域。
背景技术
我国建筑能耗约占到社会商品总能耗的1/3，其中，仅北方城镇采暖就消耗全国建筑总能耗的25％以上。同时，随着我国城市化的快速发展和人民生活水平提高，新的供暖需求不断出现。
我国长江流域幅员辽阔，人口众多。长江流域地处夏热冬冷气候带，冬季湿冷。受生活习惯影响，该地区住宅建筑较长时期不使用或只使用简单采暖手段(电热毯、电油汀等)，室内热舒适较差。然而随着该地区经济的快速发展，集中供暖的呼声逐渐高涨，一度成为全民热议的话题。研究表明：长江流域不适合采用大规模的集中供暖；以空气源热泵为代表的分散采暖方式在该地区有很好的适用性。
此外，在我国北方地区，虽然城镇地区主要采用以热电联产为热源的集中供暖方式，但大量非集中供暖覆盖地区的住宅仍然使用燃煤、燃油、电暖等采暖方式，能源效率低，污染严重，已经成为我国北方地区冬季雾霾等污染天气的重要成因之一。因此，为降低环境压力，北方地区各省市均推动燃煤采暖的替代项目，部分省市明令禁止使用燃煤分散采暖。在可替代的采暖技术中，地/水源热泵由于设备容量和占地面积大，不适用于住宅采暖。燃气采暖受气源及管网限制，只在特定区域有较好的适用性。因此，空气源热泵成为北方地区(尤其是寒冷地区)替代燃煤采暖的重要选项。
实际上，空气源热泵(最常见形式为热泵型家用空调器)在上述地区前期已有所应用，但由于低温工况制热量不足(用户感受为出风温度低)和能效低下(用户感受为耗电量大)导致其并未大规模使用。提高空气源热泵的制热效能是在上述地区大规模应用的关键。
有效提高低温工况下非共沸工质循环量，提高蒸发器和冷凝器的温度匹配程度，提高非共沸工质蒸发潜热，降低排气温度成为提高空气源热泵性能和可靠性的技术关键。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种浓度可调的非共沸工质热泵系统，通过非共沸工质、补气、喷液和组分分离及浓度控制技术的综合应用，能提高热泵在低温工况的制热量和COP，提高热泵装置的季节能效水平，并有效控制压缩机低温工况的排气温度。
本实用新型提出如下技术方案：
一种工质浓度可调的非共沸工质热泵系统，包括：压缩机、四通阀、室外换热器、流向切换装置、储液回热器、系统膨胀阀和室内换热器，所述流向切换装置包括第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀，所述储液回热器内设置回热盘管；压缩机排气口与四通阀排气接口连接；四通阀室外换热器接口经室外换热器与第一单向阀的入口和第二单向阀的出口连接；第一单向阀的出口与第四单向阀的出口连接；第二单向阀的入口与第三单向阀的入口连接；四通阀室内换热器接口经室内换热器与第三单向阀的出口和第四单向阀的入口连接；储液回热器出液口经系统膨胀阀与第三单向阀入口连接；四通阀吸气接口经回热盘管入口、回热盘管和回热盘管出口与压缩机吸气口相连；其特征在于：设置组分调控装置，所述组分调控装置包括：节流阀、排气温度控制阀、补气控制阀、组分分离罐、系统浓度控制阀，所述组分分离罐内设置加热盘管；组分分离罐入口经节流阀与第一单向阀出口连接；组分分离罐气体出口经补气控制阀与压缩机补气口连接；第一单向阀出口经加热盘管入口、加热盘管和加热盘管出口与储液回热器入口相连；组分分离罐液体出口经系统浓度控制阀与第三单向阀入口连接；设置排气温度控制支路，该支路的一端与第一单向阀出口相连，另一端与补气控制阀入口相连，所述的排气温度控制阀设置在该支路上。
上述技术方案中，所述的压缩机为两级压缩机或准二级压缩机结构；所述的组分分离罐内可设置填料。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：①使用准二级压缩提高了热泵系统的低温制热性能。②使用非共沸工质提高了蒸发器和冷凝器的温度匹配，提高了热泵系统的蒸发温度，降低了冷凝温度，从而提高了热泵系统的季节能效水平。③实现了系统运行制冷剂的组分浓度控制，低温工况通过提高循环制冷剂的高压组分浓度，提高系统的制热能力，温和工况通过降低系统高压组分浓度降低系统制热/制冷量，实现容量调节。④采用液体制冷剂喷射有效控制压缩机排气温度，保证其低温可靠性。
附图说明
图1是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统的结构原理图。
图2是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统的常规制冷模式。
图3是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统常规制冷工况下提高高压组分浓度运行模式。
图4是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统常规制冷工况下提高低压组分浓度提升运行模式。
图5是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统的常规制热模式。
图6是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统常规制热工况下提高高压组分浓度运行模式。
图7是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统常规制热工况下提高低压组分浓度运行模式。
图8是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统低温制热模式。
图中各部件名称为：1-压缩机；2-四通阀；3-室外换热器；4-流向切换装置；41-第一单向阀；42-第二单向阀；43-第三单向阀；44-第四单向阀；5-储液回热器；6-系统膨胀阀；7-室内换热器；8-组分调控装置；81-节流阀；82-排气温度控制阀；83-补气控制阀；84-组分分离罐；85-系统浓度控制阀；86-加热盘管；9-回热盘管。
图中各接口名称为：1a-压缩机吸气口；1b-压缩机排气口；1c-压缩机补气口；2a-四通阀排气接口；2b-四通阀室外换热器接口；2c-四通阀室内换热器接口；2d-四通阀吸气接口；5a-储液回热器入口；5b-储液回热器出液口；5c-回热盘管入口；5d-回热盘管出口；84a-组分分离罐入口；84b-组分分离罐气体出口；84c-加热盘管入口；84d-加热盘管出口；84e-组分分离罐液体出口。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的原理结构图和运行方式做进一步说明。
图1是本实用新型公布的浓度可调的非共沸工质热泵系统的系统原理图。该系统包括压缩机1、四通阀2、室外换热器3、流向切换装置4、储液回热器5、系统膨胀阀6和室内换热器7；所述流向切换装置4包括第一单向阀41、第二单向阀42、第三单向阀43和第四单向阀44；所述储液回热器5内设置回热盘管9；压缩机排气口1b与四通阀排气接口2a连接；四通阀室外换热器接口2b经室外换热器3与第一单向阀41的入口和第二单向阀42的出口连接；第一单向阀41的出口与第四单向阀44的出口连接；第二单向阀42的入口与第三单向阀43的入口连接；四通阀室内换热器接口2c经室内换热器7与第三单向阀43的出口和第四单向阀44的入口连接；储液回热器出液口5b经系统膨胀阀6与第三单向阀43入口连接；四通阀吸气接口2d依次经回热盘管入口5c、回热盘管9和回热盘管出口5d与压缩机吸气口1a相连；该热泵系统还设置有组分调控装置8，所述组分调控装置8包括：节流阀81、排气温度控制阀82、补气控制阀83、组分分离罐84和系统浓度控制阀85，所述组分分离罐84内设置加热盘管86；组分分离罐入口84a经节流阀81与第一单向阀41出口连接；组分分离罐气体出口84b经补气控制阀83与压缩机补气口1c连接；第一单向阀41出口依次经加热盘管入口84c、加热盘管86和加热盘管出口84d与储液回热器入口5a相连；组分分离罐液体出口84e经系统浓度控制阀85与第三单向阀43入口连接；设置排气温度控制支路，该支路的一端与第一单向阀41出口相连，另一端与补气控制阀83入口相连，所述的排气温度控制阀82设置在该支路上。
所述压缩机采用两级压缩机或准二级压缩机结构。
所述组分分离罐84内设置填料，以增加非共沸工质气体和液体热质交换面积，材料可以是金属、塑料或纸张等。
本实用新型的运行模式及过程如下：
制冷模式
当用户有制冷需求时，该系统运行于制冷模式。此时系统状态如图2所示。四通阀2断电，节流阀81、排气温度控制阀82、补气控制阀83和系统浓度控制阀85关闭。此时，压缩机排气依次流经排气口1b、四通阀排气接口2a和四通阀室外换热器接口2b进入室外换热器3，高温高压气态非共沸工质在室外换热器3中冷凝为高温高压液态非共沸工质后，依次经第一单向阀41、加热盘管86后进入储液回热器5，与回热盘管9中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出，流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀6节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀43进入室内换热器7中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室内换热器接口2c、四通阀吸气接口2d和回热盘管入口5c进入回热盘管9中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口5d进入压缩机吸气口1a进入下一循环。
制冷过程如需提高制冷量或调整蒸发器和冷凝器的温度匹配性，可通过提高系统运行混合工质的高压组分浓度实现。系统中组分分离罐84底部储存的非共沸工质含有较高浓度低压组分，因此其储量越大，系统运行非共沸工质高压组分浓度越高。因此，非共沸工质从储液回热器5向组分分离罐84的迁移过程即为系统高压组分浓度提升过程。此时系统状态如图3所示。具体的运行方式为：四通阀2断电，节流阀81和补气控制阀83开启，排气温度控制阀82和系统浓度控制阀85关闭；此时，压缩机的排气依次流经压缩机排气口1b、四通阀排气接口2a和四通阀室外换热器接口2b进入室外换热器3，高温高压气态非共沸工质在室外换热器3中冷凝为高温高压液态非共沸工质后流入第一单向阀41入口，在第一单向阀41出口的非共沸工质分为两路：第一路非共沸工质经节流阀81节流后成为中压两相非共沸工质，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经补气控制阀83进入压缩机补气口1c参与循环；第二路非共沸工质经加热盘管入口84c流入加热盘管86，在加热盘管86中，第二路非共沸工质与第一路非共沸工质换热，将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制冷量和能效水平，同时通过对组分分离罐84内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；从加热盘管出口84d流出的过冷非共沸工质进入储液回热器5，与回热盘管9中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出，流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀6节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀43进入室内换热器7中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室内换热器接口2c、四通阀吸气接口2d和回热盘管入口5c进入回热盘管9中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口5d进入压缩机吸气口1a进入下一循环。
制冷过程如需降低制冷量或调整蒸发器和冷凝器的温度匹配性，可通过提高系统运行混合工质的低压组分浓度实现。此时只需将组分分离罐84中储存的的高低压组分浓度液态非共沸工质放入系统即可。此时系统状态如图4所示。具体的运行方式为：四通阀2断电，系统浓度控制阀85开启，节流阀81、排气温度控制阀82和补气控制阀83关闭；此时，压缩机排气依次流经排气口1b、四通阀排气接口2a和四通阀室外换热器接口2b进入室外换热器3，高温高压气态非共沸工质在室外换热器3中冷凝为高温高压液态非共沸工质后，经第一单向阀41、组分分离罐中的加热盘管86后进入储液回热器5，与回热盘管9中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出，流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀6节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀43进入室内换热器7中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室内换热器接口2c、四通阀吸气接口2d和回热盘管入口5c进入回热盘管9中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口5d进入压缩机吸气口1a进入下一循环；同时，组分分离罐84在加热盘管86的加热下，保持中间压力；在压差推动下，高低压组分浓度非共沸工质经系统浓度控制阀85流入系统参与循环。
制热模式
当用户有制热需求且环境温度较高时，该系统运行于常规制热模式。此时系统状态如图5所示。四通阀2带电，节流阀81、排气温度控制阀82、补气控制阀83和系统浓度控制阀85关闭。此时，压缩机排气依次流经排气口1b、四通阀排气接口2a和四通阀室内换热器接口2c进入室内换热器7，高温高压气态非共沸工质在室内换热器7中冷凝为高温高压液态非共沸工质过程中同时向室内供热，后经第四单向阀44、加热盘管86后进入储液回热器5，与回热盘管9中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出，流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀6节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第二单向阀42进入室外换热器3中蒸发吸热，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室外换热器接口2b、四通阀吸气接口2d和回热盘管入口5c进入回热盘管9中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口5d进入压缩机吸气口1a进入下一循环。
制热过程如需提高制冷量或调整蒸发器和冷凝器的温度匹配性，可通过提高系统运行混合工质的高压组分浓度实现。系统中组分分离罐84底部储存的非共沸工质含有较高浓度低压组分，因此其储量越大，系统运行非共沸工质高压组分浓度越高。因此，非共沸工质从储液回热器5向组分分离罐84的迁移过程即为系统高压组分浓度提升过程。此时系统状态如图6所示。具体的运行方式为：四通阀2通电，节流阀81和补气控制阀83开启，排气温度控制阀82和系统浓度控制阀85关闭；此时，压缩机排气依次流经压缩机排气口1b、四通阀排气接口2a和四通阀室内换热器接口2c进入室内换热器7，高温高压气态非共沸工质在室内换热器7中冷凝为高温高压液态非共沸工质，并向室内供热后流入第四单向阀44入口；在第四单向阀44出口，非共沸工质分为两路：第一路非共沸工质经节流阀81节流后成为中压两相非共沸工质，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经补气控制阀83进入压缩机补气口1c参与循环；第二路非共沸工质经加热盘管入口84c流入加热盘管86，在加热盘管86中，第二路非共沸工质与第一路非共沸工质换热将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制热量和能效水平，同时通过对组分分离罐84内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；从加热盘管出口84d流出的过冷非共沸工质进入储液回热器5，与回热盘管9中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出，流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀6节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第二单向阀42进入室外换热器3中蒸发吸量，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室外换热器接口2b、四通阀吸气接口2d和热盘管入口5c进入回热盘管9中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口5d进入压缩机吸气口1a进入下一循环。
制热过程如需降低制热量或调整蒸发器和冷凝器的温度匹配性，可通过提高系统运行混合工质的低压组分浓度实现。此时只需将组分分离罐84中储存的高低压组分浓度液态非共沸工质放入系统即可。同样地，当系统低压组分浓度达到要求时，系统切换回常规制热模式。此时系统状态如图7所示。具体的运行方式为：四通阀2通电，系统浓度控制阀85开启，节流阀81、排气温度控制阀82和补气控制阀83关闭；此时，压缩机排气依次流经压缩机排气口1b、四通阀排气接口2a和四通阀室内换热器接口2c进入室内换热器7，高温高压气态非共沸工质在室内换热器7中冷凝为高温高压液态非共沸工质过程中同时向室内供热，后经第四单向阀44、加热盘管86后进入储液回热器5，与回热盘管9中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出，流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀6节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第二单向阀42进入室外换热器3中蒸发吸热，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室外换热器接口2b、四通阀吸气接口2d和回热盘管入口5c进入回热盘管9中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口5d进入压缩机吸气口1a进入下一循环；同时，组分分离罐84在加热盘管86的加热下，保持中间压力；在压差推动下，高低压组分浓度非共沸工质经系统浓度控制阀85流入系统参与循环。
低温制热模式
当用户有制热需求且环境温度较低时，该系统运行于低温制热模式。此时系统状态如图8所示。在较低环境温度下，系统需大幅提升制热能力和能效水平，此时不但需要需要开启准二级压缩循环(补气)，而且需要控制循环非共沸工质浓度处于最佳水平。此外，也需要控制压缩机的排气温度以保证系统的安全运行。
具体的运行方式为：四通阀2通电，节流阀81、排气温度控制阀82、补气控制阀83和系统浓度控制阀85开启；此时，压缩机排气依次流经压缩机排气口1b、四通阀排气接口2a和四通阀室内换热器接口2c进入室内换热器7，高温高压气态非共沸工质在室内换热器7中冷凝为高温高压液态非共沸工质，并向室内供热后流入第四单向阀44入口；在第四单向阀44出口非共沸工质分为三路：第一路非共沸工质经节流阀81节流后成为中压两相非共沸工质，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经组分分离罐气体出口84b流出；第二路中的液态非共沸工质经排气温度控制阀82直接节流降压成为两相非共沸工质后与来自组分分离罐气体出口84b的气态非共沸工质混合后经补气控制阀83后直接进入压缩机补气口1c参与循环；第三路非共沸工质经加热盘管入口84c流入加热盘管86，在加热盘管86中，第三路非共沸工质与第一路非共沸工质换热将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制热量和能效水平，同时通过对组分分离罐84内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；从加热盘管出口84d流出的过冷非共沸工质进入储液回热器5，与回热盘管9中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出，流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀6节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第二单向阀42进入室外换热器3中蒸发吸量，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室外换热器接口2b、四通阀吸气接口2d和储液回热器的回热盘管入口5c进入回热盘管9中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口5d进入压缩机吸气口1a进入下一循环；同时，组分分离罐84底部的高低压组分浓度非共沸工质经系统浓度控制阀85流入系统，实现对系统循环非共沸工质浓度的控制。
Claims (3)
1.一种浓度可调的非共沸工质热泵系统，该系统包括压缩机(1)、四通阀(2)、室外换热器(3)、流向切换装置(4)、储液回热器(5)、系统膨胀阀(6)和室内换热器(7)；所述流向切换装置(4)包括第一单向阀(41)、第二单向阀(42)、第三单向阀(43)和第四单向阀(44)；所述储液回热器(5)内设置回热盘管(9)；压缩机排气口(1b)与四通阀排气接口(2a)连接；四通阀室外换热器接口(2b)经室外换热器(3)与第一单向阀(41)的入口和第二单向阀(42)的出口连接；第一单向阀(41)的出口与第四单向阀(44)的出口连接；第二单向阀(42)的入口与第三单向阀(43)的入口连接；四通阀室内换热器接口(2c)经室内换热器(7)与第三单向阀(43)的出口和第四单向阀(44)的入口连接；储液回热器出液口(5b)经系统膨胀阀(6)与第三单向阀(43)入口连接；四通阀吸气接口(2d)依次经回热盘管入口(5c)、回热盘管(9)和回热盘管出口(5d)与压缩机吸气口(1a)相连；其特征在于：该热泵系统还设置有组分调控装置(8)，所述组分调控装置(8)包括：节流阀(81)、排气温度控制阀(82)、补气控制阀(83)、组分分离罐(84)和系统浓度控制阀(85)，所述组分分离罐(84)内设置加热盘管(86)；组分分离罐入口(84a)经节流阀(81)与第一单向阀(41)出口连接；组分分离罐气体出口(84b)经补气控制阀(83)与压缩机补气口(1c)连接；第一单向阀(41)出口依次经加热盘管入口(84c)、加热盘管(86)和加热盘管出口(84d)与储液回热器入口(5a)相连；组分分离罐液体出口(84e)经系统浓度控制阀(85)与第三单向阀(43)入口连接；设置排气温度控制支路，该支路的一端与第一单向阀(41)出口相连，另一端与补气控制阀(83)入口相连，所述的排气温度控制阀(82)设置在该支路上。
2.根据权利要求1所述的一种浓度可调的非共沸工质热泵系统，其特征在于：所述压缩机采用两级压缩机或准二级压缩机结构。
3.根据权利要求1所述的一种浓度可调的非共沸工质热泵系统，其特征在于：所述组分分离罐(84)内设置填料。
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| CN104879951A (zh) * | 2015-05-20 | 2015-09-02 | 清华大学 | 一种浓度可调的非共沸工质热泵系统及其运行方法 |
| CN104879951B (zh) * | 2015-05-20 | 2017-04-19 | 清华大学 | 一种浓度可调的非共沸工质热泵系统及其运行方法 |
| CN111947302A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-17 | 中原工学院 | 一种带闪蒸器的变浓度直热式热泵热水器及其工作方法 |
| CN111964261A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-20 | 中原工学院 | 一种浓度可调的宽温区直热式热泵热水器及其工作方法 |
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