CN110822767B - 利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，包括由蒸发器、气液分离器、内部换热器、主压缩机、气体冷却器、混合罐、膨胀机依次连接而成的闭合回路，气液分离器出口引流部分气体制冷剂至膨胀机驱动的副压缩机，经副压缩机压缩后依次通过内部换热器、蒸发器进行热交换，实现吸气预热和除霜，或直接通过蒸发器进行除霜，然后汇入混合罐，实现排气预冷。本发明利用副压缩机高温排气对主压缩机吸气进行预热，并可对蒸发器空气侧进行除霜，解决了传统空气源热泵在低温时蒸发器空气侧结霜、压缩机吸气带液、压比增大、系统性能急剧下降、供热不足的问题，在节能降耗的同时拓宽热泵的高效使用范围。

Description

利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统

技术领域

本发明涉及热泵，具体涉及寒冷天气条件下利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统。

背景技术

CFCs类制冷剂对臭氧层的破坏引起了全世界的重视，HCFs类制冷剂作为CFCs类制冷剂的替代，虽然不破坏臭氧层，但加剧了温室效应。于是，自然制冷剂得到了大力提倡和使用。CO₂作为自然制冷剂的一种，具有环保无毒、安全可靠，经济节能等特点，得到了广泛的关注。

根据热力学第二定律，热量可以自发地从温度高的地方转移到温度低的地方。而热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置，即以逆循环的方式将热量从低温物体转移到高温物体，空调就是一种常见的热泵。

以冬季为室内提供热量为例，CO₂热泵的主要原理是：压缩机压缩低温低压CO₂(制冷剂)，使其成为高温高压状态；然后CO₂经气体冷却器对室内放热，形成的常温高压CO₂进入节流装置；通过节流CO₂变为低于室外环境温度的低压CO₂，在室外的蒸发器内吸收外界低温空气的热量后进入压缩机继续下一个循环。在压缩机做功的强制驱动下，通过蒸发器吸收外界低温热源的热量，而后通过气体冷却器将热量传递给高温热源，完成能量的转化和转移。

但是上述循环随着室外环境温度的下降、室内热负荷的增加，会导致压缩机工况改变，出现蒸发器空气侧结霜、压缩机吸气带液、压比增大、系统性能下降、供热不足等问题，严重影响CO₂热泵的使用。因此，如何在寒冷天气条件(0℃～-25℃)下确保CO₂热泵系统的稳定运行，同时使系统运行中实现节能降耗，是本领域技术人员亟待解决的问题。

现有的CO₂热泵技术，在寒冷环境中使用时，常采用辅助热源进行直接预热或除霜，额外增加了系统能耗，同时使得系统更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，可以拓宽以CO₂等制冷剂作为循环工质的热泵系统的高效使用范围。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该热泵系统包括蒸发器、气液分离器、内部换热器、主压缩机、气体冷却器、混合罐、膨胀机以及由膨胀机驱动的副压缩机；所述蒸发器的第一换热通路、气液分离器、内部换热器的第一换热通路、主压缩机、气体冷却器、混合罐及膨胀机依次通过管路连接成为闭合工质循环主回路；气液分离器与副压缩机的吸气口通过管路连接成为气液分离器出口支路，副压缩机的排气口与内部换热器的第二换热通路、蒸发器的第二换热通路及混合罐通过管路依次相连。

优选的，所述副压缩机的排气口通过管路与蒸发器的第二换热通路的进口相连。

优选的，所述副压缩机的排气口通过管路与主压缩机的排气管路(即连接在主压缩机的排气口与气体冷却器之间的管路)相连。

优选的，所述蒸发器及内部换热器的第二换热通路的进口与各自第一换热通路的出口布置在同一侧，蒸发器及内部换热器的第二换热通路的出口与各自第一换热通路的进口布置在同一侧，从而提高预热、除霜的效率。

优选的，所述主回路中，工质由蒸发器的第一换热通路的进口(简称蒸发器第一进口)流入蒸发器，由蒸发器的第一换热通路的出口(简称蒸发器第一出口)流出，然后经过气液分离器流入内部换热器的第一换热通路的进口(简称内部换热器第一进口)，由内部换热器的第一换热通路的出口(简称内部换热器第一出口)流出，然后依次经主压缩机、气体冷却器、混合罐及膨胀机再次流入蒸发器的第一换热通路的进口。

优选的，所述出口支路中的工质，在经过副压缩机压缩后按两种可互相切换的工作模式参与工质循环：在第一种工作模式下，经副压缩机压缩后的工质流入内部换热器的第二换热通路的进口，在内部换热器内与即将进入主压缩机的工质进行热交换后从内部换热器的第二换热通路的出口流出，然后再流入蒸发器的第二换热通路的进口，对蒸发器空气侧进行除霜后从蒸发器的第二换热通路的出口流出；在第二种工作模式下，经副压缩机压缩后的工质直接流入蒸发器的第二换热通路的进口，对蒸发器空气侧进行除霜，并可在蒸发器内与即将进入气液分离器的工质进行热交换，然后从蒸发器的第二换热通路的出口流出；从蒸发器的第二换热通路的出口流出的工质流入混合罐，在混合罐内与从气体冷却器流出的工质混合。

优选的，所述热泵系统还包括预热除霜回路切换控制阀、主回路切换控制阀、吸气预热控制阀及除霜控制阀；预热除霜回路切换控制阀及吸气预热控制阀依次设置在副压缩机的排气口与内部换热器的第二换热通路的进口之间的管路上；除霜控制阀的一端连接至预热除霜回路切换控制阀与吸气预热控制阀之间的管路上，除霜控制阀的另一端连接至内部换热器的第二换热通路的出口与蒸发器的第二换热通路的进口之间的管路上(即将连接于副压缩机的排气口与蒸发器的第二换热通路的进口之间的管路以旁路形式接入在内部换热器的两侧)，主回路切换控制阀的一端连接至副压缩机的排气口与预热除霜回路切换控制阀之间的管路上，主回路切换控制阀的另一端连接至主压缩机的排气管路(即将连接于副压缩机的排气口与主压缩机的排气管路之间的管路作为支路)。

所述第一种工作模式下，主回路切换控制阀关闭，预热除霜回路切换控制阀、吸气预热控制阀均打开，除霜控制阀关闭；第二种工作模式下，主回路切换控制阀关闭，预热除霜回路切换控制阀、除霜控制阀均打开，吸气预热控制阀关闭；除以上两种工作模式以外的其他情况下，主回路切换控制阀打开，预热除霜回路切换控制阀、吸气预热控制阀、除霜控制阀均关闭。

优选的，所述副压缩机通过联轴器与膨胀机相连，由膨胀机驱动。

优选的，所述工质选自自然制冷剂(例如，CO₂)或HCFs类制冷剂。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用副压缩机高温排气对主压缩机吸气进行预热，并可对蒸发器空气侧进行除霜，解决了传统空气源热泵在低温时(室外环境温度下降、室内热负荷增加、压缩机工况改变)蒸发器空气侧结霜、压缩机吸气带液、压比增大、系统性能急剧下降、供热不足的问题，同时吸气预热和除霜的动力源来自膨胀机的回收功，具有稳定供热、节能降耗的优点，拓宽了热泵的高效使用范围。

进一步的，本发明中，气液分离器出口引流部分气体制冷剂至膨胀机驱动的副压缩机，经副压缩机压缩后依次通过内部换热器、蒸发器进行热交换，实现吸气预热和除霜，或直接通过蒸发器进行除霜，然后汇入混合罐，实现排气预冷。

进一步的，本发明在寒冷天气下，一方面，随气温降低，可以通过控制阀实现吸气预热，稳定热泵循环主压缩机运行工况并利用热量进行蒸发器空气侧除霜；另一方面，随气温升高，可以通过控制阀关闭吸气预热和除霜回路，起到节能作用。

附图说明

图1为利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的CO₂热泵系统结构示意图；

图中：1—蒸发器；2—内部换热器；3—主压缩机；4—气体冷却器；5—混合罐；6—膨胀机；7—联轴器；8—副压缩机；9—预热除霜回路切换控制阀；10—蒸发器第一进口；11—蒸发器第一出口；12—蒸发器第二出口；13—蒸发器第二进口；14—内部换热器第一进口；15—内部换热器第一出口；16—内部换热器第二出口；17—内部换热器第二进口；18—主回路切换控制阀；19—吸气预热控制阀；20—除霜控制阀；21—气液分离器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述，所描述的实施例是对本发明的解释，而非对本发明保护范围的限制。

随着室外环境温度的下降、室内热负荷的增加，会改变压缩机工况，出现蒸发器空气侧结霜、压缩机吸气带液、压比增大、系统性能下降、供热不足等问题，严重影响CO₂热泵的使用。为此，本发明提出了一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的CO₂热泵系统。

(一)热泵系统结构

如图1所示，本发明所述利用膨胀机和内部换热器进行吸气预热、除霜的CO₂热泵系统包括：蒸发器1、气液分离器21、内部换热器2、主压缩机3、气体冷却器4、混合罐5、膨胀机6、联轴器7、副压缩机8、预热除霜回路切换控制阀9、主回路切换控制阀18、吸气预热控制阀19及除霜控制阀20，此外还包含管路和其他常规连接件、感应元件、控制处理元件。

所述蒸发器1、气液分离器21、内部换热器2、主压缩机3、气体冷却器4、混合罐5、膨胀机6依次通过管路连接成为闭合主回路；所述副压缩机8通过联轴器7与膨胀机6相连，在气液分离器21出口设置支路，所述支路连接副压缩机8的吸气口，与副压缩机8的排气口相连的管路依次通过内部换热器2、蒸发器1，或不经内部换热器2直接通过蒸发器1，最终汇入所述主回路中的混合罐5，分别构成吸气预热回路和除霜回路。

所述蒸发器1包含四个进出口：即蒸发器第一进口10、蒸发器第一出口11、蒸发器第二出口12和蒸发器第二进口13；所述内部换热器2包含四个进出口：即内部换热器第一进口14、内部换热器第一出口15、内部换热器第二出口16和内部换热器第二进口17。所述蒸发器1及内部换热器2的相应进出口对置分布，即第一进口与第二出口在一侧，第一出口与第二进口在另一侧，蒸发器1、内部换热器2分别通过其第一进口及第一出口接入主回路，内部换热器2、蒸发器1分别通过其第二进口及第二出口接入吸气预热回路和除霜回路。

所述副压缩机8的排气口与内部换热器第二进口17间设置两个控制阀(预热除霜回路切换控制阀9、吸气预热控制阀19)；副压缩机8的排气口与其临近的预热除霜回路切换控制阀9之间的管路上设置有支路，该支路连接主压缩机3排气管路，主回路切换控制阀18设置于该支路上；预热除霜回路切换控制阀9和吸气预热控制阀19之间的管路上设置有支路，该支路连接蒸发器第二进口13，除霜控制阀20设置在该支路上。

(二)系统的循环过程

以CO₂为例，低温低压液态CO₂(制冷剂)从蒸发器第一进口10流入蒸发器1后通过吸收室外环境热量气化，发生气化的制冷剂由蒸发器第一出口11流出后进入气液分离器21进行气液分离，由气液分离器21出口排出的制冷剂(状态为气体的CO₂，仅当系统运行环境持续恶化时，有可能会有液体制冷剂从该出口流出，此时系统的工作状态异常，应通过控制器或人为控制，使系统停止运行)分流为两路。

于气液分离器21出口分流的一路制冷剂进入主回路，即大部分的CO₂(比例具体由实际工况决定)由内部换热器第一进口14流入内部换热器2，由内部换热器第一出口15流出，然后进入主压缩机3升温升压，经主压缩机3排气口排出的高温高压的CO₂气体经气体冷却器4对室内环境放热后变成常温(温度由供热需要而定)高压气体状态，并进入气体混合罐5，再经膨胀机6作用降压降温并液化后转变成为低于室外环境温度的低温低压CO₂液体，从蒸发器第一进口10流入蒸发器1继续下一个循环。

于气液分离器21出口分流的另一路制冷剂可进入吸气预热回路和除霜回路，即在气液分离器出口21设置的支路引出一小部分低温低压CO₂气体(10％以内，由实际工况决定)，经过由膨胀机6驱动的副压缩机8做功升温升压。在寒冷天气条件下(例如，-25℃左右)，使预热除霜回路切换控制阀9打开、主回路切换控制阀18关闭，并从两种工作模式中选择一种。在第一种工作模式下(吸气预热模式，也是寒冷天气条件下的默认工作模式)，使用吸气预热回路(实现吸气预热和除霜)，即吸气预热控制阀19打开，除霜控制阀20关闭，副压缩机8排出的高温高压(略高于主压缩机的排气压力)的CO₂通入内部换热器第二进口17，在内部换热器2内与即将进入主压缩机3的低温低压CO₂进行热交换(即预热)，从而避免吸气温度过低、带液(“避免带液”是相对于无上述预热除霜回路的热泵系统而言)对主压缩机3性能的影响，然后从内部换热器第二出口16流出，此时吸气预热回路的制冷剂仍保持高压和高于室外环境的温度，再通入蒸发器第二进口13，对蒸发器1空气侧进行除霜。在第二种工作模式下(强力除霜模式，主要进行蒸发器除霜，在此前提下，多余热量也可以用于预热)，当蒸发器1霜层厚度达到阈值或气液分离器21积液超过阈值时(一般情况下，气液分离形成的积液通过液体的蒸发而维持在一定水平，当积液水平升高时，则表明蒸发器流出的制冷剂温度过低，通过设定阈值，为回路间的切换提供判断标准)，使用除霜回路，即吸气预热控制阀19关闭，除霜控制阀20打开，副压缩机8排出的高温高压(略高于主压缩机的排气压力)的CO₂直接通入蒸发器第二进口13，对蒸发器1空气侧进行强力除霜，并可与蒸发器1内低温低压液态制冷剂进行换热。寒冷天气下，从蒸发器第二出口12流出的低温高压制冷剂进入混合罐5，与从气体冷却器4流出的常温高压制冷剂混合，实现气体冷却器4出口过冷，提高系统性能。普通天气条件(气温升高)下，热泵系统本身可以高效稳定工作时，此时预热除霜回路切换控制阀9、吸气预热控制阀19、除霜控制阀20关闭，主回路切换控制阀18打开，即关闭吸气预热回路和除霜回路，将膨胀机6回收的功直接用于对制冷剂做功，起到节能作用。

(三)本发明的优点

1.寒冷天气条件下对主压缩机吸气进行预热，避免吸气温度过低、带液，确保压缩机及系统稳定运行和供热充足；

2.寒冷天气条件下对蒸发器空气侧进行除霜，且可切换至强力除霜模式，增强蒸发器换热性能，确保供热充足；

3.寒冷天气条件下对主压缩机排气进行过冷，确保膨胀后的制冷剂温度低于室外环境温度，增大吸热量，提高系统性能指数；

4.利用膨胀机驱动副压缩机，充分利用制冷剂高压做功，在保证系统稳定运行和供热充足的情况下还具有节能降耗特点，拓宽CO₂热泵系统的高效使用范围。

5.通过膨胀机回收的CO₂压力能，再通过副压缩机将压力能转化为热能，最后利用管路切换将其有选择地用于预热和除霜过程中，主压缩机吸气预热可以大幅提高供热能力，而副压缩机吸气量小，其压缩的目的是为预热和除霜提供热量，本身不需要吸气预热就可以满足运行要求。

6.除了CO₂外，目前市场上常用的HCFs类制冷剂也可作为系统的循环工质使用。

Claims (7)

1.一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，其特征在于：该热泵系统包括蒸发器(1)、气液分离器(21)、内部换热器(2)、主压缩机(3)、气体冷却器(4)、混合罐(5)、膨胀机(6)以及由膨胀机(6)驱动的副压缩机(8)；所述蒸发器(1)的第一换热通路、气液分离器(21)、内部换热器(2)的第一换热通路、主压缩机(3)、气体冷却器(4)、混合罐(5)及膨胀机(6)依次通过管路连接成为闭合工质循环主回路；气液分离器(21)与副压缩机(8)的吸气口通过管路连接成为气液分离器出口支路，副压缩机(8)的排气口与内部换热器(2)的第二换热通路、蒸发器(1)的第二换热通路及混合罐(5)通过管路依次相连；

所述副压缩机(8)的排气口通过管路与蒸发器(1)的第二换热通路相连；

所述出口支路中的工质，在经过副压缩机(8)压缩后按两种可互相切换的工作模式参与工质循环：在第一种工作模式下，经副压缩机(8)压缩后的工质流入内部换热器(2)的第二换热通路的进口，在内部换热器(2)内与即将进入主压缩机(3)的工质进行热交换后从内部换热器(2)的第二换热通路的出口流出，然后再流入蒸发器(1)的第二换热通路的进口，对蒸发器(1)空气侧进行除霜后从蒸发器(1)的第二换热通路的出口流出蒸发器(1)；在第二种工作模式下，经副压缩机(8)压缩后的工质直接流入蒸发器(1)的第二换热通路的进口，对蒸发器(1)空气侧进行除霜后从蒸发器(1)的第二换热通路的出口流出蒸发器(1)。

2.根据权利要求1所述一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，其特征在于：所述副压缩机(8)的排气口通过管路与主压缩机(3)的排气管路相连。

3.根据权利要求1所述一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，其特征在于：所述蒸发器(1)及内部换热器(2)的第二换热通路的进口与各自第一换热通路的出口布置在同一侧，蒸发器(1)及内部换热器(2)的第二换热通路的出口与各自第一换热通路的进口布置在同一侧。

4.根据权利要求1或3所述一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，其特征在于：所述主回路中，工质由蒸发器(1)的第一换热通路的进口流入蒸发器(1)，由蒸发器(1)的第一换热通路的出口流出，然后经过气液分离器(21)流入内部换热器(2)的第一换热通路的进口，由内部换热器(2)的第一换热通路的出口流出内部换热器(2)。

5.根据权利要求1所述一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，其特征在于：所述热泵系统还包括预热除霜回路切换控制阀(9)、主回路切换控制阀(18)、吸气预热控制阀(19)及除霜控制阀(20)；预热除霜回路切换控制阀(9)及吸气预热控制阀(19)依次设置在副压缩机(8)的排气口与内部换热器(2)的第二换热通路的进口之间的管路上；除霜控制阀(20)的一端连接至预热除霜回路切换控制阀(9)与吸气预热控制阀(19)之间的管路上，除霜控制阀(20)的另一端连接至内部换热器(2)的第二换热通路的出口与蒸发器(1)的第二换热通路的进口之间的管路上，主回路切换控制阀(18)的一端连接至副压缩机(8)的排气口与预热除霜回路切换控制阀(9)之间的管路上，主回路切换控制阀(18)的另一端连接至主压缩机(3)的排气管路。

6.根据权利要求1所述一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，其特征在于：所述副压缩机(8)通过联轴器(7)与膨胀机(6)相连。

7.根据权利要求1所述一种利用膨胀机与内部换热器进行吸气预热、除霜的热泵系统，其特征在于：所述工质选自自然制冷剂或HCFs类制冷剂。

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