專利名稱：雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通用機械或流體機械領域，尤其是涉及一種在外界低溫環(huán)境條件下能向室內(nèi)高效率提供熱量的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，空調(diào)用熱泵在長江中下游、華南及西南等傳統(tǒng)的非采暖區(qū)得到廣泛應用，它以較低的能量消耗很好地滿足了該地區(qū)冬季采暖的要求，應用效果良好。但在我國黃河流域、華北等地區(qū)一直是以燃煤、燃油和電暖氣作為冬季采暖的主要手段。由于黃河流域及華北等地區(qū)氣溫較低，采用普通空氣源熱泵系統(tǒng)，其制熱能力和性能系數(shù)大大降低，且壓縮機排氣溫度超溫，系統(tǒng)頻繁啟停，無法正常工作。因此普通空氣源熱泵系統(tǒng)無法滿足寒冷地區(qū)冬季的采暖需求。
為使熱泵能在低溫環(huán)境中高效、穩(wěn)定、可靠地運行，國內(nèi)外進行許多技術研發(fā)和改進。日本《冷凍》雜志1997年第7期刊登了N.Horiuchi的文章“Development ofPackaged Air Conditioner For Cold Regions”，介紹了采用變頻系統(tǒng)當室外為低溫環(huán)境時讓壓縮機高速工作增加工質(zhì)循環(huán)量，同時向壓縮機工作腔噴液以防止其排氣溫度超溫；1993年《東芝レビュ-》第4期辰巳光好發(fā)表論文“トリプルドライ機能付きガスエアコン”，1998年《三菱重工技報》第2期刊登了山神勝治“冷媒加熱式ル一ムエアコン用バ一ナの開發(fā)”的文章，都提出了采用煤油燃燒器在低環(huán)境溫度時輔助加熱室外換熱器來提高熱泵的低溫性能的技術方案；2001年3月，清華大學馬國遠在其博士后出站報告《空氣源熱泵低溫適應性的研究》中提出采用帶輔助進氣口的渦旋壓縮機，在低溫工況時通過輔助進氣口向壓縮機工作室噴制冷劑，以此改善熱泵內(nèi)部壓縮過程來提高熱泵的低溫性能的技術方案；國內(nèi)一些廠家曾介紹過在室內(nèi)水路上裝輔助電加熱器來解決低溫工況下制熱量不足問題?？偟恼f來，這些技術都不能有效地實現(xiàn)在室外溫度為-18℃條件下高效率、大能力、安全可靠地向室內(nèi)供熱的目標，故未從根本上解決問題。
鑒于上述原因，本發(fā)明提出一種適合寒冷地區(qū)使用的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置的技術方案。采用該系統(tǒng)方案的熱泵裝置不僅具有普通熱泵裝置在夏季和一般冬季工況下的性能和功用，而且能在-18℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地長期運行，且具有足夠的制熱量和較高的性能系數(shù)，壓縮機排氣溫度始終低于130℃，能夠在沒有輔助熱源的條件下滿足寒冷地區(qū)冬季的采暖要求。
本發(fā)明所提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置是在普通熱泵裝置制冷循環(huán)回路基礎上增設高壓級單元構成的。其中，普通熱泵裝置制冷循環(huán)包括壓縮機、四通閥、制冷劑/空氣換熱器、風扇、熱力膨脹閥、干燥過濾器、單向閥、高壓貯液器、制冷劑/水換熱器、氣液分離器、制冷劑連接管路、水泵、水路連接管；所增設的制冷循環(huán)高壓級單元由高壓級壓縮機、高壓級四通閥、中間節(jié)流熱力膨脹閥、電磁閥、中間冷卻器和制冷劑連接管構成。
本發(fā)明提出的雙級壓縮低溫熱泵制冷循環(huán)及其裝置的典型特征是在如

圖1所示的普通熱泵裝置制冷循環(huán)中的干燥過濾器和制熱用熱力膨脹閥之間的B點與四通閥和制冷劑/水換熱器之間的A點的制冷劑連接管之間增設一個高壓級單元。本熱泵裝置在夏季制冷工況與一般冬季制熱工況下，高壓級單元不投入運行，按普通熱泵裝置的功效運行，具有普通熱泵裝置的性能和功用；當室外環(huán)境溫度降低，導致系統(tǒng)性能下降時，熱泵裝置則啟動高壓級單元，將單級壓縮制冷循環(huán)轉(zhuǎn)化為雙級壓縮制冷循環(huán)，增大高壓液態(tài)制冷劑的過冷度，降低壓縮機吸氣過熱度，有效地增大系統(tǒng)的制熱能力，降低壓縮機排氣溫度，實施結果表明，該熱泵裝置能在-18℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地長期運行，且具有足夠的制熱量和較高的性能系數(shù)，壓縮機排氣溫度始終低于130℃，能夠滿足寒冷地區(qū)的采暖需求。
在本發(fā)明所提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置中，用在高壓貯液器內(nèi)設置與高壓貯液器腔體隔離且具有進出口的換熱盤管的中間冷卻型高壓貯液器取代高壓貯液器和中間冷卻器，將會簡化系統(tǒng)形式，降低裝置成本，提高系統(tǒng)的可靠性。
在本發(fā)明所提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置中，兩臺壓縮機或二者之一采用變頻等容量可以調(diào)節(jié)的壓縮機，可以在高壓級單元運行時調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)的中間壓力，使雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)和制熱量得到進一步改善。
在本發(fā)明所提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置中，用制冷劑/空氣換熱器代替制冷劑/水換熱器，用風機代替水泵，則可利用空氣將夏季制冷工況產(chǎn)生的冷量與冬季制熱工況產(chǎn)生的熱量直接輸送給室內(nèi)環(huán)境。
下面結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明的技術特征進一步進行描述。
附圖1是普通熱泵裝置制冷劑管路連接原理圖。
附圖2是雙級壓縮低溫熱泵裝置實施例1制冷劑管路連接原理圖。
附圖3是雙級壓縮低溫熱泵裝置實施例2制冷劑管路連接原理圖。
附圖4是雙級壓縮低溫熱泵裝置實施例2中的中間冷卻型高壓貯液器結構圖，其中圖(a)為其立剖面圖，圖(b)為其橫剖面圖。
附圖5是雙級壓縮低溫熱泵裝置實施例3制冷劑管路連接原理圖。
附圖中的部件名稱與編號如下1壓縮機；2四通閥；3制冷劑/空氣換熱器；4換熱器風扇；5制熱用熱力膨脹閥；6單向閥；7高壓貯液器；8制冷用熱力膨脹閥；9單向閥；10水路連接管；11制冷劑/水換熱器；12氣液分離器；13水泵；14分液頭；15干燥過濾器；16高壓級單元；17高壓級壓縮機；18高壓級四通閥；19中間節(jié)流熱力膨脹閥；20電磁閥；21中間冷卻器；22中間冷卻型高壓貯液器；23筒體；24盤管換熱器；25/26高壓液體進/出液管；27/28盤管換熱器進/出口；29制冷劑/空氣換熱器；30風機。
在上述部件中，制冷劑/空氣換熱器3與29一般采用翅片管式換熱器；制冷劑/水換熱器11一般采用板式換熱器、套管式換熱器；風機30一般采用軸流風機、離心風機與貫流風機。
圖2是本發(fā)明所提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置實施例之一的制冷劑管路連接原理圖。它包括壓縮機1、四通閥2、制冷劑/空氣換熱器3、熱力膨脹閥5與8、單向閥6與9、高壓貯液器7、干燥過濾器15、制冷劑/水換熱器11、氣液分離器12、水泵13、制冷劑連接管、水路連接管以及由高壓級壓縮機17、高壓級四通閥18、中間節(jié)流熱力膨脹閥19、電磁閥20、中間冷卻器21與制冷劑連接管構成的高壓級單元16。對比圖1與圖2可以看出，本發(fā)明提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置是在圖1所示的普通熱泵系統(tǒng)制冷劑連接管路上增設高壓級單元16構成的。
所述系統(tǒng)的高壓級單元16連接在斷開如圖1所示的普通熱泵系統(tǒng)四通閥2和制冷劑/水換熱器11之間、干燥過濾器15出口和制熱用熱力膨脹閥5入口之間的連接管后所形成的A、A’、B、B’四個接口之間，四個接口A、A’、B、B’分別與高壓級單元16的高壓級四通閥18的d出口與c出口、高壓液體管入口、高壓液體管出口相連。
由上述連接方式所構成的熱泵系統(tǒng)則為雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)，由該系統(tǒng)形式的熱泵裝置，不僅具備普通熱泵裝置的功能和功效，而且能在低溫外氣條件下穩(wěn)定、可靠、高效地向空調(diào)水提供熱量，以滿足寒冷地區(qū)的采暖需求。在不同工況下該熱泵系統(tǒng)的工作原理如下所述夏季制冷工況的工作原理在夏季制冷工況下，該雙級壓縮低溫熱泵裝置中的高壓級單元停止工作；原普通熱泵裝置所對應的各部件壓縮機1、換熱器風扇4、水泵13運行，四通閥2不上電。低溫低壓的氣態(tài)制冷劑由壓縮機1壓縮成為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，經(jīng)四通閥2流入制冷劑/空氣換熱器3，經(jīng)室外空氣的冷卻、冷凝成為過冷高壓液體，再通過單向閥6流經(jīng)中間冷卻器21的高壓液體通道進入高壓貯液器7中；由高壓貯液器7流出的高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)干燥過濾器15后，在制冷用熱力膨脹閥8內(nèi)節(jié)流降壓成為低溫低壓的液態(tài)與氣態(tài)混合制冷劑，并進入制冷劑/水換熱器11，在此液態(tài)制冷劑吸收水路中循環(huán)水的熱量蒸發(fā)成低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，實現(xiàn)制取冷水的目的；低溫低壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)高壓級四通閥18(c→d)、四通閥2、氣液分離器12返回壓縮機1，完成制冷循環(huán)。
一般冬季制熱工況的工作原理在一般冬季制熱工況下，該雙級壓縮低溫熱泵裝置中的高壓級單元仍然停止工作；原普通熱泵裝置所對應的各部件壓縮機1、換熱器風扇4、水泵13運行，四通閥2上電。低溫低壓的氣態(tài)制冷劑由壓縮機1壓縮成為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，經(jīng)四通閥2、高壓級四通閥18(d→c)、流入制冷劑/水換熱器11，將所攜帶的熱量釋放給水路中循環(huán)水以加熱循環(huán)水，實現(xiàn)制取熱水的目的；高溫高壓的制冷劑蒸氣在此冷卻、冷凝成為過冷高壓液體，再通過單向閥9進入高壓貯液器7中；由高壓貯液器7流出的高壓液態(tài)制冷劑流經(jīng)干燥過濾器15、中間冷卻器21的高壓液體通道，進入制熱用熱力膨脹閥5并節(jié)流降壓成為低溫低壓的液態(tài)與氣態(tài)混合制冷劑，再進入制冷劑/空氣換熱器3，在此液態(tài)制冷劑吸收室外空氣的熱量蒸發(fā)成低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，再流經(jīng)四通閥2、氣液分離器12返回壓縮機1，完成制熱循環(huán)。
嚴寒冬季制熱工況的工作原理在嚴寒冬季制熱工況下，該雙級壓縮低溫熱泵裝置中的高壓級單元投入運行，即高壓級壓縮機17運行，高壓級四通閥18、電磁閥20上電；原普通熱泵裝置所對應的各部件壓縮機1、換熱器風扇4、水泵13運行，四通閥2上電。一方面，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑由壓縮機1(此時可以稱壓縮機1為低壓級壓縮機1)壓縮成為溫度較高的中壓氣態(tài)制冷劑，經(jīng)四通閥2、高壓級四通閥18(d→b)流向高壓級壓縮機吸氣管；另一方面，由高壓貯液器7流出并進入中間冷卻器21的高溫高壓制冷劑分為兩路，一小部分經(jīng)電磁閥20進入中間節(jié)流熱力膨脹閥19，在此節(jié)流成中溫中壓的氣液混合制冷劑后進入中間冷卻器21的中溫中壓制冷劑通道，吸收流經(jīng)中間冷卻器21高溫高壓制冷劑通道內(nèi)液態(tài)制冷劑的熱量而蒸發(fā)，同時式高溫高壓液態(tài)制冷劑得到充分的過冷，蒸發(fā)出的中溫中壓制冷劑蒸氣與由四通閥2流出的溫度較高的中壓制冷劑蒸氣混合，混合后的氣態(tài)制冷劑溫度介于中間壓力對應的飽和溫度與壓縮機1的排氣溫度之間；混合后的氣態(tài)制冷劑進入高壓級壓縮機17，經(jīng)高壓級壓縮機17壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，再經(jīng)高壓級四通閥18(a→c)流入制冷劑/水換熱器11，將所攜帶的熱量釋放給水路中循環(huán)水以加熱循環(huán)水，實現(xiàn)制取熱水的目的；高溫高壓的制冷劑蒸氣在此冷卻、冷凝成為高溫高壓液體，再通過單向閥9進入高壓貯液器7中；由高壓貯液器7流出的高壓液態(tài)制冷劑一小部分經(jīng)電磁閥20、中間節(jié)流熱力膨脹閥19進入中間冷卻器21的中溫中壓制冷劑通道，大部分高壓液態(tài)制冷劑流經(jīng)中間冷卻器21高溫高壓制冷劑通道，吸收中溫中壓制冷劑通道內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)潛熱而實現(xiàn)大幅度的過冷；得到充分過冷的高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)制熱用熱力膨脹閥5節(jié)流降壓成為低溫低壓的液態(tài)與氣態(tài)混合制冷劑，再進入制冷劑/空氣換熱器3，在此液態(tài)制冷劑吸收室外空氣的熱量蒸發(fā)成低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，再流經(jīng)四通閥2、氣液分離器12返回壓縮機1，完成制熱循環(huán)。由于高壓級壓縮機17的吸氣溫度低于(低壓級)壓縮機1的排氣溫度，使得高壓級壓縮機17的排氣溫度比不采用高壓級單元16而直接由壓縮機1單獨壓縮的排氣溫度，從而提高了熱泵裝置的可靠性，從而保證熱泵裝置長期在低溫環(huán)境中穩(wěn)定運行；另一方面，雖然進入制冷劑/空氣換熱器3的液態(tài)制冷劑的質(zhì)量流量有所減少，但因雙級壓縮節(jié)約了單位質(zhì)量制冷劑的壓縮功，同時大幅度增加了進入制冷劑/空氣換熱器3的液態(tài)制冷劑的過冷度，使得單位質(zhì)量制冷劑能從空氣中獲取更多的熱量，從而提高了熱泵超低溫工況運行的性能系數(shù)和制熱能力。
將圖2所示的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置中的高壓貯液器7與中間冷卻器21集成為圖3中的中間冷卻型高壓貯液器22，即可得到該發(fā)明的另一實施例，如圖3所示。該實施例除高溫高壓液態(tài)制冷劑的過冷卻過程發(fā)生在高壓貯液器內(nèi)外，其工作原理與圖2所示實施例完全相同。采用中間冷卻型高壓貯液器22取代高壓貯液器7和中間冷卻器21，以簡化系統(tǒng)形式，降低裝置成本，提高系統(tǒng)的可靠性。
圖4給出了中間冷卻型高壓貯液器22的一種結構原理簡圖，其中圖(a)為其立剖面圖，圖(b)為其橫剖面圖。中間冷卻型高壓貯液器22由貯液器筒體23、盤管換熱器24、高壓液體進液管25和出液管26四部分構成；其盤管換熱器24設置在貯液器筒體23內(nèi)部且與貯液器筒體23內(nèi)部不連通，其進/出口27/28伸出貯液器筒體23之外。盤管換熱器24的進口27與中間節(jié)流熱力膨脹閥19的出口相連，其出口28連接管與高壓級四通閥18的b出口連接管匯合，一同與高壓級壓縮機17吸氣管連接，不僅可以實現(xiàn)高壓貯液器7與中間冷卻器21的綜合功能，而且保證了高壓級壓縮機17有效回油。
在本發(fā)明所提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置中，用制冷劑/空氣換熱器29代替制冷劑/水換熱器11，用風機30代替水泵13，則可利用空氣將夏季制冷工況產(chǎn)生的冷量與冬季制熱工況產(chǎn)生的熱量直接輸送給室內(nèi)環(huán)境，此即為本發(fā)明所提出的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置的又一實施例，如圖5所示。在該實施例中，不需要將制冷劑的冷/熱量先傳遞給水介質(zhì)，再通過室內(nèi)末端設備將水介質(zhì)攜帶的冷/熱量傳遞給室內(nèi)環(huán)境，而制冷劑通過制冷劑/空氣換熱器29直接將其攜帶的冷/熱量直接傳遞給空氣介質(zhì)，如果制冷劑/空氣換熱器29和風機30設置在室內(nèi)，則制冷劑直接與室內(nèi)空氣進行換熱，向室內(nèi)釋放制冷劑所攜帶的冷/熱量；如果制冷劑/空氣換熱器29和風機30設置在室外，則需利用外接風管將經(jīng)制冷劑/空氣換熱器29冷卻/加熱后的空氣送入室內(nèi)環(huán)境。
在本發(fā)明所提出的如圖2、3、5所示的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置中，兩臺壓縮機1、17或二者之一采用變頻等容量可以調(diào)節(jié)的壓縮機，可以在高壓級單元運行時調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)的中間壓力，增加低壓級的制冷劑循環(huán)量，可以進一步改善雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)和制熱量。
本發(fā)明已取得了良好的應用效果。采用該系統(tǒng)方案的熱泵裝置不僅具有普通熱泵裝置在夏季和一般冬季工況下的性能和功用，而且能在-18℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地長期運行，且具有足夠的制熱量和較高的性能系數(shù)，壓縮機排氣溫度始終低于130℃，能夠在沒有輔助熱源的條件下滿足寒冷地區(qū)冬季的采暖要求。
權利要求
1.一種適合于寒冷地區(qū)使用的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置，它包括壓縮機(1)、四通閥(2)、制冷劑/空氣換熱器(3)、熱力膨脹閥(5、8)、單向閥(6、9)、高壓貯液器(7)、干燥過濾器(15)、制冷劑/水換熱器(11)、氣液分離器(12)、水泵(13)、制冷劑連接管、水路連接管以及高壓級單元(16)。
2.按照權利要求1所述的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置，其特征在于所述高壓級單元(16)由高壓級壓縮機(17)、高壓級四通閥(18)、中間節(jié)流熱力膨脹閥(19)、電磁閥(20)、中間冷卻器(21)與制冷劑連接管構成。
3.按照權利要求1所述雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置，其特征在于所述系統(tǒng)是在普通熱泵系統(tǒng)中斷開四通閥(2)和制冷劑/水換熱器(11)之間、干燥過濾器(15)出口和制熱用熱力膨脹閥(5)進口之間的連接管后所形成的A、A’、B、B’四個接口與高壓級單元(16)的高壓級四通閥(18)d出口與c出口、高壓液體管入口、高壓液體管出口分別相連。
4.按照權利要求1所述的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置，其特征在于用中間冷卻型高壓貯液器(22)取代高壓貯液器(7)和中間冷卻器(21)。
5.按照權利要求4所述的中間冷卻型高壓貯液器(22)由貯液器筒體(23)、盤管換熱器(24)、高壓液體進液管(25)和出液管(26)四部分構成，其盤管換熱器(24)設置在貯液器筒體(23)內(nèi)部且與貯液器筒體(23)內(nèi)部不連通，其進/出口(27)/(28)伸出貯液器筒體(23)之外。
6.按照權利要求1所述的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置，其特征在于兩臺壓縮機(1)與(17)或二者之一采用變頻等容量可以調(diào)節(jié)的壓縮機。
7.按照權利要求1所述的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)及其裝置，其特征在于制冷劑/水換熱器(11)和水泵(13)可以分別由制冷劑/空氣換熱器(29)和風機(30)代替。
全文摘要
一種適合于寒冷地區(qū)使用的雙級壓縮低溫熱泵系統(tǒng)，它是在包括由壓縮機(1)、四通閥(2)、制冷劑/空氣換熱器(3)、熱力膨脹閥(5、8)、單向閥(6、9)、高壓貯液器(7)、干燥過濾器(15)、制冷劑/水換熱器(11)和/或制冷劑/空氣換熱器(29)、氣液分離器(12)、水泵(13)和/或風機(30)以及制冷劑和水路連接管構成的普通熱泵系統(tǒng)制冷劑回路中增設一個由高壓級壓縮機(17)、高壓級四通閥(18)、中間節(jié)流熱力膨脹閥(19)、電磁閥(20)、中間冷卻器(21)與制冷劑連接管構成的高壓級單元(16)后形成的，采用該系統(tǒng)方案的熱泵裝置不僅具有普通熱泵裝置在夏季和一般冬季工況下的性能和功用，而且能在－18℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地長期運行，且具有足夠的制熱量和較高的性能系數(shù)，壓縮機排氣溫度始終低于130℃，能夠在沒有輔助熱源的條件下滿足寒冷地區(qū)冬季的采曖要求。
文檔編號F25B30/00GK1431439SQ02100339
公開日2003年7月23日 申請日期2002年1月11日 優(yōu)先權日2002年1月11日
發(fā)明者石文星, 蔣正苗, 田長青, 閻立新 申請人:北京森博苑科技有限公司, 北京西吉制冷技術有限公司