專利名稱：改進(jìn)的蒸氣壓縮熱泵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接成閉合循環(huán)回路的壓縮機(jī)、散熱器、膨脹裝置和吸熱器，通過采用二氧化碳或含有二氧化碳的混合物來作為系統(tǒng)中的制冷劑，該系統(tǒng)可以在超臨界高側(cè)壓力下運(yùn)行。
背景技術(shù)：
通常的蒸氣壓縮系統(tǒng)通過在次臨界壓力下制冷劑的冷凝來散熱，該次臨界壓力由在指定溫度下的飽和壓力來確定。當(dāng)采用臨界溫度較低的制冷劑(例如CO2)時，如果吸熱源的溫度較高(例如高于制冷劑的臨界溫度)，散熱壓力則會超臨界，以便得到系統(tǒng)的高效運(yùn)行。因此運(yùn)行循環(huán)是跨臨界的，例如從WO 90/07683中已知。
WO 94/14016和WO 97/27437都描述了用于實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的簡單回路，該系統(tǒng)基本包括連接成閉合回路的壓縮機(jī)、散熱器、膨脹裝置和蒸發(fā)器。CO2是用于兩者的優(yōu)選制冷劑。
在超臨界壓力下的散熱會導(dǎo)致制冷劑的溫度滑移。這可以利用來制成高效的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，例如從US 6370896 B1中已知。
周圍環(huán)境空氣是幾乎處處可得的廉價的熱源。通過采用周圍環(huán)境空氣作為熱源，蒸氣壓縮系統(tǒng)通常得到投資經(jīng)濟(jì)的簡單設(shè)計(jì)。但是，當(dāng)周圍環(huán)境空氣的溫度較高時，壓縮機(jī)的出口溫度變低(例如對于跨臨界CO2循環(huán)該溫度約為70℃)。所需的自來水溫度通常是60-90℃。通過升高出口壓力可以升高出口溫度，但是會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。升高壓力的另一個缺點(diǎn)是由于部件的設(shè)計(jì)壓力更高，所以部件會更加昂貴。
周圍環(huán)境溫度較高時的另一個缺點(diǎn)是只要蒸發(fā)溫度高于散熱器的制冷劑出口溫度，不可能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)吸氣的過熱(通常通過內(nèi)部換熱器(IHX)來提供)。因此，存在液體進(jìn)入壓縮機(jī)的危險。
解決這些問題的方法是調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度以使蒸發(fā)溫度一直低于散熱器的制冷劑出口溫度。這樣可以使得吸氣過熱，同時升高壓縮機(jī)的排氣溫度用于更好地生產(chǎn)熱水，但是由于吸氣壓力比所需的壓力要低，系統(tǒng)的能效較差。
US 6370896 B1提出了解決這些問題的方法。該方法是利用散熱器的一部分來加熱壓縮機(jī)的吸入氣體。高壓側(cè)的完全流與低壓側(cè)的完全流進(jìn)行換熱。這確保了壓縮機(jī)吸氣的過熱，從而保證了壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，但是相對于壓縮飽和氣體(如果可能的話)并在更高的出口壓力下運(yùn)行以便得到足夠的壓縮機(jī)排氣溫度的系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)的效率降低了。因此，所提出的解決方法更具有運(yùn)行上的重要性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是制成能夠避免前述缺點(diǎn)和不利的簡單、高效的系統(tǒng)。
本發(fā)明的特征在于由所附的獨(dú)立權(quán)利要求1所定義的特征。
本發(fā)明的有利特征在所附的獨(dú)立權(quán)利要求2-8中進(jìn)一步定義。
本發(fā)明基于上述系統(tǒng)，至少包括壓縮機(jī)、散熱器、膨脹裝置和吸熱器。通過使壓縮機(jī)吸氣溫度過熱，可以升高壓縮機(jī)的出口溫度而不會增加出口壓力，同時可以產(chǎn)生所需溫度的熱水。通過利用來自散熱器的合適溫度的分流，可以使壓縮機(jī)吸氣過熱(例如利用逆流換熱器)。當(dāng)加熱壓縮機(jī)的吸氣后，該分流直接膨脹到系統(tǒng)的低壓側(cè)。這樣，由于散熱器的后部分的流量較低，散熱器的兩部分的具有不同的每千克水流的加熱能力。因此可以采用更接近制冷劑冷卻溫度分布的水加熱溫度分布。可以在高側(cè)壓力較低時產(chǎn)生熱水，因此系統(tǒng)效率更高。


下面通過參考附圖僅以示例的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明。
圖1表示用于蒸氣壓縮系統(tǒng)的簡單回路；圖2表示二氧化碳的溫熵圖，圖中表示了用于產(chǎn)生熱水的運(yùn)行循環(huán)的實(shí)例；
圖3表示提高系統(tǒng)的性能和運(yùn)行范圍的改進(jìn)的循環(huán)的實(shí)例的示意圖；圖4表示提高系統(tǒng)的性能和運(yùn)行范圍的改進(jìn)的循環(huán)的另一實(shí)例的示意圖；圖5表示二氧化碳的溫熵圖，圖中表示了散熱器的溫度分布的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
圖1表示了通常的蒸氣壓縮系統(tǒng)，包括連接成閉合循環(huán)系統(tǒng)的壓縮機(jī)1、散熱器2、膨脹裝置3和吸熱器4。當(dāng)采用例如CO2作為制冷劑時，在熱水供應(yīng)系統(tǒng)中高側(cè)壓力通常是超臨界的，以便在散熱器中有效地產(chǎn)生熱水，如圖2中回路A所示。所需的自來水溫度通常是60-90℃，散熱器2的制冷劑入口溫度(等于或低于壓縮機(jī)排氣溫度)必須高于所需的熱水溫度。
周圍環(huán)境空氣通常優(yōu)選作為用于熱泵的熱源?？諝鈳缀跆幪幙傻枚也毁F，同時可以使吸熱器系統(tǒng)簡單且投資經(jīng)濟(jì)。但是，當(dāng)周圍環(huán)境溫度升高時，如果壓縮機(jī)的排氣壓力不變，則蒸發(fā)溫度會升高而壓縮機(jī)的排氣溫度會下降，參見圖2中回路B。壓縮機(jī)的排氣溫度可能會降低到所需的自來水溫度以下。如果沒有其它熱源的輔助，將不可能產(chǎn)生所需溫度的自來水。
升高排氣溫度的一種方法是升高高側(cè)壓力，參見圖2中回路C。但是該方法引起系統(tǒng)效率的降低。
使吸氣過熱的傳統(tǒng)的方法是采用內(nèi)部換熱器(IHX)，參見圖3。但是例如當(dāng)加熱自來水時，在散熱器(2)中制冷劑被冷卻到接近凈水溫(通常約10℃)。如果蒸發(fā)溫度高于該溫度，則吸氣將被冷卻而不是過熱，參見圖2。液體會進(jìn)入壓縮機(jī)1而引起嚴(yán)重的問題。當(dāng)蒸發(fā)溫度等于或高于凈水溫時，不可能避免采用IHX5。
不管周圍環(huán)境溫度多高，本發(fā)明將確保吸氣過熱。當(dāng)蒸發(fā)溫度(或其它合適的溫度)達(dá)到預(yù)定的水平時，將來自散熱器2的合適溫度的分流運(yùn)送到換熱器(例如逆流式換熱器)中用于加熱壓縮機(jī)的吸氣。壓縮機(jī)的排氣溫度升高，且可以在較高的系統(tǒng)效率下產(chǎn)生熱水，參見圖2中回路D。在加熱壓縮機(jī)的吸氣后，該分流直接膨脹到降到低壓側(cè)。
實(shí)例1用于本發(fā)明的一個可能的構(gòu)造是引導(dǎo)分流通過已存在的IHX5。因此必須實(shí)現(xiàn)用于使主流在IHX5外部旁通且引導(dǎo)分流通過IHX5的構(gòu)造。該構(gòu)造有多種解決方法。一種選擇是如圖3所示采用兩個三通閥6’和6”?？梢岳缬脙蓚€截止閥來替代一個或兩個三通閥。該分流通過IHX5下游的孔7直接膨脹到低壓側(cè)?？梢杂闷渌蛎浹b置來替代孔7，閥可以安裝在膨脹裝置的上游和/或下游，用于更精密地控制通過膨脹裝置7的流量。
實(shí)例2另一個可能是安裝單獨(dú)的換熱器8(例如逆流式換熱器)用于加熱吸氣。如圖4所示。當(dāng)蒸發(fā)溫度(或其可用的溫度)達(dá)到預(yù)定水平時，通過打開閥10將分流運(yùn)送通過吸氣加熱器8。該閥可以安裝在分流管路的任意位置。該分流通過膨脹裝置(例如圖4中所示的孔7)直接膨脹到低壓側(cè)。通過由三通閥9’所示的在高壓側(cè)的構(gòu)造，或者通過由圖4中虛線所示的在低壓側(cè)的相同構(gòu)造，可以避開IHX5。
可以通過調(diào)節(jié)分流流量來控制吸氣的過熱。這可以例如通過在分流管路中的計(jì)量閥實(shí)現(xiàn)。另一個選擇是使用熱膨脹閥。
如上所述，本發(fā)明將提高當(dāng)熱源溫度較高時的能效，如圖2中回路D所示。原因在于通過應(yīng)用本發(fā)明，高側(cè)壓力相對于通常的最優(yōu)壓力會進(jìn)一步減小。如圖5所示。散熱器的第一部分2’比散熱器的后部分2”相對于水流有更高的加熱能力。水加熱的溫度分布更好地適用于制冷劑的冷卻分布，參見圖5中水加熱分布b。使用通常的系統(tǒng)會產(chǎn)生水加熱分布a。從圖5中可見，散熱器2中會發(fā)生溫度收縮效應(yīng)(pinch)。因此必須升高高側(cè)壓力。通過本發(fā)明，可以產(chǎn)生所需溫度的熱水同時高側(cè)壓力較低，導(dǎo)致能效更高的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種壓縮制冷系統(tǒng)，其包括被連接成可以在超臨界高側(cè)壓力下運(yùn)行的閉合循環(huán)回路的至少一個壓縮機(jī)(1)、散熱器(2)、膨脹裝置(3)和吸熱器(4)，其特征在于通過控制壓縮機(jī)的吸氣過熱可以提高該系統(tǒng)的熱泵效率；以及采用二氧化碳或含有二氧化碳的制冷劑混合物來作為該系統(tǒng)的制冷劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)熱源溫度高于預(yù)定水平時會增加所述過熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述過熱的限制是壓縮機(jī)的排氣溫度，該溫度不能超過預(yù)定水平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于來自散熱器(2)的分流用于使壓縮機(jī)的吸氣過熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于在加熱所述吸氣后，來自高壓側(cè)的分流直接膨脹下降到吸熱器的壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于可以調(diào)節(jié)分流流量以便控制所述吸氣過熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于逆流換熱器用于加熱壓縮機(jī)的吸氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述逆流換熱器可以是單獨(dú)的裝置或是已經(jīng)安裝的內(nèi)部換熱器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓縮制冷系統(tǒng)，包括連接成閉合循環(huán)回路的壓縮機(jī)(1)、散熱器(2)、膨脹裝置(3)和吸熱器(4)，該系統(tǒng)可以在超臨界高側(cè)壓力下運(yùn)行。
文檔編號F25B40/00GK1729375SQ200380107314
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日
發(fā)明者K·阿弗萊克特, A·哈夫納, A·雅各布森, P·奈克薩, J·彼得森, H·雷克斯泰德, G·斯凱于根, T·安德列森, E·通代爾, M·埃爾格斯艾特爾 申請人:辛文特公司