本發(fā)明屬于空調熱泵技術領域，具體涉及一種結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)。

背景技術：

現(xiàn)有技術中的常規(guī)空氣壓縮機排氣溫度較高熱量較大，如果用風冷或水冷系統(tǒng)，不僅熱量完全浪費，而且消耗大量冷卻水或冷卻風扇的電能，同時壓縮過程為達到較高的壓比也需要噴入大量的冷卻液體。常規(guī)壓縮式熱泵系統(tǒng)，如果要得到80℃以上高溫，對熱源品質要求較高，如果需要從室外低溫環(huán)境下吸收熱量，則需要消耗整個熱泵系統(tǒng)尤其是壓縮機大量的功率來得以實現(xiàn)，使得能耗較大。

現(xiàn)有技術中存在空氣壓縮機排氣溫度較高、熱量浪費，若對其進行冷卻則需要補入冷卻液體(如冷卻水、冷卻油等)或使用冷卻風扇，會帶來冷卻液體或冷卻風扇的能量消耗，且熱泵系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定的熱源以維持換熱過程、若從低位環(huán)境下吸取熱量需要消耗較大的功率等技術問題，因此本發(fā)明研究設計出一種結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術中的空氣壓縮機排氣溫度較高以及熱泵系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定熱源的缺陷，從而提供一種結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)。

本發(fā)明提供一種結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，其包括壓縮機、冷卻/冷凝器、節(jié)流裝置以及由上述部件連成的循環(huán)回路，所述壓縮機包括空氣進口端、制冷劑進口端和出口端，且所述空氣進口端用于吸入空氣、所述制冷劑進口端與所述節(jié)流裝置相連、所述出口端與所述冷卻/冷凝器相連。

優(yōu)選地，在所述循環(huán)回路上位于所述冷卻/冷凝器與所述節(jié)流裝置之間還設置有氣液分離器。

優(yōu)選地，還包括壓縮空氣儲氣罐，所述氣液分離器的出氣端連接至壓縮空氣儲氣罐。

優(yōu)選地，在所述氣液分離器的所述出氣端與所述壓縮空氣儲氣罐之間還設置有第一制冷劑回收器。

優(yōu)選地，所述氣液分離器的出液端與所述節(jié)流裝置相連。

優(yōu)選地，所述空氣進口端連接空氣吸氣管路，且在所述空氣吸氣管路上設置有第二制冷劑回收器。

優(yōu)選地，在所述空氣吸氣管路上、位于所述空氣進口端與所述第二制冷劑回收器之間還設置有止回閥。

優(yōu)選地，所述壓縮機為無油單級螺桿壓縮機。

優(yōu)選地，所述壓縮機的吸氣壓力為0.1MPa，排氣壓力為0.8MPa；所述循環(huán)回路中的制冷劑為R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa中的至少一種。

優(yōu)選地，所述冷卻/冷凝器用于與水進行換熱，且經過換熱后的水溫能達到80℃以上。

本發(fā)明提供的一種結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)具有如下有益效果：

1.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，采用將空氣壓縮系統(tǒng)與高溫熱泵系統(tǒng)進行結合的方式，使得高溫熱泵的制冷劑工質充當空氣壓縮機的冷卻噴液、空氣壓縮機的高溫排氣充當高溫熱泵的熱源，能利用制冷劑對空氣進行冷卻以降低其排氣溫度、且利用高溫的壓縮空氣對制冷劑進行加熱升溫以使得制冷劑完成蒸發(fā)吸熱的過程，有效地利用了空氣壓縮系統(tǒng)的排氣熱量，同時解決了空氣壓縮機排氣溫度較高以及熱泵系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定的熱源的技術問題；

2.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，使得高溫熱泵的制冷劑工質充當空氣壓縮機的冷卻噴液、空氣壓縮機的高溫排氣充當高溫熱泵的熱源，從而使得空氣壓縮系統(tǒng)能夠省去噴油冷卻，避免了潤滑油的消耗，降低運行成本；

3.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，采用將空氣壓縮系統(tǒng)與高溫熱泵系統(tǒng)進行結合的方式，能使用常規(guī)單層壁壓縮機實現(xiàn)單級無油壓縮，降低了壓縮機的成產成本；

4.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，能夠使得空氣壓縮系統(tǒng)和壓縮式熱泵系統(tǒng)兩個系統(tǒng)共用一個冷卻/冷凝器和一臺壓縮機，使得壓縮機起到壓縮空氣和制冷劑的同時，還能充當蒸發(fā)器的作用以對冷媒進行加熱，即壓縮熱泵系統(tǒng)能夠省去蒸發(fā)器和穩(wěn)定的高溫熱源，幾乎沒有設備投入，減小了設備的增加，降低了成本。

5.通過在吸氣處設置止回閥、排氣處設置高效液分，并配合設置制冷劑吸收裝置的方式能夠有效回收漏出的制冷劑、防止了制冷劑的泄漏。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)的結構示意圖。

圖中附圖標記表示為：

1—壓縮機，11—空氣進口端，12—制冷劑進口端，13—出口端，2—冷卻/冷凝器(或稱冷卻或冷凝器)，3—節(jié)流裝置，4—氣液分離器，41—出氣端，5—壓縮空氣儲氣罐，6—第一制冷劑回收器，7—第二制冷劑回收器，8—止回閥。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供一種結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，其包括壓縮機1、冷卻/冷凝器2、節(jié)流裝置3以及由上述部件連成的循環(huán)回路(熱泵閉式循環(huán)回路)，所述壓縮機1包括空氣進口端11、制冷劑進口端12和出口端13，且所述空氣進口端11用于吸入空氣、所述制冷劑進口端12與所述節(jié)流裝置3相連、所述出口端13與所述冷卻/冷凝器2相連，所述節(jié)流裝置3的另一端連至冷卻/冷凝器2。

1.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，采用將空氣壓縮系統(tǒng)與高溫熱泵系統(tǒng)進行結合的方式，使得高溫熱泵的制冷劑工質充當空氣壓縮機的冷卻噴液、空氣壓縮機的高溫排氣充當高溫熱泵的熱源，能在壓縮機內部利用制冷劑對空氣進行冷卻以降低其排氣溫度、且利用高溫的壓縮空氣對制冷劑進行加熱升溫(即壓縮機內部起到熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器的作用)以使得制冷劑完成蒸發(fā)吸熱的過程，有效地利用了空氣壓縮系統(tǒng)的排氣熱量，同時解決了空氣壓縮機排氣溫度較高以及熱泵系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定的高溫熱源的技術問題；

2.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，使得高溫熱泵的制冷劑工質充當空氣壓縮機的冷卻噴液、空氣壓縮機的高溫排氣充當高溫熱泵的熱源，從而使得空氣壓縮系統(tǒng)能夠省去噴油冷卻，避免了潤滑油的消耗，降低運行成本；

3.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，采用將空氣壓縮系統(tǒng)與高溫熱泵系統(tǒng)進行結合的方式，能使用常規(guī)單層壁壓縮機實現(xiàn)單級無油壓縮，降低了壓縮機的生產成本；

4.通過本發(fā)明的結合空壓系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，能夠使得空氣壓縮系統(tǒng)和壓縮式熱泵系統(tǒng)兩個系統(tǒng)共用一個冷卻/冷凝器和一臺壓縮機，使得壓縮機起到壓縮空氣和制冷劑的同時，還能充當蒸發(fā)器的作用以對冷媒進行加熱，即壓縮熱泵系統(tǒng)能夠省去蒸發(fā)器和穩(wěn)定的高溫熱源，幾乎沒有設備投入，減小了設備的增加，降低了成本。

優(yōu)選地，在所述循環(huán)回路上位于所述冷卻/冷凝器2與所述節(jié)流裝置3之間還設置有氣液分離器4。通過設置氣液分離器能夠將經過冷卻/冷凝器降溫放熱過后的空氣與制冷劑液體的混合物進行分離作用，從而將壓縮后的空氣導入指定的所需位置、將液體制冷劑仍然進入熱泵循環(huán)過程繼續(xù)制熱循環(huán)；并且將氣液分離器設置于冷卻/冷凝器與節(jié)流裝置之間，即將其設置在冷卻/冷凝器的氣流方向的后端，這是因為經過冷卻/冷凝器的降溫換熱之后制冷劑已絕大部分變成了液態(tài)，從而采用氣液分離器就能夠便利地將空氣與制冷劑之間進行有效的分離(若將其設置在壓縮機氣流后方則因為空氣和制冷劑都是氣體、不利于二者的分離)，從而完成空氣壓縮和熱泵循環(huán)制熱的目的和效果。

進一步地，所述氣液分離器為高效氣液分離器，從而實現(xiàn)氣液的高效分離，防止制冷劑從空氣管路發(fā)生泄漏。

優(yōu)選地，還包括壓縮空氣儲氣罐7，所述氣液分離器4的出氣端41連接至壓縮空氣儲氣罐5。通過設置壓縮空氣儲氣罐的結構形式能夠有效地將氣液分離器分離出來的氣體(即壓縮空氣)進行存儲，以根據(jù)需要時將其輸送至指定位置處。

優(yōu)選地，在所述氣液分離器4的所述出氣端41與所述壓縮空氣儲氣罐5之間還設置有第一制冷劑回收器6。通過設置第一制冷劑回收器的方式，能夠有效地對分離不完全、而進入氣體排出通道中的制冷劑進行回收，從而有效地防止了制冷劑的泄漏，保證了空氣的純度、同時保證了熱泵循環(huán)的正常、可靠的運行。

優(yōu)選地，所述氣液分離器4的出液端42與所述節(jié)流裝置3相連。這樣能夠將氣液分離器出液端分離出的液態(tài)制冷劑重新導入熱泵循環(huán)系統(tǒng)中、進入節(jié)流裝置中節(jié)流膨脹，以繼續(xù)進行熱泵制熱的循環(huán)過程。

優(yōu)選地，所述空氣進口端11連接空氣吸氣管路，通過所述空氣吸氣管路吸入空氣，且在所述空氣吸氣管路上(位于空氣進口端的氣流方向前端)設置有第二制冷劑回收器7。通過在空氣吸氣管路上還設置第二制冷劑回收器的方式，還能夠對從壓縮機的空氣進口端意外泄漏出的制冷劑進行回收，從而防止制冷劑從該處產生泄漏，避免對熱泵壓縮系統(tǒng)的正常運行造成影響。

由于壓縮熱泵系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，而空氣壓縮系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，將閉式系統(tǒng)的壓縮熱泵系統(tǒng)與開式系統(tǒng)的空氣壓縮系統(tǒng)進行結合時，難免會存在從開式系統(tǒng)的進、出口端出現(xiàn)泄漏的情況，因此采取在上述壓縮機的空氣進口端和氣液分離器的出氣端均設置制冷劑回收器的方式，良好地防止了制冷劑的泄漏。

優(yōu)選地，在所述空氣吸氣管路上、位于所述空氣進口端11與所述第二制冷劑回收器7之間還設置有止回閥8。通過在上述位置還設置止回閥的方式，能夠防止空氣流和制冷劑從空氣吸氣管路倒流至壓縮機外部，進一步有效地防止了制冷劑從壓縮機空氣進口端泄漏的情況的發(fā)生，保障熱泵制熱循環(huán)回路的正?？煽康倪\行。

優(yōu)選地，所述壓縮機為無油單級螺桿壓縮機。這是本發(fā)明的壓縮機的優(yōu)選種類和結構形式，采用無油單級螺桿壓縮機能夠使得其排氣溫度降低以及成本降低的效果更佳，適用性更強。因為螺桿壓縮機噴油機、無油機界限明顯，長期以來排氣溫度一直困擾無油螺桿壓縮機的開發(fā)和推廣，無油螺桿壓縮機生產開發(fā)成本明顯高于噴油機。以生產常壓0.8MPa壓縮空氣為例，噴油螺桿壓縮機單級壓縮即可將排氣溫度控制在80℃以下，無油壓縮機必須采用雙級壓縮且機體鑄件雙層設計，排氣溫度仍然高達200℃以上。本發(fā)明通過噴制冷劑冷卻的方法解決了現(xiàn)有無油螺桿壓縮機排氣溫度過高的問題，提高了無油螺桿壓縮機的單級壓比，省略了機體雙層結構，至少降低一半的生產成本。相對噴油螺桿壓縮機，噴制冷劑螺桿壓縮機避免了潤滑油的消耗，降低了系統(tǒng)運行成本。

優(yōu)選地，所述壓縮機的吸氣壓力為0.1MPa，排氣壓力為0.8MPa；所述循環(huán)回路中的制冷劑為R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa中的至少一種(即任意一種及兩種以上)。這是本發(fā)明的空氣壓縮與壓縮式熱泵的復合系統(tǒng)中的壓縮機的優(yōu)選吸、排氣壓力的數(shù)值大小，這樣的吸、排氣壓力更佳地適用于無油單級螺桿壓縮機，且采用R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa中的任意一種及兩種以上作為制冷劑，是由于經過大量實驗研究結果表明，上述制冷劑在上述的吸、排氣壓力值下能夠有效地滿足吸氣狀態(tài)下為液體，排氣狀態(tài)下為氣體的需求，能夠有效地保證進入壓縮機中的制冷劑為液態(tài)以進行蒸發(fā)吸熱、而進入冷卻/冷凝器中的制冷劑為氣體以進行冷凝放熱，使得熱泵循環(huán)系統(tǒng)得以正常有效的運行。

優(yōu)選地，所述冷卻/冷凝器2用于與水進行換熱，且經過換熱后的水的溫度能達到80℃以上。這是本發(fā)明的空氣壓縮與壓縮式熱泵的復合系統(tǒng)的冷卻/冷凝器換熱端的具體換熱工質，將其與水進行換熱，能夠有效地制取熱水，實現(xiàn)利用熱泵循環(huán)系統(tǒng)制取熱水的目的和效果，且換熱后的水溫能達到80℃以上能夠制取高溫熱水。

下面介紹一下本發(fā)明的工作原理和優(yōu)選實施例

本發(fā)明設計了一種結合空氣壓縮系統(tǒng)和壓縮熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，克服兩者自身缺點，各取所需，空氣壓縮系統(tǒng)避免了潤滑油的消耗且實現(xiàn)了單級壓縮，降低了壓縮機的生產成本，壓縮熱泵系統(tǒng)省略蒸發(fā)器，與空氣壓縮系統(tǒng)共用一套冷卻器和壓縮機，無設備投入。本專利降低了兩套系統(tǒng)的運行成本和設備成本，提高了能源利用效率。

由于空壓機高溫排氣熱源穩(wěn)定熱量充足溫度高，是理想的熱泵熱源，本發(fā)明將空氣壓縮系統(tǒng)與壓縮式熱泵循環(huán)結合，高溫熱泵的制冷劑工質充當空氣壓縮機的冷卻噴液，空氣壓縮機的高溫排氣可以充當高溫熱泵的熱源。通過該復合系統(tǒng)，空氣壓縮系統(tǒng)可以省去噴油冷卻用常規(guī)壓縮機實現(xiàn)無油壓縮，壓縮熱泵系統(tǒng)可以省去蒸發(fā)器，同時兩個系統(tǒng)共用一個冷卻器、一臺壓縮機，能較大的降低設備成本。

本發(fā)明將空氣壓縮系統(tǒng)和高溫熱泵系統(tǒng)結合，在實現(xiàn)80℃以上熱泵的同時生產無油的壓縮空氣。壓縮空氣系統(tǒng)內，不需要噴潤滑油冷卻(軸承潤滑系統(tǒng)還需要少量潤滑油)，避免了空氣和油的接觸，實現(xiàn)了無油壓縮，避免了潤滑油的消耗，降低了壓縮機運行成本。常規(guī)無油壓縮機，沒有潤滑油冷卻，排氣溫度可能達到200～300℃，為保證壓縮機機體鑄件不發(fā)生較大熱變形，通常需要雙級壓縮，且每級壓縮機機體設計有雙層結構，中間設有充注水或其他液體的冷卻夾套，極大了增加了壓縮機的生產成本。而本系統(tǒng)通過制冷劑冷卻，壓縮機可以采用單級壓縮，且機體可采用單層結構，將降低壓縮機的生產成本一半以上。

常規(guī)壓縮熱泵系統(tǒng)，設備上需要一臺壓縮機、一個蒸發(fā)器、一個冷凝器，還需要有穩(wěn)定的高溫熱源。通過與空氣壓縮系統(tǒng)結合，解決了熱源的同時省去了蒸發(fā)器，而壓縮機和冷凝器也全部由空氣壓縮系統(tǒng)提供。僅需要添加一個氣液分離器，而常規(guī)噴油空氣壓縮系統(tǒng)也是有油氣分離器的，相當于本熱泵系統(tǒng)無設備投入。

值得注意的是，壓縮熱泵系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，壓縮空氣系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，兩系統(tǒng)結合需要解決制冷劑泄露問題。因此吸氣處(圖1中標號11處)需要添加止回閥，排氣處(圖1中標號41處)需要高效液分，同時吸排氣處皆需要布置制冷劑吸收裝置用于回收漏出的制冷劑。

本發(fā)明以無油噴液螺桿壓縮機為例進行最優(yōu)實施例分析。因為螺桿壓縮機噴油機、無油機界限明顯，長期以來排氣溫度一直困擾無油螺桿壓縮機的開發(fā)和推廣，無油螺桿壓縮機生產開發(fā)成本明顯高于噴油機。以生產常壓0.8MPa壓縮空氣為例，噴油螺桿壓縮機單級壓縮即可將排氣溫度控制在80℃以下，無油壓縮機必須采用雙級壓縮且機體鑄件雙層設計，排氣溫度仍然高達200℃以上。本發(fā)明通過噴制冷劑冷卻的方法解決了現(xiàn)有無油螺桿壓縮機排氣溫度過高的問題，提高了無油螺桿壓縮機的單級壓比，省略了機體雙層結構，至少降低一半的生產成本。相對噴油螺桿壓縮機，噴制冷劑螺桿壓縮機避免了潤滑油的消耗，降低了系統(tǒng)運行成本。

如圖1所示，常溫常壓空氣a經第二制冷劑回收器7和止回閥8后吸入壓縮機1，與制冷劑噴液混合為氣液兩相混合物b。兩相混合物b經壓縮機1壓縮至高溫高壓混合氣體c，混合氣體c通入冷卻/冷凝器2降溫冷卻為空氣和制冷劑的低溫氣液兩相混合物d，兩相混合物d再經氣液分離器4分離為低溫高壓空氣e和低溫高壓液態(tài)制冷劑f。液態(tài)制冷劑f經節(jié)流裝置3(優(yōu)選為節(jié)流閥)降壓為低壓液體g(可能閃發(fā)出一定量的制冷劑蒸汽)后噴回壓縮機1，完成閉式的制冷劑熱泵循環(huán)。壓縮空氣e經第一制冷劑回收器6后通入壓縮空氣儲罐5供用戶使用，完成空氣的開式壓縮循環(huán)。

以最常見的壓縮空氣系統(tǒng)：吸氣壓力0.1MPa，排氣壓力0.8MPa為例進行計算。對于本發(fā)明的壓縮熱泵系統(tǒng)所用制冷劑，本發(fā)明用以下單一工質制冷劑：

R11，R113，R114，R115，R116，R12，R123，R124，R125，R13，R134a，R14，R141b，R142b，R143a，R152a，R218，R22，R227ea，R23，R236ea，R236fa，R245ca，R245fa，R32，R41，RC318，ammonia，argon，butane，CO2，ethane，isobutan，methane，nitrogen，oxygen，propane，propylen，water。

和以下混合工質制冷劑：

R401a，R401b，R401c，R402a，R402b，R403a，R403b，

R404a，R405a，R406a，R407a，R407b，R407c，R407d，

R407e，R408a，R409a，R409b，R410a，R410b，R411a，

R411b，R412a，R413a，R414a，R414b，R415a，R415b，

R416a，R417a，R418a，R419a，R420a，R421a，R421b，

R422a，R422b，R422c，R422d，R423a，R424a，R425a，

R426a，R427a，R428a，R500，R501，R502，R503，R504，

R507a，R508a，R508b，R509a。

進行了初步計算。發(fā)現(xiàn)只有R11，R113，R123，R141b，R245ca，R245fa的熱力性質滿足0.1/0.8MPa的要求，即吸氣狀態(tài)下為液體，排氣狀態(tài)下為氣體。并最終選擇常用的高溫工質R245fa為例進行了計算(R245fa 0.1MPa時蒸發(fā)溫度為14.8℃，R245ca 0.1MPa時蒸發(fā)溫度24.8℃)。設壓縮機吸氣相對質量流量(即設壓縮機吸氣的質量流量為單位1，其他點的質量流量就是該點值就是與吸氣質量流量的比值，例如為2就是吸氣值的2倍)為1，系統(tǒng)各點狀態(tài)如下，換熱溫差取為3℃(即冷卻冷凝器里氣體和冷卻水的換熱溫差)，壓縮機等熵效率取為90％，如下表所示：

表1系統(tǒng)循環(huán)點狀態(tài)表

系統(tǒng)每生產0.8MPa壓縮空氣1kg/s，可制80℃熱水1.30kg/s。

每生產單位質量壓縮空氣，能源消耗、利用情況如下表所示：

表2系統(tǒng)性能表

隨噴液量的降低，系統(tǒng)排氣溫度升高，系統(tǒng)綜合制熱COP降低，但是單位質量壓縮空氣產熱水量隨之升高(噴液量降低、壓縮機功耗增加，導致壓縮空氣熱量升高、加熱熱水使得熱水量隨之升高)。即壓縮空氣產量不變時，噴液量降低，生產熱水量增加，生產單位質量熱水的成本也增加(此時壓縮機功耗增加、效率降低、導致浪費較多、成本增加)。

本領域的技術人員容易理解的是，在不沖突的前提下，上述各有利方式可以自由地組合、疊加。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發(fā)明的保護范圍。