CN108444128B - 一种跨临界co2湿压缩热泵***及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨临界CO2湿压缩热泵***及其操作方法,***包括依次循环连接的压缩机、气冷器、节流阀、蒸发器、第一控制阀和气液分离器;还包括第二控制阀;第二控制阀一端连接压缩机进口,另一端连接蒸发器出口。本发明通过设置两个开度可调的控制阀,以控制进入压缩机的进口干度,从而实现湿压缩,达到大幅度提高热泵***在低环境温度下制热量的目的,而不降低或微小降低热泵***的能效比。控制阀调节开度比实现湿压缩的判断准则是保证热泵***COP降低量不超过5%,而制热量得到大幅度的提高。
Description
技术领域
本发明属于热泵技术领域,特别涉及一种跨临界CO2热泵低环境温度下提升制热量的方法领域。
背景技术
我国北方冬季供暖,大量的依靠燃烧煤获得循环热水进行区域集中供暖,但同时产生大量的环境污染物。近年,煤改电,煤改气等计划正在如火如荼的进行当中,通过使用热泵技术,生产具有一定温度的循环热水,从而解决北方冬季的供暖问题,又不产生环境污染物。普通氟利昂工质的热泵,其所能生产的热水温度受限,尤其是在较低的环境温度下,这就导致热泵的出水温度很难达到北方冬季供暖温度需求,这也就需要对供暖末端设施进行改造,诸如采用地面盘管形式供热等,且普通氟利昂工质始终是对环境有着或多或少的影响,具有较大的温室效应,最终都将被一步步逐渐替代。此外,氨热泵因其安全性的问题,在人口集中区域也很难得到广泛的应用。而跨临界CO2热泵利用跨临界循环,热泵压缩机排气温度较高,获得的热水温度也较高,很好的解决了热泵出水温度不足的现象,在实际应用过程中,可直接取代传统的锅炉,提供供暖管网足够温度的热水,即使在较低的环境温度下,也能够获得满足供暖需求的热水温度。同时,CO2属于天然工质,环保无污染,ODP指数为0,GWP指数为1。跨临界 CO2热泵技术的开发和使用,能够在保证冬季供暖的前提下,有效的减少环境污染,改善北方供暖季节的空气质量和居住条件,缓解供暖压力。同时在低环境温度下也能够有效的提供足够高的水温,保证冬季尤其是在低环境温度下的供暖需求。
然而,对于区域集中供暖,CO2热泵的使用往往需要多台设备并行运行以提供足够的制热量,往往需要有足够面积的区域放置这些设备,而对很多的场合,实际并没有充裕的面积区域,因此,提高单机制热能力,提高热泵单位体积下的制热能力,将大大减小设备总占地面积,更有助于跨临界CO2热泵***在冬季供暖使用领域的推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨临界CO2湿压缩热泵***及其操作方法,提高CO2热泵的单机制热能力。在翅片蒸发器中,干度超过一定值,诸如0.8,管内沸腾的换热系数将大幅度降低,导致实际运行过程的蒸发器有相当一部分的管路换热效率低。采用湿压缩,可以减小换热能力较差的蒸发器管长占比,增加蒸发器的换热效率,同时大大增加CO2热泵的单机制热能力,大大减小区域集中供暖过程的设备占有面积。
为达到以上目的,本发明采取如下技术方案:
一种跨临界CO2湿压缩热泵***,包括依次循环连接的压缩机、气冷器、节流阀、蒸发器、第一控制阀和气液分离器;还包括第二控制阀;第二控制阀一端连接压缩机进口,另一端连接蒸发器出口。
进一步的,压缩机为滚动转子压缩机,能够进行两相压缩。
进一步的,节流阀为开度能够调节开度的电子膨胀阀。
进一步的,第一控制阀和控制阀为开度能够调节的流通阀。
进一步的,制热量负荷小于设定阈值时,控制第二控制阀完全关闭。
进一步的,制热量负荷大于或等于设定阈值时,控制第二控制阀打开,调节第二控制阀和第一控制阀的开度比,实现压缩机的湿压缩。
进一步的,在需要进行湿压缩工况时,首先将第二控制阀全部开启,紧接着将第一控制阀全部关闭,然后通过调节节流阀实现湿压缩,待湿压缩形成后,将节流阀逐渐调回原有状态;并通过调节第二控制阀和第一控制阀的开度比,实现满足制热量下的湿压缩。
进一步的,所述跨临界CO2湿压缩热泵***替换为复叠热泵***、复合热泵***、带除霜的热泵***、制冷制热双用的热泵***,所述跨临界CO2湿压缩热泵***中CO2工质替换为其余制冷剂工质。
一种跨临界CO2湿压缩热泵***的操作方法,包括:
制热量负荷小于设定阈值时,控制第二控制阀完全关闭;
制热量负荷大于或等于设定阈值时,控制第二控制阀打开,调节第二控制阀和第一控制阀的开度比,实现压缩机的湿压缩,具体包括:调节第二控制阀和第一控制阀的开度比时,第二控制阀处于完全开启状态,第一控制阀按调节精度依次逐渐开启更大的流通面积,控制阀开度调节以获得湿压缩,湿压缩进口的干度判断标准为:
1)、获得当前状态下的蒸发温度Teva、蒸发压力Peva、排气压力Pdis、排气温度Tdis、气冷器出口温度Tgascooler;并获得吸气焓值Hsuc,排气焓值Hdis,和气冷出口焓值Hgc,计算获得当前状态下COPtp=(Hdis-Hsuc)/Hgc,制热量Qheat_tp。
2)、按相同排气压力、蒸发温度、气冷器出口温度,计算获得常规工况下的***COP和制热里Qheat;
3)、控制阀开度比的调节使得COPtp>XCOP;在保证COP下降不超过1-X的前提下,制热量有大幅度提升。
进一步的,X=0.95。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:本发明通过设置两个开度可调的控制阀,以控制进入压缩机的进口干度,从而实现湿压缩,达到大幅度提高热泵***在低环境温度下制热量的目的,而不降低或微小降低热泵***的能效比。由于管内沸腾换热性能在干度超过一定值后急剧降低,湿压缩热泵***不仅达到了增加制热量的目的,同时减小了蒸发器换热性能较差段的管长比,提升了蒸发器的实际换热效率。湿压缩热泵***的压缩机为滚动转子式压缩机,可以实现两相压缩。控制阀调节开度比实现湿压缩的判断准则是保证热泵***COP降低量不超过5%,而制热量得到大幅度的提高。
附图说明:
图1为本发明一种跨临界CO2湿压缩热泵***的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示,本发明提供一种跨临界CO2湿压缩热泵***,包括依次循环连接的压缩机1、气冷器2、节流阀3、蒸发器4、控制阀7和气液分离器6。控制阀8一端连接压缩机1进口,另一端连接蒸发器4出口。
压缩机1为滚动转子压缩机,该压缩机没有吸气阀片,设置有排气阀片,可进行两相压缩。进入压缩机的工质状态为干度在0.8~1之间的流体工质,在压缩机1内进行两相压缩,压缩至对应的排气压力,进入气冷器2冷却降温,提供热量。湿压缩下,***的质量流量得以提升,从而提高制热量。
气冷器2的工质出口通过节流阀3连接蒸发器4的入口,蒸发器4的出口分成两路,一路带有控制阀7连接气液分离器6的入口,另一路带有控制阀8连接压缩机1的入口;气液分离器6的气体出口连接压缩机1的入口。
节流阀3为开度可以调节控制的电子膨胀阀,从而在调节湿压缩的过程中使用,实现蒸发器4出口的带液。
控制阀7和控制阀8为开度可以调节的流通阀,通过控制开度,实现调节控制阀7所在支路和控制阀8所在支路的流量比,从而控制进入压缩机1的工质干度状态。
在制热量要求较小时候,控制阀8处于关闭状态,控制阀7处于完全开启状态,此时的***为常规的跨临界CO2热泵***,气相工质自气液分离器6气相端口流出流入压缩机1,进行压缩至排气压力,进而完成整个***循环。
在制热量要求较大的条件下,首先完全开启控制阀8,其次将控制阀7完全关闭,通过增加节流阀3的开度,降低蒸发器管内温度和环境温度的差值,逐渐实现带液压缩。待湿压缩形成后,将节流阀3逐渐调回原有状态。并通过调节控制阀8和控制阀7的开度比,实现满足制热量下的湿压缩。压缩机的吸气为具有一定干度的湿工质,湿工质密度较大,***质量流量增加,制热量随之增加。而对于蒸发器4而言,蒸发器出口状态为湿工质,对于管内沸腾换热,当干度超过一定值一般为0.8~0.9之间,并视实际工况,管的几何结构等决定,换热系数将会急剧降低,湿压缩工质减小了蒸发器管内换热性能较差的管长占比,从而提高了蒸发器的实际换热效率。随着湿压缩干度的降低,***制热量大幅度的增加,而***COP缓慢降低,在某些工况下反而有所升高,总体而言,即使热泵***COP是降低,能效的减小也是缓慢的。为此,根据以下判断准则,进行湿压缩的调节:
1、获得当前状态下的蒸发温度Teva、蒸发压力Peva、压缩机1的排气压力Pdis、压缩机1 的排气温度Tdis、气冷器2的出口温度Tgascooler。并获得吸气焓值Hsuc,排气焓值Hdis,和气冷器2的气冷出口焓值Hgc,计算获得当前状态下COPtp=Hdis-Hsuc/Hgc,制热量Qheat_tp。
2、按相同排气压力、蒸发温度、气冷器出口温度,计算获得常规工况下的***COP和制热里Qheat。计算方法与第一步相同。
3、调节控制阀7和控制阀8的开度,使得COPtp>0.95COP。在保证COP下降不超过5%的前提下,制热量有大幅度提升。湿压缩过程,在保证COP降低不超过5%的前提下,本发明湿压缩***制热量将大幅度提升50%左右。
在调节过程中,首先完全开启控制阀8,按阀的调节精度Δθ依次开启控制阀7,热泵***的制热量随之提升,直至***COP相比无湿压缩状态的值下降达到5%时,停止调节;或随着开度调节的进行,制热量提升不明显时候,停止调节。
如果控制阀7处于完全开启状态时,COP的降低值仍然超过5%,此时将控制阀8依次关闭一个控制精度的开度Δθ,至满足以上判断准则为止。
本发明的湿压缩***及其操作方法可以用于其他制冷剂工质热泵或其他形式的热泵***,包括但不限于复叠热泵***、复合热泵***、带除霜的热泵***、制冷制热双用的热泵***,用以提高在低环境温度下的制热量,仍然在本发明的权利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种跨临界CO2湿压缩热泵***,其特征在于,包括依次循环连接的压缩机(1)、气冷器(2)、节流阀(3)、蒸发器(4)、第一控制阀(7)和气液分离器(6);还包括第二控制阀(8);第二控制阀(8)一端连接压缩机进口,另一端连接蒸发器出口;制热量负荷大于或等于设定阈值时,控制第二控制阀(8)打开,调节第二控制阀(8)和第一控制阀(7)的开度比,实现压缩机(1)的湿压缩。
2.根据权利要求1所述一种跨临界CO2湿压缩热泵***,其特征在于,压缩机(1)为滚动转子压缩机,能够进行两相压缩。
3.根据权利要求1所述一种跨临界CO2湿压缩热泵***,其特征在于,节流阀(3)为开度能够调节的电子膨胀阀。
4.根据权利要求1所述一种跨临界CO2湿压缩热泵***,其特征在于,第一控制阀(7)和第二控制阀(8)为开度能够调节的流通阀。
5.根据权利要求1所述一种跨临界CO2湿压缩热泵***,其特征在于,制热量负荷小于设定阈值时,控制第二控制阀(8)完全关闭。
6.根据权利要求1所述一种跨临界CO2湿压缩热泵***,其特征在于,在需要进行湿压缩工况时,首先将第二控制阀(8)全部开启,紧接着将第一控制阀(7)全部关闭,然后通过调节节流阀(3)实现湿压缩,待湿压缩形成后,将节流阀(3)逐渐调回原有状态;并通过调节第二控制阀(8)和第一控制阀(7)的开度比,实现满足制热量下的湿压缩。
7.根据权利要求1所述一种跨临界CO2湿压缩热泵***,其特征在于,所述跨临界CO2湿压缩热泵***替换为复叠热泵***、复合热泵***、带除霜的热泵***、制冷制热双用的热泵***,所述跨临界CO2湿压缩热泵***中CO2工质替换为其余制冷剂工质。
8.一种跨临界CO2湿压缩热泵***的操作方法,其特征在于,基于权利要求1至7中任一项所述的一种跨临界CO2湿压缩热泵***,包括:
制热量负荷小于设定阈值时,控制第二控制阀(8)完全关闭;
制热量负荷大于或等于设定阈值时,控制第二控制阀(8)打开,调节第二控制阀(8)和第一控制阀(7)的开度比,实现压缩机(1)的湿压缩,具体包括:调节第二控制阀(8)和第一控制阀(7)的开度比时,第二控制阀(8)处于完全开启状态,第一控制阀(7)按调节精度依次逐渐开启更大的流通面积,控制阀开度调节以获得湿压缩,湿压缩进口的干度判断标准为:
1)、获得当前状态下的蒸发温度Teva、蒸发压力Peva、排气压力Pdis、排气温度Tdis、气冷器出口温度Tgascooler;并获得吸气焓值Hsuc,排气焓值Hdis,和气冷出口焓值Hgc,计算获得当前状态下COPtp=(Hdis-Hsuc)/Hgc,制热量Qheat_tp;
2)、按相同排气压力、蒸发温度、气冷器出口温度,计算获得常规工况下的***COP和制热量Qheat;
3)、控制阀开度比的调节使得COPtp>X*COP;在保证COP下降不超过1-X的前提下,制热量有大幅度提升;X=0.95。
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