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

一种跨临界CO2湿压缩热泵***及其操作方法
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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