CN109323476A - 一种跨临界co2热泵机组及其控制方法 - Google Patents

一种跨临界co2热泵机组及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种跨临界CO2热泵机组及其控制方法，包括第一压缩机、第二压缩机、气体冷却器、一级回热器、经济器、第一电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、二级回热器、第一电动三通阀、第二电动三通阀、第二电子膨胀阀、水泵；本发明通过控制第一电动三通阀，第二电动三通阀来控制一级回热器和二级回热器的开关，保证压缩机工作状态良好。通过控制第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀来保证***的稳定高效运行。通过控制压缩机的频率，来保证***的出水温度达到70℃。

Description

一种跨临界CO2热泵机组及其控制方法
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热泵机组。
背景技术
热泵可以吸收环境空气中的热量，通过工质循环，将热量传递给循环水，起到加热的作用。传统的热泵大多使用R134a，R410a等传统工质，环保性较差，面临逐渐淘汰的趋势。
前国际制冷学会***G Lorentzen提出了CO2跨临界循环理论，指出其在热泵领域将具有极其广阔的发展前景。CO2的临界温度很低，为31.1℃，故CO2热泵***一般采用跨临界循环。 CO2跨临界循环压缩机排气温度较高(可达100℃以上)，且在跨临界区内，CO2在冷却过程中存在较大的温度滑移，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，可以将水一次加热到很高的温度并保持极高的效率，尤其适合于家用生活热水领域。
CO2跨临界循环***与传统的亚临界循环***之间的区别在于：在传统亚临界***中，制冷剂在冷凝器中大部分区域内温度保持不变，而在CO2跨临界循环***中，超临界压力区内并无两相区存在，温度和压力为相互独立的变量，高压侧压力变化对制冷量、压缩机功耗和 COP值也会产生影响。
跨临界CO2热泵循环具有独特的优势，其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)。研究表明：(1)在蒸发温度为0℃时，水温可以从0℃加热到60℃，其热泵COP可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％上。在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制。而CO2热泵***在低温环境下能维持较高的供热量及很高的出水温度，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。
现有一般的CO2热泵出水温度较低，难以满足需要，实有必要设计一种新的热泵下***，以能够达到更高的出水温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨临界CO2热泵机组，保证气体冷却器出水温度达到70℃。通过对两个电动三通阀和两个电子膨胀阀的控制，保证***的稳定高效运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种跨临界CO2热泵机组，包括第一压缩机、第二压缩机、气体冷却器、一级回热器、经济器、第一电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、二级回热器、第一电动三通阀、第二电动三通阀、第二电子膨胀阀、水泵；第二电动三通阀包括t端口、u端口和v端口三个端口；第一电动三通阀包括q端口、r端口和s端口三个端口；一级回热器包括e端口、f端口、g端口和 h端口四个端口；经济器包括i端口、j端口、k端口和l端口四个端口；二级回热器包括m端口、n端口、o端口和p端口四个端口；气体冷却器包括a端口、b端口、c端口和d端口四个端口；第一压缩机出气口连接第二压缩机的进气口，第二压缩机的出气口连接气体冷却器的b 端口，b端口连通a端口，气体冷却器的a端口连接一级回热器的e端口，e端口连通h端口，一级回热器的h端口连接经济器的j端口，j端口连通k端口，经济器的k端口连接第一电子膨胀阀的进口，第一电子膨胀阀的出口连接蒸发器的进口，蒸发器的出口连接气液分离器的进口，气液分离器的气体出口连接二级回热器的n端口，n端口连通p端口，二级回热器的p端口连接第一电动三通阀的r端口，第一电动三通阀的q端口连接第一压缩机的进气口；经济器的k端口连接第二电子膨胀阀的进口，第二电子膨胀阀的出口连接经济器的l端口，l端口连通i端口，经济器的i端口连接一级回热器的g端口，g端口连通f端口，一级回热器的f端口连接第二电动三通阀的u端口，第二电动三通阀的t端口连接二压缩机的进气口；经济器的i 端口连接第二电动三通阀的v端口；气液分离器的气体出口连接第一电动三通阀的s端口；水泵的出口连接气体冷却器的c端口，c端口连通作为热水出口的d端口。
进一步的，所述一种跨临界CO2热泵机组采用临界CO2工质，主路工质经过第一压缩机压缩后，和来自第二电动三通阀的辅路工质混合后进入第二压缩机，压缩后进入气体冷却器被冷却，然后工质依次进入一级回热器、二级回热器和经济器，然后工质分成两路，辅路工质经过第二电子膨胀阀进行节流，然后依次通过经济器和一级回热器，接着经过第二电动三通阀进入到第二压缩机，主路工质经过第一电子膨胀阀，然今进入蒸发器蒸发吸热，然后依次通过气液分离器、二级回热器和第一电动三通阀后，进入第一压缩机。
进一步的，第一电动三通阀开启状态时，r端口和q端口连通，二级回热器工作；第一电动三通阀关闭状态时，s端口和q端口连通，二级回热器不工作；通过控制第一电动三通阀的开关，控制二级回热器是否工作，使第一压缩机的进气口工质温度和气液分离器出口工质的温度相差小于10℃。
进一步的，第二电动三通阀开启状态时，u端口和t端口连通，一级回热器工作；第一电动三通阀关闭状态时，v端口和t端口连通，一级回热器不工作；通过控制第二电动三通阀的开关，控制一级回热器是否工作，使辅路工质在流过第二电动三通阀后的温度小于50℃，防止第二压缩机的排气温度超过135℃。
进一步的，控制第二电子膨胀阀的开度，使流出第二电子膨胀阀的辅路工质的温度保持在 20℃到25℃之间。
进一步的，控制第一电子膨胀阀的开度，使第二压缩机的排气压力保持在100bar到110bar 之间。
进一步的，第一压缩机和第二压缩机均为变频压缩机，控制第一压缩机和第二压缩机频率，使气体冷却器d端口出水温度达到70℃或70℃以上。
一种跨临界CO2热泵机组的控制方法，包括：主路工质经过第一压缩机压缩后，和来自第二电动三通阀的辅路工质混合后进入第二压缩机，压缩后进入气体冷却器被冷却，然后工质进入一级回热器被冷却，然后进入二级回热器被冷却，然后进入经济器被冷却，然后工质分成两路：辅路工质经过第二电子膨胀阀进行节流，然后依次通过经济器和一级回热器，接着经过第二电动三通阀进入到第二压缩机；主路工质经过第一电子膨胀阀，然后进入蒸发器蒸发吸热，然后依次通过气液分离器、二级回热器和第一电动三通阀后，进入第一压缩机进行压缩。
进一步的，第一电动三通阀开启状态时，r端口和q端口连通，二级回热器工作；第一电动三通阀关闭状态时，s端口和q端口连通，二级回热器不工作；通过控制第一电动三通阀的开关，控制二级回热器是否工作，使第一压缩机的进气口工质温度和气液分离器出口工质的温度相差小于10℃；
第二电动三通阀开启状态时，u端口和t端口连通，一级回热器工作；第一电动三通阀关闭状态时，v端口和t端口连通，一级回热器不工作；通过控制第二电动三通阀的开关，控制一级回热器是否工作，使辅路工质在流过第二电动三通阀后的温度小于50℃，防止第二压缩机的排气温度超过135℃。
进一步的，控制第二电子膨胀阀的开度，使流出第二电子膨胀阀的辅路工质的温度保持在 20℃到25℃之间；控制第一电子膨胀阀的开度，使第二压缩机的排气压力保持在100bar到 110bar之间；第一压缩机和第二压缩机均为变频压缩机，控制第一压缩机和第二压缩机频率，使气体冷却器d端口出水温度达到70℃或70℃以上。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明中设置第一电动三通阀和第二电动三通阀；通过控制第一电动三通阀的开关，控制二级回热器是否工作，使第一压缩机的进气口工质温度和气液分离器出口工质的温度相差小于10℃；通过控制第二电动三通阀的开关，控制一级回热器是否工作，使辅路工质在流过第二电动三通阀后的温度小于50℃，防止第二压缩机的排气温度超过135℃；控制一级回热器和二级回热器的开关，保证压缩机工作状态良好。
本发明中设置第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀；控制第二电子膨胀阀的开度，使流出第二电子膨胀阀的辅路工质的温度保持在20℃到25℃之间，以保证机组为二级能效比；控制第一电子膨胀阀的开度，使第二压缩机的排气压力保持在100bar到110bar之间，使***的COP 保持最优；第一压缩机和第二压缩机均为变频压缩机，控制第一压缩机和第二压缩机频率，使气体冷却器d端口出水温度达到70℃或70℃以上。
附图说明
图1是本发明一种跨临界CO2热泵机组的结构示意图；
图2是本发明一种跨临界CO2热泵机组的循环状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，一种跨临界CO2热泵机组，包括第一压缩机1、第二压缩机2、气体冷却器 3、一级回热器4、经济器5、第一电子膨胀阀6、蒸发器7、气液分离器8、二级回热器9、第一电动三通阀10、第二电动三通阀11、第二电子膨胀阀12、水泵13。
第二电动三通阀11包括t端口14、u端口15和v端口16三个端口；第一电动三通阀10包括q端口17、r端口18和s端口19三个端口；一级回热器4包括e端口20、f端口21、g 端口22和h端口23四个端口；经济器5包括i端口24、j端口25、k端口26和l端口27四个端口；二级回热器9包括m端口28、n端口29、o端口30和p端口31四个端口；气体冷却器3包括a端口32、b端口33、c端口34和d端口35四个端口。
第一压缩机1出气口连接第二压缩机2的进气口，第二压缩机2的出气口连接气体冷却器 3的b端口33，气体冷却器3的a端口32连接一级回热器4的e端口20，一级回热器4的h端口23连接经济器5的j端口25，经济器5的k端口26连接第一电子膨胀阀6的进口，第一电子膨胀阀6的出口连接蒸发器7的进口，蒸发器7的出口连接气液分离器8的进口，气液分离器8的出口连接二级回热器9的n端口29，二级回热器9的p端口31连接第一电动三通阀 10的r端口18，第一电动三通阀10的q端口17连接第一压缩机的进气口；经济器5的k端口26连接第二电子膨胀阀12的进口，第二电子膨胀阀12的出口连接经济器5的端口27，经济器5的i端口24连接一级回热器4的g端口22，一级回热器4的f端口21连接第二电动三通阀的u端口15，第二电动三通阀的t端口14连接二压缩机2的进气口；经济器5的i端口 24连接第二电动三通阀的v端口16；气液分离器8的出口连接第一电动三通阀10的s端口 19；水泵13的出口连接气体冷却器3的c端口34。
请参阅图1和图2，主路工质(状态点Z2)经过第一压缩机压缩后(状态点Z3)，和来自第二电动三通阀的辅路工质(状态点Z13)混合后(状态点Z4)进入第二压缩机2，压缩后(状态点Z5)进入气体冷却器3被冷却(状态点Z6)，然后工质进入一级回热器4被冷却(状态点Z7)，进入二级回热器9被冷却(状态点Z8)，进入经济器5被冷却(状态点Z9)，然后工质分成两路，辅路工质(状态点Z9)经过第二电子膨胀阀12进行节流(状态点Z10)，然后依次通过经济器5(状态点Z12)和一级回热器4(状态点Z13)，接着经过第二电动三通阀2 (状态点Z13)进入到第二压缩机2，主路工质经过第一电子膨胀阀6(状态点Z11)，然后进入蒸发器7蒸发吸热(状态点Z1)，然后依次通过气液分离器8(状态点Z1)、二级回热器9 (状态点Z2)和第一电动三通阀10(状态点Z2)后，进入第一压缩机1进行压缩(状态点 Z3)。
第一电动三通阀10开启，r端口18和q端口17连通，二级回热器9工作；第一电动三通阀10关闭，s端口19和q端口17连通，二级回热器9不工作。
通过控制第一电动三通阀10的开关，可以控制二级回热器9是否工作，保证第一压缩机 1的进气口工质温度和气液分离器8出口工质的温度相差小于10℃。
第二电动三通阀11开启，u端口15和t端口14连通，一级回热器4工作；第一电动三通阀11关闭，v端口16和t端口14连通，一级回热器4不工作。
通过控制第二电动三通阀11的开关，可以控制一级回热器4是否工作，保证辅路工质在流过第二电动三通阀11后的温度小于50℃，以防止第二压缩机2的排气温度超过135℃。
控制第二电子膨胀阀12的开度，使流出第二电子膨胀阀12的辅路工质的温度保持在20℃到25℃之间，以保证机组为二级能效比。
控制第一电子膨胀阀6的开度，使第二压缩机的排气压力保持在100bar到110bar之间，使***的COP保持最优。
第一压缩机1和第二压缩机2均为变频压缩机，控制其频率，保证气体冷却器3出水温度达到70℃。

Claims (10)

1.一种跨临界CO2热泵机组，其特征在于，包括第一压缩机(1)、第二压缩机(2)、气体冷却器(3)、一级回热器(4)、经济器(5)、第一电子膨胀阀(6)、蒸发器(7)、气液分离器(8)、二级回热器(9)、第一电动三通阀(10)、第二电动三通阀(11)、第二电子膨胀阀(12)、水泵(13)；
第二电动三通阀(11)包括t端口(14)、u端口(15)和v端口(16)三个端口；
第一电动三通阀(10)包括q端口(17)、r端口(18)和s端口(19)三个端口；
一级回热器(4)包括e端口(20)、f端口(21)、g端口(22)和h端口(23)四个端口；
经济器(5)包括i端口(24)、j端口(25)、k端口(26)和l端口(27)四个端口；
二级回热器(9)包括m端口(28)、n端口(29)、o端口(30)和p端口(31)四个端口；
气体冷却器(3)包括a端口(32)、b端口(33)、c端口(34)和d端口(35)四个端口；
第一压缩机(1)出气口连接第二压缩机(2)的进气口，第二压缩机(2)的出气口连接气体冷却器(3)的b端口(33)，b端口连通a端口，气体冷却器(3)的a端口(32)连接一级回热器(4)的e端口(20)，e端口连通h端口，一级回热器(4)的h端口(23)连接经济器(5)的j端口(25)，j端口连通k端口，经济器(5)的k端口(26)连接第一电子膨胀阀(6)的进口，第一电子膨胀阀(6)的出口连接蒸发器(7)的进口，蒸发器(7)的出口连接气液分离器(8)的进口，气液分离器(8)的气体出口连接二级回热器(9)的n端口(29)，n端口连通p端口，二级回热器(9)的p端口(31)连接第一电动三通阀(10)的r端口(18)，第一电动三通阀(10)的q端口(17)连接第一压缩机的进气口；经济器(5)的k端口(26)连接第二电子膨胀阀(12)的进口，第二电子膨胀阀(12)的出口连接经济器(5)的l端口(27)，l端口连通i端口，经济器(5)的i端口(24)连接一级回热器(4)的g端口(22)，g端口连通f端口，一级回热器(4)的f端口(21)连接第二电动三通阀的u端口(15)，第二电动三通阀的t端口(14)连接二压缩机(2)的进气口；经济器(5)的i端口(24)连接第二电动三通阀的v端口(16)；气液分离器(8)的气体出口连接第一电动三通阀(10)的s端口(19)；水泵(13)的出口连接气体冷却器(3)的c端口(34)，c端口连通作为热水出口的d端口。
2.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵机组，其特征在于，所述一种跨临界CO2热泵机组采用临界CO2工质，主路工质经过第一压缩机(6)压缩后，和来自第二电动三通阀的辅路工质混合后进入第二压缩机(2)，压缩后进入气体冷却器(3)被冷却，然后工质依次进入一级回热器(4)、二级回热器(9)和经济器(5)，然后工质分成两路，辅路工质经过第二电子膨胀阀(12)进行节流，然后依次通过经济器(5)和一级回热器(4)，接着经过第二电动三通阀(2)进入到第二压缩机(2)，主路工质经过第一电子膨胀阀(6)，然今进入蒸发器(7)蒸发吸热，然后依次通过气液分离器(8)、二级回热器(9)和第一电动三通阀(10)后，进入第一压缩机(1)。
3.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵机组，其特征在于，第一电动三通阀(10)开启状态时，r端口(18)和q端口(17)连通，二级回热器工作；第一电动三通阀(10)关闭状态时，s端口(19)和q端口(17)连通，二级回热器不工作；
通过控制第一电动三通阀(10)的开关，控制二级回热器(9)是否工作，使第一压缩机(1)的进气口工质温度和气液分离器(8)出口工质的温度相差小于10℃。
4.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵机组，其特征在于，第二电动三通阀(11)开启状态时，u端口(15)和t端口(14)连通，一级回热器工作；第一电动三通阀(11)关闭状态时，v端口(16)和t端口(14)连通，一级回热器不工作；
通过控制第二电动三通阀(11)的开关，控制一级回热器(4)是否工作，使辅路工质在流过第二电动三通阀后的温度小于50℃，防止第二压缩机的排气温度超过135℃。
5.根据权利要求2所述的一种跨临界CO2热泵机组，其特征在于，控制第二电子膨胀阀(12)的开度，使流出第二电子膨胀阀的辅路工质的温度保持在20℃到25℃之间。
6.根据权利要求2所述的一种跨临界CO2热泵机组，其特征在于，控制第一电子膨胀阀(6)的开度，使第二压缩机的排气压力保持在100bar到110bar之间。
7.根据权利要求2所述的一种跨临界CO2热泵机组，其特征在于，第一压缩机和第二压缩机均为变频压缩机，控制第一压缩机和第二压缩机频率，使气体冷却器d端口出水温度达到70℃或70℃以上。
8.权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵机组的控制方法，其特征在于，包括：主路工质经过第一压缩机压缩后，和来自第二电动三通阀的辅路工质混合后进入第二压缩机，压缩后进入气体冷却器被冷却，然后工质进入一级回热器被冷却，然后进入二级回热器被冷却，然后进入经济器被冷却，然后工质分成两路：
辅路工质经过第二电子膨胀阀进行节流，然后依次通过经济器和一级回热器，接着经过第二电动三通阀进入到第二压缩机；
主路工质经过第一电子膨胀阀，然后进入蒸发器蒸发吸热，然后依次通过气液分离器、二级回热器和第一电动三通阀后，进入第一压缩机进行压缩。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，第一电动三通阀(10)开启状态时，r端口(18)和q端口(17)连通，二级回热器工作；第一电动三通阀(10)关闭状态时，s端口(19)和q端口(17)连通，二级回热器不工作；通过控制第一电动三通阀(10)的开关，控制二级回热器(9)是否工作，使第一压缩机(1)的进气口工质温度和气液分离器(8)出口工质的温度相差小于10℃；
第二电动三通阀(11)开启状态时，u端口(15)和t端口(14)连通，一级回热器工作；第一电动三通阀(11)关闭状态时，v端口(16)和t端口(14)连通，一级回热器不工作；通过控制第二电动三通阀(11)的开关，控制一级回热器(4)是否工作，使辅路工质在流过第二电动三通阀后的温度小于50℃，防止第二压缩机的排气温度超过135℃。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，控制第二电子膨胀阀(12)的开度，使流出第二电子膨胀阀的辅路工质的温度保持在20℃到25℃之间；
控制第一电子膨胀阀(6)的开度，使第二压缩机的排气压力保持在100bar到110bar之间；
第一压缩机和第二压缩机均为变频压缩机，控制第一压缩机和第二压缩机频率，使气体冷却器d端口出水温度达到70℃或70℃以上。
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