CN113686044B - 热泵机组 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种热泵机组。该热泵机组包括通过制冷剂管路依次连接的压缩机、换向阀、第一换热器、经济器、过冷器和第二换热器，压缩机具有吸气口、排气口及中间补气口，经济器与压缩机的中间补气口连接，过冷器包括主路和辅路，其中，过冷器的主路的入口连接到经济器，过冷器的主路的出口连接第一换热器和第二换热器，过冷器的辅路的入口通过过冷器节流阀连接到过冷器的主路，过冷器的辅路的出口连接到压缩机的吸气口。本发明实施例的热泵机组能够有效确保在机组制冷量保持不变的前提下，降低机组的功耗，提升机组的效率。

Description

热泵机组

技术领域

本发明实施例涉及空调技术领域，尤其涉及一种热泵机组。

背景技术

传统风冷冷水(热泵)机组，为了提升机组制冷能力或机组效率一般都会选用在压缩机壳体上增设中间补气口。依此利用中间补气口的工作原理，让原先的一级压缩变成二级压缩，来扩大机组制冷量或机组效率。目前压缩机应用补气技术在制冷行业中得到了广泛应用。然而，在应用补气技术后，若要提高机组制冷量百分比达10％，则中间补气量与主侧制冷剂流量之比通常要高于10％。由此带来的结果是虽然机组制冷量提升了，但是，机组的效率(COP，Coefficient of Performance)却下降了。若要提升机组的效率,则补气量需要减少、甚至不能补气。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种热泵机组，能够有效确保在机组制冷量保持不变的前提下，降低机组的功耗，提升机组的效率。

本发明实施例的一个方面提供一种热泵机组。所述热泵机组包括通过制冷剂管路连接的压缩机、换向阀、第一换热器、经济器、过冷器和第二换热器，所述压缩机具有吸气口、排气口及中间补气口，所述经济器与所述压缩机的中间补气口连接，所述过冷器包括主路和辅路，其中，所述过冷器的主路的入口连接到所述经济器，所述过冷器的主路的出口连接所述第一换热器和所述第二换热器，所述过冷器的辅路的入口通过过冷器节流阀连接到所述过冷器的主路，所述过冷器的辅路的出口连接到所述压缩机的吸气口。

进一步地，所述过冷器的辅路的入口通过所述过冷器节流阀连接到所述过冷器的主路的入口或者所述过冷器的主路的出口。

进一步地，所述经济器包括主路和辅路，所述经济器的主路的入口连接到所述第一换热器，所述经济器的主路的出口连接所述过冷器的主路的入口，所述经济器的辅路的入口通过经济器节流阀连接到所述经济器的主路的入口或者所述经济器的主路的出口，所述经济器的辅路的出口连接到所述压缩机的中间补气口。

进一步地，所述过冷器的主路的出口通过制冷节流阀连接到所述第二换热器，所述过冷器的主路的出口通过制热节流阀连接到所述第一换热器。

进一步地，所述热泵机组还包括与所述压缩机连接的油冷却器，所述过冷器的主路的出口还通过油冷节流器连接到所述油冷却器。

进一步地，所述第一换热器包括多个冷却盘管，所述热泵机组还包括预分配器，所述多个冷却盘管连接至所述预分配器。

进一步地，所述热泵机组还包括过滤器和油分离器，所述预分配器通过所述过滤器连接到所述经济器，所述压缩机的排气口通过所述油分离器连接到所述换向阀。

进一步地，所述第二换热器包括水侧换热器，所述水侧换热器具有出水端和进水端。

进一步地，所述热泵机组还包括控制器，所述控制器在所述压缩机满载运行的情况下控制同时启用所述经济器和所述过冷器。

进一步地，所述控制器在所述压缩机部分负荷运行的情况下控制启用所述过冷器。

本发明实施例的热泵机组通过在第一级经济器后面增设了另一个板式换热器，即过冷器，从而可以将热泵机组获取目标制冷量所需要达到的目标焓差值(h₅-h₇)不完全由第一级的经济器来完成，而是由前后两级板式换热器(即充当经济器的第一级板式换热器和充当过冷器的第二级板式换热器)联合作用后共同完成。

本发明实施例的热泵机组可以通过对经济器和过冷器两个板式换热器辅侧的流量进行优化配置后，可以使得由第一级经济器流向压缩机的中间补气口的流量得到有效管理，进而有效控制整个热泵机组的总功耗，并最终有效提升热泵机组的运行效率。

附图说明

图1为一种压缩机带有中间补气口的热泵机组的示意图；

图2为图1中的压缩机两级压缩的制冷循环图；

图3为图1中的经济器的主辅侧制冷剂流向图；

图4为本发明一个实施例的热泵机组的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本发明相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

在本发明实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另作定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1揭示了一种压缩机10带有中间补气口23的热泵机组100的示意图。如图1所示，该热泵机组100包括通过制冷剂管路依次连接的压缩机10、换向阀20、第一换热器31、经济器41和第二换热器32。压缩机10具有吸气口1、排气口4及中间补气口23。

经济器41与压缩机10的中间补气口23连接，经济器41包括主路和辅路，其中，经济器41的主路的入口连接到第一换热器31，经济器41的主路的出口通过制冷节流阀EXV2连接到第二换热器32，经济器41的辅路的入口通过经济器节流阀EXV1连接到经济器41的主路的入口，经济器41的辅路的出口连接到压缩机10的中间补气口23。从而，可以用来对主路中的制冷剂进行冷却，并对压缩机10进行补气增焓。

图2揭示了图1中的压缩机两级压缩的制冷循环图。在图2中，EXV1表示经济器节流阀EXV1，EXV2表示制冷节流阀EXV2，图2中的数字分别表示压缩机10的各个工作状态点，其中，1表示压缩机10的吸气口，2表示压缩机10制冷剂刚刚排出来的点，23表示压缩机10的中间补气口，3表示经济器41辅侧的出口，4表示压缩机10的排气口(即压缩机10制冷剂完全排出来的点)，5表示从第一换热器31出来的点(即经济器节流阀EXV1的入口)，6表示经济器节流阀EXV1的出口，7表示经济器41主路的出口，8表示制冷节流阀EXV2节流后的点，9表示第二换热器32连接换向阀20的端口。

图3揭示了图1中的经济器41的主辅侧制冷剂流向图。如图3所示，5-7构成经济器41的主路，3-6构成经济器41的辅路。

压缩机10带有中间补气口23时可以实现如图2所示的工作循环，其中，1-2-23-4-5-7-8-9-1构成热泵机组100的主循环，辅侧5-6-3-23参与部分的循环过程。

利用工程热力学的工作原理，可以求得热泵机组100的制冷量和总功耗，如以下公式所示：

Q＝G_d×(h₉-h₇) (1)

N_d＝G_d×(h₂-h₁) (2)

N_g＝G_g×(h₄-h₂₃) (3)

N＝N_d+N_g (4)

其中，Q为制冷量(kW)，N为总功耗(kW)，N_d为第一级(低压级)的功耗(kW)，N_g为第二级(高压级)的功耗(kW)，G_d为低压级制冷剂流量，G_g为高压级制冷剂流量，h代表压缩机10对应工作状态点的焓值，COP为效率。

下面将结合图1至图3来详细描述带有中间补气口23的压缩机10的工作原理。

根据能量守恒规律，热源侧放出的能量必然等于冷源侧获得的能量，因此，可以得出以下公式：

G_d×(h₅-h₇)＝(G_g-G_d)×(h₃-h₆) (6)

其中，(G_g-G_d)表示补气侧制冷剂流量。

由于h₅＝h₆，因此，根据公式(6)可以推导得出高压级制冷剂流量G_g如以下公式所示：

G_g＝G_d×(h₃-h₇)/(h₃-h₆) (7)

因此，只要合理降低第二级的制冷剂流量Gg，则可以有效降低整个机组的功耗N，由此实现机组效率COP的提升。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种改进的热泵机组的技术方案。在保证热泵机组制冷量Q保持不变的前提下，可以降低热泵机组的功耗N，提升热泵机组的效率COP。

图4揭示了本发明一个实施例的热泵机组200的示意图。如图4所示，本发明一个实施例的热泵机组200包括通过制冷剂管路依次连接的压缩机10、换向阀20、第一换热器31、经济器41、过冷器42和第二换热器32。压缩机10具有吸气口1、排气口4及中间补气口23。在一个实施例中，第一换热器31例如为一种翅片换热器，第二换热器32例如可以包括但不限于水侧换热器，水侧换热器具有出水端和进水端。

本发明实施例的经济器41和过冷器42例如可以包括但并不局限于钎焊式板式换热器(BPHE，Blazed Plate Heat Exchanger)。本发明实施例的经济器41和过冷器42也可以采用其他的型式。

经济器41与压缩机10的中间补气口23连接，经济器41包括主路和辅路，其中，经济器41的主路的入口连接到第一换热器31，经济器41的主路的出口连接过冷器42的主路的入口，经济器41的辅路的入口通过经济器节流阀EXV1连接到经济器41的主路的入口(或者经济器41的辅路的入口也可以通过经济器节流阀EXV1连接到经济器41的主路的出口)，经济器41的辅路的出口连接到压缩机10的中间补气口23。经济器41的辅路从经济器41的主路分支出一股制冷剂，经过经济器节流阀EXV1的节流降压后，使得辅路制冷剂的温度冷却降低，在与主路的制冷剂进行热量交换后，辅路制冷剂吸收主路制冷剂的热量，经济器41辅路吸收热量之后的制冷剂再回到压缩机10的中间补气口23，从而可以对压缩机10进行补气增焓。

过冷器42包括主路和辅路，其中，过冷器42的主路的入口连接到经济器41，过冷器42的主路的出口连接第一换热器31和第二换热器32，过冷器42的辅路的入口通过过冷器节流阀EXV5连接到过冷器42的主路，过冷器42的辅路的出口连接到压缩机10的吸气口1。如图4所示，在一个实施例中，过冷器42的辅路的入口通过过冷器节流阀EXV5连接到过冷器42的主路的入口。在另一个实施例中，过冷器42的辅路的入口通过过冷器节流阀EXV5连接到过冷器42的主路的出口。过冷器42的辅路从过冷器42的主路分支出一股制冷剂，经过过冷器节流阀EXV5的节流降压后，使得辅路制冷剂的温度冷却降低，在与主路的制冷剂进行热量交换后，辅路制冷剂吸收主路制冷剂的热量，过冷器42辅路吸收热量之后的制冷剂再回到压缩机10的吸气口1。

本发明实施例的热泵机组200并不局限于图4所示的具体连接方式，本发明实施例的热泵机组200旨在涵盖启用经济器41和过冷器42的组合模式，经济器41和过冷器42的布置方式在位置上两者也可以前后互换。另外，本发明实施例的经济器41和过冷器42的辅侧制冷剂的取点并不局限于图4所示的从上游取(指辅侧制冷剂均从主侧没有流入经济器或过冷器的制冷剂流量中取样，即从主路的入口取)，在其他实施例种，本发明实施例的经济器41和过冷器42的辅侧制冷剂的取点也可以从下游取(即从主路的出口取)。

本发明实施例的热泵机组200通过在第一级经济器41后面增设了另一个板式换热器，即过冷器42，从而可以将热泵机组200获取目标制冷量所需要达到的目标焓差值(h₅-h₇)不完全由第一级的经济器41来完成，而是由前后两级板式换热器(即充当经济器41的第一级板式换热器和充当过冷器42的第二级板式换热器)联合作用后共同完成。

本发明实施例的热泵机组200可以通过对经济器41和过冷器42两个板式换热器辅侧的流量进行优化配置后，可以使得由第一级经济器41流向压缩机10的中间补气口23的流量得到有效管理，进而有效控制整个热泵机组200的总功耗，并最终有效提升热泵机组200的运行效率。

继续参照图4所示，过冷器42的主路的出口通过制冷节流阀EXV2连接到第二换热器32，过冷器42的主路的出口通过制热节流阀EXV4连接到第一换热器31。

本发明实施例的热泵机组200还包括与压缩机10连接的油冷却器60。过冷器42的主路的出口还通过油冷节流阀EXV3连接到油冷却器60。

在一些实施例中，第一换热器31包括多个冷却盘管。本发明实施例的热泵机组200还包括预分配器80。多个冷却盘管连接至预分配器80。在一些实施例中，本发明实施例的热泵机组200还包括过滤器70，预分配器80通过过滤器70连接到经济器41。

预分配器80可以对多个冷却盘管的制冷剂量进行初分配。本发明实施例通过在经济器41之后增设一个过冷器42，从而可以有效地控制预分配器80入口处的制冷剂成分，使得制冷剂中液体成分比较多，液体越多，则可以使得制冷剂的分配越均匀。因此，本发明实施例可以使得第一换热器31中多个冷却盘管的制冷剂更加均匀分配。

本发明实施例的热泵机组200还包括油分离器50和储液器90，压缩机10的排气口4通过油分离器50连接到换向阀20。

本发明实施例的热泵机组200还包括控制器(未图示)。其中，在压缩机10满载运行的情况下，则控制器可以控制同时启用经济器41和过冷器42；而在压缩机10部分负荷运行的情况下，则控制器可以控制启用过冷器42。

本发明实施例的热泵机组200通过在经济器41之后增设过冷器42，过冷器42在压缩机10部分负荷时可以启用，部分负荷运行时过冷度依然可以获得，有利于蒸发器的传热，从而解决了带有中间补气口23的压缩机10单纯使用经济器41仅能在满载时可启用而导致经济器41的利用率较低的问题。而且，过冷器42在部分负荷时开启，对制热分配也较有利，容易改善制热能力。

当本发明实施例的热泵机组200运行在制冷模式下时，如图4中的箭头所示，制冷剂在压缩机10中被压缩，将原本低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的过热蒸汽后，由压缩机10的排气口4排出，通过油分离器50后进入换向阀20，通过换向阀20控制制冷剂的流向。高温高压的过热蒸汽从换向阀20的进口进入。由于在制冷模式下压缩机10的排气口4通过换向阀20与第一换热器31相连，因此，高温高压的过热蒸汽经换向阀20导入到第一换热器31中。此时，第一换热器31相当于冷凝器的作用。高温高压的过热蒸汽在第一换热器31中被冷却，过热的制冷剂由气态转变为液态。经过预分配器80后通过单向阀CV1，流经过滤器70进入经济器41的主路的入口，再从经济器41的主路的出口进入到过冷器42的主路的入口，从过冷器42的主路的出口经过制冷节流阀EXV2的节流降压，低温低压的制冷剂液体进入到第二换热器32中。此时，第二换热器32相当于蒸发器的作用，制冷剂液体在第二换热器32中吸热汽化，进而气化为低温低压的气态制冷剂。低温低压的气态制冷剂再经过换向阀20后，从压缩机10的吸气口1被压缩机10吸入，进入下一个制冷循环。

当本发明实施例的热泵机组200运行在制热模式下时，如图4中的箭头所示，制冷剂在压缩机10中被压缩，将原本低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的过热蒸汽，经压缩机10压缩的高温高压过热蒸汽由压缩机10的排气口4排出，通过油分离器50之后，再经过换向阀20直接将高温高压的过热蒸汽送入到第二换热器32中。此时，第二换热器32相当于冷凝器的作用，过热的蒸汽通过第二换热器32进行散热，过热蒸汽冷却后形成低温高压的液体进入到储液器90中。储液器90中的低温高压的制冷剂液体之后通过单向阀CV2，流经过滤器70进入经济器41的主路的入口，再从经济器41的主路的出口进入到过冷器42的主路的入口，从过冷器42的主路的出口经过制热节流阀EXV4的节流降压后，低温低压的制冷剂再经过预分配器80被送入到第一换热器31中。此时，第一换热器31相当于蒸发器的作用。低温低压的制冷剂在第一换热器31中完成汽化的过程，制冷剂液体向外界释放大量的热，重新变成干饱和蒸汽。干饱和蒸汽最后通过换向阀20再返回压缩机10的吸气口1，继续下一个制热循环。

本发明实施例的热泵机组200通过新增过冷器42，过冷器42可以实现和经济器41的联动，从而可以减少压缩机10的中间补气量，由于压缩机10的中间补气量减少，因此，可以使得压缩机10的功耗得到降低，本发明实施例的热泵机组200可以使得额定制冷效率和额定制热效率均得以提高。

本发明实施例的热泵机组200在压缩机10中间补气口23的补气量减少后，经济器41的辅侧连接于压缩机10中间补气口23的振动也可以降低。由于压缩机10中间补气口23的尺寸是定值，因此，在经济器41的辅侧流量降低后，制冷剂管路流速可以有效降低。

本发明实施例的热泵机组200通过新增过冷器42，低压级通过换向阀20制冷剂流量也降低，因而，换向阀20吸气侧(制冷、制热对应的吸气侧)压降均可下降。由于***阻力下降，压缩机10排气口4的排气压力也可以下降，进而降低热泵机组200的功耗，有助于提升热泵机组200的效率。

申请人通过在实验室进行两种方案的热泵机组在额定制冷工况下的测试比较，即第一种方案是启用经济器41但过冷器42被旁通的热泵机组方案，第二种方案是联合启用经济器41和过冷器42的热泵机组方案，在工况稳定后采集***得到的性能数据可以发现，第二种方案(即联合启用经济器41和过冷器42的热泵机组方案)相对于第一种方案(即仅启用经济器41的热泵机组方案)，热泵机组的效率COP提升了近1.77％。另外，发现主要是因此联合启用经济器41和过冷器42的热泵机组方案相对于仅启用经济器41的热泵机组方案减少了补气侧制冷剂流量，从而减小了压缩机的功耗，依此降低了热泵机组的总功耗，实现了热泵机组的效率COP的提高。因此，验证了本发明实施例的热泵机组新增过冷器42的方案是非常有效的。

申请人通过将本发明实施例的新增过冷器42的热泵机组在额定制冷和制热运行时的数据比较可以发现，本发明实施例的新增过冷器42的热泵机组不仅在制冷模式是有效的，在制热运行时验证依然是有效的。

另外，申请人通过将启用过冷器42和未启用过冷器42的热泵机组在压缩机部分负荷运行时的数据比较可以发现，本发明实施例的热泵机组在增设过冷器42之后，热泵机组在部分负荷运行时对应的效率COP都好于同等负荷下的效率。因此，通过增设过冷器42也是提升热泵机组综合部分负荷性能IPLV值的一个有效手段。

以上对本发明实施例所提供的热泵机组进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明实施例的热泵机组进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，并不用以限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.一种热泵机组，其特征在于，其包括通过制冷剂管路连接的压缩机、换向阀、第一换热器、经济器、过冷器和第二换热器，所述压缩机具有吸气口、排气口及中间补气口，所述经济器与所述压缩机的中间补气口连接，所述过冷器包括主路和辅路，所述热泵机组还包括储液器、设置于所述储液器底部的电磁阀、第一单向阀和第二单向阀，所述储液器通过所述电磁阀和所述第一单向阀连接到所述第一换热器，所述储液器通过所述电磁阀和所述第二单向阀连接到所述第二换热器，其中，所述过冷器的主路的入口连接到所述经济器，所述过冷器的主路的出口连接所述第一换热器和所述第二换热器，所述过冷器的辅路的入口通过过冷器节流阀连接到所述过冷器的主路，所述过冷器的辅路的出口连接到所述压缩机的吸气口，所述热泵机组还包括控制器，所述控制器在所述压缩机满载运行的情况下控制同时启用所述经济器和所述过冷器；所述控制器在所述压缩机部分负荷运行的情况下控制启用所述过冷器。

2.如权利要求1所述的热泵机组，其特征在于：所述过冷器的辅路的入口通过所述过冷器节流阀连接到所述过冷器的主路的入口或者所述过冷器的主路的出口。

3.如权利要求1所述的热泵机组，其特征在于：所述经济器包括主路和辅路，所述经济器的主路的入口连接到所述第一换热器，所述经济器的主路的出口连接所述过冷器的主路的入口，所述经济器的辅路的入口通过经济器节流阀连接到所述经济器的主路的入口或者所述经济器的主路的出口，所述经济器的辅路的出口连接到所述压缩机的中间补气口。

4.如权利要求1所述的热泵机组，其特征在于：所述过冷器的主路的出口通过制冷节流阀连接到所述第二换热器，所述过冷器的主路的出口通过制热节流阀连接到所述第一换热器。

5.如权利要求1所述的热泵机组，其特征在于：还包括与所述压缩机连接的油冷却器，所述过冷器的主路的出口还通过油冷节流器连接到所述油冷却器。

6.如权利要求1所述的热泵机组，其特征在于：所述第一换热器包括多个冷却盘管，所述热泵机组还包括预分配器，所述多个冷却盘管连接至所述预分配器。

7.如权利要求6所述的热泵机组，其特征在于：还包括过滤器和油分离器，所述预分配器通过所述过滤器连接到所述经济器，所述压缩机的排气口通过所述油分离器连接到所述换向阀。

8.如权利要求1所述的热泵机组，其特征在于：所述第二换热器包括水侧换热器，所述水侧换热器具有出水端和进水端。