CN101839579A - 带中间节流元件的自复叠热泵及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有中间节流元件的自复叠热泵及其调节方法，该热泵采用单台压缩机、冷凝器、气液分离器、冷凝蒸发器、蒸发器、节流阀为部件，所用制冷剂为含有两种或两种以上组分的非共沸制冷剂；在原有自复叠热泵循环的基础上，增加了中间节流元件，在冷凝器出口制冷剂具有较小干度以及较小过冷度状态下可以通过调节中间节流程度合理分配系统中富含高、低沸点制冷剂质量流量比，消除工况变化引起的冷凝器出口状态变化对系统性能的负面影响并起到明显性能优化的作用。其具有适应性好、结构简单、运行节能、工作温差大的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可提供较大工作温差并且具有较优性能的带中间节流元件的自复叠热泵及其调节方法，特别涉及一种通过调节中间节流元件节流程度来实现调节该自复叠热泵系统中富含高、低沸点制冷剂质量流量比进而实现对系统性能调节的方法。
背景技术
热泵是一种重要的节能装置，它能在投入一个单位的高品质能量的条件下产出多于一个单位的热量，较电加热等传统供热方式具有明显的节能优势，所以在资源短缺及环境污染问题严重的今天，对热泵的研究越来越引起人们的重视。
目前热泵系统普遍采用简单的蒸汽压缩循环实现其功能，但由于单级蒸汽压缩系统的压比限制了该种热泵的实际工作温差即冷凝温度与蒸发温度之差一般为40℃～50℃。为了实现在10℃以下的低温热源温度下制取80℃以上较高出水温度，科技工作者提出将自复叠系统应用于该种大温差中高温热泵中。自复叠系统能够利用混合工质中不同组元沸点不同的特性，使混合工质在循环中自然分离，实现高低温部分的自行复叠从而获得大温差的循环，具有很好的应用前景。但是将传统的自复叠系统应用于热泵会存在着这样的问题：传统自复叠热泵系统冷凝器出口干度反映冷凝器内高温制冷剂的放热程度，且与系统内部循环的富含高、低沸点组分制冷剂质量流量比直接相关，存在一最优冷凝器出口干度值使该热泵系统获得最优制热性能，然而该热泵系统实际工作中冷凝器出口制冷剂状态不稳定，系统可能一直在偏离最优制热性能条件下运行，且当最优冷凝器出口干度值较高时，对应冷凝器内高温制冷剂放热不完全，该热泵系统总体性能较差。
由此可见，为了体现自复叠热泵能方便制取较大工作温差的优势，推动其应用进程，必须有效解决它自身存在的由工况变化引起的性能不稳定问题，以及由于冷凝器内高温制冷剂放热不完全而导致的总体性能较差的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述自复叠热泵存在的由于工况变化引起的系统性能不稳定问题，提供了一种带中间节流元件的自复叠热泵及其调节方法，该自复叠热泵具有适应性好、结构简单、运行节能和工作温差大的特点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括压缩机，压缩机的排气口与冷凝器的进气口连接，冷凝器的出口与中间节流元件连接，中间节流元件的出口与气液分离器的进口连接，气液分离器的出液口与高温级节流阀连接，高温级节流阀的出口与蒸发器的出口以及冷凝蒸发器低温流体进口连接，气液分离器的出气口与冷凝蒸发器高温流体进口连接，冷凝蒸发器高温流体出口与低温级节流阀进口连接，低温级节流阀出口与蒸发器进口连接，冷凝蒸发器低温流体出口与压缩机进口连接形成了具有中间压力调节功能的自复叠热泵循环闭合通道。
本发明的调节方法为：中间节流元件是一种自动控制节流装置，以冷凝器出口状态作为输入信号来控制中间节流元件节流程度大小，通过对中间节流元件节流程度的调节实现对气液分离器进口制冷剂干度的调节，实现对系统内富含高、低沸点制冷剂质量流量的调节。
本发明在冷凝器内高温制冷剂充分放热即冷凝器出口制冷剂具有较低干度及较低过冷度状态下，通过调节中间节流元件从而合理分配系统中富含高、低沸点制冷剂质量流量比，消除工况变化引起的冷凝器出口状态变化对系统性能的负面影响并提高了性能系数，具有适应性好、结构简单、运行节能、工作温差大等优点。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括压缩机A、冷凝器B、气液分离器C、冷凝蒸发器D、蒸发器E、中间节流元件F1、高温级节流阀F2、低温级节流阀F3，所述压缩机A的排气口与冷凝器B的进气口连接，冷凝器B的出口与中间节流元件F1连接，中间节流元件F1的出口与气液分离器C的进口连接，气液分离器C的出液口与高温级节流阀F2连接，高温级节流阀F2的出口与蒸发器E的出口以及冷凝蒸发器D低温流体进口连接，气液分离器C的出气口与冷凝蒸发器D高温流体进口连接，冷凝蒸发器D高温流体出口与低温级节流阀F3进口连接，低温级节流阀F3出口与蒸发器E进口连接，蒸发器E出口与高温级节流阀F2的出口以及冷凝蒸发器D低温流体进口连接，冷凝蒸发器D低温流体出口与压缩机A进口连接，形成了具有中间压力调节功能的自复叠热泵循环闭合通道，循环非共沸工质在冷凝器内冷凝放热给被叫热介质使其温度升高，在蒸发器内蒸发吸热使低温热源温度降低。
制冷剂循环流程如下：
循环非共沸工作经制冷压缩机A压缩后为高温高压气体，在冷凝器B中部分冷凝形成具有较小干度的气液两相制冷剂或者具有较小过冷度的液相制冷剂，再经过中间节流元件F1节流后获得较高干度的制冷剂并进入气液分离器C进行气液分离，其中富含低沸点组分制冷剂流在冷凝蒸发器D中冷凝后经低温级节流阀F3节流后获得较低蒸发温度，富含高沸点组分制冷剂流经高温级节流阀F2节流后与蒸发器出口富含低沸点组分制冷剂流混合进入冷凝器蒸发器D低温侧蒸发吸热后直接进入压缩机A吸气口，最终完成制冷剂循环流程。
本发明的带中间节流元件自复叠热泵的中间节流元件F1为一种自动控制装置。由于在不同冷凝器出口状态下需要中间节流元件不同程度的节流实现对气液分离器C进口制冷剂干度即系统内富含高、低沸点制冷剂质量流量的调节，使冷凝蒸发器D两侧换热匹配，最终实现系统性能优化(如实施例所描述)，这就需要该装置通过对冷凝器出口温度和压力的测量获得实际冷凝器出口状态作为输入，经过装置内部控制器K输出合适脉冲电压控制节流阀开度以获得与出口干度对应的最优中间压力。为了体现中间节流元件F1在对系统中富含高、低沸点制冷剂流量比调节的同时能够改善系统性能，需保证冷凝器出口制冷剂状态随工况变化只在具有较小干度值或较小过冷度的一定范围内变化：如冷凝器出口干度较大，经中间节流元件F1调节后气液分离器进口制冷剂干度会更大，不利于系统性能的提高；如冷凝器出口干过冷度较大时，中间节流元件F1节流后压力变化范围会受到限制冷凝蒸发器换热温差限制，而且此时系统制热量有较大幅度减小，也不利于系统性能的提高。所以在实际应用中需通过对冷凝器换热面积的设计以及对被加热水流量及温度的粗略调节使冷凝器出口制冷剂状态随工况变化在合适范围内变化。
本发明通过中间节流元件F1合理调节两股制冷剂质量流量比，其中富含低沸点制冷剂流经冷凝蒸发器冷凝后在低温级节流阀F3节流后能够在较小系统压比下获得较低蒸发温度，使系统具有较大工作温差。
本发明在冷凝器出口制冷剂具有较小干度或较小过冷度条件下，利用中间节流元件对进入气液分离器制冷剂干度即系统内富含高、低沸点制冷剂质量流量调节，消除冷凝器出口干度变化对系统性能的负面影响，并起到性能优化的作用，使之具有适应性好、结构简单、运行节能、工作温差大的特点。
实施例：参见图1，以非共沸制冷剂R134a/R123为系统循环工质，该工质对经制冷压缩机A压缩后为高温高压气体，在冷凝器B中部分冷凝形成具有较小干度的气液两相制冷剂或者具有较小过冷度的液相制冷剂，再经过中间节流元件F1节流后获得较高干度的制冷剂并进入气液分离器C进行气液分离，其中富含R134a的制冷剂流在冷凝蒸发器D中冷凝后经低温级节流阀F3节流后获得较低蒸发温度，富含R123的制冷剂流经高温级节流阀F2节流后与蒸发器出口富含低沸点组分制冷剂流混合进入冷凝器蒸发器D低温侧蒸发吸热后直接进入压缩机A吸气口，最终完成制冷剂循环流程。在冷凝器出口制冷剂具有较小干度或较小过冷度条件下，每一冷凝器出口状态都对应有某一最优中间节流程度即最优中间压力以实现系统性能的优化和稳定，具体如下表所示：
| 冷凝器出口状态 | 带中间节流元件自复叠热泵系统最优中间压力(kPa) | 带中间节流元件自复叠热泵系统最优中间压力下COP | 原有自复叠热泵系统COP |
| 出口干度0.4 | 1100 | 2.2 | 2.05 |
| 出口干度0.3 | 700 | 2.34 | 1.97 |
| 出口干度0.2 | 400 | 2.49 | 1.82 |
| 出口干度0.1 | 400 | 2.56 | 1.55 |
| 出口饱和液体 | 400 | 2.57 | - |
| 出口过冷5℃ | 500 | 2.58 | - |
| 出口过冷10℃ | 500 | 2.59 | - |
| 出口过冷20℃ | 500 | 2.61 | - |
注：1.对于原有自复叠热泵系统，冷凝器出口干度必须保证具有有一定干度
2.对于带中间节流元件自复叠热泵系统，出口过冷度过大会导致系统制热量大幅减小，出口干度为0.1时能够获得最大制热量
Claims (2)
1.一种带中间节流元件的自复叠热泵，其特征在于：包括压缩机(A)，压缩机(A)的排气口与冷凝器(B)的进气口连接，冷凝器(B)的出口与中间节流元件(F1)连接，中间节流元件(F1)的出口与气液分离器(C)的进口连接，气液分离器(C)的出液口与高温级节流阀(F2)连接，高温级节流阀(F2)的出口与蒸发器(E)的出口以及冷凝蒸发器(D)低温流体进口连接，气液分离器(C)的出气口与冷凝蒸发器(D)高温流体进口连接，冷凝蒸发器(D)高温流体出口与低温级节流阀(F3)进口连接，低温级节流阀(F3)出口与蒸发器(E)进口连接，冷凝蒸发器(D)低温流体出口与压缩机(A)进口连接形成了具有中间压力调节功能的自复叠热泵循环闭合通道。
2.一种基于权利要求1所述带中间节流元件自复叠热泵的调节方法，其特征在于：中间节流元件(F1)是一种自动控制节流装置，以冷凝器(B)出口状态作为输入信号来控制中间节流元件(F1)节流程度大小，通过对中间节流元件(F1)节流程度的调节实现对气液分离器(C)进口制冷剂干度的调节，实现对系统内富含高、低沸点制冷剂质量流量的调节。
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