CN102721237A - 水源回热型高温热泵 - Google Patents
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Abstract
一种水源回热型高温热泵：通过水源过冷热泵循环，完成冷媒深度过冷，确保膨胀阀长期可靠运行；通过水源回热循环回收冷媒深度过冷显热与油冷却显热等，用于提升水源进口温度和蒸发温度，降低热泵压缩比，确保热泵高效运行，同时降低压缩机排气温度，确保压缩机长期可靠运行；此外，制热负荷与水源温度的波动，不再像经济器或回热器等技术中的多回路循环那样，引发水源高温热泵的不稳定运行，因此无需使用电子膨胀阀处理波动问题。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种水源回热型高温热泵。
(二)背景技术
在水源高温热泵所采用的主要部件中，半封闭螺杆压缩机的排气温度最高限定值为110℃，而膨胀阀进口冷媒温度的最高限定值为68℃；因此当水源高温热泵实现90℃出水时，其冷凝温度已达95℃，即使考虑冷凝器中的5℃过冷，膨胀阀进口冷媒温度也达90℃，远超其68℃的最高限定值；此时，非等熵压缩的排气温度也超110℃。
如何把水源高温热泵的压缩机排气温度降低到110℃以下，以及把膨胀阀进口冷媒温度降低到68℃以下；确保其长期可靠运行，就成为水源高温热泵急需解决的关键性技术。
传统的经济器技术是水源高温热泵的备选方案之一。经济器兼具冷媒的过冷器，以及冷却压缩机等双重作用；其中冷凝器出口的冷媒流量被分成两部分，较少部分m1节流后在经济器中压侧蒸发，以冷却高压侧较多部分m2，使其进一步过冷；在蒸发器中冷媒流量m2减少但过冷的前提下，提高热泵的制热功率与制热能效；所形成的中压冷媒气流m1则从补气口流入压缩机，对其提供额外的冷却。
然而，经济器技术存在的问题如下：
(1)带经济器的热泵，需增加压缩机补气口、经济器及其膨胀阀等，投资的增加使其通常适用于大型热泵；
(2)只有当热泵压缩比大于4时，经济器技术才对提高其制热功率与制热能效有所帮助；
(3)压缩机补气口的直径，通过限制经济器中压侧的冷媒补气流量，而限制了经济器高压侧的过冷度，通常为5至8℃，从而使得蒸发器膨胀阀的进口冷媒温度只能过冷到82℃，仍远高于最高限定值68℃，这就严重制约蒸发器膨胀阀的可靠性；
(4)带有经济器的热泵为双回路系统，一旦制热负荷或水源温度波动，将会引发水源高温热泵的不稳定运行，因此该技术只适用于稳定工况运行；
(5)由于经济器膨胀阀的进口冷媒温度仍为90℃，这就严重制约经济器膨胀阀的可靠性。
传统的回热器技术是水源高温热泵的备选方案之二。冷凝器出口引入回热器一侧的高温冷媒液，加热蒸发器出口引入另侧的低温冷媒气，从而使得高温冷媒液进一步过冷，以提高蒸发器中制冷量；同时低温冷媒气进一步过热，从而避免压缩机液击；这使蒸发器中用于过热的换热面积最小化，以便高效利用蒸发器换热面积，获得更高蒸发温度，或可选用更少换热面积的蒸发器。由于冷媒质量流量在回热器两侧相同，因此冷媒液的过冷焓减，便会精确等于冷媒气的过热焓增。
然而，回热器技术存在的问题如下：
(1)冷媒气过热度的增加，会导致排气温度的升高，一旦超出其最高限定值，就会造成压缩机故障；因此这就限制了过冷度的提高；
(2)带有回热器的热泵为双回路系统，一旦制热负荷或水源温度波动，将会引发水源高温热泵的不稳定运行，因此该技术只适用于稳定工况运行；
(3)为确保水源高温热泵的稳定运行，需使用电子膨胀阀处理负荷波动；
(4)由于该技术中冷媒气过热度的增加，导致排气温度进一步升高，因此不适用于要求降低排气温度的水源高温热泵。
(三)发明内容
本发明的目的是综合经济器技术与回热器技术各自的优点，改进其不足之处，从而提供一种通过水源为载冷剂以实现高温热泵两端回热，确保增加膨胀阀进口冷媒过冷度的同时，降低压缩机排气温度；不仅提高机组制热能效，而且提高产品可靠性。
本发明采用的技术方案，即水源回热型高温热泵如附图1所示，其中：1-压缩机；2-油分离器；3-使用侧冷凝器；4-过冷回热器；5-手动阀门；6-干燥过滤器；7-视液镜；8-电磁阀；9-膨胀阀；10-水源蒸发器；11-手动节流阀；12-油过滤器；13-消音器；14-油冷回热器；15-温度传感器；16-温度开关；17-铂电阻温度传感器；18-压力表；19-压力传感器；20-压力控制器；21-压差开关；22-安全阀；23-冷媒充注阀；24-润滑油；25-润滑油加热器；26-冷媒。
按照附图1所示的水源回热型高温热泵：其由压缩机1的排气出口法兰，通过管道、油分离器2的冷媒侧、使用侧冷凝器3冷媒侧、充注三通、过冷回热器4冷媒侧、手动阀门5、干燥过滤器6、与干管并联连接的视液镜7、分流三通、电磁阀8、膨胀阀9、水源蒸发器10冷媒侧、充注三通等，连接压缩机1吸气入口法兰，以组成水源过冷热泵回路；
压缩机1的出油接头，通过管道、手动阀门5、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油冷侧、分流三通、视液镜7、消音器13等，连接压缩机1的入油接头，以形成压缩机1的油冷回路；
油分离器2的出油角阀，通过管道、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油分侧、视液镜7等，连接压缩机1的冷媒接头，以形成压缩机1的油分回路；
通过管道、分流三通及油冷侧的手动阀门5、并联连接的过冷回热器4与油冷回热器14、汇流三通、水源蒸发器10的水源侧进口等，以形成水源回热回路；
过冷回热器4冷媒侧出口的分流三通，通过管道、电磁阀8、手动节流阀11等，连接压缩机1的液冷喷射口，以形成压缩机1的电机液冷喷射回路；
油冷回热回路中的分流三通，通过管道、手动阀门5等，连接压缩机1的压缩室喷射口，以形成压缩机1的压缩室喷油冷却回路；
压缩机1的排气口与吸气口，使用侧冷凝器3的进水口与出水口，水源蒸发器10的进水口与出水口，过冷回热器4与油冷回热器14的分流三通进水口，油冷回热器14的油冷出口等处，各设置1只温度传感器15，压缩机1的电机绕组中预埋1只铂电阻温度传感器17，压缩机1的排气腔处设置1只温度开关16等，以形成水源高温热泵的温度检测回路；
压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力表18，压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力控制器20，压缩机1的高压侧角阀与压差开关接头之间接入1只压差开关21，使用侧冷凝器3的冷媒侧设置1只或多只安全阀22等，以形成水源高温热泵的压力检测回路；
使用侧冷凝器3的冷媒侧出口液管，与水源蒸发器10的冷媒侧出口气管，通过充注三通各设置1只冷媒充注阀23，以形成水源高温热泵的2个冷媒充注点；
压缩机1的底部油池中充注润滑油24，压缩机1的底部油池中设置润滑油加热器25；
水源过冷热泵回路中充注冷媒26。
压缩机1的吸气进口处分别设置1只铂电阻温度传感器17和1只压力传感器19，与膨胀阀9形成节流控制回路。
压缩机1是离心式压缩机、半封闭螺杆压缩机、开启式螺杆压缩机、涡旋式压缩机、转子式压缩机、活塞式压缩机。
使用侧冷凝器3和或水源蒸发器10，是干式换热器、满液式换热器。
使用侧冷凝器3和或水源蒸发器10，是管壳式换热器、板式换热器、套管式换热器、板翅式换热器、盘管式换热器等的冷媒与载冷剂间换热器。
膨胀阀9是电子膨胀阀、热力膨胀阀、手动膨胀阀、节流孔板、毛细管等，或者是其相互之间的并联连接。
润滑油24是CPI320润滑油。
冷媒26是R134a、R124、R245fa。
本发明的工作原理结合附图1说明如下：
压缩机1启动，以驱动冷媒26流经油分离器2冷媒侧、使用侧冷凝器3冷媒侧、充注三通、过冷回热器4冷媒侧、手动阀门5、干燥过滤器6、与干管并联连接的视液镜7、分流三通、电磁阀8、膨胀阀9、水源蒸发器10冷媒侧、充注三通、压缩机1；其中，经膨胀阀9节流后形成的低温低压两相冷媒，在水源蒸发器10冷媒侧从水源侧的水流中吸收热量Q，而蒸发成低温低压的过热冷媒气，并使水流降温后排出；然后过热冷媒气被输入轴功率W的压缩机1，压缩成高温高压的过热冷媒气，再经油分离器2的分离后，进入使用侧冷凝器3的冷媒侧凝结为高温高压的过冷冷媒液，同时把冷凝热量(Q+W)释放给使用侧的高温回水，使其进一步加热升温，而高压过冷的冷媒液再流经过冷回热器4的冷媒侧，被另侧的水源进水深度过冷，然后再经膨胀阀9节流，而重新成为低温低压的两相冷媒，以完成水源过冷热泵循环。
润滑油从压缩机1内部高压端经出油接头、管道、手动阀门5、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14油冷侧、分流三通、视液镜7、消音器13等，流回压缩机1低压端入油接头，其中在油冷回热器14中把润滑油的冷却显热释放给另侧的水源进水，以完成压缩机1的润滑油冷却循环；
油分离器2下部被分离出的润滑油经浮球阀控制流经出油角阀、管道、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油分侧、视液镜7，而流入压缩机1的冷媒接头，其中在油冷回热器14中把润滑油的分离后冷却显热释放给另侧的水源进水，以完成油分离器2的润滑油分离后冷却循环；
水源进水，流经分流三通及油冷侧手动阀门5、并联连接过冷回热器4与油冷回热器14的水源侧、汇流三通等形成的水源回热回路，以充分回收过冷回热器4中另侧的高温冷媒深度过冷显热、油冷回热器14中另侧的润滑油冷却显热与润滑油分离后冷却显热，提升温度后的进水，再进入水源蒸发器10的水源侧，以提升水源蒸发器10中蒸发温度，完成水源回热循环；
经过冷回热器4深度过冷后的冷媒液，流经分流三通、管道、电磁阀8、手动节流阀11、液冷喷射口，以喷射冷媒液冷却压缩机1的电机，完成电机液冷喷射循环；
经油冷回热器14的油冷侧，被另侧的水源进水充分冷却后的压缩机1中润滑油，流经分流三通、管道、手动阀门5、喷射口，以喷入并冷却压缩机1中压缩室，完成电机油冷喷射循环；
压缩机1的排气口与吸气口、使用侧冷凝器3的进水口与出水口、水源蒸发器10的进水口与出水口、过冷回热器4与油冷回热器14的分流三通进水口、油冷回热器14的油冷出口等处设置温度传感器15，压缩机1电机绕组中预埋的铂电阻温度传感器17，压缩机1排气腔处设置的温度开关16等，共同配合电气控制系统，完成对水源高温热泵的温度控制；
压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀设置的压力表18与压力控制器20、压缩机1的高压侧角阀与压差开关接头之间接入的压差开关21、使用侧冷凝器3冷媒侧设置的安全阀22，共同配合电气控制系统，完成对水源高温热泵的压力控制；
压缩机1吸气进口处分别设置的铂电阻温度传感器17和压力传感器19，共同配合电气控制系统，完成对膨胀阀9的开度控制；
水源高温热泵组装完成后，通过使用侧冷凝器3的冷媒出口液管，与水源蒸发器10的冷媒出口气管上，设置的冷媒充注阀23，完成对水源高温热泵的冷媒充注。
与现有技术相比较，本发明的结构特点如下：
1、通过水源过冷热泵循环，完成使用侧冷凝器3出口冷媒的深度过冷，其过冷度不再受压缩机补气口流通直径的限制，从而确保膨胀阀9的长期可靠运行；
2、通过水源回热循环，即可同时回收高温冷媒深度过冷显热、润滑油冷却显热、润滑油分离后冷却显热，进而提升水源蒸发器10的水源进口温度和蒸发温度，降低热泵压缩比，确保水源高温热泵的高效运行；
3、由于水源的回热热量，是用于提升水源蒸发器10中蒸发温度，而非像回热器技术那样，用于增加冷媒气过热度；因此就可通过提升蒸发温度，降低热泵压缩比，进而降低压缩机排气温度，确保压缩机长期可靠运行；
4、由于水源过冷热泵循环的特点为冷媒的单回路循环，因此制热负荷或水源温度的波动，不再像经济器或回热器等技术中的冷媒多回路循环那样，引发水源高温热泵的不稳定运行，以使本发明广泛适用于制热负荷或水源温度不稳定的运行工况；
5、为确保水源高温热泵的稳定运行，不再需要使用电子膨胀阀处理制热负荷或水源温度的波动。
因此与现有经济器或回热器等技术相比，本发明的技术优势如下：本发明通过冷媒单回路的水源过冷热泵循环，完成冷媒深度过冷，确保膨胀阀长期可靠运行；通过水源回热循环同时回收冷媒深度过冷显热与油冷却显热等，用于提升水源进口温度和蒸发温度，降低热泵压缩比，确保热泵高效运行，同时降低压缩机排气温度，确保压缩机长期可靠运行；此外，制热负荷与水源温度的波动，不再像经济器或回热器等技术中的多回路循环那样，引发水源高温热泵的不稳定运行，因此无需使用电子膨胀阀处理波动问题。
(四)附图说明
附图1为本发明的系统流程图。
(五)具体实施方式
本发明提出的水源回热型高温热泵实施例如附图1所示，现说明如下：其由RC2-930B型半封闭螺杆压缩机1的排气出口法兰，通过直径76mm紫铜管、接口直径76mm的油分离器2冷媒侧、进口直径76mm、出口直径64mm且换热面积138.6m2的使用侧满液式管壳冷凝器3冷媒侧、接口直径64mm+64mm+6mm的充注三通、接口直径64mm的过冷回热器4冷媒侧、接口直径64mm的手动球阀5、接口直径64mm的干燥过滤器6、接口直径9.4mm且与直径64mm的干管并联连接的视液镜7、接口直径64mm+64mm+6mm的分流三通、接口直径64mm的电磁阀8、接口直径41mm且型号EX8-I21的电子膨胀阀9、进口直径64mm、出口直径108mm且换热面积69.1m2的水源干式管壳蒸发器10冷媒侧、接口直径108mm+108mm+6mm的充注三通等，连接接口直径108mm的压缩机1吸气入口法兰，以组成水源过冷热泵回路；
压缩机1的接口直径3/4″出油接头，通过直径19mm紫铜管、接口直径3/4″手动球阀5、接口直径3/4″油过滤器12、接口直径3/4″手动球阀5、接口直径19mm油冷回热器14的油冷侧、接口直径19mm+19mm+6mm分流三通、接口直径3/4″视液镜7、接口直径3/4″消音器13等，连接压缩机1接口直径3/4″的入油接头，以形成压缩机1的油冷回路；
油分离器2的接口直径3/8″出油角阀，通过直径3/8″紫铜管、接口直径3/8″油过滤器12、接口直径3/8″手动球阀5、接口直径3/8″油冷回热器14油分侧、接口直径3/8″视液镜7等，连接压缩机1接口直径3/8″的冷媒接头，以形成压缩机1的油分回路；
通过直径159mm钢管、接口直径分别为159mm+100mm+73mm分流三通，及接口直径73mm油冷侧手动球阀5、并联连接的接口直径100mm过冷回热器4与接口直径73mm油冷回热器14、接口直径分别为159mm+100mm+73mm的汇流三通、水源蒸发器10水源侧的直径159mm进口等，以形成水源回热回路；
过冷回热器4冷媒侧出口直径分别为64mm+64mm+9mm的分流三通，通过直径9mm紫铜管、接口直径9mm电磁阀8、接口直径9mm手动节流阀11等，连接压缩机1的直径6mm液冷喷射口，以形成压缩机1的电机液冷喷射回路；
油冷回热回路中接口直径分别为19mm+19mm+6mm的分流三通，通过直径6mm紫铜管、接口直径6mm手动球阀5等，连接压缩机1中压缩室的直径6mm喷射口，以形成压缩机1的压缩室喷油冷却回路；
压缩机1的直径76mm排气口与直径108mm吸气口，使用侧冷凝器3的直径133mm进水口与直径133mm出水口，水源蒸发器10的直径159mm进水口与直径159mm出水口，过冷回热器4与油冷回热器14的分流三通进水口，油冷回热器14的直径19mm油冷出口等处，各设置1只ECN-N60型温度传感器15，压缩机1的电机绕组中预埋1只PT100铂电阻温度传感器17，压缩机1的排气腔处设置1只接口直径6mm的温度开关16等，以形成水源高温热泵的温度检测回路；
压缩机1的高压侧接口直径1/4″角阀与低压侧接口直径1/4″角阀各设置1只型号WI-3.8和WI-1.8的压力表18，压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只型号KP5和KP1的压力控制器20，压缩机1的高压侧角阀与压差开关直径1/4″接头之间接入1只油过滤器用压差开关21，使用侧冷凝器3的冷媒侧设置2只安全阀22等，以形成水源高温热泵的压力检测回路；
使用侧冷凝器3的冷媒侧直径64mm出口液管，与水源蒸发器10的冷媒侧直径108mm出口气管，通过直径64mm+64mm+6mm与直径108mm+108mm+6mm的充注三通，各设置1只1/4″针阀23，以形成水源高温热泵的2个冷媒充注点；
压缩机1的底部油池中充注16kgCPI320润滑油24，压缩机1的底部油池中设置300W润滑油加热器25；
水源过冷热泵回路中充注R124冷媒26。
压缩机1接口直径108mm的吸气进口处分别设置1只PT100铂电阻温度传感器17和1只型号PT5-07M的压力传感器19，与膨胀阀9形成节流控制回路。
膨胀阀9是接口直径41mm且型号EX8-I21的电子膨胀阀9与接口直径41mm且型号RS150H的手动膨胀阀之间并联连接。
本发明实施例在水源进口温度48℃，通过水源回热循环提升水源进口温度至51.3℃，水源蒸发器进出口温差仍保持8℃，循环供水温度90℃且回水温度82℃时，可实现热泵制热功率812.1kW，总输入电功率264.1kW，热泵制热系数3.07，距离机组1m处运行噪音80dB，运行重量9500kg。
Claims (8)
1.一种水源回热型高温热泵，其由压缩机(1)；油分离器(2)；使用侧冷凝器(3)；过冷回热器(4)；手动阀门(5)；干燥过滤器(6)；视液镜(7)；电磁阀(8)；膨胀阀(9)；水源蒸发器(10)；手动节流阀(11)；油过滤器(12)；消音器(13)；油冷回热器(14)；温度传感器(15)；温度开关(16)；铂电阻温度传感器(17)；压力表(18)；压力传感器(19)；压力控制器(20)；压差开关(21)；安全阀(22)；冷媒充注阀(23)；润滑油(24)；润滑油加热器(25)；冷媒(26)。其特征在于：按照附图1所示的水源回热型高温热泵：其由压缩机1的排气出口法兰，通过管道、油分离器2的冷媒侧、使用侧冷凝器3冷媒侧、充注三通、过冷回热器4冷媒侧、手动阀门5、干燥过滤器6、与干管并联连接的视液镜7、分流三通、电磁阀8、膨胀阀9、水源蒸发器10冷媒侧、充注三通等，连接压缩机1吸气入口法兰，以组成水源过冷热泵回路；压缩机1的出油接头，通过管道、手动阀门5、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油冷侧、分流三通、视液镜7、消音器13等，连接压缩机1的入油接头，以形成压缩机1的油冷回路；
油分离器2的出油角阀，通过管道、油过滤器12、手动阀门5、油冷回热器14的油分侧、视液镜7等，连接压缩机1的冷媒接头，以形成压缩机1的油分回路；通过管道、分流三通及油冷侧的手动阀门5、并联连接的过冷回热器4与油冷回热器14、汇流三通、水源蒸发器10的水源侧进口等，以形成水源回热回路；过冷回热器4冷媒侧出口的分流三通，通过管道、电磁阀8、手动节流阀11等，连接压缩机1的液冷喷射口，以形成压缩机1的电机液冷喷射回路；油冷回热回路中的分流三通，通过管道、手动阀门5等，连接压缩机1的压缩室喷射口，以形成压缩机1的压缩室喷油冷却回路；压缩机1的排气口与吸气口，使用侧冷凝器3的进水口与出水口，水源蒸发器10的进水口与出水口，过冷回热器4与油冷回热器14的分流三通进水口，油冷回热器14的油冷出口等处，各设置1只温度传感器15，压缩机1的电机绕组中预埋1只铂电阻温度传感器17，压缩机1的排气腔处设置1只温度开关16等，以形成水源高温热泵的温度检测回路；压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力表18，压缩机1的高压侧角阀与低压侧角阀各设置1只压力控制器20，压缩机1的高压侧角阀与压差开关接头之间接入1只压差开关21，使用侧冷凝器3的冷媒侧设置1只或多只安全阀22等，以形成水源高温热泵的压力检测回路；使用侧冷凝器3的冷媒侧出口液管，与水源蒸发器10的冷媒侧出口气管，通过充注三通各设置1只冷媒充注阀23，以形成水源高温热泵的2个冷媒充注点；压缩机1的底部油池中充注润滑油24，压缩机1的底部油池中设置润滑油加热器25；水源过冷热泵回路中充注冷媒26。
2.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：压缩机1的吸气进口处分别设置1只铂电阻温度传感器17和1只压力传感器19，与膨胀阀9形成节流控制回路。
3.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：压缩机1是离心式压缩机、半封闭螺杆压缩机、开启式螺杆压缩机、涡旋式压缩机、转子式压缩机、活塞式压缩机。
4.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：使用侧冷凝器3和或水源蒸发器10，是干式换热器、满液式换热器。
5.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：使用侧冷凝器3和或水源蒸发器10，是管壳式换热器、板式换热器、套管式换热器、板翅式换热器、盘管式换热器等的冷媒与载冷剂间换热器。
6.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：膨胀阀9是电子膨胀阀、热力膨胀阀、手动膨胀阀、节流孔板、毛细管等，或者是其相互之间的并联连接。
7.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：润滑油24是CPI320润滑油。
8.按照权利要求1所述的水源回热型高温热泵，其特征在于：冷媒26是R134a、R124、R245fa。
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