一種雙熱源大溫差熱泵機組及制熱方法與流程

本發明屬于制冷、空調與熱泵技術領域，特別是一種雙熱源大溫差熱泵機組及利用非共沸混合工質提供雙低溫熱源及二次側大溫差換熱的雙熱源大溫差熱泵制熱方法。

背景技術：

近年來，隨著傳統熱泵技術的日益成熟，工業用高溫熱水的需求日漸增加，但是傳統空氣源熱泵對出水溫度有較高的限制，冷凝溫度蒸發溫度之差一般為40-50℃，如果出水較高或冷凝蒸發溫度差較大，則會導致冷凝壓力及排氣溫度過高，使系統運行的可靠性降低；同時，熱泵機組的制熱性能也會急劇降低。為此，現有研究很多著眼于尋找合適的工質來解決排氣溫度過高的問題，早期研究中的CFC11、CFC114工質由于其對環境的污染已被棄用，近期則以HCFCs非共沸工質為主。朱秋蘭等研發的HTR02新型工質使得常規熱泵裝置可以將水溫升高至75℃(朱秋蘭，史琳，韓禮鐘，等.中高溫熱泵新工質HTR02實驗研究[J].工程熱物理學報，2005，26(2)：208-2l0)。孫方田等開發的新工質TJR01也具有較好的性質(孫方田，馬一太，王洪利.中高溫熱泵熱水器新工質TJR01循環性能分析[J].天津大學學報，2007，40(2)：153-156)。而常規熱泵使用這些新型工質，雖能解決排氣溫度高問題，但在一個系統中難以實現二次側大溫差換熱及雙熱源換熱的功能。

此外，也有利用非共沸制冷劑不同組元沸點不同的特點，在熱泵系統中充注由沸點不同的兩種及以上的制冷劑混合而成的非共沸混合物作為制冷劑，當供熱溫度較高時，調高熱泵回路中循環制冷劑中的高沸點制冷劑的組成比率(中谷和生，諫山安彥.液體循環式供暖系統.申請號：CN201010108289.0)。該發明雖然具有一定的隨著負荷升高提高工作溫差的能力，但該裝置調節范圍有限，而且調節控制系統復雜。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種雙熱源大溫差熱泵機組以及利用非共沸混合工質提供雙低溫熱源及二次側大溫差換熱的雙熱源大溫差熱泵制熱方法，利用具有一定滑移溫差的非共沸混合工質，實現在雙低溫熱源溫度條件下蒸發換熱及保證用戶側二次介質大溫差換熱，并實現機組在兩種不同蒸發溫度或兩種不同品位低溫熱源條件下高效、可靠制熱運行，并使系統結構簡化、可靠性提高。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種雙熱源大溫差熱泵機組，包括吸入氣態制冷劑并進行壓縮輸出的壓縮機，一個出口與壓縮機吸氣口連接的氣液分離器，還包括一個與壓縮機排氣口相連接用于混合制冷劑中高沸點組分冷凝用的第二用戶端換熱器；

一個用于分離第二用戶端換熱器制冷劑出口氣液兩相制冷劑的分餾器；該分餾器液相出口連接一個用于液態富含高沸點組分制冷劑節流用的第一節流閥，分餾器氣相出口連接一個用于富含低沸點組分制冷劑冷凝用的第一用戶端換熱器；

一個入口與第一用戶端換熱器的制冷劑出口連接的第二節流閥；

一個入口與第二節流閥出口連接并用于富含低沸點組分制冷劑蒸發換熱的低溫蒸發器；

一個入口與第一節流閥出口連接并用于液態富含高沸點組分制冷劑蒸發換熱的高溫蒸發器；

所述的低溫蒸發器及高溫蒸發器的出口通過制冷劑管路連接后與氣液分離器的入口連接。

本發明與現有技術相比，其顯著優點：(1)本發明將高溫高壓非共沸混合制冷劑氣體中高沸點和低沸點兩種不同組分在兩個具有不同露點溫度的冷凝器中冷凝放熱，實現二次側大溫差換熱。(2)本發明提供了兩個具有不同泡點溫度的蒸發器，實現機組在雙熱源或雙蒸發溫度條件下的蒸發換熱，提高機組低溫條件下的制熱性能及可靠性。(3)本發明同時實現二次側大溫差換熱及雙熱源蒸發，具有結構簡單、運行可靠的特點。

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1為本發明提供的雙熱源大溫差熱泵機組構造圖。

圖2為本發明提供的雙熱源大溫差熱泵機組原理圖。

圖3為本發明提供的雙熱源大溫差熱泵機組溫度-濃度圖。

具體實施方式

結合圖1，本發明雙熱源大溫差熱泵機組可以提高二次側換熱介質溫差的熱泵設備，尤其適用于用戶側的二次側換熱介質需要大溫差及具備兩種不同低溫熱源條件的應用場合，包括吸入氣態制冷劑并進行壓縮輸出的壓縮機101，一個出口與壓縮機101吸氣口連接的氣液分離器102，還包括一個與壓縮機101排氣口相連接用于混合制冷劑中高沸點組分冷凝用的第二用戶端換熱器103；

一個用于分離第二用戶端換熱器103制冷劑出口氣液兩相制冷劑(冷凝后的高沸點制冷劑成分和未冷凝的低沸點制冷劑成分)的分餾器104；該分餾器104液相出口連接一個用于液態富含高沸點組分制冷劑節流用的第一節流閥105，分餾器104氣相出口連接一個用于富含低沸點組分制冷劑冷凝用的第一用戶端換熱器106；

一個入口與第一用戶端換熱器106的制冷劑出口連接的第二節流閥107；

一個入口與第二節流閥107出口連接并用于富含低沸點組分制冷劑蒸發換熱的低溫蒸發器108；

一個入口與第一節流閥105出口連接并用于液態富含高沸點組分制冷劑蒸發換熱的高溫蒸發器109；

所述的低溫蒸發器108及高溫蒸發器109的出口通過制冷劑管路連接后與氣液分離器102的入口連接。

所述的制冷劑為非共沸混合制冷劑，一般具有不同沸點溫度的兩種以上制冷劑按通常比例混合構成并具有一定滑移溫差。富含低沸點組分制冷劑是指含有低沸點成分制冷劑含量更高。

所述第二用戶端換熱器103和第一用戶端換熱器106為兩個露點溫度不同的冷凝器，第二用戶端換熱器103為高溫冷凝器，第一用戶端換熱器106為低溫冷凝器。所述第二用戶端換熱器103和第一用戶端換熱器106二次側換熱介質是空氣、水或其他載熱流體。所述二次側換熱介質在第一用戶端換熱器106和第二用戶端換熱器103中串聯，形成二次側換熱介質大溫差換熱。

本發明雙熱源大溫差熱泵機組的非共沸混合制冷劑經第二用戶端換熱器103冷凝并流入分餾器104的混合物相態為氣液兩相，包括冷凝的液態富含高沸點制冷劑組分，以及氣相富含低沸點制冷劑組分。

本發明的第二用戶端換熱器103出口的兩相流體在分餾器104中氣液分離，其中液相富含高沸點組分制冷劑直接從分餾器104液相出口流出經第一節流閥105節流，然后在高溫蒸發器109蒸發吸熱變為低溫低壓氣態，具有較高的泡點溫度。

本發明的分餾器104中氣相富含低沸點組分制冷劑由分餾器104的氣相出口進入第一用戶端換熱器106冷凝放熱，冷凝為液態富含低沸點組分制冷劑經第二節流閥107節流，進入低溫蒸發器108蒸發吸熱變為低溫低壓氣態，具有較低的泡點溫度。所述第一節流閥105、第二節流閥107采用電子膨脹閥、熱力膨脹閥、毛細管或孔板節流閥。

本發明雙熱源大溫差熱泵機組的高溫蒸發器109與低溫蒸發器108內制冷劑壓力相等，制冷劑泡點溫度不同，構成雙熱源蒸發系統，所述的高溫蒸發器109與低溫蒸發器108出口的低壓制冷劑混合后進入氣液分離器102，并從氣液分離器102的出氣口進入壓縮機101。

結合圖1，本發明利用非共沸混合工質提供雙低溫熱源及二次側大溫差換熱的雙熱源大溫差熱泵制熱方法，即壓縮機101吸入非共沸混合氣態制冷劑并進行壓縮輸出給第二用戶端換熱器103，該第二用戶端換熱器103將非共沸混合制冷劑中高沸點組分冷凝，在分餾器104中對冷凝后的氣液兩相制冷劑進行分離，該分餾器104分離出的富含高沸點組分的液相制冷劑經第一節流閥105節流；氣相富含低沸點組分制冷劑在第一用戶端換熱器106中冷凝，冷凝后的液態富含低沸點組分制冷劑在第二節流閥107中節流；

在第二節流閥107出口處由低溫蒸發器108用于液態富含低沸點組分制冷劑蒸發換熱，具有較低泡點溫度；在第一節流閥105出口處由高溫蒸發器109用于液態富含高沸點組分制冷劑蒸發換熱，具有較高泡點溫度；

第二用戶端換熱器103為高沸點組分冷凝換熱器，具有較高露點溫度，為高溫冷凝器；第一用戶端換熱器106為低沸點組分冷凝換熱器，具有較低露點溫度，為低溫冷凝器。二次側換熱介質空氣、水或其他載熱流體依次串聯流經第一用戶端換熱器106和第二用戶端換熱器103，形成二次側換熱介質大溫差換熱；

高溫蒸發器109與低溫蒸發器108內制冷劑壓力相等，制冷劑泡點溫度不同，構成雙熱源蒸發系統；高溫蒸發器109與低溫蒸發器108出口的低壓制冷劑混合后進入氣液分離器102進行氣液分離，分離出的氣體從氣液分離器102的出口進入壓縮機101。

下面結合圖2和圖3對本發明的工作原理進一步詳細描述。

本發明的基于非共沸混合工質的雙熱源大溫差熱泵機組，包括吸入氣態制冷劑并進行壓縮輸出的壓縮機101，其出口制冷劑狀態對應于圖3的狀態點2點；一個出口與壓縮機101吸氣口連接的氣液分離器102，還包括一個與壓縮機101排氣口相連接用于混合物制冷劑中高沸點組分冷凝用的第二用戶端換熱器103，其出口狀態點對應于3點；一個用于分離第二用戶端換熱器103制冷劑出口氣液兩相制冷劑冷凝后的高沸點制冷劑成分和未冷凝的低沸點制冷劑成分的分餾器104，所述分餾器104將狀態點為3點的制冷劑分離為飽和氣相5點和飽和液相4點；分餾器104液相出口接有一個用于液態富含高沸點組分制冷劑節流用的第一節流閥105，所述第一節流閥105將狀態點4點節流至狀態點9點；分餾器104氣相出口接有一個用于富含低沸點組分制冷劑冷凝用的第一用戶端換熱器106，將處于狀態點5點的氣相制冷劑冷凝至飽和液相，對應于6點；一個與第一用戶端換熱器106的制冷劑出口連接的第二節流閥107，所述第二節流閥107將冷凝后的富含低沸點組分制冷劑液體節流至狀態點7；一個位于第二節流閥107出口用于液態富含低沸點組分制冷劑蒸發換熱的低溫蒸發器108，使得富含低沸點組分制冷劑液體蒸發，達到狀態點8；一個位于第一節流閥105出口用于液態富含高沸點組分制冷劑蒸發換熱的高溫蒸發器109，使得富含高沸點組分制冷劑液體蒸發，達到狀態點10；最終狀態點8和狀態點10對應狀態的制冷劑混合后至狀態點1，進入氣液分離器102。

所述的基于非共沸混合工質的雙熱源大溫差熱泵機組的第二用戶端換熱器103和第一用戶端換熱器106為露點溫度不同的兩個冷凝器，第二用戶端換熱器103為高溫冷凝器，第一用戶端換熱器106為低溫冷凝器，其中第一用戶換熱器的冷凝溫度T_c2為圖3中介于點5和點6溫度之間的某個溫度，第二用戶換熱器的冷凝溫度T_c1為圖3中介于點2和點3溫度之間的某個溫度。

所述的基于非共沸混合工質的雙熱源大溫差熱泵機組的第二用戶端換熱器103和第一用戶端換熱器106二次側換熱介質可以是空氣或水或其他載熱流體；所述的二次側換熱介質在第一用戶端換熱器106和第二用戶端換熱器103中串聯，形成二次側換熱介質大溫差換熱。

所述的基于非共沸混合工質的雙熱源大溫差熱泵機組的第二用戶端換熱器103出口，流入分餾器104的混合物制冷劑為氣液兩相流，包括幾乎全部冷凝的液態高沸點制冷劑成分，以及仍處于氣相的低沸點制冷劑成分，對應于圖3中的狀態點3。

所述的基于非共沸混合工質的雙熱源大溫差熱泵機組的第二用戶端換熱器103出口的兩相流體在分餾器104中氣液分離，其中液相組分富含高沸點組分制冷劑直接從分餾器104出口流出經第一節流閥105節流，然后在高溫蒸發器109蒸發吸熱變為低溫低壓氣態，具有較高的泡點溫度，該溫度T_e1為介于圖3狀態點9和10的溫度之間的某個溫度。

所述的基于非共沸混合工質的雙熱源大溫差熱泵機組的分餾器104中氣相組分富含低沸點組分制冷劑流入第一用戶端換熱器106冷凝放熱，冷凝后的液態富含低沸點組分制冷劑經第二節流閥107節流，進入低溫蒸發器108蒸發吸熱后變為低溫低壓氣態，具有較低的泡點溫度，該溫度T_e2為介于圖3狀態點7和8的溫度之間的某個溫度。

所述的基于非共沸混合工質的雙熱源大溫差熱泵機組的高溫蒸發器109與低溫蒸發器108內制冷劑壓力相等，制冷劑泡點溫度不同(分別為T_e1和T_e2)，構成雙熱源蒸發系統，所述的高溫蒸發器109與低溫蒸發器108出口的低壓制冷劑混合后，此時制冷劑狀態對應于圖3中的點1，然后進入氣液分離器102，并從氣液分離器102的出氣口進入壓縮機101。