专利名称：低温热源热泵容量调节方法
技术领域：
本发明涉及一种低温热源热泵容量调节方法，利用可变制冷剂成分的热泵系统，以扩大系统容量的范围和效率，特别涉及当环境温度降低以后，系统加热能力的扩大。
背景技术：
热泵系统通常是双向的，即它们能够实现加热或冷却，或者有时同时加热和冷却。目前用电力驱动的住宅用和小型商用空气热源热泵系统在运行和性能上存在着两方面的局限。主要是，它们在低温环境下，没有充足的容量，这样必须利用诸如电阻加热或石油燃烧之类的补充热源。另外，热泵在低温环境下工作加热的空气温度低于人们感到舒适的温度。同样，当热泵用于制冷目的时，室内外环境温度的变化引起对冷量需求的变化，否则影响室内舒适度和引起系统性能的下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温热源热泵容量调节方法。
一种低温热源热泵系统是由压缩机排气口连接到四通换向阀的进口端口，四通换向阀的第一出口端口通过管道依次连接室外换热器、单向阀、高压贮液罐，其中的一路连接低压调节装置、单向阀、室内换热器、四通换向阀的第三端口，四通换向阀的第二出口端口连接管一路直接连接压缩机的吸气口，另一路连接分离装置的进口，分离装置的出口连接压缩机的吸气口，从高压贮液罐出口连出的另一管路经电磁阀，减压机构到分离装置的气液分离器内；制热循环时室内换热器是冷凝器，实际运行时它的出口通过单向阀与高压贮液罐进口相连，在高压贮液罐的出口是通过低压调节装置、单向阀与做为蒸发器的室外换热器相连。
一种低温热源热泵系统的容量调节方法是提供一与所述压缩机、蒸发器即室外换热器连通的分离装置，在冬季运行时所述低压贮液罐用于容纳低温环境时系统为提高蒸发压力而排出的部分液态制冷剂混合物，通过加热及加回流液两种手段精馏所述低压贮液罐内的制冷剂，从而使所盛装的混合物中主要为高沸点工质组分，以增加系统低沸点制冷剂循环浓度，增加热泵的加热能力；当环境温度升高时，所述低压贮液器向所述系统提供所容纳的高浓度的高沸点制冷剂，以减小系统容量，提高系统效能。
另一种低温热源热泵系统的容量调节方法是提供一与所述压缩机、蒸发器即室外换热器连通的分离装置，在夏季运行时当所需制冷负荷增大时，低压调节装置的执行阀门动作，增加流过蒸发器的制冷剂流量，当蒸发器出口制冷剂温度在一定时间内仍不能降到设定的温度范围，则减压旁通管路开启，使得过量的液体进入分离装置，液体工质在经过分气液分离器时下落，同时低压贮液罐被加热，发生精馏过程，中的高沸点工质量增加，系统中循环工质的低沸点成分比例升高，系统制冷量增大；当所需冷负荷减小时，压缩机吸气压力偏低于设定值后，低压贮液罐中的高沸点工质被加热进入系统循环，系统中高沸点工质比例增大，系统制冷量减少。
本发明能在很宽的环境温度内有效地运行，在冬季运行时，这个范围满足建筑物加热负载的要求，通过有效地向空间提供足够的高温加热空气，热泵能提供舒适的室内空气传送温度，不会再产生冷气流效应，并且热泵使用为环境所接受的安全的制冷剂。而在夏季制冷工况时，系统输出冷量随需要而变，空调效果好，系统启停少，效能高。
本发明使用非共沸混合物作为循环工质实现以上的优点，它基于以下理由首先，目前常用的R22工质属于HCFC工质，国际上已有针对它的限产、淘汰计划，并在逐步实施。而R22的工质替代物中，少有性能更好的纯质，大多为混合工质。
其次，克服纯质在热泵运用中的局限性。当室外温度降低时，常规的纯质工质由于自身热力性质的局限，不能从环境中吸取更多的热量来满足房间热量的需求。需要用辅助热源加热取暖。而采用混合工质变浓度调节，可以通过改变混合物中低沸点工质的组分，来改善工质的热力性质，使其能从环境中吸取更多的热量。
混合工质具有可匹配工质浓度稳定性能的优势，混合工质的变浓度容量调节可以改善季节能效比。在部分负荷区采用变浓度容量调节，经合理选择的混合工质的可匹配稳态能效比均要高于纯质制冷剂R22。实验证明，若空调系统在运行季节中工质浓度按照可匹配工质浓度曲线变化，得到的季节能效比大于开停调节系统的季节能效比。
混合工质的变浓度调节可以消除开停损失和减少室温的波动。理想的变浓度容量调节可以通过调节出力与负荷的跟随，以满足室内温度不变或比开停调节小得多的室内温度变化。此种空调系统不会因为温控器的频繁动作而周期性的开停，从而消除了开停冷量损失。
附图是一种低温热源热泵系统结构示意图。
具体实施例方式
由于本发明系统采用变容量方式，需要使用的制冷剂较常规系统更多，运行时需要贮存多余的体积。为了实现这个目的，本系统使用高压贮液罐5和低压贮液罐16，在低压贮液罐16内存放相对于系统循环浓度而过量的主要是高沸点的制冷剂混合物，在高压贮液罐5中盛放相同于系统浓度的多余的制冷剂。
根据本发明，热泵系统使用一定量足以实现系统容量的两(多)组分非共沸混合制冷剂，制冷剂中的一种(或多种)组分的沸点高于混合物中的其他组分；一由一精馏柱15向低压贮液罐16供料以及从系统混合物中除去高沸点组分的分离装置13。进一步根据本发明的这种方式，贮液罐16内的液体可被加热使混合物中被分离出来的高沸点组分处于一很高百分比的浓度范围。
本发明的这个方式可使用很多HFC混合物或其他为环境所接受的制冷剂进行工作。虽然具体的制冷剂成分与本发明无关，但是作为一个示例，本发明采用的制冷剂是R32/R134a含有R32和R134a。它们及其它HFC工质的多种组合也可以有效地工作，这取决于希望得到的加热和冷却变化范围，同时要求混合物中的其中两种工质其标准沸点相差一定值。
附图示出在系统中所有的阀门、连接线路和组件。其中的低压调节装置采用电子膨胀阀。
本发明的热泵系统常规部分包括室内换热器4、室外换热器3、压缩机1、四通换向阀2、低压调节装置6及有关阀门附件。另外增加部分是为了实现变容量目的而设，包括盛放冷凝器流出的高压液体的高压贮液罐5、由气液分离器14、精馏柱15、低压贮液罐16组成的分离装置13、并联于低压调节装置6和蒸发器(制冷时为室内换热器4，制热时为室外换热器3)的减压旁通管路20、低压调节阀门启闭控制装置以及数只控制流向的单向阀等。
热泵工质流向为从压缩机1→四通换向阀2→室内换热器4(作为冷凝器)→单向阀8→高压贮液罐5→低压调节装置6→单向阀9→室外换热器3(作为蒸发器)→四通换向阀2→分离装置13→压缩机1。当热泵系统处于冷却模式时，流向为从压缩机1→四通换向阀2→室外换热器3(作为冷凝器)→单向阀7→高压贮液罐5→低压调节装置6→单向阀10→室内换热器4(作为蒸发器)→四通换向阀2→分离装置13→压缩机1。压缩机可以是任何普通的活塞式、旋转式或其他类型压缩机。
根据本发明，低压贮液罐16内有一电加热器17。为了节能，也可以采用电加热器和加热盘管复合结构实现加热目的。这时加热盘管通过导管将它连接到高压贮液罐出口电磁阀的相对侧，通过控制电磁阀的通断，可以有选择地使得工质流过低压贮液罐16、对其进行加热。当打开电磁阀时，加热盘管不在系统内。复合加热方式的选择条件是当室外环境温度较高，如按计算选定某一温度，在高于该温度下，采用电加热方式向低压贮液罐16提供热量使得其中的低沸点组分浓度低于一定范围，而在低于这一环境温度时，则由于高压贮液罐制冷液体温度大大高于精馏温度，故可通过控制该流体工质流过低压贮液罐以使其保持一定温度，而不需提供额外的电能，更经济；同时因为加热低压贮液罐内液体，返回的制冷剂进入低压装置前可充分过冷，从而提高效率。但考虑到采用复合加热方式会使得系统不容易稳定，且运行控制变得复杂，故本专利只介绍单独的电加热型式。通过一普通的精馏柱15向其下部低压贮液罐16供料，精馏柱结合一普通的液体/蒸汽气液分离器14一起工作，它们的工作方式是这样的，当系统稳态正常工作时，从蒸发器3流出的皆为有一定过热范围(如5℃)的过热气体，直接流回到压缩机1，分离装置13中的低压贮液罐16、精馏柱15都在系统外。当室外温度降低时，原成分比下的工质在蒸发器3中难以吸收到足够的热量而不能被全部蒸发，从3流出时过热度逐渐减小直到两相状态，即使节流装置自行调节，使得制冷剂流量减小，却会造成压缩机的吸气压力低于控制值(如设定为0.5Mpa)，这时与低压调节装置6平行的通向分离装置13的减压旁通管路20上的电磁阀11打开，使得有小流量的混合物工质流到13内的气液分离器，由末端孔口喷出，其为两相状态，液相工质部分会顺着精馏柱15留下，这同时分离装置下部的电加热也开启，所加热量要求罐内温度处于高、低沸点工质在罐内压力下各自对应的饱和温度t高和t低之间，接近于t高则分馏过程时间会短些。这样在电加热器提供一定的加热量下，引起混合组分蒸发，更多溶液会汽化上升，其程度与各自挥发性有关。R134a标准沸点-26.16℃，R32为-52.8℃，故该混合物是非共沸的。在精馏柱中进行热质交换，通过上升的混合物气体和下降的混合物液体的相互接触，使得更多的低沸点工质R32被压缩机抽吸回到系统中，高沸点工质R134a被留在低压贮液罐中。这样当系统中一定量的高沸点组分被分离而留在低压贮液罐16后，压缩机1吸气压力回升到控制值范围，系统容量得以增加。
当外界空气下降到低于5℃时，将有更多液体流到低压贮液罐中。这时通过电加热量会更大，以适应更强的加热需求。通过精馏，系统循环工质成分比可以达到一个新的平衡，其中R134a的百分比可以下降很多，这取决于整个系统的参数。这样，就可以轻易地得到小于某一R134a百分比的组分。当然，考虑到系统的安全性(包括混合物可燃性限制)及压缩机是否为特制耐高压型式，一般可以通过控制高压最大值来控制系统循环工质中高沸点成分的最小百分比。如果系统经过特殊设计，系统可在很低的高沸点工质百分比下运行。
减压旁通管路20上的电磁阀11通断的控制时有一规定，即是其每次打开有一定的时间限制，即使压缩机吸气压力仍然没有回复到规定值而11关闭，这时低压贮液罐16内的电加热器17仍在工作，精馏过程仍在进行。一定时间后如变浓度目的还没有达到要求，则11再次接通一定时间，提供回流液。如此反复，直到实现要求的系统浓度。减压装置12可以是电子膨胀阀、毛细管、节流短管、恒压阀，旁通时的流量为主膨胀阀流量的1/3-1/5。
使得低压贮液罐16的低沸点组分低于一定浓度范围需要一定时间，这主要取决于加热量、所流入的低沸点工质的数量，达到要求后停止加热16中的液体，使其尽量不再蒸发。现在系统中的混合物含更少的R134a，因为大部分的R134a都贮存在低压贮液罐内。
再根据本发明，当室外温度升高而加热要求下降、系统需要减少容量时，系统中工作的制冷混合物应恢复到包含较高浓度的R134a。这可以通过向低压贮液罐16提供更大的热量来实现。当压缩机吸气口压力高于控制值一定范围时，开加热器，注意这时电磁阀11所在的减压旁通管路20并不工作。由于16内贮存的是高浓度的高沸点工质R134a，加热使得吸入压缩机1吸气口的高沸点成分比例增多，从而降低系统混合物中低沸点工质的循环浓度，吸气压力会下降到控制范围，达到减容目的。
以上基本上叙述的是冬季及过渡季热泵的运行工作情况，夏季制冷工况下循环混合物浓度的控制与冬季的基本相反。正常运行时，只要温度偏差在允许的范围内，系统按原浓度运行，压缩机吸气压力保持一定数值范围。当室外温度升高时，室外换热器3冷却介质进口温度升高，室内冷负荷也会增大。蒸发器4侧吸热量增加，蒸发器出口工质过热度增加，低压调节装置6开度增大，使循环量增多，系统制冷量增加。倘若室内环境温度仍然偏高即在同样系统循环浓度下室内换热器4冷媒出口温度偏高到与规定值有一定偏差时，旁通电磁阀11被打开，因此会有一些液体工质在经过分离装置13的气液分离器14时下落，低压贮液罐16中R32浓度升高。在减压旁通管路打开的同时，加热器开启提供热量，精馏柱15内发生精馏过程使得16中的R32重新回到系统中，而高沸点工质R134a会增多，系统中循环工质的高沸点成分R32比例升高，必会导致系统制冷量增大，满足空调需要。当室外温度降低时，室内冷负荷减小，室外换热器3冷却介质进口温度也会降低，3内工质发生过冷，蒸发器4压力下降，导致压缩机1吸气压力下降，当其下降到偏离控制最低压力值一定值时，系统反馈加大低压贮液罐中的电加热量，而减压旁通管路20不通。则低压贮液罐16中主要是高沸点工质进入循环，系统循环中高沸点工质比重增大，系统制冷量减少，蒸发器压力恢复到控制的理想范围。
前已提及，无论夏季制冷运行还是冬季制热运行，系统循环工质浓度百分比存在一定变化范围以防止系统冷凝压力过高，确保安全运行。控制方式是当系统高压达到某一范围的低限时，停止低压贮液罐16的加热，停止分离过程。如果高压继续升高，则会加大16内电加热量，增加系统循环工质中高沸点工质成分。一般地，通过以上措施，系统高压会回落。万一系统高压继续升高到控制范围的高限，则高压保护器动作，系统停机。
各电磁阀、加热器的动作均由自动控制装置21指挥，根据压力传感器和温度传感器的信号以及设定值，控制低压调节装置执行阀门的开度和低压贮液罐内加热器的加热量。
热泵系统的运行存在着回油问题。对于本系统，只有低压贮液罐16中在积存着润滑油后，不能被制冷剂自动带回压缩机中，因此需要定时回油。而当压缩机排气温度高于某一设定温度时，还需要增加回油操作频率。回油时，电磁阀18打开，减压电磁阀19关闭，靠压缩机1吸气管抽吸低压贮液罐16所积存的润滑油。气液分离器14上的排气出口做成图1所示的结构型式两根相同的比压缩机吸气总管管径小的排气管，其中的一根上装有电磁阀19，以控制其通断，平时保持常开状态，当需要回油时，该电磁阀通电关闭，而回油管电磁阀18通电打开，压缩机正常吸气管路阻力增加，而低压贮液罐的压力就会比吸气压力高，从而抽吸罐内最下部积存的润滑油。
压缩机启动时，为防止压缩机的液击情况，可设计成使得电磁阀19短时间关闭，减小吸气量，同时由于低压节流装置为电子膨胀阀，系统停止运行时可以使之关闭，且也可设计成启动初期短时间内使其缓慢打开。
在稳态加热时，可能在蒸发器上产生霜。在这种情况下，可以倒转四通换向阀2，定期地实现大约几分钟的除霜运行。系统即通过夏季制冷方式进行传统的除霜运行。
权利要求
1.一种低温热源热泵系统的容量调节方法，其特征在于，提供一与所述压缩机(1)、蒸发器即室外换热器(3)连通的分离装置(13)，在冬季运行时所述低压贮液罐(16)用于容纳低温环境时系统为提高蒸发压力而排出的部分液态制冷剂混合物，通过加热及加回流液两种手段精馏所述低压贮液罐(16)内的制冷剂，从而使所盛装的混合物中主要为高沸点工质组分，以增加系统低沸点制冷剂循环浓度，增加热泵的加热能力；当环境温度升高时，所述低压贮液器(16)向所述系统提供所容纳的高浓度的高沸点制冷剂，以减小系统容量，提高系统效能。
2.根据权利要求1所述的一种低温热源热泵系统的容量调节方法，其特征在于，所说的低压调节装置的开度控制制热量。
3.一种低温热源热泵系统的容量调节方法，其特征在于，提供一与所述压缩机(1)、蒸发器即室外换热器(3)连通的分离装置(13)，在夏季运行时当所需制冷负荷增大时，低压调节装置(6)的执行阀门动作，增加流过蒸发器(4)的制冷剂流量，当蒸发器出口制冷剂温度在一定时间内仍不能降到设定的温度范围，则减压旁通管路(20)开启，使得过量的液体进入分离装置(13)，液体工质在经过分气液分离器(14)时下落，同时低压贮液罐(16)被加热，发生精馏过程，(16)中的高沸点工质量增加，系统中循环工质的低沸点成分比例升高，系统制冷量增大；当所需冷负荷减小时，压缩机(1)吸气压力偏低于设定值后，低压贮液罐(16)中的高沸点工质被加热进入系统循环，系统中高沸点工质比例增大，系统制冷量减少。
4.根据权利要求3所述的一种低温热源热泵系统的容量调节方法，其特征在于，所说的低压调节装置的开度控制制冷量。
全文摘要
本发明公开了一种低温热源热泵容量调节方法。采用两种或两种以上组分混合物制冷剂，通过分离装置以改变系统中的循环工质浓度。作热泵运行负荷增加时，系统将通过分离装置分离出高沸点成分，提高循环中低沸点工质浓度，来增强低温环境下的加热能力。当负荷减小时，通过加热方式系统吸取分离装置下部低压贮液罐中积存的高浓度的高沸点成分，以减小系统制热量。系统作制冷运行时，同样可进行制冷剂的变成分运行，以满足系统负荷变化的需要。
文档编号F25B30/02GK1690596SQ20051006753
公开日2005年11月2日 申请日期2003年7月8日 优先权日2003年7月8日
发明者陈光明, 陈斌, 王勤, 洪峰 申请人:浙江大学