专利名称：一种多级串联大温差压缩式热泵机组的制作方法
技术领域：
本发明属于一种用于采暖、制冷、供热水的热泵机组，特别是一种能够在冷、热源侧都获得较大进、出口温差的高效压缩式热泵机组。
背景技术：
目前，各种热泵装置已经广泛的应用于各种采暖、制冷和热水供应系统中，其中在中、大型供热空调系统中，水—水压缩式热泵得到了较为广泛的应用，例如采用地下水、地表水或工业废热水等为低温热源的热泵冷热水机组。为了减小输送能耗、节省水量、降低输配系统初投资，一般水侧易采取大温差、小流量运行。在进水温度一定的情况下，大温差、小流量意味着热水供水温度的升高和冷水出水温度的降低，对常用热泵装置，会造成冷凝压力的升高和蒸发压力的降低，导致系统性能系数(COP)减小，能源利用效率降低。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种在冷、热源侧均采取大温差、小流量运行的多级串联大温差压缩式热泵机组，使其能源利用效率与常规热泵装置相比得到显著的提高的。
本发明的技术方案如下一种多级串联大温差压缩式热泵机组，其特征在于该机组由两级或两级以上的冷凝器、蒸发器、压缩机及相应的节流装置和连接管路组成；各级冷凝器热水管路相互串联，即将各级冷凝器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统；各级蒸发器冷水管路相互串联，即将各级蒸发器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统；相邻冷凝器制冷剂管路之间通过节流装置串联连接，最末级冷凝器与第一级蒸发器通过节流装置连接；相邻蒸发器制冷剂管路之间也通过节流装置串联连接；同一级蒸发器与冷凝器之间通过压缩机连接，形成制冷剂通路。
本发明的技术特征还在于在末级冷凝器和第一级蒸发器之间设置经济器，将闪蒸气体通路管道与末级压缩机的中间级相连接，所述的经济器采用开式经济器或封闭型经济器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明能够加大热水和冷水在热泵进、出口的温差，使其按大温差、小流量运行，而热泵机组的性能系数仍保持在一个比较高的水平，因此系统综合能源利用效率与经济性比普通热泵机组大大提高。多级串联热泵机组性能的改善主要体现在第一，冷水温度梯级降低，热水温度梯级升高，减小了蒸发端和冷凝端的传热温差，减小了不可逆传热损失；第二，冷凝器制冷剂串联，冷凝液温度逐次降低，充分回收制冷剂热量；第三，制冷剂液体在各级蒸发器中逐级闪发冷却，压力梯级降低，增加了制冷量及系统能效；第四，采用多级串联的方式，可以根据不同温升段的工况选取不同的热泵单元，保证每台压缩机在其高效工况下运行，并且可以通过控制压缩机运行台数调节冷、热水出水温度，满足用户的要求。
图1为本发明的两级串联大温差压缩式热泵机组实施例的流程示意图。
图2为本发明的三级串联大温差压缩式热泵机组实施例的流程示意图。
图3为本发明的多级(大于三级)大温差压缩式热泵机组实施例的流程示意图。
图4为本发明的末级带开式经济器的大温差压缩式热泵机组实施例的流程示意图。
图5为本发明的末级带封闭型经济器的大温差压缩式热泵机组实施例的流程示意图。
图中标号1a—第一级冷凝器；1b—第二级冷凝器；1c—第三级冷凝器；1m—第m级冷凝器；1n—第n级冷凝器；2a—第一级蒸发器；2b—第二级蒸发器；2c—第三级蒸发器；2m—第m级蒸发器；2n—第n级蒸发器；3a—第一级压缩机；3b—第二级压缩机；3c—第三级压缩机；3m—第m级压缩机；3n—末级压缩机；4a—第一级冷凝器出口冷剂节流装置；4b—第二级冷凝器出口冷剂节流装置；4c—第三级冷凝器出口冷剂节流装置；4m—第m级冷凝器出口冷剂节流装置；4n—末级冷凝器出口冷剂节流装置；5a—第一级蒸发器出口冷剂节流装置；5b—第二级蒸发器出口冷剂节流装置；5c—第三级蒸发器出口冷剂节流装置；5m—第m级蒸发器出口冷剂节流装置；5n—末级蒸发器出口冷剂节流装置；6—经济器；7—经济器节流装置。
具体实施例方式
本发明的技术方案是采用多级串联组合而成热泵机组，即机组由两级或两级以上压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置等组成。各级冷凝器热水管路相互串联，即将各级冷凝器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统，热水依次通过n级冷凝器被逐级加热后送出；各级蒸发器冷水管路相互串联，即将各级蒸发器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统，冷水依次通过n级蒸发器被逐级冷却后送出。相邻冷凝器制冷剂管道之间通过节流装置串联连接，最末级冷凝器与第一级蒸发器通过节流装置连接，相邻蒸发器制冷剂管道之间也通过节流装置串联连接，蒸发器与冷凝器之间通过压缩机连接，形成制冷剂通路。制冷剂依次通过各级冷凝器逐级降压冷却冷凝，最后再通过节流装置进入第一级蒸发器，再依次通过各级蒸发器逐级降压蒸发；在各级蒸发器中蒸发的制冷剂气体被对应压缩机压缩进入对应冷凝器冷凝。具体来说从第一级蒸发器出来的饱和或过热制冷剂蒸汽被第一级压缩机压缩进入第一级冷凝器，从第二级蒸发器出来的饱和或过热制冷剂蒸汽被第二级压缩机压缩进入第二级冷凝器，......，从最末级蒸发器出来的饱和或过热制冷剂蒸汽被最末级压缩机压缩进入最末级冷凝器；第一级冷凝器出来的制冷剂冷凝液首先通过节流装置进入第二级冷凝器，与第二级冷凝器中的冷凝液一起再通过节流装置进入第三级冷凝器......直到最末一级冷凝器，最后再通过节流装置进入第一级蒸发器，一部分蒸发后被第一级压缩机压缩进入第一级冷凝器，未蒸发的液体再通过节流装置进入第二级蒸发器蒸发，气体被第二级压缩机压缩进入第二级冷凝器，未蒸发的液体再进入第三级蒸发器......直到最后一级蒸发器，制冷剂全部蒸发，被最后一级压缩机压缩进入最后一级冷凝器。
下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式
进行说明。
实施例1两级串联大温差压缩式热泵机组如图1所示，本热泵机组有第一级蒸发器2a、第一级压缩机3a、第一级冷凝器1a、第一级冷凝器出口冷剂节流装置4a、第一级蒸发器出口冷剂节流装置5a和第二级蒸发器2b、第二级压缩机3b、第二级冷凝器1b、第二级冷凝器出口冷剂节流装置4b组成。其中，第一级冷凝器1a压力大于第二级冷凝器1b压力，第二级冷凝器1b压力大于第一级蒸发器2a压力，第一级蒸发器2a压力大于第二级蒸发器2b压力。来自第一级蒸发器2a的过热或饱和制冷剂蒸汽被第一级压缩机3a压缩后进入第一级冷凝器1a冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水高温段；来自第二级蒸发器2b的过热或饱和制冷剂蒸汽被第二级压缩机3b压缩后进入第二级冷凝器1b冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水低温段；第一级冷凝器1a流出的制冷剂液体通过第一级冷凝器出口冷剂节流装置4a节流降压后进入第二级冷凝器1b，所放出的热量亦用于加热热水低温段，并与第二级冷凝器中冷凝的制冷剂液体汇合后流出，一起通过第二级冷凝器出口冷剂节流装置4b节流降压后进入第一级蒸发器2a，部分制冷剂液体从冷水高温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被第一级压缩机3a压缩进入第一级冷凝器1a，另一部分制冷剂液体流出第一级蒸发器，通过第一级蒸发器出口冷剂节流装置5a进一步节流降压后进入第二级蒸发器2b，从冷水高温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被第二级压缩机3b压缩进入第二级冷凝器；如此循环往复，完成从冷水吸热，加热热水的目的。可以看出，本机组将热水和冷水分别分成了两段，热水在两段冷凝器中梯级升温，冷水在两段蒸发器中梯级降温，冷凝压力和蒸发压力分别与各自的冷热水温度相适应，从而减小了蒸发器和冷凝器中的不可逆传热损失，使系统效率得以提高。
实施例2三级串联大温差压缩式热泵机组如图2所示，本热泵机组有第一级蒸发器2a、第一级压缩机3a、第一级冷凝器1a、第一级冷凝器出口冷剂节流装置4a、第一级蒸发器出口冷剂节流装置5a和第二级蒸发器2b、第二级压缩机3b、第二级冷凝器1b、第二级冷凝器出口冷剂节流装置4b、第二级蒸发器出口冷剂节流装置5b以及第三级蒸发器2c、第三级压缩机3c、第三级冷凝器1c、第三级冷凝器出口冷剂节流装置4c组成。其中，第一级冷凝器1a压力大于第二级冷凝器1b压力，第二级冷凝器1b压力大于第三级蒸发器1c压力，第三级冷凝器1c压力大于第一级蒸发器2a压力，第一级蒸发器2a压力大于第二级蒸发器2b压力，第二级蒸发器2b压力大于第三级蒸发器2c压力。来自第一级蒸发器2a的过热或饱和制冷剂蒸汽被第一级压缩机3a压缩后进入第一级冷凝器1a冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水高温段；来自第二级蒸发器2b的过热或饱和制冷剂蒸汽被第二级压缩机3b压缩后进入第二级冷凝器1b冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水中温段；来自第三级蒸发器2c的过热或饱和制冷剂蒸汽被第三级压缩机3c压缩后进入第三级冷凝器1c冷凝成制冷剂液体，所放出的冷凝潜热加热热水低温段；第一级冷凝器1a流出的制冷剂液体通过第一级冷凝器出口冷剂节流装置4a节流降压后进入第二级冷凝器1b，所放出的热量亦用于加热热水中温段，并与第二级冷凝器中冷凝的制冷剂液体汇合后流出，一起通过第二级冷凝器出口冷剂节流装置4b节流降压后进入第三级冷凝器1c，所放出的热量亦用于加热热水低温段，并与第三级冷凝器1c中冷凝的制冷剂液体汇合后流出，一起通过第三级冷凝器出口冷剂节流装置4c节流降压后进入第一级蒸发器2a，部分制冷剂液体从冷水高温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被第一级压缩机3a压缩进入第一级冷凝器1a，另一部分制冷剂液体流出第一级蒸发器，通过第一级蒸发器出口冷剂节流装置5a进一步节流降压后进入第二级蒸发器2b，部分制冷剂液体从冷水中温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被第二级压缩机3b压缩进入第二级冷凝器；剩余的制冷剂液体再流出第二级蒸发器，通过第二级蒸发器出口冷剂节流装置5b进一步节流降压后进入第三级蒸发器2c，从冷水低温段吸热蒸发变为过热气或饱和气，再被第三级压缩机3c压缩进入第三级冷凝器；如此循环往复，完成从冷水吸热，加热热水的目的。可以看出，本机组将热水和冷水分别分成了三段，热水在三段冷凝器中梯级升温，冷水在三段蒸发器中梯级降温，冷凝压力和蒸发压力分别与各自的冷热水温度相适应，从而减小了蒸发器和冷凝器中的不可逆传热损失，使系统效率得以提高。
另外，如果冷水和热水的温差较大，或机组的容量较大，为了进一步提高机组性能系数，可以考虑采用级数更多的机组，如图3所示，共有n组冷凝器、蒸发器、压缩机及相应的节流装置和连接管路组成。各级冷凝器热水管路相互串联，即将各级冷凝器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统，热水依次通过n级冷凝器被逐级加热后送出；各级蒸发器冷水管路相互串联，即将各级蒸发器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统，冷水依次通过n级蒸发器被逐级冷却后送出。冷凝器制冷剂侧之间通过节流装置串联连接，最末级冷凝器与第一级蒸发器通过节流装置连接；蒸发器制冷剂侧之间也通过节流装置串联连接；蒸发器与冷凝器之间通过压缩机连接，形成制冷剂通路。制冷剂依次通过各级冷凝器逐级降压冷却冷凝，最后再通过节流装置进入第一级蒸发器，再依次通过各级蒸发器逐级降压蒸发，也就是说，各级冷凝器中，前一级冷凝器压力大于下一级冷凝器压力，各级蒸发器中，前一级蒸发器压力大于下一级蒸发器压力，末级冷凝器压力大于第一级蒸发器压力；在各级蒸发器中蒸发的制冷剂气体被对应压缩机压缩进入对应冷凝器冷凝。具体来说从第一级蒸发器出来的饱和或过热制冷剂蒸汽被第一级压缩机压缩进入第一级冷凝器，从第二级蒸发器出来的饱和或过热制冷剂蒸汽被第二级压缩机压缩进入第二级冷凝器，......，从第n级蒸发器出来的饱和或过热制冷剂蒸汽被第n级压缩机压缩进入第n级冷凝器；第一级冷凝器出来的制冷剂冷凝液首先通过节流装置进入第二级冷凝器，与第二级冷凝器中的冷凝液一起再通过节流装置进入第三级冷凝器......直到最末一级冷凝器，最后再通过节流装置进入第一级蒸发器，一部分蒸发后被第一级压缩机压缩进入第一级冷凝器，未蒸发的液体再通过节流装置进入第二级蒸发器蒸发，气体被第二级压缩机压缩进入第二级冷凝器，未蒸发的液体再进入第三级蒸发器......直到最后一级蒸发器，制冷剂全部蒸发，被最后一级压缩机压缩进入最后一级冷凝器。
为了进一步提高热泵机组的能源利用效率，可以在最末级设置经济器6，经济器可以采用开式经济器或封闭型经济器。图4所示为在末级设置开式经济器的多级串联大温差压缩式热泵机组，将闪蒸气体通路管道与末级压缩机的中间级相连接。从末级冷凝器中流出的液态制冷剂，经节经济器流装置7流入经济器腔，在节流过程中闪发的气体经管道进入末级压缩机3n的中间级，作为中间加气与冷却之用，余下的液态制冷剂冷却到中间压力下的饱和温度，再通过末级节流装置4n第二次节流后进入第一级蒸发器2a。其他循环过程同上。图5所示为在末级设置封闭型经济器的多级串联大温差压缩式热泵机组，将闪蒸气体通路管道与末级压缩机的中间级相连接。从末级冷凝器中流出的液态制冷剂，一部分经过经济器节流装置7闪蒸，使其余制冷剂过冷，蒸发的制冷剂气体进入末级压缩机3n的中间级再压缩，过冷的制冷剂液体通过末级节流装置4n进入第一级蒸发器2a。其他循环过程同上。
权利要求
1.一种多级串联大温差压缩式热泵机组，其特征在于该机组由两级或两级以上的冷凝器、蒸发器、压缩机及相应的节流装置和连接管路组成；各级冷凝器热水管路相互串联，即将各级冷凝器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统；各级蒸发器冷水管路相互串联，即将各级蒸发器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共用一个水系统；相邻冷凝器制冷剂管路之间通过节流装置串联连接，最末级冷凝器与第一级蒸发器通过节流装置连接；相邻蒸发器制冷剂管路之间也通过节流装置串联连接；同一级蒸发器与冷凝器之间通过压缩机连接，形成制冷剂通路。
2.根据权利要求1所述的一种多级串联大温差压缩式热泵机组，其特征在于在末级冷凝器和第一级蒸发器之间设置经济器，将闪蒸气体通路管道与末级压缩机的中间级相连接，所述的经济器采用开式经济器或封闭型经济器。
全文摘要
一种多级串联大温差压缩式热泵机组，属于一种在冷、热源侧均可以实现大温差、小流量运行的高效热泵设备。本发明有多级冷凝器、蒸发器、压缩机及相应的节流装置和连接管路组成，各级冷凝器、蒸发器的水路系统分别相互串联构成连通的进出水路系统；相邻冷凝器制冷剂管路之间通过节流装置串联连接，最末级冷凝器与第一级蒸发器通过节流装置连接，相邻蒸发器制冷剂管路之间也通过节流装置串联连接，相应的蒸发器与冷凝器之间通过压缩机连接，形成制冷剂通路。本发明能有效地加大热水和冷水在热泵进、出口的温差，可按大温差、小流量运行，而热泵机组的性能系数仍保持在一个比较高的水平，系统综合能源利用效率比普通热泵机组大大提高。
文档编号F25B5/00GK101093116SQ20071009960
公开日2007年12月26日 申请日期2007年5月25日 优先权日2007年5月25日
发明者付林, 张世钢, 肖常磊, 陈闯, 刘燕 申请人:清华大学