高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统及方法与流程

本发明涉及制冷热泵技术领域，具体是一种高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统及方法。

背景技术：

在空调制冷热泵系统中，通常采用制冷压缩机对蒸发器流出的低温低压气体进行增压，但当冷凝压力蒸发压力差较大时，制冷剂通过节流阀的节流损失变大，过热损失增加，压缩机的压缩比会加大，此时可采用双级压缩加中间冷却的办法来减少压缩机的压缩比和过热损失，但膨胀阀过高的节流损失仍然无法避免。

申请号(CN201510348645.9)的专利申请提供了一种超重力制冷装置及方法，其利用超重力旋转，将惯性势能和压能进行相互转换，使得制冷剂在超重力环境的流动过程中实现绝热降压，避免了膨胀阀的节流损失，该系统还采用高压液泵代替制冷压缩机，结构较紧凑，但当蒸发/冷凝温度差较大时，高压液泵所需的出口压力将增大到难以实现的程度，因此其温度适用范围很有限，只能适合于高温冷水机组。

这样，就有必要在该超重力制冷装置基础上进行改进，使之在保持原有优点的同时，能适应于蒸发/冷凝温度差较大的场合。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统，包括超重力产生机构和有工质流动的制冷装置，所述超重力产生机构包括旋转底座和转轴；所述转轴设置在旋转底座的轴心位置；

所述制冷装置包括蒸发器、分液器、压缩机、冷凝器和高压液泵；所述蒸发器、分液器、压缩机、冷凝器和高压液泵分别固定设置在旋转底座上；所述蒸发器设置在旋转底座的轴心位置；所述分液器、压缩机、冷凝器和高压液泵设置在旋转底座的边缘位置；

所述蒸发器的蒸发器出口通过管道与分液器的分液器进口连接；所述分液器的分液器气体出口通过管道与压缩机的压缩机进口连接，分液器的分液器液体出口通过管道与高压液泵的高压液泵进口连接；所述压缩机的压缩机出口通过管道与冷凝器的冷凝器进口连接；所述冷凝器的冷凝器出口和高压液泵的高压液泵出口分别通过管道连接后，再通过管道与蒸发器的蒸发器进口连接。

作为本发明的高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统的改进：所述冷凝器的冷凝器出口和高压液泵的高压液泵出口分别通过管道连接至转轴位置后再通过管道相互连接，之后通过管道与蒸发器的蒸发器进口连接。

作为本发明的高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统的进一步改进：所述分液器、压缩机、冷凝器和高压液泵设置在旋转底座相同的回转半径上。

作为本发明的高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统的进一步改进：所述蒸发器、分液器、压缩机、冷凝器、高压液泵及管道内部所采用的工质为制冷工质。

本发明还同时提供了一种高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵方法，包括以下内容：

转轴带动蒸发器、分液器、压缩机、冷凝器、高压液泵和旋转底座以相同转速旋转；

蒸发器中的蒸发压力下的制冷剂混合物从蒸发器出口流出，沿着管道从旋转底座的轴心位置向旋转底座的边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下绝热流动到分液器进口；在流动过程中，蒸发压力下的制冷剂混合物增压到分液器中的分液压力，惯性势能降低，温度升高到分液压力所对应的饱和温度，变成分液压力下的制冷剂混合物，之后通过管道流动到分液器进口，进入分液器；

分液器中的分液压力下的制冷剂混合物在分液器中被平衡分离成气态制冷剂和液态制冷剂；

分液器中的气态制冷剂从分液器气体出口流出，通过管道流动到压缩机进口，进入压缩机；压缩机中的气态制冷剂被绝热压缩到冷凝器中的冷凝压力，且同时温度升高，变成高温高压气态制冷剂，然后从压缩机出口流到冷凝器进口，进入冷凝器的冷凝管道；

冷凝器的冷凝管道中的高温高压气态制冷剂向通过冷凝器的冷凝管道的外部冷源放出热量后，变成冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂；冷凝器中的冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂从冷凝器出口流出，沿着管道从旋转底座的边缘位置向旋转底座的轴心位置流动；在流动过程中，冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂被降压到蒸发器的蒸发压力，惯性势能增加，温度降低到蒸发压力对应的蒸发温度；

分液器中的液态制冷剂从分液器液体出口流出，通过管道流动到高压液泵进口，进入高压液泵；高压液泵中的液态制冷剂被绝热压缩到超高压，温度略有增加，成为超高压液态制冷剂；

高压液泵中的超高压液态制冷剂从高压液泵出口流出，沿着管道从旋转底座的边缘位置向旋转底座的轴心位置流动；在流动过程中，超高压液态制冷剂被降压到蒸发器的蒸发器压力，惯性势能增加，温度降低到蒸发器压力对应的蒸发温度；

之后从高压液泵出口流出的超高压液态制冷剂与从冷凝器出口流出的冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂在离心力和压差作用后，在旋转底座的轴心位置的管道中混合(蒸发压力下混合)，流到蒸发器进口，进入蒸发器，吸收通过蒸发器的外部热源的热量，变成蒸发压力下的制冷剂混合物；

蒸发器中的蒸发压力下的制冷剂混合物从蒸发器出口流出，沿着管道从旋转底座的轴心位置向旋转底座的边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下绝热流动到分液器进口，如此循环。

本发明与已有的制冷系统相比，具有以下技术优势：

1、本发明能适用于蒸发/冷凝温度差较大的场合，扩大了超重力制冷系统的适用范围。

2、本发明采用制冷压缩机和高压液泵联合驱动，可减少对制冷压缩机的依赖。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、高压液泵与制冷压缩机联合驱动的超重力制冷热泵系统，如图1所示，包括超重力产生机构和有工质流动的制冷装置，超重力产生机构包括旋转底座1和转轴2，转轴2设置在旋转底座1的轴心位置。

制冷装置包括蒸发器3、分液器4、压缩机5、冷凝器6和高压液泵7，蒸发器3设置在旋转底座1的轴心位置，且蒸发器3是竖向设置的，蒸发器3内部压力为恒压。分液器4、压缩机5、冷凝器6和高压液泵7固定设置在旋转底座1的边缘位置且处于相同的回转半径上，利用离心力对制冷剂进行绝热压缩。转轴2能带动蒸发器3、分液器4、压缩机5、冷凝器6、高压液泵7和旋转底座1以相同转速同轴旋转，蒸发器3、分液器4、压缩机5、冷凝器6和高压液泵7为运动部件。

蒸发器3的蒸发器出口32通过管道与分液器4的分液器进口41连接，分液器能将进入其中的气体工质和液体工质分离开。分液器4的分液器气体出口42通过管道与压缩机5的压缩机进口51连接；分液器4的分液器液体出口43通过管道与高压液泵7的高压液泵进口71连接；压缩机5的压缩机出口52通过管道与冷凝器6的冷凝器进口61连接，冷凝器6设置有外部冷源通道用于吸收流过冷凝管道的制冷工质的热量。冷凝器6的冷凝器出口62和高压液泵7的高压液泵出口72分别通过管道连接至转轴2位置后再通过管道相互连接，之后通过管道与蒸发器3的蒸发器进口31连接，蒸发器3设置有外部热源通道用于向流过蒸发管道的制冷工质放热。

蒸发器3、冷凝器6、高压液泵7、分液器4、压缩机5及管道内部所采用的工质为制冷工质，如R134a等；本发明通过转轴2的旋转，使得在管道内流动的制冷工质产生沿径向增加的离心压力(离旋转底座1的轴心越远，压力越大)。在工作工程中，由于离心作用，制冷剂向轴心位置流动时减压，反之增压。

本发明的工作过程如下：

转轴2带动蒸发器3、分液器4、压缩机5、冷凝器6、高压液泵7和旋转底座1以相同转速旋转，该转速根据实际需要自行调整；

蒸发器3中的蒸发压力下的制冷剂混合物从蒸发器出口32流出，沿着管道从旋转底座1的轴心位置向旋转底座1的边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下绝热流动到分液器进口41；在流动过程中，蒸发压力下的制冷剂混合物增压到分液器4中的分液压力，惯性势能降低，温度升高到分液压力所对应的饱和温度，变成分液压力下的制冷剂混合物，之后通过管道流动到分液器进口41，进入分液器4；

分液器4中的分液压力下的制冷剂混合物在分液器4中被平衡分离成气态制冷剂和液态制冷剂；

分液器4中的气态制冷剂从分液器气体出口42流出，通过管道流动到压缩机进口51，进入压缩机5；压缩机5中的气态制冷剂被绝热压缩到冷凝器6中的冷凝压力，且同时温度升高，变成高温高压气态制冷剂，然后从压缩机出口52流到冷凝器进口61，进入冷凝器6的冷凝管道；

冷凝器6的冷凝管道中的高温高压气态制冷剂向通过冷凝器6的冷凝管道的外部冷源放出热量后，变成冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂；冷凝器6中的冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂从冷凝器出口62流出，沿着管道从旋转底座1的边缘位置向旋转底座1的轴心位置流动；在流动过程中，冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂被降压到蒸发器3的蒸发压力，惯性势能增加，温度降低到蒸发压力对应的蒸发温度；

分液器4中的液态制冷剂从分液器液体出口43流出，通过管道流动到高压液泵进口71，进入高压液泵7；高压液泵7中的液态制冷剂被绝热压缩到超高压，温度略有增加，成为超高压液态制冷剂；

高压液泵7中的超高压液态制冷剂从高压液泵出口72流出，沿着管道从旋转底座1的边缘位置向旋转底座1的轴心位置流动；在流动过程中，超高压液态制冷剂被降压到蒸发器3的蒸发器压力，惯性势能增加，温度降低到蒸发器压力对应的蒸发温度；

之后从高压液泵出口72流出的超高压液态制冷剂与从冷凝器出口62流出的冷凝器压力下的液态(或混合态)制冷剂在离心力和压差作用后，在旋转底座1的轴心位置的管道中混合(蒸发压力下混合)，流到蒸发器进口31，进入蒸发器3，吸收通过蒸发器3的外部热源的热量，变成蒸发压力下的制冷剂混合物；

蒸发器3中的蒸发压力下的制冷剂混合物从蒸发器出口32流出，沿着管道从旋转底座1的轴心位置向旋转底座1的边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下绝热流动到分液器进口41，如此循环。

实施例1的计算参数见表1(针对1kg工质R134a)。设计条件为：工质为R134a，冷凝温度40℃，蒸发温度-23℃，回转直径为1m。实施例1计算得到的系统COP(定义为蒸发器3吸热量与压缩机5及高压液泵7理论功耗之和的比值)为3.96，此时的转速为2730转/分，蒸发器3吸热量为87.74kJ/kg，冷凝器6排热量为109.9kJ/kg，传递的惯性势能为10.21kJ/kg，压缩机5耗功为18.92kJ/kg，高压液泵7耗功为3.22kJ/kg。以申请号为(CN201510348645.9)的专利作为对比文献，在回转直径、蒸发温度、冷凝温度都相同的条件下，本发明将高压液泵出口72的压力从原先的21.79Mpa降低到12.44Mpa，究其原因是因为本发明中，系统驱动力的85.5％由压缩机5承担，14.5％由高压液泵7承担，即不完全依赖于高压液泵7，而对比文献中的驱动力则全部由高压液泵7承担，使得其高压液泵出口72压力增大很多，从而在一定程度上限制了其应用范围。

由此可见，本发明通过压缩机5和高压液泵7联合驱动制冷系统，大大减轻了高压液泵7的负担，使得其高压液泵出口72压力大幅度降低，从而可以提高系统的温度适用范围，有效实现了本发明的初衷。

以上实施例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。

表1实施例1的热力计算结果(针对1kg工质R134a)

对比例1：实施例1中从高压液泵出口72流出制冷剂与从冷凝器出口62流出的制冷剂先在旋转底座1的边缘位置混合，再在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到旋转底座1的轴心位置，其余等同于实施例1，进行对比例1。

由于高压液泵出口72和冷凝器出口62流出的制冷剂压强极不平衡，两股流体不能在旋转底座1的边缘位置直接混合；而在旋转底座1的轴心位置处，两股流体的压强都降低到了蒸发器压强，此时就可以混合了。

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照签署各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前处各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明个实施例方案的范围。