多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统的制作方法

本发明涉及大型供热技术领域，更具体的说，是涉及一种应用于大型供暖工程的以二氧化碳为工质的热泵循环系统。

背景技术：

京津冀地区大气污染问题相对突出，2016年优良天数比例为56.8％，比全国平均比例低22个百分点；重度及以上污染天数比例为9.2％，为全国平均水平的3.5倍；12月份发生5次大范围重污染天气过程。2016年11月15日至12月31日，京津冀区域pm2.5浓度为135ug/m3，是非供暖期浓度的2.4倍，该时期占全年时间的12.8％，对全年pm2.5贡献达到24.4％。目前研究表明，煤炭低效分散燃烧是我国雾霾形成的主要原因之一。为实现彻底治理雾霾和节能减排目标，京津冀开始了“无煤化”行动。

热泵是可再生能源的开采机械，它以一份电能或机械能开采数倍的可再生能源，是重要的节能技术和环保技术。大力发展热泵制造业，大力推广热泵技术，进行煤改电是实现无煤化的重要措施。

二氧化碳作为热泵工质可以追溯到20世纪初。二氧化碳无毒，较为安全，所以曾在船用冷藏装置中也延续应用了50年之久。由于二氧化碳的臭氧层消耗指数为0，全球变暖潜能值(gwp)仅为1。它作为热泵系统工质可以减少对环境污染。而且二氧化碳工质是许多能量反应的副产品，易制取。二氧化碳工质在高温下不分解产生有毒气体，有良好的安全性和化学稳定性。

二氧化碳的单位容积制冷量高，且有良好的流动性，可减小压缩机和系统的尺寸，可简化供热系统。二氧化碳有较高的导热率，提高了热泵系统的换热性能。二氧化碳热泵系统的压力是普通热泵系统的7-8倍，其中膨胀阀压差大，导致的节流损失较大。

为达到利用二氧化碳热泵技术实现煤改电的目的，就要提升热泵系统的热负荷。对于较大冷量的制冷机组，单台大冷量压缩机组，机组负荷具有一定局限性，制冷(制热)量较小，难以达到需求；对于大冷量(热量)机组，很多厂家在这个区间处于真空地带，于是就产生了多机头机组。多机头机组是采用多个压缩机组进行组装，其出现并非是因为系统的优越性，而是厂家对市场需求的无奈之举。机组的运转部件越多，继续的可靠性越差。多机头的机组中配置多个压缩机，一套控制器要控制多个控制元件，系统复杂，设备繁多，机组的可靠性相对要低，使用寿命相对较短，且其制冷量(制热量)仍有一定限制。

润滑油是热泵空调系统的润滑剂，起着减少机械部件磨损、降低机构摩擦温度和增强密封性等作用。在制冷机组运转时，会有一部分润滑油不可避免地随制冷剂气体进入整个制冷系统，参与制冷循环。润滑油随制冷剂进入蒸发器或冷凝器后会在其盘管内表面形成一层油膜，由于该层油膜导热系数较小，这直接导致了换热器传热热阻的增加，影响换热性能，降低换热效率，增大运行阻力。研究表明，在制冷系统的蒸发器内，当润滑油循环量超过3％时，换热能力将会恶化，压力损失将会增大；当蒸发器内的润滑油循环量达到5％时，制冷量的衰减将会达到10％以上，增大了功耗，大大降低了系统的制冷能力。

具有多级压缩中间冷却构造的压缩机，通常都是通过机构连接不同气缸。在电机驱动时，机构中的惯性力和惯性力矩将导致机构的振动，特别是在高速运转的机械装置中这种振动影响尤其严重，会造成机构振动，产生噪声等影响，阻碍了机构向高精度方向发展。

技术实现要素：

本发明要解决的是现有热泵供暖工程功率较低，难以满足大负荷需求的技术问题，提供一种多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统，通过多级压缩、低压级压缩单元双缸压缩机对置、高压级压缩单元与膨胀机对置，一方面大幅提升热泵系统的功率，可代替锅炉等供暖设备，功率可达1000kw，另一方面减少噪声，提升压缩机效率，达到节能减排的效果；同时降低排气温度并产生热水，减小功耗。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统，该系统包括蒸发器(1)，所述蒸发器(1)的出口连接低压级压缩单元的入口，所述低压级压缩单元由完全相同的第一压缩机(2)、第二压缩机(3)并联对置构成，所述低压级压缩单元的出口连接第一级气冷器(4)的入口，所述第一级气冷器(4)的出口连接第三压缩机(6)的入口，所述第三压缩机(6)的出口连接第二级气冷器(7)的入口，所述第二级气冷器(7)的出口连接膨胀机(9)的入口，所述膨胀机(9)的出口连接辅助节流阀(10)的入口，所述辅助节流阀(10)的出口连接所述蒸发器(1)的入口。

所述第一压缩机(2)、所述第二压缩机(3)、所述第三压缩机(6)均通过同一主轴连接于电机(11)并由电机(11)驱动，所述第三压缩机(6)作为高压级压缩单元，与所述膨胀机(9)同轴对置，膨胀机9也连接于所述主轴，驱动所述第三压缩机(6)以回收膨胀功。

所述第一压缩机(2)、所述第二压缩机(3)、所述第三压缩机(6)均为活塞式且均采用大型活塞，所述膨胀机(9)也为活塞式。

所述第一级气冷器(4)设置在第一水箱(5)中，所述第二级气冷器(7)设置在第二水箱(8)中。

本发明的有益效果是：

本发明的多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统，应用于大型供热工程，机组功率可达1000kw。热泵系统以二氧化碳为工质，采用多级压缩中间冷却的方式，提升机组功率，降低排气温度，并通过气体冷却器将中间冷却时放出的热量进行利用。

其中低压级压缩单元内包括两个压缩机并联对置，达到力学上的平衡，减轻连接机构一次惯性力和一次惯性力矩的影响，达到消除噪音的作用；高压级压缩单元的压缩机与膨胀机同轴设置，膨胀机输出的机械功驱动高压级压缩机，以便将膨胀功部分回收；低压级压缩单元和高压级压缩单元均采用大型活塞形成的多级压缩可以提升压缩机效率20～30％；从而提高热泵系统的可靠性，显著提高机组功率，功率可达1000kw；由此能够提升热泵的应用范围，从而可以代替锅炉和中央空调，作为更节能和环保供热装置，降低雾霾，节能减排。

在气冷器部分回收多余热量供暖用水加热，节省能耗；两级水箱中不同温度的水可分别进行利用，分别作为较低温要求供暖用水和较高温度要求供暖用水。

附图说明

图1是本发明所提供的多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统的结构示意图；

图2是三个压缩机和膨胀机同轴连接示意图。

图中：1，蒸发器；2，第一压缩机；3，第二压缩机；4，第一级气冷器；

5，第一水箱；6，第三压缩机；7，第二级气冷器；8，第二水箱；9，膨胀机；

10，辅助节流阀；11，电机。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:

如图1所示，本实施例披露了一种多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统，该系统包括蒸发器1、第一压缩机2、第二压缩机3、第一级气冷器4、第一水箱5、第三压缩机6、第二级气冷器7、第二水箱8、膨胀机9、辅助节流阀10、电机11。其中，第一压缩机2、第二压缩机3并联对置作为低压级压缩单元，工质均等的通过第一压缩机2和第二压缩机3，同时进行第一级压缩。第三级压缩机6作为高压级压缩单元，与膨胀机9同轴对置，第三级压缩机6回收膨胀功。

蒸发器1的出口连接低压级压缩单元的入口，低压级压缩单元由完全相同的第一压缩机2、第二压缩机3并联对置构成，低压级压缩单元的出口连接第一级气冷器4的入口，第一级气冷器4的出口连接第三压缩机6的入口，第三压缩机6的出口连接第二级气冷器7的入口，第二级气冷器7的出口连接膨胀机9的入口，膨胀机9的出口连接辅助节流阀10的入口，辅助节流阀10的出口连接蒸发器1的入口。

其中，第一压缩机2、第二压缩机3、第三压缩机6均为活塞式，膨胀机9也为活塞式。并且，第一压缩机2、第二压缩机3、第三压缩机6均为大型活塞，大型活塞是指以制冷量或者制热量划分能够使机组制冷量或者制热量达到600kw以上的活塞。电机11通过同一主轴驱动第一压缩机2、第二压缩机3、第三压缩机6工作；膨胀机9也连接于同一主轴，膨胀机9输出的机械功可以驱动第三压缩机6，使膨胀功部分回收。

第一压缩机2、第二压缩机3并联对置是指第一压缩机2、第二压缩机3连接于同一主轴且与主轴的偏心距相等。第三压缩机6、膨胀机9同轴对置是指第三压缩机6、膨胀机9连接于同一主轴且与主轴的偏心距相等。这样第一压缩机2与第二压缩机3之间、第三压缩机6与膨胀机9之间能够达到力学方面的平衡，减轻一次惯性力和惯性力矩的影响，达到消除噪音的目的，同时提高机构的运动精度和运动平衡性，降低机件的磨损和疲劳失效，提高寿命，保证运行稳定性。

大型活塞的选用、以及第一压缩机2和第二压缩机3并联作为低压级压缩单元、第三压缩机6作为高压级压缩单元的设计可以提升压缩比，提升机组功率，达到提升制热量(制冷量)的作用。当制冷量或制热量大时，活塞尺寸也会相应较大，为确保机组安全稳定性，转速不得过快，此处限定线速度不超过10m/s为宜。当转速较慢时可不采用润滑油进行润滑，同时采用密封垫片替代原有润滑油的密封作用，第一压缩机2、第二压缩机3、第三压缩机和膨胀机9内部的润滑油均可以得到良好的密封，则基本上可实现系统的无油运行，以较好的防止润滑油的泄露问题，进一步提升换热效率。

第一级气冷器4和第二级气冷器7用于回收多余热量，节省能耗。第一级气冷器4设置在第一水箱5中，第二级气冷器7设置在第二水箱8中。较高温工质经过第一级气冷器4加热第一水箱5中的水，用于较低温要求供暖；高温工质经过第二级气冷器7加热第二水箱8中的水，用于较高温要求供暖。第一水箱5和第二水箱8内水温不同，可分别安装在不同温度需求的环境进行分别利用，提高能源利用效率。

本发明的多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统，其工作过程如下：

电机11带动系统运行，二氧化碳工质从蒸发器1进入低压级压缩单元，工质均匀地分为两部分进入第一压缩机2和第二压缩机3。两部分工质同时进行第一次压缩后，从低压级压缩单元进入第一级气冷器4，工质通过第一级气冷器4与第一水箱5中的水换热，对水第一次加热，工质则是进行等压冷却，降低温度。工质经第一级气冷器4进入第三压缩机6进行第二次压缩过程，工质经过第二次压缩后进入第二级气冷器7，降低工质温度并对第二水箱8中的水加热。工质经过两级压缩中间冷却过程，降低排气终温，节省压缩功，提高效率。工质由第二级气冷器7进入膨胀机9，膨胀机9与第三压缩机6均为活塞式且同轴旋转，膨胀功可由第三压缩机6回收。工质经过中间冷却温度降低、密度增大，易于进一步压缩，较之一次压缩可以大大节省耗功量。完成膨胀过程后，工质通过辅助节流阀10回到蒸发器1，完成制冷过程，循环可反复进行。

可见，本发明的多级压缩双机并联活塞式二氧化碳热泵系统，通过采用大型活塞分级并联，多级压缩中间冷却的方式提升压缩比和制热量(制冷量)，使其功率可达到1000kw；大型活塞和垫片密封的使用可以实现无油化运行，提升换热效率；并联对置和同轴对置的设计可以减轻一次惯性力和惯性力矩的影响，降低噪声、提升系统寿命、提高效率，保证系统运行稳定性；因此整个系统运行可靠，整体效果优异，可以代替锅炉、中央空调功率，提升热泵的利用范围。

尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。