一种CO₂混合工质热泵实验装置的制造方法

一种CO₂混合工质热泵实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种CO2混合工质热泵实验装置，包括制冷工质系统、热汇水系统、热源水系统和测量系统，制冷工质系统包括蒸发器、回热器、压缩机、气冷器、第一节流阀、第二节流阀和贮液器，蒸发器上设有热源水系统相连接，气冷器与热汇水系统相连接；制冷工质系统的管路上设有温度计和压力变送器，气冷器与回热器之间设有质量流量计，压缩机的进口处设有功率计，压缩机的出口处设有机械压力表，热源水系统和热汇水系统上设有浮子流量计。本实用新型采用两级节流阀加中间贮液器的两级节流装置，容易实现对高压压力和蒸发器出口过热度的独立控制，管路密封性好，耐高压性强，具有柔韧性，整个装置方便温度、压力、功率、流量的测量。
【专利说明】
一种CO2混合工质热泵实验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及热栗实验装置，具体涉及一种CO2混合工质热栗实验装置。
【背景技术】
[0002]从暖通空调制冷行业看，在我国能耗总量中，建筑运行能耗占20?27%，其中暖通空调能耗所占比例最大，北方地区供暖能耗占56?58%，采暖、通风和空调能耗约占60?70%。由于煤电在我国电力结构中占主导地位，意味着耗电大户暖通空调系统在给人们带来舒适的同时要向大气排放大量温室气体C02，目前仍在大量使用的传统氟利昂工质也造成环境污染问题。因此，加强暖通空调行业节能、环保技术的研究与应用对缓解日趋严重的能源短缺状况和减少环境污染具有重要的现实意义。
[0003]热栗作为一种高效节能技术，在能源与环境保护方面具有独特的优势。近些年，在我国政府和有关政策的支持下，热栗在建筑供热空调和一些工业用热领域中的应用日趋增多。目前我国热栗系统采用的工质主要是HCFC22，但HCFC22对环境有较大危害，其臭氧消耗潜能指数0DP(0zone Deplet1n Potential)为0.05，100年时间累积的温室效应潜能指数GWP(Global Warmth Potential)高达1810。随着环保要求的提高，开始采用过渡工质HFC134a、HFC410A和HFC407C。这些氟利昂类替代工质的ODP为零，但GWP还较高，100年时间累积的GWP分别为1430,1600和1900，按照《京都议定书》对全球减少温室气体排放制定的严格目标，此类工质只能是过渡选择，不可能被长期使用。国内外学者在不断探寻更环保、性能更好的替代工质，到目前为止，尚未找到一种性能理想的替代工质。从可持续发展角度看，自然工质将是解决工质替代问题的根本办法。在这种背景下，自然工质包括C02、R290、NH3、空气、水等又重新受到越来越广泛的关注。
[0004]自然工质中的CO2环保(0DP=0，GWP=1.0)、易获取、不可燃、安全、无毒、具有优良的热物理性质，跨临界循环变温放热过程可以与变温热源较好配合，从而实现常规热栗难以达到的高温供热(55?90°0<02热栗技术在日本等发达国家已进入实用阶段。当前使用的CO2热栗系统存在着一些问题，比如放热侧压力往往达到10.0MPa以上。高的运行压力带来了成本高的问题，这也是CO2热栗目前在我国尚未进入商品化阶段的主要原因之一，另外系统效率仍相对较低。自然工质中另一类很有潜力的替代工质是碳氢类化合物(HCs)，R290的优点是环保(ODP=O，GWP?20)、能量效率高、与氟利昂制冷系统兼容性好，但突出的缺点是易燃、易爆;异丁烷R600a也有优异的环保性能((^=0，6胃？?20)，其和1?290在现阶段应用更多，许多欧洲国家超过95%的家用冰箱用R600a作为制冷工质。中国自1993年始将HCs做为工质用于家用冰箱和冰柜，目前海尔、新飞等厂家均有R600a环保冰箱出售，R600a最大的缺点是易燃易爆;丁烷R600(0DP=0，GWP?20)也可作为制冷工质，其性质和R600a相近，具有易燃易爆性。
[0005]单一自然工质的性能各有优劣，很难兼顾多方面的要求，将不同单一工质按照不同配比混合，组成优势互补的混合工质往往可以扬长避短，达到预期目的。以⑶2为基础组分，混入适量第二组分自然工质组成以⑶2为基本组分的二元混合工质，采用蒸汽压缩式制冷系统形式，并应用于热栗热水器，取得以下效果:(1)利用混合工质与第二换热流体间温度滑移的匹配特性，系统效率有望提高；(2)可望降低系统放热侧压力，一方面降低对制造材料和制造技术的要求进而降低成本，为国内CO2热栗装置进入实用阶段创造一定条件;另一方面使系统运行更为安全；(3)为热用户提供高于常规热栗用工质HCFC22(55°C)的高温热源(>80°C); (4)利用CO2的惰性气体特性，可望抑制第二组分工质的可燃可爆性，增强系统运行的安全性和可靠性。
[0006]CO2混合工质用于热栗系统的最优组分组合、最优配比和实机运行的研究在国内外尚有空白。通过理论分析及热力循环计算，在设定工况下，C02/R290表现出较优的综合性能。由于热力循环计算是基于一定假设条件的计算，再加上目前混合工质的热物性数据不够完整和精确，因此理论计算结果需要通过实验研究的手段来进一步验证。通过实验研究，希望验证在CO2单一工质中加入适量R290后能降低系统运行压力，得到不同配比C02/R290的放热侧压力降低值，并找出最优质量配比使系统循环性能得到改善。通过实验研究还期望得到不同配比的最优充注量，分析加入R290后对最优充注量的影响，研究配比、充注量热和汇出水温度对热栗系统性能的影响，研究C02/R290热栗装置的进一步优化设计需要提供相匹配的实验装置。
【实用新型内容】
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种⑶2混合工质热栗实验装置，耐高压性强，管路密封性好，方便温度、压力、功率、流量的测量，为研究C02/R290混合工质在热栗系统的实际效果提供了理论基础。
[0008]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是:一种⑶2混合工质热栗实验装置，包括制冷工质系统、热汇水系统、热源水系统和测量系统，所述制冷工质系统包括蒸发器、回热器、压缩机、气冷器、第一节流阀、第二节流阀和贮液器，回热器与第一节流阀、蒸发器、压缩机、气冷器相连接，第一节流阀、贮液器、第二节流阀、蒸发器依次相连接，压缩机与气冷器相连接;所述压缩机进口处设有充制冷工质的管路，充制冷工质的管路上设有第三阀门，气冷器的出口处设有排制冷工质的管路，排制冷工质的管路上设有第四阀门；所述蒸发器上设有热源水系统，气冷器与热汇水系统相连接;所述测量系统包括质量流量计、温度计、压力变送器、功率计、机械压力表和浮子流量计，制冷工质系统的管路上设有温度计和压力变送器，气冷器与回热器之间设有质量流量计，压缩机的进口处设有功率计，压缩机的出口处设有机械压力表，热源水系统和热汇水系统上设有浮子流量计。
[0009]所述热源水系统包括水箱和水栗，水箱内设有电加热丝，电加热丝与调压器相连接，水箱的进口与蒸发器相连接，水箱的出口与水栗相连接，水栗通过浮子流量计与蒸发器相连接。
[0010]所述热汇水系统包括水箱、水栗和热水箱，水箱内设有电加热丝，水箱与水栗相连接，水栗通过浮子流量计与气冷器相连接，气冷器与热水箱相连接，热水箱出口处设有第五阀门。
[0011 ]所述热汇水系统的水栗和浮子流量计之间设有电磁流量计。
[0012]所述水栗的入口前设置过滤器。
[0013]所述回热器与蒸发器之间的管路上设有第一阀门，回热器和第一阀门连接后的管路上并联有第二阀门，压缩机与气冷器之间设有止回阀。
[0014]本实用新型采用两级节流阀加中间贮液器的两级节流装置，容易实现对高压压力和蒸发器出口过热度的独立控制，调节第一级节流阀，可以控制高压压力，调节第二级节流阀，可以改变蒸发器出口的过热度。同时，各个机构与管路之间通过螺纹连接，管路选用加厚的紫铜管，管路密封性好，耐高压性强，具有柔韧性，整个装置方便温度、压力、功率、流量的测量，为研究C02/R290混合工质在热栗系统的实际效果提供了理论基础。
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本实用新型的结构示意图。
[0017]图中，I为蒸发器，2为压缩机，3为气冷器，4为回热器，5为第二节流阀，6为贮液器，7为第一节流阀，8为水箱，9为电加热丝，10为调压器，11为水栗，12为浮子流量计，13为止回阀，14为电磁流量计，15为热水箱，16为质量流量计，17为第五阀门，18为第一阀门，19为第二阀门，20为第三阀门，21为温度计，22为压力变送器，23为功率计，24为机械压力表，25为第四阀门。
【具体实施方式】
[0018]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0019]—种⑶2混合工质热栗实验装置，如图1所示，包括制冷工质系统、热汇水系统、热源水系统和测量系统，制冷工质系统包括蒸发器1、回热器4、压缩机2、气冷器3、第一节流阀
7、第二节流阀5和贮液器6，回热器4与第一节流阀7、蒸发器1、压缩机2、气冷器3相连接，第一节流阀7、贮液器6、第二节流阀5、蒸发器I依次相连接，压缩机2与气冷器3相连接。压缩机2为单相定频双级旋转式压缩机，第二节流阀5出口至压缩机3流通的是低压制冷介质，压缩机2出口至第二节流阀5进口流通的是高压制冷介质。回热器4为套管式回热器，内管和外管均为紫铜，回热器4将低压制冷和高压制冷管路连接，达到制冷剂过冷过热的目的。气冷器3采用板式换热器，换热系数高、体积小。蒸发器I拟采用套管换热器，内管材料为紫铜，CO2混合工质在内管内部流动，外管用DN25mm的钢管，水在内外管夹层环形通道内流动。蒸发器I和气冷器3为逆流换热，实现CO2混合工质与自来水的换热，换热效率高。为了达到耐高压的目的，在气冷器3外部加设加固螺栓。
[0020]压缩机2进口处设有充制冷工质的管路，充制冷工质的管路上设有第三阀门20，向制冷工质系统的管路中添加CO2混合工质。气冷器3的出口处设有排制冷工质的管路，排制冷工质的管路上设有第四阀门25，可以实现抽真空和制冷工质的排放。蒸发器I上设有热源水系统相连接，热源水系统内设有设有水循环，实现蒸发器I内制冷介质的吸热。气冷器3与热汇水系统相连接，热汇水系统内设有自来水，实现气冷器3内制冷介质的放热。
[0021]采用两级节流阀加中间贮液器6的两级节流装置，第一节流阀7的出口接至中间贮液器6的上部，中间贮液器6的底部接至第二节流阀5，在系统设计合理且制冷工质充注量合适时，第一节流阀7出口的制冷工质应该是饱和液体，贮液器6内下部为制冷工质液体，上部为制冷工质气体，保证进入第二节流阀5的制冷工质状态为液态，贮液器6即可根据制冷工质液体的饱和压力调节其自身压力，改变工质的密度，从而调节贮液器6内的制冷工质质量。此节流装置能较容易实现对高压压力和蒸发器出口过热度的独立控制，调节第一节流阀7可以控制高压压力，调节第二节流阀5可以改变蒸发器I出口的过热度，便于独立调节和控制高压压力。
[0022]测量系统包括质量流量计16、温度计21、压力变送器22、功率计23、机械压力表24和浮子流量计12。制冷工质系统的管路上设有温度计21和压力变送器22，在蒸发器I的进出口处、第一节流阀7和第二节流阀5进出口处、回热器4的进出口处、压缩机2的进出口处、气冷器3的进出口处均设有温度计21。压力变送器22设置在第一节流阀7和第二节流阀5的出口处、回热器4和压缩机2之间、压缩机2和气冷器3之间。气冷器3与回热器4之间设有质量流量计16，用于测量管路中的流量。压缩机2的进口处设有功率计23，压缩机2的出口处设有机械压力表24，机械压力表24的设置是为了方便调节压力参数和对照压力变送器的压力读数。热源水系统和热汇水系统上设有浮子流量计12。测量系统均与Keithley的数据采集装置相连接，实现测量值的连续采集。
[0023]热源水系统包括水箱8和水栗11，水箱8内设有电加热丝9，电加热丝9与调压器10相连接，水箱8的进口与蒸发器I相连接，水箱8的出口与水栗11相连接，水栗11通过浮子流量计12与蒸发器I相连接。调压器10可以无级调节电压从而微调电加热丝9的功率，根据工况改变蒸发器I进口的热源水温。自来水先流至水箱8，水箱8打满后停止进水，水栗11抽吸水箱8中的水送至蒸发器I，水经过蒸发器I降温后再流回到水箱8进行循环使用。
[0024]热汇水系统包括水箱8、水栗11和热水箱15，水箱8内设有电加热丝9，水箱8与水栗11相连接，水栗11通过浮子流量计12与气冷器3相连接，气冷器3与热水箱15相连接，热水箱15出口处设有第五阀门17。浮子流量计12可以调节热汇水系统水的流量。热汇水系统的水栗11和浮子流量计12之间设有电磁流量计14，方便自动计量。电加热丝9设有多根，调节电加热丝的输入功率可把水加热至需要的温度。自来水先流入水箱8，水箱8起稳压作用，水箱8内再由水栗抽吸热汇水箱里的水，水栗11出口分两路，一路至气冷器3，另一路排至水箱8，以免改变工况进入气冷器3的水量过小时，水栗11的栗体由于机械摩擦自身发热而造成较大的热汇入口温升;进入气冷器3的热汇入排入热水箱15。水栗11的两路出水管上分别安装手动调节阀，以便手动调节流量，粗调流量参考浮子流量计12的读数，微调流量参考电磁流量计14的读数。水栗11的入口前设置过滤器，过滤掉水中的杂质，以免杂质进入气冷器3使换热效率变差。
[0025]优选地，回热器4与蒸发器I之间的管路上设有第一阀门18，回热器4和第一阀门18连接后的管路上并联有第二阀门19。第一阀门18和第二阀门19的设置是为了研究回热器4的作用而设置的。关闭回热器4低压侧入口的第一阀门18，打开第二阀门19，低压侧制冷工质只能从旁路流回至压缩机2，不再和高压侧制冷工质换热，这样可以省去高压侧的阀门，尽可能少用阀门，从而减少可能的泄露点。
[0026]优选地，压缩机2与气冷器3之间设有止回阀13。在压缩机2的排气管道和气冷器3之间安装有高压安全阀，以防超压运行带来危险。制冷系统、热汇水系统和热源水系统连接管路的材选用壁厚加厚的紫铜管，一方面耐压，另一方面铜管的柔韧性可以起到减震作用。压缩机2进口和出口处的连接管路均采用弯管，高压运行时起到减震作用。
[0027]压缩机2、热汇系统和热源系统水栗、测量系统与电气控制柜相连接，通过旋转电气控制柜的开关可以实现压缩机2和水栗11的开关，还可分别实现对三种耗电部件压缩机
2、热汇系统和热源系统水栗的耗电量自动采集工作。
[0028]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种CO2混合工质热栗实验装置，包括制冷工质系统、热汇水系统、热源水系统和测量系统，其特征在于:所述制冷工质系统包括蒸发器(I)、回热器(4)、压缩机(2)、气冷器(3)、第一节流阀(7)、第二节流阀(5)和贮液器(6)，回热器(4)与第一节流阀(7)、蒸发器(1)、压缩机(2)、气冷器(3)相连接，第一节流阀(7)、贮液器(6)、第二节流阀(5)、蒸发器(I)依次相连接，压缩机(2 )与气冷器(3 )相连接;所述压缩机(2 )进口处设有充制冷工质的管路，充制冷工质的管路上设有第三阀门(20)，气冷器(3)的出口处设有排制冷工质的管路，排制冷工质的管路上设有第四阀门(25);所述蒸发器(I)上设有热源水系统，气冷器(3)与热汇水系统相连接;所述测量系统包括质量流量计(16)、温度计(21)、压力变送器(22)、功率计(23)、机械压力表(24)和浮子流量计(12)，制冷工质系统的管路上设有温度计(21)和压力变送器(22)，气冷器(3)与回热器(4)之间设有质量流量计(16)，压缩机(2)的进口处设有功率计(23)，压缩机(2)的出口处设有机械压力表(24)，热源水系统和热汇水系统上设有浮子流量计(12)。2.根据权利要求1所述的0)2混合工质热栗实验装置，其特征在于，所述热源水系统包括水箱(8)和水栗(11)，水箱(8)内设有电加热丝(9)，电加热丝(9)与调压器(10)相连接，水箱(8)的进口与蒸发器(I)相连接，水箱(8)的出口与水栗(11)相连接，水栗(11)通过浮子流量计(12)与蒸发器(I)相连接。3.根据权利要求1所述的0)2混合工质热栗实验装置，其特征在于，所述热汇水系统包括水箱(8)、水栗(11)和热水箱(15)，水箱(8)内设有电加热丝(9)，水箱(8)与水栗(I I)相连接，水栗(11)通过浮子流量计(12)与气冷器(3 )相连接，气冷器(3 )与热水箱(15 )相连接，热水箱(15 )出口处设有第五阀门(17 )。4.根据权利要求3所述的CO2混合工质热栗实验装置，其特征在于，所述热汇水系统的水栗(11)和浮子流量计(12)之间设有电磁流量计(14)。5.根据权利要求2或3所述的CO2混合工质热栗实验装置，其特征在于，所述水栗(11)的入口前设置过滤器。6.根据权利要求1所述的CO2混合工质热栗实验装置，其特征在于，所述回热器(4)与蒸发器(I)之间的管路上设有第一阀门(18)，回热器(4)和第一阀门(18)连接后的管路上并联有第二阀门(19)，压缩机(2)与气冷器(3)之间设有止回阀(13)。
【文档编号】G01M99/00GK205538275SQ201620375755
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张仙平, 王虹, 陈晓鸽, 王迎辉, 段焕林, 薛永飞, 陈爱东, 冯荣贞
【申请人】河南工程学院