一种跨临界CO2复合热泵制造技术

本实用新型专利技术公开了一种跨临界CO2复合热泵，包括CO2主路压缩机、气冷‑气冷复合器、过冷‑蒸发复合器、蒸发器和CO2辅助压缩机；气冷‑气冷复合器包含CO2主路、CO2辅路和水路三个通路；过冷‑蒸发复合器包含CO2主路过冷段和CO2辅路蒸发段两个通路。本实用新型专利技术根据回水温度包括两种工作模式，使得机组应用范围更广，满足日常需要；本实用新型专利技术中只有一个制冷剂与水的换热器，相比较现有的临界CO2复合热泵中的三个水和制冷剂的换热器，本循环水路为一进一出的单一回路，系统简单，降低了故障率；本实用新型专利技术辅助回路采用变频压缩机可以使热泵热水器系统能够在更宽负荷和温度条件下长时间稳定可靠运行，降低电能消耗，还可以降低压缩机的启动电流。

Transcritical CO2 composite heat pump

The utility model discloses a transcritical CO2 heat pump composite, including CO2 Main Road gas compressor, cold air cooling device, composite cold evaporation composite pipe, evaporator and CO2 auxiliary compressor; gas cooled gas cooling device comprises a composite CO2 CO2 main roads, roads and waterways three pathway; cold the composite device comprises a CO2 main evaporation cooling section and the auxiliary road passing CO2 evaporation section two pathway. The utility model according to the water temperature including two working modes of the unit, wider application range, to meet the daily needs of the heat exchanger; the utility model is only one of the refrigerant and water, compared to the three water and refrigerant heat exchanger critical CO2 composite heat pump in the existing, the circulating water for single loop a, into a simple system, low failure rate; the utility model adopts frequency conversion compressor auxiliary circuit can make the heat pump water heater system in a wide load and temperature conditions for long time stable and reliable operation, low energy consumption, but also can reduce the starting current of the compressor.

【技术实现步骤摘要】

本技术属于热泵
，特别涉及一种跨临界CO2复合热泵。
技术介绍
热泵可以吸收环境空气中的热量，通过工质循环，将热量传递给循环水，起到加热的作用。传统的热泵大多使用R134a，R410a等传统工质，环保性较差，面临逐渐淘汰的趋势。前国际制冷学会主席GLorentzen提出了CO2跨临界循环理论，指出其在热泵领域将具有极其广阔的发展前景。CO2的临界温度很低，为31.1℃，故CO2热泵系统一般采用跨临界循环。CO2跨临界循环压缩机排气温度较高(可达100℃以上)，且在跨临界区内，CO2在冷却过程中存在较大的温度滑移，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，可以将水一次加热到很高的温度并保持极高的效率，尤其适合于家用生活热水领域。CO2跨临界循环系统与传统的亚临界循环系统之间的区别在于：在传统亚临界系统中，制冷剂在冷凝器中大部分区域内温度保持不变，而在CO2跨临界循环系统中，超临界压力区内并无两相区存在，温度和压力为相互独立的变量，高压侧压力变化对制冷量、压缩机功耗和COP值也会产生影响。跨临界CO2热泵循环具有独特的优势，其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)。研究表明：(1)在蒸发温度为0℃时，水温可以从0℃加热到60℃，其热泵COP可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％上。在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制。而CO2热泵系统在低温环境下能维持较高的供热量及很高的出水温度，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。跨临界二氧化碳热泵热水器的性能严重受制于气体冷却器出口温度，气体冷却器出口温度越低，系统性能越好。当水循环系统中的回水温度足够低(20℃甚至低于20℃)时，跨临界二氧化碳热泵热水器的气体冷却器出口温度也能够被循环水冷却到相当低的温度，这个时候系统的性能优异。然而当回水温度高于25℃时(考虑到换热温差，气体冷却器出口二氧化碳温度可能达到30℃)，系统的性能随着回水温度的升高会剧烈下降，当回水温度高于40℃时二氧化碳热泵系统的性能极差，制热COP甚至在1.5以下。现有的跨临界CO2复合热泵回水分为两路，第一路回水进辅助循环的气体冷却器，然后回到出水口，第二路环的回水进辅助循蒸发器，冷却后的水进入主循环的气体冷却器，然后回到出水口。第一路出水与第二路出水混合后一起供水给用户。现有的跨临界CO2复合热泵需要三个制冷剂与水的换热器，水路分布与连接会极其复杂，并容易出现故障。现有的定频热泵系统采用定频压缩机，回路流量不能改变，尤其针对主副级复合型的热泵产品，固定的压缩机流量比难以适应多变的运行工况，造成非设计工况下的能源浪费或性能降低。
技术实现思路
本技术的目的在于提供了一种跨临界CO2复合热泵，以解决现有跨临界CO2复合热泵性能严重受制于气体冷却器出口温度、水路分布与连接复杂且能源浪费的问题。本技术热泵分为主回路和辅助回路；在一般工况下，回水温度较低时(30℃或者低于30℃)，运行直热型制热模式；当回水温度较高时(高于30℃)，转换为循环型制热模式。为了实现上述的目的，本技术采用的技术方案是：一种跨临界CO2复合热泵，包括CO2主路压缩机、气冷-气冷复合器、过冷-蒸发复合器、蒸发器和CO2辅助压缩机；气冷-气冷复合器包含CO2主路、CO2辅路和水路三个通路；过冷-蒸发复合器包含CO2主路过冷段和CO2辅路蒸发段两个通路；所述一种跨临界CO2复合热泵包含主回路和辅助回路两个回路；主回路：CO2主路压缩机的出口连接气冷-气冷复合器的CO2主路的进口，气冷-气冷复合器的CO2主路的出口连接过冷-蒸发复合器的CO2主路过冷段进口，过冷-蒸发复合器的CO2主路过冷段的出口连接蒸发器的进口，蒸发器的出口连接CO2主路压缩机的进口；辅助回路：CO2辅助压缩机的出口连接气冷-气冷复合器的CO2辅路的进口，气冷-气冷复合器CO2辅路的出口连接过冷-蒸发复合器的CO2辅路蒸发段的进口，过冷-蒸发复合器的CO2辅路蒸发段的出口连接CO2辅助压缩机的进口。进一步的，主回路上过冷-蒸发复合器和蒸发器之间设置有CO2主路膨胀阀。进一步的，辅助回路上气冷-气冷复合器和过冷-蒸发复合器之间设置有CO2辅助膨胀阀。进一步的，蒸发器上还安装有风扇。进一步的，CO2辅助压缩机采用变频压缩机。进一步的，气冷-气冷复合器包括三个内管和一个外管，两个内管路作为CO2主回路，一个内管路作为CO2辅路，外管和三个内管之间的通路为水路。进一步的，所述一种跨临界CO2复合热泵包括两种工作模式：直热型制热模式时，CO2主回路压缩机处于开启状态，主回路打开；CO2辅助压缩机处于关闭状态，辅助回路关闭；风扇处于开启状态；循环型制热模式时，CO2主回路压缩机处于开启状态，主回路打开；CO2辅助压缩机处于开启状态，辅助回路打开；风扇处于开启状态。与现有的技术相比，本技术有以下有益效果：当回水温度较高时(高于30℃)，运行循环型制热模式，主路压缩机工作，主回路打开，辅助路压缩机工作，辅助回路打开，风扇处于开启状态；在辅助回路的第一过冷-蒸发复合器中，辅助回路的CO2蒸发吸热，对主回路中的CO2进行第二次降温，使主回路中的CO2达到合适的出口温度，保证较高的系统性能。进一步的，本技术中只有一个制冷剂与水的换热器，也就是气冷-气冷复合器。相比较现有的跨临界CO2复合热泵中的三个水和制冷剂的换热器，本循环水路为一进一出的单一回路，系统简单，降低了故障率。进一步的，根据实际中回水温度的不同，通过控制两个压缩机，进行直热型制热模式和循环型制热模式的转换，使热泵机组的应用范围更广，性能更高。进一步的，CO2属于惰性气体，无毒无刺激；良好的安全性和化学稳定性，安全无毒，不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体；其对全球变暖潜力指数GWP为1，CO2不需要工业合成，只需要在大气中提取就可以，使用方便；同时，它对大气臭氧层无任何破环作用，ODP为0。并且，CO2本身优越的热物理特性以及良好的迁移特性也适合其作为制冷工质。进一步的，本技术制热方式采用CO2热泵型式，能源利用率更高，更加节能。CO2蒸发潜热较大，单位容积制冷量高，具有优良的流动和传热特性，可显著减小系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。进一步的，跨临界CO2热泵循环具有独特的优势，其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)。其热泵COP可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％以上。在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制。而CO2热泵系统在低温环境下能维持较高的供热量，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。进一步的，辅助回路采用变频压缩机可以使热泵热水器系统能够在更宽负荷和温度条件下长时间稳定可靠运行，降低电能消耗，还可以降低压缩机的启动电流。附图说明图1是本技术一种跨临界CO2复合热泵机组的结构示意图；图2是本技术一种跨临界CO2复合热泵机组直热型制热模式下的结构示意图；图3是本技术一种跨临界CO2复合热泵机组直热型制热模式下的循环示意图；图4是本技术一种跨临界CO2复合热泵机组循环型制热模式下的结构示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种跨临界CO2复合热泵，其特征在于，包括CO2主路压缩机(1)、气冷‑气冷复合器(2)、过冷‑蒸发复合器(3)、蒸发器(5)和CO2辅助压缩机(6)；气冷‑气冷复合器(2)包含CO2主路(9)、CO2辅路(10)和水路(11)三个通路；过冷‑蒸发复合器(3)包含CO2主路过冷段(12)和CO2辅路蒸发段(13)两个通路；所述一种跨临界CO2复合热泵包含主回路和辅助回路两个回路；主回路：CO2主路压缩机(1)的出口连接气冷‑气冷复合器(2)的CO2主路(9)的进口，气冷‑气冷复合器(2)的CO2主路(9)的出口连接过冷‑蒸发复合器(3)的CO2主路过冷段(12)进口，过冷‑蒸发复合器(3)的CO2主路过冷段(12)的出口连接蒸发器(5)的进口，蒸发器(5)的出口连接CO2主路压缩机(1)的进口；辅助回路：CO2辅助压缩机(6)的出口连接气冷‑气冷复合器(2)的CO2辅路(10)的进口，气冷‑气冷复合器(2)CO2辅路(10)的出口连接过冷‑蒸发复合器(3)的CO2辅路蒸发段(13)的进口，过冷‑蒸发复合器(3)的CO2辅路蒸发段(13)的出口连接CO2辅助压缩机(6)的进口。

【技术特征摘要】
1.一种跨临界CO2复合热泵，其特征在于，包括CO2主路压缩机(1)、气冷-气冷复合器(2)、过冷-蒸发复合器(3)、蒸发器(5)和CO2辅助压缩机(6)；气冷-气冷复合器(2)包含CO2主路(9)、CO2辅路(10)和水路(11)三个通路；过冷-蒸发复合器(3)包含CO2主路过冷段(12)和CO2辅路蒸发段(13)两个通路；所述一种跨临界CO2复合热泵包含主回路和辅助回路两个回路；主回路：CO2主路压缩机(1)的出口连接气冷-气冷复合器(2)的CO2主路(9)的进口，气冷-气冷复合器(2)的CO2主路(9)的出口连接过冷-蒸发复合器(3)的CO2主路过冷段(12)进口，过冷-蒸发复合器(3)的CO2主路过冷段(12)的出口连接蒸发器(5)的进口，蒸发器(5)的出口连接CO2主路压缩机(1)的进口；辅助回路：CO2辅助压缩机(6)的出口连接气冷-气冷复合器(2)的CO2辅路(10)的进口，气冷-气冷复合器(2)CO2辅路(10)的出口连接过冷-蒸发复合器(3)的CO2辅路蒸发段(13)的进口，过冷-蒸发复合器(3)的CO2辅路蒸发段(13)的出口连接CO2辅助压缩机(6)的进口。2.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2复合热泵，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹锋，崔靖，宋昱龙，李东哲，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：新型
国别省市：陕西;61