一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统及运行方法技术方案

本发明专利技术公开了一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统及运行方法，属于热泵空调技术领域。所述系统主要包括：压缩机、四通阀、室外换热器、流向切换装置、组分调控装置、储液回热器、系统膨胀阀、室内换热器、三通阀及相应连管。通过增设组分分离罐、系统储液回热罐及相应连管和阀门，可实现准二级压缩、喷液和系统工质浓度调节等多项功能。该热泵系统通过非共沸工质、补气、喷射和组分浓度调节技术的综合应用，能提高热泵在低温工况的制热量和COP，提高热泵装置的季节能效水平，并有效控制压缩机低温工况的排气温度。

【技术实现步骤摘要】
一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统及运行方法
本专利技术涉及一种非共沸工质热泵系统及运行方法，尤其涉及一种变浓度非共沸工质热泵系统及其运行方法，属于热泵空调

技术介绍
我国建筑能耗约占到社会商品总能耗的1/3。其中，仅北方城镇采暖就消耗全国建筑总能耗的25％以上。同时，随着我国城市化的快速发展和人民生活水平提高，新的供暖需求不断出现。我国长江流域幅员辽阔，人口众多。长江流域地处夏热冬冷气候带，冬季湿冷。受生活习惯影响，该地区住宅建筑较长时期不使用或只使用简单采暖手段(电热毯、电油汀等)，室内热舒适较差。然而随着该地区经济的快速发展，集中供暖的呼声逐渐高涨，一度成为全民热议的话题。研究表明：长江流域不适合采用大规模的集中供暖；以空气源热泵为代表的分散采暖方式在该地区有很好的适用性。此外，在我国北方地区，虽然城镇地区主要采用以热电联产为热源的集中供暖方式，但大量非集中供暖覆盖地区的住宅仍然使用燃煤、燃油、电暖等采暖方式，能源效率低，污染严重，已经成为我国北方地区冬季雾霾等污染天气的重要成因之一。因此，为降低环境压力，北方地区各省市均推动燃煤采暖的替代项目，部分省市明令禁止使用燃煤分散采暖。在可替代的采暖技术中，地/水源热泵由于设备容量和占地面积大，不适用于住宅采暖。燃气采暖受气源及管网限制，只在特定区域有较好的适用性。因此，空气源热泵成为北方地区(尤其是寒冷地区)替代燃煤采暖的重要选项。实际上，空气源热泵(最常见形式为热泵型家用空调器)在上述地区前期已有所应用，但由于低温工况制热量不足(用户感受为出风温度低)和能效低下(用户感受为耗电量大)导致其并未大规模使用。提高空气源热泵的制热效能是在上述地区大规模应用的关键。提高低温工况有效非共沸工质循环量，提高蒸发器和冷凝器的温度匹配程度，提高非共沸工质蒸发潜热，降低排气温度成为提高空气源热泵性能和可靠性的技术关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统及运行方法，通过非共沸工质、补气、喷液和组分分离及浓度控制技术的综合应用，能提高热泵在低温工况的制热量和COP，提高热泵装置的季节能效水平，并有效控制压缩机低温工况的排气温度，同时通过精馏塔提升组分的分离纯度，扩大系统浓度的调节范围。本专利技术提出如下技术方案：一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，包括压缩机、四通阀、室外换热器、流向切换装置、储液回热器、系统膨胀阀和室内换热器，所述流向切换装置包括第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀，所述储液回热器内设置回热盘管；压缩机排气口与四通阀排气接口连接；四通阀室外换热器接口经室外换热器与第一单向阀的入口和第二单向阀的出口连接；第一单向阀的出口与第四单向阀的出口连接；第二单向阀的入口与第三单向阀的入口连接；四通阀室内换热器接口依次经室内换热器与第三单向阀的出口和第四单向阀的入口连接；储液回热器出液口经系统膨胀阀与第三单向阀入口连接；回热盘管出口与压缩机吸气口相连；其特征在于：设置组分调控装置，所述组分调控装置包括：节流阀、排气温度控制阀、补气控制阀、组分分离罐、系统浓度控制阀和精馏冷却器，所述组分分离罐内设置加热盘管；组分分离罐入口经节流阀与第一单向阀出口连接；组分分离罐气体出口经补气控制阀与压缩机补气口连接；第一单向阀出口依次经组分分离罐加热盘管入口、加热盘管和加热盘管出口与储液回热器入口相连；组分分离罐液体出口经系统浓度控制阀与第三单向阀入口连接；组分分离罐精馏气体出口经精馏冷却器与组分分离罐精馏液体返回口连接；设置排气温度控制支路，该支路的一端与第一单向阀出口相连，另一端与补气控制阀的入口相连，所述的排气温度控制阀设置在该支路上；设置三通阀，三通阀第一接口与四通阀吸气接口连接，三通阀第二接口与回热盘管入口连接，三通阀第三出口经精馏冷却器与三通阀第二接口到回热盘管入口之间的管路连接。上述技术方案中，所述系统工质为非共沸非共沸工质；所述的压缩机为两级压缩机或准二级压缩机结构；所述的组分分离罐内可设置填料。本专利技术提供的一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统的运行方法，其特征在于：该运行方法包括如下几种运行模式：a)制冷工况下提高高压组分浓度：四通阀断电，节流阀和补气控制阀开启，排气温度控制阀和系统浓度控制阀关闭，三通阀第一接口和三通阀第三接口接通；此时，压缩机排气依次流经排气口、四通阀排气接口和四通阀室外换热器接口进入室外换热器，高温高压气态非共沸工质在室外换热器中冷凝为高温高压液态非共沸工质后流入第一单向阀入口；在第一单向阀出口，非共沸工质分为两路：第一路非共沸工质经节流阀节流后成为中压两相非共沸工质，经组分分离罐中部入口进入组分分离罐；此时，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经组分分离罐气体出口和补气控制阀进入压缩机补气口参与循环；第二路非共沸工质经加热盘管入口流入加热盘管，在加热盘管中，第二路非共沸工质与第一路非共沸工质换热将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制冷量和能效水平，同时通过对组分分离罐内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；与此同时，组分分离罐上部的部分气态非共沸工质经精馏气体出口流出后被来自三通阀第三接口的低温压缩机吸气在精馏冷却器中冷却为液体，随后经精馏液体返回口返回组分分离罐中进行喷淋，提高组分分离效率；从加热盘管出口流出的过冷非共沸工质进入储液回热器，与回热盘管中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀进入室内换热器中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室内换热器接口、四通阀吸气接口、三通阀第一接口和三通阀第三接口，在精馏冷却器中冷却精馏气体后，经回热盘管入口进入回热盘管中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口进入压缩机吸气口进入下一循环。b)制冷工况下提高低压组分浓度：四通阀断电，系统浓度控制阀开启，节流阀、排气温度控制阀和补气控制阀关闭，三通阀第一接口和三通阀第二接口接通；此时，压缩机排气依次流经排气口、四通阀排气接口和四通阀室外换热器接口进入室外换热器，高温高压气态非共沸工质在室外换热器中冷凝为高温高压液态非共沸工质后，依次经第一单向阀、加热盘管进入储液回热器，与回热盘管中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀进入室内换热器中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室内换热器接口、四通阀吸气接口、三通阀第一接口、三通阀第二接口和储液回热器回热盘管入口进入回热盘管中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口进入压缩机吸气口进入下一循环；同时，组分分离罐在加热盘管的加热下，保持中间压力；在压差推动下，高低压组分浓度非共沸工质经系统浓度控制阀流入系统参与循环。c)制热工况下提高高压组分浓度：四通阀通电，节流阀和补气控制阀开启，排气温度控制阀和系统浓度控制阀关闭，三通阀第一接口和三通阀第三接口接通；此时，压缩机排气依次流经排气口、四通阀排气接口和四通阀室内换热器接口进入室内换热器，高温高压气态非共沸工质在室内换热器中冷凝为高温高压液态非共沸工质，并向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，包括压缩机(1)、四通阀(2)、室外换热器(3)、流向切换装置(4)、储液回热器(5)、系统膨胀阀(6)和室内换热器(7)，所述流向切换装置(4)包括第一单向阀(41)、第二单向阀(42)、第三单向阀(43)和第四单向阀(44)，所述储液回热器(5)内设置回热盘管(9)；压缩机排气口(1b)与四通阀排气接口(2a)连接；四通阀室外换热器接口(2b)经室外换热器(3)与第一单向阀(41)的入口和第二单向阀(42)的出口连接；第一单向阀(41)的出口与第四单向阀(44)的出口连接；第二单向阀(42)的入口与第三单向阀(43)的入口连接；四通阀室内换热器接口(2c)依次经室内换热器(7)与第三单向阀(43)的出口和第四单向阀(44)的入口连接；储液回热器出液口(5b)经系统膨胀阀(6)与第三单向阀(43)入口连接；回热盘管出口(5d)与压缩机吸气口(1a)相连；其特征在于：设置组分调控装置(8)，所述组分调控装置(8)包括：节流阀(81)、排气温度控制阀(82)、补气控制阀(83)、组分分离罐(84)、系统浓度控制阀(85)和精馏冷却器(87)，所述组分分离罐(84)内设置加热盘管(86)；组分分离罐入口(84a)经节流阀(81)与第一单向阀(41)出口连接；组分分离罐气体出口(84b)经补气控制阀(83)与压缩机补气口(1c)连接；第一单向阀(41)出口依次经组分分离罐加热盘管入口(84c)、加热盘管(86)和加热盘管出口(84d)与储液回热器入口(5a)相连；组分分离罐液体出口(84e)经系统浓度控制阀(85)与第三单向阀(43)入口连接；组分分离罐精馏气体出口(84f)经精馏冷却器(87)与组分分离罐精馏液体返回口(84g)连接；设置排气温度控制支路，该支路的一端与第一单向阀(41)出口相连，另一端与补气控制阀(83)的入口相连，所述的排气温度控制阀(82)设置在该支路上；设置三通阀(10)，三通阀第一接口(10a)与四通阀吸气接口(2d)连接，三通阀第二接口(10b)与回热盘管入口(5c)连接，三通阀第三出口(10c)经精馏冷却器(87)与三通阀第二接口(10b)到回热盘管入口(5c)之间的管路连接。...

【技术特征摘要】
1.一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，包括压缩机(1)、四通阀(2)、室外换热器(3)、流向切换装置(4)、储液回热器(5)、系统膨胀阀(6)和室内换热器(7)，所述流向切换装置(4)包括第一单向阀(41)、第二单向阀(42)、第三单向阀(43)和第四单向阀(44)，所述储液回热器(5)内设置回热盘管(9)；压缩机排气口(1b)与四通阀排气接口(2a)连接；四通阀室外换热器接口(2b)经室外换热器(3)与第一单向阀(41)的入口和第二单向阀(42)的出口连接；第一单向阀(41)的出口与第四单向阀(44)的出口连接；第二单向阀(42)的入口与第三单向阀(43)的入口连接；四通阀室内换热器接口(2c)依次经室内换热器(7)与第三单向阀(43)的出口和第四单向阀(44)的入口连接；储液回热器出液口(5b)经系统膨胀阀(6)与第三单向阀(43)入口连接；回热盘管出口(5d)与压缩机吸气口(1a)相连；其特征在于：设置组分调控装置(8)，所述组分调控装置(8)包括：节流阀(81)、排气温度控制阀(82)、补气控制阀(83)、组分分离罐(84)、系统浓度控制阀(85)和精馏冷却器(87)，所述组分分离罐(84)内设置加热盘管(86)；组分分离罐中部入口(84a)经节流阀(81)与第一单向阀(41)出口连接；组分分离罐气体出口(84b)经补气控制阀(83)与压缩机补气口(1c)连接；第一单向阀(41)出口依次经组分分离罐加热盘管入口(84c)、加热盘管(86)和加热盘管出口(84d)与储液回热器入口(5a)相连；组分分离罐液体出口(84e)经系统浓度控制阀(85)与第三单向阀(43)入口连接；组分分离罐精馏气体出口(84f)经精馏冷却器(87)与组分分离罐精馏液体返回口(84g)连接；设置排气温度控制支路，该支路的一端与第一单向阀(41)出口相连，另一端与补气控制阀(83)的入口相连，所述的排气温度控制阀(82)设置在该支路上；设置三通阀(10)，三通阀第一接口(10a)与四通阀吸气接口(2d)连接，三通阀第二接口(10b)与回热盘管入口(5c)连接，三通阀第三出口(10c)经精馏冷却器(87)与三通阀第二接口(10b)到回热盘管入口(5c)之间的管路连接。2.根据权利要求1所述的精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，其特征在于：压缩机为两级压缩机或准二级压缩机结构。3.根据权利要求1所述的精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，其特征在于：组分分离罐(84)内设置填料。4.一种采用如权利要求1所述的精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统的运行方法，其特征在于：该运行方法包括如下几种运行模式：a.制冷工况下提高高压组分浓度：四通阀(2)断电，节流阀(81)和补气控制阀(83)开启，排气温度控制阀(82)和系统浓度控制阀(85)关闭，三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)接通；此时，压缩机排气依次流经排气口(1b)、四通阀排气接口(2a)和四通阀室外换热器接口(2b)进入室外换热器(3)，高温高压气态非共沸工质在室外换热器(3)中冷凝为高温高压液态非共沸工质后流入第一单向阀(41)入口；在第一单向阀(41)出口，非共沸工质分为两路：第一路非共沸工质经节流阀(81)节流后成为中压两相非共沸工质，经组分分离罐中部入口(84a)进入组分分离罐(84)；此时，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经组分分离罐气体出口(84b)和补气控制阀(83)进入压缩机补气口(1c)参与循环；第二路非共沸工质经加热盘管入口(84c)流入加热盘管(86)，在加热盘管(86)中，第二路非共沸工质与第一路非共沸工质换热将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制冷量和能效水平，同时通过对组分分离罐(84)内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；与此同时，组分分离罐上部的部分气态非共沸工质经精馏气体出口(84f)流出后被来自三通阀第三接口(10c)的低温压缩机吸气在精馏冷却器(87)中冷却为液体，随后经精馏液体返回口(84g)返回组分分离罐(84)中进行喷淋，提高组分分离效率；从加热盘管出口(84d)流出的过冷非共沸工质进入储液回热器(5)，与回热盘管(9)中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀(6)节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀(43)进入室内换热器(7)中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室内换热器接口(2c)、四通阀吸气接口(2d)、三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)，在精馏冷却器(87)中冷却精馏气体后，经回热盘管入口(5c)进入回热盘管(9)中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口(5d)进入压缩机吸气口(1a)进入下一循环；b.制冷工况下提高低压组分浓度：四通阀(2)断电，系统浓度控制阀(85)开启，节流阀(81)、排气温度控制阀(82)和补气控制阀(83)关闭，三通阀第一接口(10a)和三通阀第二接口(10b)接通；此时，压缩机排气依次流经排气口(1b)、四通阀排气接口(2a)和四通阀室外换热器接口(2b)进入室外换热器(3)，高温高压气态非共沸工质在室外换热器(3)中冷凝为高温高压液态非共沸工质后，依次经第一单向阀(41)、加热盘管(86)进入储液回热器(5)，与回热盘管(9)中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀(6)节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀(43)进入室内换热器(7)中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室内换热器接口(2c)、四通阀吸气接口(2d)、三通阀第一接口(10a)、三通阀第二接口(10b)和储液回热器回热盘管入口(5c)进入回热盘管(9)中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口(5d)进入压缩机吸气口(1a)进入下一循环；同时，组分分离罐(84)在加热盘管(86)的加热下，保持中间压力；在压差推...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝龙，石文星，李先庭，刘星如，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11