一种空气循环压缩式空气源热泵机组制造技术

本发明专利技术公开了一种空气循环压缩式空气源热泵机组，主要包括回热器、压缩机、空气冷却器、膨胀机、驱动机等部件以及连接管路。回热器的吸热侧进口与环境大气相连，回热器的吸热侧出口与压缩机的进口相连；压缩机的出口与空气冷却器的放热侧进口相连，空气冷却器的放热侧出口与回热器放热侧进口相连；回热器放热侧出口与膨胀机的进口相连，膨胀机的出口与环境大气相连；驱动机用于补偿压缩机消耗功与膨胀机消耗功之差。由于采用了空气为介质，并利用膨胀机回收压缩功，因此本发明专利技术的热泵机组有效解决了现有技术的空气源热泵机组在环境温度降低时制热量衰减大，能效低等问题。

An air cycle compressed air source heat pump unit

The invention discloses an air circulation compression type air source heat pump unit, which mainly comprises a regenerator, a compressor, an air cooler, an expander, a driving machine and other components, and a connecting pipeline. The regenerator is connected with the endothermic side inlet air inlet side and outlet of compressor, heat regenerator is connected with the side inlet and the outlet of the compressor; heat and air cooler is connected to the air cooler outlet and exothermic heat exchanger heat inlet connected to the regenerator; import export and the discharge side of the expander. The export machine, is connected with the air expansion; driving machine for compressor and expander compensation power consumption power consumption difference. Because the air is used as medium and the expansion compressor is used to recover the compression work, the heat pump unit of the invention effectively solves the problem of large heat consumption and low energy efficiency of the air source heat pump set of the existing technology when the ambient temperature is reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种空气循环压缩式空气源热泵机组
本专利技术属于节能设备
，特别涉及一种从空气中吸热、以空气为循环介质的压缩式热泵供热装置。
技术介绍
目前，雾霾已经成为了我国北方地区最严重、最亟需解决的环境问题之一，给公众健康带来了严重威胁。大量的研究表明，雾霾与冬季燃煤供热密切相关，其中散煤燃烧产生的排放占相当大的比例。散煤燃烧供热是北方广大农村地区主要的供热方式，具有使用方便、总量大、煤质不受控、不便于监管等问题，而且由于大多数散煤燃烧没有采取除尘、脱硫、脱硝等环保措施，因此存在单位质量排放高，消耗总量大等问题。为了解决散煤燃烧的问题，大力推广空气源热泵等清洁采暖方式，经过近几年的发展，空气源热泵采暖在我国华北地区已经开始较大规模应用，为节能减排作出了重要的贡献。目前已广泛应用的空气源热泵以氟利昂为循环工质，其原理如图1所示，室外空气在风机的驱动下流过室外换热器，将热量传递给低温低压的氟利昂气液混合物，使其等压蒸发为气体；氟利昂蒸汽再被压缩机吸入，压缩，升温升压后，进入冷凝器中，将热量传递给循环的热水(热风)，冷凝为液体后再通过节流结构降温降压成为气液混合物后进入室外换热器再吸热，如此往复循环。氟利昂压缩式热泵原理与氟利昂压缩式制冷机基本一致，因此目前的氟利昂压缩式热泵机组所用技术、流程、结构和零部件几乎与制冷机组相同或类似。然而氟利昂压缩式热泵机组与制冷机组在使用条件有非常大的差异，在制冷工况下非常适合的氟利昂热泵机组在制热时存在下列问题：首先在制冷运行时，氟利昂热泵从室内吸收热量，因此在整个运行过程中，蒸发温度基本不变，而制热运行时，氟利昂热泵从室外环境中吸收热量，随着环境温度的降低蒸发温度会发生非常大的变化，在初末寒期的蒸发温度为0℃左右(对应室外温度5℃)，在严寒期蒸发温度为-25℃左右(对应室外温度-20℃)，可见整个采暖季蒸发温度的变化范围之大，随着蒸发温度的降低，吸入压缩机的氟利昂蒸汽的密度迅速降低，造成循环质量流量快速减少，从室外吸收的热量迅速减少从而导致制热量衰减较大；其次随着蒸发温度的降低，压缩机的压缩比(压缩比等于冷凝压力除以蒸发压力，为了保持室内供热效果，冷凝压力基本不变或变化较小，而蒸发压力随着环境温度降低迅速降低，而且蒸发压力处于分数的分子，因此蒸发压力的变化对于压缩比影响很大)迅速增大，在整个采暖季供热运行时系统所需要的压缩比从初末寒期的3变化到严寒期的20，在如此大范围的变化使得压缩机很难在全工况保持较好的效率，影响了制热效率；最后，较大的压缩比对于压缩机结构带来很大的挑战，同时随着压缩比的增加，机组排气温度迅速上升，已经接近压缩机内置电机用F级电机的绝缘破坏温度限制，因此压缩比不能无限增大，这也就限制了氟利昂热泵使用环境温度的下限，GB/T25127.2-2010《低环境温度空气源热泵(冷水)机组第2部分：户用及类似用途的热泵(冷水)机组》中对于低温运行的下限是-20℃，也说明了目前氟利昂压缩式热泵不适合-20℃以下的环境运行。上述诸多问题阻碍了氟利昂压缩式热泵的广泛应用。为了解决上述问题，技术和科研人员做了大量的工作，目前的研究主要集中在如下几个方面：1、在压缩机方面，多采用两级(多级)压缩，以适应制热时系统所需压缩比增大的问题，可以扩展机组的低温使用范围，例如专利CN102900669A，CN203201799U等；2、在工质上，探索采用R417A、R32等高压工质，以减少压比，增加低温制热量；3、在循环上，采用双级压缩中间补气或者单级压缩中间补气的循环，例如专利CN201510207791.X，CN201620654797.1，CN201511017313.9等。这些技术研究的应用，有效的扩展了氟利昂压缩式热泵的应用范围、效率和能效，然而这些技术方法没有本质上解决压缩比变化大、工质密度随着蒸发温度降低迅速降低(带来低温制热量衰减)等问题，这也就限制了氟利昂压缩式热泵在东北、西北地区的使用，以及在华北地区的高水温工况下的使用。为了从本质上解决压缩比变化大、工质密度随着蒸发温度降低迅速降低的问题，本专利技术专利提出了采用空气为循环工质的压缩式热泵系统，由于吸热和放热过程均没有相变发生，所以机组的容积制冷量太小而耗功大，因此采用膨胀机回收部分压缩耗功以提高能效，由于以空气为循环工质，可以将机组做成开式系统，既可以减少换热传热环节而且又可以有效的降低成本，为此可以得到如下的原理性机组系统如图2所示，该系统包括回热器2、压缩机4、驱动机9、空气冷却器5和膨胀机7以及连接管路，来自环境的大气先进入回热器2的吸热侧，吸收来自放热侧的气体热量后，温度升高，再被压缩机4吸入，压缩升温升压后进入空气冷却器5中放热，温度降低后，进入回热器2的放热侧，将热量释放，温度降低后再进入膨胀机7降压降温后排入环境大气中。在该系统中，进入系统的空气与离开系统空气之间的焓差即为该系统从低温环境中吸收的热量，消耗的驱动功等于压缩耗功与回收的膨胀功之差。另外，在飞机空调领域还有采用空气压缩膨胀进行制冷的技术，该技术将来自发动机压气机的高压高温空气，先与外界环境进行换热降温后，再进入膨胀机中进行膨胀，对外输出功后，空气的温度降低，然后送至空调区域，该技术中进行压缩、膨胀的空气并不是来自于空调区域，是单向过程，没有形成循环，同时回收的膨胀功也没有补充到压气机中用于提高压缩的效率。
技术实现思路
本专利技术提供了一种空气循环压缩式空气源热泵机组，包括回热器2、压缩机4、空气冷却器5、膨胀机7、驱动机9以及连接管路。回热器2的吸热侧进口与环境大气相连，回热器2的吸热侧出口与压缩机4的进口相连；压缩机4的出口与空气冷却器5的放热侧进口相连，空气冷却器5的放热侧出口与回热器2放热侧进口相连；回热器2放热侧出口与膨胀机7的进口相连，膨胀机7的出口与与环境大气相连；驱动机9用于补偿压缩机4消耗功与膨胀机7消耗功之差。进一步，压缩过程级数为单级、双级或多级；当级数为单级时不设置压缩级间冷却，当级数为双级或多级时可设置压缩级间冷却；膨胀过程级数为单级、双级或多级，当级数为单级时不设置级间再热，当级数为双级或多级时可设置级间再热。进一步，当压缩过程级数为双级时，来自环境大气的低温常压空气a1进入回热器2的吸热侧，吸收来自回热器2放热侧空气的热量后，温度升高，成为离开回热器放热侧的空气a2l；离开回热器吸热侧的空气a2l再进入压缩机第一级4a，在压缩机第一级4a内被升温升压后成为高温中压的从压缩机第一级中排出的空气a4h，压缩过程需要消耗压缩功；然后进入空气冷却器第一级5a的放热侧，与来自供热区域的回水或空气进行热交换，将热量传递给热水或空气后，温度降低，压力基本不变，成为中压中温的离开空气冷却器第一级的空气a4m；再进入压缩机第二级4b，在压缩机第二级4b内被升温升压后成为高温高压的从压缩机第二级中排出的空气a4l，压缩过程需要消耗压缩功；然后进入空气冷却器第二级5b的放热侧，与来自供热区域的回水或空气进行热交换，将热量传递给热水或空气后，温度降低，压力基本不变，成为高压中温的离开空气冷却器第二级的空气a5l；离开空气冷却器第二级的空气a5l再进入回热器2的放热侧，与吸热侧的空气a1进行热交换，将热量传递给离开空气过滤器的空气a本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空气循环压缩式空气源热泵机组，包括回热器(2)、压缩机(4)、空气冷却器(5)、膨胀机(7)、驱动机(9)以及连接管路，其特征在于，回热器(2)的吸热侧进口与环境大气相连，回热器(2)的吸热侧出口与压缩机(4)的进口相连；压缩机(4)的出口与空气冷却器(5)的放热侧进口相连，空气冷却器(5)的放热侧出口与回热器(2)放热侧进口相连；回热器(2)放热侧出口与膨胀机(7)的进口相连，膨胀机(7)的出口与与环境大气相连；驱动机(9)用于补偿压缩机(4)消耗功与膨胀机(7)消耗功之差。

【技术特征摘要】
1.一种空气循环压缩式空气源热泵机组，包括回热器(2)、压缩机(4)、空气冷却器(5)、膨胀机(7)、驱动机(9)以及连接管路，其特征在于，回热器(2)的吸热侧进口与环境大气相连，回热器(2)的吸热侧出口与压缩机(4)的进口相连；压缩机(4)的出口与空气冷却器(5)的放热侧进口相连，空气冷却器(5)的放热侧出口与回热器(2)放热侧进口相连；回热器(2)放热侧出口与膨胀机(7)的进口相连，膨胀机(7)的出口与与环境大气相连；驱动机(9)用于补偿压缩机(4)消耗功与膨胀机(7)消耗功之差。2.根据权利要求1所述的热泵机组，其特征在于，压缩过程级数为单级、双级或多级；当级数为单级时不设置压缩级间冷却，当级数为双级或多级时可设置压缩级间冷却；膨胀过程级数为单级、双级或多级，当级数为单级时不设置级间再热，当级数为双级或多级时可设置级间再热。3.根据权利要求2所述的热泵机组，其特征在于，当压缩过程级数为双级时，来自环境大气的低温常压空气(a1)进入回热器(2)的吸热侧，吸收来自回热器(2)放热侧空气的热量后，温度升高，成为离开回热器吸热侧的空气(a2l)；离开回热器吸热侧的空气(a2l)再进入压缩机第一级(4a)，在压缩机第一级(4a)内被升温升压后成为高温中压的从压缩机第一级中排出的空气(a4h)，压缩过程需要消耗压缩功；然后进入空气冷却器第一级(5a)的放热侧，与来自供热区域的回水或空气进行热交换，将热量传递给热水或空气后，温度降低，压力基本不变，成为中压中温的离开空气冷却器第一级的空气(a4m)；再进入压缩机第二级(4b)，在压缩机第二级(4b)内被升温升压后成为高温高压的从压缩机第二级中排出的空气(a4l)，压缩过程需要消耗压缩功；然后进入空气冷却器第二级(5b)的放热侧，与来自供热区域的回水或空气进行热交换，将热量传递给热水或空气后，温度降低，压力基本不变，成为高压中温的离开空气冷却器第二级的空气(a5l)；离开空气冷却器第二级的空气(a5l)再进入回热器(2)的放热侧，与吸热侧的空气(a1)进行热交换，温度降低，压力基本不变，成为离开回热器放热侧的空气(a2h)；离开回热器放热侧的空气(a2h)再进入膨胀机(7)，进行膨胀，温度、压力均降低，成为从膨胀机中排出的空气(a7)，膨胀过程产生的功由膨胀机进行回收；从膨胀机中排出的空气(a7)排入环境大气中，其中消耗的压缩功与回收的膨胀功之间不足部分由驱动机(9)提供。4.根据权利要求1所述的热泵机组，其特征在于，所述热泵机组还包括进气过滤器(1)，此时进气过滤器(1)的出口与回热器(2)的吸热侧进口相连，其他部件连接方式不变。5.根据权利要求4所述的热泵机组，其特征在于，所述热泵机组还包括加湿器(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐道轲，张世钢，孔令锴，江亿，苗青，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11