具有多制冷剂回路的高效空调机组 |
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| 申请号 | CN201610864144.0 | 申请日 | 2016-09-29 | 公开(公告)号 | CN106440433A | 公开(公告)日 | 2017-02-22 |
| 申请人 | 同济大学; | 发明人 | 曹祥; 张子杨; 张春路; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种具有多制冷剂回路的高效 空调 机组，包括多制冷剂流路 室外换热器 、多制冷剂流路室内换热器、 压缩机 及制冷剂循环节流装置，多制冷剂流路室外换热器具备多个制冷剂通道，多制冷剂流路室内换热器具备多个制冷剂通道，压缩机、制冷剂循环节流装置设置多个，多制冷剂流路室外换热器的其中一个制冷剂通道、其中一个压缩机、多制冷剂流路室内换热器的其中一个制冷剂通道、其中一个制冷剂循环节流装置分别相连通形成多个制冷剂循环回路。与 现有技术 相比，本发明通过增加空调机组中制冷剂循环的数量，创造多个具有一定 温度 梯度的冷凝温度和 蒸发 温度，改善换热温差的不均匀性，提高蒸气压缩空调机组的效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有多制冷剂回路的高效空调机组，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 具有多制冷剂回路的高效空调机组技术领域背景技术[0002] 随着生活水平不断提升，空调用电量持续快速攀升，目前在建筑能耗中的占比已超过四成。目前基于蒸气压缩循环的空调机组使用最为广泛。 [0003] 蒸气压缩式空调机组主要结构包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂，首先在蒸发器中从低温热源吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内全部被压缩成高温高压的蒸气。该高温高压气体在冷凝器内冷却凝结成高压液体，释放热量并加热换热管另一侧的空气。最后再经节流元件(如毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等)节流成低温低压液态制冷剂，如此，完成一个蒸气压缩制冷/热泵循环。送入房间的空气将在蒸发器中降温除湿，而经过冷凝器的空气将带走房间的负荷和压缩机的耗功。 [0004] 从经典热力学的角度，蒸汽压缩热泵空调机组的效率损失主要来自于两个方面，一方面是非等熵压缩和节流引起的不可逆损失，另一方面是冷凝器和蒸发器温差传热过程造成的不可逆损失，其中后者造成的损失高达55％。 [0005] 温差传热损失是由于空气经过换热器温度会显著变化，但相变温度与压力相关的制冷剂难以与空气温度变化相协同。这种不匹配的温度变化造成局部温差偏大，造成极大的 损失；局部温差偏小，即存在“温度夹点”，浪费换热面积。因此，不均匀的传热温差是限制空调机组能效的重要原因之一。 [0006] 但目前没有空调机组使用该原理提高性能。 发明内容[0008] 基于背景介绍中的现有技术，本发明通过多个制冷剂循环，在蒸发器和冷凝器中创造数个具有一定梯度的吸排气压力，从而实现制冷剂与空气在热交换过程中的温度协同变化，可有效改善换热温差的不均匀，减少不可逆损失。 [0009] 简单蒸气压缩循环受空气温度约束，需将所有制冷剂从最低的蒸发压力压缩至最高的冷凝压力，而通过多个制冷剂循环可降低了每个子循环的压比，从而降低压缩机耗功，机组能效提高。 [0010] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0011] 一种具有多制冷剂回路的高效空调机组，包括： [0013] 多制冷剂流路室内换热器：具备多个制冷剂通道和一条空气通道，多个制冷剂通道沿空气通道方向前后布置，其中高温制冷剂通道近迎风面，低温制冷剂通道近出风面设置； [0014] 压缩机：设置个数与多制冷剂流路室外换热器或多制冷剂流路室内换热器中制冷剂通道个数相同； [0015] 制冷剂循环节流装置：设置个数与多制冷剂流路室外换热器或多制冷剂流路室内换热器中制冷剂通道个数相同； [0016] 多制冷剂流路室外换热器的其中一个制冷剂通道、其中一个压缩机、多制冷剂流路室内换热器的其中一个制冷剂通道、其中一个制冷剂循环节流装置分别相连通形成多个制冷剂循环回路。每个制冷剂循环回路在多制冷剂流路室外换热器及多制冷剂流路室内换热器处形成温度梯度，以改善空气通道与制冷剂通道换热温差的不均匀性，提高蒸气压缩空调机组的效率。 [0017] 所述的制冷剂循环节流装置选自毛细管、短管、孔板、热力膨胀阀或电子膨胀阀。 [0018] 下文技术方案和实施例中均以制冷剂双回路的空调机组为例进行说明。但空调机组中制冷剂回路的数量是非限制的，通过增减压缩机的数量，或增减压缩机气缸的数量来改变改变空调机组中制冷剂回路的数量均属于本专利的保护范畴之内。值得说明的是，每个制冷剂回路的并联压缩机数量是非限制，增减单个制冷剂回路内压缩机的并联台数均属于本专利的保护范畴之内。 [0019] 具有双制冷剂回路的高效空调机组包括： [0020] 双制冷剂流路室外换热器：具备高温制冷剂通道、低温制冷剂通道和一条空气通道，两个制冷剂通道沿空气通道方向前后布置，其中低温制冷剂通道近迎风面，高温制冷剂通道近出风面设置； [0021] 双制冷剂流路室内换热器：具备高温制冷剂通道、低温制冷剂通道和一条空气通道，两个制冷剂通道沿空气通道方向前后布置，其中高温制冷剂通道近迎风面，低温制冷剂通道近出风面设置； [0022] 压缩机：设置2个，分别为第一循环压缩机与第二循环压缩机； [0023] 制冷剂循环节流装置：设置2个，分别为第一循环节流装置与第二循环节流装置； [0024] 双制冷剂流路室外换热器的高温制冷剂通道、第一循环压缩机、双制冷剂流路室内换热器的高温制冷剂通道、第一循环节流装置相连通，形成高温制冷剂循环的第一循环，[0025] 双制冷剂流路室外换热器的低温制冷剂通道、第二循环压缩机、双制冷剂流路室内换热器的低温制冷剂通道、第二循环节流装置相连通，形成低温制冷剂循环的第二循环。 [0026] 具有双制冷剂回路的高效空调机组还包括外风机与送风风机，所述的双制冷剂流路室外换热器的空气通道与室外环境空气连通，被吸入的空气先通过双制冷剂流路室外换热器的低温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室外换热器的高温制冷剂通道进行换热，最后经外风机吹出； [0027] 所述的双制冷剂流路室内换热器的空气通道与室内环境空气连通，需降温除湿的空气将先通过双制冷剂流路室内换热器的高温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室内换热器的低温制冷剂通道进行换热，最后经送风风机吹出送入空调房间。 [0028] 进一步地，所述的双制冷剂流路室外换热器为双冷凝温度冷凝器。 [0029] 进一步地，所述的双制冷剂流路室内换热器为双蒸发温度蒸发器。 [0030] 进一步地，所述的外风机为冷凝风机。 [0031] 优选地，具有双制冷剂回路的高效空调机组还包括有第一循环四通换向阀与第二循环四通换向阀，所述的第一循环四通换向阀与第一循环压缩机连接，且第一循环四通换向阀用于调控第一循环中制冷剂的流向，所述的第二循环四通换向阀与第二循环压缩机连接，且第二循环四通换向阀用于调控第二循环中制冷剂的流向，进而，通过控制第一循环四通换向阀与第二循环四通换向阀来切换制冷与制热工况。 [0032] 优选地，所述的第一循环节流装置包括第一循环制热节流装置与第一循环制冷节流装置，所述的第二循环节流装置包括第二循环制热节流装置与第二循环制冷节流装置。 [0033] 所述的第二循环制热节流装置、第一循环制热节流装置、第二循环制冷节流装置、第一循环制冷节流装置、第一循环节流装置、第二循环节流装置分别独立的选选自毛细管、短管、孔板、热力膨胀阀或电子膨胀阀等制冷系统节流装置。 [0034] 优选地，所述的第一循环压缩机与第二循环压缩机由一个双气缸双吸排气压力压缩机代替，所述的双气缸双吸排气压力压缩机为具有两个彼此不连通的气缸，两个气缸分别具有不同的吸气压力与排气压力，与第一循环连通的气缸为第一循环气缸，与第二循环连通的气缸为第二循环气缸，所述的双气缸双吸排气压力压缩机可选用蒸气压缩制冷机或热泵压缩机。 [0035] 优选地，第一循环和第二循环可以使用相同的制冷剂，也可使用不同的制冷剂。 [0036] 具有双制冷剂回路的高效空调机组，包含高温循环和低温循环两个独立的制冷剂循环，其工作过程为：两个循环内的制冷剂在各自循环内，首先分别在双制冷剂流路室内换热器高温制冷剂通道和低温制冷剂通道中依次从低温热源吸热，从低温低压的液态化成低压蒸气。然后制冷剂气体分别进入第一循环压缩机和第二循环压缩机，或者直接进入双气缸双吸排气压力压缩机，被压缩至高温高压的蒸气。高温高压气体分别经各压缩机排气管分别进入双制冷剂流路室外换热器的高温制冷剂通道与低温制冷剂通道，冷却凝结成液体，释放热量并依次加热双制冷剂流路室外换热器换热管另一侧的空气。最后再经第一循环节流装置和第二循环节流装置分别节流成低温低压液态制冷剂。如此，完成制冷剂双回路的高效空调机组的制冷剂循环。同时，被降温的空气先通过双制冷剂流路室内换热器的高温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室内换热器的低温制冷剂通道进行换热，温湿度下降，最后经送风风机吹出送入空调房间；被升温的空气先通过双制冷剂流路室外换热器的低温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室外换热器的高温制冷剂通道进行换热，温度上升，最后经外风机吹出。 [0037] 具有双制冷剂回路的高效空调机组，它由两个独立运行的制冷剂循环构成，制冷剂侧互不连通。但两个循环在换热器的空气侧以串联方式，依次为空气降温或加热。例如双制冷剂流路室外换热器侧，两个循环共同使用一个双制冷剂流路室内换热器的前后部分，空气先经过双制冷剂流路室内换热器的高温制冷剂通道进行换热降温，再通过双制冷剂流路室内换热器的低温制冷剂通道进行换热进一步降温至设计温度。 [0038] 本发明通过增加空调机组中制冷剂循环的数量，创造多个具有一定温度梯度的冷凝温度和蒸发温度，改善换热温差的不均匀性，提高蒸气压缩空调机组的效率。 [0039] 与现有技术相比，本发明具备以下优点： [0040] 1.机组名义工况能效显著提高。仿真结果显示，在不增大换热器的条件下，某名义制冷工况国标3级能效的机组(COP＝3.28)采用制冷剂双回路设计，可提高到国标1级能效(COP＝3.59)，能效提升9.5％，而2级、1级能效的传统空调机组能的能效提升幅度更大。 [0041] 2.本发明不单名义工况，在各类工况条件下节能效果都十分显著，较传统制冷剂单回路空调机组全年性能系数APF提高8.5～13.6％； [0042] 3.可操作性好，经济性强。只需对传统空调机组进行适当改造就可实现制冷剂双回路，成本增加不足10％，就将机组由三级能效提升到一级能效。 [0043] 4.兼容性强，可以配合其他提高机组能效的技术，进一步提高能效。 [0044] 应当声明的是，使用适用于简单蒸气压缩制冷/热泵循环(单制冷剂回路内压缩机只提供唯一排气压力，且循环内只存在唯一冷凝压力和唯一蒸发压力的蒸气压缩制冷/热泵循环)提高系统能效和稳定性的措施或增减相关设备对本发明进行的改进，不能视为对本发明做出实质性改进，故均属于本专利保护范畴内。附图说明 [0045] 图1为实施例1中具有制冷剂双回路的高效空调机组结构示意图。 [0046] 图2为实施例2中具有制冷剂双回路的高效空调机组结构示意图。 [0047] 图3为实施例3中具有制冷剂双回路的高效空调机组结构示意图。 [0048] 图中：1为第一循环压缩机，2为第二循环压缩机，3为第一循环四通换向阀，4为第二循环四通换向阀，5为双制冷剂流路室外换热器，6为外风机，7为第二循环制热节流装置，8为第一循环制热节流装置，9为第二循环制冷节流装置，10为第一循环制冷节流装置，11为送风风机，12为双制冷剂流路室内换热器，13为双气缸双吸排气压力压缩机，14为第一循环节流装置，15为第二循环节流装置，其余为制冷剂连接管。 具体实施方式[0049] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 [0050] 实施例1 [0051] 具有双制冷剂回路的高效空调机组，如图1所示，包括双制冷剂流路室外换热器5、双制冷剂流路室内换热器12、第一循环压缩机1、第二循环压缩机2、第一循环节流装置14、第二循环节流装置15、外风机6与送风风机11。 [0052] 双制冷剂流路室外换热器5具备高温制冷剂通道、低温制冷剂通道和一条空气通道，两个制冷剂通道沿空气通道方向前后布置，其中低温制冷剂通道近迎风面，高温制冷剂通道近出风面设置； [0053] 双制冷剂流路室内换热器12具备高温制冷剂通道、低温制冷剂通道和一条空气通道，两个制冷剂通道沿空气通道方向前后布置，其中高温制冷剂通道近迎风面，低温制冷剂通道近出风面设置； [0054] 双制冷剂流路室外换热器5的高温制冷剂通道、第一循环压缩机1、双制冷剂流路室内换热器12的高温制冷剂通道、第一循环节流装置14相连通，形成高温制冷剂循环的第一循环， [0055] 双制冷剂流路室外换热器5的低温制冷剂通道、第二循环压缩机2、双制冷剂流路室内换热器12的低温制冷剂通道、第二循环节流装置15相连通，形成低温制冷剂循环的第二循环。 [0056] 双制冷剂流路室外换热器5的空气通道与室外环境空气连通，被吸入的空气先通过双制冷剂流路室外换热器5的低温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室外换热器5的高温制冷剂通道进行换热，最后经外风机6吹出； [0057] 双制冷剂流路室内换热器12的空气通道与室内环境空气连通，需降温除湿的空气将先通过双制冷剂流路室内换热器12的高温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室内换热器12的低温制冷剂通道进行换热，最后经送风风机11吹出送入空调房间。 [0058] 具体而言，双制冷剂流路室外换热器5高温制冷剂通道一端经制冷剂连接管23与第一循环节流装置14入口相连通，双制冷剂流路室外换热器5高温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管22与第一循环压缩机1排气口相连通。 [0059] 双制冷剂流路室外换热器5低温制冷剂通道一端经制冷剂连接管27与第二循环节流装置15入口相连通，双制冷剂流路室外换热器5低温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管26与第二循环压缩机2排气口相连通。 [0060] 双制冷剂流路室内换热器12高温制冷剂通道一端经制冷剂连接管24与第一循环节流装置14出口相连通，双制冷剂流路室内换热器12高温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管21与第一循环压缩机1吸气口相连通。 [0061] 双制冷剂流路室内换热器12低温制冷剂通道一端经制冷剂连接管28与第二循环节流装置15出口相连通，双制冷剂流路室内换热器12低温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管25与第二循环压缩机2吸气口相连通。 [0062] 本实施例中，双制冷剂流路室外换热器5为双冷凝温度冷凝器。双制冷剂流路室内换热器12为双蒸发温度蒸发器。外风机6为冷凝风机。 [0063] 本实施例中，第一循环节流装置14可以选自毛细管、短管、孔板、热力膨胀阀或电子膨胀阀等制冷系统节流装置。 [0064] 本实施例中，第二循环节流装置15可以选自毛细管、短管、孔板、热力膨胀阀或电子膨胀阀等制冷系统节流装置。 [0065] 本实施例机组包含高温循环和低温循环两个独立的制冷剂循环，系统工作状态下充有制冷剂(例如氟利昂)。 [0066] 本实施例的具有双制冷剂回路的高效空调机组，包含高温循环和低温循环两个独立的制冷剂循环，其工作过程为：两个循环内的制冷剂在各自循环内，首先分别在双制冷剂流路室内换热器12高温制冷剂通道和低温制冷剂通道中依次从低温热源吸热，从低温低压的液态化成低压蒸气。然后制冷剂气体分别进入第一循环压缩机1和第二循环压缩机2，或者直接进入双气缸双吸排气压力压缩机13，被压缩至高温高压的蒸气。高温高压气体分别经各压缩机排气管分别进入双制冷剂流路室外换热器5的高温制冷剂通道与低温制冷剂通道，冷却凝结成液体，释放热量并依次加热双制冷剂流路室外换热器5换热管另一侧的空气。最后再经第一循环节流装置14和第二循环节流装置15分别节流成低温低压液态制冷剂。如此，完成制冷剂双回路的高效空调机组的制冷剂循环。同时，被降温的空气先通过双制冷剂流路室内换热器12的高温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室内换热器12的低温制冷剂通道进行换热，温湿度下降，最后经送风风机11吹出送入空调房间；被升温的空气先通过双制冷剂流路室外换热器5的低温制冷剂通道进行换热，再通过双制冷剂流路室外换热器5的高温制冷剂通道进行换热，温度上升，最后经外风机6吹出。 [0067] 具有双制冷剂回路的高效空调机组，它由两个独立运行的制冷剂循环构成，制冷剂侧互不连通。 [0068] 双制冷剂流路室内换热器12的高温制冷剂通道和低温制冷剂通道按照空气通道的流向看是串联的，经过双制冷剂流路室内换热器12的空气首先经过双制冷剂流路室内换热器12的高温制冷剂通道进行换热，再经过双制冷剂流路室内换热器12的低温制冷剂通道进行换热。双制冷剂流路室外换热器5的高温制冷剂通道和低温制冷剂通道按照空气通道的流向看是串联的，经过双制冷剂流路室外换热器5的空气首先经过双制冷剂流路室外换热器5的高温制冷剂通道进行换热，再经过双制冷剂流路室外换热器5的低温制冷剂通道进行换热。 [0069] 实施例2 [0070] 如图2所示，本实施例与实施例1不同之处在于： [0071] 本实施例中，具有双制冷剂回路的高效空调机组还包括有第一循环四通换向阀3与第二循环四通换向阀4，第一循环四通换向阀3与第一循环压缩机1连接，且第一循环四通换向阀3用于调控第一循环中制冷剂的流向，第二循环四通换向阀4与第二循环压缩机2连接，且第二循环四通换向阀4用于调控第二循环中制冷剂的流向，进而，通过控制第一循环四通换向阀3与第二循环四通换向阀4来切换制冷与制热工况。 [0072] 另外，本实施例中，利用串联的第一循环制热节流装置8与第一循环制冷节流装置10来代替实施例1中的第一循环节流装置14，利用串联的第二循环制热节流装置7与第二循环制冷节流装置9来代替实施例1中的第二循环节流装置15。 [0073] 本实施例中，第二循环制热节流装置7、第一循环制热节流装置8、第二循环制冷节流装置9、第一循环制冷节流装置10分别选自电子膨胀阀。 [0074] 具体而言，双制冷剂流路室外换热器5高温制冷剂通道一端经制冷剂连接管28与第一循环制热节流装置8入口相连通，第一循环制热节流装置8出口通过制冷剂连接管24与第一循环制冷节流装置10入口相连通，双制冷剂流路室外换热器5高温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管27与第一循环四通换向阀3的第一接口连接，第一循环四通换向阀3的第二接口通过制冷剂连接管26与第一循环压缩机1排气口相连通。 [0075] 双制冷剂流路室外换热器5低温制冷剂通道一端经制冷剂连接管33与第二循环制热节流装置7入口相连通，第二循环制热节流装置7出口通过制冷剂连接管23与第二循环制冷节流装置9入口相连通，双制冷剂流路室外换热器5低温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管32与第二循环四通换向阀4的第一接口连接，第二循环四通换向阀4的第二接口通过制冷剂连接管31与第二循环压缩机2排气口相连通。 [0076] 双制冷剂流路室内换热器12高温制冷剂通道一端经制冷剂连接管29与第一循环制冷节流装置10出口相连通，双制冷剂流路室内换热器12高温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管21与第一循环四通换向阀3的第三接口连接，第一循环四通换向阀3的第四接口通过制冷剂连接管25与第一循环压缩机1吸气口相连通。 [0077] 双制冷剂流路室内换热器12低温制冷剂通道一端经制冷剂连接管34与第二循环制冷节流装置9出口相连通，双制冷剂流路室内换热器12低温制冷剂通道另一端经制冷剂连接管22与第二循环四通换向阀4的第三接口连接，第二循环四通换向阀4的第四接口通过制冷剂连接管30与第二循环压缩机2吸气口相连通。 [0078] 与传统的分体式空调机组相比，其外观上最大的特征在于，连接室内机和室外机制冷剂连接管数量增加至4根，分布为制冷剂连接管21、22、23、24。 [0079] 制冷工况下，第一循环为高温循环，第二循环为低温循环，双制冷剂流路室外换热器5为冷凝器，双制冷剂流路室内换热器12为蒸发器，第一循环制热节流装置8和第二循环制热节流装置7保持全开，其制冷工作流程与实施例1类似。 [0080] 制热工况下，第一循环为低温循环，第二循环为高温循环，双制冷剂流路室外换热器12为冷凝器，双制冷剂流路室内换热器5为蒸发器，第一循环制冷节流装置10和第二循环制冷节流装置9保持全开。其制热工作流程与制冷工作流程类似，制冷剂被压缩排出各自循环的压缩机后，先经冷凝器释放热量后，再经节流进入蒸发器吸热，返回各自循环的压缩机。 [0081] 制冷与制热工况的切换，通过第一循环四通换向阀3、第二循环四通换向阀4实现。 [0082] 实施例3 [0083] 如图3所示，本实施例与实施例2不同之处在于： [0084] 本实施例中，第一循环压缩机1与第二循环压缩机2由一个双气缸双吸排气压力压缩机13代替，双气缸双吸排气压力压缩机13为具有两个彼此不连通的气缸，两个气缸分别具有不同的吸气压力与排气压力，与第一循环连通的气缸为第一循环气缸，与第二循环连通的气缸为第二循环气缸，双气缸双吸排气压力压缩机13可选用蒸气压缩制冷机或热泵压缩机。 [0085] 与实施例2相比，采用双气缸双吸排气压力压缩机13替换了第一循环压缩机1、第二循环压缩机2，以简化系统结构。 [0086] 上述实施例中未完整展示制冷剂循环和风道的所有部件，实施过程中，在制冷剂回路设置高压储液器、气液分离器、油分离、过滤器、干燥器等常见制冷辅件，在风道设置过滤器，消声器，加湿器，加热器，杀菌装置等空气处理附件，选用不同的送风喷口和回风格栅，改变风机位置，或不脱离本发明技术方案的精神增加热交换器，风机和风阀等，均不能视为对本发明进行了实质性改进，应属于本发明保护范围。 [0087] 本文中示意图均以翅片管换热器为例，在实施过程中，不脱离本发明技术方案的精神地改变换热器的种类和形式，例如使用微通道换热器，排管式换热器，板式换热器，壳管式换热器，均不能视为对本发明进行了实质性改进。 [0088] 本文中使用“第一”、“第二”等词语来限定部件，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”等词语的使用仅仅是为了便于描述上对部件进行区别。如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。 |
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