[发明专利]蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统及控制方法

说明书

蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统及控制方法，包括压缩机、室外换热器、室内换热器、第一换向四通阀、气液分离器、第二换向四通阀；其中，压缩机出口经第一换向四通阀、室外换热器/室内换热器、第二换向四通阀与气液分离器入口相连，气液分离器液体出口与第二换向四通阀相连，气液分离器气体出口与压缩机入口相连。本发明利用气液分离技术充分降低蒸发器入口干度，提高蒸发器制冷剂分配均匀性，从而提升蒸发器换热面积有效利用率及换热效率；引入第二换向四通阀解决气液分离器对制冷剂流向变化的限制，实现制冷与制热模式之间的便捷、高效切换，使不同模式下蒸发器传热性能均可得到强化，进而提升制冷/热泵系统的全年能源消耗效率。

技术领域

本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种蒸发器前制冷剂气液分离的制冷/热泵系统及控制方法。

背景技术

随着人民生活水平的提高，以蒸汽压缩制冷循环为基础的制冷/热泵产品使用量急速上升，已成为民用与商用建筑中最大的能源消耗终端，其中空调系统能耗占比达18％～73％，热水系统能耗占比达27％，提高蒸汽压缩式制冷/热泵系统能效、降低能耗已成为节能减排的关键。

在蒸汽压缩式制冷/热泵系统中，蒸发器是直接产生冷量的部件，蒸发器的改进在提高制冷/热泵系统能效中扮演着重要角色，具有巨大的节能潜力。在蒸发器中，循环流动的液态制冷剂通过相变不断地从换热流体中吸收热量使其降温，从而实现制冷的目的。然而，在实际蒸汽压缩循环中，液态制冷剂在进入蒸发器前需要先经过节流结构降压，导致部分液态工质闪蒸汽化，蒸发器入口处制冷剂由单相液态变为气液两相混合物。与液态相比，汽态制冷剂对蒸发器内的换热过程贡献很小，因而基本没有制冷效果，但闪蒸气的存在却不仅使制冷剂流速增加，导致沿程压降增大，还占据了部分换热面积，导致蒸发器换热效率明显下降。此外，现有蒸发器在使用过程中一般采用增加分路的方式来降低制冷剂侧压力损失，由于气液两相制冷剂存在显著的密度差和速度差，使得制冷剂在蒸发器各支路中的流量、干度分配并不均匀，导致蒸发器换热面积以及液态制冷剂的相变潜热都无法充分利用，使蒸发器换热性能进一步恶化。因此，采取措施降低蒸发器入口干度并使制冷剂分配均匀，对于提高蒸发器性能与制冷/热泵系统能效有着十分重要的意义。

为实现上述目标，现有技术普遍采用在节流结构与蒸发器之间增设气液分离过程的技术方案，通过气液分离过程一方面最大程度降低蒸发器入口干度，另一方面排除气相对制冷剂均匀分配的影响。

中国专利CN101038116A提出了一种气液分离蒸发器，制冷剂首先进入气液分离器，在气液分离器顶部与底部分别设有气相出口与液相出口，分离后的液相制冷剂经由液相出口进入蒸发器，气相工质由气相出口进入旁通管而不参与换热，从而降低蒸发器入口干度、提高换热效率。缺点是常规气液分离器尺寸较大，既增加了制冷剂的充注量，也不利于系统紧凑式设计。此外，对于同时具有制冷与制热需求的热泵空调系统，这种一体式设计方案也将极大增加室内换热器与室外换热器切换的技术成本。

中国专利CN105526745A公开了一种基于闪蒸气旁通过冷技术的制冷系统。在蒸发器与节流阀之间增设闪蒸罐，通过节流后的闪发气体对节流前的液相工质进行过冷，降低节流阀出口制冷剂干度，并通过闪蒸罐进行气液分离，改善制冷剂分配均匀性并提高蒸发器换热效率。缺点是系统中增加了回热器与带内部换热器的闪蒸罐，气液分离器及制冷系统复杂，且只对制冷工况有效，不能满足热泵空调需求。

文献(SAE Int.J.Mater.Manuf,2011,4(1),231-239)也提出了一种基于闪蒸气旁通技术的制冷系统，不同之处在于采用T形管代替传统重力式或离心式分离设备，从而极大降低气液分离装置的复杂性和尺寸。缺点缺少对气液分离过程的控制手段，且提出的系统设计方案同样仅适用于制冷工况。