[发明专利]一种过冷增效型多级半复叠热泵循环系统

说明书

本发明涉及一种过冷增效型多级半复叠热泵循环系统，系统的制冷剂循环回路由冷凝蒸发器进行相互换热式连接，系统的被加热介质流路包括顺序连接的过冷器载冷剂通道和冷凝器载冷剂通道。与现有技术相比，本发明的优势在于：在制冷剂循环回路引入过冷器，利用被加热介质温度较低时的冷量对制冷剂进行过冷，改善了传统复叠式循环中低温级制冷剂较难获得大过冷度从而限制循环性能的问题；对系统制冷剂循环回路的放热量按照温度由低到高的顺序进行梯级利用，进行介质的分段式加热，提高制冷剂和被加热介质换热过程的温度匹配性，减小了换热损失；可以通过改变运行的制冷剂回路数匹配需要的介质温升，系统的控制灵活性和调节能力较强。

技术领域

本发明涉及蒸气压缩式热泵领域，尤其是涉及一种过冷增效型多级半复叠热泵循环系统。

背景技术

在蒸汽压缩式热泵领域，尤其是冷热源温差较大的工况下，复叠式热泵循环得到了较为广泛的应用。相比单级压缩式热泵循环，复叠式热泵循环通过多级压缩减小压缩机的压比、降低压缩机的排气温度，并且可以在循环的每一级回路选择适合的制冷剂，获得较高的循环性能。

尽管有上述优势，传统的复叠式热泵技术仍存在一些不足。在循环层面，一个比较突出的问题是：低温级制冷剂较难获得大过冷度，限制了循环的性能。在传统复叠式热泵的冷凝蒸发器中，高温级制冷剂和低温级制冷剂换热，高温级制冷剂进行蒸发和吸气过热，低温级制冷剂进行排气冷却-冷凝-液体过冷。若要增大低温级制冷剂的过冷度，则需要增大复叠换热温差(即低温级冷凝温度和高温级蒸发温度的温差)，这意味着低温级制冷剂的冷凝温度将会提高(或者高温级制冷剂的蒸发温度下降)，相应地，该循环回路的压缩机压比上升、功耗增大。因此，低温级制冷剂过冷度和压缩机的压比互相制约，从而限制了循环的性能。循环层面的另一个问题在于：当被加热介质的温升较大时，换热流体的温度匹配不佳会导致较大的换热损失。例如，在传统复叠式高温热泵热水机中，低温水和高温级制冷剂在高温级冷凝器中进行换热，低温水吸收高温级制冷剂的热量从而被直接加热到目标温度。在此换热过程中，高温级制冷剂的冷凝温度很高且保持恒定，而水温由较低值上升至较高值，二者换热温差较大，温度匹配性较低，不利于系统性能。

在控制层面，传统复叠式热泵技术的不足在于，系统控制不够灵活、调节能力较低。对于传统的多级复叠式热泵系统，制冷剂和被加热介质只能在高温级冷凝器中进行换热，这会导致两个问题：其一，系统启动时，为了制冷剂循环回路的正常运行，需要同时开启各级制冷剂循环回路，控制要求较高；其二，当被加热介质的目标温度发生改变，系统无法通过改变运行的制冷剂循环回路级数来满足要求，系统的调节能力有待提高。

传统复叠式热泵技术的另一个挑战在于，复叠式空气源热泵常用的低温级逆循环除霜模式存在一定弊端。在该模式下，系统的高温级压缩机停止运行，低温级制冷剂在冷凝蒸发器里吸收高温级制冷剂的热量，进行蒸发，然后在低温级蒸发器中冷凝，其冷凝热用于低温级蒸发器的除霜。由于高温级制冷剂从介质(例如室内空气、热水等)获得的热量很小，其温度会不断下降，直至难以向低温级制冷剂放热，从而导致低温级制冷剂的蒸发温度和蒸发压力下降，容易发生低温级压缩机的低压保护或湿压缩问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种过冷增效型多级半复叠热泵循环系统，利用被加热介质温度较低时的冷量对制冷剂进行过冷，改善了传统复叠式循环中低温级制冷剂较难获得大过冷度从而限制循环性能的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的第一个目的是提供一种过冷增效型多级半复叠热泵循环A系统，所述半复叠热泵循环A系统包括相互换热式连接的两级制冷剂循环回路和被加热介质流路；

所述制冷剂循环回路包括低温级制冷剂循环回路和高温级制冷剂循环回路，所述低温级制冷剂循环回路和高温级制冷剂循环回路通过低温级冷凝蒸发器实现相互换热式连接；