專利名稱：二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及二氧化碳于跨臨界狀態(tài)下在熱泵機(jī)組的應(yīng)用，特別涉及二氧化碳
熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
二氧化碳作為制冷劑，在19世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代前，C02(R744)，氨(R717)， S02(R764)，氯甲烷(R40)等曾被廣泛應(yīng)用。上述除了 C02外，其余工質(zhì)均有毒性或可燃性， 而C02則因無(wú)毒且不燃，因而在民用和船用制冷等方面有其巨大的優(yōu)勢(shì)。在制冷空調(diào)的許 多應(yīng)用領(lǐng)域，使用C02作制冷劑具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，主要概括如下 a)環(huán)境性能優(yōu)良。C02是自然界天然存在的物質(zhì)，它的臭氧層破壞潛能(ODP)為 零，其溫室效應(yīng)潛能極小(GWP = 1)。而現(xiàn)在作為推薦替代工質(zhì)HFC及其混合物，其ODP雖 為零，但GWP卻比C02高1000 2000倍。如果考慮到所用C02大多為化工副產(chǎn)品，用它做 制冷劑正好回收了原來(lái)要排向大氣的廢物的話，C02的溫室效應(yīng)就應(yīng)為零。再加上HFC及 其混合物不但會(huì)增加溫室效應(yīng)，而且可能產(chǎn)生其它現(xiàn)未知的副作用，C02在這一方面的優(yōu)勢(shì) 就更為明顯。尤其是隨著制冷空調(diào)設(shè)備數(shù)量的增加，對(duì)各種制冷工質(zhì)的需要量逐年上升，在 選擇和確定現(xiàn)有制冷空調(diào)設(shè)備中所用的制冷工質(zhì)的替代物時(shí)，完全有理由把更多的精力投 向?qū)θ祟愖陨砩姝h(huán)境無(wú)破壞作用的自然工質(zhì)C02。 b)自身費(fèi)用低，無(wú)需回收或再生，操作與運(yùn)行的費(fèi)用也較低。 c)化學(xué)穩(wěn)定性好。C02與水混合時(shí)呈弱酸性，可腐蝕碳鋼等普通金屬，但不腐蝕不 銹鋼和銅類金屬。當(dāng)輸送的C02比較干燥(含水率小于8卯m)時(shí)，可采用普通的碳素鋼。 d)有利于減小裝置體積。高的工作壓力使得壓縮機(jī)吸氣比容較小，使得容積制冷 量較大，使得壓縮尺寸減小。流動(dòng)和傳熱性能提高，減少了管道和熱交換器的尺寸，從而使 系統(tǒng)非常緊湊。 e)安全無(wú)毒，不可燃，即使在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體，因?yàn)镃02是碳的最高 氧化狀態(tài)，具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。 采用C02為制冷劑也有缺點(diǎn)，C02高的臨界壓力和低的臨界溫度也給它做制冷劑 帶來(lái)了許多難題二氧化碳的臨界點(diǎn)溫度和壓力分別為31. 2攝氏度和7. 38Mp，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 空氣源熱泵機(jī)組常用的制冷劑R22的工作壓力臨界溫度(°C )96. 1臨界壓力4. 978Mpa。 二 氧化碳臨界點(diǎn)溫度低，為實(shí)現(xiàn)高溫?zé)崴趸紵岜脽崴到y(tǒng)必須使制冷劑跨臨界循環(huán) 才能實(shí)現(xiàn)。無(wú)論亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán)，C02制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力都將高于傳統(tǒng)的制 冷空調(diào)系統(tǒng)，這必然會(huì)給系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多新的要求。同時(shí)現(xiàn)階段還存在C02制 冷系統(tǒng)的效率相對(duì)較低的問(wèn)題。在國(guó)際上許多國(guó)家都已展開(kāi)跨臨界循環(huán)理論研究和一些應(yīng) 用，在國(guó)內(nèi)高效率跨臨界循環(huán)裝置還未見(jiàn)應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種于高壓循環(huán)下，可高效運(yùn)行的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)由一 級(jí)熱泵機(jī)組構(gòu)成，該一級(jí)熱泵機(jī)組采用二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)，其包括壓縮機(jī)、膨脹器、蒸 發(fā)器、氣液分離器、回?zé)崞骱蜌怏w換熱器以及將所述各裝置連接成一體的管路；其中，所述 膨脹器的入口通過(guò)管路與所述回?zé)崞飨噙B，該膨脹器的出口通過(guò)管路與所述蒸發(fā)器的入口 相連，該蒸發(fā)器的出口通過(guò)管路與所述壓縮機(jī)的入口相連；所述蒸發(fā)器還通過(guò)管路還與所 述氣液分離器相連，該氣液分離器通過(guò)管路還與所述壓縮機(jī)相連，所述壓縮機(jī)通過(guò)管路與 所述氣體換熱器的進(jìn)氣口相連，而該氣體換熱器的回氣口同時(shí)還與所述回?zé)崞飨噙B，從而 構(gòu)成二氧化碳循環(huán)的熱泵回路。 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述膨脹器包括與控制器相連的膨脹閥和若干
針閥，該控制器還同時(shí)與位于所述蒸發(fā)器和氣液分離器之間的傳感器相連。 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述氣體換熱器為湍流換熱器，該湍流換熱器
包括呈盤(pán)旋狀的鋼管及內(nèi)套于其中的多頭內(nèi)螺旋型波紋管，所述鋼管與銅管焊封成一體。 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，于所述多頭螺旋型波紋管的內(nèi)外兩側(cè)流動(dòng)有工
作介質(zhì)。 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述湍流換熱器的多頭內(nèi)螺旋型波紋管的螺紋 頭數(shù)、螺紋深度和螺紋螺距為可調(diào)整設(shè)計(jì)。 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述螺紋螺距的范圍是30毫米至120毫米。 本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于，大大提升二氧化碳熱泵機(jī)組于跨臨界狀態(tài)下的循環(huán) 運(yùn)行的工作效率；其中，氣體換熱器的螺旋型波紋管的設(shè)計(jì)增大了單位金屬管的表面積，并 能使管壁內(nèi)的流體始終處于高度湍流狀態(tài)，從而具備較高的換熱效率，同時(shí)又具備耐高壓 性。
以下結(jié)合附圖和較佳實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。


圖1是本實(shí)用新型二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)的原理圖； 圖2a是是本實(shí)用新型二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)的氣體換熱器的俯
視圖； 圖2b是是本實(shí)用新型二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)的氣體換熱器的側(cè) 視圖； 圖3a是本實(shí)用新型二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)的氣體換熱器的內(nèi)部 螺旋波紋管的管體橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖；以及 圖3b是本實(shí)用新型二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)的氣體換熱器的內(nèi)部 螺旋波紋管的管體縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式如
圖1所示，本實(shí)用新型的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)由一級(jí)熱泵機(jī) 組構(gòu)成，該一級(jí)熱泵機(jī)組采用二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)，其包括壓縮機(jī)2、膨脹器、蒸發(fā)器3、 氣液分離器5、回?zé)崞?和氣體換熱器1以及將所述各裝置連接成一體的管路；其中，所述
4膨脹器的入口通過(guò)管路與所述回?zé)崞?相連，該膨脹器的出口通過(guò)管路與所述蒸發(fā)器3的 入口相連，該蒸發(fā)器3的出口通過(guò)管路與所述壓縮機(jī)2的入口相連；所述蒸發(fā)器3還通過(guò)管 路還與所述氣液分離器5相連，該氣液分離器5通過(guò)管路還與所述壓縮機(jī)2相連，所述壓縮 機(jī)2通過(guò)管路與所述氣體換熱器1的進(jìn)氣口相連，而該氣體換熱器1的回氣口同時(shí)還與所 述回?zé)崞飨噙B從而構(gòu)成二氧化碳循環(huán)的熱泵回路。 所述膨脹器包括與控制器11相連的膨脹閥8和若干針閥9，該控制器11還同時(shí)與 位于所述蒸發(fā)器3和氣液分離器5之間的傳感器12相連。 其中，壓縮機(jī)2相當(dāng)于系統(tǒng)的心臟，系統(tǒng)中制冷劑的循環(huán)是靠壓縮機(jī)2的運(yùn)轉(zhuǎn)；氣 體換熱器1是一種高壓部件，它將壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體，通過(guò)冷凝器的管壁 和翅片將熱量傳給水，將水提高到使用溫度；電子膨脹閥8是節(jié)流組件用于控制制冷劑在 蒸發(fā)器的合適的蒸發(fā)溫度，以達(dá)到吸收熱量的作用；氣液分離器5的目的是使氣液分離，氣 體進(jìn)入壓縮機(jī)2，保護(hù)壓縮機(jī)2免受液體沖擊；壓力表9裝在系統(tǒng)中直接反應(yīng)系統(tǒng)中壓力 值；控制器11實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)、停、運(yùn)行等自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；傳感器12負(fù)責(zé)感 知R744冷媒蒸發(fā)后的溫度，經(jīng)過(guò)控制器11判斷對(duì)電子膨脹閥8進(jìn)行流量調(diào)整。 二氧化碳熱泵熱熱水機(jī)組是將二氧化碳作為循環(huán)工作介子密封在的循環(huán)的管路 系統(tǒng)中，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)2開(kāi)啟后可驅(qū)動(dòng)二氧化碳在管路系統(tǒng)中循環(huán)。通過(guò)節(jié)流組件的作 用，在蒸發(fā)器3中低壓下氣體產(chǎn)生膨脹蒸發(fā)，吸收低溫環(huán)境中熱量，吸熱后的二氧化碳，經(jīng) 過(guò)氣液分離器5對(duì)氣體加熱，并氣液分離，氣態(tài)的二氧化碳進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s機(jī)2壓縮變成 高溫高壓氣體，在氣體換熱器1將熱量傳遞給低溫水，經(jīng)過(guò)循環(huán)加熱將水溫度提高到用戶 設(shè)定溫度。 如圖2a、圖2b、圖3a和圖3b所示，本實(shí)用新型的氣體換熱器5為湍流換熱器，該湍
流換熱器包括呈盤(pán)旋狀的鋼管51及內(nèi)套于其中的多頭內(nèi)螺旋型波紋管52，所述鋼管與銅
管焊封成一體。在所述波紋管52的內(nèi)、外側(cè)分別流動(dòng)兩種介質(zhì)。由于所述波紋管52是螺
旋多頭結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了金屬管的表面構(gòu)造，其制造工藝增大了單位金屬管的表面面積，并能在
管壁上形成非常劇烈熱交換的螺旋結(jié)構(gòu)造成流體始終處于高度湍流狀態(tài)，傳熱系數(shù)很高，
是傳統(tǒng)殼管式換熱器的2 3倍。具備和板式換熱器相當(dāng)?shù)膿Q熱效率。同時(shí)又具備殼管式
換熱器耐壓高的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，螺旋波紋管52螺紋深度(H)大，換熱面積大，換熱量
也隨之增加。流體無(wú)溫度梯度，為適應(yīng)機(jī)組不同流量系統(tǒng)，螺紋的頭數(shù)、螺紋深度(H)、螺紋
螺距(P)均可調(diào)整，螺距范圍30-120mm。 主要技術(shù)與性能指標(biāo) 出水溫度90。C 適用環(huán)境溫度-20。C 43。C 電源220V 50Hz或380V 50Hz 工作介子R744 壓縮機(jī)高效全封旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī) 氣體換熱器高耐壓湍流高效螺旋換熱器，冷媒側(cè)壓力12MPa，水側(cè)lMPa。 回?zé)崞骼涿綗醾?cè)壓力12MPa，冷媒冷側(cè)壓力7MPa 節(jié)流方式電子膨脹閥。
控制方式模塊化中央處理器控制。
權(quán)利要求二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，由一級(jí)熱泵機(jī)組構(gòu)成，該一級(jí)熱泵機(jī)組采用二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)，其包括壓縮機(jī)、膨脹器、蒸發(fā)器、氣液分離器、回?zé)崞骱蜌怏w換熱器以及將所述各裝置連接成一體的管路；其中，所述膨脹器的入口通過(guò)管路與所述回?zé)崞飨噙B，該膨脹器的出口通過(guò)管路與所述蒸發(fā)器的入口相連，該蒸發(fā)器的出口通過(guò)管路與所述壓縮機(jī)的入口相連；所述蒸發(fā)器還通過(guò)管路還與所述氣液分離器相連，該氣液分離器通過(guò)管路還與所述壓縮機(jī)相連，所述壓縮機(jī)通過(guò)管路與所述氣體換熱器的進(jìn)氣口相連，而該氣體換熱器的回氣口同時(shí)還與所述回?zé)崞飨噙B，從而構(gòu)成二氧化碳循環(huán)的熱泵回路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述 膨脹器包括與控制器相連的膨脹閥和若干針閥，該控制器還同時(shí)與位于所述蒸發(fā)器和氣液 分離器之間的傳感器相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所 述氣體換熱器為湍流換熱器，該湍流換熱器包括呈盤(pán)旋狀的鋼管及內(nèi)套于其中的多頭內(nèi)螺 旋型波紋管，所述鋼管與銅管焊封成一體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，于所 述多頭螺旋型波紋管的內(nèi)外兩側(cè)流動(dòng)有工作介質(zhì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述湍流換熱器的多頭內(nèi)螺旋型波紋管的螺紋頭數(shù)、螺紋深度和螺紋螺距為可調(diào)整設(shè)計(jì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述 螺紋螺距的范圍是30毫米至120毫米。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了二氧化碳熱泵機(jī)組跨臨界湍流循環(huán)系統(tǒng)，其由一級(jí)熱泵機(jī)組構(gòu)成，包括壓縮機(jī)、膨脹器、蒸發(fā)器、氣液分離器、回?zé)崞骱蜌怏w換熱器以及將所述各裝置連接成一體的管路；其中，所述膨脹器的入口通過(guò)管路與所述回?zé)崞飨噙B，該膨脹器的出口通過(guò)管路與所述蒸發(fā)器的入口相連，該蒸發(fā)器的出口通過(guò)管路與所述壓縮機(jī)的入口相連；所述蒸發(fā)器還通過(guò)管路還與所述氣液分離器相連，該氣液分離器通過(guò)管路還與所述壓縮機(jī)相連，所述壓縮機(jī)通過(guò)管路與所述氣體換熱器的進(jìn)氣口相連，而該氣體換熱器的回氣口同時(shí)還與所述回?zé)崞飨噙B，從而構(gòu)成二氧化碳循環(huán)的熱泵回路。本實(shí)用新型大大提升二氧化碳熱泵機(jī)組于跨臨界狀態(tài)下的循環(huán)運(yùn)行的工作效率。
文檔編號(hào)F25B39/04GK201463409SQ20092007824
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者丁志鋼, 張金喜, 李 杰 申請(qǐng)人:沃姆制冷設(shè)備(上海)有限公司