多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統的製作方法

2023-12-09 10:17:41

本發明涉及大型供熱技術領域，更具體的說，是涉及一種應用於大型供暖工程的以二氧化碳為工質的熱泵循環系統。

背景技術：

京津冀地區大氣汙染問題相對突出，2016年優良天數比例為56.8％，比全國平均比例低22個百分點；重度及以上汙染天數比例為9.2％，為全國平均水平的3.5倍；12月份發生5次大範圍重汙染天氣過程。2016年11月15日至12月31日，京津冀區域pm2.5濃度為135ug/m3，是非供暖期濃度的2.4倍，該時期佔全年時間的12.8％，對全年pm2.5貢獻達到24.4％。目前研究表明，煤炭低效分散燃燒是我國霧霾形成的主要原因之一。為實現徹底治理霧霾和節能減排目標，京津冀開始了「無煤化」行動。

熱泵是可再生能源的開採機械，它以一份電能或機械能開採數倍的可再生能源，是重要的節能技術和環保技術。大力發展熱泵製造業，大力推廣熱泵技術，進行煤改電是實現無煤化的重要措施。

二氧化碳作為熱泵工質可以追溯到20世紀初。二氧化碳無毒，較為安全，所以曾在船用冷藏裝置中也延續應用了50年之久。由於二氧化碳的臭氧層消耗指數為0，全球變暖潛能值(gwp)僅為1。它作為熱泵系統工質可以減少對環境汙染。而且二氧化碳工質是許多能量反應的副產品，易製取。二氧化碳工質在高溫下不分解產生有毒氣體，有良好的安全性和化學穩定性。

二氧化碳的單位容積製冷量高，且有良好的流動性，可減小壓縮機和系統的尺寸，可簡化供熱系統。二氧化碳有較高的導熱率，提高了熱泵系統的換熱性能。二氧化碳熱泵系統的壓力是普通熱泵系統的7-8倍，其中膨脹閥壓差大，導致的節流損失較大。

為達到利用二氧化碳熱泵技術實現煤改電的目的，就要提升熱泵系統的熱負荷。對於較大冷量的制冷機組，單臺大冷量壓縮機組，機組負荷具有一定局限性，製冷(制熱)量較小，難以達到需求；對於大冷量(熱量)機組，很多廠家在這個區間處於真空地帶，於是就產生了多機頭機組。多機頭機組是採用多個壓縮機組進行組裝，其出現並非是因為系統的優越性，而是廠家對市場需求的無奈之舉。機組的運轉部件越多，繼續的可靠性越差。多機頭的機組中配置多個壓縮機，一套控制器要控制多個控制元件，系統複雜，設備繁多，機組的可靠性相對要低，使用壽命相對較短，且其製冷量(制熱量)仍有一定限制。

潤滑油是熱泵空調系統的潤滑劑，起著減少機械部件磨損、降低機構摩擦溫度和增強密封性等作用。在制冷機組運轉時，會有一部分潤滑油不可避免地隨製冷劑氣體進入整個製冷系統，參與製冷循環。潤滑油隨製冷劑進入蒸發器或冷凝器後會在其盤管內表面形成一層油膜，由於該層油膜導熱係數較小，這直接導致了換熱器傳熱熱阻的增加，影響換熱性能，降低換熱效率，增大運行阻力。研究表明，在製冷系統的蒸發器內，當潤滑油循環量超過3％時，換熱能力將會惡化，壓力損失將會增大；當蒸發器內的潤滑油循環量達到5％時，製冷量的衰減將會達到10％以上，增大了功耗，大大降低了系統的製冷能力。

具有多級壓縮中間冷卻構造的壓縮機，通常都是通過機構連接不同氣缸。在電機驅動時，機構中的慣性力和慣性力矩將導致機構的振動，特別是在高速運轉的機械裝置中這種振動影響尤其嚴重，會造成機構振動，產生噪聲等影響，阻礙了機構向高精度方向發展。

技術實現要素：

本發明要解決的是現有熱泵供暖工程功率較低，難以滿足大負荷需求的技術問題，提供一種多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統，通過多級壓縮、低壓級壓縮單元雙缸壓縮機對置、高壓級壓縮單元與膨脹機對置，一方面大幅提升熱泵系統的功率，可代替鍋爐等供暖設備，功率可達1000kw，另一方面減少噪聲，提升壓縮機效率，達到節能減排的效果；同時降低排氣溫度並產生熱水，減小功耗。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統，該系統包括蒸發器(1)，所述蒸發器(1)的出口連接低壓級壓縮單元的入口，所述低壓級壓縮單元由完全相同的第一壓縮機(2)、第二壓縮機(3)並聯對置構成，所述低壓級壓縮單元的出口連接第一級氣冷器(4)的入口，所述第一級氣冷器(4)的出口連接第三壓縮機(6)的入口，所述第三壓縮機(6)的出口連接第二級氣冷器(7)的入口，所述第二級氣冷器(7)的出口連接膨脹機(9)的入口，所述膨脹機(9)的出口連接輔助節流閥(10)的入口，所述輔助節流閥(10)的出口連接所述蒸發器(1)的入口。

所述第一壓縮機(2)、所述第二壓縮機(3)、所述第三壓縮機(6)均通過同一主軸連接於電機(11)並由電機(11)驅動，所述第三壓縮機(6)作為高壓級壓縮單元，與所述膨脹機(9)同軸對置，膨脹機9也連接於所述主軸，驅動所述第三壓縮機(6)以回收膨脹功。

所述第一壓縮機(2)、所述第二壓縮機(3)、所述第三壓縮機(6)均為活塞式且均採用大型活塞，所述膨脹機(9)也為活塞式。

所述第一級氣冷器(4)設置在第一水箱(5)中，所述第二級氣冷器(7)設置在第二水箱(8)中。

本發明的有益效果是：

本發明的多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統，應用於大型供熱工程，機組功率可達1000kw。熱泵系統以二氧化碳為工質，採用多級壓縮中間冷卻的方式，提升機組功率，降低排氣溫度，並通過氣體冷卻器將中間冷卻時放出的熱量進行利用。

其中低壓級壓縮單元內包括兩個壓縮機並聯對置，達到力學上的平衡，減輕連接機構一次慣性力和一次慣性力矩的影響，達到消除噪音的作用；高壓級壓縮單元的壓縮機與膨脹機同軸設置，膨脹機輸出的機械功驅動高壓級壓縮機，以便將膨脹功部分回收；低壓級壓縮單元和高壓級壓縮單元均採用大型活塞形成的多級壓縮可以提升壓縮機效率20～30％；從而提高熱泵系統的可靠性，顯著提高機組功率，功率可達1000kw；由此能夠提升熱泵的應用範圍，從而可以代替鍋爐和中央空調，作為更節能和環保供熱裝置，降低霧霾，節能減排。

在氣冷器部分回收多餘熱量供暖用水加熱，節省能耗；兩級水箱中不同溫度的水可分別進行利用，分別作為較低溫要求供暖用水和較高溫度要求供暖用水。

附圖說明

圖1是本發明所提供的多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統的結構示意圖；

圖2是三個壓縮機和膨脹機同軸連接示意圖。

圖中：1，蒸發器；2，第一壓縮機；3，第二壓縮機；4，第一級氣冷器；

5，第一水箱；6，第三壓縮機；7，第二級氣冷器；8，第二水箱；9，膨脹機；

10，輔助節流閥；11，電機。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的內容、特點及效果，茲例舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下:

如圖1所示，本實施例披露了一種多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統，該系統包括蒸發器1、第一壓縮機2、第二壓縮機3、第一級氣冷器4、第一水箱5、第三壓縮機6、第二級氣冷器7、第二水箱8、膨脹機9、輔助節流閥10、電機11。其中，第一壓縮機2、第二壓縮機3並聯對置作為低壓級壓縮單元，工質均等的通過第一壓縮機2和第二壓縮機3，同時進行第一級壓縮。第三級壓縮機6作為高壓級壓縮單元，與膨脹機9同軸對置，第三級壓縮機6回收膨脹功。

蒸發器1的出口連接低壓級壓縮單元的入口，低壓級壓縮單元由完全相同的第一壓縮機2、第二壓縮機3並聯對置構成，低壓級壓縮單元的出口連接第一級氣冷器4的入口，第一級氣冷器4的出口連接第三壓縮機6的入口，第三壓縮機6的出口連接第二級氣冷器7的入口，第二級氣冷器7的出口連接膨脹機9的入口，膨脹機9的出口連接輔助節流閥10的入口，輔助節流閥10的出口連接蒸發器1的入口。

其中，第一壓縮機2、第二壓縮機3、第三壓縮機6均為活塞式，膨脹機9也為活塞式。並且，第一壓縮機2、第二壓縮機3、第三壓縮機6均為大型活塞，大型活塞是指以製冷量或者制熱量劃分能夠使機組製冷量或者制熱量達到600kw以上的活塞。電機11通過同一主軸驅動第一壓縮機2、第二壓縮機3、第三壓縮機6工作；膨脹機9也連接於同一主軸，膨脹機9輸出的機械功可以驅動第三壓縮機6，使膨脹功部分回收。

第一壓縮機2、第二壓縮機3並聯對置是指第一壓縮機2、第二壓縮機3連接於同一主軸且與主軸的偏心距相等。第三壓縮機6、膨脹機9同軸對置是指第三壓縮機6、膨脹機9連接於同一主軸且與主軸的偏心距相等。這樣第一壓縮機2與第二壓縮機3之間、第三壓縮機6與膨脹機9之間能夠達到力學方面的平衡，減輕一次慣性力和慣性力矩的影響，達到消除噪音的目的，同時提高機構的運動精度和運動平衡性，降低機件的磨損和疲勞失效，提高壽命，保證運行穩定性。

大型活塞的選用、以及第一壓縮機2和第二壓縮機3並聯作為低壓級壓縮單元、第三壓縮機6作為高壓級壓縮單元的設計可以提升壓縮比，提升機組功率，達到提升制熱量(製冷量)的作用。當製冷量或制熱量大時，活塞尺寸也會相應較大，為確保機組安全穩定性，轉速不得過快，此處限定線速度不超過10m/s為宜。當轉速較慢時可不採用潤滑油進行潤滑，同時採用密封墊片替代原有潤滑油的密封作用，第一壓縮機2、第二壓縮機3、第三壓縮機和膨脹機9內部的潤滑油均可以得到良好的密封，則基本上可實現系統的無油運行，以較好的防止潤滑油的洩露問題，進一步提升換熱效率。

第一級氣冷器4和第二級氣冷器7用於回收多餘熱量，節省能耗。第一級氣冷器4設置在第一水箱5中，第二級氣冷器7設置在第二水箱8中。較高溫工質經過第一級氣冷器4加熱第一水箱5中的水，用於較低溫要求供暖；高溫工質經過第二級氣冷器7加熱第二水箱8中的水，用於較高溫要求供暖。第一水箱5和第二水箱8內水溫不同，可分別安裝在不同溫度需求的環境進行分別利用，提高能源利用效率。

本發明的多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統，其工作過程如下：

電機11帶動系統運行，二氧化碳工質從蒸發器1進入低壓級壓縮單元，工質均勻地分為兩部分進入第一壓縮機2和第二壓縮機3。兩部分工質同時進行第一次壓縮後，從低壓級壓縮單元進入第一級氣冷器4，工質通過第一級氣冷器4與第一水箱5中的水換熱，對水第一次加熱，工質則是進行等壓冷卻，降低溫度。工質經第一級氣冷器4進入第三壓縮機6進行第二次壓縮過程，工質經過第二次壓縮後進入第二級氣冷器7，降低工質溫度並對第二水箱8中的水加熱。工質經過兩級壓縮中間冷卻過程，降低排氣終溫，節省壓縮功，提高效率。工質由第二級氣冷器7進入膨脹機9，膨脹機9與第三壓縮機6均為活塞式且同軸旋轉，膨脹功可由第三壓縮機6回收。工質經過中間冷卻溫度降低、密度增大，易於進一步壓縮，較之一次壓縮可以大大節省耗功量。完成膨脹過程後，工質通過輔助節流閥10回到蒸發器1，完成製冷過程，循環可反覆進行。

可見，本發明的多級壓縮雙機並聯活塞式二氧化碳熱泵系統，通過採用大型活塞分級並聯，多級壓縮中間冷卻的方式提升壓縮比和制熱量(製冷量)，使其功率可達到1000kw；大型活塞和墊片密封的使用可以實現無油化運行，提升換熱效率；並聯對置和同軸對置的設計可以減輕一次慣性力和慣性力矩的影響，降低噪聲、提升系統壽命、提高效率，保證系統運行穩定性；因此整個系統運行可靠，整體效果優異，可以代替鍋爐、中央空調功率，提升熱泵的利用範圍。

儘管上面結合附圖和優選實施例對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出很多形式的具體變換，這些均屬於本發明的保護範圍之內。