利用涡流分离热气体的热泵系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用涡流分离热气体的热泵系统，提供一种利用涡流膨胀降压，减少系统不可逆损失的系统。包括换热器、气体冷却器、压缩机、蒸发器和涡流管；涡流管包括涡流室、冷段和热扩压段，热扩压段底板的中心位置有使中心区冷气体朝向冷段折返的中心挡板；压缩机出口与气体冷却器工质入口连接，气体冷却器工质出口与涡流管高压气体进口接管连接，冷段的冷气体出口接管与涡流管饱和液体出口接管并联后与蒸发器工质入口连接，蒸发器工质出口与压缩机入口连接，涡流管的热气体出口接管与换热器工质入口连接，换热器工质出口与压缩机中间补气口连接。本发明采用具有扩压作用的涡流管实现高压气体涡流膨胀降压，减少了系统的不可逆损失。
【专利说明】利用涡流分离热气体的热泵系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及暖通空调【技术领域】，特别是涉及一种利用涡流分离热气体的热泵系统。
【背景技术】
[0002]随着人民生活水平的提高，家庭供暖和热水供应已成为现代人居环境中不可缺少的一部分。而当今科技的发展，引起严重的环境污染和资源短缺，自然工质替代以及热泵系统的性能提高是研究者亟待解决的问题。CO2具有的良好热力性能，在超临界区的温度滑移特性，其应用于热泵系统，提高CO2热泵系统的性能以及开发新型CO2热泵系统引起研究者的关注。
[0003]现有的利用节流阀节流降压的CO2跨临界循环以及其它工质的亚临界循环热泵，系统的损失较大，不利于运行性能的提高。因此，如何减少CO2以及其它工质的节流损失，使节流过程接近等熵膨胀过程，提高循环系统的能效，节约能源，是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有CO2跨临界循环热泵以及其它工质的亚临界循环存在的技术缺陷，提供一种利用涡流膨胀降压，以减少系统不可逆损失的热泵系统。
[0005]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
[0006]一种利用涡流分离热气体的热泵系统，包括换热器、气体冷却器、压缩机、蒸发器和涡流管；所述涡流管包括涡流室、冷段和热扩压段，所述热扩压段包括与所述涡流室连通的扩压本体，所述扩压本体的内壁上设置有饱和液体收集凹槽，所述饱和液体收集凹槽的底部连接有收集饱和液体出口接管；所述扩压本体的出口处密封有底板，所述底板上连接有热气体出口接管，所述底板的中心位置安装有使中心区冷气体朝向冷段折返的中心挡板；所述涡流室上连接有高压气体进口接管，所述冷段上连接有冷气体出口接管；所述压缩机的出口与所述气体冷却器的工质入口连接，所述气体冷却器的工质出口与所述涡流管的高压气体进口接管连接，所述涡流管冷段的冷气体出口接管与所述涡流管的饱和液体出口接管并联后与所述蒸发器的工质入口连接，所述蒸发器的工质出口与所述压缩机的入口连接，所述涡流管的热气体出口接管与所述换热器的工质入口连接，所述换热器的工质出口与所述压缩机的中间补气口连接；所述气体冷却器的出水口与所述换热器的进水口连接，所述换热器的出水口与生活用水设备的热水进口连接。
[0007]所述中心挡板与挡板径向面积调节机构连接。
[0008]所述挡板径向面积调节机构包括密封安装于所述底板上的丝杠伸缩调节机构、底盘和多个伸缩套，多个所述伸缩套之间可伸缩连接，所述中心挡板固定安装于首端的所述伸缩套中心，末端的所述伸缩套与所述底盘固定连接，所述丝杠伸缩调节机构的丝杠穿过所述底盘和多个伸缩套与所述中心挡板固定连接，通过所述丝杠调节所述中心挡板的伸缩，通过所述中心挡板带动所述多个伸缩套与所述中心挡板平齐，使得多个所述伸缩套的截面与所述中心挡板组合成不同径向面积的端面，以实现冷热气体流量的调节。
[0009]所述丝杠伸缩调节机构包括螺母、丝杠和连接件，所述连接件与所述底板固定连接，所述丝杠与所述连接件螺纹连接，所述丝杠下端与所述中心挡板固定连接，所述丝杠上端与所述螺母螺纹连接。
[0010]所述中心挡板与所述多个伸缩套成阶梯型排列。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0012]1、本发明的热泵系统，利用超临界区、气体冷却器出口的CO2高压气体或其它工质冷凝器出口的高温高压液体涡流膨胀降压，减少热泵系统的不可逆损失，同时充分利用了分离出的温度较高的热气体的能量，对从气体冷却器吸热升温的热水再加热，可获得更多的制热量，可以有效地改善系统的性能，保护环境、节约能源。
[0013]2、本发明的热泵系统结构简单，安装方便，工作稳定。
[0014]3、本发明的热泵系统中采用具有扩压作用的涡流管代替常规制冷循环中的节流降压元件，从而使得节流过程接近等熵膨胀过程，结构简单，无运动部件，结构轻巧，成本低，易维护，使用寿命长。
[0015]4、本发明的热泵系统中，通过径向面积可调的中心挡板调节冷热气体的流量，提闻系统的能效。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1所示为本发明的利用涡流分离热气体的热泵系统的示意图；
[0017]图2所示为本发明涡流管的连接管示意图。
[0018]图3所示为热扩压段的结构示意图；
[0019]图4所示为图3的A-A剖视图。
[0020]图中:1.换热器，2.气体冷却器，3.压缩机，4.蒸发器，5.涡流管，6.热扩压段，
7.涡流室，8.冷段，9.热气体出口接管，10.高压气体进口接管，11.冷气体出口接管，12.饱和液体出口接管，13.扩压本体，14.连接件，15-1.中心挡板，15-2.第一伸缩套，15-3.第二伸缩套，15-4.第三伸缩套，16.螺母，17.丝杠，18.饱和液体收集凹槽，19.底板,20.底盘。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0022]本发明的利用涡流分离热气体的热泵系统示意图如图1-图4所示，包括换热器1、气体冷却器2、压缩机3、蒸发器4和涡流管5。本发明的涡流管是在现有技术上的改进，将原来的热段改进为具有扩压作用的热扩压段。具体为:所述涡流管5包括涡流室7、冷段8和热扩压段6，所述热扩压段6包括与所述涡流室7连通的扩压本体13，所述扩压本体13的内壁上设置有饱和液体收集凹槽18，所述饱和液体收集凹槽18的底部连接有收集饱和液体出口接管12 ;所述扩压本体13的出口处密封有底板19，所述底板19上连接有热气体出口接管9，所述底板19的中心位置安装有使中心区冷气体朝向冷段8折返的中心挡板15-1 ；所述涡流室7上连接有高压气体进口接管10，所述冷段8上连接有冷气体出口接管11 ;所述压缩机3的出口与所述气体冷却器2的工质入口连接，所述气体冷却器2的工质出口与所述涡流管5的高压气体进口接管10连接，所述涡流管冷段8的冷气体出口接管11与所述涡流管5的饱和液体出口接管12并联后与所述蒸发器4的工质入口连接，所述蒸发器4的工质出口与所述压缩机3的入口连接，所述涡流管的热气体出口接管9与所述换热器I的工质入口连接，所述换热器I的工质出口与所述压缩机3的中间补气口连接；所述气体冷却器2的出水口与所述换热器I的进水口连接，所述换热器I的出水口与生活用水设备的热水进口连接。
[0023]为了便于冷热气体流量的调节，所述中心挡板15-1与挡板径向面积调节机构连接。挡板径向面积调节机构可以采用现有技术中的多种结构形式。本实施例中，所述挡板径向面积调节机构包括密封安装于所述底板19上的丝杠伸缩调节机构、底盘20和多个伸缩套，多个所述伸缩套之间可伸缩连接。所述中心挡板15-1固定安装于首端的所述伸缩套中心，末端的所述伸缩套与所述底盘固定连接，所述丝杠伸缩调节机构的丝杠穿过所述底盘和多个伸缩套与所述中心挡板固定连接，通过所述丝杠调节所述中心挡板的伸缩，通过所述中心挡板带动所述多个伸缩套与所述中心挡板平齐，使得多个所述伸缩套的截面与所述中心挡板组合成不同径向面积的端面，以实现冷热气体流量的调节。以具有三个伸缩套的结构为例，包括第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4，中心挡板15_1焊接在第一伸缩套15-2的中心，第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15_4可伸缩连接，组成类似伸缩节结构，第三伸缩套15-4与底板20焊接。所述中心挡板15-1与所述第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4成阶梯型排列。本实施例中的所述丝杠伸缩调节机构包括螺母16、丝杠17和连接件14，所述连接件14与所述底板19固定连接，所述丝杠17与所述连接件14螺纹连接，所述丝杠17下端与所述中心挡板15-1固定连接，所述丝杠17上端与所述螺母16螺纹连接。其中，伸缩套的数量可以根据冷热气流的调节需要设定。当向涡流室7方向旋入丝杠17时，丝杠17推着中心挡板15-1带动第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4先后深入热扩压段6，如图3中所示，丝杠17旋入的距离达到最大，此时，中心挡板15-1的端面面积用于冷气体的折返，冷气体折返的流量小。当反向涡流室7的方向旋动丝杠17时，丝杠17带动中心挡板15-1、第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4反向涡流室7的方向移动，第一伸缩套15_2、第二伸缩套15-3和第三伸缩套15-4的轴向高度缩短，当中心挡板15-1与第一伸缩套15_2的表面平齐时，中心挡板15-1和第一伸缩套15-2的端面面积之和用于冷气体的折返，当中心挡板15-1与第一伸缩套15-2、第二伸缩套15-3的表面平齐时，中心挡板15_1、第一伸缩套15-2和第二伸缩套15-3的端面面积之和用于冷气体的折返，以此类推，用于折返冷气体的面积逐渐增大，冷气体折返的流量增大。
[0024]以二氧化碳热泵系统为例，系统运行时，从气体冷却器2出来的高温高压CO2气体经过涡流管5的涡流室7内沿切向分布的喷嘴，膨胀降压为气液两相流体，在涡流管5的涡流室7内高速旋转流动，密度大的饱和液体紧贴扩压本体13表面流动，分离出的饱和液体经涡流管热扩压段6内壁的饱和液体收集凹槽18收集后经饱和液体出口接管12排出，热扩压段6出口处的中心挡板将处于中心区的冷气体改变方向，朝向涡流管的冷段8流动，饱和冷气体由冷气体出口接管11排出与由饱和液体出口接管12流出的饱和液体混合后进入蒸发器4吸热沸腾蒸发成低温低压的气体，进入压缩机3内进行压缩，热气体则经过带有扩压作用的涡流管热扩压段6扩压至中间压力进入换热器I，与从气体冷却器2出来的热水热交换放出热量，对在气体冷却器2中吸热温度升高的热水再加热，热水的温度进一步升高，从换热器I流出的热气体经中间补气口进入压缩机3，与压缩机3内压缩至中间压力的气体混合后经过高压段的压缩排出压缩机3进入气体冷却器2，与气体冷却器内的冷水进行热交换。先后经过气体冷却器2和换热器I吸收热量所制取的热水，可以用来供暖和提供生活热水。
[0025]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种利用涡流分离热气体的热泵系统，其特征在于，包括换热器(I)、气体冷却器(2)、压缩机(3)、蒸发器(4)和涡流管(5);所述涡流管(5)包括涡流室(7)、冷段(8)和热扩压段(6)，所述热扩压段(6)包括与所述涡流室(7)连通的扩压本体(13)，所述扩压本体(13)的内壁上设置有饱和液体收集凹槽(18)，所述饱和液体收集凹槽(18)的底部连接有收集饱和液体出口接管(12 );所述扩压本体(13 )的出口处密封有底板(19 )，所述底板(19 )上连接有热气体出口接管(9 )，所述底板(19 )的中心位置安装有使中心区冷气体朝向冷段(8)折返的中心挡板(15-1);所述涡流室(7)上连接有高压气体进口接管(10)，所述冷段(8 )上连接有冷气体出口接管(11);所述压缩机(3 )的出口与所述气体冷却器(2 )的工质入口连接，所述气体冷却器(2 )的工质出口与所述涡流管(5 )的高压气体进口接管(10 )连接，所述涡流管冷段(8)的冷气体出口接管(11)与所述涡流管(5)的饱和液体出口接管(12)并联后与所述蒸发器(4)的工质入口连接，所述蒸发器(4)的工质出口与所述压缩机(3)的入口连接，所述涡流管的热气体出口接管(9 )与所述换热器(I)的工质入口连接，所述换热器(I)的工质出口与所述压缩机(3)的中间补气口连接；所述气体冷却器(2)的出水口与所述换热器(I)的进水口连接，所述换热器(I)的出水口与生活用水设备的热水进口连接。
2.根据权利要求1所述的利用涡流分离热气体的热泵系统，其特征在于，所述中心挡板(15-1)与挡板径向面积调节机构连接。
3.根据权利要求2所述的利用涡流分离热气体的热泵系统，其特征在于，所述挡板径向面积调节机构包括密封安装于所述底板(19)上的丝杠伸缩调节机构、底盘(20)和多个伸缩套，多个所述伸缩套之间可伸缩连接，所述中心挡板(15-1)固定安装于首端的所述伸缩套中心，末端的所述伸缩套与所述底盘固定连接，所述丝杠伸缩调节机构的丝杠(17)穿过所述底盘(20)和多个伸缩套与所述中心挡板(15-1)固定连接，通过所述丝杠(17)调节所述中心挡板(15-1)的伸缩，通过所述中心挡板(15-1)带动所述多个伸缩套与所述中心挡板平齐，使得多个所述伸缩套的截面与所述中心挡板组合成不同径向面积的端面，以实现冷热气体流量的调节。
4.根据权利要求2所述的利用涡流分离热气体的热泵系统，其特征在于，所述丝杠伸缩调节机构包括螺母(16)、所述丝杠(17)和连接件(14)，所述连接件(14)与所述底板(19)固定连接，所述丝杠(17)与所述连接件(14)螺纹连接，所述丝杠(17)下端与所述中心挡板(15-1)固定连接，所述丝杠(17)上端与所述螺母(16)螺纹连接。
5.根据权利要求3所述的利用涡流分离热气体的热泵系统，其特征在于，所述中心挡板(15-1)与所述多个伸缩套成阶梯型排列。
【文档编号】F25B9/04GK103727698SQ201410037909
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】宁静红, 刘圣春, 郭宪民, 叶庆银 申请人:天津商业大学