一种多逆卡诺循环交叉共换热介质的系统的制作方法

1.本发明是涉及热工与流体机械技术领域，具体地说是涉及一种多逆卡诺循环交叉共换热介质的系统。


背景技术：

2.建筑能耗现在已经占到整个社会的能耗46.7％了，而采暖空调已占到整个社会能耗20％以上了，若能够研究先进的空气能热泵解决化霜难题和在极寒天气情况下能够获得稳定的且较高采暖温度，将完全可以替代传统燃气锅炉采暖，改变现行的以能量转换为主的燃气锅炉或电锅炉采暖模式，变为完全以能量转移模式的热泵进行采暖，那么每年可以为我国节约3.35亿吨标准煤，还可以节约一万亿电力建设投资费用。这将对于碳达峰碳中和具有非常重要的意义。
3.当前各种热泵在较低环境温度情况下热泵机组运行效率依然较低，同时运行还出现不稳定的现象，相关科技工作者为此做出了巨大的努力，采用了许多技术手段来加以改善，诸如补气增焓技术、电辅增焓技术、复叠热泵、多级压缩等，多级压缩虽然可以减少几个换热器，但其效率和稳定性不如复叠方案，尽管如此依然还是不尽人意，难以应对极低环境温度，究其原因是由于制冷制热过程时蒸发温度与冷凝温度相差很大的缘故，造成了压缩比太大，压缩机难以承受如此大的压差，低温热量向高温处转移会变得非常的困难。热泵就如同搬运工一样要把低处物品往越高处搬运就越困难，也就是说热泵要把低温热量搬运到高温处去也会遇到同样的问题，分成几个步骤搬运热量显得容易许多了，低温处与高温处的温差越大搬运热量就会越困难，其运行时的能效比也会越低，若温差大到一定的程度时还会导致热泵机组无法正常运行。因此，复叠热泵相关技术方案便应运而生了，覆叠热泵可以应对-20℃以下环境温度来转移低温热量都具有很好经济价值，而传统热泵却不行，而且覆叠热泵效率要比传统热泵高24.4％，覆叠方案就是采取把两个热泵循环系统串联起来达到搬运低温热量的目的，覆叠方案虽然可以缩小冷凝器与蒸发器的温差，但在获取外部低温热源时，依然是以小温差大流量方式与空气进行热量交换，这就增大了换热设备的体积，也增大了换热介质的流量，意味着循环泵功率和轴流风扇电机功率都要增大，而且会缩短换热器使用寿命。
4.一般情况下水汽质量占整个空气质量的含量是在0.003％～4％之间，但所蕴含热量是可以占到空气源热量的99％以上，当空气相对湿度达到60％以上时通常最多只需要降温5℃以上就可以获得大量的水汽能潜热，且水汽能潜热至少会占整个空气能的80％以上，而空气显热占比就非常低了，有时是可以忽略不计的。根据空气相对湿度与绝对含湿量对照表我们可以查到其相对湿度和不同温度情况下空气中绝对含湿量及相应露点温度，便可知道降温多少度便可以开始获取空气中水汽潜热了。如当相对湿度60％时，-10℃环境温度只需要降温至-15℃以下就可以获得空气中水汽潜热了，因为此时露点温度是-15℃，那么降温至-20℃时我们就可以获取的水汽潜热了，这是等量空气体积的98倍以上的热量啊，而空气显热几乎可以忽略不计了，若相对湿度达到100％的情况下，-10℃与-15℃空气绝对含
湿量分别是2.3g/m3、1.6g/m3，若相对湿度为100％时当下温度便是其露点温度了，此时释放水汽能潜热会是等量空气体积显热的277倍了，因为空气降温5℃所释放出显热＝1.003j/(kg
·
k)
×
1.29kg/m3×
5m31k＝6.46935j＝0.0015kcal。也就是说相对湿度达到百分之百情况下我们只需要降温2℃～3℃足以获得百倍于同等空气体积的显热。我国南方冬季空气相对湿度一般都会超过70％的，而北方大部分有人居住的地方相对湿度大部分时间段也会超过60％的，因此降温5℃～10℃具有很强经济价值。若采用小温差与空气进行换热，在相对湿度较低情况下，系统是难以获得空气中水汽潜热的，这也是没有大温差换热必将丧失获取空气中水汽潜热另一个优势的原因所在。
5.基于温差是换热唯一动力，温差越大系统向空气排热速度就越快，在同等换热面积和相等流量情况下温差越大换热量也就越大，现行覆叠式热泵虽然在某种程度上可以应对极寒天气采暖温度不够的情况，但不具备与空气大温差换热优势，与环境空气大温差换热不仅可以加速散热，若是吸收空气能还可以获取空气中水汽潜热，若温差太小是没有办法获取空气中水汽潜热的，那么换热设备相对要大许多，其所需要风量与换热介质流量也要大很多，这意味着循环泵及轴流风扇电机功率要大很多，流体流量过大还会把换热器使用寿命缩短。
6.为了获得系统高效率换热，最终也就是能够与外界空气进行强有力的热交换，向空气散热也好，向空气索取热量也罢，其目的都是为了快速把热量排入大气环境，那么换热介质与环境温差才是唯一传热动力所在，也就说是不存在一个热力循环系统不与外界空气发生热量交换的。
7.因此需要设计一种能改善现行覆叠式热泵换热流程的系统成为进一步改进的方向。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，本发明提供了一种多逆卡诺循环交叉共换热介质的系统，包括主循环系统、第一辅助循环系统、换热循环泵、外部换热装置、终端循环泵和用户终端，所述主循环系统与第一辅助循环系统连通形成非制冷剂侧回路，所述第一辅助循环系统的输出端通过换热循环泵与外部换热装置的输入端连通，所述外部换热装置的输出端与所述第一辅助循环系统连通，所述主循环系统的输出端通过终端循环泵与用户终端连通。
9.优选地，所述主循环系统包括主压缩机、主循环阀、主循环换热器和主制冷剂循环节流装置，所述主压缩机通过主循环阀分别与两个主循环换热器连通形成制冷剂循环回路，所述主循环换热器之间设有主制冷剂循环节流装置，其中一个主循环换热器与所述第一辅助循环系统非制冷剂侧连通，另外一个主循环换热器通过终端循环泵与用户终端连通。
10.优选地，所述第一辅助循环系统包括第一辅压缩机、第一辅循环阀、第一辅循环换热器和第一辅制冷剂循环节流装置，所述第一辅压缩机通过第一辅循环阀分别与两个第一辅循环换热器连通形成制冷剂回路，所述第一辅循环换热器之间与其中一个主循环换热器串联形成非制冷剂侧回路，所述第一辅循环换热器之间还连通有第一辅制冷剂循环节流装置，其中一个第一辅循环换热器通过管道与外部换热装置连通，另外一个第一辅循环换热器通过换热循环泵与外部换热装置连通形成非制冷剂侧回路。
11.优选地，所述外部换热装置为翅片管换热器、闭式换热塔或开放式空气换热塔的其中一种。
12.优选地，所述主循环换热器为套管换热器、管壳式换热器、翅片管换热器的其中一种或两种的组合。
13.优选地，所述第一辅循环换热器为套管换热器、管壳式换热器、翅片管换热器的其中一种或两种的组合。
14.优选地，所述主循环阀为电动四通阀或四个并联的电动角阀。
15.优选地，所述第一辅循环阀为电动四通阀或四个并联的电动角阀。
16.优选地，还包括第二辅助循环系统，所述第二辅助循环系统包括第二辅压缩机、第二辅循环阀、第二辅循环换热器和第二辅制冷剂循环节流装置，所述第二辅压缩机通过周向并联的多个第二辅循环阀连通第二辅循环换热器，所述第二辅循环换热器之间连接有第二辅制冷剂循环节流装置，所述第二辅循环换热器与所述第一辅循环换热器串联设置。
17.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
18.(1)本发明通过在主循环系统与第一辅助循环系统连通形成回路，第一辅助循环系统的输出端通过换热循环泵与外部换热装置的输入端连通，外部换热装置的输出端与第一辅助循环系统连通，主循环系统的输出端通过终端循环泵与用户终端连通，相比现有技术中使用的覆叠热泵方案，本发明共换热介质流体与外界空气温差较大，循环流程结构不一致，在缩小冷凝器与蒸发器间温差方面可以达到较高水平，还可以通过多次升温与多次降温并举方式来提高传热介质与外界热源的温差，从而可加大换热速度，并提高系统的效能，本发明还可以适应极低温环境下的热泵高效运行，用于获取外界低温热源的流体的温度要低于外界空气温度许多，不仅可以提高机组能效比，还可以减少系统换热设备的体积，本发明极大提高系统向外界空气排热能力或系统向外界空气索取热量能力，降低了换热设备投资成本；
19.(2)本发明的第一辅助循环系统和第二辅助循环系统可以为主循环系统的换热器提供二次以上热源升温(或二次以上降温流程节点)，借助第一辅助循环系统和第二辅助循环系统把主循环换热器节点前部流程共换热介质流体的热量正反馈(或负反馈)到该节点的后部流程里，从而实现热源两次以上升温，或是与空气换热介质两次以上的降温，从而获得共换热介质流体对外界空气大温差换热优势，达到快速排热或高效吸热的目的，在极寒天气情况下可实现热泵稳定运行，且具有较高的采暖温度，反向运行亦可以进行极低温度制冷，用于低温无化霜冷库也有很强经济价值，用于液化氢气具有很好的经济效果。
附图说明
20.图1为本发明的实施例1结构示意图。
21.图2为本发明的实施例2结构示意图。
22.图3为本发明的实施例3结构示意图。
23.图4为本发明的实施例4结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步说明。
25.如图1至图4所示，换热循环泵1、外部换热装置2、终端循环泵3、用户终端4、主压缩机5、主循环阀6、主循环换热器7、主制冷剂循环节流装置8、第一辅压缩机9、第一辅循环阀10、第一辅循环换热器11、第一辅制冷剂循环节流装置12、第二辅压缩机13、第二辅循环阀14、第二辅循环换热器15和第二辅制冷剂循环节流装置16。
26.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例1
29.如图1所示，主循环系统与第一辅助循环系统连通形成回路，第一辅助循环系统的输出端通过换热循环泵1与外部换热装置2的输入端连通，外部换热装置2的输出端与第一辅助循环系统连通，主循环系统的输出端通过终端循环泵3与用户终端4连通。
30.具体地，主循环系统包括主压缩机5、主循环阀6、主循环换热器7和主制冷剂循环节流装置8，主压缩机5通过主循环阀6分别与两个主循环换热器7连通形成制冷剂回路，主循环换热器7之间设有主制冷剂循环节流装置8，其中一个主循环换热器7与第一辅助循环系统非制冷剂侧连通，另外一个主循环换热器7通过终端循环泵3与用户终端4连通。第一辅助循环系统包括第一辅压缩机9、第一辅循环阀10、第一辅循环换热器11和第一辅制冷剂循环节流装置12，第一辅压缩机9通过第一辅循环阀10分别与两个第一辅循环换热器11连通形成制冷剂回路，第一辅循环换热器11之间与其中一个主循环换热器7串联形成非制冷剂侧回路，第一辅循环换热器11之间还连通有第一辅制冷剂循环节流装置12，其中一个第一辅循环换热器11通过管道与外部换热装置2连通，另外一个第一辅循环换热器11通过换热循环泵1与外部换热装置2连通形成非制冷剂侧回路。
31.本实施例适合小型户式中央空调制冷或热泵机组，适用于小规模制冷与制热，本实施例中左边的主循环换热器7为套管式换热器，右边的主循环换热器7为管壳式换热器；第一辅循环换热器11均为套管式换热器，外部换热装置2为翅片管换热器，其共换热介质流体为防冻液，主循环阀6和第一辅循环阀10均为电动四通阀；
32.本实施例的工作原理为：当主压缩机5和第一辅压缩机9工作时，在制冷工况下，主压缩机5和第一辅压缩机9会把制冷剂分别通过各自主循环阀6和第一辅循环阀10压入主循环换热器7和第一辅循环换热器11内(此时两个换热器皆为冷凝器)，各自循环中的制冷剂在主循环换热器7和第一辅循环换热器11里释放潜热给其各自外部的共换热介质流体后便冷凝成液态制冷剂了，而各自液态制冷剂分别流经主制冷剂循环节流装置8和第一辅制冷剂循环节流装置12进入到上方的主循环换热器7和第一辅循环换热器11(此时为蒸发器了)里，与用户终端4连接的主循环换热器7液态制冷剂吸收其另一侧冷媒水潜热而蒸发，并可
通过终端循环泵3把已经降温的冷媒水输送到用户终端4，与用户终端4连接的主循环换热器7液态制冷剂吸收其外部的共换热介质流体潜热而蒸发并可为另一个主循环换热器7降温，各气化的制冷剂再通过各自的主循环阀6和第一辅循环阀10的低压入口被各自的主压缩机5和第一辅压缩机9压入到各自的主循环换热器7和第一辅循环换热器11里完成了它们各自制冷剂相变循环过程，而与外部换热装置2连通的第一辅循环换热器11内部制冷剂蒸发会导致共换热介质流体温度也随之下降，最后会影响到与第一辅循环换热器11串联的主循环换热器7(此时为冷凝器)温度下降，若与第一辅循环换热器11串联的主循环换热器7温度降低了，那么另外一个主循环换热器7(此时为蒸发器)的温度会相应降下来，这样不仅缩小了主循环换热器7与冷凝器间温差，还可以获得共换热介质流体与外界空气大温差换热优势，因为上方的第一辅循环换热器11把用于给主循环换热器7降温的共换热介质流体热量转移到下方的第一辅循环换热器11(此时为冷凝器)，再由下方的第一辅循环换热器11使共换热介质流体温度变得更高了，这就是热量负反馈。在换热循环泵1运行工况下，主循环阀6和第一辅循环阀10动作，使上方的第一辅循环换热器11和与用户终端4连接的主循环换热器7变成冷凝器了，而另外的第一辅循环换热器11和主循环换热器7的变成蒸发器了，那么主压缩机5和第一辅压缩机9工作将把各自循环的制冷剂分别通过各自的电动四通阀压入到各自另外的第一辅循环换热器11和主循环换热器7里，与用户终端4连接的主循环换热器7里制冷剂释放潜热给其另一侧暖媒水，使暖媒水温度升高后被至终端循环泵3输送到用户终端4里，降温后的制冷剂变成液态制冷剂了经过主制冷剂循环节流装置8再次流回到对应的主循环换热器7里，并通过其对应的电动四通阀低压入口被主压缩机5再次压入与用户终端4连接的主循环换热器7里完成主循环系统制冷剂的循环过程。
33.上方的第一辅循环换热器11里制冷剂释放潜热给其外部共换热介质流体后冷凝成液态制冷剂了，该液态制冷剂流经第一辅制冷剂循环节流装置12后再次进入到其第一辅助循环系统内的下方的第一辅循环换热器11里，并再次通过其电动四通阀被第一辅压缩机9再次压入下方的第一辅循环换热器11内完成辅助循环制冷剂的循环过程，而下方的第一辅循环换热器11是给主循环系统中对应的主循环换热器7升温的，这样使换热循环泵1运行过程中蒸发器与冷凝器温差变小，其能效比也相应得到提高，与第一辅循环换热器11连通的主循环换热器7的热量来自下方的第一辅循环换热器11从低温共换热介质哪里转移来的，从而实现低温的共换热介质流体热量不断反馈到主循环系统里导致主循环换热器7温度进一步提高，却使得共换热介质流体温度变得比外界空气温度更低了，这更有利于加速共换热介质流体与外界空气的换热，更加适应低温环境下制取热量，且换热循环泵1运行稳定，采暖温度较高。
34.实施例2
35.如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的外部换热器2为闭式换热塔，主循环换热器7和第一辅循环换热器11为管壳式换热器；其他工作流程步骤与实施例1一致。
36.实施例3
37.如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例中的外部换热器2为开放式空气换热塔，主循环换热器7和第一辅循环换热器11为管壳式换热器，主循环阀6和第一辅循环阀10为四个并联的电动角阀。
38.本实施例的工作原理为：在制冷工况下，左下和右上的主循环阀6打开，而左上和右下的主循环阀6关闭，左下和右上的第一辅循环阀10打开，而左上和右下的第一辅循环阀10关闭，当主压缩机5和第一辅压缩机9工作会把各自制冷剂通过左下的主循环阀6和右下的第一辅循环阀10分别被压入到对应的主循环换热器7和第一辅循环换热器11里，气态制冷剂释放潜热给各自主循环换热器7和第一辅循环换热器11外侧流体后被冷凝成液态制冷剂再分别经过主制冷剂循环节流装置8和第一辅制冷剂循环节流装置12后流经右上的主循环阀6和左下的第一辅循环阀10再到右边的主循环换热器7和上边的第一辅循环换热器11里，并吸收各自外侧介质潜热而蒸发又重新通过各自左下的主循环阀6和右上的第一辅循环阀10分别被主压缩机5和第一辅压缩机9压入到左边的主循环换热器7和下边的第一辅循环换热器11里完成了各自制冷剂循环过程，而右边的主循环换热器7(此时为蒸发器)另一侧冷媒水会释放潜热给液态制冷剂而造成液态制冷剂蒸发，冷媒水自身降温后被目标终端循环泵26打入用户终端4里；
39.而上边的第一辅循环换热器11(此时为蒸发器)会为左边的主循环换热器7提供降温服务，以使主循环系统的两个主循环换热器7温差变小而能效比得到提高，具体是通过上边的第一辅循环换热器11把左边的主循环换热器7前段共换热介质流体热量转移至下边的第一辅循环换热器11里实现热量负反馈，并造成共换热介质流体流出温度高出环境温度许多，通过共换热介质流体用换热循环泵1带到外部换热装置2里把热量排入大气环境中。
40.若是热泵运行工况，那么左下和右上的主循环阀6关闭，而左上和右下的主循环阀6打开，左下和右上的第一辅循环阀10关闭，而左上和右下的第一辅循环阀10打开，当主压缩机5和第一辅压缩机9工作，会把各自制冷剂通过各自右下的主循环阀6和左上的第一辅循环阀10被各自的压缩机压入右边的主循环换热器7和上边的第一辅循环换热器11里，并释放潜热给各自另一侧流体自己变成液态制冷剂了，而液态制冷剂各自流经对应的主制冷剂循环节流装置8和第一辅制冷剂循环节流装置12后分别进入到左边的主循环换热器7和下边的第一辅循环换热器11里取吸收各自外侧流体潜热而蒸发，蒸发后的制冷剂各自流经左上的主循环阀6和右下的第一辅循环阀10再次被压缩机压入右边的主循环换热器7和上边的第一辅循环换热器11里完成各自制冷剂的循环过程。
41.而右边的主循环换热器7非制冷剂侧暖媒水获取制冷剂潜热后被终端循环泵3打入用户终端4里，而上边的第一辅循环冷凝器11是为了给左边的主循环换热器7提供热源的，该热源是通过两次升温后的热源，第一次是由外部换热装置2向外界空气索取了空气中水汽潜热和空气的显热，再把左边的主循环换热器7前部流程中共换热介质流体热量由第一辅助循环系统转移至左边的主循环换热器7的后部流程去，从而实现热量正反馈，共换热介质流体两次升温都是在左边的主循环换热器7的流程节点的后部，而共换热介质流体两次降温则是左边的主循环换热器7流程节点的前部，这样有利于缩小主循环两器温差而提高系统的能效比，同时还有利于用更低的共换热介质流体温度取吸收外界空气水汽潜热，并形成大温差换热优势，可由换热循环泵1把更低温度换热介质打入外部换热装置2里去向外界空气索取更多的热量。
42.实施例4
43.如图4所示，本实施例与实施例3的不同之处在于：本实施例中第一辅循环换热器11和第二辅循环换热器均为翅片管换热器，左边的主循环换热器7为翅片管换热器，右边的
主循环换热器7为管壳式换热器，本实施例中，所有的翅片管换热器均设于同一容积装置内，增加了第二辅助循环系统，第二辅助循环系统包括第二辅压缩机13、第二辅循环阀14、第二辅循环换热器15和第二辅制冷剂循环节流装置16，第二辅压缩机13通过周向并联的多个第二辅循环阀14连通第二辅循环换热器15，第二辅循环换热器15之间连接有第二辅制冷剂循环节流装置16，第二辅循环换热器15与第一辅循环换热器11串联设置。
44.本实施例的工作原理与实施例3基本一致，不同之处在于增加的第二辅助循环系统与第一辅助循环系统配合，第二辅循环阀14的开关方向与第一辅助循环系统中第一辅循环阀10的开关方向一致，第二辅助循环系统与第一辅助循环系统工作原理并行一致。本实施例更适合极低温环境下制热，也可以进行极深度制冷，使得共换热介质流体可进行三次升温，只有两次降温(除了在外部换热装置2对外界空气排热降温外)，这也是利用共换热介质流体前后顺序在不同换热节点上实现两次冷量反馈给左边的主循环换热器7，使得左边的主循环换热器7温度变得较低，那么右边的主循环换热器7温度会更低，可使冷媒介质获得更低冷源用于冷库，或者是用于液化氢气，再反过来陈述各自制冷剂释放潜热后会使共换热介质流体温度变得比外界空气更高，这有利于系统向外界空气排热。
45.本发明通过在主循环系统与第一辅助循环系统连通形成非制冷剂侧回路，第一辅助循环系统的输出端通过换热循环泵1与外部换热装置2的输入端连通，外部换热装置2的输出端与第一辅助循环系统连通，主循环系统的输出端通过终端循环泵3与用户终端4连通，相比现有技术中使用的覆叠热泵方案，本发明共换热介质流体与外界空气温差较大，循环流程结构不一致，在缩小冷凝器与蒸发器间温差方面可以达到较高水平，还可以通过多次升温与多次降温并举方式来提高传热介质与外界热源的温差，从而可加大换热速度，并提高系统的效能，本发明还可以适应极低温环境下的热泵高效运行，用于获取外界低温热源的流体的温度要低于外界空气温度许多，不仅可以提高机组能效比，还可以减少系统换热设备的体积，本发明极大提高系统向外界空气排热能力或系统向外界空气索取热量能力，降低了换热设备投资成本。
46.上述的实施例仅为本发明的优选实施例，不能以此来限定本发明的权利范围，因此，依本发明申请专利范围所作的修改、等同变化、改进等，仍属本发明所涵盖的范围。