一种换热全过程匹配改善的热泵循环系统及其运行方法

本发明涉及热泵，具体涉及一种换热全过程匹配改善的热泵循环系统及其运行方法。

背景技术：

1、建筑能耗在全球总能耗中占据较大比例，其中很大一部分用于建筑供暖和热水生产。据清华大学节能建筑研究中心统计，2021年我国北方供暖能耗为2.12亿吨标煤，占全国建筑总能耗的19％，相应的co2排放量为4.9亿吨，占建筑运行co2总排放量的22.3％。促进建筑供暖领域的节能增效对降低能源消耗和减少二氧化碳排放具有重要意义。热泵作为一种可再生能源利用装置，可将环境介质(水、空气、土壤等)中的低品位热能转换成高品位热能，用于供暖和热水生产，是一种高效节能的电转热供暖技术，在空间供暖领域得到了广泛的应用，是实现建筑脱碳的重要途径之一。

2、工质是热泵的“血液”，热泵的发展离不开工质。非共沸混合工质是指由两种或两种以上不同沸点的纯工质组成的混合物。非共沸混合工质在气液相变过程中具有温度滑移显著特征，利用温度滑移可更好地匹配冷/热源的温度变化，逼近洛伦兹循环，相较于纯工质，有利于减少换热过程的不可逆损失，提升热泵性能。

3、在通常的热泵系统中，非共沸工质在蒸发器和冷凝器内的温度滑移基本相同，但热泵冷凝侧冷源和蒸发侧热源的温变却通常并不相同，导致非共沸混合工质在冷凝和蒸发两个相变过程的最佳换热匹配往往难以同时实现，一个过程的换热匹配改善往往要牺牲另一个过程的换热匹配，一定程度上抵消了非共沸混合工质带来的有益效果，导致热泵性能提升效果较差，甚至不如纯工质。同时，非共沸混合工质具有的温焓非线性也严重制约了匹配效果。温焓非线性是指非共沸混合工质的温度变化与焓差之间呈非线性关系，由于温焓非线性的存在，非共沸混合工质与冷/热源之间的换热温差并不均匀，而是存在温度夹点，换热温差的不均匀性增加了冷凝器/蒸发器的不可逆热损失。此外，现有对于热泵循环的换热匹配改善都是基于相变过程，对于热泵的单相换热过程，其换热匹配一般较差。虽然热泵单相换热的换热量较小，但研究发现减小过热实现换热匹配改进可提升热泵循环cop。

4、中国专利申请cn109611169a公开了一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，可以实现在不改变蒸发器侧非共沸工质组分的前提下，对冷凝器侧非共沸工质的组分进行调节；反之亦可。实现了两个换热器侧的非共沸工质组分的独立调节，增加了调节的灵活性，从而可以进一步提升系统的性能。cn114111076b则公开了一种模块化非共沸工质接力蒸发制冷系统及其控制方法，通过设置多个蒸发压缩模块，利用非共沸工质在不同压力下蒸发实现蒸发器侧热源流体温度接力降温，同时实现蒸发侧热源流体温变较大工况下蒸发器侧制冷剂与热源流体换热以及冷凝器侧制冷剂与热源流体换热的温度匹配；利用模块化结构，通过控制各蒸发压缩模块的运行数量，进而实现热源流体温变的灵活调整。然而目前报道的非共沸工质热泵系统主要存在以下问题：(1)系统浓度调节后，冷凝器/蒸发器中非共沸混合工质的组分全程相同，未考虑非共沸混合工质温焓非线性引起的无效不可逆损失；无法实现冷凝过程和蒸发过程的组分调节，完全改善冷凝过程和蒸发过程的换热匹配；(2)缺乏对单相换热匹配的改善，增加了系统的复杂性，且换热匹配改善有限。

5、非共沸混合工质相变过程温焓非线性，具体表现为温焓斜沿程发生变化，与组分(z)、干度(x)有关，即混合工质是由两种或者两种以上不同的纯工质混合而成，其组成成份也称之为组元。非共沸混合工质相变过程中，由于组元沸点差异，冷凝过程高沸点组元先凝结(成为高沸点液相工质)，蒸发过程低沸点组元先汽化(剩下高沸点液相工质)，因而气相组分和液相组分不同且随换热过程的进行而变化。若充分利用此特性，通过分离出高沸点液相工质(分液)或补充高沸点液相工质(补液)可主动将非共沸混合工质的组分、干度和流量重新合理调配，有望使非共沸工质与冷/热源具有更好的换热匹配。同时，利用冷凝器和蒸发器中部分不参与补液的分离工质可实现对非共沸混合工质冷凝过程和蒸发过程的换热匹配协同改善，同时还为减小冷凝器出口的过冷度和蒸发器出口的过热度创造有利条件，实现非共沸混合工质冷凝、蒸发以及单相换热过程的换热匹配同时达到最佳，即实现热泵系统换热全过程匹配改善，最大幅度减少不可逆损失，提升热泵性能。然而，目前这方面的技术方案报道较少，也未见相应的专用装置报道。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述问题，提供一种换热全过程匹配改善的热泵循环系统及其运行方法，在热泵循环构建时考虑冷凝/蒸发与冷/热源换热匹配协同及单相换热匹配改善。

2、本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：

3、一种可分液/补液的换热器，流程平行段和位于所述工质流程平行段两端的弯折部，第一管道的每个u形沟槽内均设置有第二管道，所述第二管道包括与工质流程平行段平行设置的分液管和补液管，所述分液管与第一管道的入口端靠近，所述补液管与第一管道的出口端靠近，分液管与其上方的工质流程平行段之间、补液管与其下方的工质流程平行段之间、分液管和补液管之间均设置有至少一个连接通道，使得分液管与第一管道连通、分液管与补液管连通、补液管与与第一管道连通；

4、第一管道的左、右两侧还分别设置有集液管，补液管靠近第一管道u形沟槽槽口的一端向外延伸并与邻近的所述集液管连接，所述集液管的顶端封闭，底端设置有出液口。

5、优选地，所述的换热器还包括集液分液器，所述集液分液器包括汇总管和多个分液支管，换热器两侧的集液管通过管道与所述汇总管的入口端并联，汇总管的出口端则分支为多个分液支管。

6、一种换热全过程匹配改善的热泵循环系统，包括中间回热器和通过管道依次连通形成换热循环的压缩机、换热器a、冷凝侧回热器、节流装置、换热器b和蒸发侧回热器，所述换热器a、换热器b采用权利要求1所述的换热器，换热器a作为冷凝器，换热器b作为蒸发器；换热器a和换热器b的第一管道中流通非共沸混合工质，第二管道和集液管中则流通从第一管道中的非共沸混合工质中分离出来的高沸点组元；

7、所述冷凝侧回热器设有第一换热流路和第二换热流路，所述中间回热器设有第三换热流路和第四换热流路，所述蒸发侧回热器设有第五换热流路和第六换热流路；

8、换热器a的第一管道a的入口与所述压缩机的排气口连通；换热器a的集液管a的出口与所述第一换热流路的入口连通，集液管a的出口还与所述第三换热流路的入口连通，第三换热流路的出口与第一管道a的出口于第一节点合流后与所述第二换热流路的入口连通；

9、第一换热流路和第二换热流路的出口合流后通过所述节流装置与换热器b的第一管道b的入口连通，换热器b的集液管b的出口与所述第四换热流路的入口连通，第四换热流路的出口与第一管道b的出口于第二节点合流后与所述第五换热流路的入口连通，集液管b的出口还与所述第六换热流路的入口连通；第五换热流路和第六换热流路的出口合流后与压缩机的入口连通。

10、优选地，所述的热泵循环系统中，所述换热器a和换热器b采用前述的换热器；

11、所述中间回热器的第三换热流路上设置有多个并联在第三换热流路上的第一支管，第三换热流路的入口端与换热器a的一个分液支管a连通，所述第一支管则与换热器a的其它分液支管a连通；

12、中间回热器的第四换热流路上设置有多个并联在第四换热流路上的第二支管，第四换热流路的入口端与换热器b的一个分液支管b连通，所述第二支管则与换热器b的其它分液支管b连通。

13、优选地，所述换热器a的分液支管a数量为三个，一个分液支管a与第一换热流路的入口连通，一个分液支管a与第三换热流路的入口端连通，所述多个第一支管并联在剩下的分液支管a上；

14、所述换热器b的分液支管b数量为三个，一个分液支管b与第六换热流路的入口端连通，一个分液支管b与第四换热流路的入口端连通，所述多个第二支管并联在剩下的分液支管b上。

15、优选地，所述节流装置为节流阀。

16、优选地，所述第一节点和第二节点处设置有三通阀。

17、一种上述任一项所述的热泵循环系统的运行方法，包括如下步骤：向热泵循环系统通入非共沸混合工质，开启压缩机、节流装置，运行系统，非共沸混合工质依次经过压缩机、换热器a、冷凝侧回热器、节流装置、换热器b和蒸发侧回热器后回流至压缩机；换热器a的集液管a中的高沸点组元一部分进入冷凝侧回热器的第一换热流路中，一部分进入中间回热器的第三换热流路中；换热器b的集液管b中的高沸点组元一部分进入中间回热器的第四换热流路中，一部分进入蒸发侧回测器的第六换热流路中；中间回热器中第三换热流路与第四换热流路进行换热，第三换热流路出来的工质与换热器a第一管道a出来的工质于第一节点合流后与进入冷凝侧回热器中的第一换热流路，第一换热流路与第二换热流路进行换热，第一换热流路和第二换热流路的出口合流后一同进入节流装置；第四换热流路出来的工质与换热器b第一管道b出来的工质于第二节点合流后进入蒸发侧回热器的第五换热流路，第五换热流路与第六换热流路进行换热，第五换热流路和第六换热流路的出口合流后一同进入压缩机。

18、优选地，所述的运行方法的技术方案中，所述非共沸混合工质为二元非共沸混合工质。

19、优选地，所述的运行方法的技术方案中，所述换热器a的外源冷源是空气或水，所述换热器b的外源热源是空气或水。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明的换热器和热泵系统能够对冷凝器和蒸发器中的非共沸混合工质实施分液/补液，可调整非共沸混合工质的干度、组分和流量，从而改善非共沸混合工质冷凝/相变过程中与换热流体的换热匹配，减少不可逆损失。同时，利用冷凝器和蒸发器中部分不参与补液的分离工质可实现对非共沸混合工质冷凝过程和蒸发过程的换热匹配协同改善，同时还为减小冷凝器出口的过冷度和蒸发器出口的过热度创造有利条件，实现非共沸混合工质冷凝、蒸发以及单相换热过程的换热匹配同时达到最佳，即实现热泵系统换热全过程匹配改善，最大幅度减少不可逆损失，提升热泵性能。

22、本发明中热泵循环系统换热全过程匹配改善的步骤如下：

23、(1)非共沸混合工质冷凝过程、蒸发过程换热匹配完全改善：在冷凝器中，通过多次实施分液和补液，调整非共沸混合工质的组分、干度和流量，从而完全改善非共沸混合工质与冷源的换热匹配，减少冷凝过程中两相换热的不可逆损失；类似地，在蒸发器中，通过多次实施分液，调整非共沸混合工质的组分、干度和流量，从而完全改善非共沸混合工质与热源的换热匹配，减小蒸发过程中两相换热的不可逆损失；

24、(2)冷凝器和蒸发器换热匹配协同改善：冷凝器和蒸发器中部分不参与补液的分离工质进行热交换，以此协调冷凝器和蒸发器中的分液/补液，使冷凝器和蒸发器换热匹配协同改善；

25、(3)单相换热匹配改善：在保证冷凝器出口必要过冷度和蒸发器出口必要过热度的情况下，利用冷凝器和蒸发器中部分不参与补液的分离工质改善单相换热过程的换热匹配，进一步减少非共沸混合工质单相换热过程的不可逆损失；

26、(4)分析冷凝器和蒸发器内两相段和单相段分别与冷/热源的换热匹配程度，以及冷凝器和蒸发器中部分不参与补液的分离工质的换热匹配程度；

27、(5)调整冷凝器和蒸发器中的分液、补液，以及分离工质的分配，从而调整非共沸混合工质冷凝/蒸发过程中的换热匹配以及单相换热匹配，可重复(1)～(4)，直至各过程换热匹配同时达到最佳，实现热泵循环换热全过程匹配改善，最大幅度提升热泵性能。

28、本发明在通过多次实施分液和补液对非共沸混合工质冷凝过程和蒸发过程的换热匹配完全改善的基础上，充分利用冷凝器和蒸发器中部分不参与补液的分离工质实现对非共沸混合工质冷凝过程和蒸发过程的换热匹配协同改善，同时还为减小冷凝器出口的过冷度和蒸发器出口的过热度创造有利条件，实现非共沸混合工质冷凝、蒸发以及单相换热过程的换热匹配同时达到最佳，即实现热泵系统换热全过程匹配改善，最大幅度减少不可逆损失，提升热泵性能。