一种采用压力交换器增效的CO2热泵循环系统

本发明属于蒸气压缩式热泵供暖，具体涉及一种采用压力交换器增效的co2热泵循环系统。

背景技术：

1、现代社会对于高效、环保的能源利用方案的需求日益增长，节能减排和提高能源利用效率是能源利用的发展方向。热泵具有回收余热、制热效率高和可持续性强的特点，二氧化碳(co2)以其高温制热性、低温适应性良好和对环境友好等优势成为备受重视的工质。但co2的临界压力高达7.37mpa，系统运行过程中的高压通常在10mpa以上，在制热工况下气冷器出口温度较高，高低压的压差较大，节流带来的损失较大，同时压缩机的功耗也较大，导致循环系统性能严重下降。

2、增加回热器或回收膨胀功是有效降低系统节流损失，提高热泵循环系统性能的措施。波转子压力交换器是利用非定常的压力波对高压驱动流体和低压被驱动流体进行能量交换的动力装置，该装置同时实现膨胀制冷和激波增压过程，且具有结构紧凑、易于维护等优点。因此结合回热器和压力交换器可以构建一种更为高效的co2热泵循环系统。

技术实现思路

1、为了提高热泵系统的整体性能，降低能耗，本发明提出了一种采用压力交换器增效的co2热泵循环系统，该系统可以采用具有中间补气功能的压缩机或两个压缩机串联或两个压缩机并联来回收气液分离器中剩余的饱和气相，实现中间不完全冷却，降低排气温度和压缩机不可逆损失；采用压力交换器可以回收高压驱动流体的膨胀功来提升从自身闪蒸后的两相流中分离的饱和气相的压力，然后该部分流体进入第二个气体冷却器释放热量，提高系统制热性能；采用气液分离器可以分离出的来自压力交换器和第一节流阀的两相流，降低蒸发器入口干度，提高蒸发器换热效率，同时降低蒸发器入口比焓，增加单位质量制冷量。

2、为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供的第一种采用压力交换器增效的co2热泵循环系统，采用具有中间补气功能的压缩机和压力交换器实现高效制热；具有中间补气功能的压缩机通过回收气液分离器中多余的饱和气相实现中间不完全冷却，降低排气温度和压缩机不可逆损失；该热泵循环系统包括具有中间补气的压缩机101、第一气体冷却器102、压力交换器103、气液分离器104、第二气体冷却器105、第一节流阀106、回热器107、第二节流阀108和蒸发器109；

4、所述具有中间补气的压缩机101的出口与第一气体冷却器102入口相连；第一气体冷却器102出口与压力交换器高压入口103a相连；气液分离器104两个入口分别与压力交换器低压出口103b和第一节流阀106出口相连；气液分离器104两个饱和气相出口分别与压力交换器低压入口103c和具有中间补气的压缩机101的补气口相连；压力交换器高压出口103d与第二气体冷却器105入口相连；第二气体冷却器105出口与第一节流阀106入口相连；气液分离器104饱和液相出口与回热器107热端入口相连；回热器107热端出口与第二节流阀108入口相连；第二节流阀108出口与蒸发器109入口相连；蒸发器109出口与回热器107冷端入口相连；回热器107冷端出口与具有中间补气的压缩机101的入口相连，形成完整的热泵循环系统。

5、本发明提供的第二种采用压力交换器增效的co2热泵循环系统，通过将两个压缩机串联以及压力交换器实现高效制热；采用两个压缩机串联的方式有效降低单个压缩机的压比，从而减少压缩机功耗；该热泵循环系统包括第一压缩机201、第二压缩机202、第一气体冷却器102、压力交换器103、气液分离器104、第二气体冷却器105、第一节流阀106、回热器107、第二节流阀108和蒸发器109；

6、所述第一压缩机201的出口和气液分离器104其中一个饱和气相出口均与第二压缩机202入口相连；第二压缩机202出口与第一气体冷却器102入口相连；第一气体冷却器102出口与压力交换器高压入口103a相连；气液分离器104两个入口分别与压力交换器低压出口103b和第一节流阀106出口相连；气液分离器104另一个饱和气相出口与压力交换器低压入口103c相连；压力交换器高压出口103d与第二气体冷却器105入口相连；第二气体冷却器105出口与第一节流阀106入口相连；气液分离器104饱和液相出口与回热器107热端入口相连；回热器107热端出口与第二节流阀108入口相连；第二节流阀108出口与蒸发器109入口相连；蒸发器109出口与回热器107冷端入口相连；回热器107冷端出口与第一压缩机201的入口相连，形成完整的热泵循环系统。

7、本发明提供的第三种采用压力交换器增效的co2热泵循环系统，通过将两个压缩机并联以及压力交换器实现高效制热；采用两个压缩机并联的方式，利用辅助压缩机在中间压力下回收气液分离器104中多余的饱和气体，降低压缩比，减少压缩机功耗；该热泵循环系统包括主压缩机301、辅助压缩机302、第一气体冷却器102、压力交换器103、气液分离器104、第二气体冷却器105、第一节流阀106、回热器107、第二节流阀108和蒸发器109；

8、所述主压缩机301的出口与第一气体冷却器102入口相连；第一气体冷却器102出口与压力交换器高压入口103a相连；气液分离器104两个入口分别与压力交换器低压出口103b和第一节流阀106出口相连；气液分离器104两个饱和气相出口分别与压力交换器低压入口103c和辅助压缩机302入口相连；辅助压缩机302出口与第一气体冷却器102入口相连；压力交换器高压出口103d与第二气体冷却器105入口相连；第二气体冷却器105出口与第一节流阀106入口相连；气液分离器104饱和液相出口与回热器107热端入口相连；回热器107热端出口与第二节流阀108入口相连；第二节流阀108出口与蒸发器109入口相连；蒸发器109出口与回热器107冷端入口相连；回热器107冷端出口与主压缩机201的入口相连，形成完整的热泵循环系统。

9、所述压力交换器103由一个转子、两个端盖和四个端口，分别是高压入口103a、低压出口103b、低压入口103c和高压出口103d；当转子旋转时，它逐渐使各个管道首先与低压入口103c连通，以接受来自气液分离器104饱和气相出口的低压被驱动流，然后密封低压入口103c；当管道继续旋转并暴露于高压入口103a时，来自第一气体冷却器102的高压驱动流体将低压被驱动流体加压至排放压力，并通过高压出口103d将其喷出；在转子的另一端，从低压入口103c进入的低压被驱动流体通过低压出口103d排出经过膨胀后的低压驱动流体，并重复该过程。

10、所述气液分离器104具有两个入口、一个饱和液相出口和两个饱和气相出口，分离出的来自压力交换器103和第一节流阀106的两相流中的饱和气相，通过压力交换器103升压到高温高压的超临界流体状态后进入第二气体冷却器105，多余的饱和气相则通过气液分离器104另一个出口回到压缩机中，实现中间不完全冷却，降低排气温度和压缩机不可逆损失。

11、所述系统具有两个气体冷却器，且由于压力交换过程存在一定的压力损失，第二气体冷却器105的压力低于第一气体冷却器102。两个气体冷却器可以通过管路布置集成在一个换热器上，结构更加紧凑。进入第二气体冷却器105的流体无需经过压缩机直接压缩而是通过压力交换器103获得较高的压力，可以有效减少压缩机功耗。

12、与现有技术相比较，本发明具备如下优点：

13、本发明采用了压力交换器来回收第一气体冷却器102出口流体的膨胀功，从而使气液分离器104分离出的饱和气相重新回到高温高压状态进入第二气体冷却器105放热，有效提高制热量，减少压缩机功耗，改善系统的整体性能。

14、具有中间补气的压缩机101可以通过回收气液分离器104中多余的饱和气相对压缩至中间压力的流体实现中间不完全冷却，降低排气温度和压缩机不可逆损失；采用压缩机串联的方式可以有效降低单个压缩机的压比，提高压缩机效率；采用压缩机并联的方式可以根据所需回收的饱和气相来合理地匹配辅助压缩机和主压缩机的排气量，从而提高系统的整体效率。