一种提升换热器换热性能的补气增焓热泵空调系统

摘要

本发明公开了一种提升换热器换热性能的补气增焓热泵空调系统，包括补气增焓压缩机、四通阀、室外侧换热器、室内侧换热器、气液分离器、双向螺旋闪蒸器，双向螺旋闪蒸器上段筒体侧壁设置有出气管，下端筒体侧壁设置有延伸至筒体内腔的第一制冷剂进出口管和第二制冷剂进出口管；出气管依次连接第一电磁阀和补气增焓压缩机的补气口，同时还依次连接第二电磁阀和气液分离器，第一制冷剂进出口管依次连接第一膨胀阀和室外侧换热器，第二制冷剂进出口管依次连接第二膨胀阀和室内侧换热器。本发明不仅能够实现制热补气还能实现高温制冷补气，在不需补气的常温制冷工况，闪蒸器用作气液分离器，减小换热器进口制冷剂气相比，提升换热器换热性能。

说明书

技术领域

本发明涉及到补气增焓的空调系统，具体涉及到一种在不进行补气时，能够改善制冷剂分配均匀性和换热器换热效率的补气增焓热泵空调系统。

背景技术

现有的热泵空调系统在低温环境运行，依然存在制热能力衰减、制热效率降低、压缩机排气温度升高导致系统运行不可靠等问题，从而限制了热泵空调在北方寒冷地区的推广使用。而补气增焓热泵空调系统由于其良好的低温适应性，被逐渐应用到低温家用空调、汽车空调等领域。

微通道换热器由于其紧凑、高效、轻量的特点，被越来越多的应用到热泵空调系统中。但是当微通道换热器作为蒸发器使用时，气液两相的制冷剂会在微通道换热器入口出现制冷剂分配不均，而且气相制冷剂会占据换热器内部的换热面积，从而导致换热器换热能力下降，系统的能效降低。

现有的带有闪蒸罐和微通道换热器的补气增焓热泵空调系统，其闪蒸罐具有三个口：气液混合制冷剂入口、液态制冷剂出口、补气出口。由于闪蒸器是单向流动的，对制冷剂的流向有要求，因而只能在制热时进行补气。制热时，液相制冷剂经过一级节流后进入闪蒸器闪蒸后对压缩机进行补气，改善系统的低温制热性能。制冷时，将闪蒸器旁通，制冷剂节流后直接进入蒸发器蒸发换热，但是由于微通道换热器进口制冷剂分配不均性以及气态制冷剂的存在，换热器换热效率降低，空调系统的性能下降。

而且补气增焓不仅能提升热泵空调系统的低温制热性能，也能提升空调系统的高温制冷性能，所以当一套热泵空调系统制冷和制热都需要使用闪蒸器进行补气的时候，就涉及到制冷/制热模式的切换问题，此时若要保证闪蒸器流动的单向性，则至少需要另加四个电磁阀进行控制，增大了系统的复杂程度。

综上所述，如何将补气增焓应用到热泵空调系统，既能提高低温制热性能，又能提高高温制冷性能以及不补气工况时的性能，同时又保证系统的简洁性，是本领域技术人员急需解决的一个问题。

发明内容

本发明旨在提供一种提升换热器换热性能的补气增焓热泵空调系统，既能在低温制热时进行补气，又能在高温制冷时进行补气，同时在不需要补气的工况，将闪蒸器用作气液分离器，改善蒸发器进口的制冷剂分配均匀性以及增大换热效率，进而提升空调能效。

针对上述技术问题，本发明提供的技术解决方案是：

一种提升换热器换热性能的补气增焓热泵空调系统，包括补气增焓压缩机、四通阀、室外侧换热器、室内侧换热器、气液分离器，还包括双向螺旋闪蒸器，所述双向螺旋闪蒸器包括筒体，所述筒体由上而下包括上段筒体、中段筒体和下端筒体，共同组成罐体的工作容积，上段筒体侧壁设置有出气管，下端筒体侧壁设置有延伸至筒体内腔的第一制冷剂进出口管和第二制冷剂进出口管，所述第一制冷剂进出口管和第二制冷剂进出口管插入筒体内的部分同为顺时针或同为逆时针盘旋向上的螺旋铜管部，两个螺旋铜管部盘绕组装，共同构成气液分离装置，所述第一制冷剂进出口管位于筒体内液面以下的底部设置有若干第一回油回液孔，所述第二制冷剂进出口管位于筒体内液面以下的底部分别设置有若干第二回油回液孔；所述出气管通过管路依次连接第一电磁阀和补气增焓压缩机的补气口，同时还通过管路依次连接第二电磁阀和气液分离器，所述第一制冷剂进出口管通过管路依次连接第一电子膨胀阀和室外侧换热器，所述第二制冷剂进出口管通过管路依次连接第二电子膨胀阀和室内侧换热器。本方案通过设置双向的螺旋闪蒸器及两条补气支路，即实现了制冷剂在闪蒸器内的双向流通和气液分离，简化系统复杂性，使得系统在高温制冷和低温制热都能进行补气增焓，提升系统性能；同时在无需补气增焓的工况下，亦能将气态制冷剂通过补气支路输送至气液分离器，从而改善蒸发器进口制冷剂分配均匀性以及减少气态制冷剂占据的无效换热面积，提升换热器的换热性能。

进一步地，所述第一回油回液孔的数量为2~5个，其流通截面积之和小于等于所述第一制冷剂进出口管通流截面积，所述第二回油回液孔的数量为2~5个，其流通截面积之和小于等于第二制冷剂进出口管的通流截面积，以保证有足够多的气液混合制冷剂能够流入到螺旋铜管部内，并由螺旋铜管部末端流出，以便气液混合制冷剂在重力的作用下进行气液分离。

进一步地，所述第一制冷剂进出口管位于筒体内液面以上的螺旋铜管部沿管体螺旋线的沿程均匀的开有一排第一出气孔和一排第一出液孔；所述第二制冷剂进出口管位于筒体内液面以上的螺旋铜管部沿管体螺旋线的沿程均匀的开有一排第二出气孔和一排第二出液孔，本方案通过在螺旋铜管部设置出气孔和出液孔，使气液混合的制冷剂在螺旋离心力作用下，由出气孔和出液孔分别输出气态制冷剂和液态制冷剂，进一步实现的气液分离。

进一步地，所述第一出气孔设置在第一制冷剂进出口管的螺旋铜管部内侧斜上角，与水平方向呈30~60°夹角，所述第一出液孔设置在第一制冷剂进出口管的螺旋铜管部外侧斜下角，与水平方向呈30~60°夹角；所述第二出气孔设置在第二制冷剂进出口管的螺旋铜管部内侧斜上角，与水平方向呈30~60°夹角，第二出液孔设置在第二制冷剂进出口管的螺旋铜管部外侧斜下角，与水平方向呈30~60°夹角，本方案通过设置出气孔和出液孔的特殊位置，使气液混合的制冷剂在螺旋管道内通过离心力进行分离，进一步提高制冷剂的气液分离效果。

进一步地，所述第一出气孔、第一出液孔、第二出气孔、第二出液孔的数量均为4~10个，本方案所述数量既能满足的液态和气态制冷剂离心分离的目的，同时也不至于增加加工难度和成本。

进一步地，所述第一制冷剂进出口管和第二制冷剂进出口管的形状结构相同。

进一步地，所述筒体内设置有位于第一制冷剂进出口管和第二制冷剂进出口管的螺旋铜管部上方的闪蒸隔板，所述闪蒸隔板上均匀设置有直径为4~8的气液分离孔，本方案的闪蒸隔板对漂浮的制冷剂液滴可以起到一定的隔断作用，保证出气管中都为气态制冷剂。

进一步地，所述闪蒸隔板设置在筒体高度的2/3~4/5处，以保证气液分离的效果。

本发明通过设置可双向流动的螺旋闪蒸器，解决了现有补气增焓热泵空调系统对制冷剂的单向流动要求问题，当一套热泵空调系统制冷或制热都需要使用闪蒸器进行补气的时候，无需因保证闪蒸器流动的单向性而另外增加四个电磁阀进行制冷剂流向控制，使得空调系统在制冷/制热模式的切换时，制冷剂可双向的流经闪蒸器，极大的简化了系统的复杂程度、体积和成本。

与现有的技术相比，本发明将双向螺旋闪蒸器应用于补气增焓热泵空调系统，由于双向螺旋闪蒸器具有双向流动性，使得补气增焓空调系统得以大大简化，而且本发明的提供的补气增焓热泵空调系统既可以在制热时又可以在制冷时对压缩机进行补气，提升低温制热性能和高温制冷性能；此外在不需要补气的工况，双向螺旋闪蒸器对节流后的混合制冷剂进行气液分离，可将气态制冷剂输入到气液分离器中，从而改善蒸发器进口制冷剂分配均匀性以及减少气态制冷剂占据的无效换热面积，提升换热器的换热性能。

附图说明

图1是本发明的补气增焓热泵空调系统制冷循环原理图。

图2是本发明的补气增焓热泵空调系统制热循环原理图。

图3是本发明实施例的双向螺旋闪蒸器结构示意图。

图4是本发明实施例的第一制冷剂进出口管立体结构示意图。

图5是本发明实施例的第二制冷剂进出口管立体结构示意图。

图6是本发明实施例的闪蒸隔板的俯视示意图。

图中示出：1-筒体；2-出气管；3-第一制冷剂进出口管；4-第二制冷剂进出口管；5-闪蒸隔板；101-补气增焓压缩机；102-四通阀；103-室外侧换热器；104-第一电子膨胀阀；105-双向螺旋闪蒸器；106-第二电子膨胀阀；107-室内侧换热器；108-气液分离器；109-第一电磁阀；110-第二电磁阀；11-上段筒体；12-中端筒体；13-下端筒体；31-第一回油回液孔；32-第一出气孔；33-第一出液孔；41-第二回油回液孔；42-第二出气孔；43-第二出液孔；51-气液分离孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本下面结合附图和具体实施发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1和图2所示，一种提升换热器换热性能的补气增焓热泵空调系统，包括补气增焓压缩机101、四通阀102、室外侧换热器103、室内侧换热器107、气液分离器108，还包括双向螺旋闪蒸器105，所述双向螺旋闪蒸器105包括筒体1，所述筒体1由上而下包括上段筒体11、中段筒体12和下端筒体13，共同组成罐体的工作容积，上段筒体11侧壁设置有出气管2，下端筒体13侧壁设置有延伸至筒体1内腔的第一制冷剂进出口管3和第二制冷剂进出口管4，所述第一制冷剂进出口管3和第二制冷剂进出口管4插入筒体1内的部分同为顺时针或同为逆时针盘旋向上的螺旋铜管部，两个螺旋铜管部盘绕组装，共同构成气液分离装置，所述第一制冷剂进出口管3位于筒体1内液面以下的底部设置有若干第一回油回液孔31，所述第二制冷剂进出口管4位于筒体1内液面以下的底部分别设置有若干第二回油回液孔41；所述出气管2通过管路依次连接第一电磁阀109和补气增焓压缩机101的补气口，同时还通过管路依次连接第二电磁阀110和气液分离器108，即形成两条补气支路，两条补气支路，第一条支路通过第一电磁阀109连接压缩机补气孔，第二条支路通过第二电磁阀110连接气液分离器进口，所述第一制冷剂进出口管3通过管路依次连接第一电子膨胀阀104和室外侧换热器103，所述第二制冷剂进出口管4通过管路依次连接第二电子膨胀阀106和室内侧换热器107。

本实施例提供的补气增焓热泵空调系统通过四通阀102进行制冷/制热模式的切换。由图1所示，制冷模式运行分为高温制冷补气模式以及常温制冷不补气模式。在高温制冷（T>35℃）时，补气增焓能够减低压缩机排气温度，提升高温制冷性能。此时高温高压制冷剂从压缩机101进入到室外侧换热器103，经过电子膨胀阀104进行一级节流，然后流入双向螺旋闪蒸器105。气液混合制冷剂在闪蒸器内闪蒸之后，气态制冷剂经由电磁阀109对压缩机进行补气，液态制冷剂经过电子膨胀阀106二级节流进入室内侧换热器107蒸发吸热，然后流回压缩机。

在常温制冷（26℃≦T≦35℃）时，空调系统补气的性能提升不明显，因此不对系统进行补气。此时高温高压制冷剂从压缩机101进入到室外侧换热器103，电子膨胀阀104将高压液态制冷剂节流到低压蒸发压力，气液两相混合制冷剂进入闪蒸器105进行气液分离。气相制冷剂从电磁阀110旁通进入气液分离器108，此时电磁阀109关。而液相制冷剂进入到室内侧换热器107蒸发吸热，此时电子膨胀阀106全开，不进行节流。由于节流后气液两相混合制冷剂中的气相部分被旁通到气液分离器中，增大了室内侧换热器进口制冷剂的液相比，从而改善制冷剂分配均匀性，同时也减小了换热器中被气相所占据的无效换热面积，因而提升整个换热器107的换热性能，制冷能效得到提升。

图2为补气增焓热泵空调系统制热循环原理图。在制热工况（T<18℃），空调系统需要补气，此时高温高压制冷剂从压缩机101进入到室内侧换热器107，经过电子膨胀阀106进行一级节流，然后流入双向螺旋闪蒸器105。气液混合制冷剂在闪蒸器内闪蒸之后，气态制冷剂经由电磁阀109对压缩机进行补气，液态制冷剂经过电子膨胀阀104二级节流进入室外侧换热器103蒸发吸热，然后流回压缩机。

如图3至图6所示，本实施例的双向螺旋闪蒸器105中液态制冷剂液面高度一般为闪蒸器总高的1/4~1/3，双向螺旋闪蒸器105实现了制冷剂的双向流动，又能在安装高度受限情况下改善闪蒸器气液分离效果，极大的简化了补气增焓系统的复杂度，结构简单、体积小、成本低，尤其适合低温制热和高温制冷工况下的应用场合。

如图4和图5所示，本实施例中，所述第一回油回液孔31的流通截面积之和小于等于所述第一制冷剂进出口管3通流截面积，所述第二回油回液孔41的流通截面积之和小于等于第二制冷剂进出口管4的通流截面积，以保证有足够多的气液混合制冷剂能够流入到螺旋铜管部内，并由螺旋铜管部末端流出，以便气液混合制冷剂在重力的作用下进行气液分离。

本实施例中，所述第一制冷剂进出口管3位于筒体1内液面以上的螺旋铜管部沿管体螺旋线的沿程均匀的开有4~10个第一出气孔32和4~10个第一出液孔33；所述第二制冷剂进出口管4位于筒体1内液面以上的螺旋铜管部沿管体螺旋线的沿程均匀的开有4~10个第二出气孔42和4~10个第二出液孔43，具体数量可根据螺旋铜管的管长而定。本方案通过在螺旋铜管部设置出气孔和出液孔，使气液混合的制冷剂在螺旋离心力作用下，由出气孔和出液孔分别输出气态制冷剂和液态制冷剂，进一步实现的气液分离。

本实施例中，作为进一步的优化方案，所述第一出气孔32设置在第一制冷剂进出口管3的螺旋铜管部内侧斜上角，与水平方向呈30~60°夹角，本实施例为45°；所述第一出液孔33设置在第一制冷剂进出口管3的螺旋铜管部外侧斜下角，与水平方向呈30~60°夹角，本实施例为45°；所述第二出气孔42设置在第二制冷剂进出口管4的螺旋铜管部内侧斜上角，与水平方向呈30~60°夹角，本实施例为45°，第二出液孔43设置在第二制冷剂进出口管4的螺旋铜管部外侧斜下角，与水平方向呈30~60°夹角，本实施例为45°。本方案设置出气孔和出液孔的特殊位置，因气液两相混合制冷剂在螺旋铜管中流动会产生离心力，惯性力较小的气态制冷剂聚集在螺旋铜管的内侧，惯性力较大的液态制冷剂聚集在螺旋铜管外侧。离心力分离后的部分气态制冷剂从内侧斜上角的出气孔流出，部分液态制冷剂从外侧斜下角的出液孔流出，进一步提高制冷剂的气液分离效果。

为简化加工，所述第一制冷剂进出口管3和第二制冷剂进出口管4的形状结构相同。

如图3和图6所示，所述筒体1内设置有位于第一制冷剂进出口管3和第二制冷剂进出口管4的螺旋铜管部上方的闪蒸隔板5，所述闪蒸隔板5一般设置在筒体1高度的2/3~4/5处，位于螺旋铜管部和出气口之间，所述闪蒸隔板5上均匀设置有直径为4~8的气液分离孔51，闪蒸隔板5主要是对漂浮在空气中的一些制冷剂液滴起到阻隔作用，气态制冷剂可以从气液分离孔51顺畅流出，保证出气管2流出的大多数为气态制冷剂。

本实施例提供的双向螺旋闪蒸器105通过在第一、第二制冷剂进出口管液面以下设置回油回液孔，使得第一、第二制冷剂进出口管既可以作为气液混合制冷剂的进口管，又可以作为液态制冷剂的出口管，闪蒸器具有双向流动性，解决了现有闪蒸器单向流动的限制。双向闪蒸器的应用可大大简化补气增焓系统。同时通过设置制冷剂进出口管筒体内部为螺旋铜管，并且在液面以上沿着螺旋铜管开一排出气孔、出液孔，使得气液两相混合制冷剂在螺旋铜管的作用下进行离心力分离。达到离心力和重力双重分离的效果，可以改善和保证气液两相制冷剂的分离效果，极大的简化了系统的复杂程度、体积和成本，适用于闪蒸器安装高度受限，高度和直径比值较小的应用场合。

当本实施例的热泵空调系统运行在制冷模式时，气液两相制冷剂从第一制冷剂进出口管3进入双向螺旋闪蒸器105，部分混合制冷剂会在第一回油回液孔31流出，而由于制冷剂流速较快剩余的混合制冷剂沿着螺旋铜管向上流动。气液两相混合制冷剂在螺旋铜管中流动会产生离心力，惯性力较小的气态制冷剂聚集在螺旋铜管的内侧，惯性力较大的液态制冷剂聚集在螺旋铜管外侧。离心力分离后的部分气态制冷剂从内侧斜上角的第一出气孔32流出，部分液态制冷剂从外侧斜下角的第一出液孔33流出。管内剩余混合制冷剂从第一制冷剂进出口管3的末端喷出，在重力的作用下进行气液分离。分离出的气态制冷剂和闪蒸出的气态制冷剂经由气液分离孔51和出气管2对补气增焓压缩机101进行补气。而分离出的液态制冷剂从第二回油回液孔41流出后，经过第二电子膨胀阀106二级节流再流进室内侧换热器107进行蒸发吸热。所以双向螺旋闪蒸器105最后的气液分离的效果是离心力分离加上重力分离的双重效果，能够改善和保证闪蒸器中气液制冷剂的分离程度，进而保证补气增焓压缩机101的工作安全性。

当热泵空调系统运行在制热模式时，气液两相混合制冷剂从第二制冷剂进出口管4进入，高速的混合制冷剂沿着螺旋铜管向上流动，在离心力的作用下，气态制冷剂从第二出气孔42流出，液态制冷剂从第二出液孔43流出。管内剩余混合制冷剂从第二制冷剂进出口管4末端喷出，在重力的作用下进行气液分离。分离和闪蒸出的气态制冷剂从出气管2流出对补气增焓压缩机101进行补气，而液相制冷剂从第一回油回液孔31流出，经由第一电子膨胀阀104二次节流然后流入到室外侧换热器103进行蒸发吸热。

本发明通过将双向螺旋闪蒸器105应用到补气增焓热泵空调系统，简化了制冷、制热模式都需要使用补气增焓热泵空调系统结构。同时通过在补气管路后引出两条支路，一条对补气增焓压缩机101进行补气，另一条旁通气态制冷剂至气液分离器108，使得热泵空调系统在不需要补气的工况时，双向螺旋闪蒸器105作为气液分离器使用，将分离出的气态制冷剂进行旁通，分离出的液态制冷剂通入蒸发器蒸发吸热。由于蒸发器入口气相制冷剂的占比减少、液相制冷剂的占比增大，换热器中的制冷剂分配均匀性得以改善，同时也降低了被气态制冷剂占据的无效换热面积，使得换热器的换热性能得到很大的提升，进而改善制冷时的空调性能。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。