[发明专利]一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统及运行方法

权利要求书

1.一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，包括压缩机(1)、四通阀(2)、室外换热器(3)、流向切换装置(4)、储液回热器(5)、系统膨胀阀(6)和室内换热器(7)，所述流向切换装置(4)包括第一单向阀(41)、第二单向阀(42)、第三单向阀(43)和第四单向阀(44)，所述储液回热器(5)内设置回热盘管(9)；压缩机排气口(1b)与四通阀排气接口(2a)连接；四通阀室外换热器接口(2b)经室外换热器(3)与第一单向阀(41)的入口和第二单向阀(42)的出口连接；第一单向阀(41)的出口与第四单向阀(44)的出口连接；第二单向阀(42)的入口与第三单向阀(43)的入口连接；四通阀室内换热器接口(2c)依次经室内换热器(7)与第三单向阀(43)的出口和第四单向阀(44)的入口连接；储液回热器出液口(5b)经系统膨胀阀(6)与第三单向阀(43)入口连接；回热盘管出口(5d)与压缩机吸气口(1a)相连；其特征在于：设置组分调控装置(8)，所述组分调控装置(8)包括：节流阀(81)、排气温度控制阀(82)、补气控制阀(83)、组分分离罐(84)、系统浓度控制阀(85)和精馏冷却器(87)，所述组分分离罐(84)内设置加热盘管(86)；组分分离罐中部入口(84a)经节流阀(81)与第一单向阀(41)出口连接；组分分离罐气体出口(84b)经补气控制阀(83)与压缩机补气口(1c)连接；第一单向阀(41)出口依次经组分分离罐加热盘管入口(84c)、加热盘管(86)和加热盘管出口(84d)与储液回热器入口(5a)相连；组分分离罐液体出口(84e)经系统浓度控制阀(85)与第三单向阀(43)入口连接；组分分离罐精馏气体出口(84f)经精馏冷却器(87)与组分分离罐精馏液体返回口(84g)连接；设置排气温度控制支路，该支路的一端与第一单向阀(41)出口相连，另一端与补气控制阀(83)的入口相连，所述的排气温度控制阀(82)设置在该支路上；设置三通阀(10)，三通阀第一接口(10a)与四通阀吸气接口(2d)连接，三通阀第二接口(10b)与回热盘管入口(5c)连接，三通阀第三出口(10c)经精馏冷却器(87)与三通阀第二接口(10b)到回热盘管入口(5c)之间的管路连接。

2.根据权利要求1所述的精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，其特征在于：压缩机为两级压缩机或准二级压缩机结构。

3.根据权利要求1所述的精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统，其特征在于：组分分离罐(84)内设置填料。

4.一种采用如权利要求1所述的精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统的运行方法，其特征在于：该运行方法包括如下几种运行模式：

a.制冷工况下提高高压组分浓度：四通阀(2)断电，节流阀(81)和补气控制阀(83)开启，排气温度控制阀(82)和系统浓度控制阀(85)关闭，三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)接通；此时，压缩机排气依次流经排气口(1b)、四通阀排气接口(2a)和四通阀室外换热器接口(2b)进入室外换热器(3)，高温高压气态非共沸工质在室外换热器(3)中冷凝为高温高压液态非共沸工质后流入第一单向阀(41)入口；在第一单向阀(41)出口，非共沸工质分为两路：第一路非共沸工质经节流阀(81)节流后成为中压两相非共沸工质，经组分分离罐中部入口(84a)进入组分分离罐(84)；此时，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经组分分离罐气体出口(84b)和补气控制阀(83)进入压缩机补气口(1c)参与循环；第二路非共沸工质经加热盘管入口(84c)流入加热盘管(86)，在加热盘管(86)中，第二路非共沸工质与第一路非共沸工质换热将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制冷量和能效水平，同时通过对组分分离罐(84)内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；与此同时，组分分离罐上部的部分气态非共沸工质经精馏气体出口(84f)流出后被来自三通阀第三接口(10c)的低温压缩机吸气在精馏冷却器(87)中冷却为液体，随后经精馏液体返回口(84g)返回组分分离罐(84)中进行喷淋，提高组分分离效率；从加热盘管出口(84d)流出的过冷非共沸工质进入储液回热器(5)，与回热盘管(9)中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀(6)节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀(43)进入室内换热器(7)中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室内换热器接口(2c)、四通阀吸气接口(2d)、三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)，在精馏冷却器(87)中冷却精馏气体后，经回热盘管入口(5c)进入回热盘管(9)中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口(5d)进入压缩机吸气口(1a)进入下一循环；

b.制冷工况下提高低压组分浓度：四通阀(2)断电，系统浓度控制阀(85)开启，节流阀(81)、排气温度控制阀(82)和补气控制阀(83)关闭，三通阀第一接口(10a)和三通阀第二接口(10b)接通；此时，压缩机排气依次流经排气口(1b)、四通阀排气接口(2a)和四通阀室外换热器接口(2b)进入室外换热器(3)，高温高压气态非共沸工质在室外换热器(3)中冷凝为高温高压液态非共沸工质后，依次经第一单向阀(41)、加热盘管(86)进入储液回热器(5)，与回热盘管(9)中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀(6)节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第三单向阀(43)进入室内换热器(7)中蒸发并吸取室内热量，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室内换热器接口(2c)、四通阀吸气接口(2d)、三通阀第一接口(10a)、三通阀第二接口(10b)和储液回热器回热盘管入口(5c)进入回热盘管(9)中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口(5d)进入压缩机吸气口(1a)进入下一循环；同时，组分分离罐(84)在加热盘管(86)的加热下，保持中间压力；在压差推动下，高低压组分浓度非共沸工质经系统浓度控制阀(85)流入系统参与循环；

c.制热工况下提高高压组分浓度：四通阀(2)通电，节流阀(81)和补气控制阀(83)开启，排气温度控制阀(82)和系统浓度控制阀(85)关闭，三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)接通；此时，压缩机排气依次流经排气口(1b)、四通阀排气接口(2a)和四通阀室内换热器接口(2c)进入室内换热器(7)，高温高压气态非共沸工质在室内换热器(7)中冷凝为高温高压液态非共沸工质，并向室内供热后流入第四单向阀(44)入口；在第四单向阀(44)出口，非共沸工质分为两路：第一路非共沸工质经节流阀(81)节流后，成为中压两相非共沸工质，经组分分离罐中部入口(84a)进入组分分离罐(84)；此时，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经组分分离罐气体出口(84b)和补气控制阀(83)进入压缩机补气口(1c)参与循环；第二路非共沸工质经加热盘管入口(84c)流入加热盘管(86)，在加热盘管(86)中，第二路非共沸工质与第一路非共沸工质换热将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制热量和能效水平，同时通过对组分分离罐(84)内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；与此同时，组分分离罐的部分气态非共沸工质经精馏气体出口(84f)流出后被来自三通阀第三接口(10c)的低温压缩机吸气在精馏冷却器(87)中冷却为液体，随后经精馏液体返回口(84g)返回组分分离罐(84)中进行喷淋，提高组分分离效率；从加热盘管出口(84d)流出的过冷非共沸工质进入储液回热器(5)，与回热盘管(9)中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀(6)节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第二单向阀(42)进入室外换热器(3)中蒸发吸热，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室外换热器接口(2b)、四通阀吸气接口(2d)、三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)，在精馏冷却器(87)中冷却精馏气体后，经回热盘管入口(5c)进入回热盘管(9)中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口(5d)进入压缩机吸气口(1a)进入下一循环；

d.制热工况下提高低压组分浓度：四通阀(2)通电，系统浓度控制阀(85)开启，节流阀(81)、排气温度控制阀(82)和补气控制阀(83)关闭，三通阀第一接口(10a)和第二接口(10b)接通；此时，压缩机排气依次流经排气口(1b)、四通阀排气接口(2a)和四通阀室内换热器接口(2c)进入室内换热器(7)，高温高压气态非共沸工质在室内换热器(7)中冷凝为高温高压液态非共沸工质过程中同时向室内供热，之后依次经第四单向阀(44)、加热盘管(86)后进入储液回热器(5)，与回热盘管(9)中的低温吸气换热后被过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀(6)节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第二单向阀(42)进入室外换热器(3)中蒸发吸热，气化为低温低压气态非共沸工质后依次经四通阀室外换热器接口(2b)、四通阀吸气接口(2d)、三通阀第一接口(10a)、三通阀第二接口(10b)和回热盘管入口(5c)进入回热盘管(9)中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口(5d)进入压缩机吸气口(1a)进入下一循环；同时，组分分离罐(84)在加热盘管(86)的加热下，保持中间压力；在压差推动下，高低压组分浓度非共沸工质经系统浓度控制阀(85)流入系统参与循环；

e.低温制热工况下组分浓度调节：四通阀(2)通电，节流阀(81)、排气温度控制阀(82)、补气控制阀(83)和系统浓度控制阀(85)开启；三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)接通；此时，压缩机排气依次流经排气口(1b)、四通阀排气接口(2a)和四通阀室内换热器接口(2c)进入室内换热器(7)，高温高压气态非共沸工质在室内换热器(7)中冷凝为高温高压液态非共沸工质，并向室内供热后流入第四单向阀(44)入口；在第四单向阀(44)出口，非共沸工质分为三路：第一路非共沸工质经节流阀(81)节流后成为中压两相非共沸工质，经组分分离罐中部入口(84a)进入组分分离罐(84)；此时，液相富含低压组分而气相富含高压组分，液相组分储存于罐底，气相组分经组分分离罐气体出口(84b)流出；第二路中的液态非共沸工质经排气温度控制阀(82)直接节流降压成为两相非共沸工质后与来自组分分离罐气体出口(84b)的气态非共沸工质混合后经补气控制阀(83)后直接进入压缩机补气口(1c)参与循环；第三路非共沸工质经加热盘管入口(84c)流入加热盘管(86)，在加热盘管(86)中，第三路非共沸工质与第一路非共沸工质换热将第一路非共沸工质携带的冷量带走，提高系统的制热量和能效水平，同时通过对组分分离罐(84)内的液态非共沸工质进行加热提高其组分分离纯度；与此同时，组分分离罐上部的部分气态非共沸工质经精馏气体出口(84f)流出后被来自三通阀第三接口(10c)的低温压缩机吸气在精馏冷却器(87)中冷却为液体，随后经精馏液体返回口(84g)返回组分分离罐(84)中进行喷淋，提高组分分离效率；从加热盘管出口(84d)流出的过冷非共沸工质进入储液回热器(5)，与回热盘管(9)中的低温吸气换热后被进一步过冷，由底部流出；流出的过冷非共沸工质经系统膨胀阀(6)节流后，成为低温低压两相非共沸工质，经第二单向阀(42)进入室外换热器(3)中蒸发吸热，气化为低温低压气态非共沸工质后，依次经四通阀室外换热器接口(2b)、四通阀吸气接口(2d)、三通阀第一接口(10a)和三通阀第三接口(10c)，在精馏冷却器(87)中冷却精馏气体后，经回热盘管入口(5c)进入回热盘管(9)中回热，过热度进一步增加后经回热盘管出口(5d)进入压缩机吸气口(1a)进入下一循环；同时，组分分离罐(84)底部的高低压组分浓度非共沸工质经系统浓度控制阀(85)流入系统，实现对系统循环非共沸工质浓度的控制。