本发明属于制冷领域，具体涉及一种基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统及其控制方法。
背景技术：
进入二十一世纪以来，节能环保已成为制冷与空调行业的发展主题。其中，采暖热泵系统主要采用hcfc22、hfc410a等作为系统的工质。但是，该类制冷工质排放到大气中会产生臭氧层破坏问题，因此，hcfc类制冷剂已进入淘汰阶段。基于环保性、安全性、经济性及能效转换能力等多目标约束下，可替代制冷剂的种类越来越少。天然制冷剂丙烷(r290)具有零臭氧消耗潜值(odp)、极低的全球变暖潜值(gwp)、对环境友好、成本较低等优点，是未来制冷剂的选择之一。但是，丙烷的物理、化学性质具有天然的局限性。
相对于氟利昂制冷剂而言，丙烷(r290)制冷剂具有绝热指数小、排气温度和排气过热度低等特点。亚热带地区冬季气温平均在0℃以上，制热循环中压缩机运行压比小，丙烷(r290)制冷剂排气温度和排气过热度低的特点更加明显。丙烷(r290)较低的排气过热度影响了丙烷(r290)在高背压压缩机油池中的溶解度，以及r290/润滑油混合物的粘度，进一步影响压缩机的可靠性和热泵系统中制冷剂的充注量。
以房间空调器和热泵为代表的循环系统多采用高背压旋转压缩机，其具有结构简单、效率高、可靠性好等优点。不同于低背压旋转压缩机，高背压旋转压缩机的油池处在高温高压的壳体内部。制冷剂在油池中大量溶解，导致其工作时的混合物粘度与纯油粘度相差很大。为了保证旋转压缩机内部各摩擦副的支撑作用，油池混合物的工作粘度必须达到最小需求的粘度。在此之上，更高的粘度则会导致油膜剪切应力增加，产生更高的粘性阻力损失，降低压缩机效率。
作为现有技术公知，r290空调器及热泵系统所用的润滑油主要包括与r290制冷剂完全互溶的矿物油(mo)、多元醇酯类合成油(poe)及与r290部分互溶的聚乙二醇类合成油(pag)。相比较部分互溶性润滑油，完全互溶的润滑油系统回油特性更好，对换热器的换热性能影响更小，但r290在油池的高溶解度会使油池中混合物的粘度大幅度下降。同时，采用完全互溶的润滑油，不利于降低r290制冷剂的充注量。尽管r290制冷剂在部分互溶性润滑油溶解度小，但由于r290压缩机排气温度低的缘故，仍然超过最大限度的溶解度要求。
现有技术中，提高排气温度的方法是通过回热循环提高吸气过热度，从而提高排气过热度。对于热泵系统，环境温度低，吸气温度最高也只能达到环境温度，因此吸气过热度不能提高到最小需求的温度来保证油池中制冷剂的溶解度以及混合物的粘度，还会影响蒸发器的效率，因此回热循环并不适用于低压比热泵系统。
此外，目前热泵系统中，补气增焓技术一般用于降低排气温度或增加热泵系统制热量。降低排气温度时，补入气缸的为两相制冷剂；增加制热量时，一般补入气缸的是饱和气态制冷剂或小过热度气态制冷剂。补气增焓循环主要分为闪发器循环(ftc)和经济器循环(ihxc)，闪发器循环补入气缸的一般是饱和气体，经济器循环补入气缸的为小过热度气态制冷剂。
技术实现要素：
本发明的目的是解决现有低压比工况下的热泵系统存在排气温度较低，从而影响压缩机可靠性和制冷剂充注量的问题，提出一种基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统及其控制方法，该系统利用冷凝换热器出口高温与补气饱和温度的温差带来的剩余热量提高补气过热度，从而控制排气过热度，进而保证r290/润滑油混合物的粘度，提高系统的可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低压比工况热泵系统的控制方法，所述热泵系统为补气增焓热泵系统，其包括压缩机、冷凝换热器、第一节流元件、第二节流元件、蒸发换热器和经济器；所述热泵系统内充注有制冷剂和润滑油；所述压缩机的出口与冷凝换热器的进口相连，所述冷凝换热器的出口管路分为两路，一路通过第一节流元件与经济器的冷端入口相连，另一路与经济器的热端入口相连；所述经济器的冷端出口与压缩机的补气口相连，进行补气；所述经济器的热端出口依次通过第二节流元件、蒸发换热器与压缩机的入口相连；按照以下对应关系，对补气增焓热泵系统的中间补气过热度进行控制以实现排气温度的提高：当润滑油为矿物油mo且粘度等级isovg为80-90时，补气过热度>19k；当润滑油为矿物油mo且粘度等级isovg为90-100时，补气过热度>17k；当润滑油为矿物油mo且粘度等级isovg为100-120时，补气过热度>16k；当润滑油为聚酯类合成油poe且粘度等级isovg为50-60时，补气过热度>23k；当润滑油为聚酯类合成油poe且粘度等级isovg为60-70时，补气过热度>21k；当润滑油为聚酯类合成油poe且粘度等级isovg为70-80时，补气过热度>19k；当润滑油为聚乙二醇类合成油pag且粘度等级isovg为35-43时，补气过热度>17k；当润滑油为聚乙二醇类合成油pag且粘度等级isovg为43-52时，补气过热度>16k；当润滑油为聚乙二醇类合成油pag且粘度等级isovg为50-60时，补气过热度>14k。
进一步地，所述补气过热度的控制通过改变经济器的换热面积实现，此时，增大经济器的换热面积，补气过热度相应增大。
同时，本发明还提供一种基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统，包括压缩机、冷凝换热器、第一节流元件、第二节流元件、蒸发换热器和经济器；所述热泵系统内充注有制冷剂和润滑油；所述压缩机的出口与冷凝换热器的进口相连，所述冷凝换热器的出口管路分为两路，一路通过第一节流元件与经济器的冷端入口相连，另一路与经济器的热端入口相连；所述经济器的冷端出口与压缩机的补气口相连，进行补气；所述经济器的热端出口依次通过第二节流元件、蒸发换热器与压缩机的入口相连；所述经济器换热面积为原经济器换热面积的1.2-2倍。
进一步地，所述经济器换热面积为原经济器换热面积的1.2-1.5倍。
进一步地，所述压缩机为高背压压缩机；所述制冷剂采用碳氢类制冷剂；所述润滑油的基油为矿物油mo、聚酯类合成油poe或聚乙二醇类合成油pag。
进一步地，所述高背压压缩机为高背压旋转压缩机；所述碳氢类制冷剂为丙烷制冷剂；所述润滑油的基油采用粘度等级为isovg80-isovg120的矿物油mo，或者采用粘度等级为isovg50-isovg80的聚酯类合成油poe，或者采用粘度等级为isovg35-isovg60的聚乙二醇类合成油pag。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1.本发明系统采用高补气过热度的经济器循环，通过控制补气过热度，提高排气温度，从而提高油池温度，降低了油池中制冷剂的溶解度，进而降低了制冷剂充注量，弥补了因制冷剂溶解过多而造成的循环量不足的问题；同时还保证油池中混合物的粘度，从而保证压缩机的可靠性。
2.本发明系统和方法通过补气增焓技术，将冷凝器出口的热量转移到经济器出口，此时冷凝器出口的温度降低(过冷度增大)，经济器出口过热度增大(补气过热度)，从而提高了空调系统的过冷度，提高了热泵系统的制热量和能效比。
3.本发明系统采用高补气过热度的经济器循环，增加冷凝换热器出口的过冷段，从而提高系统过冷度，增大经济器出口过热度，进而可以充分溶解第一节流元件入口前的润滑油，防止因润滑油团产生的节流元件堵塞。
附图说明
图1为现有单级压缩经济器循环系统示意图；
图2为传统经济器循环与单级循环的对比压焓示意图；
图3为回热循环与单级循环的对比压焓示意图；
图4为本发明高补气过热度经济器循环与单级循环的对比压焓示意图；
图5为本发明三种不同润滑油与溶解度变化示意图；
图6为本发明三种不同润滑油与制冷剂的粘度变化示意图。
附图标记：10-压缩机，20-冷凝换热器，30-第一节流元件，40-经济器，50-第二节流元件，60-蒸发换热器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供了一种基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统及其控制方法，将补气增焓循环用于提高排气温度，从而保证了低压比工况下，丙烷热泵系统的高性能、高能效、高可靠性。
如图1所示，本发明基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统包括压缩机10、冷凝换热器20、第一节流元件30、第二节流元件50、蒸发换热器60、经济器40；热泵系统内充注有制冷剂和润滑油；压缩机10的出口与冷凝换热器20的进口相连，冷凝换热器20的出口管路分为两路，一路通过第一节流元件30与经济器40的冷端入口相连，另一路与经济器40的热端入口相连；经济器40的冷端出口与压缩机10的补气口相连，进行补气；经济器40的热端出口依次通过第二节流元件50、蒸发换热器60与压缩机10的入口相连。本发明经济器40连接两段管路进行换热，一段为第一节流元件30到压缩机10补气口之间的管路，另一段为冷凝换热器20到第二节流元件50之间的管路。上述经济器换热面积为原经济器换热面积的1.2-2倍，优选的，经济器40换热面积为原经济器换热面积的1.2-1.5倍。
本发明热泵系统为经济器循环系统，优选为单级压缩经济器循环系统；压缩机为高背压压缩机，其优选为高背压旋转压缩机。空调系统采用碳氢类制冷剂，其优选为r290(丙烷)制冷剂。空调系统充注有润滑油，其与制冷剂在压缩机底部油池组成冷冻机油混合物，润滑油的基油为矿物油mo，聚酯类合成油poe、聚乙二醇类合成油pag。润滑油的基油选择为矿物油mo，优选为粘度等级为isovg80-isovg120(即润滑油的运动粘度在40℃时为80-120cst)。润滑油的基油选择为聚酯类合成油poe，优选粘度等级为isovg50-isovg80(即润滑油的运动粘度在40℃时为50-80cst)。润滑油的基油选择为聚乙二醇类合成油pag，优选粘度等级为isovg35-isovg60(即润滑油的运动粘度在40℃时为35-60cst)。
空调系统根据充注的润滑油的种类和粘度等级，控制其补气过热度，对应关系如下表：
表中，a为传统经济器循环中经济器换热面积，经济器出口补入气缸的制冷剂一般为饱和气态制冷剂或小过热度气态制冷剂。
如图2所示，为传统经济器循环与单级循环的对比压焓示意图，传统经济器循环补入的气体为饱和制冷剂气体或小过热度制冷剂气体，其不但不会提高排气温度，反而会降低排气温度，严重影响了热泵系统的可靠性。如图3所示，为回热循环与单级循环对比压焓示意图。回热循环尽管可以通过提高吸气过热度的方式提高排气温度，但由于吸气温度不能高于环境温度的限制，并不能达到循环所需排气温度的范围，并且回热循环所带来的制热量和能效比的提高并不如经济器循环。
图4所示为本发明高过热度补气经济器循环与单机循环的对比压焓示意图。高补气过热度经济器循环通过增大经济器换热面积，增大补气过热度，从而达到提高排气温度的目的，并且通过利用冷凝换热器出口的热量，不仅增加冷凝换热器的过冷段，使第一节流元件前的润滑油能够充分溶入到制冷剂中，保证了系统的回油，并且提高了系统的制热量和能效比。
图5和图6所示为三种不同润滑油与制冷剂的溶解度与粘度变化图。
图5为制冷剂在润滑油中的溶解度随油池过热度变化图，油池过热度为油池温度与油池所在压力下制冷剂的饱和温度之差。从图中可以看出制冷剂在三种润滑油的溶解度都随着油池过热度的提高而减小，且在相同油池过热度下，制冷剂在矿物油和聚酯类合成油的溶解度相差不大，都大于制冷剂在聚乙二醇类合成油中的溶解度。对于本发明热泵系统，由于提高补气过热度，可以提高压缩机的排气温度，使得压缩机油池温度提高，油池过热度可以制冷剂溶解度维持在一个极低(<15％)的范围内。因此，能够弥补因制冷剂溶解过多而造成的循环量不足问题，降低了系统的制冷剂充注量，并保证了系统的可靠性。
图6为冷冻机油混合物粘度随油池过热度变化图，从图中可以看出，三种润滑油与制冷剂的冷冻机油混合物粘度随着油池过热度的提高，最终能够达到一段比较平稳的区域，随后下降。而本发明空调系统所提供的补气过热度能够充分保证冷冻机油粘度达到合适的范围(2-5cst)，从而保证了压缩机的润滑和密封。
1.一种低压比工况热泵系统的控制方法，所述热泵系统为补气增焓热泵系统，其包括压缩机(10)、冷凝换热器(20)、第一节流元件(30)、第二节流元件(50)、蒸发换热器(60)和经济器(40)；所述热泵系统内充注有制冷剂和润滑油；所述压缩机(10)的出口与冷凝换热器(20)的进口相连，所述冷凝换热器(20)的出口管路分为两路，一路通过第一节流元件(30)与经济器(40)的冷端入口相连，另一路与经济器(40)的热端入口相连；所述经济器(40)的冷端出口与压缩机(10)的补气口相连，进行补气；所述经济器(40)的热端出口依次通过第二节流元件(50)、蒸发换热器(60)与压缩机(10)的入口相连；其特征在于：按照以下对应关系，对补气增焓热泵系统的中间补气过热度进行控制以实现排气温度的提高：
当润滑油为矿物油mo且粘度等级isovg为80-90时，补气过热度>19k；
当润滑油为矿物油mo且粘度等级isovg为90-100时，补气过热度>17k；
当润滑油为矿物油mo且粘度等级isovg为100-120时，补气过热度>16k；
当润滑油为聚酯类合成油poe且粘度等级isovg为50-60时，补气过热度>23k；
当润滑油为聚酯类合成油poe且粘度等级isovg为60-70时，补气过热度>21k；
当润滑油为聚酯类合成油poe且粘度等级isovg为70-80时，补气过热度>19k；
当润滑油为聚乙二醇类合成油pag且粘度等级isovg为35-43时，补气过热度>17k；
当润滑油为聚乙二醇类合成油pag且粘度等级isovg为43-52时，补气过热度>16k；
当润滑油为聚乙二醇类合成油pag且粘度等级isovg为50-60时，补气过热度>14k。
2.根据权利要求1所述低压比工况热泵系统的控制方法，其特征在于：所述补气过热度的控制通过改变经济器的换热面积实现，此时，增大经济器的换热面积，补气过热度相应增大。
3.根据权利要求2所述低压比工况热泵系统的控制方法，其特征在于：所述经济器的换热面积增大1.2-2倍。
4.根据权利要求3所述低压比工况热泵系统的控制方法，其特征在于：所述经济器的换热面积增大1.2-1.5倍。
5.一种基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统，包括压缩机(10)、冷凝换热器(20)、第一节流元件(30)、第二节流元件(50)、蒸发换热器(60)和经济器(40)；所述热泵系统内充注有制冷剂和润滑油；所述压缩机(10)的出口与冷凝换热器(20)的进口相连，所述冷凝换热器(20)的出口管路分为两路，一路通过第一节流元件(30)与经济器(40)的冷端入口相连，另一路与经济器(40)的热端入口相连；所述经济器(40)的冷端出口与压缩机(10)的补气口相连，进行补气；所述经济器(40)的热端出口依次通过第二节流元件(50)、蒸发换热器(60)与压缩机(10)的入口相连；其特征在于：所述经济器(40)换热面积为原经济器换热面积的1.2-2倍。
6.根据权利要求5所述基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统，其特征在于：所述经济器(40)换热面积为原经济器换热面积的1.2-1.5倍。
7.根据权利要求5或6所述基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统，其特征在于：所述压缩机(10)为高背压压缩机；所述制冷剂采用碳氢类制冷剂；所述润滑油的基油为矿物油mo、聚酯类合成油poe或聚乙二醇类合成油pag。
8.根据权利要求7所述基于补气增焓循环的低压比工况热泵系统，其特征在于：所述高背压压缩机为高背压旋转压缩机；所述碳氢类制冷剂为丙烷制冷剂；所述润滑油的基油采用粘度等级为isovg80-isovg120的矿物油mo，或者采用粘度等级为isovg50-isovg80的聚酯类合成油poe，或者采用粘度等级为isovg35-isovg60的聚乙二醇类合成油pag。
技术总结