一種適用于低溫環(huán)境的空氣源熱泵高溫?zé)崴到y(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于低溫環(huán)境的空氣源熱泵高溫?zé)崴到y(tǒng)。本發(fā)明主要包括串聯(lián)成一個(gè)冷媒閉合回路的自復(fù)疊用壓縮機(jī)、冷凝精餾塔、高沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥、冷凝蒸發(fā)器、低沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器；與冷凝精餾塔串聯(lián)成一個(gè)閉合回路的高溫級(jí)壓縮機(jī)、高溫級(jí)冷凝器、高溫級(jí)節(jié)流閥、高溫級(jí)蒸發(fā)換熱器；與冷凝精餾塔中管式換熱器串聯(lián)成一個(gè)閉合回路的溶液泵、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器；還包括儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱通過循環(huán)水泵、電磁閥、與冷凝蒸餾器中螺旋管式換熱器和高溫級(jí)冷凝器組成兩個(gè)并聯(lián)的水循環(huán)閉合回路。本發(fā)明提供了一種適用性強(qiáng)、能解決在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)結(jié)霜、供熱效果及穩(wěn)定性差等問題的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。
【專利說明】
一種適用于低溫環(huán)境的空氣源熱泵高溫?zé)崴到y(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于空氣源熱栗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于低溫環(huán)境工況下可實(shí)現(xiàn)熱栗系統(tǒng)在自復(fù)疊運(yùn)行模式、自復(fù)疊/高溫級(jí)熱栗耦合系統(tǒng)模式之間切換，從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地制取高溫?zé)崴?、滿足用戶熱需求、可全年使用的適用于低溫環(huán)境的空氣源熱栗高溫?zé)崴到y(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，市場上使用的熱水器主要有電熱水系統(tǒng)、燃?xì)鉄崴到y(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)等。電熱水系統(tǒng)體積龐大，占用室內(nèi)空間大，易結(jié)水垢，對電能浪費(fèi)大。最新型的電熱水系統(tǒng)內(nèi)置了陽極鎂棒除垢裝置，解決了該產(chǎn)品容易結(jié)垢的問題。但陽極鎂棒需兩年更換一次，給保養(yǎng)帶來了麻煩。燃?xì)鉄崴到y(tǒng)在使用過程中會(huì)因燃燒不充分而排出有毒氣體，容易造成安全事故，且起動(dòng)水壓高，有些住高層的用戶，如不裝增壓栗就無法起動(dòng)。燃?xì)鉄崴到y(tǒng)安裝不方便，要在墻上打洞，安裝排氣扇等，且不同的燃?xì)?，其燃燒器形狀、噴嘴大小、燃?xì)馔ǖ澜孛娣e都不一樣。太陽能熱水系統(tǒng)安裝復(fù)雜，如安裝不當(dāng)，會(huì)影響住房的外觀、質(zhì)量及城市的市容市貌;維護(hù)較麻煩，因太陽能熱水系統(tǒng)安裝在室外，多數(shù)在樓頂、房頂，因此相對于電熱水系統(tǒng)和燃?xì)鉄崴到y(tǒng)比較難維護(hù)。太陽能熱水系統(tǒng)主要以太陽能為熱源，在連續(xù)陰雨天氣不能產(chǎn)出高溫?zé)崴?，這也是太陽能熱水系統(tǒng)的一大弊端。
[0003]空氣源熱栗熱水系統(tǒng)，是一項(xiàng)逐漸成熟的新技術(shù)，它通過消耗少量電能來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，通過蒸發(fā)器從空氣中吸取熱量，將熱量轉(zhuǎn)移到冷凝器來加熱熱水，從而實(shí)現(xiàn)供應(yīng)熱水的目的。目前，市場上的熱水器多為高耗能的電熱水器或燃?xì)鉄崴?，而?jié)能環(huán)保、使用簡便的空氣源熱栗熱水器使用受限的主要原因有:
[0004](I)現(xiàn)有空氣源熱栗熱水器的產(chǎn)水溫度和能效比較低；空氣源熱栗熱水器產(chǎn)水溫度在55°C左右，而電熱水器的產(chǎn)水溫度達(dá)75°C，故熱栗熱水器的儲(chǔ)水箱比其他形式熱水器的體積大的多；
[0005](2)現(xiàn)有空氣源熱栗熱水器在冬季環(huán)境溫度偏低時(shí)，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度降低，在冷凝溫度不變的情況下，壓縮比增大，超出普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)正常運(yùn)行的臨界值，壓縮機(jī)容積效率降低，輸氣量減小，且壓縮比的增大引起壓縮機(jī)排氣溫度過高，超過壓縮機(jī)正常的工作范圍，致使壓縮機(jī)頻繁啟停，系統(tǒng)無法正常工作，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致壓縮機(jī)燒毀;此外，蒸發(fā)器表面容易結(jié)霜，換熱器傳熱效果惡化，且增加了空氣流動(dòng)阻力，使得機(jī)組制熱量減少，性能下降；低溫工況下，大量的潤滑油積存在氣液分離器內(nèi)而造成壓縮機(jī)的缺油，同時(shí)由于粘度增加，引起啟動(dòng)失油，降低潤滑效果;這也限制了空氣源熱栗熱水器的廣泛應(yīng)用；
[0006](3)壓縮機(jī)的排氣溫度高，運(yùn)行電流高，系統(tǒng)壓力高也使得壓縮機(jī)處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，縮短了空氣源熱栗熱水系統(tǒng)的使用壽命，這些都制約了空氣源熱栗熱水系統(tǒng)的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有空氣源熱栗熱水系統(tǒng)在低溫環(huán)境下使用的不足，提供一種適用性強(qiáng)、能解決空氣源熱栗在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)面臨的結(jié)霜問題、能夠保證低溫環(huán)境下的供熱效果，有效提高機(jī)組使用壽命且穩(wěn)定性強(qiáng)、可全年使用的適用于低溫環(huán)境的空氣源熱栗高溫?zé)崴到y(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:該適用于低溫環(huán)境的空氣源熱栗高溫?zé)崴到y(tǒng)，它包括相互連接的空氣源熱栗系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)。
[0009]具體的，所述空氣源熱栗系統(tǒng)包括依次串聯(lián)成一個(gè)冷媒閉合回路的自復(fù)疊用壓縮機(jī)、釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔、高沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥、冷凝蒸發(fā)器、低沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器;還包括與釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔依次串聯(lián)成一個(gè)閉合回路的高溫級(jí)壓縮機(jī)、高溫級(jí)冷凝器、高溫級(jí)節(jié)流閥、高溫級(jí)蒸發(fā)換熱器;所述鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)包括與釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔中的管式換熱器依次串聯(lián)成一個(gè)閉合回路的溶液栗、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器;所述水循環(huán)系統(tǒng)包括儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱上設(shè)有冷水進(jìn)水端和熱水出水用戶端，儲(chǔ)水箱還通過循環(huán)水栗、電磁閥、與釜底帶管式換熱器的冷凝蒸餾器中的螺旋管式換熱器和高溫級(jí)冷凝器組成兩個(gè)并聯(lián)的水循環(huán)閉合回路。
[0010]具體的，所述低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器為套管與翅片復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器，套管外管內(nèi)的工質(zhì)為鹽溶液，套管內(nèi)管內(nèi)的工質(zhì)為低沸點(diǎn)制冷劑。
[0011]具體的，所述釜底帶管式換熱器的冷凝蒸餾塔，其釜底管式換熱器管內(nèi)的鹽溶液與所述低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器的外管相連，再與所述鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)中的溶液栗連接組成一個(gè)閉合回路;當(dāng)需要除霜時(shí)，溶液栗開啟，當(dāng)不需要除霜時(shí)，溶液栗關(guān)閉。
[0012]本發(fā)明通過電磁閥的通斷變化實(shí)現(xiàn)自復(fù)疊制熱水、自復(fù)疊/高溫級(jí)熱栗相耦合制熱水模式之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)室外環(huán)境溫度不是很低時(shí)，系統(tǒng)按自復(fù)疊制熱水模式運(yùn)行；當(dāng)室外溫度很低時(shí)，系統(tǒng)按自復(fù)疊和高溫級(jí)熱栗相耦合的制熱水模式運(yùn)行，此時(shí)，溶液栗打開，鹽溶液從釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔的釜底吸取熱量，進(jìn)入低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器套管的外管，因鹽溶液溫度高于環(huán)境溫度，一方面加熱了低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器套管的外管，使得管壁不結(jié)霜;另一方面可通過套管的內(nèi)壁將熱量傳遞給低溫級(jí)制冷劑，提高了蒸發(fā)溫度;鹽溶液從釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔的釜底吸取高沸點(diǎn)液態(tài)制冷劑熱量實(shí)現(xiàn)了高沸點(diǎn)液態(tài)制冷劑的過冷，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)性能。
[0013]本發(fā)明不但能在正常工況下制取高溫?zé)崴?，還能滿足在低溫環(huán)境下用戶對熱水的要求。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，高效節(jié)能，工作溫度范圍寬，能夠解決空氣源熱栗熱水系統(tǒng)在環(huán)境溫度偏低時(shí)存在的蒸發(fā)器結(jié)霜、運(yùn)行效果差甚至不能運(yùn)行的問題，可滿足用戶的熱需求。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0015](I)采用空氣源熱栗系統(tǒng)，以少量的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，相比電熱水系統(tǒng)、燃?xì)鉄崴到y(tǒng)更節(jié)能、安全、環(huán)保。
[0016](2)采用自復(fù)疊和高溫級(jí)熱栗相耦合的熱栗系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有空氣源熱栗熱水系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱溫度不高的問題，同時(shí)解決了空氣源熱栗熱水器在低溫環(huán)境下使用的局限性問題，制熱溫度范圍增加，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，拓展了空氣源熱栗熱水系統(tǒng)的使用范圍。
[0017](3)采用自復(fù)疊熱栗系統(tǒng)、自復(fù)疊/高溫級(jí)熱栗相耦合的熱栗系統(tǒng)，兩者之間相互切換，比傳統(tǒng)復(fù)疊式熱栗系統(tǒng)制熱效果更好，壓縮機(jī)的使用壽命增加，從而系統(tǒng)的使用壽命得到了提高。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的熱栗系統(tǒng)在自復(fù)疊運(yùn)行模式下的制冷劑、鹽溶液和循環(huán)水流程示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的熱栗系統(tǒng)在自復(fù)疊/高溫級(jí)熱栗耦合系統(tǒng)運(yùn)行模式下的制冷劑、鹽溶液和循環(huán)水流程示意圖。
[0021 ]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖6是圖5的A-A剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0025]參見圖1，本實(shí)施例包括空氣源熱栗系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)。從圖中可見，空氣源熱栗系統(tǒng)包括依次串聯(lián)成冷媒閉合回路的自復(fù)疊用壓縮機(jī)1、釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3、高沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥10、冷凝蒸發(fā)器4、低沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥11、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器5;還包括與釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3依次串聯(lián)成一個(gè)閉合回路的高溫級(jí)壓縮機(jī)2、高溫級(jí)冷凝器7、高溫級(jí)節(jié)流閥9、高溫級(jí)蒸發(fā)換熱器6。
[0026]鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)包括與釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3的管式換熱器12依次串聯(lián)成閉合回路的溶液栗15、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器5。
[0027]水循環(huán)系統(tǒng)包括儲(chǔ)水箱8，儲(chǔ)水箱8上設(shè)有冷水進(jìn)水端801和熱水出水用戶端802，儲(chǔ)水箱8還通過循環(huán)水栗14、循環(huán)水栗20、電磁閥13、電磁閥17、電磁閥18、電磁閥19與釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3中的螺旋管式換熱器16和高溫級(jí)冷凝器7組成兩個(gè)并聯(lián)的水循環(huán)閉合回路。
[0028]參見圖4，低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器5為套管與翅片復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器，套管外管501內(nèi)的工質(zhì)為鹽溶液，套管內(nèi)管502內(nèi)的工質(zhì)為低沸點(diǎn)制冷劑。圖4中，503表示鹽溶液入口，504表示鹽溶液出口； 505表示制冷劑入口，506表示制冷劑出口。
[0029]參見圖5、圖6，釜底帶管式換熱器的冷凝蒸餾塔3，其管式換熱器12管內(nèi)的鹽溶液與低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器5的外管501相連，再與鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)中的溶液栗15連接組成一個(gè)閉合回路；當(dāng)需要除霜時(shí)，溶液栗15開啟，當(dāng)不需要除霜時(shí)，溶液栗15關(guān)閉。圖5中，121表示鹽溶液入口，122表示鹽溶液出口； 161表示循環(huán)水入口，162表示循環(huán)水出口； 301表示氣態(tài)低沸點(diǎn)制冷劑出口，302表示液態(tài)高沸點(diǎn)制冷劑出口，303表示高溫高壓氣態(tài)非共沸制冷劑入
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[0030]本發(fā)明實(shí)施例的工作原理及過程如下:
[0031 ]在室外溫度較高的情況下，采用自復(fù)疊制熱水模式運(yùn)行，如圖2所示，高溫級(jí)壓縮機(jī)2停機(jī)，自復(fù)疊用壓縮機(jī)I開啟，電磁閥13、19的兩端接通，電磁閥17、18的兩端關(guān)閉，循環(huán)水栗14開啟。自復(fù)疊用壓縮機(jī)I的高溫高壓氣態(tài)非共沸制冷劑進(jìn)入釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3，通過螺旋管式換熱器16與循環(huán)水換熱，高沸點(diǎn)制冷劑冷凝為高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)節(jié)流閥10節(jié)流為低溫低壓氣液兩相制冷劑進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器4，低沸點(diǎn)制冷劑經(jīng)釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3的上部進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器4，充分換熱后，經(jīng)節(jié)流閥11節(jié)流為低溫低壓氣液兩相制冷劑進(jìn)入低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器5返回自復(fù)疊用壓縮機(jī)I，完成制冷劑自復(fù)疊制熱循環(huán)。
[0032]在室外溫度較低的情況下，采用自復(fù)疊和高溫級(jí)熱栗相耦合的制熱水模式運(yùn)行，如圖3所示，此時(shí)，高溫級(jí)壓縮機(jī)2與自復(fù)疊用壓縮機(jī)I同時(shí)開啟，電磁閥17、18的兩端開啟，電磁閥13、19的兩端關(guān)閉，循環(huán)水栗14、20開啟。自復(fù)疊用壓縮機(jī)I的高溫高壓氣態(tài)非共沸制冷劑進(jìn)入釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3，通過螺旋管式換熱器16與循環(huán)水換熱，高沸點(diǎn)制冷劑冷凝為高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)節(jié)流閥10節(jié)流為低溫低壓氣液兩相制冷劑進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器4，低沸點(diǎn)制冷劑經(jīng)釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3的上部進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器4，充分換熱后，經(jīng)節(jié)流閥11節(jié)流為低溫低壓氣液兩相制冷劑進(jìn)入低溫級(jí)蒸發(fā)器5返回自復(fù)疊用壓縮機(jī)I，完成自復(fù)疊制熱循環(huán);為防止在室外溫度較低時(shí)，低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器5因蒸發(fā)溫度過低而表面結(jié)霜，低溫?zé)o霜蒸發(fā)器5設(shè)計(jì)為套管式和翅片式相結(jié)合的復(fù)合換熱器，如圖4所示，低溫級(jí)防霜蒸發(fā)器5套管的外管501工質(zhì)為鹽溶液，內(nèi)管502工質(zhì)為制冷劑。當(dāng)環(huán)境溫度處于結(jié)霜工況時(shí)，溶液栗15打開，鹽溶液吸收從釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔3中通過的管式換熱器12(如圖5所示)中高沸點(diǎn)制冷劑的熱量，溫度升高，進(jìn)入低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器5套管的外管501，并將熱量傳遞到翅片上，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器表面在低溫結(jié)霜工況時(shí)的無霜化。當(dāng)環(huán)境溫度處于不結(jié)霜工況時(shí)，溶液栗15處于關(guān)閉狀態(tài)。高溫級(jí)壓縮機(jī)2出口的高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入高溫級(jí)冷凝器7與從儲(chǔ)水箱8來的循環(huán)水進(jìn)行換熱，冷凝為高壓液態(tài)制冷劑，通過高溫級(jí)節(jié)流閥9節(jié)流為低溫低壓氣液兩相制冷劑，再進(jìn)入高溫級(jí)蒸發(fā)換熱器6并成為低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，返回高溫級(jí)壓縮機(jī)2，完成高溫級(jí)熱栗制熱循環(huán)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于低溫環(huán)境的空氣源熱栗高溫?zé)崴到y(tǒng)，其特征在于:它包括相互連接的空氣源熱栗系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于低溫環(huán)境的空氣源熱栗高溫?zé)崴到y(tǒng)，其特征在于:所述空氣源熱栗系統(tǒng)包括依次串聯(lián)成一個(gè)冷媒閉合回路的自復(fù)疊用壓縮機(jī)、釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔、高沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥、冷凝蒸發(fā)器、低沸點(diǎn)工質(zhì)節(jié)流閥、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器;還包括與釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔依次串聯(lián)成一個(gè)閉合回路的高溫級(jí)壓縮機(jī)、高溫級(jí)冷凝器、高溫級(jí)節(jié)流閥、高溫級(jí)蒸發(fā)換熱器;所述鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)包括與釜底帶管式換熱器的冷凝精餾塔中的管式換熱器依次串聯(lián)成一個(gè)閉合回路的溶液栗、低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器;所述水循環(huán)系統(tǒng)包括儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱上設(shè)有冷水進(jìn)水端和熱水出水用戶端，儲(chǔ)水箱還通過循環(huán)水栗、電磁閥、與釜底帶管式換熱器的冷凝蒸餾器中的螺旋管式換熱器和高溫級(jí)冷凝器組成兩個(gè)并聯(lián)的水循環(huán)閉合回路。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述適用于低溫環(huán)境的空氣源熱栗高溫?zé)崴到y(tǒng)，其特征在于:所述低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器為套管與翅片復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器，套管外管內(nèi)的工質(zhì)為鹽溶液，套管內(nèi)管內(nèi)的工質(zhì)為低沸點(diǎn)制冷劑。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述適用于低溫環(huán)境的空氣源熱栗高溫?zé)崴到y(tǒng)，其特征在于:所述釜底帶管式換熱器的冷凝蒸餾塔，其釜底管式換熱器管內(nèi)的鹽溶液與所述低溫級(jí)無霜蒸發(fā)器的外管相連，再與所述鹽溶液循環(huán)系統(tǒng)中的溶液栗連接組成一個(gè)閉合回路；當(dāng)需要除霜時(shí)，溶液栗開啟，當(dāng)不需要除霜時(shí)，溶液栗關(guān)閉。
【文檔編號(hào)】F24H4/02GK105928200SQ201610273764
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】李永存, 張宏勝, 鄒聲華
【申請人】湖南科技大學(xué)