CN103940164B - 一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置 - Google Patents

Abstract

一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，属于热泵技术和制冷空调领域。该系统包括压缩机、四通阀、室内换热器、第一膨胀阀、室外换热机组以及控制单元；室外换热机组中的换热器包括喷淋式换热器、第二膨胀阀和翅片式换热器，且室外空气先通过喷淋式换热器，再通过翅片式换热器。在制热时，来自第一膨胀阀的制冷剂沿喷淋式换热器、第二膨胀阀和翅片式换热器顺序流过，去往压缩机吸气口；制冷时，压缩机排出的制冷剂沿翅片式换热器、第二膨胀阀和喷淋式换热器顺序流过，再流向第一膨胀阀。通过调节第一膨胀阀和第二膨胀阀的开启状态，可使热泵装置具备在制热时室外换热机组无霜运行、制热性能稳定、再生能耗较低，且改善了夏季制冷运行性能等特点。

Description

一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置

技术领域

本发明属于制冷技术和空气源热泵的技术领域，特别涉及一种喷淋除湿带再生热回收的的无霜空气源热泵系统。

背景技术

空气源热泵以兼顾制冷制热、结构紧凑、节能节水、使用安装方便等诸多优点在我国长江中下游、西南地区及华南地区得到了广泛的推广与应用。但是在冬季气温低且湿度大的地区，空气源热泵极易结霜。结霜不仅会减小换热面积增加换热热阻，还会增加空气流动阻力，减少风量，进而导致供热能力不足，制热能耗增大。因此，发展准确除霜、延缓结霜或避免结霜的空气源热泵技术是目前热泵技术的当务之急，也是扩大空气源热泵应用地域的必然要求。

中国专利文献(专利号ZL200910098008.5)公开了利用防冻液保证空气源热泵无霜运行的技术方案，该方案利用冷凝热对稀溶液进行再生并通过低温稀溶液将再生得到的高温高湿空气进行热回收从而减少了再生的能耗。但该系统的溶液再生循环比较复杂，控制和运行上的不当都可能导致与设计偏离较大。国际制冷杂志(International Journal of Refrigeration,2012,35(5):1327-1334)在2012年公开了文献《A new method for preventing air source heatpump water heaters from frosting》(一种防止空气源热泵热水器结霜的新方法)，论文作者提出了循环式无霜空气源热泵系统技术方案，其在制热模式下先通过涂覆有吸附剂的蒸发器将室外空气进行吸附除湿，再使除湿后的空气进入二级蒸发器进行换热，从而避免结霜；在再生模式下，通过循环空气的方式对吸附剂进行再生，实现了对再生热的完全回收。该系统型式较好地解决了无霜空气源热泵能否防止结霜以及可能导致的高能耗问题，但仍存在以下不足：①由于在风冷换热器表面喷涂吸附剂材料，故其吸附剂的用量受限，尚无疑会缩短无霜运行时间，导致再生过程频繁进行，影响室内的舒适性；②吸附材料会导致换热器的换热性能变差，尤其在夏季制冷模式下运行时，吸附材料对换热器更是不利。

上述无霜空气源热泵系统仍存在由于设计不合理导致的高能耗、无法长时间避免结霜、由于利用室外低温空气进行再生导致工况不稳定甚至再结霜或者系统过于复杂导致投资运维昂贵等问题。

发明内容

本发明的目的是在现有技术基础上，提供一种具有结构简单、运行可靠、防霜能力强、能耗水平低等特点的无霜空气源热泵，旨在改善供热的可靠性、舒适性和安全性。

本发明的技术方案如下：

一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，包括压缩机、四通阀、室内换热器、第一膨胀阀、室外换热机组以及控制单元；所述的室外换热机组含有喷淋式换热器、第二膨胀阀、翅片式换热器、风机、凝水盘、泄水管、储液池、溶液循环泵和喷淋装置；其特征在于：所述喷淋式换热器的制冷剂管路一端与第一膨胀阀的出口相连，另一端通过第二膨胀阀与翅片式换热器的制冷剂进口相连，翅片式换热器的制冷剂出口与四通阀的四号口相连；所述风机驱动室外空气先经过喷淋式换热器再通过翅片式换热器；所述的储液池设置在喷淋式换热器的下方，储液池内的溶液通过溶液循环泵与盘管上方的喷淋装置相连；所述的凝水盘设置在翅片式换热器下方，所述的泄水管设置在凝水盘的底部。

所述的室外换热机组还包含室外换热机组壳体、第一风阀、第二风阀和循环风阀，所述的第一风阀设置在室外换热机组壳体的进风侧，所述的第二风阀设置在室外换热机组壳体的出风侧；在第一风阀与喷淋式换热器进风口之间以及翅片式换热器出风口与第二风阀之间连接有循环风道，所述的循环风阀设置在循环风道上；风机设置在第一风阀与喷淋式换热器进风口之间的任意位置，或设置在喷淋式换热器出风口与翅片式换热器进风口之间的任意位置，或设置在翅片式换热器出风口与第二风阀之间的任意位置。

所述的室外换热机组还包括浓度传感器、温湿度传感器和压力传感器，这些传感器采集的信号通过数据线与控制单元相连接。

所述的循环风道内设置有挡水板。

所述的室内换热器采用水冷式换热器，或采用风冷式换热器，或采用以空气、水、溶液为换热介质的换热端口。

所述的第一膨胀阀和第二膨胀阀采用电子膨胀阀，或采用热力膨胀阀与电磁阀的组合，或采用毛细管、节流短管与电磁阀的组合，或采用手阀。

所述的喷淋式换热器采用管式换热器或者板式换热器，在换热器内装有用于增加换热面积的填料。

所述的翅片式换热器采用管翅式换热器或板翅式换热器。

所述的储液池中的溶液采用水、氯化钙溶液、氯化钠溶液、溴化锂溶液、氯化锂溶液、乙二醇溶液和三甘醇溶液中的一种或几种的混合物。

本发明在制热模式下利用喷淋式换热器对室外空气进行除湿，降低空气的露点温度，使其低于蒸发器表面的温度，从而避免结霜，实现无霜空气源热泵。在再生模式下，利用从冷凝器出来的高温液态制冷剂对吸湿后的溶液进行换热再生，同时制冷剂进一步过冷，吸湿后的空气通过旁通的空气回路在喷淋式换热器与蒸发器之间进行循环，空气中的水逐渐在翅片式蒸发器表面冷凝排出系统。而且，在夏季制冷模式下，室外换热机组内的喷淋式换热器喷水作为冷凝器能够有效降低冷凝温度，从而提高系统的COP。本发明充分利用了喷淋式换热器的特点，不仅有效的避免了结霜，而且不需要额外的溶液再生系统，完全回收了再生热量，减少了除霜能耗，提高了热泵系统供热的可靠性和安全性，并且夏季制冷模式下喷淋式换热器作为冷凝器喷水，提高了设备的利用率。与现有技术相比具有如下突出的优点：

①无霜运行时间长：溶液量可控可调，显著提高了该系统无霜运行的时间，因此可以在结霜工况始终保证无需进行再生，而在高效时段统一进行再生，使得系统的调控简单、供热稳定、热舒适满足率高。②夏季性能显著改善：由于采用喷淋式换热器，本发明不仅适用于冬季供热，也适用于夏季高效制冷，从而节省了额外的制冷设备，降低初投资和全年运行能耗。③运行高效稳定：由于增加了室外换热机组壳体，本发明的空气循环为闭式系统，可大大减少室外环境对系统工况和性能的影响，有效提高了再生时的能效比，并且可以在溶液再生的同时向用户侧输送热量。④结构简单、技术成熟：在现有空气源热泵的技术基础上将室外机替换为室外换热机组，不论有利于现有技术改造升级也有利于新设备的研发；另外，在室外换热机组中采用的各部件也是发展比较成熟的组件，技术可行性高。

附图说明

图1为本发明提供的溶液喷淋式无霜空气源热泵装置实施例的结构、原理及制热过程工作流程示意图。

图2为本发明提供的溶液喷淋式无霜空气源热泵装置实施例的结构、原理及再生过程工作流程示意图。

图3为本发明提供的溶液喷淋式无霜空气源热泵装置实施例的结构、原理及制冷过程工作流程示意图。

图4为本发明提供的循环式溶液喷淋无霜空气源热泵装置实施例的结构、原理及制热过程工作流程示意图。

图5为本发明提供的循环式溶液喷淋无霜空气源热泵装置实施例的结构、原理及再生过程工作流程示意图。

图6为本发明提供的循环式溶液喷淋无霜空气源热泵装置实施例的结构、原理及制冷过程工作流程示意图。

图1～图6中各部件的名称为：1‐压缩机；2‐四通阀；3‐室内换热器；4‐第一膨胀阀；5‐室外换热机组；201‐一号口；202‐二号口；203‐三号口；204‐四号口；501‐喷淋式换热器；502‐第二膨胀阀；503‐翅片式换热器；504‐凝水盘；505‐储液池；506‐溶液循环泵；507‐喷淋装置；508‐泄水管；509‐第一风阀；510‐第二风阀；511‐循环风阀；512‐室外换热机组壳体；513‐循环风道；521‐风机；522‐喷淋式换热器进风侧；523‐管翅式换热器出风侧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程作进一步说明。

参见图1，本发明包括压缩机1、四通阀2、室内换热器3、第一膨胀阀4、室外换热机组5以及控制单元；所述的室外换热机组5含有喷淋式换热器501、第二膨胀阀502、翅片式换热器503、风机521、凝水盘504、泄水管508、储液池505、溶液循环泵506和喷淋装置507。

本发明的喷淋式换热器501的制冷剂管路一端与第一膨胀阀4的出口相连，另一端通过第二膨胀阀502与翅片式换热器503的制冷剂进口相连，翅片式换热器503的制冷剂出口与四通阀2的四号口204相连；所述风机521驱动室外空气先经过喷淋式换热器501再通过翅片式换热器503；所述的储液池505设置在喷淋式换热器501的下方，储液池505内的溶液通过溶液循环泵506与盘管上方的喷淋装置507相连；所述的凝水盘504设置在翅片式换热器503下方，所述的泄水管508设置在凝水盘504的底部。

本发明的室外换热机组5还包含室外换热机组壳体512、第一风阀509、第二风阀510和循环风阀511，所述的第一风阀509设置在室外换热机组壳体512的进风侧，所述的第二风阀510设置在室外换热机组壳体512的出风侧；在第一风阀509与喷淋式换热器501进风口之间以及翅片式换热器503出风口与第二风阀510之间连接有循环风道513，所述的循环风阀511设置在循环风道513上；风机521设置在第一风阀509与喷淋式换热器501进风口之间的任意位置，或设置在喷淋式换热器501出风口与翅片式换热器503进风口之间的任意位置，或设置在翅片式换热器503出风口与第二风阀510之间的任意位置。

本发明的四通阀2的一号口201与压缩机1的吸气口相连，二号口202与室内换热器3相连，三号口203与压缩机1的排气口相连，四号口204与室外换热机组5中的翅片式换热器503的制冷剂出口相连。

本发明的室外换热机组5还包括浓度传感器、温湿度传感器和压力传感器，这些传感器采集的信号通过数据线与控制单元相连接。

本发明的循环风道513内设置有挡水板，用于防止溶液随着循环风进入风机导致风机损坏或腐蚀。

本发明的室内换热器3采用水冷式换热器，或采用风冷式换热器，或采用以空气、水、溶液为换热介质的换热端口。

本发明的第一膨胀阀4和第二膨胀阀502采用电子膨胀阀，或采用热力膨胀阀与电磁阀的组合，或采用毛细管、节流短管与电磁阀的组合，或采用手阀。

本发明的喷淋式换热器501采用管式换热器或者板式换热器，在换热器内装有用于增加换热面积的填料。

本发明的翅片式换热器503采用管翅式换热器或板翅式换热器。

本发明的储液池505中的溶液采用水、氯化钙溶液、氯化钠溶液、溴化锂溶液、氯化锂溶液、乙二醇溶液和三甘醇溶液中的一种或几种的混合物。

本发明的室外换热机组壳体512可以是卧式、柜式、组合式或其他形式，可以酌情增添防腐处理和保温处理。

具体实施例一

本发明溶液喷淋式无霜空气源热泵有制热模式、再生模式以及制冷模式。

参见图1，制热模式下：四通阀的一号口201与四号口204导通，二号口202与三号口203导通，第一膨胀阀4、第二膨胀阀502正常节流，系统进入制热模式。制冷剂经过压缩机1压缩成高温高压气体，经过四通阀2进入室内换热器3冷凝成高压的饱和液体，经过第一膨胀阀4的一次节流后，部分制冷剂在喷淋式换热器501内蒸发吸热，经过第二膨胀阀502的二次节流后在翅片式蒸发器503内完全蒸发吸热为过热气体。最后制冷剂通过四通阀2返回到压缩机1，完成一个制热循环。空气先经过喷淋式换热器501进行除湿，然后进入蒸发器503进行换热，由于此时露点温度低于蒸发器表面的温度，所以不会结霜。可以通过控制第一膨胀阀4、第二膨胀阀502的开度使喷淋式换热器501和翅片式蒸发器503为不同的蒸发温度。

参见图2，再生模式下：四通阀的一号口201与四号口204导通，二号口202与三号口203导通，第一膨胀阀4完全打开，第二膨胀阀502正常节流，系统进入再生模式。此时，可将室内换热器3的风机或水泵停转以减小室内换热器的取热能力，制冷剂经过压缩机1压缩成高温高压的气体，经过四通阀2进入室内换热器3部分冷凝，然后进入喷淋式换热器501进一步冷凝和过冷，经过第二膨胀阀502节流后在管翅式蒸发器503内蒸发吸热为过热气体，通过四通阀2返回到压缩机1，完成一个再生循环。此时，空气在喷淋式换热器501和翅片式蒸发器503之间通过风道进行循环，不断地将制热模式下吸收的水分带到翅片式蒸发器503冷凝排出系统，待溶液恢复到原来的状态后，再生模式结束。

参见图3，制冷模式下：四通阀的一号口201与二号口202导通，三号口203与四号口204导通，第一膨胀阀4正常节流、第二膨胀阀502完全打开，系统进入制冷模式。制冷剂经过压缩机1压缩成高温高压气体，经过四通阀2进入室外换热机组5内进行冷凝，同时喷淋式换热器501喷水，由于喷淋式换热器501冷凝出的液态制冷剂的冷凝温度比常规风冷式冷凝器的冷凝温度低，并且可以提高制冷剂的过冷度，因此提高了系统的能效比和制冷能力，从喷淋式换热器501冷凝出来的液态制冷剂经过第一膨胀阀4的节流后进入室内换热器3内蒸发吸热，然后经过四通阀2返回压缩机1的入口，完成一个制冷循环。

具体实施例二

下面说明采用空气循环式系统技术方案时，本发明在制热模式、再生模式及制冷模式的具体流程和工作原理。

参见图4，制热模式下：四通阀的一号口201与四号口204导通，二号口202与三号口203导通，第一膨胀阀4、第二膨胀阀502正常节流，第一风阀509、第二风阀510打开，循环风阀511关闭，系统进入制热模式。制冷剂经过压缩机1压缩成高温高压气体，经过四通阀2进入室内换热器3冷凝成高压的饱和液体，经过第一膨胀阀4的一次节流后，部分制冷剂在喷淋式换热器501内蒸发吸热，经过第二膨胀阀502的二次节流后在翅片式蒸发器503内完全蒸发吸热为过热气体。最后制冷剂通过四通阀2返回到压缩机1，完成一个制热循环。空气先经过喷淋式换热器501进行除湿，然后进入蒸发器503进行换热，由于此时露点温度低于蒸发器表面的温度，所以不会结霜。可以通过控制第一膨胀阀4、第二膨胀阀502的开度使喷淋式换热器501和翅片式蒸发器503为不同的蒸发温度。

参见图5，再生模式下：四通阀的一号口201与四号口204导通，二号口202与三号口203导通，第一膨胀阀4完全打开，第二膨胀阀502正常节流，第一风阀509、第二风阀510关闭，循环风阀511打开，系统进入再生模式。此时，可将室内换热器3的风机或水泵停转以减小室内换热器的取热能力，制冷剂经过压缩机1压缩成高温高压的气体，经过四通阀2进入室内换热器3部分冷凝，然后进入喷淋式换热器501进一步冷凝和过冷，经过第二膨胀阀502节流后在翅片式蒸发器503内蒸发吸热为过热气体，通过四通阀2返回到压缩机1，完成一个再生循环。此时，空气在喷淋式换热器501和翅片式蒸发器503之间通过风道进行循环，不断地将制热模式下吸收的水分带到翅片式蒸发器503冷凝排出系统，待溶液恢复到原来的状态后，再生模式结束。

参见图6，制冷模式下：四通阀的一号口201与二号口202导通，三号口203与四号口204导通，第一膨胀阀4正常节流、第二膨胀阀502完全打开，第一风阀509、第二风阀510打开，循环风阀511关闭，系统进入制冷模式。制冷剂经过压缩机1压缩成高温高压气体，经过四通阀2进入室外换热机组5内进行冷凝，同时喷淋式换热器501喷水，由于喷淋式换热器501冷凝出的液态制冷剂的冷凝温度比常规风冷式冷凝器的冷凝温度低，并且可以提高制冷剂的过冷度，因此提高了系统的能效比和制冷能力，从喷淋式换热器501冷凝出来的液态制冷剂经过第一膨胀阀4的节流后进入室内换热器3内蒸发吸热，然后经过四通阀2返回压缩机1的入口，完成一个制冷循环。

Claims (7)

1.一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，包括压缩机(1)、四通阀(2)、室内换热器(3)、第一膨胀阀(4)、室外换热机组(5)以及控制单元；所述的室外换热机组(5)含有喷淋式换热器(501)、第二膨胀阀(502)、翅片式换热器(503)、风机(521)、凝水盘(504)、泄水管(508)、储液池(505)、溶液循环泵(506)和喷淋装置(507)；其特征在于：所述喷淋式换热器(501)的制冷剂管路一端与第一膨胀阀(4)的出口相连，另一端通过第二膨胀阀(502)与翅片式换热器(503)的制冷剂进口相连，翅片式换热器(503)的制冷剂出口与四通阀(2)的四号口(204)相连；所述风机(521)驱动室外空气先经过喷淋式换热器(501)再通过翅片式换热器(503)；所述的储液池(505)设置在喷淋式换热器(501)的下方，储液池(505)内的溶液通过溶液循环泵(506)与盘管上方的喷淋装置(507)相连；所述的凝水盘(504)设置在翅片式换热器(503)下方，所述的泄水管(508)设置在凝水盘(504)的底部。

2.根据权利要求1所述的一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，其特征在于：所述的室外换热机组(5)还包含室外换热机组壳体(512)、第一风阀(509)、第二风阀(510)和循环风阀(511)，所述的第一风阀(509)设置在室外换热机组壳体(512)的进风侧，所述的第二风阀(510)设置在室外换热机组壳体(512)的出风侧；在第一风阀(509)与喷淋式换热器(501)进风口之间以及翅片式换热器(503)出风口与第二风阀(510)之间连接有循环风道(513)，所述的循环风阀(511)设置在循环风道(513)上；风机(521)设置在第一风阀(509)与喷淋式换热器(501)进风口之间的任意位置，或设置在喷淋式换热器(501)出风口与翅片式换热器(503)进风口之间的任意位置，或设置在翅片式换热器(503)出风口与第二风阀(510)之间的任意位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，其特征在于：所述的室外换热机组(5)还包括浓度传感器、温湿度传感器和压力传感器，这些传感器采集的信号通过数据线与控制单元相连接。

4.根据权利要求2所述的一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，其特征在于：所述的循环风道(513)内设置有挡水板。

5.根据权利要求1所述的一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，其特征在于：所述的第一膨胀阀(4)和第二膨胀阀(502)采用电子膨胀阀，或采用热力膨胀阀与电磁阀的组合，或采用毛细管、节流短管与电磁阀的组合，或采用手阀。

6.根据权利要求1所述的一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，其特征在于：所述的喷淋式换热器(501)采用管式换热器或者板式换热器，在换热器内装有用于增加换热面积的填料。

7.根据权利要求1所述的一种溶液喷淋式无霜空气源热泵装置，其特征在于：所述的翅片式换热器(503)采用管翅式换热器或板翅式换热器。