CN100432555C - 热管冷量回收节能空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热管节能技术领域，是一种将热管技术应用于空调系统，实现冷量回收，大幅度降低空调过程能耗的热管冷量回收节能空调系统，将1～20个热管子系统、空调表冷器或喷淋冷却器、挡水板及空气流动子系统有机组合为一体，形成空调系统，按气流流动方向，热管子系统的蒸发器安装在表冷器之前，冷凝器安装在表冷器之后；每个热管子系统都有其相对应的蒸发器、冷凝器、气液分离器或气液分离母管、储液器、溶液循环泵、分液器及相互间连接管道形成双循环系统，本发明具有结构原理简单，系统使用安全可靠，工质稳定，节能省耗，自动化程度高，调温控温技术简便，系统安装结构不受地理和环境影响等优点。

Description

热管冷量回收节能空调系统

技术领域：

本发明涉及热管节能技术领域，是一种将热管技术应用于空调系统，实现冷量回收，大幅度降低空调过程能耗的热管冷量回收节能空调系统。

背景技术：

随着经济建设的发展和人民生活水平的提高，空调系统的应用日趋广泛：工业生产中为实现生产过程需要有工艺性空调、商用建筑(写字楼、宾馆饭店、大中型商场等)需要有商用空调，个人家庭则需要有家用空调；空调系统已成为能耗大户，且其能耗量正逐年增多。

以商用建筑为例，空调能耗是商业建筑能耗的主要部分，占总能耗的50～60％。初步估计目前全国商用中央空调用电量为400万～450万kW。按重庆和上海的统计，中央空调用电量已分别占全市总用电量的23％和31.1％，给各城市的供配电带来了沉重的压力。

随着现代化建设的发展，能源供应会更加紧张，将会导致影响经济的持续发展。因此节约空调能耗是刻不容缓的。空调系统的能耗主要有两个方面，一方面是为了供给空气处理设备冷量和热量的冷热源能耗，如压缩式制冷机耗电，吸收式制冷机耗蒸汽或燃气，锅炉耗煤、燃油、燃气或电等；另一方面是为了给房间送风和输送空调循环水，风机和水泵所消耗的电能。

空调系统的主要任务是保证被调环境区域的温度、湿度、空气的新鲜度、洁净度及流动速度满足生产或生活的要求，其中最重要且耗能最大的是温度与湿度的调节。舒适性空调和湿度要求不高的工艺性空调在夏季主要任务是降温除湿；而在春季和梅雨季节，最主要任务是除湿；秋季降温除湿的任务较小，能耗也较小，冬季主要是适度供热。对于特殊的工艺性空调系统，常要求被调环境一年四季都必须保持较低的湿度，有时，被调环境中还有一定的湿分散发，这类系统的去湿是最重要的环节，也是空调系统中能耗最大的环节。

综上所述，除湿过程在空调中具有非常重要的意义，为实现该过程，通常采用空调表冷器(或喷淋冷却器)将空气温度降低到露点温度，使空气中的水分凝结出来，这一降温除湿过程需要消耗大量的能量，空调过程能否节能运行直接取决于降温除湿过程是否高效节能。

发明内容：

本发明的目的在于减小空调系统降温除湿过程的能耗，实现高效节能的空气调节过程，提出一种能够将热管节能技术与空调表冷器(或喷淋冷却器)有机结合，实现高效节能的降温除湿过程的新型节能空调系统。

为了实现上述目的，本发明将n个(1≤n≤20)热管子系统、空调表冷器或喷淋冷却器、挡水板、空气流动子系统按常规原理有机组合为一体，形成能够高效回收利用空调表冷器或喷淋冷却器冷量，最大限度地减小降温除湿过程能耗的新型空调系统。

本发明的热管冷量回收节能空调系统由空调表冷器或喷淋冷却器、挡水板、内循环热管子系统、外循环热管子系统、供风温度控制子系统及空气流动子系统组成；按气流流动方向，热管子系统的蒸发器安装在表冷器或喷淋冷却器之前，而其冷凝器安装在挡水板之后，挡水板安装在表冷器或喷淋冷却器之后；其总体技术方案是：经空调表冷器或喷淋冷却器冷却去湿后的空气进入热管子系统的冷凝器中，将冷量传递给热管冷凝器中的工质，使热管内的气态工质转变为液态工质，冷凝后的液态工质流到储液罐中，溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经液体输运管将液体工质输送到分液器，又经分液器和等长度的分配管束，均匀地将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收流经热管蒸发器的空气热量，部分液体气化，经两相流管进入气液分离器实现气液分离，随后，液态工质流经调节阀和输送管回到储液罐，形成了液体工质小循环；而气态工质则经气体管路进入气态工质母管，由均匀分气管将气体输送到冷凝器的每个管路中，在冷凝管路中再次吸收空调表冷器冷却去湿后的空气冷量实现完全冷凝后，由冷凝液回送管将冷凝液送入储液罐，形成热管工质大循环。在热管的循环过程中，热管内液态工质的蒸发过程吸收了流经热管蒸发器空气的热量，实现了空气的预冷却，降低了进入表冷器中的空气温度，大幅度节约了冷却去湿过程的能耗。

本发明通过控制热管换热量实现供风温度的控制，其技术方案是：由温度传感器感应被热管冷凝器加热后空气的温度，将信号传递给温度控制器，该温度控制器按照规定的控制算法对溶液循环泵进行调节，改变蒸发器中的液体循环流量，从而改变了蒸发器中产生的蒸气量，这样便改变了冷凝器中的冷凝量，实现了热管换热量的调节和加热介质温度的控制。当溶液泵停止运行时，蒸发器中的工质很快全部蒸发完毕，随后，换热过程完全停止，换热量为零；随着溶液泵流量从零逐步增大，蒸发器的产气量渐渐增大，热管换热系统的换热量也逐步增大，直到达到某一最大值。本发明正是利用这一变化过程，实现供风温度的调节。

本发明中每个热管子系统中蒸发器与冷凝器的相对安装高度、安装方式(水平或垂直安装或按某一倾角安装)不受任何限制，只要其储液罐低于蒸发器和冷凝器，保证冷凝液能顺利回流到储液罐便可正常工作；若冷凝器必须安装在储液罐下部的情况，只要在热管冷凝器回流管上安装一个冷凝器回流溶液泵即可。

本发明中的各热管子系统的气液分离器是独立的一个部件，或是与蒸发器连为一体的气液分离母管；各热管子系统的气态工质母管是一个独立的部件，或与均匀分气管及冷凝器组合为一体。

本发明中的热管子系统数是1～20个，根据控制对象的特点及每个热管的结构与换热能力决定；当分别有2～20个热管子系统时，按照内循环热管和外循环热管的方式布置蒸发器和冷凝器，即：靠近空调表冷器或喷淋冷却器的蒸发器和冷凝器为内循环热管子系统的换热器，而离空调表冷器或喷淋冷却器最远的蒸发器和冷凝器为最后一个热管子系统的换热器。在配置合理的前提下，热管子系统的数量越多，所能节省的外部冷源比例也越大，但同时供风温度升高，送风温差减小。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是与现有仅采用空调表冷器(或喷淋冷却器)降温去湿的空调系统相比，本发明的热管冷量回收节能空调系统通过冷量的回收利用，使去除空气中同样的水分，所需的外部冷源冷量较原空调系统需冷量大幅度降低，具体节能比例与被处理空气的状态点、热管子系统的数量、空调系统的送风温差要求等有关；二是与需要对降温去湿后对空气进行加热，以满足送风温差要求的空调系统相比，本发明的热管冷量回收节能空调系统不仅降低了除湿过程的能耗，而且实现了对降温去湿后空气的适度加热，减少了再热器的初投资，无再热器的运行能耗；三是本发明采用n个热管子系统(1≤n≤20)形成内外循环方式，既方便了热管子系统与不同空调系统的负荷匹配，还保证了每个热管子系统的蒸发器与冷凝器的换热过程有一定的温差，减小了热管的换热面积；四是本发明采用n个热管子系统(1≤n≤20)形成的内外循环方式，实现了对外部提供冷量的n次重复回收应用，大幅度降低了降温去湿过程的能耗，n越大，节能效果越好；但n越大，系统也越复杂；五是本发明的热管冷量回收节能空调系统的每个热管子系统都有其相对应的蒸发器、冷凝器、气液分离器(或气液分离母管)、储液器、溶液循环泵、分液器及相互间连接管道，工作时形成双循环系统，该类形式的热管子系统彻底解决了原分离式热管中存在的工作液输送力不够、分液不均匀等问题；六是本发明的热管冷量回收节能空调系统能够方便地通过控制热管子系统的溶液泵实现供风温度的控制；七是本发明中热管蒸发器与冷凝器的相对安装高度、安装方式(水平安装、垂直安装或按某一倾角安装)不受任何限制，故可方便地与风机、风道、过滤器等其它部分相配合，构成各种方式(立式、卧式或混合式)的空调系统；八是本发明可广泛应用于各类空调的降温除湿过程，也可推广应用于空气对流干燥的动力源系统，实现高效的降温除湿过程，大幅度降低干燥过程的能耗。

附图说明：

图1为本发明的水平布置工作流程图。

图2为本发明的一种垂直布置工作流程图。

图3为本发明的另一种垂直布置工作流程图。

具体实施方式：

本发明实施中涉及的空调表冷器或喷淋冷却器、挡水板、n个热管子系统(1≤n≤20)、供风温度控制子系统及空气流动子系统为热管冷量回收节能空调系统的必备部分，其主要部件包括风道1，外循环热管子系统的气态工质母管2，内循环热管子系统的气态工质母管3，挡水板4，内循环热管子系统的气态工质输送管5，外循环热管子系统的气态工质输送管6，内循环热管子系统的蒸发器7，外循环热管子系统的等长度均液管8，外循环热管子系统的蒸发器9，外循环热管子系统的冷凝器10，内循环热管子系统的冷凝器11，内循环热管子系统的等长度均液管12，风机13，温度传感器14，温度信号传输线15，外循环热管子系统的冷凝器凝结液输送管16，内循环热管子系统的冷凝器凝结液输送管17，空调表冷器或喷淋冷却器18，内循环热管子系统的分液器19，内循环热管子系统的两相流输送管束20，外循环热管子系统的分液器21，外循环热管子系统的两相流输送管束22，空气进入方向23，外部冷源24，内循环热管子系统的气液分离器25，外循环热管子系统的气液分离器26，内循环热管子系统的压力调节阀27，外循环热管子系统的压力调节阀28，外循环热管子系统的储液罐29，内循环热管子系统的储液罐30，内循环热管子系统的循环溶液泵31，温度控制器32，外循环热管子系统的循环溶液泵33，外循环热管子系统的循环溶液输送管34，内循环热管子系统的循环溶液输送管35。

本发明的热管冷量回收节能空调系统共有空调表冷器或喷淋冷却器18、挡水板4、内循环热管子系统、外循环热管子系统、供风温度控制子系统及空气流动子系统等构成，每部分的工作原理及功效为：

空调表冷器或喷淋冷却器18：由外部的制冷机组或天然冷源为空调表冷器或喷淋冷却器18提供冷量，通过空调表冷器或喷淋冷却器18将外部的冷负荷传递给空气；其功效是：将外部的冷量传递给流过的空气，使空气达到露点温度，让空气中的水分冷凝出来。

挡水板4：按气流方向，位于空调表冷器或喷淋冷却器18后部；其功效是：将空气中的液态水滴阻挡下来，避免出现水滴再次蒸发，增加空气湿度的现象。

内循环热管子系统：其主要部件包括蒸发器7和冷凝器11，还包括由溶液循环泵31、液体输运管35、分液器19、等长度的分配管束12等构成的冷凝液供液与分配部分；由两相流输送管束20、气液分离器25构成的气液两相流动与分离部分；由气态工质经输送管5、气态工质母管3等构成的气相输送与分配部分；由压力调节阀27、冷凝器凝结液输送管17和储液罐30等构成的液相收集与储存部分；上述蒸发器7和冷凝器11与其它四个部分有机联系在一起，构成内循环热管子系统；其功效是：连续不断地将冷量从与冷凝器接触的空气中传递到与蒸发器接触的空气中，高效地回收空调表冷器或喷淋冷却器18供给空气的冷量，使进入空调表冷器或喷淋冷却器18前的空气实现预冷；内循环热管子系统的特点是其内部蒸发与冷凝温度接近于空调表冷器或喷淋冷却器18出口的空气温度，故能够将进入空调表冷器或喷淋冷却器18前的空气冷却到较低的温度，达到更好的冷量回收效果，这也是采用多个热管子系统的重要原因之一。

外循环热管子系统：其主要部件包括蒸发器9和冷凝器10，还包括由溶液循环泵33、液体输运管34、分液器21、等长度均液管8等构成的冷凝液供液与分配部分；由两相流输送管束22、气液分离器26构成的气液两相流动与分离部分；由气态工质输送管6、气态工质母管2等构成的气相输送与分配部分；由压力调节阀28、冷凝器凝结液输送管16和储液罐29等构成的液相收集与储存部分；上述蒸发器9和冷凝器10与其它四个部分有机联系在一起，构成外循环热管子系统；其功效是：连续不断地将冷量从与冷凝器接触的空气中传递到与蒸发器接触的空气中，是在内循环热管子系统已回收一定冷量的基础上，再次回收利用空调表冷器或喷淋冷却器18供给空气的冷量，使进入内循环热管子系统蒸发器前的空气实现预冷；外循环热管子系统的特点是其内部蒸发与冷凝温度比内循环热管子系统的要高。

供风温度控制子系统：通过温度传感器14从供风风道中获得温度信号，由温度信号传输线15将该信号传递给温度控制器32，温度控制器32发出控制信号改变循环溶液泵33的转速，实现循环溶液量的调节；其功效是：通过改变外循环热管子系统的循环溶液量调节该热管所传输的冷量，从而实现供风温度的控制。

空气流动子系统：风机13提供动力，使空气在风道1内依次通过各换热器，完成各种换热过程。其功效是：使空气按一定速度依次通过本发明的热管冷量回收节能空调系统的各部件，实现降温去湿过程。

下面结合实施例作进一步描述。

实施例1：该实施例的热管子系统共有10个，最靠近空调表冷器或喷淋冷却器的蒸发器和冷凝器为第1个循环热管子系统的换热器，称为内循环热管子系统，而离空调表冷器或喷淋冷却器最远的蒸发器和冷凝器为第10个热管子系统，称为外循环热管子系统，而其他八个热管子系统由内向外依次为第2至第9个循环热管子系统。整个系统包括空调表冷器或喷淋冷却器18、挡水板4、十个循环热管子系统及风道连接部分等；按气流流动方向，空气先经过外循环热管子系统的蒸发器9，被适度冷却后进入内循环热管子系统的蒸发器7中，被进一步预冷，冷却到一定温度的空气进入空调表冷器或喷淋冷却器18中，被外部冷源降温去湿，达到设定的露点温度，将空气的湿度降低到设计的数值后，经过挡水板4，去除内部含有的液体水滴；接着进入内循环热管子系统的冷凝器11中，将冷量传递给冷凝器中的热管工质，使内循环热管内的气态工质转变为液态工质，冷凝后的液态工质流到储液罐30中；随后空气又进入外循环热管子系统的冷凝器10中，将剩余的冷量传递给该冷凝器中的热管工质，使外循环热管内的气态工质转变为液态工质，冷凝后的液态工质流到储液罐29中；从外循环热管子系统的冷凝器10出来的空气作为本空调系统的供风，提供给需要空调的房间。

供风温度控制是通过温度传感器14从供风风道中获得温度信号，由温度信号传输线15将该信号传递给温度控制器32，温度控制器32发出控制信号改变循环溶液泵33的转速，实现循环溶液量的调节，循环溶液量的变化改变了热管蒸发器中的产气量，从而调节了热管回收利用的冷量，使供风温度发生变化。

本发明的启动与运行过程如下：先将本发明的热管冷量回收节能空调系统按常规原理和工艺安装完毕，将内、外循环热管子系统抽空并充入热管循环工质后，启动其液态工质循环泵，让热管蒸发器内有一定量的液态工质循环；接着启动空气流动子系统的风机13，让气流流过各类换热器；同时让外部冷源供给空调表冷器或喷淋冷却器18，热管冷量回收节能空调系统便启动运行；一定时间后，热管循环子系统及空调表冷器或喷淋冷却器都进入稳定的工作状态，供风温度为一定值。若改变供风温度的设定值，控制系统会通过改变外循环热管的循环流量来达到调节目的；若外部出现扰动，使供风温度偏离设定值，控制系统也会通过改变外循环热管的循环流量来保证供风温度恒定。

Claims (5)

1、一种热管冷量回收节能空调系统，其特征在于将1～20个热管子系统、空调表冷器、挡水板及空气流动子系统有机组合为一体，形成空调系统，按气流流动方向，热管子系统的蒸发器安装在表冷器之前，冷凝器安装在表冷器之后；每个热管子系统都有其相对应的蒸发器、冷凝器、气液分离器、储液灌、溶液循环泵、分液器及相互间连接管道形成双循环系统；经空调表冷器冷却去湿后的空气进入热管子系统的冷凝器中，将冷量传递给热管冷凝器中的工质，使热管内的气态工质转变为液态工质，冷凝后的液态工质流到储液罐中，溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经液体输运管将液态工质输送到分液器，又经分液器和等长度的分配管束，均匀地将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收流经热管蒸发器的空气热量，部分液体气化，经两相流管进入气液分离器实现气液分离，随后，液态工质流经调节阀和输送管回到储液罐，形成液体工质小循环；气态工质则经气体管路进入气态工质母管，由均匀分气管将气体输送到冷凝器的每个管路中，在冷凝管路中再次吸收空调表冷器冷却去湿后的空气冷量实现完全冷凝后，由冷凝液回送管将冷凝液送入储液罐，形成热管工质大循环；在热管的循环过程中，热管内液态工质的蒸发过程吸收流经热管蒸发器空气的热量，使空气预冷却。

2、根据权利要求1所述的热管冷量回收节能空调系统，其特征在于控制热管换热量实现供风温度的控制，由温度传感器感应被热管冷凝器加热后空气的温度，将信号传递给温度控制器，温度控制器按照规定的控制算法对溶液循环泵进行调节，改变蒸发器中的液体循环流量和产生的蒸气量，改变冷凝器中的冷凝量，实现热管换热量的调节和加热介质温度的控制。

3、根据权利要求1所述的热管冷量回收节能空调系统，其特征在于热管子系统的个数根据控制对象的特点及每个热管的结构与换热能力来决定；当热管子系统分别有2～20个时，2～20个热管子系统按照内循环热管和外循环热管的方式布置蒸发器和冷凝器，靠近空调表冷器的蒸发器和冷凝器为内循环热管子系统的换热器，离空调表冷器最远的蒸发器和冷凝器为最后一个热管子系统的换热器。

4、根据权利要求1所述的热管冷量回收节能空调系统，其特征在于每个热管子系统中蒸发器与冷凝器的相对安装高度、安装方式不受限制，储液罐低于蒸发器与冷凝器，冷凝液能回流到储液罐，若冷凝器安装在储液罐下部，要在热管冷凝器回流管上安装一个冷凝器回流溶液泵。

5、根据权利要求1所述的热管冷量回收节能空调系统，其特征在于各热管子系统的气液分离器是独立的一个部件，或是与蒸发器连为一体的气液分离母管；各热管子系统的气态工质母管是一个独立的部件，或与均匀分气管及冷凝器组合为一体。

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