CN100451467C - 一种组合式空气处理方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式空气处理方法和装置。本组合式空气处理装置采用3台压缩机分别组成高温,中温和低温系统,其中中温和低温系统既可按常规循环运行,也可按复叠循环运行,中温和低温系统可实现温度的调节和除湿运行,在除湿的同时可以根据热负荷的要求对除湿后的空气温度进行调节,高温系统采用2级或3级复叠循环做热泵运行,对空气进行加湿处理。本系统采用复叠和热泵技术的结合,可以扩大机组在温度和湿度调节时对环境的适应范围,并可以进行更广范围内的温湿度调节。

Description

一种组合式空气处理方法和装置
技术领域
本发明涉及一种可以同时控制温度和湿度的组合式空气处理方法和装置,本发明使用一套装置就可以实现对空气的制冷,制热,除湿和加湿的综合处理。避免了分别购置空气处理设备,减少了单个空气处理设备的闲置,扩大了系统工作的环境温度范围和空气的处理范围。
背景技术
由于生产和生活上的需要,往往需要对空气的温度和湿度进行调节。现有的空气处理设备在温度和湿度的调节与控制过程中,往往总是孤立地来进行调节。忽视了温度和湿度控制之间的联系,造成了一些不合理的现象。目前的空气处理设备在功能上也比较单一,在一些特殊或者对空气品质要求比较高的场所,在制冷机组进行温度调节的同时,还需要使用加湿器或除湿器对空气湿度进行调节,但是由于季节等环境因素的影响,整套空气处理系统中的某些机组使用率比较低。
现有的湿度调节方法中,单纯的单级冷冻除湿由于受单级蒸发温度的限制,在要求空气湿度比较小的场合湿度的调节就不容易实现,这时候往往需要其它的辅助除湿设备,比如转轮除湿设备。在冷冻除湿机中大多采用使待处理空气流经蒸发器冷冻除湿后再通过串联的冷凝器复热,这种结构的除湿机调节的仅仅是湿度,没有考虑环境对除湿后的空气温度的要求,因此对除湿后的空气的温度未进行调节。在高温高湿的环境工况下,在除湿的同时也希望降低空气的温度,但由于结构的限制,空气在除湿后又经过冷凝器复热,然后由制冷机组对空气的温度进行降温,冷空气复热再对其制冷,这样的循环无疑将造成能量的极大浪费。同时采用电热式加湿器虽然结构紧凑,易于控制,但存在着耗电量大的缺点。
目前,在温度控制中,热泵技术由于能够实现将低温位的热能(或者废热)输送至高温位的功能,其制热系数始终大于1,即得到了比输入能量更多的热能,因此在供暖,生活和生产热水,以及物体的烘干等工业领域都得到了大量的应用。现有的工业和民用领域主要应用的是空气源热泵,但空气源热泵在环境温度较低的情况下,压缩机的压比就将升高,热泵系统供热的性能和运行就会产生很多的问题。因此其推广在地域上就受到了很大的限制。中国专利CN1436980A(公开号)提出了扩大在低温环境下热泵制热能力的方法及装置,其特点在于空气源热泵采用高温和低温两部分,根据环境温度的变化,在室外温度较高时采用常规的单级热泵运行,在室外环境温度较低时,采用2级复叠循环制热。但该装置只进行温度调节,不能进行湿度控制,而且热泵技术单级的温度提升是有限的,单级最经济的温度提升在40度左右,因此在环境温度比较低时,用单级或者2级热泵泵热加湿,水不容易沸腾或者压比太高,机组的运行会产生很多的问题和效率低下,其加湿能力和效率就受到很大的限制。
发明内容
本发明目的是设计一种组合式空气处理方法和装置。它能对空气进行湿度和温度的综合处理与控制。它使用热泵从空气中泵热提供加湿所需的热量,并扩大了冷冻除湿的除湿范围以及可以对除湿后的空气温度按照温度调节的需要在除湿的同时进行温度调节。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种组合式空气处理装置:本装置由第一压缩机1,第二压缩机2,第三压缩机3,第一中间换热器8,第二中间换热器9,室外换热器10,第一室内换热器5,第二室内换热器6,第三室内换热器7,水箱19,四通换向阀4,第一风机11,第二风机12,第一节流阀13,第二节流阀14,第三节流阀15,第四节流阀16,风道22和第一流量调节阀23,第二流量调节阀49,第三流量调节阀51以及其它控制阀门等组成,第一压缩机1,第二压缩机2,第三压缩机3分别组成对应的低温系统,中温系统和高温系统。高温系统和中温系统用第一中间换热器8连接,中温和低温系统用第二中间换热器9连接。一套本装置即可实现对空气的制冷,制热,除湿和加湿的综合处理。在环境温度比较低时,采用高温,中温和低温系统3级复叠循环运行泵热使制冷工质在第三室内换热器7中冷凝放热使水箱中的水沸腾汽化加湿空气,在环境温度比较高时,采用高温与中温系统2级复叠循环泵热加湿,低温系统和中温系统主要进行温度调节和除湿运行,低温系统按常规的单级循环可进行普通制冷,制热和一般湿度要求的冷冻除湿运行,中温系统与低温系统通过中间换热器9按复叠运行可进行两级热泵运行和小湿度要求下的深度冷冻除湿。
机组冷冻除湿运行时,根据室内温度的控制要求,在除湿的同时可调节除湿后的空气温度。在要求回风温度比较低时,采用制冷剂在2个并联的换热器内冷凝放热,其中室内换热器6为除湿后的空气复热提供热量,通过调节第一流量调节阀23、第二流量调节阀49、第三流量调节阀51的开度和控制其它阀门的启闭可以调节制冷剂在室内换热器6和室外换热器10中的冷凝量,从而控制回风温度,达到减小空调系统制冷负荷的目的。低温级和中温级系统选用相同的制冷工质,2系统中的制冷工质通过阀门按照运行要求可以相互切换,高温系统采用单独的高温工质。本装置的结构示意图见说明书附图。本装置可实现低温级单级制冷;低温级单级制热;低温和中温级两级复叠循环制热;低温级的单级冷冻除湿;中温和低温级的双级冷冻除湿;高温和中温级的双级热泵加湿;高温、中温和低温三级热泵加湿运行等7种运行模式。其每种模式的结构和控制过程如下:
(1)在低温级单级制冷(单纯制冷,不调节湿度)时,其控制阀门36,31,35,39,43,52,55打开,其余阀门关闭。其系统循环的流程为:压缩机1排气经四通换向阀4沿A方向流动,分别经阀门36,31,在室外换热器10中冷凝换热后,通过阀35,39,43,52,在节流阀13节流,通过单向阀25后在室内换热器5中蒸发制冷,并经阀55流回压缩机1吸气腔,风机12将冷空气送入室内。
(2)在低温级单级制热运行时(环境温度不太低时)。其控制阀门55,54,43,38,32,35,37打开,其余阀门关闭。其系统循环的流程为:压缩机1的高温排气经四通换向阀4沿B方向流动,分别经过阀门55在室内换热器5中冷凝放热后经过阀门54,43,38,32在节流阀15中节流后,进入室外换热器10中蒸发吸热,并经阀35,37流入压缩机1的吸气腔。风机12将热空气送入室内。
(3)当环境温度比较低时,采用中温系统和低温系统2级复叠循环泵热运行。此时阀门47,46,41,38,32,35,37,49,51,29,33,40,45打开。其余阀门关闭。其系统循环的流程为:
低温级系统压缩机1启动后,高温排气由四通换向阀4沿B方向经阀门47,46,在中间换热器9中冷凝放热,冷凝后经阀门41,38,32在节流阀15中节流后,进入室外换热器10内蒸发吸热。制冷剂蒸汽经35,37后流入压缩机1的吸气腔。
中温级的高温排气从压缩机2中流过单向阀24,经阀49,在室内换热器6中冷凝换热,冷凝后沿阀51,29,33,40,在节流阀14中节流后进入中间换热器9中吸热,吸热后通过阀45进入压缩机2的吸气腔。风机12将热空气送入室内。
(4)湿度要求不太严格时的单级冷冻除湿。
a)除湿后的温度不调节,即冷凝热全部返回室内。采用低温级单级启动运行,阀门37,39,43,48,50,51,53,55打开,其余阀门关闭。其系统循环的流程为:压缩机1启动后,高温排气经四通换向阀4沿A方向经阀37,39,43,48,50,51,在室内换热器6中冷凝,冷凝后经阀53后在节流阀13中节流,经单向阀25进入室内换热器5中蒸发对空气进行冷冻除湿。制冷剂蒸气经阀55进入压缩机1的吸气腔。冷空气在风道22内复热,由风机12送入室内。
b)除湿后温度需要调节,即冷凝热部份返回室内。采用低温级单级启动时:阀门37,39,43,48,50,23,51,44,53,55打开,其余阀门关闭。其系统循环的流程为:压缩机1启动后经四通换向阀4沿A方向经控制阀37,39,43,48后,制冷剂分成2部分,一部分经阀50,51在室内换热器6内冷凝,冷凝后经阀53在节流阀13内节流,另一部分经流量调节阀23,在室外换热器10中冷凝换热,冷凝后沿阀44,53进入节流阀13内节流,此时两部分制冷剂汇合经单向阀25后进入换热器5内蒸发冷冻除湿,最后经阀55后进入压缩机1的吸气腔。两管路制冷剂的分配可以根据回风的温度要求调节流量阀51,23的开度来实现。风机12将处理后的空气送入室内。
(5)对处理空气要求小湿度情况下的双级冷冻除湿,通过2级复叠运行可以使蒸发温度降低,从而可以深度除湿,避免采用其他辅助的除湿设备。此时中温和低温系统都将启动。
a)除湿后的温度不调节,即冷凝热全部返回室内:此时阀门37,39,41,46,52,55,49,51,29,33,40,45打开,其余关闭。其系统循环的流程为:低温系统;压缩机1启动后,制冷剂经四通换向阀4沿A方向经37,39,41,在中间换热器9内冷凝,冷凝后经阀46,52在节流阀13内节流后,通过单向阀25在换热器5中蒸发冷冻除湿。制冷剂蒸气经阀55进入压缩机1的吸气腔。中温系统:高温气体从压缩机2排气腔排出,经单向阀24流过49后在室内换热器6中冷凝,冷凝后通过阀51,29,33,40在节流阀14内节流后进入中间换热器9内蒸发吸热,最后通过阀45进入压缩机2的吸气腔。
b)除湿后温度需要调节时,即冷凝热部份返回室内。阀门37,39,41,46,52,55,49,23,51,29,33,34,40,45打开。其余阀门关闭。其系统循环的流程为:低温系统,压缩机排气经四通阀4沿A方向流向阀37,39,41在中间换热器9内冷凝后通过阀46,52在节流阀13中节流后经过单向阀25流进室内换热器5蒸发,冷冻除湿后沿阀55进入压缩机1的吸气腔。中温系统的高温排气从压缩机2排出,经单向阀24后制冷剂分成2部分,一部分经流量调节阀49在室内换热器6中冷凝后沿阀51,29,33,40在节流阀14内节流,另一部分经过流量调节阀23后在室外换热器10内冷凝后流过阀34,40也在节流阀14内节流。节流后的制冷剂在中间换热器9内蒸发吸热后通过阀45进入压缩机2的吸气腔。两管路制冷剂的分配可以根据回风的温度要求调节流量调节阀49和23的开度来实现。
(6)环境温度较高时的双级热泵加湿。阀门50,28,27,30,32,34,42打开,其余阀门关闭。此时中温系统和高温系统启动,采用2级热泵技术从环境吸热加热水箱19的热水使其沸腾汽化加湿。其系统循环的流程为:中温系统:压缩机2排气经单向阀24,沿50,28在中间换热器8内冷凝,冷凝后沿27,30,32在节流阀15中节流后进入室外换热器10内蒸发吸热,然后沿34,42进入压缩机2的吸气腔。高温系统的高温排气在水箱19内冷凝使水沸腾汽化加湿,湿空气由风机11送入室内。浮球阀17自动控制进水管18的进水阀26以保持水箱19内的水位高度。
(7)低温环境下的3级热泵加湿。阀门47,46,41,38,32,35,37,50,28,27,33,40,45打开,其余阀门关闭。此时高温,中温和低温系统均启动。其系统循环的流程为:低温系统:压缩机1的排气经四通换向阀4沿B方向经阀47,46,在中间换热器9内冷凝放热后,经41,38,32在节流阀15内节流后进入室外换热器10内蒸发吸热,吸热后沿阀35,37进入压缩机1的吸气腔。中温系统:压缩机2排气经单向阀24,沿阀门50,28,在中间换热器8中冷凝后经过阀27,33,40,在节流阀14内节流后进入中间换热器9内蒸发吸热,然后沿阀45进入压缩机2的吸气腔。高温系统:压缩机3的排气在水箱内冷凝后经节流阀16节流后进入中间换热器8内蒸发吸热后进入压缩机的吸气腔。
以上阀门中24,25为单向阀门,制冷剂只能单向流通。23,49,51为流量调节阀,可以调节阀门的开度,从而控制流量,且阀门开度可实现无级调节。其它阀门只有开与闭2种状态。
本发明由于组合了空气处理设备中的空调机组、除湿机和加湿器。提高了机组的利用效率,减少了单个机组的季节性闲置。同时根据需要可采用复叠式循环对湿度进行调节,利用空气热源为热加湿器提供热源,相比传统的电热式加湿器因利用了部分空气热源,因此可以节约电能。且复叠循环能够获得更低的蒸发温度,可以进行深度的冷冻除湿,而不再需要其它的辅助除湿设备。在除湿过程中采用了双冷凝器并联的方法,因此通过调节制冷剂在室内换热器6和室外换热器10内的流量可以实现除湿后回风温度的调节,这对于湿度调节的同时又有温度控制要求的工况可以避免能源的浪费。本发明可以扩大空气温度与湿度的处理范围和空气处理设备对环境温度的适用范围,在环境温度比较低,常规单级热泵失效或者效率低下的情况下,采用的复叠式热泵仍能保持较好的制热性能。
附图说明
附图为组合式空气处理装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明包括高温系统、中温系统和低温系统。其中高温系统与中温系统通过中间换热器8连接在一起,中温系统和低温系统通过中间换热器9连接。本组合式空气处理系统共有2个中间换热器、一个室外换热器、三个室内换热器、三台压缩机。中温系统和低温系统之间的室外换热器10在不同的运行模式下轮换利用。室内换热器7专为高温系统在对空气进行加湿处理时提供冷凝热,其余2个室内换热器置于风道22内,室内换热器6作为冷凝器,用于热泵运行工况提供冷凝热和冷冻除湿时的回风复热,换热器5在单级制冷,单级和双级冷冻除湿时做蒸发器,单级热泵运行时做冷凝器。其各个系统的基本连接可以参看说明书附图。本发明所提供的组合式空气处理方法和装置,可以实现:(1)低温级单级制冷;(2)低温级单级制热:(3)中温和低温级双级复叠制热;(4)低温级单级冷冻除湿,且可以调节回风温度;(5)中温和低温级双级复叠冷冻除湿,且可以调节回风温度:(6)高环境温度下的中温和高温2级热泵加湿运行;(7)低环境温度下的3级复叠热泵加湿运行;其不同模式运行的阀门控制过程和系统结构图在技术方案中已经给出。
组合式空气处理装置中,中温和低温系统可采用相同的工质,高温系统采用单独的高温工质,系统所用的压缩机可以采用现有的压缩机产品,型式没有特殊要求,换热器的型式也没有严格的要求,可以采用现有的产品。在本装置所用的阀门中,可以采用电磁阀或其它型式。在所有的阀门中有共2个单向阀24和25,3个流量调节阀,23,49,和51,流量调节阀选用开度调节大的阀门,阀23,49,51可以无级调节制冷剂流量,但阀49和51在不调节流量时与其它的控制阀门一样只有全开或者全闭两种状态。本发明所需要的节流阀可以是热力膨胀阀,也可以是毛细管等型式。本装置所采用的风机可采用离心式风机或者其它型式。在空气的加湿处理时,水箱的水位控制可以采用浮球阀17控制进水管18阀门26的方式。并在水箱底部预留排水管和阀门56,用于换热器结垢后的清洗排水。在冷冻除湿时,风道22内的换热器5下面设置有集水器20,用于收集除湿运行时的冷凝水,并通过排水管21排出。在系统的运行方式上,我们可以根据环境的温度和湿度工况,结合用户使用场合和需求可以把此装置设成7个运行模式,通过预先的计算可以设定不同模式之间运行转换的最佳转变工况点。不同运行模式之间的切换可以通过电路控制阀门的关闭和启动相应的压缩机实现。
本发明装置所能实现的运行模式不仅仅局限于上述七种模式,还可实现2级或者3级复叠制冷,同时出于简化设备的目的,室外换热器只选用了一个,由中温和低温系统共用,当然也可以为每个系统都独立地设置一个室外换热器。

Claims (3)

1.一种组合式空气处理装置,本装置由第一压缩机(1)、第二压缩机(2)、第三压缩机(3)、第一中间换热器(8)、第二中间换热器(9)、室外换热器(10)、第一室内换热器(5)、第二室内换热器(6)、第三室内换热器(7)、水箱(19)、四通换向阀(4)、第一风机(11)、第二风机(12)、第一节流阀(13)、第二节流阀(14)、第三节流阀(15)、第四节流阀(16)、风道(22)和第一流量调节阀(23)、第二流量调节阀(49)、第三流量调节阀(51)以及其它控制阀门等组成,其特征在于:第一压缩机(1)、第二压缩机(2)、第三压缩机(3)分别组成对应的低温系统、中温系统和高温系统,高温系统和中温系统用第一中间换热器(8)连接,中温和低温系统用第二中间换热器(9)连接,在环境温度比较低时,采用高温、中温和低温系统3级复叠循环运行泵热使制冷工质在第三室内换热器(7)中冷凝放热使水箱中的水沸腾汽化加湿空气,在环境温度比较高时,采用高温与中温系统2级复叠循环泵热加湿,低温系统和中温系统主要进行温度调节和除湿运行,低温级系统按常规的单级循环可进行普通制冷、制热和一般湿度要求的冷冻除湿运行,中温系统与低温系统通过第二中间换热器(9)按复叠运行可进行两级热泵运行和小湿度要求下的深度冷冻除湿。
2.根据权利要求1所述的组合式空气处理装置,其特征是:机组冷冻除湿运行时,根据室内温度要求,采用制冷剂在2个并联的换热器内冷凝放热,其中第二室内换热器(6)为除湿后的空气复热提供热量,通过调节第一流量调节阀(23)、第二流量调节阀(49)、第三流量调节阀(51)的开度和控制其它阀门的启闭可以调节制冷剂在第二室内换热器(6)和室外换热器(10)中的冷凝量,从而控制出风温度。
3.根据权利要求1所述的组合式空气处理装,其特征是:中温和低温系统可采用相同的工质,高温系统采用单独的高温工质。
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