CN100501267C - 一种多级串联水路一次加热式热泵热水机 - Google Patents

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Abstract

一种多级串联水路一次加热式热泵热水机，由至少两个相对独立的热泵系统和多级串联水系统组成，在终级(即最高级)热泵系统中加入冷凝液体制冷剂热回收器；其中：热水机组的进水连接至该制冷剂热回收器的进水口，该制冷剂热回收器的出水口连接至第一级热泵系统的冷凝器进水口，第一级热泵系统的冷凝器出水口连接至第二级热泵系统的冷凝器进水口，以此类推，直至终级热泵系统的冷凝器出水口；该制冷剂热回收器的氟侧进口接入终级热泵系统的冷凝器排出的液态制冷剂，该制冷剂热回收器的氟侧出口连接至终级热泵系统的节流装置进口。

Description

一种多级串联水路一次加热式热泵热水机
技术领域
本发明涉及一种空调机组中的热泵热水机，具体地说涉及一种多级串联水路一次加热式热泵热水机。
背景技术
在加热生活热水的整个过程中，为了使热泵热水机的压缩机尽可能工作在理想的冷凝压力，最大限度地提高制热能效比，使机组的运行更稳定可靠、工作效率更高；同时使热水系统尽可能结构简单，投入成本低，占用空间小。现有热泵热水机一般采用以下两种制热形式：
1)循环加热式(请参阅图1)，即使用侧进水通过水泵多次流过热泵热水机，被逐渐加热达到设定终止温度的热水机，其工作流程如图1所示。
循环加热式的优点是在进水温度较低时，热泵机组的压缩比较小，制热能效比较高，但随着加热的进行，进水温度不断升高，机组的压缩比逐渐增大，制热能效比随之下降。也就是说，循环加热式机组充分利用了低水温时较高的制热能效，使得整个加热过程的综合能效较高。其缺点是在循环加热式热水系统中，需要配置循环水泵和循环加热水箱，使得热水系统结构复杂，占用了较大的空间、增加了材料成本，且由于管路接点多，形成更多的故障点。
2)一次加热式(请参阅图2)，即使用侧进水流过热泵热水机的单级换热器一次，就被加热达到设定终止温度的热水机，其工作流程如图2所示。
一次加热式的优点是直接使用自来水压力，省却了循环水泵，从而降低了热水系统总能耗；出水温度恒定，能直接补热水到用户水箱，无需循环加热水箱，减少了系统投资。其缺点是因需要保证恒定的高出水温度，在整个加热过程当中，热泵机组持续工作在高冷凝温度，导致压缩机长期工作在高压缩比状态，机组的制热能效比低。
发明内容
本发明针对上述背景技术中存在的问题，提出了一种多级串联水路一次加热式热泵热水机。
本发明的多级串联水路一次加热式热泵热水机综合了现有热泵热水机的优点，有效地解决了现有热泵热水机在系统工程构成和运行中所存在的问题。
本发明提出的多级串联水路一次加热式热泵热水机，由多个(至少两个)相对独立的热泵系统和多级串联水系统组成，在终级(即最高级)热泵系统中加入冷凝液体制冷剂热回收器；其中：
热水机组的进水连接至该制冷剂热回收器的进水口，该制冷剂热回收器的出水口连接至第一级热泵系统的冷凝器进水口，第一级热泵系统的冷凝器出水口连接至第二级热泵系统的冷凝器进水口，以此类推，直至终级热泵系统的冷凝器出水口；该制冷剂热回收器的氟侧进口接入终级热泵系统的冷凝器排出的液态制冷剂，该制冷剂热回收器的氟侧出口连接至终级热泵系统的节流装置进口。
所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，多个热泵系统各自均是包括压缩机、冷凝器(即水换热器)、节流装置和蒸发器的完整回路。
所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，冷凝液体制冷剂热回收器可选用板式热交换器或套管式热交换器。
所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，热水机组的进水处设置有水流量自动控制阀。
所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，水流量自动控制阀采用最末级热泵系统的冷凝压力来控制水流量。
所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，水流量自动控制阀采用最终出水温度控制水流量。
本发明取得的有益效果：
1)本发明的多级串联水路一次加热式热泵热水机在应用过程中，直接使用自来水压力进水，经过机组，一次加热到设定水温，省却了循环水泵和循环加热水箱，使水系统结构简单、故障点少、占地面积小、投入成本低，同时省却了循环水泵能耗，系统运行更稳定、工作效率更高。这是本发明优于公知的循环加热式热泵热水机的明显特征。
2)本发明的多级串联水路一次加热式热泵热水机内部，分多级实现水的大温差加热，降低了每一级的加热温差，使得每一级热泵系统中的冷凝温度与该级进水温度的温差尽可能小，从而降低每级压缩机的排气压力和压缩比，提高每级热泵系统的制热能效比。这是本发明优于公知的一次加热式热泵热水机的明显特征。
3)本发明的多级串联水路一次加热式热泵热水机中，在机组的进水处配备水流量自动控制阀，此阀可以采用最末级热泵系统的冷凝压力来控制水流量的冷凝压力控制水阀，也可以采用最终出水温度控制水流量的温度控制水阀，保证了机组恒定的高出水温度。
附图说明
图1为公知的循环加热式热泵热水机系统流程图；
图2为公知的一次加热式热泵热水机系统流程图；
图3为本发明的系统流程图；
图4为不同形式热水机制热COP比较图；
图5为在本发明的机组内冷凝压力最高级的热泵系统中，加入冷凝液体制冷剂热回收器所产生效果的压焓图。
具体实施方式
本发明的多级串联水路一次加热式热泵热水机，是由多个相对独立的热泵系统和多级串联水系统组成，在终级(即最高级)热泵系统中加入冷凝液体制冷剂热回收器。其中的多个热泵系统各自均是包括压缩机、冷凝器(水换热器)、节流装置和蒸发器的完整回路。
其中：热水机组的进水连接至该制冷剂热回收器的进水口，该制冷剂热回收器的出水口连接至第一级热泵系统的冷凝器进水口，第一级热泵系统的冷凝器出水口连接至第二级热泵系统的冷凝器进水口，以此类推，直至终级热泵系统的冷凝器出水口；该制冷剂热回收器的氟侧进口接入终级热泵系统的冷凝器排出的液态制冷剂，该制冷剂热回收器的氟侧出口连接至终级热泵系统的节流装置进口。
为进一步地对本发明有清晰的了解，下面结合附图作详细描述。
为便于叙述，以两级串联水路一次加热热泵热水机为例进行说明。
请结合图3，本发明包括两级完整的热泵回路，即每一级热泵系统都包含压缩机1、冷凝器(即水换热器)2、节流装置3、蒸发器4，形成完整的热泵回路。水系统则通过水管路将每个热泵回路的冷凝器的进、出水口分级串联，形成对热水机组进水的分级加热，由热水机组进水口处的水流量自动控制阀5控制热水机组的水流量，以保证热水机组总出水温度达到并维持至设定终止水温。
具体地说，本发明在制热过程中，对于每级(本实施例为两级)热泵系统，压缩机吸气口吸入经过蒸发的低温低压制冷剂过热蒸气，进行压缩，产生的高温高压蒸气，由压缩机的排气口排出进入冷凝器，并被冷凝成高压的液体，经节流装置被节流，形成低温低压的湿蒸气进入蒸发器，再被蒸发汽化成低温低压的蒸气，回到压缩机的吸气端，依此循环往复，形成热泵的制热循环(此为公知技术)。在本实施例的两级串联水系统中，热水机组的进水经过一个水流量自动控制阀5，进入第一级(图3中标为系统一)的冷凝器进水口，在第一级冷凝器中吸收制冷剂的冷凝热，被加热至中间温度，从第一级冷凝器出水口出来进入第二级(图3中标为系统二)冷凝器进水口，在第二级冷凝器中吸收制冷剂的冷凝热，被加热至热水机组设定的终了水温，从第二级冷凝器出水口出来，通过热水机的总出水口，成为满足需要的热水。
例如：在环境干球温度为20℃，湿球温度为15℃的状态下，将水从20℃加热到55℃，应用公知的一次加热式热泵热水机，通过单级热泵系统，一次将水从20℃加热到55℃，冷凝温度在58℃左右，热水机组的整体制热COP约为3.4W/W。而应用本发明，两级串联水路一次加热热泵热水机，通过第一级热泵系统，先将水从20℃加热到38℃，冷凝温度在41℃左右，第一级热泵系统的制热COP约为5.0W/W；再通过第二级热泵系统，将水从38℃加热到55℃，冷凝温度在58℃左右，第二级热泵系统的制热COP约为3.4W/W；则整机的综合制热COP能达到4.5W/W左右，明显高于公知的一次加热式热泵热水机。热泵机组综合制热COP比较如图4所示，如果采用三级或更多级水路串联，这一优势会更加明显。机组的制热效率明显提高。
由于终级(本实施例中的第二级，即图中标出的系统二)热泵系统的冷凝温度最高，针对这一现象，在终级热泵系统的冷凝器后，加入一个制冷剂热回收器6(比如公知的板式热交换器或套管式热交换器)，用以回收高温液体制冷剂的热量。该制冷剂热回收器6的氟侧进口连接至终级热泵系统的冷凝器排出的液态制冷剂，氟侧出口连接至终级热泵系统的节流装置进口。加入制冷剂热回收器的作用，是让热水机组的进水(自来水)先与高温液态制冷剂换热，吸收其热量，使热水机组进水温度升高，同时，使制冷剂液体大幅过冷。从而，增大热泵机组的制热量和制热能效比，由于换热温差很大，该制冷剂热回收器6所需的换热面积较小，使多级串联水路一次加热式热泵热水机在机组成本增加不多的情况下，制热性能得到明显优化。
本发明在冷凝压力和温度最高的终级热泵系统中加入一个冷凝液体制冷剂热回收器，能充分回收高温制冷剂液体的热量，使机组进水被加热，从而明显增大热泵机组的制热量，因机组的输入功率不会因此设置而增加，故机组制热能效比也会同步增大，其效果压焓图见图5。
例如：在环境干球温度为20℃，湿球温度为15℃的状态下，将水从20℃加热到55℃，在本发明的终级(本实施例中为第二级)热泵系统的冷凝器后加入一个氟水板式热交换器，作为冷凝液体制冷剂热回收器，用机组的20℃进水，先与终级热泵系统冷凝器排出的58℃饱和制冷剂冷凝液进行大温差(58-20＝38℃)热交换，回收其热量，使制冷剂冷凝液被冷却成冷凝温度58℃，过冷度为15℃的过冷液体，同时使进水获得1.5℃温升，从而，使整个机组的制热量提高4％，机组的输入功率不因此装置而增加，故制热能效比同时提高约4％。因换热温差大，经过计算，可选择换热面积较小的热回收器，使整机的成本增加幅度很小。热泵机组综合制热性能得以优化，这是本发明在多级串联水路一次加热式热泵热水机应用的有益效果。

Claims (6)

1、一种多级串联水路一次加热式热泵热水机，由至少两个相对独立的热泵系统和多级串联水系统组成，在终级热泵系统中加入冷凝液体制冷剂热回收器；其中：
多级串联水路一次加热式热泵热水机的进水连接至该冷凝液体制冷剂热回收器的进水口，该冷凝液体制冷剂热回收器的出水口连接至第一级热泵系统的冷凝器进水口，第一级热泵系统的冷凝器出水口连接至第二级热泵系统的冷凝器进水口，以此类推，直至终级热泵系统的冷凝器出水口；该冷凝液体制冷剂热回收器的液态制冷剂侧进口接入终级热泵系统的冷凝器排出的液态制冷剂，该冷凝液体制冷剂热回收器的液态制冷剂侧出口连接至终级热泵系统的节流装置进口。
2、如权利要求1所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，多个热泵系统各自均是包括压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器的完整回路。
3、如权利要求1所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，冷凝液体制冷剂热回收器为板式热交换器或套管式热交换器。
4、如权利要求1所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，多级串联水路一次加热式热泵热水机的进水处设置有水流量自动控制阀。
5、如权利要求4所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，水流量自动控制阀采用终级热泵系统的冷凝压力来控制水流量。
6、如权利要求4所述的多级串联水路一次加热式热泵热水机，其中，水流量自动控制阀采用最终出水温度控制水流量。
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