CN101852490B - 一种空气能二氧化碳热泵热水器 - Google Patents
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Abstract
一种空气能二氧化碳热泵热水器，它包括压缩机、涡流管、热交换器、蒸发器、膨胀阀和阀门，压缩机出口分别由第一支路连通热交换器入口、第二支路连通涡流管入口，第一、第二支路上分别设置第一阀门和第二阀门，涡流管的热端支路连通热交换器入口，涡流管的冷端支路与热交换器中部连通，热交换器出口支路连通蒸发器的入口，热交换器出口支路上设置膨胀阀，蒸发器出口支路连通压缩机的入口。本发明以二氧化碳为工质、利用涡流管效应得到更高温度的二氧化碳气体，提高了二氧化碳气体与水的换热温差，可以根据需要得到热水和开水，操作灵活，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种热水器，尤其是以二氧化碳为工质、能够提供开水或热水的二氧化碳热泵热水器，属加热装置技术领域。
背景技术
热泵热水器能够利用低温热源加热水，具有良好的经济性，该技术正在迅速发展并逐步被人们所认识。目前市场上常见的热泵热水器均采用常规氟利昂工质，存在的问题是除了会引起臭氧层破坏与温室效应外，供水温度也较低，在需要提供高温水或开水的场合，采用常规工质的热力循环性能降低很快，部分工质由于临界温度的限制，热泵热水器的出水温度很难达到要求的温度，并且当蒸发器所处的环境温度过低时，机组的效率大幅下降，热水器的出水温度更达不到要求。为了保证较高的出水温度和较大的性能系数，需采用双级压缩或多级压缩，工作流程比较复杂，运行调节不便，产品成本增加。
基于臭氧层破坏和温室效应的影响，用自然工质替代合成工质越来越受到国内外制冷界的重视。自然工质二氧化碳作为制冷工质有很多优点：它的ODP＝0，GDP＝1；使用安全，无毒；物理化学稳定性好；单位容积制冷量大，有利于减少装置体积；在超临界条件下，它的流动传热性能好；此外，二氧化碳容易获取，价格低廉，不需要回收。二氧化碳的临界温度只有31℃，处于常温范围，所以通常采用跨临界循环。在二氧化碳跨临界循环中，压缩机的排气温度比较高，一般会在80℃以上，并且二氧化碳的放热过程是在超临界压力下进行的，因此有较大的温度滑移，这个温度特别适合提供高温热水。与采用常规制冷剂的热泵热水器相比，目前二氧化碳热泵热水器的主要缺点是系统的性能系数较低，这主要是因为二氧化碳热泵在跨临界条件下运行，高压部分会达到9MPa或更高，高压二氧化碳气体经过节流装置压降很高，节流损失很大，采用膨胀机代替膨胀阀虽然提高了系统的效率，但是膨胀机结构复杂，成本很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种以二氧化碳为工质、采用涡流管利用压差提高换热温差制取热水或开水的空气能二氧化碳热泵热水器。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
一种空气能二氧化碳热泵热水器，它以二氧化碳作为制冷工质，它包括压缩机、涡流管、热交换器、蒸发器、膨胀阀和阀门，所述压缩机出口分为两个支路，分别由第一支路连通热交换器入口、第二支路连通涡流管入口，第一、第二支路上分别设置第一阀门和第二阀门，所述涡流管的热端支路连通热交换器入口，涡流管的冷端支路与热交换器管路的中部位置连通，所述热交换器出口支路连通蒸发器的入口，热交换器出口支路上设置膨胀阀，蒸发器出口支路连通压缩机的入口；热交换器内通有被加热的水。
上述空气能二氧化碳热泵热水器，它还包括回热器，回热器设置在蒸发器出口支路和热交换器出口支路中。
上述空气能二氧化碳热泵热水器，所述涡流管冷端支路与热交换器管路连接处的位置是指冷端支路中的气体温度与热交换器管路连接处的气体温度相同的位置。
上述空气能二氧化碳热泵热水器，所述涡流管热端支路上设置第三阀门，所述涡流管冷端支路上设置第四阀门。
本发明针对现有热泵热水器出水温度难以提高的问题进行了改进，主要特点如下：1.采用自然工质二氧化碳作为制冷剂，安全环保、来源广泛、价格低廉，并且二氧化碳的放热过程有较大的温度滑移，适合提供高温热水；2.利用涡流管效应得到更高温度的二氧化碳气体，提高了二氧化碳气体与水的换热温差，经过涡流管后的高压二氧化碳气体压力变低，膨胀阀的压降变小，从而减小了节流损失，提高了循环效率，节约能耗；3.可以根据需要通过阀门转换控制高温水和开水的制取，操作灵活，使用方便。基于上述特点，本发明广泛适用于宾馆、公共浴室、医院、疗养院、学校、健身中心等热水或开水需要量大的场所。
附图说明
图1是本发明结构原理示意图。
图中各标号含义如下：1.压缩机、2.第一支路、3.第一阀门、4.第二支路、5.第二阀门、6.涡流管、7.涡流管冷端支路、8.第四阀门、9.涡流管热端支路、10.第三阀门、11.热交换器、12.来水管、13.热水管、14.热交换器出口支路、15.回热器、16.膨胀阀、17.蒸发器、18.蒸发器出口支路。
具体实施方式
参看图1，本发明包括压缩机1、涡流管6、热交换器11、回热器15、膨胀阀16、风冷式蒸发器17和阀门。从压缩机1出口排出的高温高压二氧化碳气体分成两个支路，第一支路2经过第一阀门3进入热交换器11，二氧化碳工质被冷却后进入回热器15进一步降温，然后在膨胀阀16处膨胀进入蒸发器17吸收空气热量，再经回热器15升温后进入压缩机1；第二支路4经过第二阀门5后进入涡流管6，二氧化碳气体经涡流管膨胀后分成冷热两股气流，热气流经过涡流管热端支路9、第三阀门10从热交换器11入口送入热交换器中；冷气流经过涡流管冷端支路7、第四阀门8与热交换器11管路的中部位置送入。在设计中，送入位置应考虑与降温后热端气流的温度相同或接近，二氧化碳气体在热交换器中进行热交换后进入回热器15，并进一步降温，然后经膨胀阀16膨胀进入蒸发器17吸收空气热量，变成气态，再经回热器进一步升温后送入压缩机1，完成一个循环。上述两个支路根据运行工况靠切换阀门的启闭控制，不同时使用。所述热交换器11为逆流式换热器，换热表面一边是二氧化碳工质，一边是被加热的水，换热器外表面包裹保温材料。
本发明所用涡流管6是通过内部器件来控制和达到所需要的温度和流量的部件。高压气体由涡流管入口进入喷嘴，膨胀降压后沿切线方向进入涡流室，形成自由流，经动能交换分离成温度不等的两部分，中心部分为冷气流，边缘部分为热气流，分别从涡流管的冷、热两端流出，冷热气流的比例可以调节。在同样的压力降下，经过涡流管后冷热流混合后温度与通过节流阀节流后气流温度相同。因此采用涡流管作为二氧化碳热泵系统的节流部件，不但可以利用其热端出口高温气流放出热量加热来水，放热后与冷端气流混合后温度比同压差通过节流阀节流后温度要低，也就是说不但可以对外加热，还可以提高节流效果。
仍参看图1，本发明工作过程如下：当需要提供高温水时，第一阀门3开启，第二阀门5、第三阀门10、第四阀门8关闭。经压缩机1压缩后的高温高压二氧化碳气体经过第一阀门3进入热交换器11，高温高压二氧化碳气体在热交换器中与来水管12的来水换热，高温高压二氧化碳气体放热温度降低，来水吸热后变为高温水，热水管13提供高温热水。温度降低的二氧化碳气体从热交换器11排出后进入回热器15，在回热器中被由蒸发器17来的低温二氧化碳气体进一步冷却。被进一步冷却的二氧化碳气体从回热器排出后经过膨胀阀16节流后进入蒸发器17，在蒸发器中蒸发为气体，吸收空气中的热量，再经过回热器15与来自热交换器的二氧化碳气体换热后进入压缩机1压缩成高温高压气体，从而完成一个循环。
仍参看图1，当需要提供开水时，第二阀门5、第三阀门10、第四阀门8开启，第一阀门3关闭。经压缩机1压缩后的高温高压二氧化碳气体经过第二阀门5后进入涡流管6，高温高压二氧化碳气体经过涡流管膨胀后，一部分变为相对低温二氧化碳气体从涡流管冷端支路7排出，一部分变为相对高温二氧化碳气体从涡流管热端支路9排出。涡流管冷端支路排出的相对低温二氧化碳气体经过第四阀门8从与降温后热端气流温度相同的位置通入热交换器11，与热交换器入口来的二氧化碳气体混合后与来水换热。涡流管热端支路9排出的相对高温二氧化碳气体经过第三阀门10进入热交换器11，相对高温二氧化碳气体将来水管12的来水加热成开水后，与进入热交换器中部位置的相对低温二氧化碳气体混合与来水换热。来水吸热后变为高温开水，热水管13提供高温开水。混合后的二氧化碳气体与来水换热后从热交换器11排出后进入回热器15，在回热器中与被蒸发器来的低温二氧化碳气体进一步冷却。被进一步冷却的二氧化碳气体从回热器排出后经过膨胀阀16节流后进入蒸发器17，在蒸发器中蒸发为气体，吸收空气中的热量，再经过回热器15与来自热交换器的二氧化碳气体换热后进入压缩机1压缩成高温高压气体，从而完成一个循环。
Claims (4)
1.一种空气能二氧化碳热泵热水器，其特征在于：它以二氧化碳作为制冷工质，它包括压缩机(1)、涡流管(6)、热交换器(11)、蒸发器(17)、膨胀阀(16)和阀门，所述压缩机出口分为两个支路，分别由第一支路(2)连通热交换器入口、第二支路(4)连通涡流管入口，第一、第二支路上分别设置第一阀门(3)和第二阀门(5)，所述涡流管(6)的热端支路(9)连通热交换器(11)入口，涡流管的冷端支路(7)与热交换器管路的中部位置连通，所述热交换器出口支路(14)连通蒸发器(17)的入口，热交换器出口支路(14)上设置膨胀阀(16)，蒸发器出口支路(18)连通压缩机(1)的入口；热交换器内通有被加热的水。
2.根据权利要求1所述的空气能二氧化碳热泵热水器，其特征在于：它还包括回热器(15)，回热器设置在蒸发器出口支路(18)和热交换器出口支路(14)中。
3.根据权利要求1或2所述的空气能二氧化碳热泵热水器，其特征在于：所述涡流管冷端支路与热交换器管路连接处的位置是指冷端支路中的气体温度与热交换器管路连接处的气体温度相同或接近的位置。
4.根据权利要求3所述的空气能二氧化碳热泵热水器，其特征在于：所述涡流管热端支路(9)上设置第三阀门(10)，所述涡流管冷端支路(7)上设置第四阀门(8)。
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