CN102116529A - 二氧化碳压缩机热泵热水系统 - Google Patents

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Abstract

一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,包括二氧化碳压缩系统;一次性加热换热系统,与二氧化碳压缩系统的输出端连接,并连接有入水管道以实现水与二氧化碳的热交换;通过一次性加热换热系统连接入水管道,以收集加热后的热水的蓄水系统,该蓄水系统具有连接出水管道的供热水口;以及连接一次性加热换热系统,以对热交换后的二氧化碳进行蒸发的热交换系统,该热交换系统与二氧化碳压缩系统的输入端连接。本发明可完全采用二氧化碳工质,实现稳定高温的热水输出,具有高效节能、适应环境温度广,产水温度高、占地面积小及适用范围广等优点。

Description

二氧化碳压缩机热泵热水系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种热泵热水系统,尤其是一种高效节能环保的二氧化碳压缩机热泵 热水系统。
背景技术
[0002] 热泵热水系统通过输入少量电能即可获得较高的热能,可应用在家庭、宾馆、桑 拿、沐足、部队、学校等需要生活用热水或地暖的场所,也可以用于工矿企业等生产工艺需 要用到高温热水、高温烤房的用热能领域。目前市面上常见的热泵热水设备,通常采用氟利 昂或类似的物质作为工质,而由于这一类工质的特殊性,当冬季或环境温度比较低的时候, 对水的加热温度不足,出现不能产生热水或热水产出不稳定的情况,不能满足工矿企业的 工艺用高温热水、高温烤房等用热要求;而且,限于目前的工质,现有的热泵设备产品,大多 用在长江以南的南方,冬季温度较高的地区,而北方地区则由于冬季温度过低,热泵的水温 大多达不到要求,因此不能够使用热泵,仅能使用各种传统高耗能的设备,对节能环保均不 甚有利。
[0003] 由于二氧化碳的特性,可作为一种较为理想的制冷工质,其无毒,不易燃,对环境 的副作用小且价格低廉,然而,采用二氧化碳通常效率较低,应用于热泵领域的技术难点较 多,效率远远不及氟利昂工质的设备,因此目前在行业内,二氧化碳技术一直是研究的热点 与难点。
发明内容
[0004] 针对上述问题,本实用新型提供了一种利用二氧化碳作为工质,通过特定的压缩 机,输入少量能量,即可输出高于输入能量的热泵热水系统,以保证在低温环境下仍能够稳 定正常地产生高于70°C的高温热水,从而解决温度过低环境下不能使用热泵热水系统的问题。
[0005] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是: 一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,包括:
二氧化碳压缩系统;
一次性加热换热系统,与二氧化碳压缩系统的输出端连接,并连接有入水管道以实现 水与二氧化碳的热交换;
通过一次性加热换热系统连接入水管道,以收集加热后的热水的蓄水系统,该蓄水系 统具有连接出水管道的供热水口 ;以及
连接一次性加热换热系统,以对热交换后的二氧化碳进行蒸发的热交换系统,该热交 换系统与二氧化碳压缩系统的输入端连接。
[0006] 作为上述方案的进一步改进,上述蓄水系统包括至少二个保温蓄水箱,其中第一 个保温补水箱设有补水进口与入水管道连接,供热水口设置于最后一个保温补水箱,保温 蓄水箱依次连接在一起,与入水管道及出水管道形成串联关系;上述保温蓄水箱内设置有供二氧化碳流通的浸泡式冷凝器,该浸泡式冷凝器串连于一次性加热换热系统及热交换系 统之间。
[0007] 第一个保温蓄水箱的浸泡式冷凝器至最后一个保温蓄水箱的浸泡式冷凝器依次 串联于一次性加热换热系统及热交换系统之间。
[0008] 作为上述方案的进一步改进,上述热交换系统包括余热回收器、化霜换热器及蒸 发器,所述余热回收器与浸泡式冷凝器连接;所述蒸发器连接余热回收器及二氧化碳压缩 系统,以对经过余热回收器后的二氧化碳进行蒸发,并将蒸发气化后的二氧化碳输入二氧 化碳压缩系统;所述保温蓄水箱内设置有容纳防冻液的化霜换热装置,所述化霜换热器设 置于余热回收器及蒸发器之间,并通过化霜循环供液管及化霜循环回液管与化霜换热装置 相连形成防冻液循环回路。
[0009] 上述蒸发器旁设有排风风扇。
[0010] 上述化霜换热器与化霜换热装置相连接的管道上设有膨胀罐。
[0011] 作为上述方案的进一步改进,上述一次性加热换热系统包括一即热补水换热器, 该即热补水换热器包括同轴且相互套设在一起的大、中、小管道,其中大、中管道之间形成 第一水流通道,中、小管道之间形成二氧化碳工质通道,小管道内形成第二水流通道,第一、 第二水流通道的输入端连接入水管道,输出端连接蓄水系统,二氧化碳工质通道的输入端 连接二氧化碳压缩系统,输出端连接至浸泡式冷凝器。
[0012] 上述中、小管道为螺纹管,且螺纹的螺旋方向相反;所述大管道为螺纹管或光管。
[0013] 上述供热水口高于最后一个保温补水箱内的浸泡式冷凝器。
[0014] 上述化霜换热装置设置于最后一个保温补水箱内,所述化霜循环供液管位于供热 水口的下方,所述化霜循环回液管位于保温补水箱底部。
[0015] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
高效节能:本发明为采用二氧化碳工质的热泵热水系统,通过一次性加热换热系统可 对水进行一次性升温加热,一次性加热换热系统可采用即热补水换热器,达到二氧化碳工 质与水的充分接触,热传导效率高;经一次性加热换热系统加热后并由蓄水系统储存的水, 可采用浸泡式方法,由浸泡式冷凝器与蓄水系统内的水进行换热,而对水直接加热,不需要 有循环泵的能耗,并能够使热水达到所需要的温度;此外热交换系统可对热交换后的二氧 化碳进行蒸发,并可回收再利用余热,达到热能的合理应用,进一步提升了系统效率,并有 利于进一步节省能耗;
适应环境温度广,产水温度高:采用二氧化碳工质超临界运行,能保证稳定产生高于 70°C的热水,并可适应诸如北方冬季或夜晚的气候环境;
占地面积小:采用本发明的一次性加热换热系统及蓄水系统的热交换技术,在提高系 统效率,保证生产高温水的同时,可减少蓄水系统的容积,有利于减小占地面积,使得本发 明的适应环境能力更为出色;
适用范围广:本发明可稳定产生高温热水,适于家庭、宾馆、桑拿、沐足、部队、学校等需 要生活、商用热水或地暖的场所,也可满足各类工矿企业高温生产工艺热能应用的需求。
附图说明
[0016] 下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明:图1为本发明的系统结构示意图; 图2为即热补水换热器的结构示意图; 图3为即热补水换热器的管道截面示意图。
具体实施方式
[0017] 如图1所示,本发明所提供的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,采用二氧化碳 作为工质,其主要有二氧化碳压缩系统1、一次性加热换热系统2、蓄水系统3及热交换系统 4组成。
[0018] 二氧化碳压缩系统1包括二氧化碳压缩机11,用于压缩二氧化碳工质,在其输出 管道上设置有高压开关12,在其输入管道上设置有低压开关13,对系统起到保护作用,当 系统压力高于高压开关12所设定的最高值或低于低压开关13所设定的最低值,则停机保 护;此外在二氧化碳压缩机11输出管道及输入管道之间通过一循环管道连通,并设置油气 分离器14,再通过油气分离器14连接至一次性加热换热系统2以输出二氧化碳工质,配合 管道上设置的电磁阀15,可分离二氧化碳工质中多余的油,再送回二氧化碳压缩机11中。
[0019] 一次性加热换热系统2,与二氧化碳压缩系统1连接,通过油气分离器14输入二氧 化碳工质,并连接有入水管道51以输入冷水,由二氧化碳工质与输入的冷水进行热交换, 从而将冷水加热,再进行输出。
[0020] 入水管道51用于接水源,为系统输入冷水,在入水管道51上依次设置有截止阀 511、过滤器512、补水电磁阀513、流量调节阀514及水流开关515,以保证供水要求。
[0021] 在本发明优选的实施方式中,一次性加热换热系统2包括一即热补水换热器21, 如图2所示,该即热补水换热器21包括同轴且相互套设在一起的大管道211、中管道212及 小管道213,其中大管道211及中管道212之间形成第一水流通道214,中管道212及小管 道213之间形成二氧化碳工质通道215,小管道213内则形成第二水流通道216,第一水流 通道214及第二水流通道216均用于供水流通,其输出端连接入水管道51,输出端连接蓄水 系统3,二氧化碳工质通道215输出端连接二氧化碳压缩系统1,输出端连接至浸泡式冷凝 器6。采用此结构,能保证二氧化碳工质与冷水的全面接触,提高热交换的效率,整体采用较 短的管道,就能够达到需要的热交换效果,使得系统结构更为合理,达到二氧化碳工质热量 的充分利用,并有利于减小体积及占地面积;此外,第一水流通道214及第二水流通道216 与二氧化碳工质通道215的流向相反,即在即热补水换热器21中,第一水流通道214及第 二水流通道216的输入端位于二氧化碳工质通道215的输出端处,而第一水流通道214及 第二水流通道216的输出端则与二氧化碳工质通道215的输入端同侧,使得水与二氧化碳 工质在即热补水换热器21中的流向相反,这样能够达到出色的换热效果。
[0022] 另外如图3所示,作为本发明的优选方案,中管道212与小管道213为螺纹管,且 两者的螺旋方向相反,大管道211为光管或是与螺旋方向中管道212相反的螺纹管,采用上 述结构,在水流从第一水流通道214、第二水流通道216流过时,螺纹结构使得水流产生紊 流或沿一个方向产生旋转涡流,而二氧化碳工质通道215内流过的二氧化碳工质,则产生 紊流或相反方向的旋转涡流,两者配合,加快了二氧化碳工质与水的热交换速度,确保了换 热彻底,有利于提高热交换效率。
[0023] 本发明中,蓄水系统3设置有补水进口 301,通过补水管道53连接一次性加热换热系统,用于收集经过一次性加热换热系统2加热后的热水,同时设置有供热水口 302,连接 出水管道52,通过管道上的供热水泵521,以输出合适的热水。作为本发明的优选方案,蓄 水系统3包括至少二个保温蓄水箱31,补水进口 301设置于第一个保温蓄水箱31上,一般 位于下部位置,供热水口 302则设置于最后一个保温蓄水箱31,保温蓄水箱31之间均通过 热水溢流管32依次连接在一起,与入水管道51及出水管道52形成串联关系,这样经一次 性加热换热系统2加热的热水,通过补水管道53首先进入蓄水系统3的第一个保温蓄水箱 31内,再通过热水溢流管32流到后面的保温蓄水箱31,最终流入最后一个保温蓄水箱31 ; 相配合于串联的保温蓄水箱31,在每一个保温蓄水箱31内设置有浸泡式冷凝器6,该浸泡 式冷凝器6用于供二氧化碳工质通过,其串联于一次性加热换热系统2与热交换系统4之 间,通过一次性加热换热系统2换热后的二氧化碳工质,将首先流入浸泡式冷凝器6,由位 于保温蓄水箱31内的浸泡式冷凝器6对二氧化碳工质的余热进行再利用,由于浸泡式冷凝 器6 —般设置于保温蓄水箱31底部,保温蓄水箱31内较冷的水也会沉积在底部,因此通过 浸泡式冷凝器6可以有效利用二氧化碳工质的余热来对水进行再次加热及保温,有效利用 了热能,提高了工作效率,相应的与溢流管32的连接口位于保温蓄水箱31的较高位置,较 热的水则依次流向下一个保温蓄水箱31,保证后面的保温蓄水箱31内的水始终较热。此外 浸泡式冷凝器6设置在底部,保证了在保温蓄水箱31有水时,能够随时接触水;为保证系统 的稳定供水,在最后一个保温蓄水水箱31内,可设置水位高度测试装置,如落差式补水水 位仪303,以配合入水管道51的补水电磁阀513,在保温蓄水水箱31的水位过低时进行补 水。
[0024] 为了使得加热效果更好,作为本发明的优选方式,第一个保温蓄水箱31的浸泡式 冷凝器6至最后一个保温蓄水箱31的浸泡式冷凝器6依次串联于一次性加热换热系统2 及热交换系统4之间,即经过一次性加热换热系统2的二氧化碳工质,首先进入最后一个保 温蓄水箱31的浸泡式冷凝器6,保证了温度最高状态下的二氧化碳工质,直接传热给最后 一个保温蓄水箱31内的水,使得此保温蓄水箱31的水,始终保持在最热状态,在二氧化碳 工质经过该最后一个保温蓄水箱31的浸泡式冷凝器6后,再依次向前,在最终进入第一个 保温蓄水箱31的浸泡式冷凝器6时,二氧化碳工质的热量已基本得到了充分利用,最后再 将二氧化碳工质传输到热交换系统4。
[0025] 本发明所设有的热交换系统4,通过浸泡式冷凝器6连接到一次性加热换热系统, 对热交换后的二氧化碳工质进行蒸发吸热,该热交换系统4与二氧化碳压缩系统1的输入 端连接,将蒸发吸热后的二氧化碳工质传输给二氧化碳压缩系统1进行压缩再利用。作为 本发明的优选实施方式,热交换系统4包括余热回收器41、化霜换热器42及蒸发器43。其 中余热回收器41通过二氧化碳工质管道与与第一个保温蓄水箱31的浸泡式冷凝器6连 接,经过再次利用的二氧化碳工质将传输到余热回收器41 ;蒸发器43通过管道连接余热回 收器41,且管道上设置节流装置控制流量,经余热回收器41的二氧化碳工质传输到蒸发器 43进行蒸发气化,并最终传输给二氧化碳压缩系统1 ;化霜换热器42位于余热回收器及蒸 发器43之间,用于化霜防止热交换系统4冰冻,本发明为此独立设置一条防冻液循环回路 配合化霜换热器42,其中在保温蓄水箱31内设置化霜换热装置421,供防冻液通过,化霜换 热器42通过通过化霜循环供液管422及化霜循环回液管423与化霜换热装置421相连,并 在化霜循环供液管422或化霜循环回液管423上设置化霜循环泵424、流水开关425、过滤器似6等部件,化霜换热装置421吸收保温蓄水箱31内热水的热量,经由化霜循环供液管 422传输给化霜换热器42,由于化霜换热器42贴于蒸发器43,因此经蒸发器43内的二氧化 碳工质蒸发所吸收的热量可以由化霜换热器42内的防冻液获得,并且保证了不结霜,经过 化霜换热器42的防冻液,再由化霜循环回液管423传输回化霜换热装置421,吸收热水的热 量,进而形成了循环回路;此外在霜循环供液管422或化霜循环回液管423上可设置膨胀罐 46,可防止防冻液热胀损坏设备,并可作为加注防冻液的注液口使用。作为优选实施方式, 热交换系统4还包括吹风方向由余热回收器41朝蒸发器43的排风扇44,可用于吹干蒸发 器43上的水分防止冰冻,并有利于蒸发器43吸收余热回收器41及化霜换热器42的热量。 在最后一个保温蓄水箱31内,化霜换热装置421可设置在底部,如同浸泡式冷凝器6 —样, 采用静态的浸泡式进行热交换,而为了不影响最后一个保温蓄水箱31对热水的供应,浸泡 式冷凝器6与化霜换热装置421可交替排布在保温蓄水箱31内,并且,最后一个保温蓄水 箱31的供热水口 302高度可高于浸泡式冷凝器6,同时将保温蓄水箱31与化霜循环供液管 422的连接口设置于供热水口 302的下方,与化霜循环回液管423的连接口设置于保温蓄水 箱31的底部,防冻液对保温蓄水箱31内热量的吸收,不会影响对热水的正常稳定供应。
[0026] 根据上述实施例,本发明在工作过程中,补水与供水方式为:当落差式补水水位仪 303的水位Sl及S2断开时,补水电磁阀513打开,入水管道51开始补冷水,冷水经过流量 调节阀514进入一次性加热换热系统2的即热补水换热器5,冷水通过一次性加热后,进入 蓄水系统3的保温蓄水箱31,其中水的加热温度可进行设置,并在设置温度后调节冷水流 量,使之恒温输出;进入保温蓄水箱31的热水经浸泡式冷凝器6再次加温,并通过热水溢流 管32流向后一个保温蓄水箱31,并最终进入最后一个保温蓄水水箱31,最后一个保温蓄水 水箱31内的热水经过浸泡式冷凝器6再次加热,通过供热水泵521提供动力而由出水管道 52上输出热水,供应给用水终端;而当落差式补水水位仪303的水位Sl及S2同时接通时 则停止补水,如此可保证恒定的热水供应。作为较佳的实施例,可在连接蓄水系统3的补水 管道53上设置补水温度传感器531,根据采集道热水温度参数,以调节流量调节阀514的开 度,进而控制流量。
[0027] 二氧化碳压缩系统1的加热方式通过水流开关515控制:当落差式补水水位仪 303的水位Sl及S2断开时,补水电磁阀513打开开始补冷水,此时水流开关515打开,二氧 化碳压缩系统启动,高温二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机11输出,排气后经过即热补水 换热器21把冷水直接一次性升温至所需温度;当落差式补水水位仪303的水位Sl及S3接 通时,补水电磁阀513关闭,停止补水,此时水流开关515将断开,二氧化碳压缩系统1即停 止运行。当蓄水系统3内的水温达到二氧化碳压缩系统1的启动条件时,机组启动,开始加 热,高温二氧化碳工质通过浸泡式冷凝器6先在最后一个保温蓄水箱31内换热后,再依次 流向前一个保温蓄水箱31的浸泡式冷凝器6进行换热,这样的流向可以保证二氧化碳工质 被充分换热,而二氧化碳工质充分换热后的余热,再经过热交换系统4的余热回收器41换 热后经节流装置45进入蒸发器43,再回到二氧化碳压缩系统,如此反复循环,水加热升温 至设置温度后机组关闭,停止加热。作为较优实施例,可由保温补水水箱31设置温度传感 器311,检测水温来决定二氧化碳压缩系统的启停。
[0028] 热交换系统4的化霜方式:可在蒸发器43处设置化霜温度传感器431,当化霜温 度传感器431采集到的参数达到需化霜的条件,则相关机组停止运行,排风扇44则不停,启动化霜循环泵46,则热交换系统4开始循环运行,防冻液在蓄水系统3内吸收热量,在化霜 换热器42内传递热量给蒸发器43,直到达到退出化霜条件时,化霜循环泵4M停止运行,而 排风扇44可不停继续运行几分钟,吹干蒸发器43上的水份。热交换系统4的化霜管路为 封闭式系统,其内部灌注防冻液防止环境温度低及蒸发温度低时管路冰胀;膨胀罐46则可 为加注防冻液口,并防止防冻液加热时膨胀损坏管道。

Claims (10)

1. 一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于包括:二氧化碳压缩系统;一次性加热换热系统,与二氧化碳压缩系统的输出端连接,并连接有入水管道,通过二 氧化碳工质与水的热交换,对水进行加热;蓄水系统,连接一次性加热换热系统,以收集经一次性加热换热系统加热后的热水,该 蓄水系统还具有连接出水管道的供热水口;以及连接一次性加热换热系统,以对热交换后的二氧化碳工质进行蒸发吸热的热交换系 统,该热交换系统与二氧化碳压缩系统的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:所述蓄水 系统包括至少二个保温蓄水箱,其中第一个保温补水箱设有补水进口与入水管道连接,所 述供热水口设置于最后一个保温补水箱,所述至少二个保温蓄水箱通过热水溢流管依次连 接在一起,与入水管道及出水管道形成串联关系;每一个保温蓄水箱内设置有供二氧化碳 流通的浸泡式冷凝器,该浸泡式冷凝器串联于一次性加热换热系统及热交换系统之间。
3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:第一个保 温蓄水箱的浸泡式冷凝器至最后一个保温蓄水箱的浸泡式冷凝器依次串联于一次性加热 换热系统及热交换系统之间。
4.根据权利要求2或3所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:所述 热交换系统包括余热回收器、化霜换热器及蒸发器,所述余热回收器与浸泡式冷凝器连接; 所述蒸发器连接余热回收器及二氧化碳压缩系统,以对经余热回收器后的二氧化碳工质进 行蒸发气化,并将蒸发气化后的二氧化碳工质输入二氧化碳压缩系统;所述保温蓄水箱内 设置有容纳防冻液的化霜换热装置,所述化霜换热器设置于余热回收器及蒸发器之间,并 通过化霜循环供液管及化霜循环回液管与化霜换热装置相连形成防冻液循环回路。
5.根据权利要求4所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:所述热交 换系统还包括吹风方向由余热回收器朝蒸发器的排风扇。
6.根据权利要求4所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:所述化霜 循环供液管或化霜循环回液管上设置有膨胀罐。
7.根据权利要求2或3中任意一项权利要求所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系 统,其特征在于:所述一次性加热换热系统包括一即热补水换热器,该即热补水换热器包括 同轴且相互套设在一起的大、中、小管道,其中大、中管道之间形成第一水流通道,中、小管 道之间形成二氧化碳工质通道,小管道内形成第二水流通道,第一、第二水流通道的输入端 连接入水管道,输出端连接蓄水系统,二氧化碳工质通道的输入端连接二氧化碳压缩系统, 输出端连接至浸泡式冷凝器;第一、第二水流通道的流向与二氧化碳工质通道的流向相反。
8.根据权利要求7所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:所述中、小 管道为螺旋方向相反的螺纹管;所述大管道为光管或螺旋方向与中管道相反的螺纹管。
9.根据权利要求4所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:所述供热 水口的高度位置高于最后一个保温补水箱内的浸泡式冷凝器。
10.根据权利要求9所述的一种二氧化碳压缩机热泵热水系统,其特征在于:所述化霜 换热装置设置于最后一个保温补水箱内,所述化霜循环供液管位于供热水口的下方,所述 化霜循环回液管位于保温补水箱底部。
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