CN102777995B

CN102777995B - 一种多级热管热泵复合系统

Info

Publication number: CN102777995B
Application number: CN201210319421.1A
Authority: CN
Inventors: 祝长宇; 丁式平
Original assignee: Beijing Deneng Hengxin Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Deneng Hengxin Technology Co Ltd
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-09-03
Also published as: CN102777995A

Abstract

本发明公开了一种多级热管热泵复合系统，主要由一级热管热泵复合单元、二级热管热泵复合单元、三级热管热泵复合单元、蒸发器风扇、冷凝器风扇、热交换器、连接管道以及电路控制元件，可以根据需要做成4—N级热管热泵复合单元；所述一级热管热泵复合单元、二级热管热泵复合单元和三级热管热泵复合单元分别都是一个独立的循环回路，相互并联，其中所有蒸发器相互并排摆放，分别有自己的独立输入输出端，组装于同一个壳体内并且位于蒸发器风扇形成的风道内，共用一个蒸发器风扇；所有冷凝器互并排摆放，分别有自己的独立输入输出端，组装于同一个壳体内并且位于冷凝器风扇形成的风道内，共用一个冷凝器风扇；所述电路控制元件控制着系统的运行状态；这种多级热管热泵复合系统不仅使热管热泵制冷装置进行了融合，还解决了现有热管热泵制冷装置换热温差损失大和总换热效率低的问题。

Description

一种多级热管热泵复合系统

技术领域

本发明属于冷热能量输运技术领域，涉及一种将热管系统和热泵系统系统相复合形成的进行冷热能量输运的多级热管热泵复合系统。

背景技术

信息机房、基站类建筑中,室内设备的发热量非常大,达200~1000W/m²。而且室内IT设备全年8760h运行,因此大多数情况下全年需要供冷,其空调能耗非常大,常占到信息机房、基站整体能耗的40%~50%。传统机房空调采用压缩机制冷方式全年运行,而实际上在冬天或者过渡季节室外温度低于室内温度时,完全可以利用室外低温空气作为冷源对室内供冷,而不需要压缩机。热管换热器就是一种利用温差驱动制冷剂循环实现热量传递的设备,由于其不需要压缩机,可凭借制冷剂的蒸发和冷凝过程传递热量,具有超导热性和等温特性,被广泛应用于航天航空、空调、化工、炼油等领域。将热管换热器应用在只有显热传递的信

息机房中,可以大量减少压缩式制冷空调的运行时间,其全年节能率可达50%。

申请人早先申请的专利申请号为201210266600.3、201210269424.9、201210273880.0和201210279193.X的专利为解决热泵系统中存在的能耗大问题，而给出了一种结构简单、实施容易、节能减排的热管热泵复合系统，根据室内外温度和室内负荷情况,机组选择性地以热泵循环或热管循环模式运行,在保证室内降温要求的前提下实现节能运行的目标，这种热管热泵复合系统不仅使热泵制冷热管传热技术相互融合,实现两者优势互补，还解决了现有热泵制冷装置制冷时气液分离和循环不稳定上的一些弊端，提高了制冷传热效率，但是排风口的排放温度很高，热损失仍然很大。

热管换热器的总驱动温差为室内外温差,单级热管换热器内部制冷剂的恒温特性导致热管换热装置热损失大,本申请在前面的基础上，可通过增加热管级数将具有恒温特性的中间媒介改为具有变温特性的媒介和通过增加热泵级数的设计是实现减少换热温差损失和提高总换热效率的有效途径。单级热管换热器改为多级形式，每一级热管中的制冷剂均视为恒温流体,则多级热管能实现变温效果的换热装置，且每级换热器的换热面积相同，最终排放温度接近于环境温度，从而最大限度的提高热能利用率；单级热泵系统改为多级形式的设计也能够更好地匹配制冷系统的动态冷负荷，并且所用整个系统装置结构简单，环境友好。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，为解决单级热管热泵系统中存在换热温差损失大和总换热效率低的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种多级热管热泵复合系统，包括一级热管热泵复合单元、蒸发器风扇、冷凝器风扇、热交换器、储液稳流器、压缩机、循环泵、电磁阀、单向阀以及连接管道，还包括二级热管热泵复合单元以及三级热管热泵复合单元，可以根据需要做成4—N级热管热泵复合单元，其中一级热管热泵复合单元、二级热管热泵复合单元和三级热管热泵复合单元分别都是一个独立的循环回路，且相互并联；所述一级热管热泵复合单元、二级热管热泵复合单元和三级热管热泵复合单元的蒸发器相互并排摆放，分别有自己的独立输入输出端，组装于同一个壳体内并且位于蒸发器风扇形成的风道内，共用一个蒸发器风扇；所述一级热管热泵复合单元、二级热管热泵复合单元和三级热管热泵复合单元的冷凝器互并排摆放，分别有自己的独立输入输出端，组装于同一个壳体内并且位于冷凝器风扇形成的风道内，共用一个冷凝器风扇。

以上所述单向阀二、单向阀四和单向阀六分别并联在每一级的压缩机上，每一级的循环泵和电磁阀串联的支路与单向阀和节流阀串联的支路并联，它们的输入端连接于储液稳流器，输出端连接于蒸发器；这样，所述循环泵、电磁阀、蒸发器、单向阀（即与每一级的压缩机并联的单向阀）、冷凝器以及储液稳流器通过连接管道每一级都按照上列顺序连接起来，组成了一个多级热管循环回路；所述压缩机、冷凝器、储液稳流器、单向阀（即与节流阀串联所在支路的单向阀）、节流阀以及蒸发器通过连接管道每一级都按照上列顺序连接起来，就组成了一个多级热泵循环回路。

以上所述多级热泵制冷工作模式工作时，所有压缩机开启，单向阀一、单向阀三以及单向阀五处于导通状态，同时所有循环泵关闭，单向阀二、单向阀四、单向阀六以及所有电磁阀都处于关闭状态；所述多级热管换热工作模式工作时，所有压缩机关闭，单向阀一、单向阀三以及单向阀五也处于截止状态，所有循环泵开启，单向阀二、单向阀四、单向阀六以及所有电磁阀都处于导通状态。

以上所述一级热管热泵复合单元、二级热管热泵复合单元和三级热管热泵复合单元的蒸发器和冷凝器都是盘管翅片组成的热交换器或者微通道换热器，其结构相同，且每一级的热交换器都有各自输入和输出端。

以上所述一级热管热泵复合单元、二级热管热泵复合单元和三级热管热泵复合单元分别都是一个独立的循环回路，它们有独立的压缩机和循环泵，其工作运行时相互不影响。

以上所述电路控制部分控制着整个装置的电路逻辑运算和设备运行开关，主要是通过一些温度检测设备监控着高温环境和低温环境的一些温度变化，选择性地运行多级热泵制冷工作模式或多级热管制冷工作模式，并且可以根据需要避免“大马拉小车”的情况，选择使热泵制冷工作模式或热管制冷工作模式的部分单元相互替代间歇性的工作，这样在一定程度上也延长了整个系统的使用寿命。

本发明与现有技术相比，通过单级热管换热器改为多级形式将具有恒温特性的中间媒介改为具有变温特性的媒介，每一级热管中的制冷剂均视为恒温流体,则多级热管能实现变温效果的换热装置，通过单级热泵系统改为多级形式的设计，蒸发器或冷凝器的温差成逐级变化，还能够更好地匹配制冷系统的动态冷负荷，且每级换热器的换热面积相同，最终排放温度接近于环境温度，从而这种热管热泵复合系统能够减少换热温差损失和提高总换热效率，并且所用整个系统装置结构简单，环境友好。

附图说明

图1为多级热管热泵复合系统的实施方式结构示意图。

图中：（11）一级热管热泵复合单元；（12）二级热管热泵复合单元；（13）三级热管热泵复合单元；（2）蒸发器风扇；（3）冷凝器风扇；（41）蒸发器一；（42）蒸发器二；（43）蒸发器三；（51）冷凝器一；（52）冷凝器二；（53）冷凝器三；（61）压缩机一；（62）压缩机二；（63）压缩机三；（71）储液稳流器一；（72）储液稳流器二；（73）储液稳流器三；（81）循环泵一；（82）循环泵二；（83）循环泵三；（91）节流阀一；（92）节流阀二；（93）节流阀三；（101）电磁阀一；（102）电磁阀二；（103）电磁阀三；（111）单向阀一；（112）单向阀二；（113）单向阀三；（114）单向阀四；（115）单向阀五；（116）单向阀六。

具体实施方式：

图1所示一种多级热管热泵复合系统，包括一级热管热泵复合单元（11）；二级热管热泵复合单元（12）；三级热管热泵复合单元（13）；蒸发器风扇（2）；冷凝器风扇（3）；蒸发器一（41）；蒸发器二（42）；蒸发器三（43）；冷凝器一（51）；冷凝器二（52）；冷凝器三（53）；压缩机一（61）；压缩机二（62）；压缩机三（63）；储液稳流器一（71）；储液稳流器二（72）；储液稳流器三（73）；循环泵一（81）；循环泵二（82）；循环泵三（83）；节流阀一（91）；节流阀二（92）；节流阀三（93）；电磁阀一（101）；电磁阀二（102）；电磁阀三（103）；单向阀一（111）；单向阀二（112）；单向阀三（113）；单向阀四（114）；单向阀五（115）；单向阀六（116）以及连接管道和电路控制元件，整个系统可以根据需要做成4—N级热管热泵复合单元；所述压缩机（61；62；63）、冷凝器（51；52；53）、储液稳流器（71；72；73）、单向阀（111；113；115）、节流阀（91；92；93）以及蒸发器（41；42；43）通过连接管道每一级都按照上列顺序连接起来，就组成了一个多级热泵循环回路；所述每一级的单向阀（112；114；116）分别并联在压缩机（61；62；63）上，每一级的循环泵（81；82；83）和电磁阀（101；102；103）串联的支路与单向阀（111；113；115）和节流阀（91；92；93）串联的支路并联，它们的输入端连接于储液稳流器（71；72；73），输出端连接于蒸发器（41；42；43）；这样循环泵（81；82；83）、电磁阀（101；102；103）、蒸发器（41；42；43）、单向阀（112；114；116）、冷凝器（51；52；53）以及储液稳流器（71；72；73）通过连接管道每一级都按照上列顺序连接起来，组成了一个多级热管循环回路，这样这两个循环根据环境和需求进行交换工作就组成了一种多级热管热泵复合系统。

当使用多级热泵制冷工作模式时，压缩机（61；62；63）开启，单向阀（111；113；115）处于导通状态，同时循环泵（81；82；83）关闭，电磁阀（101；102；103）和单向阀（112；114；116）处于关闭状态，由于压缩机（61；62；63）的抽压力，单向阀（112；114；116）所在支路几乎没有制冷工质的通过，这样液态冷凝剂在蒸发器（41；42；43）中吸热降低室内温度，吸热后的液态冷凝剂变成气态，通过压缩机（61；62；63）压缩气态制冷剂变成高温高压状态，高温高压气态制冷剂通过冷凝器（51；52；53）导气管进入冷凝器（51；52；53）中，然后高温高压气态制冷剂在冷凝器（51；52；53）中散热变成液态制冷剂，液态制冷剂在高压气态制冷剂的推动下进入储液稳流器（71；72；73）中，气液制冷中间介质根据各自物理性质在储液罐内分离，高压液态中间介质经单向阀（111；113；115）进入节流阀（91；92；93），进行减压节流进入到蒸发器（41；42；43）中进行下一次循环。

使用多级热管制冷工作模式时，压缩机（61；62；63）关闭，单向阀（111；113；115）也处于截止状态，循环泵（81；82；83）开启，电磁阀（101；102；103）和单向阀（112；114；116）处于导通状态，循环泵（81；82；83）从储液稳流器（71；72；73）内抽取配有一定比例的二相流制冷工质，经电磁阀（101；102；103）进入蒸发器（41；42；43），蒸发器（41；42；43）与高温热源接触，液态工作介质在蒸发器（41；42；43）内受高温热源的加热而蒸发为气体，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体中间介质在高速流动中相互混合形成气液二相流体，它们从蒸发器（41；42；43）中输出，经单向阀（112；114；116）进入冷凝器（51；52；53），冷凝器（51；52；53）与低温热源接触，气态工作介质在冷凝器（51；52；53）内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体工作介质在循环泵（81；82；83）的抽压力作用下，经冷凝器（51；52；53）导液管进入储液稳流器（71；72；73）中，其进行气液分离、储存与分流，进行下一次循环。

这样这种多级热管热泵复合系统可以根据室内所需设定温度和室外温度的差异，选择性地运行多级热泵制冷工作模式或多级热管制冷工作模式，并且可以根据需要避免“大马拉小车”的情况，选择使热泵制冷工作模式或热管制冷工作模式的部分单元相互替代间歇性的工作，在保证室内降温要求的前提下达到节能运行；当室外温度较高或者室内负荷过大时，多级热管热泵复合系统运行热泵制冷工作模式，工作原理与一般变频或者非变频空调相同，室内的热量通过蒸汽压缩制冷循环散至室外空间，达到室内空间的降温冷却效果；当室外温度低于室内温度一定值时，压缩机组关闭，机组自动进入热管制冷工作模式，通过热管节能模块把气态制冷剂带至冷凝器中冷凝放热，最后成为冷凝液，冷凝液又在热管节能模块作用下流至蒸发器吸收热量，整个系统通过热管节能模块将室内热量向室外传递。

Claims

1.一种多级热管热泵复合系统，包括一级热管热泵复合单元（11）、蒸发器风扇（2）、冷凝器风扇（3）、热交换器以及连接管道，其特征在于，还包括二级热管热泵复合单元（12）以及三级热管热泵复合单元（13），可以根据需要做成4—N级热管热泵复合单元，其中一级热管热泵复合单元（11）、二级热管热泵复合单元（12）和三级热管热泵复合单元（13）分别都是一个独立的循环回路，且相互并联；所述一级热管热泵复合单元（11）、二级热管热泵复合单元（12）和三级热管热泵复合单元（13）包括蒸发器（41；42；43）、冷凝器（51；52；53）、压缩机（61；62；63）、储液稳流器（71；72；73）、循环泵（81；82；83）、节流阀（91；92；93）、电磁阀（101；102；103）、单向阀（111；112；113；114；115；116）以及连接管道和电路控制元件；每一级的单向阀（112；114；116）分别并联在压缩机（61；62；63）上，每一级的循环泵（81；82；83）和电磁阀（101；102；103）串联的支路与单向阀（111；113；115）和节流阀（91；92；93）串联的支路并联，它们的输入端连接于储液稳流器（71；72；73），输出端连接于蒸发器（41；42；43）；这样，所述循环泵（81；82；83）、电磁阀（101；102；103）、蒸发器（41；42；43）、单向阀（112；114；116）、冷凝器（51；52；53）以及储液稳流器（71；72；73）通过连接管道每一级都按照上列顺序连接起来，组成了一个多级热管循环回路；所述压缩机（61；62；63）、冷凝器（51；52；53）、储液稳流器（71；72；73）、单向阀（111；113；115）、节流阀（91；92；93）以及蒸发器（41；42；43）通过连接管道每一级都按照上列顺序连接起来，就组成了一个多级热泵循环回路；所述一级热管热泵复合单元（11）、二级热管热泵复合单元（12）和三级热管热泵复合单元（13）的蒸发器（41；42；43）相互并排摆放，分别有自己的独立输入输出端，组装于同一个壳体内并且位于蒸发器风扇（2）形成的风道内，共用一个蒸发器风扇（2）；所述一级热管热泵复合单元（11）、二级热管热泵复合单元（12）和三级热管热泵复合单元（13）的冷凝器（53；52；51）互相并排摆放，分别有自己的独立输入输出端，组装于同一个壳体内并且位于冷凝器风扇（3）形成的风道内，共用一个冷凝器风扇（3）。

2.根据权利要求1所述的一种多级热管热泵复合系统，其特征在于，多级热泵制冷工作模式工作时，压缩机（61；62；63）开启，单向阀（111；113；115）处于导通状态，同时循环泵（81；82；83）关闭，电磁阀（101；102；103）和单向阀（112；114；116）处于关闭状态；所述多级热管换热工作模式工作时，压缩机（61；62；63）关闭，单向阀（111；113；115）也处于截止状态，循环泵（81；82；83）开启，电磁阀（101；102；103）和单向阀（112；114；116）处于导通状态。

3.根据权利要求1所述的一种多级热管热泵复合系统，其特征在于，所述一级热管热泵复合单元（11）、二级热管热泵复合单元（12）和三级热管热泵复合单元（13）的蒸发器（41；42；43）和冷凝器（53；52；51）都是盘管翅片组成的热交换器或者微通道换热器，其结构相同，且每一级的热交换器都有各自输入和输出端。

4.根据权利要求1所述的一种多级热管热泵复合系统，其特征在于，所述一级热管热泵复合单元（11）、二级热管热泵复合单元（12）和三级热管热泵复合单元（13）分别都是一个独立的循环回路，它们有独立的压缩机和循环泵，其工作运行时相互不影响。