CN102788392A - 一种热管热泵复合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管热泵复合系统，即将传统的热泵压缩制冷技术与热管换热技术相结合，主要由冷凝器、蒸发器、压缩机、节流阀、储液罐、两个循环泵、电磁阀、四个单向阀以及电路控制元件构成，整个装置系统包括热泵循环系统和热管循环系统两大部分，热管循环系统有蒸发循环回路和冷凝循环回路，电路控制元件控制着系统的运行状态，当室内所需设定温度低于室外温度时，使用热泵循环进行制冷，当室内所需设定温度高于室外温度时，控制器切断压缩机信号，这时压缩机停止工作，热管装置开始工作，利用热管进行换热，这种热管热泵复合系统不仅使热泵热管制冷装置进行了融合，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，提高了制冷效率。

Description

一种热管热泵复合系统

技术领域

本发明属于制冷和传热技术领域，涉及一种将热管系统和热泵系统相复合形成的进行传热和制冷的热管热泵复合系统。

背景技术

目前用于调控环境温度的空调系统主要组成为室内热交换机和室外热交换机，这种空调系统可以通过室内热交换机中压缩机的高耗能来实现对冷凝剂的温度调控，从而间接的改变室内环境温度，这种空调系统并没有做到很好的节约能源，当室外温度低于室内温度时，因为某种原因（外界灰尘浓度大、空气污染等）不能开启窗户进行直接空气对流降温，这时还不得不开启高耗能的压缩机进行温度调节，这种现象在高温防尘环境（机房、电室等特殊高温场合）表现的特别明显，由于使用场合散热设备集中、散热量大、空间温度高、升温快、防尘要求高等特性，使得在这里使用传统空调很难节约能量，即使室外温度比室内温度低很多时还不得不启动热泵系统降温。

近年来，为推进节能减排步伐，出现了诸如新风利用、热管技术等多种节能产品，对于采用传统机械制冷的方案而言，虽然可以保证室内空间降温的安全性，但由于空调设备全年制冷运行，无法从根本上实现空调的运行节能；而对于新风利用、热管等技术方案，虽然能够在过渡季和冬季利用室外自然冷量对室内空间进行降温，但存在室内洁净度、湿度控制困难，初投资或维护成本过高，节能设备与主空调设备的耦合控制困难等问题。

对于基站、机房以及其他内部发热量较高需全年供冷的类似建筑空间（诸如建筑内区、地下建筑、工艺厂房等）的内部空间冷却，理想的技术方案应以冷却可靠性、运行节能性和投资经济性为指导原则。冷却可靠性是前提；运行节能性是基础，高效、安全、稳定地利用冬季和过渡季的室外自然冷能是实现机房和基站空调节能的必由之路，同时也是实现该领域空调节能的关键所在；投资经济性是决定技术方案能否得到推广应用的必要条件，只有成本和节能性均衡的技术方案才具有长久的市场生命力。

一年四季中的某些季节，如冬季和春秋两季，在室外温度比室内放热区域的设定温度低且不能进行室内外空气对流的情况下，还没有一种系统可以在这种情况下不用开启高耗能的压缩机就可以进行室内控温的，即使在这种情况下，现有的空调系统还得启动高耗能的压缩机特别是那些发热量集中对清洁度要求高的的工作场合对环境来控制温度，这种仍旧采用热泵系统进行降温来冷却的方案是不节能的，从而导致电能的无谓浪费 ，营运成本居高不下。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，为解决热泵系统中存在的能耗大问题，而提供一种结构简单、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。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种热管热泵复合系统，主要由冷凝器、蒸发器、压缩机、节流阀、储液罐、蒸发器循环泵、冷凝器循环泵、电磁阀、单向阀一、单向阀二、单向阀三、单向阀四、导气管、导液管以及电路控制元件构成；所述冷凝器和蒸发器这两个换热器主要是实现能量的输运；所述储液罐进液管和储液罐的端口位于储液罐内液态制冷剂液面的上部；所述储液罐出液管和储液罐的端口位于储液罐内液态制冷剂液面的下部；这样压缩机、冷凝器、单向阀一、储液罐、单向阀二、节流阀、蒸发器通过连接管道按照上列顺序连接起来，组成了一个热泵循环回路；所述单向阀三、储液罐以及单向阀四所形成的回路并联与压缩机上，且单向阀三的输出端以及单向阀四的输入端位于储液罐内液态制冷剂液面的上部；所述蒸发器循环泵和电磁阀串联形成的支路与单向阀二和节流阀串联形成的支路并联，冷凝器循环泵所在支路与单向阀一所在支路并联；这样蒸发器、蒸发器导气管、单向阀三、储液罐、蒸发器循环泵、电磁阀、蒸发器导液管按上述顺序连接成一个蒸发循环回路，冷凝器、冷凝器导液管、冷凝器循环泵、储液罐、单向阀四、冷凝器导气管按上述顺序连接成一个冷凝循环回路；所述储液罐为蒸发循环回路与冷凝循环回路的接合点，蒸发循环和冷凝循环同时进行，在储液罐交汇作用下，蒸发循环产生的气体工作介质进入冷凝循环，冷凝循环产生的液态工作介质进入蒸发循环，这样两个循环有机结合构成双循环热管系统，当系统以热泵循环方式工作时，压缩机开启，单向阀一和单向阀二处于导通状态，同时蒸发器循环泵和冷凝器循环泵关闭，电磁阀、单向阀三以及单向阀四处于截止状态；当系统以热泵循环方式工作时，循蒸发器循环泵和冷凝器循环泵开启，电磁阀、单向阀三以及单向阀四处于导通状态，压缩机关闭，单向阀一和单向阀二处于截止状态，上述两种循环可以根据环境和需求进行切换工作。

以上所述储液灌为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐的功能是实现循环工作介质的气液分离和储存工作介质；储液罐容积大小应与蒸发器和冷凝器的容积相匹配；储液罐实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在储液罐的制冷工质输入端设置滤网或挡板，以实现丝网分离或折流分离。

以上所述冷凝器循环泵应选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流输送泵，可选择齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵、往复式活塞泵，使气态制冷剂和液态制冷剂可以同时通过，并可通过调节循环泵流量来实现调节系统传热量，蒸发器循环泵可以选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流输送泵，也可以选择一般的液体输送泵；所述冷凝器循环泵和蒸发器循环泵可以由同一个电机驱动，也可以由两个电机分别驱动；所述冷凝器循环泵和蒸发器循环泵的流量应相等或相近。

以上所述电磁阀主要是在压缩机工作的时候处于关闭状态，阻止储液罐内液体直接通过蒸发器循环泵所在支路进入蒸发器；所述节流阀可以是热膨胀阀或电子膨胀阀。

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，根据需要可以实现自动化启停。

本发明与现有技术相比，将动力热管技术和压缩制冷技术相互融合、优势互补、充分利用自然换热的节能技术，可实现冷却可靠性、运行节能性和投资经济性的兼顾和平衡，当室内所需设定温度比室外温度低时通过热泵循环进行散热降温，当室内所需设定温度比室外温度高时通过热管循环进行散热降温；对于温带地区，一年中有超出三分之二的时间是室外温度比室内所需设定温度（通常为25度左右）低，这样在大部分时间下此系统只需要在热管节能模式下工作，高耗能压缩机无需启动，只用启动低耗能的热管节能模块和风机，节能效果较好，因此在全年控温运行中，由于这两种热管换热和压缩制冷技术复合性设计的优势，使得此复合系统的制冷能效比优于一般的空调，节能效果显著，可以应用于基站、机房以及以及其他内部发热量较高需全年供冷的类似建筑空间（诸如建筑内区、地下建筑、工艺厂房等）等领域的散热控温。

附图说明

图1为热管热泵复合系统的实施方式结构示意图。

图中：（1）冷凝器；（2）蒸发器；（3）储液罐；（4）节流阀；（5）压缩机；（6）蒸发器循环泵；（7）冷凝器循环泵；（8）电磁阀；（9）单向阀一；（10）单向阀二；（11）单向阀三；（12）单向阀四；（13）储液罐进液端；（14）储液罐出液端；（15）单向阀三的输出端；（16）单向阀四的输入端；（17）冷凝器导液管；（18）储液罐进液管；（19）储液罐出液管；（20）蒸发器导液管；（21）蒸发器导气管；（22）冷凝器导气管；（23）单向阀三的输出管；（24）单向阀四的输入管。

具体实施方式：

图1所示一种热管热泵复合系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、储液罐（3）、节流阀（4）、压缩机（5）、蒸发器循环泵（6）、冷凝器循环泵（7）、电磁阀（8）、单向阀一（9）、单向阀二（10）、单向阀三（11）、单向阀四（12）、储液罐进液端（13）、储液罐出液端（14）、单向阀三的输出端（15）、单向阀四的输入端（16）、冷凝器导液管（17）、储液罐进液管（18）、储液罐出液管（19）、蒸发器导液管（20）、蒸发器导气管（21）、冷凝器导气管（22）、单向阀三的输出管（23）、单向阀四的输入管（24）以及电路控制元件；所述压缩机（5）、冷凝器导气管（22）、冷凝器（1）、冷凝器导液管（17）、单向阀一（9）、储液罐（3）、单向阀二（10）、节流阀（4）、蒸发器导液管（20）、蒸发器（2）以及蒸发器导气管（21）通过连接管道按照上列顺序连接起来，组成了一个热泵循环回路；所述单向阀三（11）、储液罐（3）以及单向阀四（12）所形成的回路并联与压缩机（5）上，蒸发器循环泵（6）和电磁阀（8）串联形成的支路与单向阀二（10）和节流阀（4）串联形成的支路并联，冷凝器循环泵（7）所在支路与单向阀一（9）所在支路并联；这样蒸发器（2）、蒸发器导气管（21）、单向阀三（11）、储液罐（3）、蒸发器循环泵（6）、电磁阀（8）、蒸发器导液管（20）按上述顺序连接成一个蒸发循环回路，冷凝器（1）、冷凝器导液管（17）、冷凝器循环泵（7）、储液罐（3）、单向阀四（12）、冷凝器导气管（22）按上述顺序连接成一个冷凝循环回路，所述储液罐（3）为蒸发循环回路与冷凝循环回路的接合点，它把两个循环有机结合构成热管双循环回路，上述两种循环可以根据环境和需求进行切换工作。

当使用热泵循环方式工作模式时，压缩机（5）开启，单向阀一（9）和单向阀二（10）处于导通状态，同时蒸发器循环泵（6）和冷凝器循环泵（7）关闭，电磁阀（8）、单向阀三（11）以及单向阀四（12）处于截止状态，压缩机（5）从蒸发器（2）内部抽取气态工质，通过压缩机（5）气态制冷剂变成高温高压状态并向冷凝器（1）输送，高温高压气态制冷剂通过冷凝器导气管（22）进入冷凝器（1）中，然后高温高压气态制冷剂在冷凝器（1）中散热，部分气体液化，气液两相制冷剂在高压气态制冷剂的推动下由冷凝器导液管（17）经单向阀一（9）所在支路进入储液灌（3），气液制冷中间介质根据各自物理性质在储液罐内分离，高压液态中间介质通过储液罐出液端（14）依次经储液罐出液管（19）、单向阀二（10）、节流阀（4）以及蒸发器导液管（20）进入到蒸发器（2）中进行下一次循环。

使用热管换热工作模式时，循蒸发器循环泵（6）和冷凝器循环泵（7）开启，电磁阀（8）、单向阀三（11）以及单向阀四（12）处于导通状态，压缩机（5）关闭，单向阀一（9）和单向阀二（10）处于截止状态，蒸发器循环泵（6）把液态工作介质从储液罐（3）抽入并经蒸发器导液管（20）送至蒸发器（2），蒸发器（2）同时与高温热源相接触，液态工作介质在蒸发器（2）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在高速流动中相互混合形成气液二相流体，它们从蒸发器（2）流出依次经蒸发器导气管（21）和单向阀三（11）回到储液罐（3），进入储液罐（3）的气液二相流体在重力作用下完成气液分离，从而完成蒸发循环；在冷凝器循环泵（7）的抽吸力作用下，储液罐（3）中的气态工作介质通过冷凝器导气管（22）进入冷凝器（1），冷凝器（1）同时与低温热源相接触，气态工作介质在冷凝器（1）内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体和部分没有液化的气体在高速流动中混合成气液二相流体，它们从冷凝器（1）流出经冷凝器导液管（17）和冷凝器循环泵（7）回到储液罐（3），进入储液罐（3）的气液二相流体在重力作用下完成气液分离，从而完成冷凝循环；蒸发循环和冷凝循环同时进行，在储液罐（3）交汇作用下，蒸发循环产生的气体工作介质进入冷凝循环，冷凝循环产生的液态工作介质进入蒸发循环，同时把热量从蒸发器搬运至冷凝器。

这样这种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（其可以完全自动控制，也可以通过人工手动控制调节工作状态）运行于热泵制冷工作模式或热管换热工作模式，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，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，压缩机关闭，机组自动进入热管换热工作模式，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 (6)

1.一种热管热泵复合系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、压缩机（5）、节流阀（4）、储液罐（3）、导气管、导液管和电路控制元件，其特征在于，还包括蒸发器循环泵（6）、冷凝器循环泵（7）、电磁阀（8）、单向阀一（9）、单向阀二（10）、单向阀三（11）以及单向阀四（12）；所述冷凝器（1）和蒸发器（2）这两个换热器主要是实现能量的输运；所述储液罐进液管（18）和储液罐（3）的端口（13）位于储液罐（3）内液态制冷剂液面的上部；所述储液罐出液管（19）和储液罐（3）的端口（14）位于储液罐（3）内液态制冷剂液面的下部；这样压缩机（5）、冷凝器（1）、单向阀一（9）、储液罐（3）、单向阀二（10）、节流阀（4）、蒸发器（2）通过连接管道按照上列顺序连接起来，组成了一个热泵循环回路；所述单向阀三（11）、储液罐（3）以及单向阀四（12）所形成的回路并联与压缩机（5）上，且单向阀三的输出端（15）以及单向阀四的输入端（16）位于储液罐（3）内液态制冷剂液面的上部；所述蒸发器循环泵（6）和电磁阀（8）串联形成的支路与单向阀二（10）和节流阀（4）串联形成的支路并联，冷凝器循环泵（7）所在支路与单向阀一（9）所在支路并联；这样蒸发器（2）、蒸发器导气管（21）、单向阀三（11）、储液罐（3）、蒸发器循环泵（6）、电磁阀（8）、蒸发器导液管（20）按上述顺序连接成一个蒸发循环回路，冷凝器（1）、冷凝器导液管（17）、冷凝器循环泵（7）、储液罐（3）、单向阀四（12）、冷凝器导气管（22）按上述顺序连接成一个冷凝循环回路，所述储液罐（3）为蒸发循环回路与冷凝循环回路的接合点，它把两个循环有机结合构成双循环热管系统；当系统以热泵循环方式工作时，压缩机（5）开启，单向阀一（9）和单向阀二（10）处于导通状态，同时蒸发器循环泵（6）和冷凝器循环泵（7）关闭，电磁阀（8）、单向阀三（11）以及单向阀四（12）处于截止状态；当系统以热泵循环方式工作时，循蒸发器循环泵（6）和冷凝器循环泵（7）开启，电磁阀（8）、单向阀三（11）以及单向阀四（12）处于导通状态，压缩机（5）关闭，单向阀一（9）和单向阀二（10）处于截止状态，上述两种循环可以根据环境和需求进行切换工作。

2.根据权利要求1所述的一种热管热泵复合系统，其特征在于，所述储液灌（3）为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐（3）的功能是实现循环工作介质的气液分离和储存工作介质；储液罐（3）容积大小应与蒸发器（2）和冷凝器（1）的容积相匹配；储液罐（3）实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在储液罐（3）的制冷工质输入端设置滤网或挡板，以实现丝网分离或折流分离。

3.根据权利要求1所述的一种热管热泵复合系统，其特征在于，所述冷凝器循环泵（7）应选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流输送泵，蒸发器循环泵（6）可以选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流输送泵，也可以选择一般的液体输送泵；所述冷凝器循环泵（7）和蒸发器循环泵（6）可以由同一个电机驱动，也可以由两个电机分别驱动；所述冷凝器循环泵（7）和蒸发器循环泵（6）的流量应相等或相近。

4.根据权利要求3所述的一种热管热泵复合系统，其特征在于，所述冷凝器循环泵（7）应选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流循环泵，可选择齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵、往复式活塞泵，使气态制冷剂和液态制冷剂可以同时通过，并可通过调节循环泵流量来实现调节系统传热量。

5.根据权利要求1所述的一种热管热泵复合系统，其特征在于，所述电磁阀（8）主要是在压缩机（5）工作的时候处于关闭状态，阻止储液罐（3）内液体直接通过蒸发器循环泵（6）所在支路进入蒸发器（2）；所述节流阀（4）可以是热膨胀阀或电子膨胀阀。

6.根据权利要求1所述的一种热管热泵复合系统，其特征还在于：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，根据需要可以实现自动化启停。

Images