CN102798184B - 一种热管热泵复合系统 - Google Patents
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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自然换热的热管技术相结合，主要由冷凝器、蒸发器、压缩机、节流阀、储液稳流器、电磁阀、四通阀以及电路控制元件构成，整个系统包括热泵循环系统和热管循环系统两大部分；所述四通阀的作用使制冷工质流动方向改变，达到冷凝器和蒸发器的作用互换；这样整个系统就包括四个循环，即热泵制冷循环、热泵制热循环以及热管的正向和反向的两个循环；所述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，控制器调节压缩机频率，使其转速降低，作为一个循环泵使用，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
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、节流阀一、节流阀二、四通阀、储液稳流器、电磁阀一、电磁阀二、导气管、导液管以及电路控制元件构成，这样把自然换热的双向循环热管循环与可同时制冷制热的热泵压缩式循环组合实现能量的输运；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；所述压缩机通过四通阀连接于冷凝器和蒸发器之间；所述节流阀一接入冷凝器和储液稳流器端口一之间，节流阀二接入蒸发器和储液稳流器端口二之间；所述电磁阀一接入冷凝器和储液稳流器端口三之间，电磁阀二接入蒸发器和储液稳流器端口四之间；所述四通阀主要是更改管道内制冷工质的流动方向，达到将蒸发器和冷凝器的功能调换；所述储液稳流器在热泵压缩式循环时主要作为一般的储液罐使用，储存工作介质，实现工作介质的气液分离，在双向循环热管循环时除了以上功能还起到合理分配循环回路中的液体工作介质和气体工作介质的流量比例，在循环回路中形成稳定的工作介质二相流的作用；这样压缩机开启，电磁阀一和节流阀二处于导通状态，电磁阀二和节流阀一处于截止状态，压缩机通过四通阀从蒸发器中抽取制冷气态工质送入冷凝器，从冷凝器输出的制冷工作介质经电磁阀一所在支路进入储液稳流器，最后经节流阀二送入蒸发器，就组成了一个热泵制冷循环回路，通过使节流阀一和电磁阀二的导通，电磁阀一和和节流阀二的截止，蒸发器和冷凝器功能的调换，就组成了一个热泵制热循环回路；所述压缩机通过降频开启，充当循环泵功能，电磁阀一和电磁阀二都处于导通状态，这样压缩机通过四通阀从冷凝器抽取液态制冷工质，再经四通阀送入到蒸发器中，蒸发器与高温热源接触，部分液体吸热气化，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，它们从蒸发器流出经电磁阀二进入储液稳流器中，然后经电磁阀一所在支路进入到冷凝器中进行下一次循环，就完成了一个热管正向循环回路；通过四通阀换向更改管道内制冷工质的流动方向，来实现蒸发器和冷凝器功能的调换，这样压缩机通过四通阀从蒸发器抽取液态制冷工质，再经四通阀送入到冷凝器中，在冷凝器中蒸发流出经电磁阀一进入储液稳流器中，然后经电磁阀二所在支路进入到蒸发器中，就完成了一个热管反向循环回路；上述四种循环可以根据环境和需求进行切换工作。
以上所述储液稳流器为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，其有四个外接接口，分别是：储液稳流器端口一、储液稳流器端口二、储液稳流器端口三以及储液稳流器端口四；所述储液稳流器端口一和储液稳流器端口二处于储液稳流器内液态制冷工质的液面下部；所述储液稳流器端口三和储液稳流器端口四分别与气液配流管一和气液配流管二连接；所述气液配流管一主要有进气口一和进液孔一两部分构成，气液配流管二主要有进气口二和进液孔二两部分构成，进气口一和进气口二处于储液稳流器内液态制冷工质的液面上部，进液孔一和进液孔二处于储液稳流器内液态制冷工质的液面下部；这样就构成了整个储液稳流器；储液稳流器容积大小应与蒸发器和冷凝器的容积相匹配；储液稳流器实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在储液稳流器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。
以上所述进液孔一和进液孔二中孔的数量可以是一个或多个组成，可以是一条沿管道方向的回流缝，其代替多个沿管道输送方向分布的进液孔一和进液孔二的作用；进液孔一、进液孔二或者回流缝中流入的少量液态制冷剂的流量有其孔径大小和个数或者缝隙宽度和长度来控制，也就是经储液稳流器内液态工质液面高低来控制进液孔一和进液孔二中的孔的个数或者回流缝的长度，使其流入的液态补充量适宜，来满足整个循环系统的二相流循环的需求。
以上所述压缩机在热泵循环时压缩气态工作介质，在热管循环时输送以液态为主的二相流工作介质；所述压缩机应选择既能压缩气体又能输送液体的滚动活塞压缩机、往复活塞压缩机和螺杆压缩机；在传输热量的功率相同时，压缩机在热泵循环时压缩气态工作介质所需的体积流量要远大于在热管循环时输送以液态为主的二相流工作介质所需的体积流量，所述压缩机应选择变频压缩机，在热泵循环时压缩机选择高转速状态，在热管循环时压缩机选择低转速状态。
以上所述在热管循环模式和压缩机循环模式互换时，导气管和导液管的功能也需要互换，这样就要求导液管最好应选择与导气管横截面积相同的管道，所述节流阀一和节流阀二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变换和启停。
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2为热管热泵复合系统的热泵制冷循环示意图。
图3为热管热泵复合系统的热泵制热循环示意图。
图4为热管热泵复合系统的热管正向循环示意图。
图5为热管热泵复合系统的热管反向循环示意图。
图6为该系统储液稳流器的结构示意图。
图7为该系统回流孔和回流缝的平面结构示意图。
图中：（1）冷凝器；（2）蒸发器；（3）节流阀一；（4）节流阀二；（5）压缩机；（6）四通阀；（7）电磁阀一；（8）电磁阀二；（9）储液稳流器；（10）气液配流管一；（11）气液配流管二；（12）进液孔一；（13）进液孔二；（14）进气口一；（15）进气口二；（16）储液稳流器端口一；（17）储液稳流器端口二；（18）储液稳流器端口三；（19）储液稳流器端口四。
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）、节流阀一（3）、节流阀二（4）、压缩机（5）、四通阀（6）、电磁阀一（7）、电磁阀二（8）、储液稳流器（9）、气液配流管一（10）、气液配流管二（11）、进液孔一（12）、进液孔二（13）、进气口一（14）、进气口二（15）、储液稳流器端口一（16）、储液稳流器端口二（17）、储液稳流器端口三（18）、储液稳流器端口四（19）以及电路控制元件；所述蒸发器（2）、四通阀（6）、压缩机（5）、冷凝器（1）、电磁阀一（7）、储液稳流器（9）以及节流阀二（4）通过连接管道按照上列顺序连接起来，组成了一个热泵制冷循环回路，通过电磁阀二（8）所在支路取代节流阀二（4）所在支路、节流阀一（3）所在支路取代电磁阀一（7）所在支路以及四通阀（6）的换向更改管道内制冷工质的流动方向，蒸发器（2）和冷凝器（1）功能的调换，就组成了一个热泵制热循环回路；所述蒸发器（2）、电磁阀二（8）、储液稳流器（9）、电磁阀一（7）、冷凝器（1）、四通阀（6）、压缩机（5）、以及通过连接管道按照上列顺序连接起来，可以直接通过四通阀（6）的关闭和开启更改管道内制冷工质的流动方向使蒸发器（2）和冷凝器（1）的功能调换，这样就组成了一个热管正向和反向循环回路；上述四种循环可以根据环境和需求进行切换工作。
当使用热泵制冷循环方式工作模式时，如附图2所示，图中循环箭头的方向为热泵工质的流动方向；压缩机（5）和电磁阀一（7）处于开启状态，电磁阀二（8）和节流阀一（3）处于关闭状态，压缩机（5）经四通阀（6）从蒸发器（2）内部抽取低温低压气态工质，使蒸发器（2）内压力降低，液态制冷工质在低压下发生低温相变而实现对蒸发器所在区域的冷却降温，经压缩机（5）吸入压缩成为高温高压的气体徘出，气体经四通阀（6）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（1）经电磁阀一（8）所在支路进入储液稳流器（9），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稳流器端口二（17）进入节流阀二（4），此时高压液体节流降压进入到蒸发器（2）中进行下一次循环。
当使用热泵制热循环方式工作模式时，如附图3所示，图中循环箭头的方向为热泵工质的流动方向；压缩机（5）、电磁阀二（8）以及节流阀一（3）处于开启状态，电磁阀一（7）和节流阀二（4）处于关闭状态，冷凝器（1）和蒸发器（2）的功能调换，也就是冷凝器（1）起到蒸发器的作用，蒸发器（2）起到冷凝器的作用，通过四通阀（6）的开启，制冷工质的流动方向和热泵制冷循环方式工作模式时的相反，这样压缩机（5）经四通阀（6）从冷凝器（1）内部抽取低温低压气态工质，使冷凝器（1）内压力降低，液态制冷工质在低压下发生低温相变而实现对冷凝器所在区域的冷却降温，经压缩机（5）吸入压缩成为高温高压的气体徘出，气体经四通阀（6）进入蒸发器（2）中，然后高温高压气态制冷剂在蒸发器（2）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蒸发器（2）经电磁阀二（9）所在支路进入储液稳流器（9），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稳流器端口一（16）进入节流阀一（3），此时高压液体节流降压进入到冷凝器（1）中进行下一次循环。
使用热管换热正向循环工作模式时，如附图4所示，图中循环箭头的方向为热管工质的流动方向；压缩机（5）通过降频开启，充当循环泵功能，电磁阀一（7）以及电磁阀二（8）都处于开启状态，冷凝器（1）与低温热源接触，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，冷凝形成的液体工作介质在压缩机（5）的带动下，它们从冷凝器（1）经四通阀（6）进入压缩机（5），再经四通阀（6）进入到蒸发器（2）中，蒸发器（2）与高温热源接触，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（2）流出经电磁阀二（8）进入储液稳流器（9）中，气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在储液罐内分离，气态中间介质通过进气口（4）进入气液配流管一（10），液态中间介质通过回液孔一（12）进入气液配流管一（10），经电磁阀一（7）所在支路进入到冷凝器（1）中进行下一次循环，这样就完成了一次节能热管换热正向的循环过程。
使用热管换热反向循环工作模式时，如附图4所示，图中循环箭头的方向为热管工质的流动方向；压缩机（5）通过降频开启，充当循环泵功能，电磁阀一（7）和电磁阀二（8）都处于开启状态，四通阀（6）换向，制冷工质的流动方向和在热管换热正向循环工作模式时的相反，来实现蒸发器（2）和冷凝器（1）功能的调换，其部件的开启与运行与以上热管换热正向循环工作模式相同。
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）运行于热泵制冷制热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 (4)
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）、导气管、导液管和电路控制元件，其特征在于，还包括节流阀一（3）、节流阀二（4）、四通阀（6）、储液稳流器（9）、电磁阀一（7）、以及电磁阀二（8）六个部分；所述压缩机（5）通过四通阀（6）连接于冷凝器（1）和蒸发器（2）之间；所述节流阀一（3）接入冷凝器（1）和储液稳流器端口一（16）之间，节流阀二（4）接入蒸发器（2）和储液稳流器端口二（17）之间；所述电磁阀一（7）接入冷凝器（1）和储液稳流器端口三（18）之间，电磁阀二（8）接入蒸发器（2）和储液稳流器端口四（19）之间；所述储液稳流器（9）在热泵循环时具有储存工作介质、实现工作介质的气液分离的功能，在热管循环时同时具有储存工作介质、实现工作介质的气液分离以及合理分配循环回路中的液体工作介质和气体工作介质的流量比例形成稳定的工作介质二相流的功能；这样压缩机（5）开启，电磁阀一（7）和节流阀二（4）处于导通状态，电磁阀二（8）和节流阀一（3）处于截止状态，压缩机（5）通过四通阀（6）从蒸发器（2）中抽取制冷气态工质送入冷凝器（1），从冷凝器（1）输出的制冷工作介质经电磁阀一（7）所在支路进入储液稳流器（9），最后经节流阀二（4）送入蒸发器（2），就组成了一个热泵制冷循环回路，通过使节流阀一（3）和电磁阀二（8）的导通，电磁阀一（7）和和节流阀二（4）的截止，蒸发器（2）和冷凝器（1）功能的调换，就组成了一个热泵制热循环回路；所述压缩机（5）通过降频开启，充当循环泵功能，电磁阀一（7）和电磁阀二（8）都处于导通状态，这样压缩机（5）通过四通阀（6）从冷凝器（1）抽取液态制冷工质，再经四通阀（6）送入到蒸发器（2）中，蒸发器（2）与高温热源接触，部分液体吸热气化，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（2）流出经电磁阀二（8）进入储液稳流器（9）中，然后经电磁阀一（7）所在支路进入到冷凝器（1）中进行下一次循环，就完成了一个热管正向循环回路；通过四通阀（6）换向更改管道内制冷工质的流动方向，来实现蒸发器（2）和冷凝器（1）功能的调换，这样压缩机（5）通过四通阀（6）从蒸发器（2）抽取液态制冷工质，再经四通阀（6）送入到冷凝器（1）中，在冷凝器（1）中蒸发流出经电磁阀一（7）进入储液稳流器（9）中，然后经电磁阀二（8）所在支路进入到蒸发器中，就完成了一个热管反向循环回路；上述四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，所述储液稳流器（9）为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，其有四个外接接口，分别是：储液稳流器端口一（16）、储液稳流器端口二（17）、储液稳流器端口三（18）以及储液稳流器端口四（19）；所述储液稳流器端口一（16）和储液稳流器端口二（17）处于储液稳流器（9）内液态制冷工质的液面下部；所述储液稳流器端口三（18）和储液稳流器端口四（19）分别与气液配流管一（10）和气液配流管二（11）连接；所述气液配流管一（10）主要有进气口一（14）和进液孔一（12）两部分构成，气液配流管二（11）主要有进气口二（15）和进液孔二（13）两部分构成，进气口一（14）和进气口二（15）处于储液稳流器（9）内液态制冷工质的液面上部，进液孔一（12）和进液孔二（13）处于储液稳流器（9）内液态制冷工质的液面下部；这样就构成了整个储液稳流器（9）；储液稳流器（9）实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在储液稳流器（9）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2所述的一种热管热泵复合系统，其特征在于，所述进液孔一（12）和进液孔二（13）中孔的数量可以是一个或多个组成，可以是一条沿管道方向的回流缝，其代替多个沿管道输送方向分布的进液孔一（12）和进液孔二（13）的作用；进液孔一（12）、进液孔二（13）或者回流缝中流入的少量液态制冷剂的流量由其孔径大小和个数或者缝隙宽度和长度来控制。
4.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，所述压缩机（5）在热泵循环时压缩气态工作介质，在热管循环时输送以液态为主的二相流工作介质；所述压缩机（5）应选择既能压缩气体又能输送液体的滚动活塞压缩机、往复活塞压缩机和螺杆压缩机；在传输热量的功率相同时，压缩机（5）在热泵循环时压缩气态工作介质所需的体积流量要远大于在热管循环时输送以液态为主的二相流工作介质所需的体积流量，所述压缩机（5）应选择变频压缩机，在热泵循环时压缩机（5）选择高转速状态，在热管循环时压缩机（5）选择低转速状态。
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