CN103017332B - 一种蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器 - Google Patents

Abstract

一种蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，包括压缩机，高压控制器，四通阀，水箱，电磁阀,蓄热装置，电子膨胀阀,干燥过滤器，换热器,蒸发器，低压控制器。其特征在于：一方面该系统把热泵平时高效运行时的余热转存到蓄热装置内，使之作为热泵再生工况下的低温热源,有效的解决了传统热泵热气除霜时能量来源不足的问题；另一方面，该系统利用翅片表面涂有固体除湿吸附剂的换热器对被处理室外空气首先进行干燥除湿，由于除湿后的空气露点温度低于蒸发器内制冷剂的蒸发温度，实现无霜空气源热泵。当固体除湿吸附剂除湿能力减弱，系统转换为再生模式。本发明结合能够延缓甚至消除结霜，减少除霜能耗，降低压缩机排气温度，提高热水器的低温适应性。

Description

一种蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器

技术领域

本发明属于制冷设备领域，具体涉及一种蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器。

背景技术

空气源热泵兼顾供冷供热、占用空间小、节能、环保、方便等优点，受到越来越多的青睐，但冬季制热运行时室外翅片管换热器上有时会结霜。一方面霜层会增加湿空气和翅片表面之间的导热热阻，降低了蒸发器的传热系数。另一方面霜层的存在加大了空气流过翅片管蒸发器的阻力，降低了空气流量。空气源热泵在结霜工况下运行时，随着霜层的增厚，热泵系统制热性能也就越来越差，制热能力随着室外温度的下降而急剧下降，因此，结霜问题，是影响热泵机组冬季正常制热的主要因素，特别是在寒冷的北方地区和高湿寒冷的南方，甚至会频频出现压缩机停机或者低压保护而影响使用的现象，严重制约着空气源热泵的发展。因此，如何提高除霜的稳定性与效率，减少除霜能耗及对供热的影响是推进空气源热泵发展的必要条件，也是开拓空气源热泵市场的基石。

目前常用的除霜方式主要有电热除霜，逆循环除霜，热气旁通和蓄热除霜等几种方式。电加热除霜是用电加热提供化霜热，具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点，在小型装置上广泛采用，但缺点是耗电多，不宜在大型装置上采用；逆循环除霜通过四通阀换向使制冷剂沿环路反向流动，将热泵从制热工况转换成制冷工况，热泵从室内吸热排到室外换热器以融化其表面结霜。研究表明，逆循环除霜简单易行，除霜效果良好。然而，在除霜时高低压对接过程会对系统各部件产生比较严重的冲击，系统可靠性受到影响，除霜控制系统不完善，甚至造成误除霜；热气旁通法是在压缩机出口与蒸发器入口之间设置一根旁通管，通过增加旁通管内的热气（制冷剂）来抑制蒸发器表面结霜。研究表明：与一般系统相比，热气旁通方式是系统的平均COP和制热量分别增加8.5%和5.7%，但是由于蒸发器入口温度的提高，导致了系统制热量的下降。热气旁通除霜的能量主要来自压缩机的输入功，而且制冷剂流过分液器和分液毛细管的能量损失较大，除霜时间比逆循环除霜长；同时，除霜时，导致蒸发压力变低，吸气比容变大，系统中制冷剂循环质量流量随之变小，供给除霜用的热量变少。基于此缺点，有关学者将相变蓄能装置引入到热泵系统中,提出空气源热泵蓄能热气除霜新系统,该系统把热泵平时高效运行时的余热转存到蓄热器内,使之作为热泵除霜工况下的低位热源,有效的解决了热气除霜时能量来源不足的问题。但是，该系统的压缩机排气温度依然比逆循环除霜系统和热气旁通除霜系统高，对压缩机的安全性提出更好的要求。此外，上述除霜模式存在一个共同的缺点，即在除霜结束后蒸发器翅片上残余的霜水并未很好的解决，这加速了下次结霜的过程。因此，有学者用室外换热器的除湿剂首先对被处理的空气进行干燥去湿，从而抑制或延缓结霜，然而随着除湿剂吸收水蒸汽能力的减弱，抑制结霜的作用也逐渐失效。为解决此问题，有学者提出一种新型干燥去湿无霜空气源热泵，该系统利用冷凝后的余热加热空气来对固体除湿吸附剂进行再生。但是，在解析模式下，当蒸发温度低于0℃时，该系统依然存在结霜的问题，影响了空气源热泵的低温适应性。

纵观国内外研究现状，人们对空气源热泵的除霜有了很大的改进，但是在实际运行中常规除霜性能仍难以令人满意，除霜过程的稳定性与可靠性也远没有解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，解决热水器运行中的除霜问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：包括压缩机，压缩机的出口与水箱的制冷剂入口相连通，水箱的制冷剂出口分为两条支路，一条支路经第一电磁阀、蓄热装置与换热器的制冷剂入口相连，另一种支路经第三电磁阀与换热器的制冷剂入口相连，换热器的制冷剂入口还安装有第一电子膨胀阀；换热器的翅片表面涂有固体除湿吸附剂；换热器的制冷剂出口与蒸发器的制冷剂入口相连接，换热器和蒸发器之间安装第二电子膨胀阀；蒸发器的制冷剂出口与压缩机的入口通过两条并联的支路相连接，其中一条支路上设置有第二电磁阀，另一条支路经第三电子膨胀阀与蓄热装置的低温入口相连，蓄热装置的高温出口经过第四电磁阀与压缩机的入口相连接，所述的换热器和蒸发器设置有相连通的空气进、出口。

所述的换热器与蒸发器连接的风管内设置有控制第一、二、三、四电磁阀开关及第一电子膨胀阀开度的温湿度传感器。

所述的蓄能装置内设置有用于监测蓄热材料温度变化和调节压缩机频率的温度传感器。

所述的第一电子膨胀阀前端管路上安装有第一干燥过滤器，换热器的制冷剂出口与第二电子膨胀阀间的管路上安装有第二干燥过滤器。

所述的第三电子膨胀阀前端管路上还安装有第三干燥过滤器。

所述的压缩机的出口和入口分别安装有高压控制器和低压控制器。

所述的高压控制器的出口、低压控制器的入口、水箱的制冷剂入口和蒸发器的制冷剂出口通过四通阀相连接。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明在制热模式下系统利用蓄热装置作为过冷器，吸收冷凝后的余热，对冷凝后的制冷剂进一步过冷。同时，利用翅片表面涂有固体除湿吸附剂的换热器对室外空气首先进行除湿，除湿后空气的露点温度低于蒸发器内制冷剂的蒸发温度，实现无霜空气源热泵。在再生模式下，以蓄热装置为低温热源，利用制冷剂在水箱中冷凝后的余热对固体除湿吸附剂进行脱附再生。本发明充分利用蓄热除霜和除湿延缓结霜的特点，将两者有效的结合，能够延缓甚至消除结霜，同时避免了传统空气源热泵系统除霜时残留的霜水，减少了传统空气源热泵不必要的除霜能耗，提高了热水器除霜的低温适应性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明正常制热模式的工作原理图；

图3为本发明正常制热模式的压焓图；

图4为本发明再生模式的工作原理图；

图5为本发明再生模式的压焓图；

其中：1为压缩机、2为高压控制器、3为四通阀、4为水箱、5为第一电磁阀、6为蓄热装置、7为第一干燥过滤器、8为第一电子膨胀阀、9为换热器、10为第二干燥过滤器、11为第二电子膨胀阀、12为蒸发器、13为第二电磁阀、14为低压控制器、15为第三电磁阀、16为第三干燥过滤器、17为第三电子膨胀阀、18为第四电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明包括压缩机1，压缩机1的出口和入口分别设置有高压控制器2和低压控制器14，高压控制器2的出口、低压控制器14的入口和水箱4的制冷剂入口均与四通阀3相连通，水箱4的制冷剂出口分别连接第一电磁阀5和第三电磁阀15，第一电磁阀5与蓄热装置6的入口相连接，第三电磁阀15和蓄热装置6的出口均经过第一干燥过滤器7和用于调节制冷剂在换热器中蒸发温度的第一电子膨胀阀8后与换热器9的制冷剂入口相连。换热器9的翅片表面涂有固体除湿吸附剂，换热器9的制冷剂出口依次经过第二干燥过滤器10和用于调节制冷剂在蒸发器12中蒸发温度的第二电子膨胀阀11后与蒸发器12的制冷剂入口相连，换热器9和蒸发器12设置有相互连通的空气入口和空气出口，蒸发器12的制冷剂出口分别与第二电磁阀13和第三干燥过滤器16相连，第二电磁阀13与四通阀3的入口相连接，第三干燥过滤器16经过用于节流降压的第三电子膨胀阀17后与蓄热装置6的低温入口相连，蓄热装置6的高温出口经过第四电磁阀18连接至四通阀3的入口连接。

本发明在换热器9与蒸发器12连接的风管内设置有控制第一、二、三、四电磁阀开关及第一电子膨胀阀8开度的温湿度传感器内还设置温湿度传感器。

本发明在蓄能装置6内设置有用于监测蓄热材料温度变化和调节压缩机1频率的温度传感器。

本发明蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器运行模式有正常制热模式和再生模式。在制热模式中，蓄热装置6与水箱4串联，蓄热装置6内设置温度传感器，根据测蓄热材料介质温度的变化调节压缩机的频率，改变制冷剂流量，调节蓄热能力，以满足再生模式下蓄热装置中的热量作为低温热源时换热器9和蒸发器12的需求。此外，换热器9与蒸发器12连接的风管内设置温湿度传感器，随着运行时间的增长，固体除湿吸附剂的水分含量逐渐增大，换热器9的干燥除湿能力减弱，当水分达到一定含量时，温湿度传感器控制第一、二、三、四电磁阀5，13,15,18开关，将系统转换为再生模式，对固体除湿吸附剂进行再生，恢复固体除湿吸附剂的除湿能力,从而使正常制热（除湿）过程和再生过程周而复始地进行。

以下为正常制热模式和再生模式的具体流程。

参见图2，正常制热模式中：第三、四电磁阀15、18和第三电子膨胀阀17关闭，第一、二电磁阀5,13和第一、二电子膨胀阀8,11打开。制冷剂经压缩机1压缩成高温高压的气体，经过高压控制器2，四通阀3，在缠绕有冷凝盘管的蓄热水箱4冷却成高压的汽液两相流，经电磁阀5后进入蓄热装置6，在蓄热装置6内进一步冷却，蓄热材料吸收制冷释放热量，制冷剂被冷却为过冷液体从蓄热装置6的出口流出，然后流经第一干燥过滤器7，经第一电子膨胀阀8一次节流后，部分制冷剂在换热器9内蒸发吸热，之后制冷剂经第二干燥过滤器10，经第二电子膨胀阀11二次节流成低压汽液两相流，在蒸发器12内完全蒸发吸热，成为过热气体，避免对压缩机进行湿压缩，造成液击现象。最后制冷剂经第二电磁阀13，四通阀3，低压控制器14回到压缩机1；室外空气（OA）首先经过换热器9，通过调节第一、二电子膨胀阀8、11不同开度，使制冷剂在换热器9和蒸发器12为不同的蒸发温度（参见图3）。固体除湿吸附剂吸收空气中水分，除湿后的干空气DA然后经过蒸发器12，在蒸发器12内被完全冷却。最后空气（EA）排出蒸发器12。由于除湿后的空气露点温度低于蒸发器内制冷剂的蒸发温度，实现无霜空气源热泵。

参见图4，系统再生模式中：第一、二电磁阀5、13关闭，第三、四电磁阀15,18及第一、二、三电子膨胀阀8,11,17打开。制冷剂经压缩机1压缩成高温高压的气体，流经过高压控制器2，四通阀3，在缠绕有冷凝盘管的蓄热水箱4冷却成高压的汽液两相流，经第三电磁阀15（此时第一、二电子膨胀阀8、11全开），高压制冷剂进一步在涂有固体除湿吸附剂的换热器9和蒸发器12内冷却放热（参见图5），利用余热对固体除湿吸附剂再生，之后高压制冷剂流经第三干燥过滤器16，经第三电子膨胀阀17节流降压后进入蓄热装置，在蓄热装置6内蒸发吸热，成为过热气体，然后制冷剂从蓄热装置6的高温出口流出，再依次流经第四电磁阀18，四通阀3，低压控制器14回到压缩机1，完成一个再生循环。

本发明的特点在于在：

①本发明在正常制热模式下利用蓄热装置6作为过冷器，吸收制冷剂在水箱冷凝后的余热，对冷凝后的制冷剂进一步过冷，同时在再生过程中以蓄热装置6作为低温热源，弥补了逆循环除霜时缺乏低温热源的缺陷，充分利用系统产生的热量，提高了空气源热泵热水器的性能。

②本发明在蓄能装置6内设置温度传感器，根据蓄热材料介质温度的变化调节压缩机的频率，改变制冷剂流量，调节蓄热装置6的蓄热能力。

③通过调节第一、二电子膨胀阀8、11的不同开度，调节制冷剂在换热器9和蒸发器12内的蒸发温度。室外空气首先经过换热器9，固体除湿吸附剂吸收空气中水分，除湿后的空气然后经过蒸发器12，在蒸发器12内被完全冷却。由于除湿后的空气露点温度低于蒸发器内制冷剂的蒸发温度，实现无霜空气源热泵。

④在再生过程中，利用制冷剂在水箱冷凝后的余热对固体除湿吸附剂再生，减少了传统空气源热泵系统除霜时的能耗和供热的影响，同时减少了除霜时残留的霜水，提高了低温环境下空气源热泵的效率和稳定性。

Claims (7)

1.一种蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，其特征在于：包括压缩机(1)，压缩机(1)的出口与水箱(4)的制冷剂入口相连通，水箱(4)的制冷剂出口分为两条支路，一条支路经第一电磁阀(5)、蓄热装置(6)与换热器(9)的制冷剂入口相连，另一种支路经第三电磁阀(15)与换热器(9)的制冷剂入口相连，换热器(9)的制冷剂入口还安装有第一电子膨胀阀(8)；换热器(9)的翅片表面涂有固体除湿吸附剂；换热器(9)的制冷剂出口与蒸发器(12)的制冷剂入口相连接，换热器(9)和蒸发器(12)之间安装第二电子膨胀阀(11)；蒸发器(12)的制冷剂出口与压缩机(1)的入口通过两条并联的支路相连接，其中一条支路上设置有第二电磁阀(13)，另一条支路经第三电子膨胀阀(17)与蓄热装置(6)的低温入口相连，蓄热装置(6)的高温出口经过第四电磁阀(18)与压缩机(1)的入口相连接，所述的换热器(9)和蒸发器(12)设置有相连通的空气进、出口。

2.根据权利要求1所述的蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，其特征在于：所述的换热器(9)与蒸发器(12)连接的风管内设置有控制第一、二、三、四电磁阀(5、13、15、18)开关及第一电子膨胀阀(8)开度的温湿度传感器。

3.根据权利要求1所述的蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，其特征在于：所述的蓄热装置(6)内设置有用于监测蓄热材料温度变化和调节压缩机(1)频率的温度传感器。

4.根据权利要求1所述的蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，其特征在于：所述的第一电子膨胀阀(8)前端管路上安装有第一干燥过滤器(7)，换热器(9)的制冷剂出口与第二电子膨胀阀(11)间的管路上安装有第二干燥过滤器(10)。

5.根据权利要求1所述的蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，其特征在于：所述的第三电子膨胀阀(17)前端管路上还安装有第三干燥过滤器(16)。

6.根据权利要求1所述的蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，其特征在于：所述的压缩机(1)的出口和入口分别安装有高压控制器(2)和低压控制器(14)。

7.根据权利要求6所述的蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器，其特征在于：所述的高压控制器(2)的出口、低压控制器(14)的入口、水箱(4)的制冷剂入口和蒸发器(12)的制冷剂出口通过四通阀(3)相连接。