CN104061727A - 基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，包括制冷剂回路和空气回路。制冷剂回路包括压缩机、四通阀、室内换热器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、室外换热器、气液分离器和空气换热器，空气回路包括室外换热器、空气换热器、第一电动风门、风机、第二电动风门、第三电动风门和送风喷嘴。本发明除霜时间短，除霜耗热量小，除霜过程可与制热过程同时进行，不影响空调系统的热舒适性，四通阀不用换向，提高了热泵系统可靠性。同时，本发明装置用于夏季制冷工况下实现制冷剂过冷，提高了空气源热泵系统单位制冷量和制冷效率。

Description

基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置

技术领域

本发明属于制冷空调系统设计和制造领域，涉及一种基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置。

背景技术

空气源热泵因具有节能、环保、兼顾供冷供热、使用灵活等优点在我国大部分地区得到广泛应用。但空气源热泵在冬季制热运行时存在室外换热器（蒸发器）表面结霜的问题，由于霜层的形成与增长，加大了换热器表面与空气间的传热热阻及空气流动阻力，导致换热器换热效率降低，热泵机组性能下降，甚至不能正常工作。因此空气源热泵在结霜工况下运行必须适时除霜。

目前，常用的除霜方法是逆循环除霜和热气旁通除霜。逆循环除霜过程中由于四通阀频繁换向，致使制冷系统压缩机出现“奔油”现象，降低压缩机的可靠性和使用寿命；同时，除霜时制冷剂要从供热系统中吸取热量用于除霜，造成供热系统温度急剧波动，影响空调系统的热舒适性。热气旁通除霜的热量主要来自压缩机耗功，因而除霜速度较慢，且容易造成除霜过程中压缩机吸气带夜。同时现有除霜方法都是在霜层生长到一定高度才展开除霜，为融化霜层和蒸发融霜水，需要消耗大量的热量和时间，从而导致空气源热泵在整个运行周期中效率下降。

本发明创作者在前期研究中发现空气源热泵室外翅片管换热器表面的霜层是基于其表面上最初的凝结液滴生长起来的（霜层的生长过程包括：液滴凝结、液滴冻结形成霜晶、霜晶生长和霜层充分生长），这些液滴大小仅为0.01毫米级，若能在液滴冻结形成霜晶前将这些液滴去除，即可阻断霜层生长。水的蒸发是一个高效的传热传质过程，是去除液滴的有效方式，而且蒸发这些尺寸微小的初始凝结液滴仅需消耗较少的热量。因此，发明出一种可在结霜过程初期实现初始凝结液滴蒸发的空气源除霜方法对提高热泵的运行效率，减少除霜能耗和时间具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明提供一种耗热量少、除霜时间短，能解决空气源热泵结霜过程初期出现的凝结液滴现象的基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置。

技术方案：本发明的一种基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，包括制冷剂回路和空气回路；

其中制冷剂回路包括压缩机、四通阀、室内换热器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、室外换热器、气液分离器、空气换热器及相关连接管线，室外换热器和空气换热器同时也是空气回路的组成部分；四通阀上设置有四通阀第一输入端、四通阀第一输出端、四通阀第二输入端和四通阀第二输出端，室内换热器上设置有室内换热器输入端和室内换热器输出端，室外换热器上设置有室外换热器输入端和室外换热器输出端，空气换热器上设置有空气换热器输入端和空气换热器输出端，其中室外换热器和空气换热器同时也是空气回路的组成部分

制冷剂回路中，压缩机的输出端与四通阀第一输入端连接，四通阀第一输出端与室内换热器输入端连接，室内换热器输出端分成两路，一路与第一单向阀的入口连接，另一路与第三单向阀的出口连接，第一单向阀的出口分成三路，一路与第二单向阀的出口连接，一路通过第一电磁阀与储液器的输入端连接，另一路通过第二电磁阀与空气换热器输入端连接，空气换热器输出端通过第三电磁阀与储液器的输入端连接，储液器的输出端通过管线依次连接干燥过滤器、电子膨胀阀后分为两路，一路与第四单向阀的进口连接，另一路与第三单向阀的入口连接，第四单向阀的出口与室外换热器输入端连接，室外换热器输入端同时也与第二单向阀的进口连接，室外换热器输出端与四通阀第二输入端连接，四通阀第二输出端与气液分离器的输入端连接，气液分离器的输出端与压缩机的输入端连接；

空气回路包括室外换热器、空气换热器、第一电动风门、风机、第二电动风门、第三电动风门、送风喷嘴及相关连接管线；空气回路中，空气换热器中的空气流向与室外换热器中的空气流向一致，空气换热器的进风口处设置有第一电动风门，空气换热器的出风口通过风管依次连接风机、第三电动风门和送风喷嘴，同时在风机与第三电动风门之间的风管侧壁上设有第二电动风门连通外界环境，送风喷嘴的出风口正对室外换热器进风口设置。

本发明装置中，热泵系统冬季制热运行除霜时，所述第二电磁阀（9）、第三电磁阀、第一电动风门、风机和第三电动风门打开，第一电磁阀、第二电动风门关闭。

通过控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一电动风门、第二电动风门、第三电动风门和风机的开关，可实现冬季制热工况下加热空气用于蒸发结霜过程初始凝结液滴和夏季制冷工况下实现制冷剂过冷等多种功能。

本发明装置中，热泵系统夏季制冷模式运行时：第一电磁阀和第三电动风门关闭，第二电磁阀、第三电磁阀、第一电动风门、第二电动风门和风机打开。此时，空气换热器充当过冷换热器，制冷剂在空气换热器中与空气换热实现过冷，从而提高热泵系统单位制冷量和制冷效率。

本发明装置的优选方案中中，送风喷嘴排出的热风直接作用到室外换热器的翅片表面。

本发明装置中，热泵除霜时的热量来源于制冷剂过冷所放出的热量，不需要额外的热量消耗。

热泵系统夏季制冷模式运行时：制冷剂回路中，低温低压的制冷剂气体从气液分离器中被压缩机吸入、压缩后变成高温高压的过热蒸气排出，经过四通阀进入室外换热器，在室外换热器中，制冷剂放出热量冷凝成液体后，再经过第二单向阀和第二电磁阀进入空气换热器，在空气换热器中，制冷剂液体与空气换热，制冷剂实现过冷，制冷剂从空气换热器出来后，依次经过第三电磁阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀和第三单向阀后，进入室内换热器，制冷剂在室内换热器中吸收热量蒸发成过热蒸气后流出，经过四通阀进入气液分离器，然后再次被吸入压缩机，完成制冷循环。空气回路中，空气被风机从第一电动风门吸入空气换热器，在空气换热器中与制冷剂换热后，从第二电动风门排出。

空气源热泵冬季制热模式运行时：第一电磁阀关闭，第二电磁阀、第三电磁阀打开，第一电动风门、第二电动风门、第三电动风门和风机均关闭。制冷剂回路中，气液分离器中低温低压的制冷剂气体被压缩机吸入、压缩后排出，经过四通阀进入室内换热器，制冷剂在室内换热器中冷凝成液体后，经过第一单向阀、第二电磁阀进入空气换热器，制冷剂在空气换热器中与空气换热加热空气，实现过冷，制冷剂从空气换热器出来后经过第三电磁阀进入储液器，制冷剂从储液器出来后经过干燥过滤器和电子膨胀阀被节流成气液两相，经过第四单向阀进入室外换热器，制冷剂在室外换热器中与空气换热后变成过热蒸气，制冷剂从室外换热器出来后经过四通阀进入气液分离器，然后再次被吸入压缩机，完成制热循环。空气回路中，储存在空气换热器中的空气被制冷剂加热。

当室外换热器表面出现结霜初始过程凝结液滴时，第一电动风门、第三电动风门和风机打开，第二电动风门关闭，储存在空气换热器中的热空气通过第三电动风门快速从送风喷嘴吹向室外换热器的翅片表面，用于蒸发翅片表面结霜初始过程凝结的液滴。由于翅片表面液滴尺寸仅0.01毫米级别，热空气可轻易将液滴蒸发，从而阻断了霜层的生长。液滴蒸发完全后，关闭第一电动风门、第三电动风门和风机。在此过程中，制冷剂制热循环正常运行。

有益效果：本发明与逆向除霜等现有技术相比，具有以下优点：

1、相比逆向除霜方法，从除霜开始到除霜结束，四通阀需换向，系统的压力平衡、温度平衡都被破坏，造成的大量能量损失。本发明针对结霜初始过程的凝结液滴，因此时液滴尺寸小，仅需消耗小部分热量即可将其蒸发，虽然除霜的频率会增加，但因霜还是以液滴形式存在，更容易除掉，从而可减少了总的除霜能耗和时间。

2、同时在除霜过程中，利用制冷剂过冷放出的热量加热空气用于蒸发结霜初始过程的凝结液滴，制热循环可正常运行，不影响空调系统的热舒适性，也不需要提高额外的热量用于除霜，提高了热泵系统的可靠性和供热效率。

3、冬季用于加热空气除霜的空气换热器在夏季可充当过冷换热器，制冷剂在空气换热器实现过冷，从而提高空气源热泵夏季的单位制冷量和制冷效率。

附图说明

图1是本发明基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置的示意图。

图中有：压缩机1、四通阀2、四通阀第一输入端2a，四通阀第一输出端2b、四通阀第二输入端2c、四通阀第二输出端2d、室内换热器3、室内换热器输入端3a、室内换热器输出端3b、第一单向阀4、第二单向阀5、第三单向阀6、第四单向阀7、第一电磁阀8、第二电磁阀9、第三电磁阀10、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13、室外换热器14、室外换热器输入端14a、室外换热器输出端14b、气液分离器15、空气换热器16、空气换热器输入端16a、空气换热器输出端16b、第一电动风门17、风机18、第二电动风门19、第三电动风门20和送风喷嘴21。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明提出一种基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，包括制冷剂回路和空气回路。具体的连接方法是：

制冷剂回路中，压缩机1的输出端与四通阀第一输入端2a连接，四通阀第一输出端2b与室内换热器输入端3a连接，室内换热器输出端3b分成两路，一路与第一单向阀4的入口连接，另一路与第三单向阀6的出口连接，第一单向阀4的出口分成三路，一路与第二单向阀5的出口连接，一路通过第一电磁阀8与储液器11的输入端连接，另一路通过第二电磁阀9与空气换热器输入端16a连接，空气换热器输出端16b通过第三电磁阀10与储液器11的输入端连接，储液器11的输出端通过管线依次连接干燥过滤器12、电子膨胀阀13后分为两路，一路与第四单向阀7的进口连接，另一路与第三单向阀6的入口连接，所述第四单向阀7的出口与室外换热器输入端14a连接，室外换热器输入端14a同时也与第二单向阀5的进口连接，室外换热器输出端14b与四通阀第二输入端2c连接，四通阀第二输出端2d与气液分离器15的输入端连接，气液分离器15的输出端与压缩机1的输入端连接。

空气回路中，空气换热器16中的空气流向与室外换热器14中的空气流向一致，空气换热器16的进风口处设置有第一电动风门17，空气换热器16的出风口通过风管依次连接风机18、第三电动风门20以及送风管道末端的送风喷嘴21，同时在风机18与第三电动风门20之间的风管侧壁上设有第二电动风门19连通外界环境，送风喷嘴21的出风口正对室外换热器14进风口设置。

空气源热泵夏季制冷模式运行时：第一电磁阀8和第三电动风门20关闭，第二电磁阀9、第三电磁阀10、第一电动风门17、第二电动风门19和风机18打开。制冷剂回路中，低温低压的制冷剂气体从气液分离器15中被压缩机1吸入、压缩后变成高温高压的过热蒸气排出，经过四通阀2进入室外换热器14，在室外换热器14中，制冷剂放出热量冷凝成液体后，再经过第二单向阀5和第二电磁阀9进入空气换热器16，在空气换热器16中，制冷剂液体与空气换热，制冷剂实现过冷，制冷剂从空气换热器16出来后，依次经过第三电磁阀10、储液器11、干燥过滤器12、电子膨胀阀13和第三单向阀6后，进入室内换热器3，制冷剂在室内换热器3中吸收热量蒸发成过热蒸气后流出，经过四通阀2进入气液分离器15，然后再次被吸入压缩机1，完成制冷循环。空气回路中，空气被风机18从第一电动风门17吸入空气换热器16，在空气换热器16中与制冷剂换热后，从第二电动风门19排出。

空气源热泵冬季制热模式运行时：第一电磁阀8关闭，第二电磁阀9、第三电磁阀10打开，第一电动风门17、第二电动风门19、第三电动风门20和风机18均关闭。制冷剂回路中，气液分离器15中低温低压的制冷剂气体被压缩机1吸入、压缩后排出，经过四通阀2进入室内换热器3，制冷剂在室内换热器3中冷凝成液体后，经过第一单向阀4、第二电磁阀9进入空气换热器16，制冷剂在空气换热器16中与空气换热加热空气，实现过冷，制冷剂从空气换热器16出来后经过第三电磁阀10进入储液器11，制冷剂从储液器11出来后经过干燥过滤器12和电子膨胀阀13被节流成气液两相，经过第四单向阀7进入室外换热器14，制冷剂在室外换热器14中与空气换热后变成过热蒸气，制冷剂从室外换热器14出来后经过四通阀2进入气液分离器15，然后再次被吸入压缩机1，完成制热循环。空气回路中，储存在空气换热器16中的空气被制冷剂加热。

当室外换热器14表面出现结霜初始过程凝结液滴时，第一电动风门17、第三电动风门20和风机18打开，储存在空气换热器16中的热空气通过第三电动风门20快速从送风喷嘴21吹向室外换热器14的翅片表面，用于蒸发翅片表面结霜初始过程所凝结的液滴。由于表面液滴尺寸仅0.01毫米级别，热空气可轻易将液滴蒸发，从而阻断了霜层的生长。除霜结束后，关闭第一电动风门17、第三电动风门20和风机18打开。在此过程中，制冷剂制热循环正常运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，其特征在于，该装置包括制冷剂回路和空气回路；

所述制冷剂回路包括压缩机（1）、四通阀（2）、室内换热器（3）、第一单向阀（4）、第二单向阀（5）、第三单向阀（6）、第四单向阀（7）、第一电磁阀（8）、第二电磁阀（9）、第三电磁阀（10）、储液器（11）、干燥过滤器（12）、电子膨胀阀（13）、室外换热器（14）、气液分离器（15）、空气换热器（16）及相关连接管线，所述室外换热器（14）和空气换热器（16）同时也是空气回路的组成部分；所述四通阀（2）上设置有四通阀第一输入端（2a）、四通阀第一输出端（2b）、四通阀第二输入端（2c）和四通阀第二输出端（2d），所述室内换热器（3）上设置有室内换热器输入端（3a）和室内换热器输出端（3b），所述室外换热器（14）上设置有室外换热器输入端（14a）和室外换热器输出端（14b），所述空气换热器（16）上设置有空气换热器输入端（16a）和空气换热器输出端（16b）；

所述制冷剂回路中，压缩机（1）的输出端与四通阀第一输入端（2a）连接，四通阀第一输出端（2b）与室内换热器输入端（3a）连接，室内换热器输出端（3b）分成两路，一路与第一单向阀（4）的入口连接，另一路与第三单向阀（6）的出口连接，第一单向阀（4）的出口分成三路，一路与第二单向阀（5）的出口连接，一路通过第一电磁阀（8）与储液器（11）的输入端连接，另一路通过第二电磁阀（9）与空气换热器输入端（16a）连接，空气换热器输出端（16b）通过第三电磁阀（10）与储液器（11）的输入端连接，储液器（11）的输出端通过管线依次连接干燥过滤器（12）、电子膨胀阀（13）后分为两路，一路与第四单向阀（7）的进口连接，另一路与第三单向阀（6）的入口连接，所述第四单向阀（7）的出口与室外换热器输入端（14a）连接，室外换热器输入端（14a）同时也与第二单向阀（5）的进口连接，室外换热器输出端（14b）与四通阀第二输入端（2c）连接，四通阀第二输出端（2d）与气液分离器（15）的输入端连接，气液分离器（15）的输出端与压缩机（1）的输入端连接；

所述空气回路包括室外换热器（14）、空气换热器（16）、第一电动风门（17）、风机（18）、第二电动风门（19）、第三电动风门（20）、送风喷嘴（21）及相关连接管线；所述空气回路中，空气换热器（16）中的空气流向与室外换热器（14）中的空气流向一致，空气换热器（16）的进风口处设置有第一电动风门（17），空气换热器（16）的出风口通过风管依次连接风机（18）、第三电动风门（20）和送风喷嘴（21），同时在风机（18）与第三电动风门（20）之间的风管侧壁上设有第二电动风门（19）连通外界环境，送风喷嘴（21）的出风口正对室外换热器（14）进风口设置。

2.根据权利要求1所述的基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，其特征在于，热泵系统冬季制热运行除霜时，所述第二电磁阀（9）、第三电磁阀（10）、第一电动风门（17）、风机（18）和第三电动风门（20）打开，第一电磁阀（8）、第二电动风门（19）关闭。

3.根据权利要求1所述的基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，其特征在于，热泵系统夏季制冷运行时，所述第一电磁阀（8）和第三电动风门（20）关闭，第二电磁阀（9）、第三电磁阀（10）、第一电动风门（17）、风机（18）和第二电动风门（19）打开，此时，空气换热器（16）充当过冷换热器，制冷剂在空气换热器（16）中与空气换热实现过冷，从而提高热泵系统单位制冷量和制冷效率。

4.根据权利要求1所述的基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，其特征在于，所述送风喷嘴（21）排出的热风直接作用到室外换热器（14）的翅片表面。

5.根据权利要求1所述的基于结霜初始过程液滴快速蒸发的空气源热泵除霜装置，其特征在于，热泵除霜时的热量来源于制冷剂过冷所放出的热量，不需要额外的热量消耗。