CN104457066B - 基于结霜初期多效应综合作用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期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置，包括制冷剂回路、空气回路和除霜速度调节系统。结霜初期，霜层稀疏矮小或者处于尚未冻结的液滴状态，容易去除。本发明装置充分利用结霜初期霜层的生长特点，通过送风喷嘴将高温、高压、干燥的空气直接作用于第二换热器的翅片表面，实现吹除、融化、蒸发多效应综合作用的快速除霜。同时，除霜速度调节系统可通过改变送风喷嘴沿第二换热器上下移动的速度，从而控制高温高压空气在翅片表面的作用时间，达到将不同结霜程度下的霜层除尽的效果。本发明装置除霜能耗低，除霜过程不影响热泵系统的正常制热运行，提高了热泵系统的供热时间和效率。

Description

基于结霜初期多效应综合作用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的技术领域，涉及一种基于结霜初期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置。

背景技术

空气源热泵冬季制热运行时，蒸发器存在结霜问题。由于霜层的形成与生长，导致蒸发器换热能力下降，热泵性能恶化，无法正常工作。因此，空气源热泵在结霜工况下运行必须适时除霜。

目前，常用的除霜方法有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。现有除霜方法存在诸多弊端，因此有必要探索新的除霜方法。

霜层的生长规律表明，霜层生长经历了液滴凝结、液滴冻结成霜晶、霜晶生长和霜层充分生长等阶段。结霜初期，霜层稀疏矮小或者处于尚未冻结的液滴状态，可较易去除。随着霜层进入充分生长阶段，霜层的高度和密度都会增大。现有除霜方法都是基于霜层进入充分生长阶段才进行除霜，为融化致密的霜层和蒸发融霜水，需要消耗大量热量和时间，降低了供热时间和效率，从而导致空气源热泵在整个运行周期中效率下降。因此，发明一种可在结霜初期实现快速除霜的空气源热泵除霜方法对提高热泵运行效率，减少除霜能耗和增加供热时间具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明提供一种耗热量小，除霜过程不影响正常制热运行，可实现结霜初期快速除霜的空气源热泵除霜装置，同时能够避免现有除霜方法的诸多弊端。

技术方案：本发明的一种基于结霜初期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置，包括制冷剂回路、空气回路和除霜速度调节系统；

其中，制冷剂回路包括压缩机、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、四通阀、第一换热器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、第二换热器、气液分离器、空气预热器、空气加热器及相关连接管线，第二换热器、空气预热器和空气加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，第一换热器上设置有第一换热器输入端和第一换热器输出端，第二换热器上设置有第二换热器输入端和第二换热器输出端，空气预热器上设置有空气预热器第一输入端、空气预热器第一输出端、空气预热器第二输入端和空气预热器第二输出端，空气加热器上设置有空气加热器第一输入端、空气加热器第一输出端、空气加热器第二输入端和空气加热器第二输出端；

制冷剂回路中，压缩机的输出端分为两路，一路通过第一电磁阀同时与空气加热器第一输出端和四通阀第一输入端连接，另一路通过第二电磁阀与空气加热器第一输入端连接，四通阀第一输出端与第一换热器输入端连接，第一换热器输出端分成两路，一路与第一单向阀的入口连接，另一路与第二单向阀的出口连接，第一单向阀的出口分成三路，一路与第三单向阀的出口连接，一路通过第三电磁阀与储液器的输入端连接，另一路通过第四电磁阀与空气预热器第一输入端连接，空气预热器第一输出端也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，另一路与第二单向阀的入口连接，第四单向阀的出口与第二换热器输入端连接，第二换热器输入端同时与第三单向阀的入口连接，第二换热器输出端与四通阀第二输入端连接，四通阀第二输出端通过气液分离器与压缩机的输入端连接；

空气回路包括第二换热器、风机、气泵、空气预热器、空气加热器、送风喷嘴、进气口、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器及相关连接管道；空气回路中，进气口通过风道与气泵的入口连接，气泵的出口通过第五电磁阀与空气预热器第二输入端连接，空气预热器第二输出端通过第六电磁阀与空气加热器第二输入端连接，空气加热器第二输出端通过第七电磁阀与送风喷嘴的进风口连接，风机位于送风喷嘴和进气口之间，第一压力传感器和第一温度传感器位于空气预热器的顶部，第二压力传感器和第二温度传感器位于空气加热器的顶部，送风喷嘴的出风口正对第二换热器的出风口设置，进气口正对风扇的出风口设置；

除霜速度调节系统包括滚轮、滑槽、电机、第三温度传感器和第四温度传感器；滚轮的一端固定在送风喷嘴上，另一端与滑槽连接，通过电机带动滚轮沿滑槽上下滚动，从而带动整排送风喷嘴上下移动；第三温度传感器位于第二换热器内的进风口，第四温度传感器位于气液分离器的输入端，通过第三温度传感器和第四温度传感器采集温度并根据二者的温度差改变电机转速，从而控制高温高压空气在第二换热器翅片表面的作用时间，达到将不同结霜程度下的霜层除尽的效果。

本发明装置中，送风喷嘴排出的高温、高压、干燥的空气直接作用于第二换热器的翅片表面，实现吹除、融化、蒸发多效应综合作用的快速除霜。

本发明装置中，送风喷嘴出风口的热空气流向与第二换热器中的空气流向相反，即送风喷嘴出风口的热空气流向与风机的空气吸入流向相反，送风喷嘴排出的热空气除完霜后排出第二换热器后能够被风机重新吸入空气回路，实现除霜热空气余热的回收再利用，提高了热泵机组制热性能。

本发明装置中，空气回路中设有两级加热装置：空气预热器和空气加热器，预热空气时的热量来源于制冷剂过冷放出的热量，最大程度上减少了加热空气所需的额外热量。

本发明装置中，空气源热泵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，经过第一电磁阀和四通阀进入第二换热器，在第二换热器中，制冷剂放出热量冷凝成过冷液体，依次经过第三单向阀、第三电磁阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀及第二单向阀后，进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中吸收热量蒸发成过热蒸汽，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，室外空气被风机吸入第二换热器中，在第二换热器中与制冷剂换热后排出，装置其余部分不工作。

空气源热泵冬季制热模式运行时：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，经过第二电磁阀进入空气加热器（此时第一电磁阀关闭），加热空气后经过四通阀进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中被冷凝成液体后，经过第一单向阀和第四电磁阀进入空气预热器（此时第三电磁阀关闭），与其中空气换热，制冷剂从空气预热器出来后进入储液器，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第二换热器，制冷剂在第二换热器中与空气换热后变成过热蒸气，制冷剂从第二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。当空气预热器上的第一温度传感器和第一压力传感器显示温度和压力已达到设定值时，第三电磁阀打开，第四电磁阀关闭；同理，当空气加热器上的第二温度传感器和第二压力传感器显示温度和压力已达到设定值时，第一电磁阀打开，第二电磁阀关闭。空气回路中，室外空气被风机吸入第二换热器中，在第二换热器中与制冷剂换热、被降温除湿后排出，一部分排入环境，另外一部分排出的干燥空气从进气口被气泵吸入、加压后，依次进入空气预热器和空气加热器中被制冷剂加热，变成高温、高压、干燥的空气。

当第二换热器的翅片表面出现凝结液滴或者稀疏霜层时，第七电磁阀打开，储存在空气加热器中的高温、高压、干燥的空气快速从送风喷嘴吹向第二换热器的翅片表面，实现快速除霜。同时电机带动滚轮沿滑槽上下滚动，从而带动整排送风喷嘴沿第二换热器上下移动，将第二换热器表面的液滴或霜层依次除尽。送风喷嘴出风口的热空气流向与风机的空气吸入流向相反，送风喷嘴排出的热空气除霜后流出第二换热器，并能够被风机重新吸入第二换热器中与制冷剂换热，实现热空气余热的回收再利用。除霜结束后，第七电磁阀关闭。在此过程中，热泵系统制热循环可正常运行。

有益效果：本发明与逆循环除霜等现有除霜方法相比，具有以下优点：

1、本发明针对结霜初期出现的液滴或者稀疏霜时，采用高温、高压、干燥的空气通过吹除、融化、蒸发多效应综合作用除霜，仅需消耗小部分热量，与逆循环除霜等传统除霜方法相比，虽然除霜的频率会增加，但因每次除霜耗热量少，从而可减少了总的除霜能耗。

2、除霜过程中，热泵系统制热循环可正常运行，实现不间断供热，提高了热泵系统的供热时间，并且充分利用制冷剂过冷放出的热量预热空气，减少了加热空气所需的额外热量。

3、送风喷嘴排出的热空气用于除霜后，能被风机重新吸入空气回路，实现除霜热空气余热的回收再利用，提高了热泵机组制热性能。

附图说明

图1为本发明基于结霜初期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置的系统流程图。

图2为第二换热器内送风喷嘴布管的示意图。

图3为除霜速度调节系统的示意图。

图中有：压缩机1、第一电磁阀2-1、第二电磁阀2-2、第三电磁阀2-3、第四电磁阀2-4、第五电磁阀2-5、第六电磁阀2-6、第七电磁阀2-7、四通阀3、四通阀第一输入端3a、四通阀第一输出端3b、四通阀第二输入端3c、四通阀第二输出端3d、第一换热器4、第一换热器输入端4a、第一换热器输出端4b、第一单向阀5-1、第二单向阀5-2、第三单向阀5-3、第四单向阀5-4、储液器6、干燥过滤器7、电子膨胀阀8、第二换热器9、第二换热器输入端9a、第二换热器输出端9b、气液分离器10、风机11、气泵12、空气预热器13、空气预热器第一输入端13a、空气预热器第一输出端13b、空气预热器第二输入端13c、空气预热器第二输出端13d、空气加热器14、空气加热器第一输入端14a、空气加热器第一输出端14b、空气加热器第二输入端14c、空气加热器第二输出端14d、送风喷嘴15、进气口16、滚轮17、滑槽18、电机19、第一压力传感器20-1、第二压力传感器20-2、第一温度传感器21-1、第二温度传感器21-2、第三温度传感器21-3和第四温度传感器21-4。

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期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置，包括制冷剂回路、空气回路和除霜速度调节系统。具体的连接方法是：

制冷剂回路中，压缩机1的输出端分为两路，一路通过第一电磁阀2-1同时与空气加热器第一输出端14b和四通阀第一输入端3a连接，另一路通过第二电磁阀2-2与空气加热器第一输入端14a连接，四通阀第一输出端3b与第一换热器输入端4a连接，第一换热器输出端4b分成两路，一路与第一单向阀5-1的入口连接，另一路与第二单向阀5-2的出口连接，第一单向阀5-1的出口分成三路，一路与第三单向阀5-3的出口连接，一路通过第三电磁阀2-3与储液器6的输入端连接，另一路通过第四电磁阀2-4与空气预热器第一输入端13a连接，空气预热器第一输出端13b也与储液器6的输入端连接，储液器6的输出端通过管线依次连接干燥过滤器7、电子膨胀阀8后分为两路，一路与第四单向阀5-4的进口连接，另一路与第二单向阀5-2的入口连接，第四单向阀5-4的出口与第二换热器输入端9a连接，第二换热器输入端9b同时与第三单向阀5-3的入口连接，第二换热器输出端9b与四通阀第二输入端3c连接，四通阀第二输出端3d通过气液分离器10与压缩机1的输入端连接；

空气回路中，进气口16通过风道与气泵12的入口连接，气泵12的出口通过第五电磁阀2-5与空气预热器第二输入端13c连接，空气预热器第二输出端13d通过第六电磁阀2-6与空气加热器第二输入14c端连接，空气加热器第二输出端14d通过第七电磁阀2-7与送风喷嘴15的进风口连接，风机11位于送风喷嘴15和进气口16之间，第一压力传感器20-1和第一温度传感器21-1位于空气预热器13的顶部，第二压力传感器20-2和第二温度传感器21-2位于空气加热器14的顶部，送风喷嘴15的出风口正对第二换热器9的出风口设置，进气口16正对风扇11的出风口设置；

除霜速度调节系统包括滚轮17、滑槽18、电机19、第三温度传感器21-3和第四温度传感器21-4；滚轮17的一端固定在送风喷嘴15上，另一端与滑槽18连接，通过电机19带动滚轮17沿滑槽18上下滚动，从而带动整排送风喷嘴15上下移动；第三温度传感器21-3位于第二换热器9内的进风口，第四温度传感器21-4位于气液分离器10的输入端，第三温度传感器21-3和第四温度传感器21-4分别采集室外空气温度和制冷剂回路中气液分离器的入口的制冷剂温度，当第二换热器9表面的结霜程度变严重时，第三温度传感器21-3和第四温度传感器21-4显示的温度差就会加大，根据二者温差改变电机19的转速，进而调节送风喷嘴15的移动速度，控制高温高压空气在第二换热器9翅片表面的作用时间，达到将不同结霜程度下的霜层除尽的效果。

空气源热泵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10中被压缩机1吸入、压缩后变成高温高压的过热蒸气排出，经过第一电磁阀2-1和四通阀3进入第二换热器9，在第二换热器9中，制冷剂放出热量冷凝成过冷液体后，依次经过第三单向阀5-3、第三电磁阀2-3、储液器6、干燥过滤器7、电子膨胀阀8及第二单向阀5-2后，进入第一换热器4，制冷剂在第一换热器4中吸收热量蒸发成过热蒸汽，进入气液分离器10，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11吸入第二换热器9中，在第二换热器9中与制冷剂换热后排出，装置其余部分不工作。

空气源热泵冬季制热模式运行时：制冷剂回路中，气液分离器10中低温低压的制冷剂气体被压缩机1吸入、压缩后排出，经过第二电磁阀2-2进入空气加热器14（此时第一电磁阀2-1关闭），加热空气后经过四通阀3进入第一换热器4，制冷剂在第一换热器4中被冷凝成液体后，经过第一单向阀5-1和第四电磁阀2-4进入空气预热器13（此时第三电磁阀2-3关闭），与其中空气换热，制冷剂从空气预热器13出来后进入储液器6，从储液器6出来后经过干燥过滤器7和电子膨胀阀8被节流成气液两相，经过第四单向阀5-4进入第二换热器9，制冷剂在第二换热器9中与空气换热后变成过热蒸气，制冷剂从第二换热器9出来后经过四通阀3进入气液分离器10，然后再次被吸入压缩机1，完成制热循环。当空气预热器13上的第一温度传感器21-1和第一压力传感器20-1显示温度和压力已达到设定值时，第三电磁阀2-3打开，第四电磁阀2-4关闭；同理，当空气加热器14上的第二温度传感器21-2和第二压力传感器20-2显示温度和压力已达到设定值时，第一电磁阀2-1打开，第二电磁阀2-2关闭。空气回路中，室外空气被风机11吸入第二换热器9中，在第二换热器9中与制冷剂换热、被降温除湿后排出，一部分排入环境，另外一部分排出的干燥空气从进气口16被气泵12吸入、加压后，依次进入空气预热器13和空气加热器14中被制冷剂加热，变成高温、高压、干燥的空气。

当第二换热器9表面出现凝结液滴或者稀疏霜层时，第七电磁阀2-7打开，储存在空气加热器14中的高温、高压、干燥的空气快速从送风喷嘴15吹向第二换热器9的翅片表面，实现快速除霜。同时，电机19带动滚轮17沿滑槽18上下滚动，从而带动整排送风喷嘴15沿第二换热器9上下移动，将第二换热器9表面的液滴或霜层依次除尽。送风喷嘴15出风口的热空气流向与风机11的空气吸入流向相反，送风喷嘴15排出的热空气除霜后流出第二换热器9，并能够被风机11重新吸入空气回路，实现热空气余热的回收再利用。除霜结束后，第七电磁阀2-7关闭。在此过程中，热泵系统制热循环可正常运行。

应当指出：本发明装置同时适用于大中型空气源热泵冷热水机组和小型热泵空调器的快速除霜；同时，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 (4)

1.一种基于结霜初期多效应综合作用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、空气回路和除霜速度调节系统；

所述制冷剂回路包括压缩机（1）、第一电磁阀（2-1）、第二电磁阀（2-2）、第三电磁阀（2-3）、第四电磁阀（2-4）、四通阀（3）、第一换热器（4）、第一单向阀（5-1）、第二单向阀（5-2）、第三单向阀（5-3）、第四单向阀（5-4）、储液器（6）、干燥过滤器（7）、电子膨胀阀（8）、第二换热器（9）、气液分离器（10）、空气预热器（13）、空气加热器（14）及相关连接管线，所述第二换热器（9）、空气预热器（13）和空气加热器（14）同时也是空气回路的组成部分；所述四通阀（3）上设置有四通阀第一输入端（3a）、四通阀第一输出端（3b）、四通阀第二输入端（3c）和四通阀第二输出端（3d），所述第一换热器（4）上设置有第一换热器输入端（4a）和第一换热器输出端（4b），所述第二换热器（9）上设置有第二换热器输入端（9a）和第二换热器输出端（9b），所述空气预热器（13）上设置有空气预热器第一输入端（13a）、空气预热器第一输出端（13b）、空气预热器第二输入端（13c）和空气预热器第二输出端（13d），所述空气加热器（14）上设置有空气加热器第一输入端（14a）、空气加热器第一输出端（14b）、空气加热器第二输入端（14c）和空气加热器第二输出端（14d）；

所述制冷剂回路中，压缩机（1）的输出端分为两路，一路通过第一电磁阀（2-1）同时与空气加热器第一输出端（14b）和四通阀第一输入端（3a）连接，另一路通过第二电磁阀（2-2）与空气加热器第一输入端（14a）连接，四通阀第一输出端（3b）与第一换热器输入端（4a）连接，第一换热器输出端（4b）分成两路，一路与第一单向阀（5-1）的入口连接，另一路与第二单向阀（5-2）的出口连接，第一单向阀（5-1）的出口分成三路，一路与第三单向阀（5-3）的出口连接，一路通过第三电磁阀（2-3）与储液器（6）的输入端连接，另一路通过第四电磁阀（2-4）与空气预热器第一输入端（13a）连接，空气预热器第一输出端（13b）也与储液器（6）的输入端连接，储液器（6）的输出端通过管线依次连接干燥过滤器（7）、电子膨胀阀（8）后分为两路，一路与第四单向阀（5-4）的进口连接，另一路与第二单向阀（5-2）的入口连接，第四单向阀（5-4）的出口与第二换热器输入端（9a）连接，第二换热器输入端（9a）同时与第三单向阀（5-3）的入口连接，第二换热器输出端（9b）与四通阀第二输入端（3c）连接，四通阀第二输出端（3d）通过气液分离器（10）与压缩机（1）的输入端连接；

所述空气回路包括第二换热器（9）、风机（11）、气泵（12）、空气预热器（13）、空气加热器（14）、送风喷嘴（15）、进气口（16）、第五电磁阀（2-5）、第六电磁阀（2-6）、第七电磁阀（2-7）、第一压力传感器（20-1）、第二压力传感器（20-2）、第一温度传感器（21-1）、第二温度传感器（21-2）及相关连接管道；所述空气回路中，进气口（16）通过风道与气泵（12）的入口连接，气泵（12）的出口通过第五电磁阀（2-5）与空气预热器第二输入端（13c）连接，空气预热器第二输出端（13d）通过第六电磁阀（2-6）与空气加热器第二输入端（14c）连接，空气加热器第二输出端（14d）通过第七电磁阀（2-7）与送风喷嘴（15）的进风口连接，风机（11）位于送风喷嘴（15）和进气口（16）之间，第一压力传感器（20-1）和第一温度传感器（21-1）位于空气预热器（13）的顶部，第二压力传感器（20-2）和第二温度传感器（21-2）位于空气加热器（14）的顶部，送风喷嘴（15）的出风口正对第二换热器（9）的出风口设置，进气口（16）正对风扇（11）的出风口设置；

所述除霜速度调节系统包括滚轮（17）、滑槽（18）、电机（19）、第三温度传感器（21-3）和第四温度传感器（21-4）；滚轮（17）的一端固定在送风喷嘴（15）上，另一端与滑槽（18）连接，通过电机（19）带动滚轮（17）沿滑槽（18）上下滚动，从而带动整排送风喷嘴（15）上下移动；第三温度传感器（21-3）位于第二换热器（9）内的进风口，第四温度传感器（21-4）位于气液分离器（10）的输入端，通过第三温度传感器（21-3）和第四温度传感器（21-4）采集温度并根据二者的温度差改变电机（19）转速，从而控制高温高压空气在第二换热器（9）翅片表面的作用时间，达到将不同结霜程度下的霜层除尽的效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于结霜初期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置，其特征在于，所述送风喷嘴（15）排出的高温、高压、干燥的空气直接作用于第二换热器（9）的翅片表面，实现吹除、融化、蒸发多效应综合作用的快速除霜。

3.根据权利要求1所述的一种基于结霜初期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置，其特征在于，所述送风喷嘴（15）出风口的热空气流向与第二换热器（9）中的空气流向相反，即送风喷嘴（15）出风口的热空气流向与风机（11）的空气吸入流向相反，送风喷嘴（15）排出的热空气除完霜后排出第二换热器（9）后能够被风机（11）重新吸入空气回路，实现除霜热空气余热的回收再利用，提高了热泵机组制热性能。

4.根据权利要求1所述的一种基于结霜初期多效应综合作用的空气源热泵除霜装置，其特征在于，所述空气回路中设有两级加热装置：空气预热器（13）和空气加热器（14），预热空气时的热量来源于制冷剂过冷放出的热量，最大程度上减少了加热空气所需的额外热量。