CN104501406B - 用于生产高温热水的多级空气源热泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生产高温热水的多级空气源热泵，包括第一制冷剂回路和第二制冷剂回路。第一制冷剂回路与热交换器相连接，且第一制冷剂回路和第二制冷剂回路通过中间热交换器和翅片式热交换器相互连接，翅片式热交换器内部的第一制冷回路和第二制冷回路彼此交织在热交换器的翅片中。本发明设计了一种性能系数优化的生产高温热水的多级空气源热泵，本发明可以在一个范围很广的工作区间保持优化的性能系数，同时使本发明对边界变化条件实现高适应性。最后，本发明设计紧凑，简单，容易控制，并且能够高效执行必需的化霜循环。

Description

用于生产高温热水的多级空气源热泵

技术领域

本发明涉及空气源热泵，更具体地说，涉及用于生产高温热水的多级空气源热泵。

背景技术

空气源热泵机组是通过逆压缩循环(逆卡诺循环)从周围低温环境中吸取热量来给用户提供高温热水的可制冷又可制热的机器。空气源热泵的用处是在一定的温度下生产一定量的热水或者在用户设定的温度下提供一定的制热量QT。热泵性能系数(COP)被定义为有效热(提供给用户的热量)和总耗电量(吸收功率PA)的比值。

现在有各种类型的空气源热水热泵用于生产高温热水。传统的单级空气源热水热泵存在的缺点是环境空气温度与生产的最高热水温度的温差需要在一定的限制范围内。特别是，在高压缩比下机组的COP值存在相应的衰减。而且当空气温度下降时，热泵机组提供给用户的热容量QT也减少。

使用单一制冷剂的传统的双级空气源热泵的制冷剂热特性不完善，并且运行范围不大。热泵对边界条件的变化适应性差，高压与低压之间会相互影响，并且保持两个阶段的最小压缩比存在一定难度。也有具有两个串联制冷回路的两级空气源热泵，但是结构极其复杂，适应边界条件性差，难以独立控制单个制冷剂回路。

这些热泵存在除霜周期效率低下，并且在空气温度高时难以保持两个阶段的最小压缩比的困难。这些热泵最终只适用于专门生产高温热水。

发明内容

针对现有技术中存在的环境空气温度与生产的最高热水温度的温差需要在一定的限制范围内，制冷剂热特性不完善，并且运行范围不大，对边界条件的变化适应性差，结构极其复杂，除霜周期效率低下等缺点，本发明的目的是提供一种用于生产高温热水的多级空气源热泵。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明，提供一种用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，包括第一制冷剂回路和第二制冷剂回路。第一制冷剂回路与热交换器相连接，且第一制冷剂回路和第二制冷剂回路通过中间热交换器和翅片式热交换器相互连接，翅片式热交换器内部的第一制冷回路和第二制冷回路彼此交织在热交换器的翅片中

根据本发明的一实施例，第一制冷剂回路包括第一压缩机、四通阀、第一膨胀阀、第二膨胀阀、第三膨胀阀、第一单向阀。四通阀的入口连接第一压缩机，其出口分别连接热交换器、第一单向阀和翅片式热交换器。第一膨胀阀设置于中间热交换器的上游，第二膨胀阀设置于翅片式热交换器的上游，第三膨胀阀设置为与热交换器相连接，且第一膨胀阀和第二膨胀阀相连通。

根据本发明的一实施例，第一制冷剂回路还包括第一止回阀、第二止回阀、第三止回阀、气液分离器、储液器、第二单向阀。第一单向阀和第一压缩机通过气液分离器相连接并形成回路。第一膨胀阀和第二膨胀阀之间依次设置第一止回阀和第三止回阀，第二止回阀的一端连接第三膨胀阀，另一端连接第一止回阀、第三止回阀和储液器。储液器通过第二单向阀与翅片式热交换器相连接。

根据本发明的一实施例，第二制冷剂回路包括第二压缩机、第四膨胀阀。第二压缩机一端连接翅片式热交换器，另一端连接中间热交换器，中间热交换器通过第四膨胀阀与翅片式热交换器相连接。

根据本发明的一实施例，第二制冷剂回路还包括第三单向阀，第三单向阀的一端连接第二单向阀和储液器，其另一端连接第三膨胀阀和热交换器。

根据本发明的一实施例，四通阀包括一个入口和三个出口，入口可以切换连接任意一个出口，且各个出口之间可互相连通。

根据本发明的一实施例，第一制冷剂回路由空气温度和生产热水的温差决定，其内部使用第一制冷剂。

根据本发明的一实施例，第二制冷剂回路使用与第一制冷剂不同的第二制冷剂。

根据本发明的一实施例，第一压缩机和第一制冷剂由其在高压阶段优化的运行特性被选择使用，第二压缩机和第二制冷剂由于其在低压阶段优化的运行特性被选择使用。

在上述技术方案中，本发明设计了一种性能系数优化的生产高温热水的多级空气源热泵，可以在一个范围很广的工作区间保持优化的性能系数，同时使本发明对边界变化条件实现高适应性。最后，本发明设计紧凑，简单，容易控制，并且能够高效执行必需的化霜循环。

附图说明

图1是第一回路生产高温水时的系统回路图；

图2是第二回路生产高温水时的系统回路图；

图3是翅片式换热器除霜或用于生产冷水工作时的系统回路图；

图4是四通阀的放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明公开了一种用于生产高温热水的多级空气源热泵，其包括第一制冷剂回路1和第二制冷剂回路2，下面来详细说明上述各个部件的结构和连接关系。

如图1，第一制冷剂回路1包括第一压缩机7、四通阀8、第一膨胀阀9、第二膨胀阀10、第三膨胀阀11、第一单向阀13。第一制冷剂回路1通过水路循环与用于用户6的热交换器5相连接，用户6从右侧连入热交换器5，热交换器5其中一端通过四通阀8连接第一压缩机7。四通阀8分为入口81，出口82，出口83，出口84，入口可以切换连接任意一个出口，且各个出口之间可互相连通。四通阀8的入口81连接第一压缩机7，其出口82连接热交换器5、出口83连接第一单向阀13，出口84连接翅片式热交换器4。热交换器5另一端与第三膨胀阀11相连接，且与第一膨胀阀9和第二膨胀阀10相连通。第一膨胀阀9设置于中间热交换器3的上游，第二膨胀阀10设置于翅片式热交换器4的上游。

继续看图1，第一制冷剂回路1还包括第一止回阀121、第二止回阀122、第三止回阀123、气液分离器14、储液器15、第二单向阀18。第一单向阀13和第一压缩机7通过气液分离器14相连接并形成回路。第一止回阀121和第三止回阀123设置于第一膨胀阀9和第二膨胀阀10之间，第二止回阀122设置于第三膨胀阀11和储液器15之间，第一止回阀121，第二止回阀122和第三止回阀123呈三角分布。第二止回阀122的一端连接第三膨胀阀11，另一端连接第一止回阀121、第三止回阀123和储液器15。储液器15通过第二单向阀18与翅片式热交换器4相连接。

如图2，第二制冷剂回路2包括第二压缩机16、第四膨胀阀17。第二压缩机16左端连接中间热交换器3，右端连接翅片式热交换器4。中间热交换器3和翅片式热交换器4通过第四膨胀阀17相连接。第二制冷剂回路2通过水路循环与用于用户6的热交换器5相连接，用户6从右侧连入热交换器5，热交换器5其中一端通过四通阀8连接第一压缩机7。四通阀8分为入口81，出口82，出口83，出口84，入口可以切换连接任意一个出口，且各个出口之间可互相连通。四通阀8的入口81连接第一压缩机7，其出口82连接热交换器5、出口83连接第一单向阀13，出口84连接翅片式热交换器4。热交换器5另一端与第三膨胀阀11相连接，且与第一膨胀阀9和第二膨胀阀10相连通。第一膨胀阀9设置于中间热交换器3的上游，第二膨胀阀10设置于翅片式热交换器4的上游。

继续看图2，第二制冷剂回路还包括第三单向阀19，第三单向阀19的一端连接第二单向阀18和储液器15，其另一端连接第三膨胀阀11和热交换器5。第一单向阀13和第一压缩机7通过气液分离器14相连接并形成回路。第一止回阀121和第三止回阀123设置于第一膨胀阀9和第二膨胀阀10之间，第二止回阀122设置于第三膨胀阀11和储液器15之间，第一止回阀121，第二止回阀122和第三止回阀123呈三角分布。第二止回阀122的一端连接第三膨胀阀11，另一端连接第一止回阀121、第三止回阀123和储液器15。储液器15通过第二单向阀18与翅片式热交换器4相连接。

如图3，第一制冷剂回路1与热交换器5相连接，且第一制冷剂回路1和第二制冷剂回路2通过中间热交换器3和翅片式热交换器4相互连接，翅片式热交换器4内部的第一制冷回路1和第二制冷回路2彼此交织在热交换器5的翅片中。

第一制冷剂回路1由空气温度和生产热水的温差决定，其内部使用第一制冷剂。第二制冷剂回路2使用与第一制冷剂不同的第二制冷剂。第一压缩机7和第一制冷剂由其在高压阶段优化的运行特性被选择使用，第二压缩机16和第二制冷剂由于其在低压阶段优化的运行特性被选择使用。

本发明用于生产高温水，控制器记录空气温度和水温的差值，如果该差值在工作区间内，例如当外界空气温度较高，关闭第一止回阀121和第二止回阀122，打开第三止回阀123，切换四通阀8的入口81连接到出口82并和出口83、出口84相连，并且连接第一制冷剂回路1的压缩机7。在所述第一制冷剂回路1中，翅片式换热器4作为此蒸发器使用，热交换器5作为冷凝器使用。

本发明具有高的热容量和高的COP。如果读出的空气温度和水温的差值落在第二制冷回路中，(例如，当外部空气温度低)时，控制器关闭第二止回阀122和第三止回阀123，打开第一止回阀121，切换单向阀8入口81到出口82，并且使第一制冷剂回路1的压缩机7和第二制冷剂回路2的压缩机16接入循环。在第一制冷剂回路1中，热交换器4为第二制冷剂回路2的蒸发器，中间热交换器3作为第二制冷剂回路2的冷凝器和第一制冷剂回路1的蒸发器，同时热交换器5作为的第一制冷剂回路1的冷凝器。因此两个压缩机7和16总工作在适当的温度范围，和合适的压缩比内。

本发明提供方便的集成控制，根据边界条件，来确定从单一到两阶段的最佳切换时间。

本发明也可以使用在反向模式中，为用户提供冷水(在夏天)或为翅片热交换器4提供除霜循环。在这种情况下，该电控器控制如下：关闭第一止回阀121和第三止回阀123，打开二止回阀122，切换换向阀8，将入口81连接到出口84，并将出口82和出口83相连，并且使第一制冷剂回路1的第一压缩机7连接到循环回路中，在这个循环中热交换器4作为冷凝器，热交换器5作为蒸发器。但应当指出的是，如果该热交换器4是“复叠”的，不仅可以使热泵很紧凑，而且第二回路2也是极其简化的，不需要逆向制冷循环来保证翅片式热交换器的除霜，只需要第一回路来工作即可。当控制器确定翅片式热交换器4结冰时，切换第二压缩机16，并且使第一制冷剂回路1逆向循环，将冷凝热提供到翅片式热交换器4上，来熔化热交换器上已经形成的冰。

本发明提供了生产高温热水的可能性，(例如甚至高于80℃)，在广泛的环境温度和水的温度范围内具有较高COP，高度的灵活性，生产的热水温度与外部空气环境温度被大大的扩展。尤其是在热泵的热容量方面，可以基本上不随外部空气温度的降低而改变。所述的制冷剂回路和制冷剂的压缩机可以被优化用于各操作回路，以使压缩机以合适的压缩比工作，以确保最高的效率，足够的润滑和适当的运行温度。当然，也可以在每个循环级段使用任何类型和数量的压缩机以及制冷剂。对于生产高温水的多级空气源热泵能够进行多种变化和变型，均属于本发明的概念范围。此外，所有的细节均可进行技术上的等同替换。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，包括：

第一制冷剂回路和第二制冷剂回路；

所述第一制冷剂回路与热交换器相连接，且所述第一制冷剂回路和第二制冷剂回路通过中间热交换器和翅片式热交换器相互连接，所述翅片式热交换器内部的第一制冷回路和第二制冷回路彼此交织在热交换器的翅片中；

所述第一制冷剂回路包括：第一压缩机、四通阀、第一膨胀阀、第二膨胀阀、第三膨胀阀、第一单向阀；

所述四通阀的入口连接所述第一压缩机，其出口分别连接所述热交换器、第一单向阀和翅片式热交换器；

所述第一膨胀阀设置于所述中间热交换器的上游，所述第二膨胀阀设置于所述翅片式热交换器的上游，所述第三膨胀阀设置为与所述热交换器相连接，且所述第一膨胀阀和第二膨胀阀相连通。

2.如权利要求1所述的用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，所述第一制冷剂回路还包括：第一止回阀、第二止回阀、第三止回阀、气液分离器、储液器、第二单向阀；

所述第一单向阀和所述第一压缩机通过所述气液分离器相连接并形成回路；

所述第一膨胀阀和第二膨胀阀之间依次设置第一止回阀和第三止回阀，所述第二止回阀的一端连接所述第三膨胀阀，另一端连接所述第一止回阀、第三止回阀和所述储液器；

所述储液器通过所述第二单向阀与所述翅片式热交换器相连接。

3.如权利要求2所述的用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，所述第二制冷剂回路包括：第二压缩机、第四膨胀阀；

所述第二压缩机一端连接所述翅片式热交换器，另一端连接所述中间热交换器，所述中间热交换器通过所述第四膨胀阀与所述翅片式热交换器相连接。

4.如权利要求3所述的用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，所述第二制冷剂回路还包括第三单向阀，所述第三单向阀的一端连接所述第二单向阀和所述储液器，其另一端连接所述第三膨胀阀和所述热交换器。

5.如权利要求4所述的用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，所述四通阀包括一个入口和三个出口，所述入口可以切换连接任意一个出口，且各个出口之间可互相连通。

6.如权利要求5所述的用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，所述第一制冷剂回路由空气温度和生产热水的温差决定，其内部使用第一制冷剂。

7.如权利要求6所述的用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，所述第二制冷剂回路使用与所述第一制冷剂不同的第二制冷剂。

8.如权利要求7所述的用于生产高温热水的多级空气源热泵，其特征在于，所述第一压缩机和第一制冷剂由其在高压阶段优化的运行特性被选择使用，所述第二压缩机和第二制冷剂由于其在低压阶段优化的运行特性被选择使用。