CN104949409B - 一种无需启动压缩机的柔性空气源热泵除霜系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气源热泵除霜过程无需启动压缩机的柔性除霜方法，除霜时，冷媒循环泵4把闪蒸罐式经济器1内的液态冷媒泵送至冷媒‑热水交换器3内，冷媒吸收热水的热量而气化，经由控制阀53控制的热气通道进入空气‑冷媒换热器2内，并向霜层放热而凝结，液态冷媒经液态管道并在控制阀52的控制下返回闪蒸罐式经济器1内，而空气‑冷媒热交换器2外部的霜层在吸收冷媒热量后融化。上述过程如此反复一定时间即可达到快速、彻底融霜的目的。本发明除霜过程无需启动压缩机，因此避免了逆循环除霜对压缩机的冲击和高耗能。又克服了热气旁通除霜的低效率和除霜不彻底难题。

Description

一种无需启动压缩机的柔性空气源热泵除霜系统及方法

技术领域

本发明涉及一种空气源热泵除霜方法。

背景技术

蒸汽压缩循环式空气源热泵在制热时，当环境温度较低时，室外空气-冷媒热交换器（起蒸发器作用）表面温度低于空气露点且低于0℃时，热交换器表面会结霜。一旦发生结霜将会影响制热量、制热能效，甚至造成机组故障。因此，快速高效、对机组低冲击，尤其是对压缩机低冲击的除霜方法是当前研究的热点课题。

目前空气源热泵常用的除霜方法主要有以下2种：

最常用的是换向-逆循环除霜方法，如图1所示。热泵正常制热运行时，四通换向阀按照实线所示流量控制制冷剂的流向。当需要除霜时，首先要停止压缩机，通过四通换向阀按虚线所示的流向切换制冷剂流向，这样就由原来的制热模式切换为制冷模式，即室外空气-冷媒热交换器由蒸发器变为冷凝器，热水-冷媒换热器由冷凝器变为蒸发器。当压缩机启动后压缩机排出的高温制冷剂气体进入室外空气-冷媒热交换器，并向换热器外侧表面的低温霜层放热，霜层吸热后逐渐融化、直至脱落、最后蒸干。除霜的热源来自热水和压缩机的压缩功，这种除霜方法融霜热流密度大、霜层由内而外融化，因此融霜速度快。但是融霜时由于四通换向阀需要换向，原有制热模式切换为制冷模式，对压缩机而言，其蒸发侧和冷凝侧的工况发生很大变化，频繁的除霜运转对压缩机十分不利。比如热水温度高于40℃，融霜时制冷剂被热水加热后温度、比容都会显著升高，使压缩机工作在极限条件下，甚至超出压缩机的允许工作范围，因此会有高压报警、排气温度过高，线圈过热等异常或故障发生。

另一种方法是热气旁通除霜，如图2所示。在除霜时无需改变制冷剂的流向，保持原有制热模式不变的条件下，打开融霜回路（粗线部分）的阀门，使一部分高温、高压的压缩机排气直接进入室外空气-冷媒热交换器即蒸发器，使其内部的制冷剂温度提高向外表面霜层放热达到融霜的目的。这种方法相对简单，但是融霜时有以下不良：一是相对于逆循环除霜速度较慢，热交内还有融霜产生的凝结液，使压缩机面临液压缩风险，另一方面，虽然高温热气一部分进入了蒸发器，但是蒸发器内的温度还与压缩机的吸气压力直接相关，因此对压缩机的容量控制是影响除霜速度和效率关键因素之一，而压缩机容量控制性能又与压缩机的形式相关，所以外这种除霜方法常见于小型的热泵机组中，一般10KW以上制热量的机组很少采用。

发明内容

综上所述，现有除霜方法均有一定的不足和局限，本发明的目的就是以克服上述逆循环除霜方法对压缩机产生较大冲击、热气旁通除霜速度慢、受限于压缩机的形式和控制复杂的不足问题，提供一种无需启动压缩机的柔性除霜系统，系统简单紧凑。本发明无需启动压缩机的柔性除霜方法，无需启动压缩机，节能，除霜效果佳。

为了实现上述目的，本发明的无需启动压缩机的柔性除霜系统，涉及闪蒸罐式经济器、空气-冷媒热交换器、热水-冷媒热交换器和压缩机，其特征在于：

所述热水-冷媒热交换器3底部接口32与闪蒸罐式经济器1进液口14由设有液位调节阀8和电磁阀7的管道连接构成通道一101，所述液位调节阀8靠近闪蒸罐式经济器1侧，电磁阀7靠近热水-冷媒热交换器3侧；

所述热水-冷媒热交换器3的底部接口32与闪蒸罐式经济器1底部接口13由设有冷媒循环泵4和单向阀5的冷媒管道连接构成通道二102；

所述冷媒循环泵4由闪蒸罐式经济器1向热水-冷媒换热器3方向输送冷媒，并在循环泵4的出口处按泵送流体的方向设置单向阀5；

所述闪蒸罐式经济器1的顶部接口11与压缩机低压吸气侧由通道四104联通，通道四上设有通断控制的阀门9；

所述闪蒸罐式经济器1的顶部接口11与压缩机的中间压力部由通道五105联通，通道五上设有通断控制的阀门10；

所述空气-冷媒热交换器2的出口22与热水-冷媒热交换器3的上部接口31由通道六106联通，并在通道六106设有控制阀53，所述控制阀采用开度可控阀或通断控制阀；

所述闪蒸罐式经济器1底部接口12与空气-冷媒热交换器2即制热时为蒸发器的入口21由通道七107联通，并在通道七107上设有控制阀52，所述控制阀采用开度可控阀或通断控制阀；

所述闪蒸罐式经济器1设有液位测量装置51，液位测量装置采用液位传感器或液位开关。

所述通道一101与通道二102之间设有旁通通道三103，所述通道三103与通道二102的接口位于通道二102中单向阀5与冷凝器3底部接口32之间；

所述通道三103与通道一101的接口位于通道一101中电磁阀7与液位调节阀8之间，并且通道三103中设置开度调节阀6。

本发明无需启动压缩机的柔性除霜方法，具体步骤如下：

第一步准备阶段：关闭控制阀52，阀门10和电磁阀7，然后停止压缩机，此时打开阀门9，使闪蒸罐式经济器1内的压力与低压接近，当达到平衡时再关闭阀门9，对闪蒸罐式经济器1的降压完成，液位调节阀8始终处于自动调节状态；

第二步除霜：保持热水-冷媒热交换器3的外部热水处于流通状态，启动冷媒循环泵4同时打开控制阀53，冷媒循环泵4运转后使闪蒸罐式经济器1内的液态冷媒泵送至热水-冷媒热交换器3中，冷媒吸收外部热水的热量后气化，并经处于打开状态的通道六106进入空气-冷媒热交换器2内部，在内外温差作用下高温冷媒气体被外部霜层冷凝液化并聚集在空气-冷媒热交换器2内部，此时空气-冷媒热交换器2与水-冷媒热交换器3内的压力基本相当，高于闪蒸罐式经济器1内的压力，当空气-冷媒热交换器2内的液态冷媒达到某一程度后控制阀52打开，使其内部的液态冷媒在压差作用下经通道七107进入经济器1的内部，然后液态冷媒再次被冷媒循环泵4泵送至热水-冷媒热交换器3，如此反复，通过冷媒的循环和相变，把外部热水的热量带到空气-冷媒热交换器2；

第三步后处理：除霜完了后进入排出空气-冷媒热交换器2内液体阶段，先停止冷媒循环泵4，关闭控制阀53和控制阀52，通过空气-冷媒热交换器2的风机快速冷凝热交内部的气态冷媒，然后再次打开控制阀52，控制阀53，使空气-冷媒换热器2内的液态冷媒在压差作用下快速排至闪蒸罐式经济器1内，根据需要反复进行排液操作，尽可能减少空气-冷媒热交换器2内的液态冷媒滞留量。

所述第二步除霜时为了防止闪蒸罐式经济器1内的冷媒被循环泵4抽空导致冷媒循环泵4发生汽蚀，由旁通通道三103旁通一部分冷媒经液位调节阀8再返回至经济器1内。

本发明的有益效果是

1）融霜过程无需启动压缩机，因此避免了融霜时压缩机吸气温度高、排气压力高、排气温度高等对压缩机的冲击；

2）融霜时由低功率冷媒循环泵代替高功率压缩机来提供冷媒循环的必要压差，因此具有节能性；

3）融霜热量主要由循环泵泵送到热水-冷媒热交换器内液态的冷媒通过汽化吸收热水的热量，然后气态冷媒在空气-冷媒热交换器内凝结相变放热，因此具有逆循环除霜具有的热流密度大，由内而外融霜的高效率特性。

附图说明

图1是现有换向-逆循环除霜法原理图。

图2是现有热气旁通除霜法原理图。

图3是本发明无需启动压缩机的柔性除霜回路图。

图4是本发明采用柔性除霜技术的典型热泵热水机组循环原理图。

具体实施方式

以下根据图示实施方式详细说明本发明，图3是本发明的柔性除霜回路图。在图3中，闪蒸罐式经济器1具有顶部气体出口11，底部液体出口12,13以及液体入口14及液位测量装置51，液位测量装置采用液位传感器或液位开关。2表示空气-冷媒热交换器，21为其正常制热时的制冷剂入口，22 表示正常制热时的制冷剂出口。3表示热水-冷媒换热器，其顶部具有气体制冷剂接口31，底部具有液态制冷剂接口32以及循环热水进口33、出口34。压缩机63吸气侧经气液分离器61连接空气-冷媒换热器2，压缩机63排气侧经油分离器62后连接热水-冷媒换热器3。

闪蒸罐式经济器1的接口14和热水-冷媒热交换器3的接口32由通道一101连接，并在通道一上靠近经济器1的一侧设置液位调节阀8，靠近热水-冷媒热交换器3的一侧设置电磁阀7；

闪蒸罐式经济器1的接口13和热水-冷媒热交换器3的接口32的由通道二102连接，并在其靠近经济器1侧设置冷媒循环泵4、单向阀5；

通道一101和通道二102由旁通通道三103联接，且旁通通道三103与通道二102的连接处位于通道二102中单向阀5与热水-冷媒换热器3底部接口32之间，与通道一101的连接处位于通道一101中电磁阀7与液位调节阀8之间，开度调节阀6设置通道3中。

闪蒸罐式经济器1的顶部出口11与吸气侧低压部由管道104联通，并且其通断由电磁阀9控制；

闪蒸罐式经济器1的顶部出口11与压缩机中间压力部由管道105联通，并其通断由电磁阀10控制；

热水-冷媒换热器3的接口31与空气-冷媒热交换器2的出口22由通道六106连接，并且其通断由控制阀53控制；

闪蒸罐式经济器1的接口12与空气-冷媒热交换器2的入口21由通道七107连接，并且其开度或通断由控制阀52控制；

为了说明本实施例的原理，结合图3和4进行详细说明。图4为采用柔性除霜方法的典型空气源热泵热水机组的循环原理图。

在正常制热时，压缩机63的排气经油分62后进入热水-冷媒换热器3中，高温高压冷媒气体向水放热凝结液化，水吸收冷媒热量后温度升高，冷媒液则聚集在热水-冷媒换热器3的底部，经通道一101进入经济器1内，此时电磁阀7处于打开状态，流入闪蒸罐式经济器1内的冷媒量由液位调节阀8根据液位传感器或液位开关51来控制。

闪蒸罐式经济器1内的冷媒经通道七107向空气-冷媒热交换器2供液，供液量的多少由控制阀52（本例中阀52为双向流动的电子膨胀阀）控制，液态冷媒在空气-冷媒热交换器2中吸收外界空气的热量气化被压缩机吸入，进入下次循环。

另外，闪蒸罐式经济器1的顶部冷媒通道五105处于打开状态，即阀门10（本例中为电磁阀）处于打开状态；

对于除霜用的部分回路（图4中粗线部分），冷媒通道四104处于关闭状态，即阀门9（本例中为电磁阀）处于关闭状态；通道六106处于关闭状态，即阀门53（本例为电磁阀）处于关闭状态；通道二102处于关闭状态，即冷媒循环泵4处于停止状态；

当空气-冷媒热交换器2结霜并达到除霜条件时，进入除霜程序，结合图3予以说明。

首先是准备阶段：关闭阀门52， 10和电磁阀7，然后停止压缩机63。此时打开通道六106中的阀门9，使闪蒸罐式经济器1内的压力与低压接近，当达到平衡时再关闭阀门9，对闪蒸罐式经济器1的降压完成。液位调节阀8始终处于自动调节状态。

第二步：保持热水-冷媒热交换器3的外部热水处于流通状态，启动冷媒循环泵4同时打开控制阀53。冷媒循环泵4运转后使闪蒸罐式经济器1内的液态冷媒泵送至热水-冷媒热交换器3中，冷媒吸收外部热水的热量后气化，并经处于打开状态的通道六106进入空气-冷媒热交换器2内部，在内外温差作用下高温冷媒气体被外部霜层冷凝液化并聚集在空气-冷媒热交换器2内部，此时空气-冷媒热交换器2与热水-冷媒热交换器3内的压力基本相当，高于闪蒸罐式经济器1内的压力。当空气-冷媒热交换器2内的液态冷媒达到某一程度后控制阀52打开，使其内部的液态冷媒在压差作用下经通道七107进入闪蒸罐式经济器1的内部。然后液态冷媒再次被冷媒循环泵4泵送至热水-冷媒热交换器3，如此反复，通过冷媒的循环和相变，把外部热水的热量带到空气-冷媒热交换器2达到融霜目的。

另外，为了防止闪蒸罐式经济器1内的冷媒被循环泵4抽空导致冷媒循环泵4发生汽蚀，由旁通通道三103旁通一部分冷媒经液位调节阀8再返回至经济器1内。

最后，除霜完了后进入排出空气-冷媒热交换器内液体阶段。先停止冷媒循环泵4，关闭控制阀53和52，通过空气-冷媒热交换器的风机快速冷凝空气-冷媒热交换器2内部的气态冷媒，然后再次打开控制阀52和53，使空气-冷媒换热器2内的液态冷媒在压差作用下快速排至闪蒸罐式经济器1内。可以根据需要反复进行排液操作，尽可能减少空气-冷媒热交换器2内的液态冷媒滞留量。

根据上述可知，在冷媒除霜循环整个过程中压缩机始终处于停机状态，因此避免了现有四通换向阀-逆循环除霜方法在除霜时对压缩机的冲击，既提高压缩机的寿命，又节省了压缩机的耗电。另外，其除霜实质效果与逆循环除霜强度相当，因此又较现有热气旁通法除霜速度快，效率高，除霜彻底的优点。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限制本发明。任何本领域技术人员在不脱离本发明的思想和范围内，都可以做可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容、依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何修改，等同变化及修饰均落入本发明的权利要求所界定的保护范围内。

Claims (6)

1.无需启动压缩机的柔性除霜系统，涉及闪蒸罐式经济器、空气-冷媒热交换器、热水-冷媒热交换器和压缩机，其特征在于：

所述热水-冷媒热交换器（3）底部接口（32）与闪蒸罐式经济器（1）进液口（14）由设有液位调节阀（8）和电磁阀（7）的管道连接构成通道一（101），所述液位调节阀（8）靠近闪蒸罐式经济器（1）侧，电磁阀（7）靠近热水-冷媒热交换器（3）侧；

所述热水-冷媒热交换器（3）的底部接口（32）与闪蒸罐式经济器（1）底部接口（13）由设有冷媒循环泵（4）和单向阀（5）的冷媒管道连接构成通道二（102）；

所述冷媒循环泵（4）由闪蒸罐式经济器（1）向热水-冷媒热交换器（3）方向输送冷媒，并在冷媒循环泵（4）的出口处按泵送流体的方向设置单向阀（5）；

所述闪蒸罐式经济器（1）的顶部接口（11）与压缩机低压吸气侧由通道四（104）联通，通道四上设有通断控制的阀门（9）；

所述闪蒸罐式经济器（1）的顶部接口（11）与压缩机的中间压力部由通道五（105）联通，通道五上设有通断控制的阀门（10）；

所述空气-冷媒热交换器（2）的出口（22）与热水-冷媒热交换器（3）的上部接口（31）由通道六（106）联通，并在通道六（106）设有控制阀（53）；

所述闪蒸罐式经济器（1）底部接口（12）与空气-冷媒热交换器（2）即制热时为蒸发器的入口（21）由通道七（107）联通，并在通道七（107）上设有控制阀（52）；

所述闪蒸罐式经济器（1）设有液位测量装置（51），液位测量装置采用液位传感器或液位开关。

2.根据权利要求1所述的无需启动压缩机的柔性除霜系统，其特征在于：所述通道一（101）与通道二（102）之间设有旁通通道三（103），所述通道三（103）与通道二（102）的接口位于通道二（102）中单向阀（5）与热水-冷媒热交换器（3）底部接口（32）之间；

所述通道三（103）与通道一（101）的接口位于通道一（101）中电磁阀（7）与液位调节阀（8）之间，并且通道三（103）中设置开度调节阀（6）。

3.根据权利要求1所述的无需启动压缩机的柔性除霜系统，其特征在于：所述设置在通道七（107）上的控制阀（52）及设置在通道六（106）的控制阀（53）均采用开度可控阀或通断控制阀。

4.采用权利要求1或3所述的无需启动压缩机的柔性除霜系统的一种无需启动压缩机的柔性除霜方法，其特征是：具体步骤如下：

第一步准备阶段：关闭通道七（107）上的控制阀（52），通道五上的阀门（10）和电磁阀（7），然后停止压缩机，此时打开通道四上的阀门（9），使闪蒸罐式经济器（1）内的压力与低压接近，当达到平衡时再关闭通道四上的阀门（9），对闪蒸罐式经济器（1）的降压完成，液位调节阀（8）始终处于自动调节状态；

第二步除霜：保持热水-冷媒热交换器的外部热水处于流通状态，启动冷媒循环泵（4）同时打开通道六（106）上的控制阀（53），冷媒循环泵（4）运转后使闪蒸罐式经济器（1）内的液态冷媒泵送至热水-冷媒热交换器（3）中，冷媒吸收外部热水的热量后气化，并经处于打开状态的通道六（106）进入空气-冷媒热交换器（2）内部，在内外温差作用下高温冷媒气体被外部霜层冷凝液化并聚集在空气-冷媒热交换器（2）内部，此时空气-冷媒热交换器（2）与热水-冷媒热交换器（3）内的压力基本相当，高于闪蒸罐式经济器（1）内的压力，当空气-冷媒热交换器（2）内的液态冷媒达到某一程度后通道七（107）上的控制阀（52）打开，使其内部的液态冷媒在压差作用下经通道七（107）进入闪蒸罐式经济器（1）的内部，然后液态冷媒再次被冷媒循环泵（4）泵送至热水-冷媒热交换器（3），如此反复，通过冷媒的循环和相变，把外部热水的热量带到空气-冷媒热交换器（2）；

第三步后处理：除霜完了后进入排出空气-冷媒热交换器（2）内液体阶段，先停止冷媒循环泵（4），关闭通道六（106）上的控制阀（53）和通道七（107）上的控制阀（52），通过空气-冷媒热交换器（2）的风机快速冷凝空气-冷媒热交换器（2）内部的气态冷媒，然后再次打开通道七（107）上的控制阀（52），通道六（106）上的控制阀（53），使空气-冷媒换热器（2）内的液态冷媒在压差作用下快速排至闪蒸罐式经济器（1）内，根据需要反复进行排液操作，尽可能减少空气-冷媒热交换器（2）内的液态冷媒滞留量。

5.采用权利要求2所述的无需启动压缩机的柔性除霜系统的一种无需启动压缩机的柔性除霜方法，其特征是：具体步骤如下：

第一步准备阶段：关闭通道七（107）上的控制阀（52），通道五上的阀门（10）和电磁阀（7），然后停止压缩机，此时打开通道四上的阀门（9），使闪蒸罐式经济器（1）内的压力与低压接近，当达到平衡时再关闭通道四上的阀门（9），对闪蒸罐式经济器（1）的降压完成，液位调节阀（8）始终处于自动调节状态；

第二步除霜：保持热水-冷媒热交换器的外部热水处于流通状态，启动冷媒循环泵（4）同时打开通道六（106）上的控制阀（53），冷媒循环泵（4）运转后使闪蒸罐式经济器（1）内的液态冷媒泵送至热水-冷媒热交换器（3）中，冷媒吸收外部热水的热量后气化，并经处于打开状态的通道六（106）进入空气-冷媒热交换器（2）内部，在内外温差作用下高温冷媒气体被外部霜层冷凝液化并聚集在空气-冷媒热交换器（2）内部，此时空气-冷媒热交换器（2）与热水-冷媒热交换器（3）内的压力基本相当，高于闪蒸罐式经济器（1）内的压力，当空气-冷媒热交换器（2）内的液态冷媒达到某一程度后通道七（107）上的控制阀（52）打开，使其内部的液态冷媒在压差作用下经通道七（107）进入闪蒸罐式经济器（1）的内部，然后液态冷媒再次被冷媒循环泵（4）泵送至热水-冷媒热交换器（3），如此反复，通过冷媒的循环和相变，把外部热水的热量带到空气-冷媒热交换器（2）；

第三步后处理：除霜完了后进入排出空气-冷媒热交换器（2）内液体阶段，先停止冷媒循环泵（4），关闭通道六（106）上的控制阀（53）和通道七（107）上的控制阀（52），通过空气-冷媒热交换器（2）的风机快速冷凝空气-冷媒热交换器（2）内部的气态冷媒，然后再次打开通道七（107）上的控制阀（52），通道六（106）上的控制阀（53），使空气-冷媒换热器（2）内的液态冷媒在压差作用下快速排至闪蒸罐式经济器（1）内，根据需要反复进行排液操作，尽可能减少空气-冷媒热交换器（2）内的液态冷媒滞留量。

6.根据权利要求5所述的无需启动压缩机的柔性除霜方法，其特征是：所述第二步除霜时为了防止闪蒸罐式经济器（1）内的冷媒被冷媒循环泵（4）抽空导致冷媒循环泵（4）发生汽蚀，由旁通通道三（103）旁通一部分冷媒经液位调节阀（8）再返回至闪蒸罐式经济器（1）内。