CN105042979A - 热泵冰箱 - Google Patents

Abstract

一种具有冰箱、冰箱废热热水、热泵热水功能的新产品热泵冰箱，这是试验机成功后的再次申请。几十年来，用“冰箱、冰柜、空调热水”的专利有226个。失败主因：热水过多水温超高，冰箱制冷不可靠。其次：热水不足，没有补充，热水也不可靠。其特征是：冷凝器分成水冷凝器和空气热交换器两段，利用电磁阀，控制空气热交换器中的氟：正向流、无流、逆流，实现：热泵热水、废热热水、水温超高、3种必须的运行方式，并实现了3种方式的“冷凝温度中心”。只要室温大于-5℃，热水随便用。每天耗电1度，可以免费得到4度电热水。百姓天天省钱、节能减排令世界瞩目、还能推动经济发展：它将淘汰冰箱、天然气热水器、电热水器、空气能热水器、太阳能热水器。全国家电企业努力生产10年才能满足国内外需要。

Description

热泵冰箱

一、技术领域：

本发明涉及一种具有冰箱、冰箱废热热水、热泵热水、1机3功能的新产品技术。

二、背景技术：

几十年来，人们一直想利用冰箱的，具有耗电量4倍的废热。用“冰箱热水、冰柜热水、空调热水”检索出的专利有226个。但是，至今没有产品出现，失败的主要原因是：热水用不完时，水冷凝器温度超高后，冰箱制冷困难，冰箱不可靠了。次要原因：在热水不足时，没有想到补充，或没有技术能力，采用最节能的热泵方式去补充，因此，热水也是不可靠的、成本高的。

三、发明内容：

1、发明目的：

热泵冰箱发明必需成为：能够利用冰箱废热热水、冰箱和热水都可靠的、制冷和制热系数都高的、性价比高的新产品。

2、解决方案及效果：

①热泵冰箱必须具有，3种自动转换的运行方式，才能保证冰箱制冷可靠，热水可靠：温度控制器安装在水箱1/4高度，a)热泵热水方式：水温低于44℃，热水稍微不足时启动运行，b)废热热水方式：水温在44℃-55℃之间运行，c)水温超高方式：水温大于55℃后运行。

效果是：解决了以前冰箱热水，从理论上分析，冰箱和热水都不可靠问题。

②亚热带型热泵冰箱：冷凝器分成水冷凝器和空气热交换器两段，利用2个冰箱电磁阀，控制空气热交换器中的氟：逆流(水温超高方式)，正向流(热泵热水方式)，无流(废热热水方式)，实现了上述3种运行方式。(请看2个冰箱电磁阀电气控制图和工质循环图)

效果是：实现热泵冰箱必须具有的，3种自动转换运行方式。同时，空气热交换器，一物二用(热泵蒸发器、空气冷凝器)，降低了产品成本、重量、体积。

③温带型热泵冰箱：冷凝器分成水冷凝器和空气热交换器两段，利用1个冰箱电磁阀，控制空气热交换器中的氟：正向流(热泵热水方式)无流(废热热水方式)，水温超高方式，这种情况很难发生，或很轻微，采用放水电磁阀缓慢放热水(放掉的水可以回收利用)，实现水温停止上升，由于，是缓慢放水，水温缓慢降低到55℃就停止放水，进入水箱的冷水不会引起热泵热水。(请看1个冰箱电磁阀电气控制图和工质循环图)

效果是：比亚热带型增加了2个优点：a)少用1个冰箱电磁阀，成本减少、可靠性提高。b)热泵蒸发器，又做压缩机回气升温器，能够提高冰箱制热系数。

④找到了3种运行方式，都能达到设计的“冷凝温度中心”方法：废热热水与水温超高方式(都是冰箱状态)：“冷凝温度中心”44℃，蒸发-24℃，热泵热水方式(热泵状态)：“冷凝温度中心”32℃，蒸发-16℃，

注1：设计“冷凝温度中心”好处：、流量随着冷凝温度变化波动小，流量提高，避免“大马拉小车”，减少了压缩机运行时间，寿命延长、还提高了制冷和制热系数，所以，3种运行方式都必须都达到。

注2：冷凝温度和蒸发温度在“冷凝温度中心”时：冷凝器中刚好没有存留液体(低于“冷凝温度中心”，冷凝器才会出现存留液体)，毛细管中刚好没有气泡(高于“冷凝温度中心”，毛细管中才会出现气泡来提高压降)，流量达到最大。根据冷凝温度上升吸气压变化判断：毛细管短了：上限压力提前。毛细管长了：达不到上限，但是压力仍然要继续增加一点。氟加少了：达不到上限，压力越来越低。氟加多了：超过上限。

具体做法如下：

A)冰箱是将冷凝器温度变化范围55℃-20℃，分成2段，“冷凝温度中心”40℃左右，蒸发-24℃，而热泵冰箱是：将冷凝器温度变化范围分成3段，各段压力变化范围自然更小，流量变化更小，

B)3种运行方式优先次序如下：水温超高、热泵热水、废热热水，这样可以保证各个温度段只有一种运行方式，

C)冰箱状态“冷凝温度中心”44℃，也是冰箱状态起点温度，所以冰箱状态只有1段，原因是：目前采用冰箱压缩机，如果“冷凝温度中心”提高到48℃，怕压缩机过负荷，

D)热泵状态“冷凝温度中心”32℃，有2段，

E)找到了2种运行状态，都达到设计的“冷凝温度中心”的方法：调节高低压管路体积，等于计算出来的比值，

已知：1——冰箱状态：冷凝44℃，蒸发-24℃，冷凝器和蒸发器的绝对压力和绝对温度，

2——热泵状态：冷凝32℃，蒸发-16℃，冷凝器和蒸发器的绝对压力和绝对温度，

求：V_低/V_高，

解：用冰箱状态和热泵状态气体克分子数相等建立方程式：

(P_1凝V_高)/T_1凝+(P_1蒸V_低)/T_1蒸＝(P_2凝V_高)/T_2凝+(P_2蒸V_低)/T_2蒸

带入已知数值就可以得出V_低/V_高

例如：采用工质：R404A

(19.99V_高)/317+(2.59V_低)/249＝(14.92V_高)/305+(3.50V_低)/257

V_高＝V_低/4.4

例如：采用工质：R134a

(11.29V_高)/317+(1.1V_低)/249＝(8.14V_高)/305+(1.56V_低)/257

V_高＝V_低/5.24

例如：采用工质：R22

(16.9V_高)/317+(2.09V_低)/249＝(12.5V_高)/305+(2.84V_低)/257

V_高＝V_低/4.56

热泵冰箱的空气热交换器：要求与冰箱蒸发器体积差不多，按照20米长，0.5管径考虑，体积0.393升。

亚热带型水冷凝器参数：

体积：采用直径6，长2.5米铜管，弯曲成外径40，长400的螺旋式，有安装法兰盘的水冷凝器，体积等于0.071升，

冷凝功率：实践经验在2000瓦左右。而200瓦压缩机的热泵冷凝功率只有1000瓦左右。(热泵状态，蒸发温度-16℃低于冰箱状态蒸发温度-24℃，所以，流量比冰箱状态大1.4倍左右，制热系数5左右)，

2种运行状态V_高：都是水冷凝器，加上一个冰箱蒸发器或空气热交换器，体积相等，

亚热带V_高＝o.393+o.071＝0.464升

2种运行状态V_低：都是由压缩机内部孔隙，大约2升左右，加上一个蒸发器体积，也是相等的，等于2.393升。因此，带入上面数值计算。

采用R404aV_低＝0.464×4.4＝2.042升。还差2.042-2.393＝-0.3514升，可以增加冷凝器管径到8解决。

采用R134aV_低＝0.464×5.24＝2.431升。还多2.431-2.393＝0.038升，差很小，合格。

采用R22V_低＝0.464×4.56＝2.116升。还差2.116-2.393＝-0.277升。可以增加冷凝器管径到8解决。

温带型水冷凝器：是棒式，才能满足体积要求，具体计算方法相同，不再详细计算。

效果是：废热热水和水温超高运行方式(冰箱状态)：达到了“冷凝温度中心”44℃，最高蒸发温度-24℃。

热泵热水运行方式(热泵状态)：达到了“冷凝温度中心”32℃，最高蒸发温度-16℃。

⑤2个冰箱电磁阀工质循环图补充说明：

a)没有电磁阀接通，靠毛细管接通高压的高压并联支路：

第1点：要计算到高压管路体积中。

第2点：热泵热水运行方式要避免：氟通过毛细管流到-18℃的冰箱蒸发器储藏，减少热泵蒸发器流量。因此，设计热泵蒸发器最高温度为-16℃，基本上无储藏。另一方面可以保证在室温等于-5℃时，热泵能够提供足够的热水。

b)水温超高运行方式：

第1点：水温超高电磁阀通电后，水冷凝器与空气冷凝器接通，相当于一个冷凝器，氟只会在温度低的空气冷凝器中全部冷凝，水冷凝器温度会停止升高，冰箱制冷也不会困难。

第2点：热泵毛细管串联在冰箱毛细管上，毛细管加长一点点(热泵毛细管很短)，在冷凝温度超过44℃后，只减少了毛细管中的气泡及压降，不影响流量。水温超高，一般出现在气温高，冷凝温度高于44℃时，因此，冰箱流量不会减少。万一出现在冷凝温度低于44℃时，水温最低时，流量减少才接近10％，也影响不大。

⑥压缩机设计：

a)压缩机功率：200瓦以上，保证4小时能够将一箱冷水加热到44℃。功率增加后，

第1点：冷藏室蒸发面积应该调节一下，保证：冷藏室5℃，冷冻室-18℃，蒸发室尾气管不产生露或霜。

第2点：毛细管要按照管道压降公式缩短或变粗：

管道压降＝系数×(长度×流量²×粘度)/直径⁵

第3点：压缩机寿命不会因为增加热泵功能而缩短，因为，冰箱运行时间变短。

b)：压缩机室保温：压缩机保温是提高制热系数的必要措施。

C)：压缩机的冷却：保温后压缩机，在氟流量小、运行时间长的情况下，温度可能达到100℃以上，烧坏压缩机，所以必须冷却。可以在压缩机顶部外壳，或焊、或粘、或套一个冷却水管，用直径8保温软管连接到水箱的进出水管上，压缩机发热，直接加热冷却水。保证机壳温度不超过100℃，压缩机温度额定值是110℃左右。

d)：压缩机附带的过负荷保护器调整：压缩机室保温后，压缩机环境温度超过室温十几度，必须调整一下。否则压缩机没有过热或没有过负荷也可能掉闸停机。

e)：压缩机过负荷：氟加多了，两个冷凝温度中心会上移。冰箱状态有过负荷可能，应该放掉一点氟。

⑦冰箱毛细管：前段保温，后段与冰箱蒸发器尾气进行热交换降温：

a)：前段保温：防止毛细管温度低，产生冷凝，降低制热系数；同时冷凝液体的温度可以传给毛细管后段，加热冰箱蒸发器尾气，提高制热系数。

b)：后段冷却：后段被尾气一直冷却到接近蒸发温度，防止氟在毛细管中汽化，降低制冷系数。

⑧热泵毛细管：前段温度比较低，不必保温，后段与热泵蒸发器首段冷却，防止汽化。

⑨空气热交换器：做热泵蒸发器时，要保证蒸发液体能够自然从上流到下。兼做空气冷凝器时(亚热带式)，冷凝产生的液体，要保证能够被后面的气体推动，向上倒流，因此，热泵电磁阀，一定要安装在高压气体入口上方。

⑩真空破坏阀：防止自来水管停水时，产生负压，水箱被大气压压扁。可以用一个直径10左右的止同阀充当。

3、发明的实用性强

①老百姓天天省钱：只要室温高于-5℃，热泵冰箱每天耗电1度，可以得到相当于4度电的免费热水，可以使200斤自来水，温度升高34℃，基本可以满足全家人使用热水。

②节能减排令世界瞩目：数亿家庭基本上得到免费热水，少用天然气和电。天然气不污染环境，可以代替污染环境的汽油开汽车和煤炭锅炉发电，可惜，目前不够用，价格自然比较贵。

③能推动经济发展：热泵冰箱：在室温高于-5℃时，热水随便用，每天耗电1度，有200斤左右热水免费，一机变二机，成本降低，占地面积小。因此，热泵冰箱将淘汰冰箱、天然气热水器、电热水器、空气能热水器、太阳能热水器。全国家电企业努力生产10年才能满足国内外需要。

四、附图说明：

图1为2个冰箱电磁阀电气控制图和水系统示意图；

图2为2个冰箱电磁阀工质循环图(也是说明书摘要附图)；

图3为1个冰箱电磁阀电气控制图和工质循环图。共计：3张

五、具体实施方式：

1、外形：保温水箱安装在冰箱顶部，才能不影响冰箱存放食品方便。热泵冰箱尺寸、重量与目前市场上，高1.8米大型单开门冰箱相同，不会产生运输、安装难题。

2、最好采用溢流微压力塑料水箱：可以减少：重量、成本、热泵冰箱高度、不考虑漏氟后，水冷凝器被自来水压扁。请看水系统示意图。

但是，大家担心：水头1米左右微压力(溢流口离室内地面高度2.8米)，能保证沐浴流量吗？我经过实验证明能。现理论分析结果也是这样：

假如，沐浴最大流量是：10分钟用热水50公斤。沐浴流量＝50000/600＝83.3cm³/秒

4分水管面积＝3.14*(1.5/2)²＝1.77cm²

需要水管流速＝83.3/1.77＝47cm/秒＝0.47米/秒，

该流速需要的水头：根据势能转换动能公式：h＝v²/2g＝0.47²/2*9.8＝0.221/19.6＝0.011米＝1.1公分，

一般设计管子流速2米/秒。现在，水管流速只有0.47米/秒，室内水管长度不大，压降更小。

因此，1米水头，能够满足沐浴流量。自来水高压力，是为了向高处、远处供水。

3、热泵冰箱进出水管，和溢流浮球阀，都引到原来热水器位置，替代热水器水管。这样就不会影响原来室内预埋的冷热水管。

4、空气热交换器(即空气冷凝器或热泵蒸发器)、交换功率按照热泵蒸发考虑，暂时不考虑风扇帮助吸热。化霜：可以在热泵蒸发器尾部，安装温度控制器，当温度低于-14℃时，其接点断压缩机的电或启动风扇化霜。温度高于-6℃时接点返回。要不怕霜和水，防锈，要有化霜水收集装置。与真空破坏阀、2个冰箱电磁阀、压缩机水冷软管，都固定安装在热泵冰箱背部。

5、亚热带型热泵冰箱：冰箱尾气全靠冰箱毛细管加热，可以选用汽化热是液体比热150倍的R134a工质。温带型热泵冰箱：冰箱尾气有空气热交换器升温到室温，可以选用汽化热是液体比热500倍以上的工质R22、R404A，减少冷凝液体带走的热量损失，提高制热系数。

Claims (4)

1.热泵冰箱必须具有，3种自动转换的运行方式，才能保证冰箱制冷可靠，热水可靠：温度控制器安装在水箱1/4高度，a)热泵热水方式：水温低于44℃，热水稍微不足时启动运行，b)废热热水方式：水温在44℃-55℃之间运行，c)水温超高方式：水温大于55℃后运行。

2.亚热带型热泵冰箱：冷凝器分成水冷凝器和空气热交换器两段，利用2个冰箱电磁阀，控制空气热交换器中的氟：逆流(水温超高方式)，正向流(热泵热水方式)，无流(废热热水方式)，实现了上述3种运行方式，同时空气热交换器一物二用(热泵蒸发器，空气冷凝器)，降低了产品成本、重量、体积。

3.温带型热泵冰箱：冷凝器分成水冷凝器和空气热交换器两段，利用1个冰箱电磁阀，控制空气热交换器中的氟：正向流(热泵热水方式)无流(废热热水方式)，水温超高方式，这种情况很难发生，或很轻微，采用放水电磁阀缓慢放热水(放掉的水可以回收利用)，实现水温停止上升，由于，是缓慢放水，水温缓慢降低到55℃就停止放水，进入水箱的冷水不会引起热泵热水，该方案增加了2个优点：a)少用1个冰箱电磁阀，成本减少、可靠性提高，b)热泵蒸发器，又做压缩机回气升温器，能够提高制热系数。

4.找到了3种运行方式，都能达到设计的“冷凝温度中心”方法：废热热水与水温超高方式(都是冰箱状态)：“冷凝温度中心”44℃，蒸发-24℃，热泵热水方式(热泵状态)：“冷凝温度中心”32℃，蒸发-16℃，设计“冷凝温度中心”好处：流量随着冷凝温度变化波动小，流量提高，避免大马拉小车，减少了压缩机运行时间，寿命延长、还提高了制冷和制热系数，所以，3种运行方式都必须都达到，做法如下：

A)冰箱是将冷凝器温度变化范围55℃-20℃，分成2段，“冷凝温度中心”40℃左右，蒸发-24℃，而热泵冰箱是：将冷凝器温度变化范围分成3段，各段压力变化范围自然更小，流量变化更小，

B)3种运行方式优先次序如下：水温超高、热泵热水、废热热水，这样可以保证各个温度段只有一种运行方式，

C)冰箱状态“冷凝温度中心”44℃，也是冰箱状态起点温度，所以冰箱状态只有1段，原因是：目前采用冰箱压缩机，如果“冷凝温度中心”提高到48℃，怕压缩机过负荷，

D)热泵状态“冷凝温度中心”32℃，有2段，

E)找到了2种运行状态，都达到设计的“冷凝温度中心”的方法：调节高低压管路体积，等于计算出来的比值，

已知：1——冰箱状态：冷凝44℃，蒸发-24℃，冷凝器和蒸发器的绝对压力和绝对温度，

2——热泵状态：冷凝32℃，蒸发-16℃，冷凝器和蒸发器的绝对压力和绝对温度，

求：V_低/V_高，

解：用冰箱状态和热泵状态气体克分子数相等建立方程式：

(P_1凝V_高)/T_1凝+(P_1蒸V_低)/T_1蒸＝(P_2凝V_高)/T_2凝+(P_2蒸V_低)/T_2蒸带入已知数值就可以得出V_低/V_高

例如：R134a工质：(11.29V_高)/317+(1.1V_低)/249＝(8.14V_高)/305+(1.56V_低)/257V_高＝V_低/5.24

例如：R22工质：(16.9V_高)/317+(2.09V_低)/249＝(12.5V_高)/305+(2.84V_低)/257V_高＝V_低/4.56

例如：R404A工质：(19.99V_高)/317+(2.59V_低)/249＝(14.92V_高)/305+(3.50V_低)/257V_高＝V_低/4.4。