CN105299987A - 基于超疏水翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，包括制冷剂回路、热水回路和空气回路。制冷剂回路包括压缩机、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、第一电磁阀、第二电磁阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、翅片管换热器、气液分离器和加热型蓄水箱；热水回路包括加热型蓄水箱、过滤器、水泵、喷嘴、电加热带、集水盘、三通阀、温度传感器和液位传感器，三通阀上设置有三通阀第一输入端、三通阀第一输出端和三通阀第二输出端；空气回路包括翅片管换热器和风机。本发明装置除霜时间短，除霜耗热量小，可实现除霜期间供热不间断，提高热泵系统的供热时间和效率。

Description

基于超疏水翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置

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，涉及一种基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜方法及实现该方法的装置。

背景技术

空气源热泵兼顾制冷和制热，具有一次能源综合利用效率高、节能、环保以及初投资低等优点。空气源热泵的大力推广对提高我国能源综合利用效率，实现节能减排具有重要意义。空气源热泵冬季制热运行存在的最大问题是室外翅片管换热器表面结霜，随着换热器翅片间霜层的生长，翅片表面与空气间的换热热阻不断增大，空气流量减小，导致系统工作状况恶化，效率降低，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；除霜时制冷剂需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，影响供热房间的热舒适性。热气旁通除霜的热量主要来自压缩机耗功，除霜速度较慢，且易造成除霜过程中压缩机吸气带液。现有除霜方法实施除霜时，热泵机组需中断制热进行除霜，使得机组供热不连续，且除霜过程中蒸发器表面霜层融化以及滞留水蒸发需消耗大量热量和时间，导致除霜效率难以提高。

本发明创作者在前期研究中发现超疏水表面的融霜水滞留量少，且超疏水表面粘附性弱，表面滞留水滴易通过风力吹除。基于超疏水型翅片管换热器的表面特性，发明出一种除霜时间短、除霜耗热量少、可实现除霜期间供热不间断的空气源热泵除霜方法，对提高热泵系统的供热时间和效率具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为解决现有除霜方式给空气源热泵系统带来的诸多弊端，基于超疏水型翅片管换热器的表面特性，提出一种除霜耗热量少、可实现除霜期间供热不间断的空气源热泵喷淋除霜方法及装置。

技术方案：本发明的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，包括制冷剂回路、热水回路和空气回路。制冷剂回路包括压缩机、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、第一电磁阀、第二电磁阀、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、翅片管换热器、气液分离器和加热型蓄水箱，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，翅片管换热器上设置有翅片管换热器输入端和翅片管换热器输出端，加热型蓄水箱上设置有加热型蓄水箱第一输入端、加热型蓄水箱第一输出端、加热型蓄水箱第二输出端和加热型蓄水箱第二输入端；加热型蓄水箱同时是热水回路的组成部分，翅片管换热器同时是空气回路的组成部分；

制冷剂回路中，压缩机输出端与四通阀第一输入端连接，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输入端连接，另一路通过第二电磁阀与加热型蓄水箱第一输入端连接，加热型蓄水箱第一输出端也与储液器输入端连接，储液器输出端通过干燥过滤器、电子膨胀阀同时与第四单向阀的入口和第三单向阀的入口连接，第四单向阀的出口与翅片管换热器输入端连接，翅片管换热器输入端同时还与第二单向阀的入口连接，翅片管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输入端连接，气液分离器输出端与压缩机输入端连接；

热水回路包括加热型蓄水箱、过滤器、水泵、喷嘴、电加热带、集水盘、三通阀，三通阀上设置有三通阀第一输入端、三通阀第一输出端和三通阀第二输出端；热水回路中，加热型蓄水箱上设置有温度传感器和液位传感器，加热型蓄水箱第二输出端依次通过过滤器、水泵与喷嘴连接，喷嘴上设置有电加热带，喷嘴正对翅片管换热器进风口，集水盘位于翅片管换热器底部，集水盘底部的出水口与三通阀第一输入端连接，三通阀第一输出端与加热型蓄水箱第二输入端连接，三通阀第二输出端与排水管道连接，电加热带安装于喷嘴外表面；

空气回路包括翅片管换热器和风机，风机设置在翅片管换热器出风口处。

进一步的，本发明装置在非结霜工况运行时：第一电磁阀打开，第二电磁阀关闭。在结霜工况运行时，第一电磁阀关闭，第二电磁阀打开，制冷剂流经加热型蓄水箱。

进一步的，本发明装置中，热水回路中加热热水的热量来源于制冷剂过冷放出的热量，无需额外增加热源。

进一步的，本发明装置中，当翅片管换热器表面需除霜时，水泵启动，热水通过喷嘴喷淋于翅片管换热器表面的霜层，实现霜层融化。

进一步的，本发明装置中，翅片管换热器为超疏水型翅片管换热器，利用超疏水型翅片管换热器表面对水滴的低粘附特性，使所喷热水及融霜水从翅片表面自行脱落。

进一步的，本发明装置中，风机为可换向变速风机，对尚滞留翅片表面的少量水滴，通过风机换向和提高风速吹除。

进一步的，本发明装置中，热水回路中，通过三通阀向加热型蓄水箱内进行补水。

进一步的，本发明装置中，热水回路上各设备和各段管道均进行保温，防止气温较低时回路冻结。

本发明空气源热泵在夏季制冷模式运行时，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，经过四通阀进入翅片管换热器，在翅片管换热器中，制冷剂放出热量冷凝成液体后，再经过第二单向阀和第一电磁阀进入储液器，制冷剂从储液器出来后，依次经过干燥过滤器、电子膨胀阀和第三单向阀后，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气，实现制冷，制冷剂从第一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，完成制冷循环。空气回路中，空气在风机作用下流经翅片管换热器，空气在翅片管换热器中与制冷剂换热。此过程中，水泵关闭，热水回路不工作。

空气源热泵冬季制热模式非结霜工况运行时：第一电磁阀打开，第二电磁阀关闭。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，经过四通阀进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中冷凝成液体后，经过第一单向阀、第一电磁阀进入储液器，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翅片管换热器，制冷剂在翅片管换热器中与空气换热后变成过热蒸气，制冷剂从翅片管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，空气在风机作用下流经翅片管换热器，空气在翅片管换热器中与制冷剂换热。此过程中，水泵关闭，热水回路不工作。

空气源热泵冬季制热模式结霜工况下运行时：第一电磁阀关闭，第二电磁阀打开。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，经过四通阀进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中放出热量，冷凝成液体后经过第一单向阀、第二电磁阀进入加热型蓄水箱，制冷剂在加热型蓄水箱中加热热水，实现过冷，制冷剂从加热型蓄水箱出来后进入储液器，制冷剂从储液器出来后经干燥过滤器、电子膨胀阀被节流成气液两相后，进入翅片管换热器，制冷剂在翅片管换热器中与空气换热，吸收热量后变成过热蒸气，制冷剂从翅片管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，完成循环。空气回路中，空气在风机作用下流经翅片管换热器，空气在翅片管换热器中与制冷剂换热，空气中的部分水蒸汽将在翅片管换热器翅片表面结成霜，然后空气流出翅片管换热器。

除霜时，水泵启动，加热型蓄水箱中的热水依次经过滤器、水泵、喷嘴，喷淋于翅片管换热器表面的霜层，热水与霜层进行换热，实现霜层融化。由于超疏水型翅片管换热器表面的低粘附特性，所喷热水及融霜水从翅片表面自行脱落。对于翅片表面尚滞留的少量水滴，通过风机换向和提高风速，将高速气流直接作用于具有超低粘附力的超疏水翅片表面的滞留水滴，实现水滴瞬态吹除。所喷热水及融霜水通过集水盘收集，当加热型蓄水箱中液位传感器显示水箱内水量不足，调节三通阀，通过集水盘向加热型蓄水箱内补水，否则多余融霜水将通过三通阀第二输出端排出。当环境温度低于0℃时，热水回路存在冻结风险，热水回路中的设备和管道均进行保温，喷淋除霜前，喷嘴上的电加热带短暂加热防止喷嘴冻结阻塞。除霜结束后，水泵关闭，系统恢复到除霜前制热运行模式。除霜过程中，制热循环和除霜过程同时工作，互不影响。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，采用喷淋除霜，除霜时间短，除霜耗热量小，且除霜热量来源于制冷剂过冷放出的热量，同时超疏水翅片表面融霜滞留水量少，避免了蒸发滞留融霜水造成的能耗，实现了除霜过程的节能高效。

第二，除霜过程中，制热循环正常运行，可实现除霜期间供热不间断，不影响空调系统的热舒适性，同时提高了热泵的供热时间。

第三，从除霜开始到结束，四通阀无需换向，系统的压力平衡、温度平衡没有被破坏，避免了由此带来的大量能量损失，提高了热泵系统的可靠性和供热效率。

附图说明

图1是基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置的示意图。

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、第一换热器3、第一换热器输入端3a、第一换热器输出端3b、第一单向阀4-1、第二单向阀4-2、第三单向阀4-3、第四单向阀4-4、第一电磁阀5-1、第二电磁阀5-2、储液器6、干燥过滤器7、电子膨胀阀8、翅片管换热器9、翅片管换热器输入端9a、翅片管换热器输出端9b、气液分离器10、风机11、加热型蓄水箱12、加热型蓄水箱第一输入端12a、加热型蓄水箱第一输出端12b、加热型蓄水箱第二输出端12c、加热型蓄水箱第二输入端12d、过滤器13、水泵14、喷嘴15、电加热带16、集水盘17、三通阀18、三通阀第一输入端18a、三通阀第一输出端18b、三通阀第二输出端18c、温度传感器19和液位传感器20。

具体实施方式

下面结合附图1进一步说明本发明的具体实施方式：

一种基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，包括制冷剂回路、热水回路和空气回路。

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与第一换热器输入端3a连接，第一换热器输出端3b分成两路，一路与第一单向阀4-1的入口连接，另一路与第三单向阀4-3的出口连接，第一单向阀4-1的出口分成三路，一路与第二单向阀4-2的出口连接，一路通过第一电磁阀5-1与储液器6的输入端连接，另一路通过第二电磁阀5-2与加热型蓄水箱第一输入端12a连接，加热型蓄水箱第一输出端12b也与储液器6的输入端连接，储液器6的输出端通过干燥过滤器7、电子膨胀阀8同时与第四单向阀4-4的入口和第三单向阀4-3的入口连接，第四单向阀4-4的出口与翅片管换热器输入端9a连接，翅片管换热器输入端9a同时还与第二单向阀4-2的入口连接，翅片管换热器输出端9b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10的输入端连接，气液分离器10的输出端与压缩机1的输入端连接。

热水回路中，加热型蓄水箱12上设置有温度传感器19和液位传感器20，加热型蓄水箱第二输出端12c依次通过过滤器13、水泵14与喷嘴15连接，喷嘴15上设置有电加热带16，喷嘴15正对翅片管换热器9的进风口，集水盘17位于翅片管换热器9底部，集水盘17底部的出水口与三通阀第一输入端18a连接，三通阀第一输出端18b与加热型蓄水箱第二输入端12d连接，三通阀第二输出端18c与排水管道连接。

空气回路包括翅片管换热器9和风机11，风机11设置在翅片管换热器9出风口处。

空气源热泵夏季制冷模式运行时：第一电磁阀5-1打开，第二电磁阀5-2关闭。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，经过四通阀2进入翅片管换热器9，在翅片管换热器9中，制冷剂放出热量冷凝成液体后，再经过第二单向阀4-2和第一电磁阀5-1进入储液器6，制冷剂从储液器6出来后，依次经过干燥过滤器7、电子膨胀阀8、第三单向阀4-3后，进入第一换热器3，制冷剂在第一换热器3中吸收热量蒸发成过热蒸汽，实现制冷，制冷剂从第一换热器3出来后经过四通阀2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，空气在风机11作用下流经翅片管换热器9，制冷剂在翅片管换热器9中与空气换热。在此过程中，水泵14关闭，热水回路不工作。

空气源热泵冬季制热模式非结霜工况运行时：第一电磁阀5-1打开，第二电磁阀5-2关闭。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，经过四通阀2进入第一换热器3，制冷剂在第一换热器3中冷凝成液体后，经过第一单向阀4-1、第一电磁阀5-1进入储液器6，制冷剂从储液器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4-4进入翅片管换热器9，制冷剂在翅片管换热器9中与空气换热后变成过热蒸气，制冷剂从翅片管换热器9出来后经过四通阀2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。空气回路中，空气在风机11作用下流经翅片管换热器9，制冷剂在翅片管换热器9中与空气换热。在此过程中，水泵14关闭，热水回路不工作。

空气源热泵冬季制热模式结霜工况下运行时：第一电磁阀5-1关闭，第二电磁阀5-2打开。制冷剂在第一换热器3中放出热量，冷凝成液体后经过第二电磁阀5-2进入加热型蓄水箱12，制冷剂在加热型蓄水箱12中加热热水，实现过冷，制冷剂从加热型蓄水箱12出来后进入储液器6，制冷剂从储液器6出来后经干燥过滤器7、电子膨胀阀8被节流成气液两相后，进入翅片管换热器9，制冷剂在翅片管换热器9中与空气换热，吸收热量后变成过热蒸气，制冷剂从翅片管换热器9出来后经过四通阀2进入气液分离器10，然后再次被吸入压缩机1，完成循环。空气回路中，空气在风机11作用下流经翅片管换热器9，制冷剂在翅片管换热器9中与空气换热，空气中的部分水蒸汽将在翅片管换热器9翅片表面结成霜，然后空气流出翅片管换热器9。

除霜时，水泵14启动，加热型蓄水箱12中的热水依次经过滤器13、水泵14、喷嘴15，喷淋于翅片管换热器9表面的霜层，实现霜层融化。由于超疏水型翅片管换热器9表面对水滴的低粘附特性，融霜水从翅片表面自行脱落。对于尚滞留的少量水滴，通过风机11换向和提高风速，将高速气流直接作用于低粘附超疏水翅片表面的滞留水滴，实现水滴瞬态吹除。融霜水通过集水盘17收集，当加热型蓄水箱12中液位传感器20显示水箱内水量不足，调节三通阀18，通过集水盘17向加热型蓄水箱12内补水，否则多余融霜水将通过三通阀第二输出端19c排出。当环境温度低于0℃时，热水回路存在冻结风险，热水回路中的设备和管道均进行保温，喷淋除霜前，喷嘴15上的电加热带16短暂加热防止喷嘴15冻结阻塞。除霜结束后，水泵14关闭，系统恢复到除霜前制热运行模式。除霜过程中，制热循环和除霜过程同时工作，互不影响。

Claims (8)

1.一种基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，其特征在于，该装置包括制冷剂回路、热水回路和空气回路：

所述制冷剂回路包括压缩机（1）、四通阀（2）、第一换热器（3）、第一单向阀（4-1）、第二单向阀（4-2）、第三单向阀（4-3）、第四单向阀（4-4）、第一电磁阀（5-1）、第二电磁阀（5-2）、储液器（6）、干燥过滤器（7）、电子膨胀阀（8）、翅片管换热器（9）、气液分离器（10）和加热型蓄水箱（12），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），所述第一换热器（3）上设置有第一换热器输入端（3a）和第一换热器输出端（3b），所述翅片管换热器（9）上设置有翅片管换热器输入端（9a）和翅片管换热器输出端（9b），所述加热型蓄水箱（12）上设置有加热型蓄水箱第一输入端（12a）、加热型蓄水箱第一输出端（12b）、加热型蓄水箱第二输出端（12c）和加热型蓄水箱第二输入端（12d）；所述加热型蓄水箱（12）同时是热水回路的组成部分，所述翅片管换热器（9）同时是空气回路的组成部分；

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）与第一换热器输入端（3a）连接，第一换热器输出端（3b）分成两路，一路与第一单向阀（4-1）的入口连接，另一路与第三单向阀（4-3）的出口连接，第一单向阀（4-1）的出口分成三路，一路与第二单向阀（4-2）的出口连接，一路通过第一电磁阀（5-1）与储液器（6）的输入端连接，另一路通过第二电磁阀（5-2）与加热型蓄水箱第一输入端（12a）连接，加热型蓄水箱第一输出端（12b）也与储液器（6）的输入端连接，储液器（6）的输出端通过干燥过滤器（7）、电子膨胀阀（8）同时与第四单向阀（4-4）的入口和第三单向阀（4-3）的入口连接，第四单向阀（4-4）的出口与翅片管换热器输入端（9a）连接，翅片管换热器输入端（9a）同时还与第二单向阀（4-2）的入口连接，翅片管换热器输出端（9b）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（10）的输入端连接，气液分离器（10）的输出端与压缩机（1）的输入端连接；

所述热水回路包括加热型蓄水箱（12）、过滤器（13）、水泵（14）、喷嘴（15）、电加热带（16）、集水盘（17）、三通阀（18），所述三通阀（18）上设置有三通阀第一输入端（18a）、三通阀第一输出端（18b）和三通阀第二输出端（18c）；

所述热水回路中，加热型蓄水箱第二输出端（12c）依次通过过滤器（13）、水泵（14）与喷嘴（15）连接，喷嘴（15）正对翅片管换热器（9）的进风口，集水盘（17）位于翅片管换热器（9）底部，集水盘（17）底部的出水口与三通阀第一输入端（18a）连接，三通阀第一输出端（18b）与加热型蓄水箱第二输入端（12d）连接，三通阀第二输出端（18c）与排水管道连接，电加热带（16）安装于喷嘴（15）外表面；

所述空气回路包括翅片管换热器（9）和风机（11），所述风机（11）设置在翅片管换热器（9）出风口处。

2.根据权利要求1所述的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，其特征在于，该装置在非结霜工况运行时，第一电磁阀（5-1）打开，第二电磁阀（5-2）关闭；该装置在结霜工况运行时，第一电磁阀（5-1）关闭，第二电磁阀（5-2）打开，制冷剂流经加热型蓄水箱（12）。

3.根据权利要求1所述的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，其特征在于，所述热水回路中加热热水的热量来源于制冷剂过冷放出的热量，无需额外增加热源。

4.根据权利要求1所述的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，其特征在于，当翅片管换热器（9）表面需除霜时，水泵（14）启动，热水通过喷嘴（15）喷淋于翅片管换热器（9）表面的霜层，实现霜层融化。

5.根据权利要求1所述的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，其特征在于，所述翅片管换热器（9）为超疏水型翅片管换热器，利用超疏水型翅片管换热器表面对水滴的低粘附特性，使所喷热水及融霜水从翅片表面自行脱落。

6.根据权利要求1所述的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，其特征在于，所述风机（11）为可换向变速风机，对尚滞留翅片表面的少量水滴，通过风机换向和提高风速吹除。

7.根据权利要求1所述的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，其特征在于，所述热水回路中，通过三通阀（18）向加热型蓄水箱（12）内进行补水。

8.根据权利要求1所述的基于超疏水型翅片管换热器的空气源热泵喷淋除霜装置，所述热水回路上各设备和各段管道均进行保温，防止气温较低时回路冻结。