CN105571202B - 一种以水为热源的喷淋式热泵机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以水为热源的喷淋式热泵机组，它包括热源侧换热器和使用侧换热器，特点是，热源侧换热器为喷淋式蒸发器，热源侧换热器上连接有热源水输入管路和冷水/冰水输出管路，在热源侧换热器和使用侧换热器之间设有制冷剂循环驱动装置和节流装置，制冷剂循环驱动装置和节流装置通过管路分别与热源侧换热器和使用侧换热器连通，本发明热泵机组的热源侧换热器采用了喷淋式构造，热源水喷淋在喷淋式蒸发器换热单元表面，制冷剂蒸发吸收热源水的热量，利用热源水的显热+相变潜热来给热泵机组提供热量，从而实现制热、制冰、制冷目的，本发明技术突出的优点是采用喷淋式蒸发器为蒸发器，机组能效高，一个热泵机组能够同时实现包括制热、制冰、制冷等多种功能。

Description

一种以水为热源的喷淋式热泵机组

技术领域

本发明涉及一种以水为热源的喷淋式热泵机组，属热泵技术。

背景技术

根据所采用的热源介质不同，传统热泵机组可分为空气源热泵和水源热泵，其各自局限性如下。

第一种：空气源热泵。

1、热源侧换热器与空气热交换，传热温差大，机组能效低。

2、空气源热泵机组的制热能力和能效受环境温度影响较大，当空气温度较低时，热泵机组能力和能效衰减迅速，甚至不能运行。

3、单机制热能力较小，从几十个千瓦到几百千瓦，机组占地面积大，不适合在大型建筑中使用。

第二种：水源热泵。

1、水源热泵机组的能力和能效较高，但该机组只能利用热源水的显热，因此需要的热源水较多，在不具备足够的冷热源水地区无法使用，因此无法广泛应用。

3、水源热泵机组热源水侧水泵消耗的电力较多。

发明内容

本发明旨在克服已有技术存在的缺陷，提供一种全新的热泵产品——以热源水的显热、潜热为热源的喷淋式热泵机组。因为水发生相变时释放热量巨大，制热时只需传统水源热泵1/10左右热源水量即可得到相同热量，因此该产品可广泛使用于各个场合。

本发明的技术方案是：一种以水为热源的喷淋式热泵机组，它包括热源侧换热器和使用侧换热器，特点是，热源侧换热器为喷淋式蒸发器，热源侧换热器上连接有热源水输入管路和冷水/冰水输出管路，在热源侧换热器和使用侧换热器之间设有制冷剂循环驱动装置和节流装置，所述制冷剂循环驱动装置为吸收式制冷机之吸收器+发生器，制冷剂循环驱动装置和节流装置通过管路分别与热源侧换热器和使用侧换热器连通。

所述喷淋式蒸发器包括N个换热单元组件，N＞1，N个换热单元组件的进口与制冷剂进口干管连接的制冷剂分配管组连通，N个换热单元组件的出口与制冷剂出口干管连接的制冷剂汇总管组连通，设有连接有热源水泵的喷淋装置，喷淋装置与换热单元组件相对应，在换热单元组件下方设有集水/冰水盘，集水/冰水盘上通过管路与热源水泵连接。

为了更好地实现发明目的，所述的换热单元组件可以为半钎焊板式换热器，也可以为换热管管排式换热器。

本发明热泵机组的热源侧换热器采用了喷淋式构造，热源水喷淋在喷淋式蒸发器换热单元表面，制冷剂蒸发吸收热源水的热量，利用热源水的显热+相变潜热（或者，只吸收热源水显热）来给热泵机组提供热量，从而实现制热、制冰、制冷目的。使用侧换热器可以是翅片式、壳管式、套管式、微通道式、板式或者蒸发式冷凝器等。制冷剂循环驱动装置可以是蒸气压缩式制冷压缩机，也可以是吸收式制冷机之吸收器+发生器。节流装置可以是膨胀阀、孔板等。

本发明热泵机组可为单制热热泵和冷暖型热泵，亦可为单冷机组。对于热源水有相变的情形，为了便于除冰，根据需要可采用制冷剂侧换向等措施。

下面简述本热泵机组的具体工作原理。

1、制热运行

蒸发器为喷淋式换热器，热源水喷淋在换热器外表，被制冷剂吸收热量后温度下降，当温度下降到水的凝固点时发生相变变成冰。热泵机组制热运行，吸收水的显热及凝固过程中释放的热量后，实现制热功能。该换热方式较传统热泵的优势有：

a)运行稳定

因为是吸收热源水的显热和凝固热，其蒸发温度不受环境温度影响，而且相对较高，因此该产品可在东西南北任何地区使用，无地域限制。

b)节水

水从液体变为固体的凝固热约为80kCal/kg，机组制热运行时只需传统水源热泵的热源水用水量的10%左右。

2、除冰运行

当喷淋式蒸发器表面冰层厚度增加到一定程度，将会影响机组运行效率。为了保证机组高效、稳定运转，需要将冰去除。除冰的方法可采用超声波振动、在换热器表面涂装不粘冰涂层等物理方法，或者采用制冷剂换向热气除冰等方法。制冷剂换向是通过切换机组制冷剂侧阀门，将喷淋式蒸发器转换为冷凝器，利用内部高温制冷剂将附着在换热器换热单元外表面的冰层加热，使其局部融化，利用重力滑落，冰滑落后机组重新回到制热运行。此过程类似于风冷热泵制热时除霜。

3、制热+制冷运行

当热源水不发生相变时，该机组还可制热同时产生冷水，一机两用。制热+制冷运行模式其制冷剂流向与上述制热模式相同，不同的是因热源水不发生相变，无除冰需要，因此内部制冷剂流向无需换向。

已有技术中也有采用喷淋式换热器的，例如采用喷淋式换热器之专利CN201262494Y“带填料的板管蒸发式冷凝冷水机组”、CN2621280Y“蒸发式制冷冷水机组”，这两个专利中，制冷系统与常规冷水机组相同，其与常规冷水机组不同的地方是这两个专利产品分别是以板管式冷凝器、螺旋椎体换热盘管作为冷凝器，其喷淋式换热器使用功能仅限于作为冷凝器，用它来取代常规水冷或者风冷冷凝器，蒸发器仍为常规换热器（壳管式等），而且该产品仅作为制冷用。本发明技术突出的优点是采用喷淋式蒸发器为蒸发器（仅除冰时可能需要转换为冷凝器），机组能效高，一个热泵机组能够同时实现包括制热、制冰、制冷等多种功能。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细地解释说明。

附图说明

图1-本发明的喷淋式蒸发器结构示意图；

图2-本发明的利用水相变潜热的喷淋式蒸气压缩式热泵机组制冷系统示意图；

图3-本发明的利用水的显热之喷淋式蒸气压缩式热泵机组制冷系统示意图；

图4-本发明的利用水的显热之喷淋式吸收式制冷机&第一类吸收式热泵机组制冷系统示意图（以单效为例说明）；

图5-蒸发器、冷凝器均采用喷淋式蒸发器之蒸气压缩式冷水/热泵机组制冷系统示意图；

图6-蒸发器、冷凝器均采用喷淋式蒸发器之吸收式冷水/热泵机组制冷系统示意图（以单效为例说明）。

附图图面说明：

1—喷淋式蒸发器（1a—喷淋装置，1b—制冷剂分配管组，1c—制冷剂进口干管，1d—换热单元组件，1e—制冷剂汇总管组，1f—制冷剂出口干管，1g—集水/冰水盘，1h—热源水泵，1k—热源水供水管），2—四通阀，3—压缩机，4—气液分离器，5—使用侧换热器，6—单向阀，7—膨胀阀，8—视镜，9—干燥过滤器，10—节流阀Ⅰ,11—冷凝器，12—发生器，13—溶液热交换器，14—节流阀Ⅱ，15—溶液泵，16—吸收器，17—蒸发式冷凝器，18—热水供水管，19—热水回水管，20—冷水回水管，21—冷水泵，22—热水泵。

具体实施方式

首先介绍喷淋式蒸发器1的构造，见图1。喷淋式蒸发器1包括多个换热单元组件1d，多个换热单元组件1d的进口与制冷剂进口干管1c连接的制冷剂分配管组1b连通，多个换热单元组件1d的出口与制冷剂出口干管1f连接的制冷剂汇总管组1e连通，设有连接有热源水泵1h的喷淋装置1a，喷淋装置1a与换热单元组件1d相对应，在换热单元组件1d下方设有集水/冰水盘1g，集水/冰水盘1g上通过管路与热源水泵1h连接。

喷淋式蒸发器1的若干个独立换热单元组件1d分别通过制冷剂分配管组1b、制冷剂汇总管组1e与制冷剂进口干管1c、制冷剂出口干管1f连接形成一个整体。热源水通过喷淋装置1a均匀喷淋在换热单元组件1d表面，与换热单元内部制冷剂进行热交换。热源水被吸收热量后，凝固成冰附着在换热单元组件1d表面，未凝固成冰的水滴落到下部的集水/冰水盘1g，然后进入热源水泵1h，重新喷淋到换热单元组件1d表面。为了补充热源水，通过热源水供水管1k进入热源水泵1h。集水/冰水盘1g收集滴落的水及滑落的冰。制冷剂进出换热单元组件1d的流向可根据需要调换。

若利用热源水显热+相变潜热，则喷淋式热泵机组制冷系统如图2所示。喷淋式蒸发器1作为蒸发器。制热运行时，压缩机3排气通过四通阀2进入使用侧换热器5（为冷凝器），将热量传递给需要加热的热水，制冷剂本身冷凝成液体，经单向阀6、干燥过滤器9、视镜8、膨胀阀7后进入喷淋式蒸发器1。在喷淋式蒸发器1内，制冷剂吸收喷淋在换热单元表面热源水的热量，制冷剂发生气化，经四通阀2、气液分离器4重新回到压缩机3。在运行过程中，随着制热的进行，换热单元表面冰层逐渐加厚，为了保证机组稳定运转，机组根据需要切换四通阀2，将喷淋式蒸发器1由蒸发器转换为冷凝器，使用侧换热器5转换为蒸发器，此时制冷剂流向与上述正好相反，这点同风冷热泵机组制热除霜。图2以膨胀阀7为单向流膨胀阀为例进行示意，若膨胀阀7为双向流膨胀阀，则流程中单向阀6可以去掉。

当喷淋在喷淋式蒸发器表面的热源水不发生相变时，通过使用侧换热器得到热水的同时，从喷淋式蒸发器可同时得到冷水，其制冷系统流程见图3。因无需除冰，制冷系统无需四通阀换向，此时喷淋式蒸发器仅作为蒸发器。

同样，对于第一类吸收式热泵&吸收式制冷机，也可采用喷淋式蒸发器作为其蒸发器，吸收热源水的热量，从机组的吸收器16、冷凝器11得到热水，流程示意见图4。

对于蒸气压缩式制冷、制冰机组，可将其冷凝器采用喷淋式构造，在冷凝器上部设置有风机，形成蒸发式冷凝器17。从该机组蒸发器—喷淋式蒸发器1得到冷水（无相变时）或者冰（发生相变时），通过机组冷凝器散发热量的途径有两个选择：选择一，蒸发式冷凝器17的风机停止运行，热量通过热水泵22及热水供水管18、热水回水管19将热量输送至用热场所；选择二，开启蒸发式冷凝器17的风机，将热量散发至大气。流程如图5所示。

类似的，蒸发器采用喷淋式蒸发器，冷凝器采用蒸发式冷凝器的方式也可用于吸收制冷机&第一类吸收式热泵机组，从该机组蒸发器—喷淋式蒸发器1得到冷水（无相变时）或者冰（发生相变时），冷凝器散发热量的途径同上述对图5的说明。本机组制冷系统流程图见图6。

以上仅为机组整体制冷系统流程示意，根据各产品运行工况范围不同还可追加相应节能、保护措施，以确保机组高效、稳定运行。

典型应用

采用喷淋式蒸发器的之蒸气压缩式热泵机组，以清水、地下水、地表水、工业余（废）热水等流体作为热源实现制热；

采用喷淋式蒸发器的之第一类吸收式热泵机组，以清水、地下水、地表水、工业余（废）热水等流体作为热源实现制热；

采用喷淋式蒸发器，吸收空调冷水、工艺/工业冷却水的热量，使其冷却之之蒸气压缩式冷水机组、吸收式冷水机组；

蒸发器为喷淋式蒸发器、冷凝器为蒸发式冷凝器之蒸气压缩式冷水/热泵机组、吸收式冷水/热泵机组。

Claims (3)

1.一种以水为热源的喷淋式热泵机组，它包括热源侧换热器和使用侧换热器，其特征是，热源侧换热器为喷淋式蒸发器，热源侧换热器上连接有热源水输入管路和冷水/冰水输出管路，在热源侧换热器和使用侧换热器之间设有制冷剂循环驱动装置和节流装置，所述制冷剂循环驱动装置为吸收式制冷机之吸收器+发生器，制冷剂循环驱动装置和节流装置通过管路分别与热源侧换热器和使用侧换热器连通，所述喷淋式蒸发器包括N个换热单元组件（1d），N＞1，N个换热单元组件（1d）的进口与制冷剂进口干管（1c）连接的制冷剂分配管组（1b）连通，N个换热单元组件（1d）的出口与制冷剂出口干管（1f）连接的制冷剂汇总管组（1e）连通，设有连接有热源水泵（1h）的喷淋装置（1a），喷淋装置（1a）与换热单元组件（1d）相对应，在换热单元组件（1d）下方设有集水/冰水盘（1g），集水/冰水盘（1g）上通过管路与热源水泵（1h）连接。

2.根据权利要求1所述的一种以水为热源的喷淋式热泵机组，其特征是，所述的换热单元组件（1d）为半钎焊板式换热器。

3.根据权利要求1所述的一种以水为热源的喷淋式热泵机组，其特征是，所述的换热单元组件（1d）为换热管管排式换热器。