CN105910281A - 一种循环式热泵热水器机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及节能设备领域。目的在于提供一种性能稳定的循环式热泵热水器机组。本发明所采用的技术方案是：一种循环式热泵热水器机组，包括储水箱和用于为储水箱中的水加热的热泵主机。储水箱包括箱体，箱体内设置的隔板，隔板上均设置一个浮球阀。浮球阀位于隔板上的位置沿箱体一侧向相对一侧的方向依次升高。浮球阀位置最高的一个隔离区设置热水进口和补水口，浮球阀位置最低的一个隔离区底部设置供水口。隔离区内均设置回流口和温度感应器，回流口位于隔离区底部，回流口分别通过带有电磁阀的管路与回流管连接。回流管接回热泵主机，热水进口与热泵主机的出水口连接。本发明避免了补水时水温立即下降的情况发生，提高了出热水的稳定性。

Description

一种循环式热泵热水器机组

技术领域

本发明涉及节能设备领域,具体涉及一种热泵热水器。

背景技术

热泵热水器就是利用逆卡诺原理，通过介质，把热量从低温物体传递到水里的设备。热泵装置，可以使介质(冷媒)相变，温度比低温热源更低，从而自发吸收低温热源热量，回到压缩机后的介质，又被压缩成高温高压气体，从而自发放热，实现从低温热源"搬运"热量。热泵热水器工作流程是压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经电子膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气释放。随后吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。空气源热泵热水器能够将空气中的低温热能吸收，并且在机器内部转化为高温热能，然后加热水温，空气源热泵热水器非常的节能，而且效率也非常的高。空气源热泵热水器是当今世界上最先进的能源利用产品之一。随着经济的快速发展与人们生活品位的提高，生活用热水已成为人们的生活必需品，然而传统的热水器(电热水器，燃油、气热水器)具有能耗大、费用高、污染严重等缺点；而节能环保型太阳能热水器的运行又受到气象条件的制约。空气源热泵热水器是目前学校宿舍、酒店、洗浴中心等场所的大、中、小热水集中供应系统的最佳解决方案。

热泵热水器主要分为直热式和循环式，直热式就是由管网补充的冷水在同换热器换热后直接通入储水箱中，通过储水箱完成蓄热。这就对储水箱的保温性有极大的要求，所以储水箱的制作成本通常较高。因此目前大部分厂家采用循环式的热泵热水器，循环式的热泵热水器在需要补水时，冷水补入储水箱，储水箱内的水通过循环泵后，可以再次与换热器进行换热，然后回流至储水箱。这样，由于储水箱内的水可再加热，因此对其保温性要求不如直热式的苛刻，储水箱成本相对较低。但是循环式的也存在一个巨大的问题，在补水的时候，补充的冷水与储水箱中的热水混合，造成储水箱中水的温度突然降低，导致热水器出水温度不稳定，影响用户体验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能稳定的循环式热泵热水器机组。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种循环式热泵热水器机组，包括储水箱和用于为储水箱中的水加热的热泵主机；

所述储水箱包括箱体，所述箱体内设置多个竖向的隔板将箱体内部分为多个隔离区，所述每个隔板上均设置一个浮球阀；所述浮球阀位于隔板上的位置沿箱体一侧向相对一侧的方向依次升高；所述浮球阀位置最高的一个隔离区设置热水进口和补水口，浮球阀位置最低的一个隔离区底部设置供水口；所述每个隔板顶部均设置与相邻两个隔离区连通的通孔，所述通孔高度相等，所述每一个隔离区内均设置回流口和温度感应器，所述回流口位于隔离区底部，每一个回流口分别通过带有电磁阀的管路与回流管连接；所述回流管接回热泵主机，热水进口与热泵主机的出水口连接。

优选的，所述隔板包括三层平行布置的板状的不锈钢层，所述相邻的不锈钢层之间设置有波浪板状的玻璃钢层，所述不锈钢层和玻璃钢层之间填充有泡沫块及惰性气体。

优选的，所述玻璃钢层由按如下质量配比的原料组成：环氧丙烯酸酯40份、玻璃纤维28份、大理石粉料5份、聚乙二醇1.5份、聚乙烯醇2份、氢氧化铝1.5份、硬脂酸铯1.5份、聚甲基丙烯酸甲酯1份、苯酐1份、石墨粉0.5份。

优选的，所述每个隔板上设置多个浮球阀，同一个隔板上的浮球阀高度相同。

优选的，所述热泵主机包括压缩机，所述压缩机的出口与套管换热器的外管连接，所述套管换热器的外管末端与电子膨胀阀连接，所述电子膨胀阀与蒸发器连接，所述蒸发器与气液分离器连接，所述气液分离器与压缩机的进口连接；所述套管换热器的内管的两端分别与回流管和热水进口连接。

优选的，所述外管中的换热介质流向与内管中的水流向相反。

优选的，所述压缩机与套管换热器之间、气液分离器与压缩机之间、蒸发器与气液分离器之间均通过四通阀连接。

优选的，所述热泵主机还包括壳体，所述压缩机、套管换热器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器均位于壳体内；所述蒸发器呈U字形，且沿壳体左右侧面及背面分布，所述壳体左右侧面及背面由金属网围成，壳体正面设置门板，壳体顶面设置风机，所述风机的进气端和排气端分别位于壳体顶面的内外侧。

优选的，所述壳体内还设置有控制器，所述控制器分别与四通阀、压缩机、风机连接。

优选的，所述控制器为触摸屏式控制器。

本发明的有益效果集中体现在，性能稳定，非常便于储水箱补水，避免了冷热水混合后导致水温立即下降的情况发生，提高了出热水的稳定性，使用户体验更佳。具体说来，由于储水箱被分为多个隔离区，这样一来在补水的时候，补充的冷水只会和补水口所在的隔离区中的水混合，而供水口所在的隔离区不受影响，这就避免了补水时用水端水温急剧下降的情况发生。同时，通过浮球阀的合理设置，使每个隔离区实现自动逐次补水，即使其中的某个隔离区水温过低，也可以通过回流管重新回到热泵主机进行再加热。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A部放大图；

图3为隔板的结构示意图；

图4为图3中所示结构的B-B向视图；

图5为本发明一种优选的实施方式示意图；

图6为壳体的安装示意图；

图7为一种优选的套管换热器的结构示意图；

图8为图7中所示结构的C-C向视图。

具体实施方式

结合图1-6所示的一种循环式热泵热水器机组，包括储水箱和用于为储水箱中的水加热的热泵主机。所述储水箱包括箱体1，所述箱体1内设置多个竖向的隔板2将箱体内部分为多个隔离区6，所述每个隔板2上均设置一个浮球阀3，当隔离区6内的水位低于浮球阀3则相应的浮球阀3打开，反之则浮球阀3关闭。所述浮球阀3位于隔板2上的位置沿箱体1一侧向相对一侧的方向依次升高。所述浮球阀3位置最高的一个隔离区6设置热水进口4和补水口5，浮球阀3位置最低的一个隔离区6底部设置供水口7，供水口7与用水端接通。如图1中所示浮球阀3的位置为从左往右依次升高，则热水进口4和补水口5位于最右侧的隔离区6，供水口7位于最左边的隔离区6，如果浮球阀3升高的方向为从右往左，则对应设置。所述每个隔板2顶部均设置与相邻两个隔离区6连通的通孔31，所述隔板2顶部的通孔31高度相等，所述每一个隔离区6内均设置回流口8和温度感应器9，所述回流口8位于隔离区6底部，每一个回流口8分别通过带有电磁阀10的管路与回流管11连接。所述回流管11接回热泵主机，热水进口4与热泵主机的出水口连接。

在本发明的使用过程当中，一种状态是储水箱内水温已达到预定温度的热水，热水使用后需进行补水，就是使用者在使用热水的过程中，最先用的是图1中最左侧的隔离区6内的热水，当该隔离区6内的水位下降到浮球阀3以下时，相应的浮球阀3打开，此时从左往右数第二个隔离区6内的热水补充到其中，往后的每一个隔离区6内的热水都可以通过其右侧的隔离区6进行补充，补充完毕后，水位上升，浮球阀3关闭。此时相邻的隔离区6之间的水是不流通的，所以互不干扰。当最右侧的隔离区6内的水位降低后，冷水通过补水口5进入水箱内，但是冷水只能补充到最右侧的隔离区6中，不会影响到最左侧的隔离区6。这样一来就避免了现有技术中冷热水直接混合后，供水口7处出水温度忽然降低的情况，使出水温度更加的稳定。而且经由浮球阀3流动的过程本身也实现冷热水混合，水从右至左依次补入每个隔离区6，在此期间多次经过浮球阀3，这个过程也使冷热水混合均匀。

另一种情况是，当一个隔离区6的水温度不够时，该区的温度被温度感应器9检测到，此时相对应的电磁阀10会打开，该隔离区6内的水通过回流管11进入热泵主机再加热，相邻的隔离区6会将热水补充到该区。这样能够确保使用者使用的始终是符合需求的热水，再加热后的水会从热水进口4重新进入储水箱，再向左依次补入每个隔离区6内。通常热水进口4的位置与相对应的浮球阀3的位置高度相同，而补水口5位置通常位于隔离区6底部，这就保证补充的水是刚通过热泵主机加热的水，进一步确保了热水的温度。当使用完热水后，每个隔离区6内的水位上升到浮球阀3所在的位置，加热后的热水可以通过通孔31注满每一个隔离区6。此时，由于用户并未使用热水，所以即使出现水温较低的情况也可以通过上述的加热方式进行加热。

为了提高隔离区6的独立性，使隔离区6之间的热交换降到最低，所述隔板2包括三层平行布置的板状的不锈钢层12，所述相邻的不锈钢层12之间设置有波浪板状的玻璃钢层13，所述不锈钢层12和玻璃钢层13之间填充有泡沫块14及惰性气体。所述的惰性气体包括氙、氪、氩等。在此基础上还可以将玻璃钢层13的材料优化为按如下质量配比的原料组成：环氧丙烯酸酯40份、玻璃纤维28份、大理石粉料5份、聚乙二醇1.5份、聚乙烯醇2份、氢氧化铝1.5份、硬脂酸铯1.5份、聚甲基丙烯酸甲酯1份、苯酐1份、石墨粉0.5份。

本发明所述的玻璃钢材料通过以下步骤制备：

（1）将环氧丙烯酸酯40份放入反应釜中边搅拌边加热至熔融状态。

（2）将大理石粉料5份放入球磨机中磨碎，10-15分钟后向球磨机中加入玻璃纤维28份二者共同研磨，研磨至400-600目。

（3）将磨碎后的大理石粉料和玻璃纤维加入反应釜中与环氧丙烯酸酯搅拌混合，在300-400转/分的速度下搅拌15-20分钟。

（4）将余料加入反应釜中，在450-550转/分的速度下搅拌15-25分钟，浇注、固化即可。

普通的有机玻璃钢的抗拉强度为260 MPa -290MPa，软化温度为800℃-850℃，密度为1.5-2.0g/cm³，导热系数为0.21-0.26W/（m*k）。例如现有的优选玻璃钢材料a在各项性能上大大超过普通的有机玻璃钢，该玻璃钢材料a按质量配比的原料组成如下：环氧丙烯酸酯30份、玻璃纤维30份、呋喃树脂粘接剂3.5份、聚四氟乙烯2份、石墨粉0.1份、固化剂1份、二氧化钛粉末2份。

以下是本发明所述的玻璃钢材料和玻璃钢材料a的各项指标检测结果数据对比表，均通过实验验证：

根据上表可以看出，本发明所述的玻璃钢材料，其各项性能指标均有所上升。本发明玻璃钢材料导热系数无论是与普通的有机玻璃钢相比，还是与玻璃钢材料a相比，均有所下降，更是远远的低于金属材料，所以采用本发明玻璃钢材料制成的隔板2，其保温性能得到很好的提升。另外本发明玻璃钢材料的强度和比强度都有较高的数据指标，也就是说隔板2在强度得到保障的前提下重量大大降低，便于安装、维修和拆卸。

更好的做法是，所述每个隔板2上设置多个浮球阀3，同一个隔板2上的浮球阀3高度相同，也就是在同一个隔板2上沿水平方向设置多个浮球阀3。如图3所示，浮球阀3在同一高度且数量为五个。这样五个浮球阀3同时打开后，流量就大于一个浮球阀3，这就可以加快隔离区6之间的补水速度。

如图5所示的，所述的热泵主机包括压缩机15。压缩机15的出口与套管换热器16的外管152连接，所述套管换热器16的外管152末端与电子膨胀阀17连接，所述电子膨胀阀17与蒸发器18连接，所述蒸发器18与气液分离器19连接，所述气液分离器19与压缩机15的进口连接。为简化连接结构，更便于控制，所述压缩机15与套管换热器16之间、气液分离器19与压缩机15之间、蒸发器18与气液分离器19之间均通过四通阀20连接。也就是说四通阀20设置有压缩机接口、气压分离器接口、蒸发器接口、套管换热器接口。所述套管换热器16的内管153的出水端与热水进口4连接，进水端与回流管11连接。压缩机15将换热介质压缩成高温高压的气体，换热介质在进入套管换热器16后和水进行换热，在换热的时候最好是设置为套管换热器16的外管152中的换热介质流向与内管153中的水流向相反。这样一来，套管换热器16的换热介质和水之间的温度差就能维持在一个较为均衡的水平，使套管换热器16的换热性能更加稳定。

在此基础上还可以优化为，所述套管换热器16的外管152沿换热介质的流向均匀的分为多段。所述压缩机15的出口通过分流阀151分别与外管152的每一段连接，所述外管152相邻的两段之间均设置单向阀，单向阀避免了换热介质回流，确保了换热的稳定性。储水箱中的需加热的水经回流管11流入内管153，水在流过内管153的过程中和外管152中的换热介质进行换热。换热后的热水通过热水进口4存入储水箱中。

这样一来，换热介质通过分流阀151及管路分别进入每一段外管152，流入内管153的水在通过内管153的过程中与换热介质进行换热。换热后的水经过回流管11流入储水箱中待用。换热介质与水换热后温度降低，温度降低后的换热介质在压力的持续作用下变成液态。经过电子膨胀阀5后，换热介质进入蒸发器6，然后再进入压缩机15中进入下一次循环。本发明由于外管152分为多段，而高温的换热介质分别与每一段进行换热，进入外管152每一段的换热介质均是刚从压缩机15排出的高温气体，因此换热介质和内管153中的水温差较大。而传统的换热方式，由于换热介质在外管152中流动的过程中伴随着热量损失，因此温度越来越低，在外管152的尾段，换热介质和水的温差将大大减小。由于传热速率=传热推动力温度差/传热热阻，温度差越高也就传热速率越快。所以本实施例中的换热方式和传统的换热方式相比，更快更高效。所述外管152可以分为两段、三段、四段甚至更多，当然外管152段数越多则换热速度越快，通常情况下分为三段就可以达到较好效果。进一步的，所述内管153采用铝合金材料，所述铝合金材料按质量配比的元素百分比数为：硅Si：18%-23%；铜Cu：3-4%；镁Mg：1.5-2%；铬Cr:0.05-0.15%；钪Sc：0.3-0.5%；钛Ti：0.15-0.25%；锶Sr：0.1-0.2%；铌Nb：0.05-0.1%，钡Ba:0.2-0.3%,剩余为铝Al。

本发明所述的铝合金材料由以下步骤制备：

（1）通过化学分析对原材料筛选，其中必须确保铝的纯度大于99.9%，硅、铜、镁的纯度大于99.5%，然后对所有原材料进行烘干，烘干温度为100-105度，时间≥2小时。

（2）将所有的原材料装入中频真空感应炉，在装炉时使各原材料紧密接触。

（3）检查设备，确保设备正常，如：水循环管路、电力系统和观察孔等。

（4）抽真空，至20Pa以下时送电启动。起始功率45KW；2-3分钟后调整至55KW；当合金融化后，调整至80KW并保持8分钟后浇注。

（5）浇注完成后冷却120分钟以上方可出炉，然后取出本发明所述的铝合金材料。

将本发明所述的铝合金材料进行物理分析，得出屈服强度及导热系数（导热度）。然后与常用的导热性较好的铝合金材料及银、铜进行对比，对比结果通过下表列出：

根据上表所示的数据，按本方案配比而成的铝合金材料和常规的铝合金相比，不仅导热性能更好，而且结构强度更佳。具体来说，由于内管153需要承压，而纯铝材料强度不足，不能直接应用在内管153上。如1070铝和1050铝当中的铝含量都达到了99%以上，虽然其导热性能都很好，但是其强度不足所以不能应用在承压管道上。内管153属于承压管道，需要选用强度较大的材料制作，铜虽然强度和导热度均很好，但是其不仅价格昂贵，而且重量大。在常规的理解中，铝合金的导热性能大大低于纯铝，且铝合金的导热性能与其中铝含量呈正相关，而本方案中的铝合金铝含量只有70%左右，但是其导热性能却基本达到纯铝的水平，且结构强度得到大大的改善。在不牺牲其导热性能的前提下，达到这样的强度大大的超出了预料。

进一步，如图6所示，所述热泵主机还包括壳体22，所述压缩机15、套管换热器16、电子膨胀阀17、蒸发器18、气液分离器19均位于壳体22内。所述蒸发器18呈U字形，且沿壳体22左右侧面及背面分布，所述壳体22左右侧面及背面由金属网围成，壳体22正面设置门板，壳体22顶面设置风机21，所述风机21的进气端和排气端分别位于壳体22顶面的内外侧。这样一来，不仅蒸发器18的面积更大，在与空气换热的时候效果更好，而且布置更合理紧凑，节省了安装面积。风机21可以带动空气快速流动，避免蒸发器18表面结霜。所述壳体22内还设置有控制器，所述控制器分别与四通阀20、压缩机15、风机21连接。所述控制器最好设置为触摸屏的形式，这样就能更加便于工作人员的操作。

Claims (10)

1.一种循环式热泵热水器机组，包括储水箱和用于为储水箱中的水加热的热泵主机；

其特征在于：所述储水箱包括箱体（1），所述箱体（1）内设置多个竖向的隔板（2）将箱体内部分为多个隔离区（6），所述每个隔板（2）上均设置一个浮球阀（3）；所述浮球阀（3）位于隔板（2）上的位置沿箱体（1）一侧向相对一侧的方向依次升高；所述浮球阀（3）位置最高的一个隔离区（6）设置热水进口（4）和补水口（5），浮球阀（3）位置最低的一个隔离区（6）底部设置供水口（7）；所述每个隔板（2）顶部均设置与相邻两个隔离区（6）连通的通孔（31），所述通孔（31）高度相等，所述每一个隔离区（6）内均设置回流口（8）和温度感应器（9），所述回流口（8）位于隔离区（6）底部，每一个回流口（8）分别通过带有电磁阀（10）的管路与回流管（11）连接；所述回流管（11）接回热泵主机，热水进口（4）与热泵主机的出水口连接。

2.根据权利要求1所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述隔板（2）包括三层平行布置的板状的不锈钢层（12），所述相邻的不锈钢层（12）之间设置有波浪板状的玻璃钢层（13），所述不锈钢层（12）和玻璃钢层（13）之间填充有泡沫块（14）及惰性气体。

3.根据权利要求2所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述玻璃钢层由按如下质量配比的原料组成：环氧丙烯酸酯40份、玻璃纤维28份、大理石粉料5份、聚乙二醇1.5份、聚乙烯醇2份、氢氧化铝1.5份、硬脂酸铯1.5份、聚甲基丙烯酸甲酯1份、苯酐1份、石墨粉0.5份。

4.根据权利要求1所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述每个隔板（2）上设置多个浮球阀（3），同一个隔板（2）上的浮球阀（3）高度相同。

5.根据权利要求1所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述热泵主机包括压缩机（15），所述压缩机（15）的出口与套管换热器（16）的外管（152）连接，所述套管换热器（16）的外管（152）末端与电子膨胀阀（17）连接，所述电子膨胀阀（17）与蒸发器（18）连接，所述蒸发器（18）与气液分离器（19）连接，所述气液分离器（19）与压缩机（15）的进口连接；所述套管换热器（16）的内管（153）的两端分别与回流管（11）和热水进口（4）连接。

6.根据权利要求5所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述外管（152）中的换热介质流向与内管（153）中的水流向相反。

7.根据权利要求6所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述压缩机（15）与套管换热器（16）之间、气液分离器（19）与压缩机（15）之间、蒸发器（18）与气液分离器（19）之间均通过四通阀（20）连接。

8.根据权利要求7所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述热泵主机还包括壳体（22），所述压缩机（15）、套管换热器（16）、电子膨胀阀（17）、蒸发器（18）、气液分离器（19）均位于壳体（22）内；所述蒸发器（18）呈U字形，且沿壳体（22）左右侧面及背面分布，所述壳体（22）左右侧面及背面由金属网围成，壳体（22）正面设置门板，壳体（22）顶面设置风机（21），所述风机（21）的进气端和排气端分别位于壳体（22）顶面的内外侧。

9.根据权利要求8所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述壳体（22）内还设置有控制器，所述控制器分别与四通阀（20）、压缩机（15）、风机（21）连接。

10.根据权利要求9所述的循环式热泵热水器机组，其特征在于：所述控制器为触摸屏式控制器。