CN106152505A - 热泵热水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热泵热水装置。具体地，本发明的热泵热水装置包括：加热室，配置成具有预定真空度且用于容纳传热介质，以使传热介质处于气压低于标准大气压力的低压环境；第一换热装置，位于加热室内且处于加热室内的最高传热介质液面的上方，配置成容纳被加热水；和热泵循环系统，配置成在低压环境下将加热室下部的传热介质加热至沸腾，以使传热介质汽化上升形成气态传热介质，气态传热介质的至少部分加热被加热水本发明的热泵热水装置因为传热介质处于低压环境下，该传热介质可在较低的温度下汽化成气态传热介质，利用气态传热介质的潜热和显热加热被加热水，显著提高了热泵热水装置的制热能效比，达到了节能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及热泵领域，特别是涉及一种热泵热水装置。
背景技术
现有的热泵热水装置可包括：压缩机，压缩机上设有排气口和回气口；热水换热器，也可称为冷凝器，热水换热器与排气口连通；蒸发器，蒸发器与回气口连通；节流件，也可称为节流装置，节流件设在热水换热器和蒸发器之间且连通热水换热器和蒸发器。当热泵热水装置运转时，从压缩机排出的高温高压工质流经冷凝器换热，经过节流件(例如毛细管)的降压节流后与蒸发器进行换热，再回到压缩机，如此往复循环，工质携带的热量通过导热的方式传给水制成热水。现有的空气源热泵热水装置直接对水进行加热，加热速度慢，生成的热水水流量小，且能耗比较大。
发明内容
本发明的一个目的旨在克服现有的热泵热水装置的至少一个缺陷，提供一种新颖的热泵热水装置。
本发明的一个进一步的目的是提高热泵热水装置的制热能效比。
本发明的另一个进一步的目的是提高加热水的能力，以提高热水出水量。
为了实现上述至少一个目的，本发明提供了一种热泵热水装置。该热泵热水装置可包括：
加热室，配置成具有预定真空度且用于容纳传热介质，以使所述传热介质处于气压低于标准大气压力的低压环境；
第一换热装置，位于所述加热室内且处于所述加热室内的最高传热介质液面的上方，配置成容纳被加热水；和
热泵循环系统，配置成在所述低压环境下将所述加热室下部的传热介质加热至沸腾，以使所述传热介质汽化上升形成气态传热介质，所述气态传热介质的至少部分加热所述被加热水。
可选地，所述热泵循环系统包括：第二换热装置，其传热介质进口利用第一配管与所述加热室的下部连通，其传热介质出口利用第二配管与所述加热室的处于所述第一换热装置的下方的空腔连通，配置成利用进入其内的制冷剂加热进入其内的传热介质。
可选地，所述第二配管的出水口安装有喷嘴，所述喷嘴位于所述加热室内的最高传热介质液面上方，配置成在所述第二配管流出的传热介质的温度达到沸腾需要的温度时，向上方喷出所述气态传热介质。
可选地，所述热泵热水装置进一步包括：过冷装置，位于所述加热室内且处于所述第一换热装置上方一距离处，配置成对所述气态传热介质中穿过所述第一换热装置的其余部分进行冷凝。
可选地，所述过冷装置具有供所述被加热水流入的进水口和供所述被加热水流出的出水口，且所述过冷装置的出水口利用连接水管连接至所述第一换热装置的进水口。
可选地，所述过冷装置和所述第一换热装置均包括：多根弯折管，每根所述弯折管在其相应的一竖直平面内从其上端弯折延伸至其下端，且多根所述弯折管所处的多个竖直平面平行间隔地设置。
可选地，每根所述弯折管包括：多个直管段，相互平行间隔地设置，每个所述直管段沿水平方向延伸；和多个弯管段，分别被配置成连接每两个相邻的所述直管段。
可选地，所述过冷装置和所述第一换热装置均还包括：
第一集流管，每根所述弯折管的上端安装于所述第一集流管；和
第二集流管，每根所述弯折管的下端安装于所述第二集流管；且
所述过冷装置的第一集流管配置成使被加热水进入所述过冷装置的每根弯折管，所述过冷装置的第二集流管配置成接收来自所述过冷装置的每根弯折管的被加热水；
所述第一换热装置的第二集流管配置成使被加热水进入所述第一换热装置的每根弯折管，所述第一换热装置的第一集流管配置成接收来自所述第一换热装置的每根弯折管的被加热水。
可选地，所述第一换热装置和所述过冷装置均还包括：多个翅片，相对应的平行间隔设置以形成翅片组，每个所述翅片沿竖直方向延伸，且安装于每根所述弯折管。
可选地，所述热泵热水装置还包括：真空泵，配置成使所述加热室具有所述预定真空度。
本发明的热泵热水装置因为传热介质处于低压环境下，该传热介质可在较低的温度下汽化成气态传热介质，利用气态传热介质的潜热和显热加热被加热水，显著提高了热泵热水装置的制热能效比，达到了节能的目的。
进一步地，由于本发明的热泵热水装置使用气态传热介质加热水，显著提高了气态传热介质与被加热水的换热面积，即显著提高了该热泵热水装置加热水的能力，从而大大提高了热水的出水量，满足各种热水需求场合。
进一步地，由于本发明的热泵热水装置具有与第一换热装置连通的过冷装置，能够使气态传热介质的绝大部分被冷凝，提高了传热介质的利用效率，且能够对进入第一换热装置内的被加热水进行预热。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的热泵热水装置的示意性结构图；
图2是根据本发明一个实施例的热泵热水装置的示意性结构图；
图3是根据本发明一个实施例的热泵热水装置中第一换热装置的示意性主视图；
图4是根据本发明一个实施例的热泵热水装置中第一换热装置的示意性俯视图；
图5是根据本发明一个实施例的热泵热水装置中第一换热装置的示意性左视图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的热泵热水装置的示意性结构图，图中实线箭头表示传热介质的示意性流动路线，虚线箭头表示被加热水的示意性流动路线。如图1所示，本发明实施例提供了一种热泵热水装置，其具有较高的制热能效比。该热泵热水装置可包括加热室20、第一换热装置30和热泵循环系统40。具体地，加热室20可配置成具有预定真空度且用于容纳传热介质，以使传热介质处于气压低于标准大气压力的低压环境。第一换热装置30位于加热室20内且处于加热室20内的最高传热介质液面的上方，配置成容纳被加热水。这里的最高传热介质液面是指当所有的传热介质均为液态时，即在热泵热水装置不工作时，液态传热介质的液面。热泵循环系统40配置成在低压环境下将加热室20下部的传热介质加热至沸腾，以使传热介质汽化上升形成气态传热介质，气态传热介质的至少部分加热被加热水。进一步地，气态传热介质的至少部分加热被加热水后被冷凝，落入加热室20的下部被热泵循环系统40再次加热。
在本发明的一些实施例中，传热介质可采用水或者其它能够汽化的流体。热泵循环系统40是利用在其内循环流动的制冷剂加热传热介质，该制冷剂可为二氧化碳，也就是说，该热泵热水装置可为二氧化碳热泵热水装置。该热泵循环系统40可包括利用制冷剂配管依次连接成闭环回路的压缩机、第二换热装置42、节流装置和蒸发器。第二换热装置42的传热介质进口利用第一配管经由循环泵与加热室20的下部连通。且该第二换热装置42配置成利用进入其内的制冷剂加热进入其内的传热介质，第二换热装置42可为套管式换热器，或具有两根平行接触延伸的换热管。第二换热装置42的传热介质出口利用第二配管与加热室20的处于第一换热装置30的下方的空腔连通，以使经过加热后的传热介质循环流回加热室20。
在该实施例中，第二换热装置42可配置成一次将进入其内的传热介质加热至达到沸腾需要的温度，以使流出所述第二配管的出水口的传热介质可直接沸腾。第二配管的出水口安装有喷嘴50，喷嘴50位于加热室20内的最高传热介质液面上方，配置成在第二配管流出的传热介质的温度达到沸腾需要的温度时，向上方喷出气态传热介质。优选地，喷嘴50位于加热室20内的最高传热介质液面上方的中央位置处。
在本发明的一些替代性实施例中，第二换热装置42可为盘管式换热器，直接放置于加热室20内部对加热室20的传热介质进行加热。
在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，加热室20可为方体形或者圆柱形。在本发明实施例中，可采用与加热室20连通的真空泵70使加热室20具有预定真空度。在本发明的一些替代性实施例中，可将加热室20制作成密闭的、具有真空度的腔室。第一换热装置30的进水口可与自来水网A连通，第一换热装置30的出水口可与用户用水网连通，如第一换热装置30的出水口可通过分流管路分别连接至地板采暖用水B、洗漱用水C和厨房用水D，也可连接至一储水箱。
图3是根据本发明一个实施例的热泵热水装置中第一换热装置30的示意性主视图。如图3所示，并参考图4和图5，本发明实施例的热泵热水装置中的第一换热装置30可包括多根弯折管31，每根弯折管31在其相应的一竖直平面内从其上端弯折延伸至其下端，且多根弯折管31所处的多个竖直平面平行间隔地设置。每根弯折管31包括：多个直管段，相互平行间隔地设置，每个直管段沿水平方向延伸；和多个弯管段，分别被配置成连接每两个相邻的直管段。第一换热装置30还可包括多个翅片，相对应的平行间隔设置以形成翅片组，每个翅片沿竖直方向延伸，且安装于每根弯折管31，以进一步提高气态传热介质与被加热水之间的换热效率。
在本发明实施例中，第一换热装置30还可包括：第一集流管32，每根弯折管31的上端安装于第一集流管32；和第二集流管33，每根弯折管31的下端安装于第二集流管33。优选地，第一换热装置30的第二集流管33上具有进水口，配置成使被加热水进入第一换热装置30的每根弯折管31。第一换热装置30的第一集流管32上具有出水口，配置成接收来自第一换热装置30的每根弯折管31的被加热水，以使被加热水在第二换热装置42中从下向上流动。由本领域技术人员所习知的，第一换热装置30的第一集流管32上可具有进水口，配置成使被加热水进入第一换热装置30的每根弯折管31。第一换热装置30的第二集流管33上可具有出水口，配置成接收来自第一换热装置30的每根弯折管31的被加热水，以使被加热水在第二换热装置42中从上向下流动。在本发明的一些替代性实施例中，每相邻的两根弯折管31之间可相互串联。
在本发明的一些替代性实施例中，本发明实施例的热泵热水装置中的第一换热装置可包括多根弯折管31，每根弯折管31在其相应的一水平面内从其初始端弯折延伸至其末端，且多根弯折管31所处的多个水平面平行间隔地设置。每根弯折管31卷绕成平面螺旋形，或弯折呈蛇形。
为了防止上升的气态传热介质穿过第一换热装置30后不能够被有效利用或者循环利用，本发明实施例的热泵热水装置进一步包括：过冷装置60，位于加热室20内且处于第一换热装置30上方一距离处，例如，可为加热室20内空腔高度的1/6至1/4，配置成对气态传热介质中穿过第一换热装置30的其余部分进行冷凝，落入加热室20的下部被热泵循环系统40再次加热。优选地，过冷装置60具有供被加热水流入的进水口和供被加热水流出的出水口，且过冷装置60的出水口利用连接水管连接至第一换热装置30的进水口。过冷装置60的结构与第一换热装置30的结构可相同，且过冷装置60的第一集流管32配置成使被加热水进入过冷装置60的每根弯折管31，过冷装置60的第二集流管33配置成接收来自过冷装置60的每根弯折管31的被加热水。在本发明的一些替代性实施例中，过冷装置60可包括第一平板和位于第一平板上方的第二平板，第一平板和第二平板之间限定有供被加热水流动的空腔。
本发明实施例的热泵热水装置因为传热介质处于低压环境下，该传热介质可在较低的温度下汽化成气态传热介质，利用气态传热介质的潜热和显热加热被加热水，显著提高了热泵热水装置的制热能效比，达到了节能的目的。例如，可以二氧化碳热泵热水装置，传热介质为水为例，制取70℃的传热介质，制热能力100Kg/h。在低压30KPa的环境下，70℃的传热介质会沸腾变为蒸汽。70℃蒸汽的汽化潜热值为C＝2333.6KJ/Kg。假设在无热损失的情况下：
如果100Kg的传热介质全部转化为蒸汽，且通过第一换热装置30全部转化到被加热水中去，理论一小时的制热量为：
Q＝100C＝100*2333.6KJ/Kg＝2.3336*108J。
70℃的传热介质冷凝到30℃传热介质时释放出的热量为：
Q水＝4.2*1000*100*(70-30)＝1.68*107J。
理论一小时总的制热量为Q总＝Q+Q水＝2.5016*108J。也就是说，理论每小时的制热量为：Q小时＝Q总/(1000*3600)＝69.4KWh。
二氧化碳热泵循环系统的制热能效比(COP)值为5，加热100Kg的30℃的传热介质到70℃，需要的热量为：
Q1＝4.2*1000*(70-30)*100＝1.68*107J。即需要的电能为4.67KWh。
由于二氧化碳热泵循环系统的COP值为5，则二氧化碳热泵循环系统单位小时耗电量为：4.67/5＝0.93KWh。又由于真空泵70的小时耗电量为：3KWh，则整个系统的理论COP为：69.4/(0.93+3)＝17.68。
进一步地，假设传热介质被加热的系统热损失为30％，第一换热装置30的换热效率为80％。则本发明实施例的二氧化碳热泵热水装置的实际系统COP为：17.68*(1-0.3)*0.8＝9.9。显然本发明实施例的二氧化碳热泵热水装置的制热能效比大于现有的二氧化碳热泵循环系统直接对水加热制造热水。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种热泵热水装置，包括：
加热室，配置成具有预定真空度且用于容纳传热介质，以使所述传热介质处于气压低于标准大气压力的低压环境；
第一换热装置，位于所述加热室内且处于所述加热室内的最高传热介质液面的上方，配置成容纳被加热水；和
热泵循环系统，配置成在所述低压环境下将所述加热室下部的传热介质加热至沸腾，以使所述传热介质汽化上升形成气态传热介质，所述气态传热介质的至少部分加热所述被加热水。
2.根据权利要求1所述的热泵热水装置，其中，所述热泵循环系统包括：
第二换热装置，其传热介质进口利用第一配管与所述加热室的下部连通，其传热介质出口利用第二配管与所述加热室的处于所述第一换热装置的下方的空腔连通，配置成利用进入其内的制冷剂加热进入其内的传热介质。
3.根据权利要求2所述的热泵热水装置，其中，
所述第二配管的出水口安装有喷嘴，所述喷嘴位于所述加热室内的最高传热介质液面上方，配置成在所述第二配管流出的传热介质的温度达到沸腾需要的温度时，向上方喷出所述气态传热介质。
4.根据权利要求1所述的热泵热水装置，进一步包括：
过冷装置，位于所述加热室内且处于所述第一换热装置上方一距离处，配置成对所述气态传热介质中穿过所述第一换热装置的其余部分进行冷凝。
5.根据权利要求4所述的热泵热水装置，其中，
所述过冷装置具有供所述被加热水流入的进水口和供所述被加热水流出的出水口，且所述过冷装置的出水口利用连接水管连接至所述第一换热装置的进水口。
6.根据权利要求5所述的热泵热水装置，其中，所述过冷装置和所述第一换热装置均包括：
多根弯折管，每根所述弯折管在其相应的一竖直平面内从其上端弯折延伸至其下端，且多根所述弯折管所处的多个竖直平面平行间隔地设置。
7.根据权利要求6所述的热泵热水装置，其中，每根所述弯折管包括：
多个直管段，相互平行间隔地设置，每个所述直管段沿水平方向延伸；和
多个弯管段，分别被配置成连接每两个相邻的所述直管段。
8.根据权利要求7所述的热泵热水装置，其中，所述过冷装置和所述第一换热装置均还包括：
第一集流管，每根所述弯折管的上端安装于所述第一集流管；和
第二集流管，每根所述弯折管的下端安装于所述第二集流管；且
所述过冷装置的第一集流管配置成使被加热水进入所述过冷装置的每根弯折管，所述过冷装置的第二集流管配置成接收来自所述过冷装置的每根弯折管的被加热水；
所述第一换热装置的第二集流管配置成使被加热水进入所述第一换热装置的每根弯折管，所述第一换热装置的第一集流管配置成接收来自所述第一换热装置的每根弯折管的被加热水。
9.根据权利要求7所述的热泵热水装置，其中，所述第一换热装置和所述过冷装置均还包括：
多个翅片，相对应的平行间隔设置以形成翅片组，每个所述翅片沿竖直方向延伸，且安装于每根所述弯折管。
10.根据权利要求1所述的热泵热水装置，还包括：
真空泵，配置成使所述加热室具有所述预定真空度。
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| CN106152505B (zh) | 2022-04-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |