CN106196780B - 一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组 - Google Patents

一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组 Download PDF

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陆毅
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Abstract

本发明公开了一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组，包括一个用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机，一个与压缩机排气口连接的冷凝器，一个入口与冷凝器出口连接的高压储液器，一个入口与高压储液器出口连接的干燥过滤器，一个出口连接于压缩机吸气口的气液分离器，还包括电磁阀、节流机构、喷射器、溶液再生换热器及室外换热器。本发明利用节流后的低温低压制冷剂对除霜后的稀溶液进行冷冻再生，再通过高压液体驱动的喷射器引射升压至室外换热器的蒸发压力水平，有效提高了溶液冷冻再生效率及热泵机组的制热性能，有效提高稀溶液的冷冻再生效率，同时保证热泵系统在再生阶段高效制热运行。

Description

一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组
技术领域
本发明属于空气源热泵技术领域，特别是一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组。
背景技术
在我国长江中下游及类似气候区域，冬季室外空气温湿度参数常处于空气源热泵的结霜区，在该区域冬季采用空气源热泵制热运行，当热泵机组室外换热器翅片表面温度低于空气露点温度并低于水的凝固点温度时，室外换热器表面会出现凝霜现象。当机组室外换热器表面结霜后，会使室外换热器的传热热阻增加、空气流通通道面积减小导致室外换热器通风量降低，最终导致热泵机组制热量降低、制热性能下降，甚至出现低压报警及排气温度过大等故障。因此，当热泵机组室外换热器表面结霜后，需要对其进行除霜。
目前，在空气源热泵系统中，常采用的除霜方式有热泵机组逆向除霜、热气旁通除霜、蓄热除霜、电除霜等，而上述所列各除霜方式均为通过加热方式去除换热器表面霜层，均会消耗额外的电能，使热泵机组的制热性能降低。对此，申请人提出了一种冷冻再生的溶液除霜型热泵机组，即将冷冻再生其与室外换热器串联并置于上游的方式实现对溶液除霜后的稀溶液进行再生(余延顺、孙成龙、孙家正，一种冷冻再生的溶液除霜型热泵机组，申请号：201510218768.0)。闫凌提出了一种无霜空气源热泵新系统(闫凌，无霜空气源热泵系统喷淋溶液特性变化规律研究，哈尔滨工业大学，2011)，该系统在传统空气源热泵的室外机部分外加一个溶液喷淋系统，即当室外换热器结霜到达一定程度时，开启溶液喷淋系统，在室外机翅片管前和后，迎风喷洒除湿溶液，室外空气先与液滴大面积接触换热除湿，从而降低空气露点温度；喷淋的除湿溶液对结霜的室外换热器表面进行冲刷融霜；然后除湿后空气与室外换热器表面的防冻液之间进行热湿交换，防冻液膜可以降低冰点，从而破坏了结霜的必要条件，达到无霜的目的，但未能对除霜后的稀溶液进行有效再生。付慧影在2012年哈尔滨工业大学硕士学位论文中提出了两种无霜空气源热泵系统除湿溶液的再生方式(付慧影，无霜空气源热泵系统除湿溶液再生方式及特性研究，哈尔滨工业大学，2012)，分别为季节性再生方式和实时性再生方式。其季节性再生方式为：在冬季喷淋系统运行时不对除湿溶液采取任何再生措施，用溶液罐集中后利用夏季制冷运行时的冷凝热对溶液进行再生；该方式虽然可以较好地实现溶液的再生，但溶液罐储存了整个冬季运行除霜后形成的稀溶液，需要较大的除湿溶液储备和存储空间。其实时性再生方式为：在室外换热器部分添加了用于溶液再生的再生器，再生所需热量由热泵制冷剂过冷区的过冷热量来提供。该方式虽可以大大减小系统体积，但是由于热泵系统的冷凝温度相对较低，较难达到溶液的再生温度，并且通过制冷剂过冷而得到的热量较少，难以满足溶液再生所需的热量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组，以实现对空气源热泵机组除霜零能耗、除霜不停机，有效提高热泵热水机组的制热性能及稀溶液冷冻再生的效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组，包括一个用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机，一个与压缩机排气口连接的冷凝器，一个入口与冷凝器出口连接的高压储液器，一个入口与高压储液器出口连接的干燥过滤器，一个出口连接于压缩机吸气口的气液分离器，还包括电磁阀、节流机构、喷射器、溶液再生换热器及室外换热器；
所述的电磁阀与节流机构并联后的出口与溶液再生换热器的入口连接，电磁阀与节流机构并联后的入口与喷射器的入口并联，并与干燥过滤器的出口连接；所述的溶液再生换热器的出口连接于喷射器的引射口；所述的喷射器的喷射口与室外换热器的入口连接，室外换热器的出口与气液分离器的入口连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用节流后的低温低压制冷剂对除霜后的稀溶液进行冷冻再生，再通过高压液体驱动的喷射器引射升压至室外换热器的蒸发压力水平，有效提高了溶液冷冻再生效率及热泵机组的制热性能。(2)利用用户侧换热器冷凝后的高压液体对溶液再生换热器进行脱冰，降低脱冰难度，缩短脱冰时间，并提高节流机构前液体制冷剂的过冷度，改善室外换热器的换热性能，提高机组的制热性能。(3)增设了溶液喷淋系统，并设置了溶液再生换热器，在室外换热器结霜时，开启除霜溶液喷淋系统，利用喷淋的浓溶液快速有效去除室外换热器表面霜层，保证热泵热水机组高效制热运行。(4)实现在单一工质热泵系统中采用较低的冷冻温度对稀溶液进行冷冻再生，有效提高稀溶液的冷冻再生效率，同时保证热泵系统在再生阶段高效制热运行。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的高效溶液除霜空气源热泵热水机组的实施例1原理图。
图2为本发明的高效溶液除霜空气源热泵热水机组的实施例2原理图。
具体实施方式
本发明高效溶液除霜空气源热泵热水机组，利用溶液除霜并冷冻再生的空气源热泵热水设备，特别适用于空气源热泵结霜除霜损失较大的热泵制热应用场合，包括一个用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机1，一个与压缩机1排气口连接的冷凝器2，一个入口与冷凝器2出口连接的高压储液器3，一个入口与高压储液器3出口连接的干燥过滤器4，一个出口连接于压缩机1吸气口的气液分离器10，还包括电磁阀5、节流机构6、喷射器8、溶液再生换热器7及室外换热器9；
所述的电磁阀5与节流机构6并联后的出口与溶液再生换热器7的入口连接，电磁阀5与节流机构6并联后的入口与喷射器8的入口8-1并联，并与干燥过滤器4的出口连接；所述的溶液再生换热器7的出口连接于喷射器8的引射口8-2；所述的喷射器8的喷射口8-3与室外换热器9的入口连接，室外换热器9的出口与气液分离器10的入口连接。
本发明高效溶液除霜空气源热泵热水机组还包括一个与室外换热器9、溶液再生换热器7实现除霜与再生的溶液循环系统。
所述的溶液循环系统有两种方案，第一种方案包括一个用于容纳溶液的溶液池11、溶液泵13、第二溶液电磁阀15、除霜喷淋管17，溶液泵13的入口与溶液池11的出液口相连，溶液泵13的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀15及除霜喷淋管17连接，所述的除霜喷淋管17安装于室外换热器9的顶部用于向室外换热器9的表面喷淋溶液实现对室外换热器9的除霜(通过向室外换热器9的表面喷淋溶液实现对室外换热器9的除霜)。所述的溶液再生换热器7可以浸没于溶液池11中。
溶液循环系统的第二种方案包括一个用于容纳溶液的溶液池11、溶液泵13、第二溶液电磁阀15、除霜喷淋管17，在溶液泵13及第二溶液电磁阀15之间管路中设有并联连接的再生喷淋管16，所述的再生喷淋管16的入口管段设置有第一溶液电磁阀(14)，再生喷淋管16安装于溶液再生换热器7的顶部，用于向溶液再生换热器7的表面喷淋稀溶液实现溶液的冷冻再生过程。
上述两种方案中的溶液池11顶部设置有用于过滤分离溶液再生换热器7脱冰过程冰液的分离孔板12。所述节流机构6采用热力膨胀阀、电子膨胀阀或毛细管。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
结合图1，本发明高效溶液除霜空气源热泵热水机组，利用低温蒸发器内低温制冷剂对除霜后的稀溶液进行冷冻再生，实现稀溶液的浓缩，包括用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机1，一个与压缩机1排气口连接的冷凝器2，一个入口与冷凝器2出口连接的高压储液器3，一个入口与高压储液器3出口连接的干燥过滤器4，一个出口连接于压缩机1吸气口的气液分离器10；还包括电磁阀5、节流机构6、喷射器8、溶液再生换热器7及室外换热器9。所述的电磁阀5与节流机构6并联后其出口与溶液再生换热器7的入口连接，其入口与喷射器8的入口8-1并联后连接于干燥过滤器4的出口；所述的节流机构6采用热力膨胀阀或电子膨胀阀或毛细管；所述的溶液再生换热器7的出口连接于喷射器8的引射口8-2；所述的喷射器8的喷射口8-3与室外换热器9的入口连接，室外换热器9的出口与气液分离器10的入口连接。
所述的高效溶液除霜空气源热泵热水机组，还包括一个用于容纳溶液的溶液池11，一个入口与溶液池11的出液口相连的溶液泵13，溶液泵13的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀15及除霜喷淋管17连接，所述的除霜喷淋管17安装于室外换热器9的顶部用于向室外换热器9的表面喷淋溶液实现对室外换热器9的除霜。在溶液泵13及第二溶液电磁阀15之间管路中设有并联连接的再生喷淋管16，所述的再生喷淋管16的入口管段设置有第一溶液电磁阀14，再生喷淋管16安装于溶液再生换热器7的顶部，用于向溶液再生换热器7的表面喷淋稀溶液实现溶液的冷冻再生过程；所述的溶液池11顶部设置有用于过滤分离溶液再生换热器7脱冰过程冰液的分离孔板12。
高效溶液除霜空气源热泵热水机组各运行模式如下：
(a)除霜运行模式
在室外换热器9表面结霜厚度达到一定程度后，机组进入除霜运行模式。在该模式下，电磁阀5关闭，压缩机1排出的高压高温制冷剂进入冷凝器2放热后冷凝为高压液体依次进入高压储液器3及干燥过滤器4，干燥过滤器4出来的高压液体分为两路，一路经节流机构6节流至低压进入溶液再生换热器7从溶液吸热气化；另一路进入喷射器8的入口8-1，从引射口8-2引射溶液再生换热器7出口的低压气态制冷剂，在喷射器8混合后扩压后由喷射器8的喷射口8-3流出，进入室外换热器9，从低温环境空气中吸热气化为气体，并经气液分离器10进入压缩机1，完成制热及冷冻再生循环。在该运行模式中，溶液泵13开启运行，第一溶液电磁阀14开启，第二溶液电磁阀15开启，溶液池11中的稀溶液经溶液泵13抽出分为两个支路，一路经第一溶液电磁阀14进入再生喷淋管16，喷淋至溶液再生换热器7的表面，与溶液再生换热器7内的低温低压制冷剂换热使稀溶液中的水分以冰的形式在溶液再生换热器7的表面析出，实现稀溶液的冷冻再生，再生后的浓溶液重新流回溶液池11；另一路经第二溶液电磁阀15进入除霜喷淋管17，将浓溶液喷淋在室外换热器9的表面，将室外换热器9表面霜层去除，实现溶液的高效除霜，除霜后的溶液变为稀溶液重新流回溶液池11。
(b)正常制热及冷冻再生模式
电磁阀5关闭，压缩机1排出的高压高温制冷剂进入冷凝器2放热后冷凝为高压液体依次进入高压储液器3及干燥过滤器4，干燥过滤器4出来的高压液体分为两路，一路经节流机构6节流至低压进入溶液再生换热器7从溶液吸热气化；另一路进入喷射器8的入口8-1，从引射口8-2引射溶液再生换热器7出口的低压气态制冷剂，在喷射器8混合后扩压后由喷射器8的喷射口8-3流出，进入室外换热器9，从低温环境空气中吸热气化为气体，并经气液分离器10进入压缩机1，完成制热及冷冻再生循环。在该运行模式中，溶液泵13开启运行，第一溶液电磁阀14开启，第二溶液电磁阀15关闭，溶液池11中的稀溶液经溶液泵13抽出经第一溶液电磁阀14进入再生喷淋管16，并喷淋至溶液再生换热器7的表面，与溶液再生换热器7内的低温低压制冷剂换热使稀溶液中的水分以冰的形式在溶液再生换热器7的表面析出，实现稀溶液的冷冻再生，再生后的浓溶液重新流回溶液池11。
(c)脱冰运行模式
当溶液再生换热器7表面冰层达到一定厚度后，系统进入脱冰运行模式，在该模式下，电磁阀5开启，压缩机1排出的高压高温制冷剂进入冷凝器2放热后冷凝为高压液体依次进入高压储液器3及干燥过滤器4，干燥过滤器4出来的高压液体分为两路，一路经电磁阀5进入溶液再生换热器7将其表面的冰层融解脱落，实现溶液再生换热器7的脱冰运行；另一路进入喷射器8的入口8-1，从引射口8-2引射溶液再生换热器7出口的高压液体制冷剂，在喷射器8混合后扩压后由喷射器8的喷射口8-3流出，进入室外换热器9，从低温环境空气中吸热气化为气体，并经气液分离器10进入压缩机1，完成制热及冷冻再生循环。在该运行模式中，溶液泵13关闭，第一溶液电磁阀14关闭，第二溶液电磁阀15关闭，溶液再生换热器7表面脱落的冰块在重力作用下落至溶液池11上方的分离孔板12，分离出来的液体流回溶液池11，分离出来的冰块去除，保证溶液池稀溶液不被稀释。
实施例2
结合图2，本发明高效溶液除霜空气源热泵热水机组，利用低温蒸发器内低温制冷剂对除霜后的稀溶液进行冷冻再生，实现稀溶液的浓缩，包括用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机1，一个与压缩机1排气口连接的冷凝器2，一个入口与冷凝器2出口连接的高压储液器3，一个入口与高压储液器3出口连接的干燥过滤器4，一个出口连接于压缩机1吸气口的气液分离器10；还包括电磁阀5、节流机构6、喷射器8、溶液再生换热器7及室外换热器9。所述的电磁阀5与节流机构6并联后其出口与溶液再生换热器7的入口连接，其入口与喷射器8的入口8-1并联后连接于干燥过滤器4的出口；所述的节流机构6采用热力膨胀阀或电子膨胀阀或毛细管；所述的溶液再生换热器7的出口连接于喷射器8的引射口8-2；所述的喷射器8的喷射口8-3与室外换热器9的入口连接，室外换热器9的出口与气液分离器10的入口连接。
所述的高效溶液除霜空气源热泵热水机组，还包括一个用于容纳溶液的溶液池11，一个入口与溶液池11的出液口相连的溶液泵13，溶液泵13的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀15及除霜喷淋管17连接，所述的除霜喷淋管17安装于室外换热器9的顶部用于向室外换热器9的表面喷淋溶液实现对室外换热器9的除霜。溶液再生换热器7浸没于所述的溶液池11中。
高效溶液除霜空气源热泵热水机组各运行模式如下：
(a)除霜运行模式
在室外换热器9表面结霜厚度达到一定程度后，机组进入除霜运行模式。在该模式下，电磁阀5关闭，压缩机1排出的高压高温制冷剂进入冷凝器2放热后冷凝为高压液体依次进入高压储液器3及干燥过滤器4，干燥过滤器4出来的高压液体分为两路，一路经节流机构6节流至低压进入溶液再生换热器7从溶液吸热气化；另一路进入喷射器8的入口8-1，从引射口8-2引射溶液再生换热器7出口的低压气态制冷剂，在喷射器8混合后扩压后由喷射器8的喷射口8-3流出，进入室外换热器9，从低温环境空气中吸热气化为气体，并经气液分离器10进入压缩机1，完成制热及冷冻再生循环。在该运行模式中，溶液泵13开启运行，第二溶液电磁阀15开启，溶液池11中的稀溶液经溶液泵13抽出经第二溶液电磁阀15进入除霜喷淋管17，将浓溶液喷淋在室外换热器9的表面，将室外换热器9表面霜层去除，实现溶液的高效除霜，除霜后的溶液变为稀溶液重新流回溶液池11。
(b)正常制热及冷冻再生模式
电磁阀5关闭，压缩机1排出的高压高温制冷剂进入冷凝器2放热后冷凝为高压液体依次进入高压储液器3及干燥过滤器4，干燥过滤器4出来的高压液体分为两路，一路经节流机构6节流至低压进入溶液再生换热器7从溶液吸热气化；另一路进入喷射器8的入口8-1，从引射口8-2引射溶液再生换热器7出口的低压气态制冷剂，在喷射器8混合后扩压后由喷射器8的喷射口8-3流出，进入室外换热器9，从低温环境空气中吸热气化为气体，并经气液分离器10进入压缩机1，完成制热及冷冻再生循环。在该运行模式中，溶液泵13关闭，第二溶液电磁阀15关闭，溶液池11中的稀溶液与浸没于溶液池11中的溶液再生换热器7内的低温低压制冷剂换热使稀溶液中的水分以冰的形式在溶液再生换热器7的表面析出，实现稀溶液的冷冻再生。
(c)脱冰运行模式
当溶液再生换热器7表面冰层达到一定厚度后，系统进入脱冰运行模式，在该模式下，电磁阀5开启，压缩机1排出的高压高温制冷剂进入冷凝器2放热后冷凝为高压液体依次进入高压储液器3及干燥过滤器4，干燥过滤器4出来的高压液体分为两路，一路经电磁阀5进入溶液再生换热器7将其表面的冰层融解脱落，实现溶液再生换热器7的脱冰运行；另一路进入喷射器8的入口8-1，从引射口8-2引射溶液再生换热器7出口的高压液体制冷剂，在喷射器8混合后扩压后由喷射器8的喷射口8-3流出，进入室外换热器9，从低温环境空气中吸热气化为气体，并经气液分离器10进入压缩机1，完成制热及冷冻再生循环。在该运行模式中，溶液泵13关闭，第二溶液电磁阀15关闭，溶液再生换热器7表面脱落的冰块在在密度差作用下漂浮于溶液池11的表面，经人工或其他方式捞出溶液池11中的浮冰即可实现溶液的冷冻浓缩。

Claims (6)

1.一种高效溶液除霜空气源热泵热水机组，包括一个用于吸入气态制冷剂并进行压缩输出的压缩机(1)，一个与压缩机(1)排气口连接的冷凝器(2)，一个入口与冷凝器(2)出口连接的高压储液器(3)，一个入口与高压储液器(3)出口连接的干燥过滤器(4)，一个出口连接于压缩机(1)吸气口的气液分离器(10)，其特征在于：还包括电磁阀(5)、节流机构(6)、喷射器(8)、溶液再生换热器(7)及室外换热器(9)；
所述的电磁阀(5)与节流机构(6)并联后的出口与溶液再生换热器(7)的入口连接，电磁阀(5)与节流机构(6)并联后的入口与喷射器(8)的入口(8-1)并联，并与干燥过滤器(4)的出口连接；所述的溶液再生换热器(7)的出口连接于喷射器(8)的引射口(8-2)；所述的喷射器(8)的喷射口(8-3)与室外换热器(9)的入口连接，室外换热器(9)的出口与气液分离器(10)的入口连接；
还包括一个与室外换热器(9)、溶液再生换热器(7)实现除霜与再生的溶液循环系统。
2.根据权利要求1所述的高效溶液除霜空气源热泵热水机组，其特征在于：溶液循环系统包括一个用于容纳溶液的溶液池(11)、溶液泵(13)、第二溶液电磁阀(15)、除霜喷淋管(17)，溶液泵(13)的入口与溶液池(11)的出液口相连，溶液泵(13)的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀(15)及除霜喷淋管(17)连接，所述的除霜喷淋管(17)安装于室外换热器(9)的顶部用于向室外换热器(9)的表面喷淋溶液实现对室外换热器(9)的除霜。
3.根据权利要求2所述的高效溶液除霜空气源热泵热水机组，其特征在于：溶液循环系统包括一个用于容纳溶液的溶液池(11)、溶液泵(13)、第二溶液电磁阀(15)、除霜喷淋管(17)，在溶液泵(13)及第二溶液电磁阀(15)之间管路中设有并联连接的再生喷淋管(16)，所述的再生喷淋管(16)的入口管段设置有第一溶液电磁阀(14)，再生喷淋管(16)安装于溶液再生换热器(7)的顶部，用于向溶液再生换热器(7)的表面喷淋稀溶液实现溶液的冷冻再生过程。
4.根据权利要求2或3所述的高效溶液除霜空气源热泵热水机组，其特征在于：所述的溶液池(11)顶部设置有用于过滤分离溶液再生换热器(7)脱冰过程冰液的分离孔板(12)。
5.根据权利要求1所述的高效溶液除霜空气源热泵热水机组，其特征在于：溶液循环系统包括一个用于容纳溶液的溶液池(11)、溶液泵(13)、第二溶液电磁阀(15)、除霜喷淋管(17)，溶液泵(13)的入口与溶液池(11)的出液口相连，溶液泵(13)的出口通过溶液管路依次与第二溶液电磁阀(15)及除霜喷淋管(17)连接，所述的除霜喷淋管(17)安装于室外换热器(9)的顶部用于向室外换热器(9)的表面喷淋溶液实现对室外换热器(9)的除霜；所述的溶液再生换热器(7)浸没于溶液池(11)中。
6.根据权利要求1或3所述的高效溶液除霜空气源热泵热水机组，其特征在于：所述节流机构(6)采用热力膨胀阀、电子膨胀阀或毛细管。
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