CN106801995B - 二氧化碳热泵热水系统和具有其的二氧化碳热泵热水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳热泵热水系统和具有其的二氧化碳热泵热水装置，二氧化碳热泵热水系统包括：具有依次相连的蒸发器、压缩机、第一气体冷却器、第二气体冷却器和节流装置的二氧化碳热泵回路，二氧化碳在第一气体冷却器内被冷却至准临界温度区，第一气体冷却器具有第一进水口和第一出水口，第二气体冷却器具有第二进水口和第二出水口；包括第一水路和第二水路的水路，第一水路的进水端和第二水路的进水端分别与第二出水口连通，第一水路的出水端与第一进水口连通；设在水路上以控制第一进水口和第二水路的出水端分别与第二出水口的通断的控制水阀。根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统可以保证热水产出量、产出温度以及高热泵系数。
Description
技术领域
本发明涉及热水装置技术领域，更具体地，涉及一种二氧化碳热泵热水系统和具有其的二氧化碳热泵热水装置。
背景技术
相关技术的CO2热泵热水器中存在着CO2冷却温度和出水温度之间的矛盾，具体而言，在高水流量下，CO2可被冷却到预定的温度，系统的热泵系数能够保证，但热水的出水温度较低，达不到要求的出水温度；在较低水流量下，热水能够达到出水温度，但是CO2冷不下来，达不到预定的冷却温度，从而导致热泵系数不高，降低了CO2热泵热水器的市场竞争力。因此，CO2热泵热水器有待进一步改进。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
CO2热泵热水器(又称二氧化碳热泵热水器)是运行在跨临界区的热力系统，来自压缩机的高温高压CO2(即二氧化碳)进入气体冷却器中与冷水进行热量交换，CO2被冷却，水被加热。其从环境吸热的过程一般位于亚临界区，而加热热水的过程则发生在超临界区。超临界区的CO2冷却放热过程是一个近似等压的变温过程。在此热交换过程中，CO2的比热容会随着温度的变化发生极大的变化，尤其是在准临界点附近，比热容的变化非常剧烈。
在气体冷却器内，当CO2与水进行热量交换时，最小传热温差会出现在换热器内部，即出现夹点。夹点的出现使得基于传统的端部温差法按照能量和质量平衡设计的换热目标难以达到，从而出现了上述矛盾。
也就是说，在CO2与冷水进行热量交换的过程中，出现的热水热不上去或CO2冷不下来的主要原因是高温CO2的比热容在一定压力下随着温度降低而升高，在准临界点附近急剧升高，到达临界点时达到最大，然后急剧降低。比热容的这种变化趋势使得准临界点附近的单位质量的CO2每降低1度可使单位质量的水温度升高7度(以8MPa的CO2为例)，而在高温区(CO2离开压缩机进入CO2气体冷却器的初期)的CO2的比热容较少，单位质量的CO2的温度降低1度，只能使单位质量的水温度升高0.4度。因此，在冷热两股流体质量不变的情况下，出现了背景技术中所说的流量高时热水温度上不去而流量少时CO2冷不下来的情况。
有鉴于此，本申请的发明人根据CO2在一定压力下比热容随温度变化的特点，创造性地设计了分段加热的分流调节法。具体地，将气体冷却器分成两个，第一段用于将CO2冷却到准临界点温度附近，而水被加热到温度不太高的某一合适的温度范围内(基于CO2在第一段被冷却到的温度以及需要的传热温差确定)，然后温水被分成两股，一股作为温水而输出，一股继续进入下一级加热器继续被CO2加热而达到要求的热水温度，而CO2也放出热量被冷却。
通过此法可以使气体冷却器中的两股流体的热容在一定程度下达到匹配，减少了气体冷却器内的平均传热温差，将CO2充分冷却下来，在保证热水产出量及产出温度的情况下，还能够副产出一定量的温水，同时保证了CO2热泵热水器的热泵系数，保证了节能性。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种可以保证热水产出量、产出温度以及高热泵系数的具有双气体冷却器的分水流的二氧化碳热泵热水系统。
本发明还提出了一种具有上述二氧化碳热泵热水系统的二氧化碳热泵热水装置。
根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统，包括：二氧化碳热泵回路，所述二氧化碳热泵回路包括依次相连的蒸发器、压缩机、第一气体冷却器、第二气体冷却器和节流装置，二氧化碳在第一气体冷却器内被冷却至准临界温度区，所述第一气体冷却器具有第一进水口和第一出水口，所述第二气体冷却器具有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口适于与供水装置连通；水路，所述水路包括第一水路和第二水路，所述第一水路的进水端和第二水路的进水端分别与所述第二出水口连通，所述第一水路的出水端与所述第一进水口连通；控制水阀，所述控制水阀设在所述水路上以控制所述第一进水口和所述第二水路的出水端分别与所述第二出水口的通断。
根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统具有保证热水产出量、产出温度以及高热泵系数、节能和易于实施等优点。
另外，根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一些实施例，所述控制水阀形成为调节所述第一水路和所述第二水路的水流量大小的流量调节阀。
根据本发明的一些实施例，所述控制水阀包括：第一水阀，所述第一水阀设在所述第一水路上以控制所述第一水路的水流；第二水阀，所述第二水阀设在所述第二水路上以控制所述第二水路的水流。
根据本发明的一些实施例，二氧化碳热泵热水系统还包括：第一储水箱，所述第一储水箱与所述第一出水口连通。
根据本发明的一些实施例，所述第一储水箱通过第三水路与所述第一出水口相连。
根据本发明的一些实施例，二氧化碳热泵热水系统还包括：第二储水箱，所述第二储水箱与所述第二水路的出水端连通。
根据本发明的一些实施例，所述第二气体冷却器、所述第一水路和所述第二水路通过三通管相连。
根据本发明的一些实施例，二氧化碳热泵热水系统还包括：供水水路，所述供水水路的进口端适于与供水装置相连，所述供水水路的出水端与所述第二进水口相连。
根据本发明第二方面实施例的二氧化碳热泵热水装置，包括根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统的结构示意图。
附图标记：
二氧化碳热泵热水系统100；
二氧化碳热泵回路10；蒸发器11；压缩机12；第一气体冷却器13；第二气体冷却器14；节流装置15；
第一进水口131；第一出水口132；第二进水口141；第二出水口142；
水路20；第一水路21；第二水路22；第三水路23；供水水路24；
控制水阀30；第一水阀31；第二水阀32；
第一储水箱41；第二储水箱42；
环境介质A；冷水C；温水W；热水H；二氧化碳E。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
下面结合附图详细描述根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统。
参照图1所示，根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100可包括：二氧化碳热泵回路10、水路20和控制水阀30。
具体而言，二氧化碳热泵回路10可包括依次相连的蒸发器11、压缩机12、第一气体冷却器13、第二气体冷却器14和节流装置15。第一气体冷却器13和第二气体冷却器14串联相连并且设置在压缩机12和节流装置15之间，第一气体冷却器13与压缩机12相连，可作为高温气体冷却器，第二气体冷却器14与节流装置15相连，可作为低温气体冷却器，二氧化碳以相同流量依次流过第一气体冷却器13和第二气体冷却器14，实现二次冷却。
CO2热泵热水器加热水的过程发生在超临界压力下，CO2的临界压力为7.37MPa，在给定的超临界压力下，二氧化碳的比热随温度的变化规律为：先升高而后下降，在某个温度存在最大值。在给定压力下，二氧化碳的比热达到最大值时所对应的温度为即为准临界温度，不同超临界压力所对应的准临界温度是不同的。
在本发明中，二氧化碳在第一气体冷却器13可冷却至冷却压力对应下的准临界温度区。这里，准临界温度区即为在准临界温度上下的一定范围内，也就是在低于且邻近准临界温度的某一低温至高于且邻近准临界温度的某一高温的范围内。其中，准临界温度区的低温和高温可以根据具体情况进行设置，即准临界温度区的区间大小可以根据具体情况进行设置，例如，可以在准临界温度上下几度范围内。
第一气体冷却器13具有第一进水口131和第一出水口132，第二气体冷却器14具有第二进水口141和第二出水口142，第二进水口141可以与供水装置(图未示出)连通。在本发明中，对于供水装置不做具体限制，只要满足可以供水的要求即可，例如，供水装置可以为自来水给水装置，供水较方便。
水路20包括第一水路21和第二水路22，第一水路21的进水端与第二出水口142连通，同时，第二水路22的进水端也与第二出水口142连通。第一水路21的出水端与第一进水口131连通，使第二出水口142和第一进水口131可以通过第一水路21导通。
控制水阀30可设在水路20上，以控制第一进水口131与第二出水口142的通断以及第二水路22的出水端与第二出水口142的通断。当二氧化碳热泵热水系统100运行时，控制水阀30可以打开，使第二出水口142既可以与第二水路22的出水端连通，也可以通过第一水路21与第一进水口131连通。
由此，经过第二气体冷却器14加热后的水在流向第一气体冷却器13之前可以分流，一部分被加热的温水可以流向第二水路21中，另一部分被加热的温水可以流向第一气体冷却器13继续被加热，并从第一出水口132流出温度更高的热水。
也就是说，控制水阀30的分流作用使得流经第二气体冷却器14的水流量和流经第一气体冷却器13的水流量不同，并且流经第二气体冷却器14的水流量比流经第一气体冷却器13的水流量大，使第二气体冷却器14加热的水量会多于第一气体冷却器13加热的水量，第一气体冷却器13的加热水量减少，可以较好地保证热水的出水温度。
二氧化碳热泵热水系统100在工作时，来自压缩机11的高温高压的二氧化碳顺序流过高温段的第一气体冷却器13和低温段的第二气体冷却器14，放出热量并被冷却，然后通过节流装置15节流后进入蒸发器11内从环境介质中吸收热量而汽化，接着流入压缩机12内被压缩成高温高压的气体，并继续下一个循环，如图1中空心箭头所示。
在此过程中，冷水从第二进水口141进入到第二气体冷却器14内被加热成温度升高的温水，温水从第二出水口142流出，并在控制水阀30的分流作用下，一部分温水作为产出从第二水路22输出，另一部分温水通过第一水路21继续流入第一气体冷却器13内被继续加热成温度更高的热水。
在实际中，可以使经过热力计算确定流量的冷水流入第二气体冷却器14，吸收二氧化碳的热量温度升高，变成温水，然后通过控制水阀30分流出按照优化计算给出的温水流量，将之从第二水路22导出，并将余下流量的温水通过第一水路21流入第一气体冷却器13并加热，使温度升高达到预定温度后排出，本发明可以根据预定的热水温度和流量来确定温水温度和流量。
根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100，通过设置控制水阀30以及两个水路等结构，可以使被低温段的第二气体冷却器14加热的温水可以实现分流，从而实现流经两个气体冷却器内的水流量的调节，有效地保证流经高温段的第一气体冷却器13的温水能够被加热到预定的温度以及低温段的第二气体冷却器13的气体出口的二氧化碳被冷却到预定的温度，从而可使二氧化碳热泵热水系统100在保证产出足够的热水的同时可以副产温水，并具有预期的热泵系数。
该二氧化碳热泵热水系统100可以形成为具有双气体冷却器的分流量结构，具有保证热水产出量、产出温度以及高热泵系数、节能和易于实施等优点，有效解决了相关技术中所存在的二氧化碳冷却温度和出水温度之间的矛盾。
下面结合一个具体示例对本发明进行进一步详细描述。在本发明的一个具体示例中，用二氧化碳热泵热水系统100制取的流量为100kg/h，温度为60℃的热水。其中，第二进水口141处的温度为17℃，蒸发器11的蒸发温度设为2℃，蒸发器11的传热面积足够，可使压缩机12的吸气温度有5℃的过热度，压缩机12可采用都凌的CD180H型号压缩机。设计时，根据要求的热水温度，可设压缩机12的压缩终态压力为9MPa，则对于CD180H型压缩机，在题设工况下，压缩机12的出口的二氧化碳的温度为88℃，二氧化碳的流量为80.5kg/h。
按照常规设计方法，假设冷端温差为5℃，则由能量平衡和质量平衡可得，热水的产量为109kg/h，但这一设计参数在实验中并不能实现。因为由换热器的温度和换热量分布图的分析可得，在常规的CO2热泵热水器系统的运行参数下，换热器内的最小温差会出现在换热器内部，而不是预设的冷端，并且理论计算的最小温差也低于了0度，使换热不能进行。
如果要达到预设的出水温度，并且保证换热温差最小为5℃，则计算结果为CO2被冷却到29℃，而热水产量为99.2kg/h。在这种情况下，CO2热泵热水器系统的热泵系数为3.57，而不是预设的3.93。这就是背景技术中提到的保证出水温度但CO2冷不下来，热泵系数降低的情况。
而利用根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100时，可先绘制CO2从压缩机12的出口温度被冷却到终态温度(第二气体冷却器14的出口温度+最小传热温差，本示例中的最小传热温差设为5℃，CO2被冷却终态温度设为22℃)时的温度和放热量关系曲线或制取温度变化与换热量的表格，然后根据最小传热温差和热水产量，合理选定CO2流出第一气体冷却器13的温度以及冷水在第二气体冷却器14中被加到的温度，即温水温度，在本示例中，CO2出第一气体冷却器13的温度为41℃，而冷水在第二气体冷却器14中被加热到了33℃。
通过控制水阀30的调节作用，98.3kg/h的温水通过第一水路21进入第一气体冷却器13内，并被加热到预定的温度60℃产出；29.2kg/h的温水通过第二水路22产出。温度为41℃的来自第一气体冷却器13的CO2流入第二气体冷却器14中，被进一步冷却并放热给水后，温度变为22℃。
比较一般的单个气体冷却器固定水流量的CO2热泵热水器和本发明的系统可见，二者产出的热水量几乎是一样的，但本发明的系统副产了流量为29.2kg/h且温度为33℃的温水(该温度的热水可用于一般性的洗刷、地板供暖或其它应用)，系统的热泵系数为3.93。
由此可见，根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100既保证了热水产量以及热水温度，也保证了系统的热泵系数，增加了产品的市场竞争力。
再例如，如果要制取65℃的热水，则一般的单个气体冷却器固定水流量的CO2热泵热水器系统能够制取的热水量为77.09kg/h，CO2只能被冷却到35.5℃，热泵系数为3.1。但采用本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100，则可制取温度为65℃的热水的流量为77.06kg/h，CO2能被冷却到22℃，热泵系数仍为3.93，而副产温水为32℃，流量为66.4kg/s。
本发明的优势在于：充分利用了CO2在压缩机出口的高温特点，在制取高温热水(本发明的计算方法可以将热水温度控制在低于CO2出口温度30℃之内，即热端温差小于30℃)的情况下，能保证热水的出水温度及热泵系数，并且使热水流量与一般的单个气体冷却器固定水流量的CO2热泵热水器系统的热水产量相当，但却同时副产温水。
简言之，使二氧化碳热泵热水系统100的产水量提高的主要原因在于：
一般的单个气体冷却器固定水流量的CO2热泵热水器系统在换热过程中受到最小传热温差的影响，最小传热温差出现在换热器内部，造成冷端温差较大，即CO2在气体冷却器出口的温度较高，没有被充分冷却下来，热量没有尽可能地放出来加热水，而造成达不到预期的热泵系数。采用本发明实施例所具有的两个气体冷却器的分水流的系统布置方式，可以通过计算和分流以适应CO2在临界点附近比热容大且在高温区比热容小的物性特点，充分利用高压CO2中的热量来加热水，并通过热力学方法的分析优化，确定CO2在第二气体冷却器14的出口温度和温水的出水温度，保证热水产量的同时可以副产温水，并保证系统具有较高的热泵系数。
根据本发明的一些实施例，二氧化碳的临界压力为7.37MPa，所述CO2跨临界循环的热泵热水器放热过程的压力高于临界压力，其对应的准临界温度区的温度与压力有关，从8MPa的35℃变化到10MPa对应下的45℃。
较优选地，控制水阀30可形成为调节第一水路21和第二水路22的水流量大小的流量调节阀。也就是说，控制水阀30可以调节第一水路21的水流量大小，也可以调节第二水路22的水流量大小。由此，可以通过控制水阀30更灵活地控制第二出水口142向第一水路21和第二水路22的水流量，以更好的匹配压力和加热水量的关系，使热泵效率达到最大化，并实现温水和热水的产出水量的灵活调节。
此时，根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100可以形成具有两个气体冷却器的变水流量加热结构，可以通过水流量的变化，更好的适应CO2在临界点附近比热容大且在高温区比热容小的物性特点，更充分地利用高压CO2中的热量来加热水并分析确定CO2在第二气体冷却器14出口温度和温水的出水温度，更好地保证热水产量以及副产温水，进一步提高系统的热泵系数。
如图1所示，控制水阀30可包括第一水阀31和第二水阀32，第一水阀31可设在第一水路21上，以控制第一水路21的水流；第二水阀32设在第二水路22上，以控制第二水路22的水流。由此，不仅方便制造，而且控制效果较好。根据需要，第一水阀31和第二水阀32可设置为实现水路通断的开关控制阀，也可以为调节流量大小的流量调节阀，以实现更好的调节效果。
可选地，二氧化碳热泵热水系统100还可以包括第一储水箱41，如图1所示，第一储水箱41与第一出水口132连通。由此，二氧化碳热泵热水系统100可以通过第一储水箱41将产出的热水储存起来备用，使用性能提高。进一步地，如图1所示，第一储水箱41可以通过第三水路23与第一出水口132相连，以更方便布置第一储水箱41。
如图1所示，二氧化碳热泵热水系统100还可包括第二储水箱42，第二储水箱42与第二水路22的出水端连通。由此，二氧化碳热泵热水系统100可以通过第二储水箱42将产出的温水储存起来备用，使用性能进一步提高。
在本发明的一些具体实施方式中，第二气体冷却器14、第一水路21和第二水路22通过三通管相连。也就是说，二氧化碳热泵热水系统100可包括三通管，三通管具有三个管口，其中一个管口与第二气体冷却器14的第二出水口142连通，另外两个管口分别与第一水路21的进水端和第二水路22的进水端一一对应连通。可选地，第一水阀31和第二水阀32可以集成在三通管上，以更便于装配。
可选地，二氧化碳热泵热水系统100还可包括供水水路24，供水水路24的进口端可以与供水装置相连，供水水路24的出水端与第二进水口141相连。由此，二氧化碳热泵热水系统100可通过供水水路24实现与供水装置的连接，连接方便且进水效果好。
可选地，第一水路21、第二水路22、第三水路23和供水水路24分别可以由水管构成，例如，不锈钢管或者软管等，具体可以根据需要进行灵活选择。
根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水装置可包括外壳和根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100，二氧化碳热泵热水系统100可设在外壳内。由于根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水系统100具有上述有益的技术效果，因此根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水装置具有保证热水产出量、产出温度以及高热泵系数、节能和易于实施等优点。
根据本发明实施例的二氧化碳热泵热水装置的其他构成以及操作对于本领域的普通技术人员来说是可知的，在此不再详细描述。
需要理解的是，附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
Claims (8)
1.一种二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，包括：
二氧化碳热泵回路，所述二氧化碳热泵回路包括依次相连的蒸发器、压缩机、第一气体冷却器、第二气体冷却器和节流装置，二氧化碳在第一气体冷却器内被冷却至准临界温度区，所述第一气体冷却器具有第一进水口和第一出水口，所述第二气体冷却器具有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口适于与供水装置连通；
水路，所述水路包括第一水路和第二水路，所述第一水路的进水端和第二水路的进水端分别与所述第二出水口连通，所述第一水路的出水端与所述第一进水口连通；
控制水阀，所述控制水阀设在所述水路上以控制所述第一进水口和所述第二水路的出水端分别与所述第二出水口的通断，以使流经所述第二气体冷却器的水流量和流经所述第一气体冷却器的水流量不同，所述控制水阀形成为调节所述第一水路和所述第二水路的水流量大小的流量调节阀。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，所述控制水阀包括：
第一水阀，所述第一水阀设在所述第一水路上以控制所述第一水路的水流；
第二水阀，所述第二水阀设在所述第二水路上以控制所述第二水路的水流。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，还包括：
第一储水箱，所述第一储水箱与所述第一出水口连通。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，所述第一储水箱通过第三水路与所述第一出水口相连。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，还包括：
第二储水箱，所述第二储水箱与所述第二水路的出水端连通。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，所述第二气体冷却器、所述第一水路和所述第二水路通过三通管相连。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，还包括：供水水路，所述供水水路的进口端适于与供水装置相连，所述供水水路的出水端与所述第二进水口相连。
8.一种二氧化碳热泵热水装置，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的二氧化碳热泵热水系统。
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