CN107120747A - 空气源热泵机组干风防霜系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气源热泵机组干风防霜系统及其工作方法，它由第一离心风机、第二离心风机、转轮除湿机、再生热回收器、消音静压箱、再生空气加热器、循环油泵、导热油加热器和定压膨胀油箱所组成，转轮除湿机用转轮上附着的固态氯化锂作为除湿剂；上述部件通过管道相互连接组成三个支系统：空气除湿支系统、氯化锂再生支系统和再生热供应支系统。本发明通过三个系统的结合使用解决了热泵机组在冬季运行时的结霜现象。

Description

空气源热泵机组干风防霜系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及大型空气源热泵空调领域，尤其涉及大型空气源热泵空调冬季运行工况的防霜领域。
背景技术
大型空气源热泵机组是通过热力系统的逆循环实现“夏季供空调用冷(水)、冬季供空调用热(水)”的空调设备。在冬季供热工况下，空气源热泵机组能够实现“消耗部分电能，得到数倍于所耗电能的热能”的目的，因而具有“直接利用电能”或“直接消耗燃料”等供热方式不能具备的节能效益和环境效益。因此，在不能采用热电联产供热方式进行集中供热的地区，空气源热泵机组得到了广泛应用。
空气源热泵机组在冬季运行条件下，蒸发器翅片及翅片管外表面往往会发生结霜现象。这一现象在空气含湿量较大且空气温度较低的地区尤为明显。蒸发器翅片及翅片管外表面产生结霜现象的原因是：室外空气中含有一定数量的水蒸汽(设其分压力为pv，对应的饱和温度为tv,s)。若蒸发器翅片及翅片管外表面的壁面温度tw小于室外空气中水蒸汽分压力对应的饱和温度tv,s，空气中的部分水分就会在蒸发器翅片及翅片管外表面冷凝成水滴。若此时水滴温度低于该气压下水的凝固点温度，液滴就会进一步凝固为霜层，覆盖在蒸发器的外壁面上；若蒸发器外表面的壁面温度tw不小于室外空气中水蒸汽分压力对应的饱和温度tv,s，空气中的部分水分就不会在蒸发器的壁面冷凝成水滴，也就不会凝固为霜层。
蒸发器翅片及翅片管外表面被霜层覆盖后，蒸发器的传热热阻会大幅度增加，从而导致热泵机组的供热能力及能效大幅度降低。因此，当霜层达到一定厚度后，就必须采取措施进行融霜。而热泵机组的融霜过程，不仅会消耗大量的能量，而且还会影响热泵机组的正常运行。因此，在结霜的运行条件下，热泵机组一直处于“结霜-融霜-再结霜-再融霜”的恶性循环中，其能效始终处于一个很低的水平。鉴于这种状况，采用有效的技术措施控制霜层的形成，对于提高热泵机组的能效是非常有益的。
从理论上，在水蒸汽的分压力保持不变的条件下提高蒸发温度，从而提高蒸发器翅片及翅片管外表面的壁面温度tw，或者在蒸发温度不变的条件下降低室外水蒸汽的含量，从而降低室外空气中水蒸汽分压力对应的饱和温度tv,s，都能够使得蒸发器翅片及翅片管外表面的壁面温度tw大于水蒸汽分压力对应的饱和温度tv,s，因而都可以有效的避免霜层的产生。但在空气源热泵的冬季运行工况下，由于蒸发器需要从室外空气中吸收热量，所以其蒸发温度不但要低于室外空气的温度，而且必须保证一定的温差，才能保证正常的吸热效果。同时，由于热泵机组在冬季运行时某些时间段内的气温非常低，室外空气本身已接近饱和状态，即使其与蒸发温度的温差非常小，蒸发器翅片及翅片管外表面也会不可避免地产生结霜现象。因此，通过提高蒸发温度，从而提高蒸发器翅片及翅片管外表面温度tw控制结霜的技术措施具有很大的局限性。
为了解决这个问题，《无霜空气源热泵系统的实验研究(2011年6月)》公开了一种空气源热泵溶液喷淋防霜技术，该技术是在传统空气源热泵的室外机部分外加一套溶液喷淋系统，当室外环境处于结霜区时，开启溶液喷淋系统，向室外机的蒸发器翅片管上喷洒低凝固点的具有吸水性的雾状防冻溶液，从而起到降低空气露点温度和冷凝水冰点温度的双重作用，避免结霜现象的发生。经进一步探讨，该技术存在如下两方面的问题：①溶液喷淋到蒸发器翅片管上，会在其表面形成一层厚厚的液膜，从而增大了蒸发器的换热热阻，导致制冷量和制冷效率的降低；②吸湿溶液的吸湿过程，只有在室外空气中水蒸汽的分压力大于吸湿溶液或液滴表面对应的水蒸汽的饱和分压力的条件下才能发生。而吸湿溶液对应的水蒸汽的饱和分压力值，又取决于吸湿溶液的浓度，吸湿溶液的浓度越大，其溶液或液滴表面对应的水蒸汽的饱和分压力就越小，溶液的吸湿效果越好。因此，要保证室外空气的除湿效果，不仅要求除湿溶液对应的水蒸汽的饱和分压力必须低于室外空气中水蒸汽的分压力，而且两者的差值必须满足一定要求。但对于热泵机组的冬季运行工况，由于室外空气中的水蒸汽分压力较小，即使吸湿溶液达到(最大)饱和浓度，其对应的水蒸汽的饱和分压力值可能仍然不能满足除湿效果的要求，甚至出现不能对室外空气除湿反而加湿的现象。
发明内容
本发明的目的是克服上述空气源热泵溶液喷淋防霜系统的不足，提出一种空气源热泵机组干风防霜系统，通过向空气源热泵机组蒸发器翅片管上吹含湿量较低或较干燥的空气，达到防霜的目的。
为达到上述目的，本发明的系统采用转轮除湿机，并以转轮上附着的固态氯化锂作为除湿剂，对湿空气进行吸附除湿，得到热泵机组蒸发器进风之用的较干燥的空气；吸湿后的氯化锂利用导热油加热系统供给的热量进行脱附再生，循环利用。具体技术方案是：
一种空气源热泵机组干风防霜系统，其特征在于，它由第一离心风机、第二离心风机、转轮除湿机、再生热回收器、消音静压箱、再生空气加热器、循环油泵、导热油加热器、定压膨胀油箱所组成，转轮除湿机用转轮上附着的固态氯化锂作为除湿剂；上述部件通过管道相互连接组成三个支系统：空气除湿支系统、氯化锂再生支系统和再生热供应支系统；其中：
空气除湿支系统的连接关系是：第一离心风机出口通过空气管道连接转轮除湿机的除湿区的进口，转轮除湿机的出口通过空气管道连接再生热回收器的冷介质流程进口，再生热回收器的冷介质流程出口通过空气管道连接消音静压箱的进口；消音静压箱的出口通往空气源热泵机组的蒸发器；
氯化锂再生支系统的连接关系是：第二离心风机出口通过空气管道连接再生空气加热器的壳程进口，再生空气加热器的壳程出口通过空气管道连接转轮除湿机的再生区进口，转轮除湿机的再生区出口通过空气管道连接再生热回收器的热介质流程进口，再生热回收器的热介质流程出口通到大气环境中；
再生热供应支系统的连接关系是：导热油加热器的油出口通过油管与再生空气加热器的管程进口连接，再生空气加热器的管程出口通过油管串接上循环油泵，然后再连接到导热油加热器的油进口，形成一个导热油循环加热系统；所述的定压膨胀油箱的底部与再生空气加热器的管程出口上的油管接通，为导热油提供膨胀空间。
本发明的空气源热泵机组干风防霜系统工作方法如下：
室外空气的除湿：含湿量较大的室外空气在第一离心风机的作用下，首先进入转轮除湿机的除湿区进行除湿；除湿后的空气在再生热回收器中回收再生(热)空气的部分热量后，通过消音静压箱进入热泵机组蒸发器的翅片管间的流道，在此向蒸发器翅片管内的制冷剂释放热量后，在热泵机组轴流风机的作用下排至室外环境中；
氯化锂除湿剂的再生：环境空气在第二离心风机的作用下，首先进入再生空气加热器，加热到120℃左右后，进入氯化锂转轮除湿机的再生区，对吸湿后的氯化锂进行再生处理；从转轮除湿机流出的再生空气进入再生热回收器，释放出部分热量后排放到大气环境中；
再生空气加热器的热量供应：导热油在循环油泵的作用下，首先进入导热油加热器，被加热至一定温度后进入再生空气加热器，对再生空气进行加热；导热油在再生空气加热器中释放出部分热量后，通过回油管路和循环油泵重新进入导热油加热器进行加热，如此循环往复；所述的定压膨胀油箱底部与导热油循环回路的最高点接通，并保持一定的油量，为导热油提供膨胀空间；在防霜工况下，循环油泵始终处于运行状态。
转轮除湿机的工作原理是：转轮除湿机的转轮分为除湿区和再生区两个区域，除湿区实现氯化锂除湿剂的吸附除湿功能，再生区实现氯化锂除湿剂的脱附再生功能；氯化锂除湿剂的吸附除湿和脱附再生功能随着转轮的转动交替进行。
本发明的优点是：
(1)采用转轮式固体除湿装置，能够提高含湿量较低的低温空气的去湿能力，有效避免了热泵机组在冬季运行时的结霜现象；
(2)采用导热油循环加热装置，比直接采用电加热或蒸汽加热，热能利用效率高；
(3)采用再生热回收器，能够提高热泵机组的能效和热泵机组的供热能力；
(4)设置消音静压箱，既减轻了系统各部件的振动，又有利于降湿后的空气能均匀地流过蒸发器，提高了蒸发器的换热效率和热泵机组的供热效率。
附图说明
图1为本发明实例的示意图
附图说明：1-循环油泵，2-导热油加热器，3-再生空气加热器，4-定压膨胀油箱，5-第二离心风机，6-转轮除湿机，7-再生热回收器，8-空气源热泵机组，9-消音静压箱，10-第一离心风机。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的工作流程说明其具体实施方式。
如图1所示，一种空气源热泵机组干风防霜系统，它由输送湿空气的第一离心风机10、输送再生空气的第二离心风机5、转轮除湿机6、再生热回收器7、消音静压箱9、再生空气加热器3、循环油泵1、导热油加热器2、定压膨胀油箱4所组成；转轮除湿机6用固态氯化锂作为除湿剂；上述部件通过管道相互连接组成如下三个支系统：其中：
空气除湿支系统的连接关系是：第一离心风机10出口通过空气管道连接转轮除湿机6的除湿区的进口，转轮除湿机6的出口通过空气管道连接再生热回收器7的冷介质流程进口，再生热回收器7的冷介质流程出口通过空气管道连接消音静压箱9的进口；消音静压箱9的出口通往空气源热泵机组8的蒸发器；
氯化锂再生支系统的连接关系是：第二离心风机5出口通过空气管道连接再生空气加热器3的壳程进口，再生空气加热器3的壳程出口通过空气管道连接转轮除湿机6的再生区进口，转轮除湿机6的再生区出口通过空气管道连接再生热回收器7的热介质流程进口，再生热回收器7的热介质流程出口通到大气环境中；
再生热供应支系统的连接关系是：导热油加热器2的油出口通过油管与再生空气加热器3的管程进口连接，再生空气加热器3的管程出口通过油管串接上循环油泵1，然后再连接到导热油加热器2的油进口，形成一个导热油循环加热系统；所述的定压膨胀油箱4底部与导热油循环回路的最高点接通，并保持一定的油量，为导热油提供膨胀空间。
本发明的空气源热泵机组干风防霜系统工作方法如下：
室外空气的除湿：含湿量较大的室外空气在第一离心风机10的作用下，首先进入转轮除湿机6的除湿区进行除湿；除湿后的空气在再生热回收器7的冷介质流程中回收再生空气的部分热量后，通过消音静压箱9进入热泵机组8的蒸发器翅片管间的流道，向蒸发器内的制冷剂释放热量后，在热泵机组轴流风机的作用下排至室外环境中；
氯化锂除湿剂的再生：环境空气在第二离心风机5的作用下，首先进入再生空气加热器3加热到120℃左右后，进入氯化锂转轮除湿机6的再生区，对氯化锂进行再生处理；从转轮除湿机6流出的再生空气进入再生热回收器7的热介质流程中，释放出部分热量后排放到大气环境中；
再生空气加热器热量的供应：导热油在循环油泵1的作用下，首先进入导热油加热器2，被加热至一定温度后进入再生空气加热器3，对再生空气进行加热；导热油在再生空气加热器3中释放出部分热量后，通过回油管路和循环油泵1重新进入导热油加热器2进行加热，如此循环往复；定压膨胀油箱4设置在导热油循环回路的最高点并保持一定的油位；在导热油加热器2的出口的油管路上设置温度传感器，根据设定的温度范围控制导热油加热器的启停；在防霜工况下，循环油泵始终处于运行状态。

Claims (2)

1.一种空气源热泵机组干风防霜系统，其特征在于，它由第一离心风机、第二离心风机、转轮除湿机、再生热回收器、消音静压箱、再生空气加热器、循环油泵、导热油加热器和定压膨胀油箱所组成，转轮除湿机用转轮上附着的固态氯化锂作为除湿剂；上述部件通过管道相互连接组成三个支系统：空气除湿支系统、氯化锂再生支系统和再生热供应支系统；其中：
空气除湿支系统的连接关系是：第一离心风机出口通过空气管道连接转轮除湿机的除湿区的进口，转轮除湿机的出口通过空气管道连接再生热回收器的冷介质流程进口，再生热回收器的冷介质流程出口通过空气管道连接消音静压箱的进口；消音静压箱的出口通往空气源热泵机组的蒸发器；
氯化锂再生支系统的连接关系是：第二离心风机出口通过空气管道连接再生空气加热器的壳程进口，再生空气加热器的壳程出口通过空气管道连接转轮除湿机的再生区进口，转轮除湿机的再生区出口通过空气管道连接再生热回收器的热介质流程进口，再生热回收器的热介质流程出口通到大气环境中；
再生热供应支系统的连接关系是：导热油加热器的油出口通过油管与再生空气加热器的管程进口连接，再生空气加热器的管程出口通过油管串接上循环油泵，然后再连接到导热油加热器的油进口，形成一个导热油循环加热系统；所述的定压膨胀油箱的底部与再生空气加热器的管程出口上的油管接通，为导热油提供膨胀空间。
2.一种如权利要求1所述的空气源热泵机组干风防霜系统工作方法，其特征在于，它包括室外空气的除湿步骤、氯化锂除湿剂的再生步骤和再生空气加热器的热量供应步骤，其中：
室外空气的除湿步骤为：含湿量较大的室外空气在第一离心风机的作用下，首先进入转轮除湿机的除湿区进行除湿；除湿后的空气在再生热回收器中回收再生(热)空气的部分热量后，通过消音静压箱进入热泵机组蒸发器的翅片管间的流道，在此向蒸发器翅片管内的制冷剂释放热量后，在热泵机组轴流风机的作用下排至室外环境中；
氯化锂除湿剂的再生步骤为：环境空气在第二离心风机的作用下，首先进入再生空气加热器，加热到120℃左右后，进入氯化锂转轮除湿机的再生区，对吸湿后的氯化锂进行再生处理；从转轮除湿机流出的再生空气进入再生热回收器，释放出部分热量后排放到大气环境中；
再生空气加热器的热量供应步骤为：导热油在循环油泵的作用下，首先进入导热油加热器，被加热至一定温度后进入再生空气加热器，对再生空气进行加热；导热油在再生空气加热器中释放出部分热量后，通过回油管路和循环油泵重新进入导热油加热器进行加热，如此循环往复；所述的定压膨胀油箱底部与导热油循环回路的最高点接通，并保持一定的油量，为导热油提供膨胀空间；在防霜工况下，循环油泵始终处于运行状态。
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