CN107830634A - 一种混合工质回热式热泵开水器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的混合工质回热式热泵开水器，包括贮水式热水箱模块及混合工质回热式热泵模块，所述贮水式热水箱模块包括保温水箱，设置于所述保温水箱内且沿所述保温水箱自上而下依次设置的高水位电极、保温加热器、低水位电极、隔板、电加热器及第一温度传感器，以及设置于所述保温水箱外侧且位于低水位电极和所述隔板之间的热水出口阀门，所述混合工质回热式热泵模块包括：压缩机单元、回热式换热器、节流元件、蒸发器、进水电磁阀及第二温度传感器，上述混合工质回热式热泵开水器采用混合工质大温跨回热循环，只需要匹配普通单级压缩机，利用混合工质大温跨特性，减小换热器中的换热温差，高效快速制取开水；系统运行压力较低，安全可靠；同时节约设备成本。另外，本发明还提供了上述混合工质回热式热泵开水器的控制方法。

Description

一种混合工质回热式热泵开水器及控制方法

技术领域

本发明涉及节能及环保技术领域，尤其涉及一种混合工质回热式热泵开水器及其控制方法。

背景技术

白开水是最符合人体需要的饮用水，正常人每天饮用水的摄入量至少1.5L。据第六次人口普查，中国人口数量接近14亿，开水饮用水的需求量巨大。当前的饮用水设备主要有两种形式，一种为燃煤燃气锅炉供应饮用水，这种形式一次能源利用效率低，且燃烧产物污染环境；第二种为电热水器，高品位的电能转化为低品位的热能，必然造成能源品位浪费。

热泵技术可以通过消耗少量的电能把低温环境中的热量，转移到高温环境中，制热效率(COP)一般大于1，节能效果明显。若将常温水加热到开水，则热泵水侧工作温跨在80K以上。现有的常规热泵技术(诸如单级蒸汽压缩、复叠等)难以高效满足开水器的需求，甚至无法供应开水，只能作为厨卫生活用水的供应。虽然跨临界CO₂循环的热泵系统可利用超临界状态下CO₂具有较大的温度滑移实现开水器的需求，但是其运行压力高压可达10MPa以上，不仅需要匹配专门的压缩机，生产成本很高，而且还带来安全隐患。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种高效节能的混合工质回热式热泵开水器。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种混合工质回热式热泵开水器，包括贮水式热水箱模块及混合工质回热式热泵模块，其中：

所述贮水式热水箱模块包括保温水箱，设置于所述保温水箱内且沿所述保温水箱自上而下依次设置的高水位电极、保温加热器、低水位电极、隔板、电加热器及第一温度传感器，以及设置于所述保温水箱外侧且位于低水位电极和所述隔板之间的热水出口阀门；

所述混合工质回热式热泵模块包括：压缩机单元、回热式换热器、节流元件、蒸发器、进水电磁阀及第二温度传感器，所述压缩机单元的制冷剂高压出口连接所述回热式换热器的制冷剂高压进口，所述回热式换热器的制冷剂高压出口连接所述节流元件的制冷剂高压进口，所述节流元件的制冷剂低压出口连接所述蒸发器的低压制冷剂进口，所述蒸发器的低压制冷剂出口连接所述回热式换热器的低压制冷剂进口，所述回热换热器的低压制冷剂出口连接所述压缩机单元的制冷机低压进口以形成回路循环；冷水由所述进水电磁阀的进口进入，所述进水电磁阀的出口连接所述回热式换热器的水侧进口，所述回热换热器的水侧出口处设置有所述第二温度传感器且所述回热式换热器的水侧出口连接所述电加热器的进口。

在一些较佳的实施方式中，所述保温水箱上方形成的水蒸汽由所述回热式换热器的蒸汽进口进入，再经所述回热式换热器的蒸汽出口流出。

另外，本发明还提供了一种上述混合工质回热式热泵开水器的控制方法，包括下述步骤：

当所述保温水箱内的水位低于所述低水位电极的位置时，打开所述进水电磁阀及所述电加热器及开启所述压缩机单元，进入预启动阶段；所述压缩机单元的高压出口排出的高温工质进入所述回热式换热器中给水加热，然后进入所述节流元件，节流后在所述蒸发器中蒸发吸热，再次进入所述回热式换热器形成回热吸收部分工质的冷凝热，所述高温工质的温度进一步升高，并回到所述压缩机单元完成一个工作循环；经过所述回热式换热器加热的水温由所述第二温度传感器监测，未达到开水温度的所述回热式换热器出口的水进入所述电加热器中被加热至开水温度进入所述保温水箱；

当所述第二温度传感器监测的水温达到开水温度时，关闭所述电加热器，进入热泵加热阶段；所述压缩机单元高压出口排出的高温工质进入所述回热式换热器中给水加热，然后进入所述节流元件，节流后在所述蒸发器中蒸发吸热，再次进入所述回热式换热器形成回热吸收部分工质的冷凝热，所述高温工质温度进一步升高，并回到所述压缩机单元完成一个工作循环；经过所述回热式换热器加热的水温由所述第二温度传感器监测，达到开水温度；

当所述保温水箱内水位高于所述高水位电极的位置时，关闭所述压缩机单元，进入保温阶段：所述保温水箱内温度由所述第一温度传感器监测，当温度低于设定温度时，开启所述保温加热器；当温度高于设定温度时，关闭所述保温加热器。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的混合工质回热式热泵开水器，包括贮水式热水箱模块及混合工质回热式热泵模块，所述贮水式热水箱模块包括保温水箱，设置于所述保温水箱内且沿所述保温水箱自上而下依次设置的高水位电极、保温加热器、低水位电极、隔板、电加热器及第一温度传感器，以及设置于所述保温水箱外侧且位于低水位电极和所述隔板之间的热水出口阀门，所述混合工质回热式热泵模块包括：压缩机单元、回热式换热器、节流元件、蒸发器、进水电磁阀及第二温度传感器，上述混合工质回热式热泵开水器采用混合工质大温跨回热循环，只需要匹配普通单级压缩机，利用混合工质大温跨特性，减小换热器中的换热温差，高效快速制取开水；系统运行压力较低，安全可靠；同时节约设备成本。

本发明提供的混合工质回热式热泵开水器的控制方法，当所述保温水箱内的水位低于所述低水位电极的位置时，打开所述进水电磁阀及所述电加热器及开启所述压缩机单元，进入预启动阶段；当所述第二温度传感器监测的水温达到开水温度时，关闭所述电加热器，进入热泵加热阶段；在初期启动阶段，热泵系统和电加热器同时提供热量，可以有效缩短整个系统的热响应时间，解决饮水设备初启动时，短时间内无法提供开水的问题；在压缩机单元稳定工作后，启动热泵加热控制，完全利用热泵系统制取开水，节能效果明显。

本发明提供的混合工质回热式热泵可应用于饮水设备领域，提高了系统效率，节省大量的电能，具有高效清洁，安全方便等优点，非常适合我国的气候状况、能源形势和环境要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的混合工质回热式热泵开水器的结构示意图。

图2为本发明另一较佳实施例提供的混合工质回热式热泵开水器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明一实施例提供的混合工质回热式热泵开水器10的结构示意图，包括贮水式热水箱模块100及混合工质回热式热泵模块200。

所述贮水式热水箱模块100包括保温水箱1，设置于所述保温水箱1内且沿所述保温水箱1自上而下依次设置的高水位电极2、保温加热器3、低水位电极4、隔板5、电加热器6及第一温度传感器7，以及设置于所述保温水箱1外侧且位于低水位电极4和所述隔板5之间的热水出口阀门14。

所述混合工质回热式热泵模块200包括：压缩机单元8、回热式换热器9、节流元件10、蒸发器11、进水电磁阀12及第二温度传感器13，所述压缩机单元8的制冷剂高压出口连接所述回热式换热器9的制冷剂高压进口，所述回热式换热器9的制冷剂高压出口连接所述节流元件10的制冷剂高压进口，所述节流元件10的制冷剂低压出口连接所述蒸发器11的低压制冷剂进口，所述蒸发器11的低压制冷剂出口连接所述回热式换热器9的低压制冷剂进口，所述回热换热器9的低压制冷剂出口连接所述压缩机单元8的制冷机低压进口以形成回路循环；冷水由所述进水电磁阀12的进口进入，所述进水电磁阀12的出口连接所述回热式换热器9的水侧进口，所述回热换热器9的水侧出口处设置有所述第二温度传感器13且所述回热式换热器9的水侧出口连接所述电加热器6的进口。

请参见图2，为本发明另一较佳实施例提供的混合工质回热式热泵开水器20的结构示意图。

与图1提供的混合工质回热式热泵开水器10不同之处在于，混合工质回热式热泵开水器20中所述保温水箱1上方形成的水蒸汽由所述回热式换热器9的蒸汽进口进入，再经所述回热式换热器9的蒸汽出口流出。其详细的结构可以参见图1，这里不再赘述。

本发明提供的混合工质回热式热泵开水器，包括贮水式热水箱模块100及混合工质回热式热泵模块200，所述贮水式热水箱模块100包括保温水箱1，设置于所述保温水箱1内且沿所述保温水箱1自上而下依次设置的高水位电极2、保温加热器3、低水位电极4、隔板5、电加热器6及第一温度传感器7，以及设置于所述保温水箱1外侧且位于低水位电极4和所述隔板5之间的热水出口阀门14，所述混合工质回热式热泵模块200包括：压缩机单元8、回热式换热器9、节流元件10、蒸发器11、进水电磁阀12及第二温度传感器13，上述混合工质回热式热泵开水器采用混合工质大温跨回热循环，只需要匹配普通单级压缩机，利用混合工质大温跨特性，减小换热器中的换热温差，高效快速制取开水；系统运行压力较低，安全可靠；同时节约设备成本。

此外，本发明还提供上述混合工质回热式热泵开水器的控制方法，具体包括下述步骤：当所述保温水箱1内的水位低于所述低水位电极4的位置时，打开所述进水电磁阀12及所述电加热器6及开启所述压缩机单元8，进入预启动阶段；所述压缩机单元8的高压出口排出的高温工质进入所述回热式换热器9中给水加热，然后进入所述节流元件10，节流后在所述蒸发器11中蒸发吸热，再次进入所述回热式换热器9形成回热吸收部分工质的冷凝热，所述高温工质的温度进一步升高，并回到所述压缩机单元8完成一个工作循环；经过所述回热式换热器9加热的水温由所述第二温度传感器13监测，未达到开水温度的所述回热式换热器9出口的水进入所述电加热器6中被加热至开水温度进入所述保温水箱1。

当所述第二温度传感器13监测的水温达到开水温度时，关闭所述电加热器6，进入热泵加热阶段；所述压缩机单元8高压出口排出的高温工质进入所述回热式换热器9中给水加热，然后进入所述节流元件10，节流后在所述蒸发器11中蒸发吸热，再次进入所述回热式换热器9形成回热吸收部分工质的冷凝热，所述高温工质温度进一步升高，并回到所述压缩机8完成一个工作循环；经过所述回热式换热器9加热的水温由所述第二温度传感器13监测，达到开水温度。

当所述保温水箱1内水位高于所述高水位电极2的位置时，关闭所述压缩机单元8，进入保温阶段：所述保温水箱1内温度由所述第一温度传感器7监测，当温度低于设定温度时，开启所述保温加热器3；当温度高于设定温度时，关闭所述保温加热器3。

本发明提供的混合工质回热式热泵开水器的控制方法，当所述保温水箱1内的水位低于所述低水位电极4的位置时，打开所述进水电磁阀12及所述电加热器6及开启所述压缩机单元8，进入预启动阶段；当所述第二温度传感器13监测的水温达到开水温度时，关闭所述电加热器6，进入热泵加热阶段；在初期启动阶段，热泵系统和电加热器6同时提供热量，可以有效缩短整个系统的热响应时间，解决饮水设备初启动时，短时间内无法提供开水的问题；在压缩机单元8稳定工作后，启动热泵加热控制，完全利用热泵系统制取开水，节能效果明显。

本发明提供的混合工质回热式热泵应用于饮水设备领域，提高了系统效率，节省大量的电能，具有高效清洁，安全方便等优点，非常适合我国的气候状况、能源形势和环境要求。

当然本发明的混合工质回热式热泵开水器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (3)

1.一种混合工质回热式热泵开水器，其特征在于，包括贮水式热水箱模块及混合工质回热式热泵模块，其中：

所述贮水式热水箱模块包括保温水箱，设置于所述保温水箱内且沿所述保温水箱自上而下依次设置的高水位电极、保温加热器、低水位电极、隔板、电加热器及第一温度传感器，以及设置于所述保温水箱外侧且位于低水位电极和所述隔板之间的热水出口阀门；

所述混合工质回热式热泵模块包括：压缩机单元、回热式换热器、节流元件、蒸发器、进水电磁阀及第二温度传感器，所述压缩机单元的制冷剂高压出口连接所述回热式换热器的制冷剂高压进口，所述回热式换热器的制冷剂高压出口连接所述节流元件的制冷剂高压进口，所述节流元件的制冷剂低压出口连接所述蒸发器的低压制冷剂进口，所述蒸发器的低压制冷剂出口连接所述回热式换热器的低压制冷剂进口，所述回热换热器的低压制冷剂出口连接所述压缩机单元的制冷机低压进口以形成回路循环；冷水由所述进水电磁阀的进口进入，所述进水电磁阀的出口连接所述回热式换热器的水侧进口，所述回热换热器的水侧出口处设置有所述第二温度传感器且所述回热式换热器的水侧出口连接所述电加热器的进口。

2.如权利要求1所述的混合工质回热式热泵开水器，其特征在于，所述保温水箱上方形成的水蒸汽由所述回热式换热器的蒸汽进口进入，再经所述回热式换热器的蒸汽出口流出。

3.一种根据权利要求1或2所述混合工质回热式热泵开水器的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

当所述保温水箱内的水位低于所述低水位电极的位置时，打开所述进水电磁阀及所述电加热器及开启所述压缩机单元，进入预启动阶段；所述压缩机单元的高压出口排出的高温工质进入所述回热式换热器中给水加热，然后进入所述节流元件，节流后在所述蒸发器中蒸发吸热，再次进入所述回热式换热器形成回热吸收部分工质的冷凝热，所述高温工质的温度进一步升高，并回到所述压缩机单元完成一个工作循环；经过所述回热式换热器加热的水温由所述第二温度传感器监测，未达到开水温度的所述回热式换热器出口的水进入所述电加热器中被加热至开水温度进入所述保温水箱；

当所述第二温度传感器监测的水温达到开水温度时，关闭所述电加热器，进入热泵加热阶段；所述压缩机单元高压出口排出的高温工质进入所述回热式换热器中给水加热，然后进入所述节流元件，节流后在所述蒸发器中蒸发吸热，再次进入所述回热式换热器形成回热吸收部分工质的冷凝热，所述高温工质温度进一步升高，并回到所述压缩机单元完成一个工作循环；经过所述回热式换热器加热的水温由所述第二温度传感器监测，达到开水温度；

当所述保温水箱内水位高于所述高水位电极的位置时，关闭所述压缩机单元，进入保温阶段：所述保温水箱内温度由所述第一温度传感器监测，当温度低于设定温度时，开启所述保温加热器；当温度高于设定温度时，关闭所述保温加热器。