CN108278794B - 一种利用空气能及太阳能的热泵 - Google Patents

一种利用空气能及太阳能的热泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用空气能及太阳能的热泵，包括蒸发器、太阳能供应器、压缩机、冷凝器、过滤器、膨胀阀，所述蒸发器与太阳能供应器连通，压缩机与太阳能供应器连通，冷凝器与压缩机连通，膨胀阀与冷凝器连通，膨胀阀的另一端与蒸发器连通，构成热媒循环通道。所述冷凝器和膨胀阀之间还设有并行线，并行线上设有过滤器。所述并行线上设有三通阀。本发明利用空气热源和太阳热源，在热泵中循环热媒，因此具有使效率最大化的优点。无需通过单独蓄热槽的传热过程，热媒在太阳能供应器中直接循环接收太阳能，防止传热过程损失热能。在热泵循环过程中，可以有选择地过滤出混合在热媒中的异物，从而增加传热效率，防止机器故障。

Description

一种利用空气能及太阳能的热泵
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，具体是一种利用空气能及太阳能的热泵。具体来讲，可在空气热源中附加太阳热源，使传热媒介在热泵中得以循环，因此具有出色热效率。这种利用空气能及太阳能的热泵中，用于供应太阳能热源给热媒的太阳能供应器不需要另外设置蓄热槽。因此，无需通过蓄热槽的间接传热过程，而直接循环接受太阳能的热媒，从而可防止热损失。
背景技术
一般来讲，为了给建筑、工厂等供应暖、冷气，通常使用的能源有煤炭、石油、天然气等化石燃料或核燃料。但是，化石燃料是由于在其燃烧过程中产生各种有害物质而污染环境，核燃料则具有产生污染水质及放射能等有害物质的缺点。而且，这些能源的储量也存在一定的局限性。
作为这些替代能源提出的方案中，有通过电、化学作用获得热能的方法。这与燃烧可燃物质的方法相比，显著减少污染物质的生成。但是，所述电、化学方法等则需要用于这些反应的物质或装置。因此，在需要大量的热能时，则会产生装置体积会过于庞大的弊端。而所述装置需要具备相应的安全性，因此，会出现用于保障安全性的装置比获取热能的装置还庞大的缺陷。而与所述安全装置相比所获取的热能并不多，因而在设备投资方面也会产生很多问题。
作为这些问题的解决方案，提出了本发明中的热泵。所述热泵是指可将热能从温度低的地方，移动至温度高的地方的设备，其循环的组成和运行方法和制冷机相同，以使用低温热为目的时，成为制冷机，以使用高温热为目的时，则成为热泵。热泵具有由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀组成的一般循环系统。而在此循环系统中循环的热媒在循环过程中不断实现蒸发、压缩、冷凝、膨胀等变化。在这一过程中吸收或放出热能，就可以实现供暖或供冷。然而，冬季等室外温度太低时，由于蒸发潜热不良，热泵具有热效率低下的缺点。
另一方面，作为替代能源，太阳能供热器(装置)通常都是通过太阳能集热器，对太阳能进行集热，在所述集热器和蓄热槽之间运行循环泵，从而通过循环泵，将集热到太阳能集热器的太阳能传递到蓄热槽，在蓄热槽中则通过另外的循环线，向热传递对象传递热量。如此，现有的太阳能供应器存在因为间接的热传递方式而发生热量损失的问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用空气能及太阳能的热泵。为了防止现有热泵在室外温度低时热效率降低，与蒸发器一起组成太阳能供应器来提高热效率，将接收太阳能供应器传热的热媒直接传递至压缩机，从而防止因间接传热导致的热损失。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种利用空气能及太阳能的热泵，包括蒸发器(100)、太阳能供应器(200)、压缩机(300)、冷凝器(400)、过滤器(500)、膨胀阀(600)，所述蒸发器(100)与太阳能供应器(200)连通，压缩机(300)与太阳能供应器(200)连通，冷凝器(400)与压缩机(300)连通，膨胀阀(600)与冷凝器(400)连通，膨胀阀(600)的另一端与蒸发器(100)连通，构成热媒循环通道。所述冷凝器(400)和膨胀阀(600)之间还设有并行线(800)，并行线(800)上设有过滤器(500)。所述并行线(800)上设有三通阀。
所述太阳能供应器(200)包括上表面透明、下表面开口的外壳(210)、设在所述外壳(210)内部四周的隔热材料(220)、设置在所述隔热材料(220)内部的散热板(230)、设置在所述散热板(230)下侧面的多个支架(240)、附着于所述支架(240)上的热媒管(250)、附着于所述热媒管(250)两侧的多个吸收销(260)、安装在外壳(210)下表面开口处的罩(270)。所述热媒管(250)贯通所述外壳(210)，其一端连接蒸发器(100)，另一端则连接压缩机(300)。
所述过滤器(500)由回流室(510)、流入管(520)、异物流出部(530)、过滤室(540)、流出管(550)、室膜(560)、圆形膜(570)、滤网(580)、中隔层(590)组成。回流室(510)与过滤室(540)为以室膜(560)为分界的两个空间，流入管(520)与回流室(510)内部连通，异物流出部(530)设置于回流室(510)的下端。中隔层(590)为漏斗型结构，开口大的一端固定于回流室(510)与过滤室(540)分界处的内壁上，其开口较小的一端位于过滤室(540)中间，圆形膜(570)设置于中隔层(590)开口较小的一端，室膜(560)设置于中隔层(590)开口较大的一端。滤网(580)设置于过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙内。流出管(550)与过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙的底部连通。
热媒从流入管(520)进入到回流室(510)经过室膜(560)第一次过滤后进入到中隔层(590)的内部，然后经过圆形膜(570)第二次过滤后进入到过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙内，最后经过滤网(580)过滤后在过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙的底部由流出管(550)输送到膨胀阀(600)。
与现有技术相比，本发明是空气热源中附加太阳热源，在热泵中循环热媒，因此具有使效率最大化的优点。无需通过单独蓄热槽的传热过程，在太阳能供应器中直接循环接收太阳能的热媒，从而防止由于额外的传热过程损失热能。在热泵循环过程中，可以有选择地过滤出混合在热媒中的异物，从而增加传热效率，防止机器故障。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图(其中，过滤器(500)为剖视)；
图2为本发明一种实施例的太阳能供应器的分解立体图；
图3为本发明一种实施例的太阳能供器的侧面剖视示意图；
图4为本发明一种实施例的过滤器的内部结构示意图(顶部与侧面为剖视)。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
本发明提供一种利用空气能及太阳能的热泵(简称热泵，参见图1-4)，包括蒸发器(100)、太阳能供应器(200)、压缩机(300)、冷凝器(400)、过滤器(500)、膨胀阀(600)，所述蒸发器(100)与太阳能供应器(200)连通，压缩机(300)与太阳能供应器(200)连通，冷凝器(400)与压缩机(300)连通，膨胀阀(600)与冷凝器(400)连通，膨胀阀(600)的另一端与蒸发器(100)连通，构成热媒循环通道。所述冷凝器(400)和膨胀阀(600)之间还设有并行线(800)，并行线(800)上还设有过滤器(500)，从而除去热媒中所含异物。
图1是显示本发明中利用空气能及太阳能的热泵结构，图2是显示本发明构成之一的太阳能供应器的分解立体图，图3是在本发明构成之一的太阳能供器的侧面剖视图，图4是显示本发明构成之一的过滤器(500)的立体剖视图。
所述蒸发器(100)从外部吸收空气能并与内部流动的热媒热交换；所述太阳能供应器(200)为热泵供应太阳能，压缩机(300)将流入的热媒转化为高温高压气体状态的；冷凝器(400)将流入的热媒转化为高温高压液体状态的；膨胀阀(600)将液态热媒转化为热媒低压气体，形成循环。
所述太阳能供应器(200)包括上表面透明、下表面开口的外壳(210)、设在所述外壳(210)内部四周的隔热材料(220)、设置在所述隔热材料(220)内部的散热板(230)、设置在所述散热板(230)下侧面的多个支架(240)、附着于所述支架(240)上的热媒管(250)、附着于所述热媒管(250)两侧的多个吸收销(260)、安装在外壳(210)下表面开口处的罩(270)。所述热媒管(250)贯通所述外壳(210)，其一端连接蒸发器(100)，另一端则连接压缩机(300)。
所述外壳(210)在图纸上所示的是四角形形状，但并不限于此。
从所述蒸发器(100)吸收第一热源的热媒，在通过所述太阳能供应器(200)的过程中二次吸收太阳能热源。在室外温度低的情况下，只靠蒸发器(100)吸收的热源不足。而通过所述太阳能供应器(200)进行补充，使吸收充足的热源成为可能。直接向所述太阳能供应器(200)传递热媒，通过此向压缩机(300)传递吸收1、2次热源的热媒，因此无需通过额外的蓄热器进行间接热交换，从而防止热损失。
隔热材料(220)的设置，防止供应到本太阳能供应器(200)的基于太阳能的热源向外界泄露而发生热损失。作为所述隔热材料(220)可使用泡沫塑料等周知的材质。
所述散热板(230)是设在所述隔热材料(220)内部。所述散热板(230)可使用铝、镁、锌等多种材质。其功能为，利用辐射或对流现象，释放出传递到所述散热板(230)的太阳能，以便被释放的热能传递到热媒管(250)。从而使基于这种作用传递的太阳能，不向外界泄露而直接传递到热媒管(250)，以便太阳能容易二次传递到热媒。
所述隔热材料(220)可在所述外壳(210)和所述散热板(230)之间填充黄土泥浆构成。所述黄土泥浆是由含有黄土和底灰的固体物兑水形成。黄土泥为30-70％黄土和30-70％底灰，用水混合均匀，模压成型后烘干即得。要求强度时，黄土和底灰的配比中提高底灰的配比，不要求强度时则需减少底灰的配比。
众所周知，黄土为黄色的土，是含有许多硅石(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、铁粉、镁(Mg)、钠(Na)、钾等无机质的微细粒子，具有大量辐射远红外线，随着周围的湿度保持舒适的湿度的调节湿度功能和绝热及通过蓄热减少热量损失的隔热保温功能。然而，仅以黄土组成泥浆，由于黄土的干燥收缩大，因此存在抗龟裂性低，强度也比普通水泥低的问题。因此，本发明设计为添加底灰，以完善隔热功能，在底灰的空隙充填黄土，以抗龟裂，加强强度。在这里，由于底灰是在高温的燃烧过程中生成，在高温中稳定的化合物，因此，具有耐火性，孔隙率显著高于其他骨料，因此，隔热性好，与现有的作为隔热骨料使用珍珠岩、蛭石相比，其强度也好。因此，可发挥与普通砂浆相似的强度特性。
本发明中，在所述外壳(210)和所述散热板(230)中之间填充包含底灰的黄土泥浆作为隔热材料(220)使用，从而提高绝热性的同时，加强其强度。最终确保太阳能在没有热损耗的情况下传递至热媒。
本发明中，在所述散热板(230)的外侧面，设有多个散热叶片(231)。所述散热叶片(231)凸出于所述散热板(230)。多个散热叶片(231)加大与空气接触的面积，以形成更加活跃的对流和辐射，使基于太阳能的对流和辐射热，最终有效传递到热媒管(250)。
所述散热板(230)的内侧面设有多个支架(240)。通过所述支架(240)使所述散热板(230)和所述热媒管(250)以一定间距构成。以便通过所述散热板(230)的辐射及对流在由所述支架(240)所形成一定间距空间中产生。所述支架(240)也应由传热效率高的金属等材质构成，以便通过支架(240)也能传热至热媒管(250)。
所述支架(240)上设有内部可流动热媒的热媒管(250)。所述热媒管(250)由之字形形成曲管，以在所述外壳(210)的外露面，扩大外露面积，以便太阳能充分传递至其内部的热媒。所述热媒管(250)应设计为可以吸收太阳能。为此，颜色也应选黑色，在材质性方面也应使用铜等吸热率好的金属材质。
所述热媒管(250)的两侧设有多个吸收销(260)。通过所述吸收销(260)直接吸收太阳能，向所述热媒管(250)传递热能，如此传递的热能最终传递到热媒。所述吸收销(260)也应由铝、铜等可吸收太阳能的材质构成。
所述罩(270)附着于所述外壳(210)的下表面开口处，通过此，使太阳能传递至内部。为了防止传递到内部的热量向外泄漏，由透明夹层玻璃、双重注塑透明聚碳酸酯、压克力等材料质组成，最好是用荷叶效果产品处理表面，以防止灰尘等异物影响太阳光的透过率。
如上所述，本发明是由蒸发器(100)、太阳能供应器(200)、压缩机(300)、冷凝器(400)、膨胀阀(600)形成循环，实现热交换及传热。在这循环过程中，热媒中会逐渐沉积异物，这种异物最终成为热交换效率低下的原因，也成为设备故障的原因。为此在本发明中，在所述冷凝器(400)和所述膨胀阀(600)之间增设并行线(800)，在所述并行线(800)上设置过滤器(500)。如图1所示，所述并行线(800)上设有三通阀。虽然未在图纸上图示，但是，通过控制部的控制，使经过所述冷凝器(400)的热媒，直接流入膨胀阀(600)或通过所述并行线(800)，经由过滤器(500)流入至膨胀阀(600)。
所述过滤器(500)由回流室(510)、流入管(520)、异物流出部(530)、过滤室(540)、流出管(550)、室膜(560)、圆形膜(570)、滤网(580)、中隔层(590)组成。回流室(510)与过滤室(540)为以室膜(560)为分界的两个空间，流入管(520)与回流室(510)内部连通，异物流出部(530)设置于回流室(510)的下端。中隔层(590)为漏斗型结构，开口大的一端固定于回流室(510)与过滤室(540)分界处的内壁上，其开口较小的一端位于过滤室(540)中间，圆形膜(570)设置于中隔层(590)开口较小的一端，室膜(560)设置于中隔层(590)开口较大的一端。滤网(580)设置于过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙内。流出管(550)与过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙的底部连通。
热媒从流入管(520)进入到回流室(510)经过室膜(560)第一次过滤后进入到中隔层(590)的内部，然后经过圆形膜(570)第二次过滤后进入到过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙内，最后经过滤网(580)过滤后在过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙的底部由流出管(550)输送到膨胀阀(600)。
室膜(560)为以按中心方向即圆形膜(570)的方向形成向上倾斜坡度的空心圆锥体结构。
所述过滤网(580)应由多级组成，应设为网眼从上端到下端方向变小为宜。
所述回流室(510)为圆筒形，其内部回流热媒。所述流入管(520)形成于所述回流室(510)的一侧，应设在所述回流室(510)的切线方向。这一结构使流向流入管(520)的热媒在回流室内(510)内回流，以形成流体旋转运动(hydrocyclon)和漩涡(vortex)。所述流入管(520)设为与所述并行线(800)相连通，以便从冷凝器(400)传递热媒。
如图4所示，回流室(510)的下面最好形成倾斜坡度，使其直径越到中心越窄。这是为了通过回流的离心力，从回流室侧壁上下降的粒子，容易滑到异物流出部(530)方向。不仅如此，利用随着直径变小流速变大的特点，使旋涡越到回流室(510)的下方越变大，从而使粒子易于流出到异物流出部(530)。
所述异物流出部(530)倾斜设置于回流室下端的中心部位，为越到下方直径越小的逆圆锥形结构。所述异物流出部(530)上方为热媒气流旋涡中央。
所述过滤室(540)应由圆筒形构成，设在所述回流室(510)上部，也可由另外空间构成，但图四中是构成为整体，由下文中说明的室膜(560)分割。所述过滤室(540)内部设有与所述回流室(510)相连通，使在所述回流室(510)内回流的热媒流入后，再溢流到过滤室(540)的圆形膜(570)。所述圆形膜(570)的外周与所述过滤室(540)的内周之间由多级过滤网(580)组成。所述过滤网(580)形成多网眼，过滤混合在溢流所述圆形膜(570)的热媒中的异物。而且，虽然图纸上未图示，所述过滤网(580)应由多级组成，应设为网眼从上端到下端方向变小为宜。这是为了通过上端方向的过滤网(580)过滤出粒子大的异物，通过下端方向的过滤网(580)过滤出粒子小的异物，以便增进热媒的过滤速度，提高过滤效率。
如此，经由过滤网(580)，过滤异物的热媒，经过流出管(550)流出到膨胀阀(600)。
设室膜(560)对所述过滤室(540)和所述回流室(510)进行分区。所述室膜(560)的中心部位设有所述圆形膜(570)，与所述回流室(510)相连通。所述室膜(560)以按中心方向即圆形膜的方向形成向上倾斜坡度的圆锥形为宜。如此构成，以便使经由过滤网(580)的热媒，易于顺着所述室膜(560)流出到流出管(550)。在回流室(510)，因为锥形室膜(560)，越往上走直径就越变小。而由于这种形状，回流的速度加快。而随着圆形膜(570)内周的回流速度给下速度加快，热媒的处理速度也会加快。
所述流出管(550)以设在所述过滤室(540)的一侧，设计为被过滤的热媒流出到外部，设为所述室膜(560)终端和流出管(550)的下面相接，便于热媒顺着室膜(560)的斜面，经过流出管(550)流出到膨胀阀(600)为宜。
下面说明过滤器(500)的运行状态。
由于所述流入管(520)设为按回流室(510)的切线方向，通过流入管(520)流入的热媒无需任何动力也会自然形成回流。通过这种回流，比重大于热媒的粒子的移动路径是通过离心力移动至回流室(510)的侧壁，顺着回流室(510)的下面，流出到异物流出部(530)。
这种回流产生漩涡，这种旋涡的中央产生以大于切线流速两倍的速度旋转的核心，这种核心是从圆形膜(570)上面连接到异物流出部(530)的共同区域，是向下发生强有力的吸引力的部分。因此，比重小于热媒的粒子的移动路径是，与比重大于热媒的粒子的移动路径相反，通过向心力向中央移动，移向水面，最终到达核心，通过向下吸力流出到异物流出部(530)。
而且，比重与热媒相当的粒子的移动路径是，随着热媒的流动而移动，溢流圆形膜(570)流入至过滤室(540)，随着热媒的流动而通过过滤网(580)，最后，通过过滤，过滤出异物。
如上所述，所述过滤器(500)通过无动力回流，在粒子比重大于热媒时，通过由流体旋转运动(hydrocyclon)产生的离心力和重力，从热媒分离；比重小于热媒时，利用由向心力和漩涡(vortex)产生的向下吸力，从热媒分离；比重与热媒相当，与热媒一起移动的粒子时，通过过滤网，从热媒分离
如此，通过过滤器(500)分离粒子的热媒，通过并行线(800)传递至膨胀阀(600)。过滤通过并行线(800)有选择地循环的热媒，以防止由于异物降低传热效率，预防设备故障。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种利用空气能及太阳能的热泵，其特征在于，包括蒸发器(100)、太阳能供应器(200)、压缩机(300)、冷凝器(400)、过滤器(500)、膨胀阀(600)，所述蒸发器(100)与太阳能供应器(200)连通，压缩机(300)与太阳能供应器(200)连通，冷凝器(400)与压缩机(300)连通，膨胀阀(600)与冷凝器(400)连通，膨胀阀(600)的另一端与蒸发器(100)连通，构成热媒循环通道；所述冷凝器(400)和膨胀阀(600)之间还设有并行线(800)，并行线(800)上设有过滤器(500)；所述并行线(800)上设有三通阀；
所述太阳能供应器(200)包括上表面透明、下表面开口的外壳(210)、设在所述外壳(210)内部四周的隔热材料(220)、设置在所述隔热材料(220)内部的散热板(230)、设置在所述散热板(230)下侧面的多个支架(240)、附着于所述支架(240)上的热媒管(250)、附着于所述热媒管(250)两侧的多个吸收销(260)、安装在外壳(210)下表面开口处的罩(270)；所述热媒管(250)贯通所述外壳(210)，其一端连接蒸发器(100)，另一端则连接压缩机(300)；
所述过滤器(500)由回流室(510)、流入管(520)、异物流出部(530)、过滤室(540)、流出管(550)、室膜(560)、圆形膜(570)、滤网(580)、中隔层(590)组成；回流室(510)与过滤室(540)为以室膜(560)为分界的两个空间，流入管(520)与回流室(510)内部连通，异物流出部(530)设置于回流室(510)的下端；中隔层(590)为漏斗型结构，开口大的一端固定于回流室(510)与过滤室(540)分界处的内壁上，其开口较小的一端位于过滤室(540)中间，圆形膜(570)设置于中隔层(590)开口较小的一端，室膜(560)设置于中隔层(590)开口较大的一端；滤网(580)设置于过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙内；流出管(550)与过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙的底部连通；
热媒从流入管(520)进入到回流室(510)经过室膜(560)第一次过滤后进入到中隔层(590)的内部，然后经过圆形膜(570)第二次过滤后进入到过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙内，最后经过滤网(580)过滤后在过滤室(540)与中隔层(590)之间形成的空隙的底部由流出管(550)输送到膨胀阀(600)；
所述散热板(230)和所述热媒管(250)通过所述支架(240)构成一定间距；所述热媒管(250)采用铜制作而成；所述吸收销(260)采用铜制作而成；
回流室(510)的底面形成向下的倾斜坡度，其直径越到中心越窄；
所述散热板(230)的外侧面，设有多个散热叶片(231)；所述散热叶片(231)凸出于所述散热板(230)；
室膜(560)为以按中心方向即圆形膜(570)的方向形成向上倾斜坡度的空心圆锥体结构；
所述过滤网(580)由多级组成，网眼从上端到下端方向变小；
所述异物流出部(530)倾斜设置于回流室下端的中心部位，为越到下方直径越小的逆圆锥形结构。
2.根据权利要求1所述的一种利用空气能及太阳能的热泵，其特征在于，所述隔热材料(220)为泡沫塑料或黄土泥。
3.根据权利要求2所述的一种利用空气能及太阳能的热泵，其特征在于，所述黄土泥为30-70％黄土和30-70％底灰，用水混合均匀，模压成型后烘干即得。
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