CN108332323A - 一种扁平管板翅式热源塔热泵空调系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扁平管板翅式热源塔热泵空调系统及其工作方法，包括椭圆扁管板翅式热源塔、空调器、第一水泵、蒸发器、换向阀、第一止回阀、第二水泵及第二止回阀；椭圆扁管板翅式热源塔包括塔体，塔体内自上到下依次设置有喷淋装置、椭圆扁管板翅式换热器及溶液池，该空调系统及其工作方法在冬季及夏季的换热性能均优异，同时避免蒸发器结霜。

Description

一种扁平管板翅式热源塔热泵空调系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种空调系统及其工作方法，具体涉及一种扁平管板翅式热源塔热泵空调系统及其工作方法。
背景技术
目前，空气源热泵空调系统是目前主要的热泵系统形式之一。由蒸发器、压缩机、膨胀阀、冷凝器、末端装置构成。夏季供冷时，高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器中与冷却水换热，放热后的制冷剂蒸汽冷凝为高温高压制冷剂液体，经节流膨胀阀后变为低温低压制冷剂液体进入蒸发器与冷冻水换热，吸收冷冻水温度后蒸发为低温低压制冷剂蒸汽后进入压缩机变为高温高压制冷剂蒸汽，之后再次进入冷凝器中进行下一次循环，同时，被降温的冷冻水流向末端供冷设备中与送风空气换热，降低其温度，从而实现制冷目的。冬季采暖时，通过四通换向阀调整将蒸发器与冷凝器功能反转，系统循环遵循逆卡诺循环，即低温低压制冷剂蒸汽进入压缩机变为高温高压制冷剂蒸汽后进入冷凝器中与换热介质换热，换热介质吸收热量后温度升高，被输送到末端供热装置中供热，制冷剂放出热量后被冷凝为高温高压制冷剂液体，经节流膨胀变为低温低压制冷剂液体进入蒸发器与室外空气换热，吸收空气中的低品位热能而蒸发，变为低温低压制冷剂蒸汽再次进入压缩机，循环往复。
虽然空气源热泵利用了外界空气的低品位热能，但它仍存在一定缺陷，空气源热泵的性能受室外空气温湿度变化影响较大；室外空气温度过低或湿度过大，会导致空气源热泵冬季室外蒸发器结霜，从而降低其换热性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种扁平管板翅式热源塔热泵空调系统及其工作方法，该空调系统及其工作方法在冬季及夏季的换热性能均优异，同时避免蒸发器结霜。
为达到上述目的，本发明所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统包括椭圆扁管板翅式热源塔、空调器、第一水泵、蒸发器、换向阀、第一止回阀、第二水泵及第二止回阀；
椭圆扁管板翅式热源塔包括塔体，塔体内自上到下依次设置有喷淋装置、椭圆扁管板翅式换热器及溶液池，塔体的侧面设置有进风口，塔体的顶部设置有带有风机的出风口，塔体顶部的出风口与空调器的进风口相连通，第一水泵的入口与溶液池相连通，第一水泵的出口与喷淋装置的入口相连通；
蒸发器的吸热侧出口与椭圆扁管板翅式换热器的入口相连通，椭圆扁管板翅式换热器的出口与蒸发器的吸热侧入口相连通，蒸发器的放热侧出口与换向阀的一端相连通，换向阀另一端的一个出口通过第一止回阀与溶液池相连通，换向阀另一端的另一个出口与第二水泵的入口及第二止回阀的一端相连通，第二止回阀的另一端与溶液池相连通，第二水泵的出口与空调器的冷冻剂入口相连通，空调器的冷冻剂出口与蒸发器的放热侧入口相连通。
塔体顶部的出风口经双叶对开电动阀与空调器的进风口相连通。
蒸发器的吸热侧出口经压缩机与椭圆扁管板翅式换热器的入口相连通，椭圆扁管板翅式换热器的出口经膨胀阀与蒸发器的吸热侧入口相连通。
椭圆扁管板翅式换热器包括液体输配管、液体汇集管及若干椭圆扁管，其中，液体输配管的入口与蒸发器吸热侧的出口相连通，各椭圆扁管的入口与液体输配管的出口相连通，各椭圆扁管的出口与液体汇集管相连通，液体汇集管的出口与蒸发器吸热侧的入口相连通；
各椭圆扁管的外壁上均设置有翅片，各翅片上开设有网格型凹槽。
本发明所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统的工作方法包括以下步骤：
当空调器需要制冷时，关闭双叶对开电动阀、第一止回阀及第二止回阀，调节换向阀，将换向阀与第二水泵相连通，低温低压制冷剂蒸汽经压缩机做功变为高温高压制冷剂蒸汽，再经液体输配管进入到各椭圆扁管中，溶液池中的软化水经喷淋装置喷淋到翅片及椭圆扁管上，同时风机工作，空气经进风口进入到塔体内，喷淋到翅片及椭圆扁管表面的软化水吸热后汽化为水蒸汽，然后通过空气带走，从而使高温高压制冷剂蒸汽冷却为制冷剂液体，所述制冷剂液体经膨胀阀变为低温低压制冷剂液体，然后进入到蒸发器的吸热侧中，空调器输出的冷冻水进入到蒸发器中的放热侧中，并与蒸发器吸热侧中的低温低压制冷剂液体进行换热变为低温冷冻剂液体，所述低温冷冻剂液体进入到空调器中，并与空调器内的空气进行换热变为冷冻水，经换热冷却后的空气进行送风，经换热后的低温低压制冷剂液体吸热变为低温低压制冷剂蒸汽，然后进入到压缩机中；
当空调器需要制热时，压缩机做功将低温低压制冷剂蒸汽压缩至高温高压制冷剂蒸汽后输送至液体输配管中，液体输配管中的高温高压制冷剂蒸汽进入到各椭圆扁管内，喷淋装置向翅片及椭圆扁管上喷淋载冷剂，同时风机工作，空气经进风口进入到塔体内，空气及载冷剂与椭圆扁管内的高温高压制冷剂蒸汽换热升温，换热降温后的高温高压制冷剂蒸汽经膨胀阀膨胀后变为低温低压制冷剂液体，然后进入到蒸发器的吸热侧中，升温后的空气进入到空调器中，并与空调器内新进的风混合形成混合风，换热后的载冷剂进入到溶液池中，溶液池中的载冷剂进入到空调器中，再将热量释放给混合风后进入到蒸发器的放热侧中，并在放热侧中与蒸发器吸热侧的低温低压制冷剂液体进行换热，然后再进入到溶液池中，其中，低温低压制冷剂液体吸热变为低温低压制冷剂蒸汽，然后进入到压缩机中。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统及其工作方法在具体操作时，通过换向阀调节各设备内工质的流向，以满足夏季制冷要求及冬季制热要求，同时本发明在传统空气热源泵系统中加装椭圆扁管板翅式热源塔，在夏季，所述椭圆扁管板翅式热源塔作为冷却塔使用，提高系统夏季的制冷能力，在冬季，所述椭圆扁管板翅式热源塔作为热源塔使用，利用汽化潜热，提高换热的效果，冬季的制热性能较好，因此在冬季及夏季的换热性能均较为优异。另外，需要说明的是，本发明在工作时，通过椭圆扁管板翅式热源塔内产生的汽化蒸汽直接对制冷剂进行降温，省去传统空调冷凝器中冷却水与制冷剂的换热过程，减少能源损失，从而提高系统的换热性能，另外，温度较高的载冷剂流经蒸发器参与换热，避免冬季蒸发器结霜，益于提高系统性能。
进一步，椭圆扁管板翅式热源塔内设置有椭圆扁管板翅式换热器，该椭圆扁管板翅式换热器的换热面积较传统管翅式换热器换热面积更大，可以有效的强化换热，同时，翅片表面开设有网格型凹槽，有利于翅片表面喷淋水保持膜态流动而非水滴状流动，从而极大的提高椭圆扁管板翅式换热器表面液膜的传热系数。
附图说明
图1为本发明的冬季工作原理图；
图2为本发明的夏季工作原理图；
图3为本发明中椭圆扁管板翅式换热器63的剖面图；
图4为本发明中椭圆扁管板翅式换热器63的剖面图；
图5为本发明中翅片632的局部放大图；
图6为本发明的制冷循环lgp-h图；
图7为本发明的制冷循环T-S图；
图8为本发明的热泵循环lgp-h图；
图9为本发明的热泵循环T-S图。
其中，1为空调器、2为第二水泵2、3为蒸发器、4为压缩机、5 为膨胀阀、6为椭圆扁管板翅式热源塔、61为风机、62为喷淋装置、63 为椭圆扁管板翅式换热器、64为进风口、65为溶液池、66为第一水泵、 631为液体输配管、632为翅片、633为椭圆扁、634为网格型凹槽、7 为第二止回阀、8为换向阀、9为第一止回阀、10为双叶对开电动阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统包括椭圆扁管板翅式热源塔6、空调器1、第一水泵66、蒸发器3、换向阀8、第一止回阀9、第二水泵2及第二止回阀7；椭圆扁管板翅式热源塔6包括塔体，塔体内自上到下依次设置有喷淋装置62、椭圆扁管板翅式换热器63及溶液池65，塔体的侧面设置有进风口64，塔体的顶部设置有带有风机61的出风口，塔体顶部的出风口与空调器1的进风口64 相连通，第一水泵66的入口与溶液池65相连通，第一水泵66的出口与喷淋装置62的入口相连通；蒸发器3的吸热侧出口与椭圆扁管板翅式换热器63的入口相连通，椭圆扁管板翅式换热器63的出口与蒸发器3的吸热侧入口相连通，蒸发器3的放热侧出口与换向阀8的一端相连通，换向阀8另一端的一个出口通过第一止回阀9与溶液池65相连通，换向阀8另一端的另一个出口与第二水泵2的入口及第二止回阀7的一端相连通，第二止回阀7的另一端与溶液池65相连通，第二水泵2的出口与空调器1的冷冻剂入口相连通，空调器1的冷冻剂出口与蒸发器3的放热侧入口相连通；塔体顶部的出风口经双叶对开电动阀10与空调器1 的进风口64相连通。
参考图3、图4及图5，蒸发器3的吸热侧出口经压缩机4与椭圆扁管板翅式换热器63的入口相连通，椭圆扁管板翅式换热器63的出口经膨胀阀5与蒸发器3的吸热侧入口相连通；椭圆扁管板翅式换热器63 包括液体输配管631、液体汇集管及若干椭圆扁管633，其中，液体输配管631的入口与蒸发器3吸热侧的出口相连通，各椭圆扁管633的入口与液体输配管631的出口相连通，各椭圆扁管633的出口与液体汇集管相连通，液体汇集管的出口与蒸发器3吸热侧的入口相连通；各椭圆扁管633的外壁上均设置有翅片632，各翅片632上开设有网格型凹槽634。
本发明中翅片632的表面设置有网格型凹槽634，持液率较高，使得换热管表面液体更易形成并维持膜状流动，从而强化换热，另外，网格尖角更易形成汽化核心，从而加速换热管表面液体蒸发释放汽化潜热，因此也更利于强化换热。
本发明所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统的工作方法包括以下步骤：
参考图2，当空调器1需要制冷时，关闭双叶对开电动阀10、第一止回阀9及第二止回阀7，调节换向阀8，将换向阀8与第二水泵2相连通，低温低压制冷剂蒸汽经压缩机4做功转变为高温高压制冷剂蒸汽，再经液体输配管631进入到各椭圆扁管633中，溶液池65中的软化水经喷淋装置62喷淋到翅片632及椭圆扁管633上，同时风机61工作，空气经进风口64进入到塔体内，喷淋到翅片632及椭圆扁管633表面的软化水吸热后汽化为水蒸汽，然后通过空气带走，从而使高温高压制冷剂蒸汽冷却为制冷剂液体，所述制冷剂液体经膨胀阀5变为低温低压制冷剂液体，然后进入到蒸发器3的吸热侧中，空调器1输出的冷冻水进入到蒸发器3中的放热侧中，并与蒸发器3吸热侧中的低温低压制冷剂液体进行换热变为低温冷冻剂液体，所述低温冷冻剂液体进入到空调器1 中，并对空调器1内的空气进行换热变为冷冻水，经换热冷却后的空气进行送风，经换热后的低温低压制冷剂液体吸热变为低温低压制冷剂蒸汽，然后进入到压缩机4中；
参考图6，在制冷过程中，对冷机性能影响最大的参数是制冷剂的蒸发温度及冷凝温度，图5中，tk为传统水冷式制冷系统的冷凝温度，t'k为本发明在夏季运行时的冷凝温度，在蒸发温度、制冷剂过冷度、制冷剂过热度均相同的条件下，本发明理论压缩功将会有所节约。
参考图7，由于本发明在夏季运行时冷凝温度低于传统水冷式制冷系统，因此同等条件下，本发明中所用空调系统比传统水冷系统增加了Δq0的制冷量，同时节约了Δw的压缩机4功耗，因此理论上，本发明的 COP应比传统水冷系统有所提升。
参考图1，当空调器1需要制热时，压缩机4做功将低温低压制冷剂蒸汽压缩至高温高压制冷剂蒸汽后输送至液体输配管631中，液体输配管631中的高温高压制冷剂蒸汽进入到各椭圆扁管633内，喷淋装置 62向翅片632及椭圆扁管633上喷淋载冷剂，同时风机61工作，空气经进风口64进入到塔体内，空气及载冷剂与椭圆扁管633内的高温高压制冷剂蒸汽换热后升温，换热降温后的高温高压制冷剂蒸汽经膨胀阀5 膨胀后变为低温低压制冷剂液体，然后进入到蒸发器3的吸热侧中，升温后的空气进入到空调器1中，并与空调器1内新进的风混合形成混合风，换热后的载冷剂进入到溶液池65中，溶液池65中的载冷剂进入到空调器1中，再将热量释放给混合风后进入到蒸发器3的放热侧中，并在放热侧中与蒸发器3吸热侧的低温低压制冷剂液体进行换热，然后再进入到溶液池65中，其中，低温低压制冷剂液体吸热变为低温低压制冷剂蒸汽，然后进入到压缩机4中。
参考图8，t0为传统热泵空调系统的蒸发温度，t'0为本发明在冬季运行时的蒸发温度，在冷凝温度、制冷剂过冷度、制冷剂过热度均相同的条件下，本发明的理论压缩功将会有所节约。
参考图9，由于本发明在冬季运行时蒸发温度高于传统热泵系统，因此再同等条件下，本发明比传统热泵系统增加了ΔqD的制冷量，同时节约了ΔwD的压缩机4功耗，因此理论上，本发明中所用空调系统COP 应比传统热泵系统有所提升。

Claims (6)

1.一种扁平管板翅式热源塔热泵空调系统，其特征在于，包括椭圆扁管板翅式热源塔(6)、空调器(1)、第一水泵(66)、蒸发器(3)、换向阀(8)、第一止回阀(9)、第二水泵(2)及第二止回阀(7)；
椭圆扁管板翅式热源塔(6)包括塔体，塔体内自上到下依次设置有喷淋装置(62)、椭圆扁管板翅式换热器(63)及溶液池(65)，塔体的侧面设置有进风口(64)，塔体的顶部设置有带有风机(61)的出风口，塔体顶部的出风口与空调器(1)的进风口(64)相连通，第一水泵(66)的入口与溶液池(65)相连通，第一水泵(66)的出口与喷淋装置(62)的入口相连通；
蒸发器(3)的吸热侧出口与椭圆扁管板翅式换热器(63)的入口相连通，椭圆扁管板翅式换热器(63)的出口与蒸发器(3)的吸热侧入口相连通，蒸发器(3)的放热侧出口与换向阀(8)的一端相连通，换向阀(8)另一端的一个出口通过第一止回阀(9)与溶液池(65)相连通，换向阀(8)另一端的另一个出口与第二水泵(2)的入口及第二止回阀(7)的一端相连通，第二止回阀(7)的另一端与溶液池(65)相连通，第二水泵(2)的出口与空调器(1)的冷冻剂入口相连通，空调器(1)的冷冻剂出口与蒸发器(3)的放热侧入口相连通。
2.根据权利要求1所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统，其特征在于，塔体顶部的出风口经双叶对开电动阀(10)与空调器(1)的进风口(64)相连通。
3.根据权利要求1所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统，其特征在于，蒸发器(3)的吸热侧出口经压缩机(4)与椭圆扁管板翅式换热器(63)的入口相连通，椭圆扁管板翅式换热器(63)的出口经膨胀阀(5)与蒸发器(3)的吸热侧入口相连通。
4.根据权利要求3所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统，其特征在于，椭圆扁管板翅式换热器(63)包括液体输配管(631)、液体汇集管及若干椭圆扁管(633)，其中，液体输配管(631)的入口与蒸发器(3)吸热侧的出口相连通，各椭圆扁管(633)的入口与液体输配管(631)的出口相连通，各椭圆扁管(633)的出口与液体汇集管相连通，液体汇集管的出口与蒸发器(3)吸热侧的入口相连通。
5.根据权利要求4所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统，其特征在于，各椭圆扁管(633)的外壁上均设置有翅片(632)，各翅片(632)上开设有网格型凹槽(634)。
6.一种权利要求1-5任一项所述的扁平管板翅式热源塔热泵空调系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
当空调器(1)需要制冷时，关闭双叶对开电动阀(10)、第一止回阀(9)及第二止回阀(7)，调节换向阀(8)，将换向阀(8)与第二水泵(2)相连通，低温低压制冷剂蒸汽经压缩机(4)做功变为高温高压制冷剂蒸汽，再经液体输配管(631)进入到各椭圆扁管(633)中，溶液池(65)中的软化水经喷淋装置(62)喷淋到翅片(632)及椭圆扁管(633)上，同时风机(61)工作，空气经进风口(64)进入到塔体内，喷淋到翅片(632)及椭圆扁管(633)表面的软化水吸热后汽化为水蒸汽，然后通过空气带走，从而使高温高压制冷剂蒸汽冷却为制冷剂液体，所述制冷剂液体经膨胀阀(5)变为低温低压制冷剂液体，然后进入到蒸发器(3)的吸热侧中，空调器(1)输出的冷冻水进入到蒸发器(3)中的放热侧中，并与蒸发器(3)吸热侧中的低温低压制冷剂液体进行换热变为低温冷冻剂液体，所述低温冷冻剂液体进入到空调器(1)中，并与空调器(1)内的空气进行换热变为冷冻水，经换热冷却后的空气进行送风，经换热后的低温低压制冷剂液体吸热变为低温低压制冷剂蒸汽，然后进入到压缩机(4)中；
当空调器(1)需要制热时，压缩机(4)做功将低温低压制冷剂蒸汽压缩至高温高压制冷剂蒸汽后输送至液体输配管(631)中，液体输配管(631)中的高温高压制冷剂蒸汽进入到各椭圆扁管(633)内，喷淋装置(62)向翅片(632)及椭圆扁管(633)上喷淋载冷剂，同时风机(61)工作，空气经进风口(64)进入到塔体内，空气及载冷剂与椭圆扁管(633)内的高温高压制冷剂蒸汽换热升温，换热降温后的高温高压制冷剂蒸汽经膨胀阀(5)膨胀后变为低温低压制冷剂液体，然后进入到蒸发器(3)的吸热侧中，升温后的空气进入到空调器(1)中，并与空调器(1)内新进的风混合形成混合风，换热后的载冷剂进入到溶液池(65)中，溶液池(65)中的载冷剂进入到空调器(1)中，再将热量释放给混合风后进入到蒸发器(3)的放热侧中，并在放热侧中与蒸发器(3)吸热侧的低温低压制冷剂液体进行换热，然后再进入到溶液池(65)中，其中，低温低压制冷剂液体吸热变为低温低压制冷剂蒸汽，然后进入到压缩机(4)中。
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