CN109140851A - 一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置和控制方法，所述制冷制热机组包括：压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置、组合式阀门、功能切换阀、中转循环泵、冷热两用塔，此外，所述机组还包括冬季作为热泵运行时的防冻液浓缩装置，所述防冻液浓缩装置包括有：溢流阀、浓溶液泵、负压蒸发室、喷射冷凝器、循环水箱等，通过功能切换阀实现夏季制冷冬季采热的的作用，其高效低成本运行优势突出，可代替传统的锅炉和风冷式热泵机组，运行效率高，成本较低，对于节能减排的意义重大。
Description
技术领域
本发明涉及制冷空调及热泵机组领域，具体来说是一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置和控制方法。
背景技术
当前温室负面效应显现令人类担忧：冰川融化，海平面上升，岛国焦虑有增无减，极端天气频发，担心某天温室气体排放量突破了某个阈值将变成难以逆转的人类毁灭性灾难。如今气候问题已然变成全人类最大问题，全球都在呼吁节能减排，在人们生活水平日益提高情况下，节能减排任重道远，必须采用先进的节能技术来实现减排任务。尤其是占到GDP能耗35%以上的建筑能耗，其中份量最多的当属采暖能耗,这是绝对不可忽视的减排对象。
传统的采暖一般采用锅炉采暖，这种采暖消耗的是矿物化石能源，而温室气体排放绝大部分就是来自矿物化石能源，寻找低排放洁净能源采暖已是迫在眉睫，当前采用地源热泵和水源热泵不失为一个低排放的采暖方式，但它也存在局限性，难以普及推广，因为水源和土地资源是非常有限的，难以大面积推广，而且一次性投资费用高，维修困难，难免不被水垢所困扰。而当今采用风冷式空气能热泵，其能效比不高，更重要的是因为其在较冷天气里会花较多的时间用于化霜，使制热时间相对变少了，而且化霜时需要从房间吸热来化霜，严重影响到用户的体验。当今兴起不久的热源塔技术是采用防冻液在热源塔内喷淋与逆流而上的空气进行换热，防冻液不仅吸收空气中的显然，而且也吸收了空气中水汽的潜热，使得防冻液浓度变稀，溶液量增多，由此而导致溶液冰点温度上移，最终会造成结冰胀坏蒸发器的铜管，这是热源塔技术目前最致命的弱点，它虽然不像现行的风冷式空气能热泵化霜时会影响到用户的体验，但冰点温度上移所带来的问题而毁坏蒸发器是用户绝对不可容忍的，为此许多科技工作者采取多种方式来加以弥补，起初有采用电加热蒸发浓缩防冻液方式，结果发现此方法耗能较多，用户无法接受，于是乎采用添加浓防冻液来抑制溶液冰点温度上移，这没有从根本上解决冰点温度上移问题，人为疏忽一样会造成结冰胀坏蒸发器的铜管，而且稀防冻液流失不仅污染水土，而且增加运行成本，因此浓缩防冻液方法是非常重要的问题，相继出现了多种防冻液浓缩技术方案，其中包括：一种基于湿蒸发的冷浓缩系统（专利号：）；一种水汽能潜热回馈溶液浓缩系统（专利号：201810863778.3），尽管后面这个防冻液浓缩发明专利能够使水汽能得而复失变成了水汽能失而复得，最终可以使空气中水汽能得到充分利用了，但它依然没有掌控防冻液浓缩程度的方式，也没有提供什么时候进行浓缩，什么时候可以停止浓缩，因此浓缩控制方式显得尤为重要，它是杜绝防冻液结冰并胀坏铜管的关键。
在热源塔技术完善过程中衍生出来的闭式热源塔也逐渐进入商业运行阶段，到底谁更具有竞争优势，我们客观务实地探讨一下：首先闭式成本会高于开式热源塔，因为闭式热源塔是采用管式翅片管换热器作为热源塔核心部件，而开式热源塔在塔内采用的是各式填料，显然闭式热源塔成本比开式热源塔高许多，而且开式热源塔出水温度可达到47℃以上，而闭式热源塔一般是45℃左右，这是由于开式热源塔采用了纯逆流方式换热，并且是防冻液与空气直接接触，而闭式热源塔是采用错流方式与空气进行热量交换，并且存在换热间壁的热阻力，若夏季制冷时开式热源塔变成了水冷式空调机组，而闭式热源塔相当现行的风冷空调机组，其能效比一般很难超过2.8倍，若是采用换热器翅片上喷淋水方式实现蒸发式冷凝，那么其能效比可以提高到3.8倍左右，但是依然不及水冷式5.8倍能效比呀。
解决了防冻液浓缩问题，两者都不存在对环境污染问题了，也不存在化霜问题了，采用了乙二醇防腐配方溶液也都不存在对设备有腐蚀问题了。闭式热源塔若是不采用防冻液融霜，而是满足南方地区采暖需求舍去了融霜防冻液浓缩设备，采用宽翅片小温差换热方式来减少化霜几率，显然此类闭式热源塔在3℃以下天气运行相当困难，如此小温差必须采用大流量来满足热量需求，而大流量不仅需要大幅提高循环泵功率，必然流速也会增大，过大流速必然造成磨损换热器铜管，造成热源塔换热器及蒸发器铜管使用寿命大大缩短。
综其上述开式热源塔优势强于闭式热源塔是可以肯定的。
知晓热源塔昨日与今天，我们可以展望热源塔之未来，热源塔虽起源于日本，但时兴于中国，会勃于不久的将来，热源塔先行者在十几年开疆拓土中也创建一个个不乏成功的案例，他们先后解决了溶液飘逸问题，溶液腐蚀设备问题，热源塔防雨水进入溶液系统问题；抑或另辟蹊径采用管式翅片换热器过防冻液封闭式循环来吸收空气能，为减少化霜几率采用宽翅片小温差方式在南方地区应用，可一样会遇到溶液稀释后冰点温度上移问题，而溶液浓缩问题依然没有很好得到解决，他们先后提出多个方案：有采用加热溶液蒸发防冻液中的水份实现溶液得到浓缩的目的，也有采用轴流风扇造成负压环境冷蒸发的，更有甚者采取不断添加浓防冻液办法以牺牲环境为代价来维持热泵机组能够得到正常运行（其实人为疏忽一样会造成冻管事件发生），还有为了减少由于机组运行过程中需要添加防冻液而造成成本上升便采用尿素替代乙二醇溶剂作为防冻液很不妥的做法，殊不知尿素溶液更加伤害热源塔正常运行，还会存在双温度负面效应，当浓度高于结晶温度时在蒸发器就会出现结晶而影响换热效果；当浓度低于某个浓度冰点温度时又会出现结冰而胀坏铜管，所以尿素用作防冻液溶液时它的浓度即不能过高而怕结晶；也不能过低，浓度过低了又担心冰点温度上移。这些不仅运行成本高昂，其浓缩能耗也不菲，而且会造成水汽能得而复失，凡此总总方案都无法有效解决溶液冰点温度上移问题，于是暴露出许多问题，在许多单位空调商业运行中就出现溶液稀释后溶液结冰胀坏蒸发器的铜管事故发生，因此被用户所诟病，也带来市场一片质疑声，具有很好前景的热源塔项目就因这个遭受毁誉，商业污名就会以偏概全的说辞来全盘否定热源塔的创新之举，这种商业污名很具有市场杀伤力，许多没有任何理论根据的指责也随之呼应而出，甚至还会有人违背最起码科学原理乱说热源塔是伪科学，他们都出于各自商业利益居心叵测地中伤了热源塔快速发展，只是空洞说辞并未拿不出任何科学理论依据就加以否定热源塔创新，可在事实面前他们又是那样苍白无力，让那些无知的指责和否定一去不复返吧。
其实，热源塔就是现行的冷却塔变体，为什么这样说呢。是因为热源塔是在现有冷却塔基础上做了适应性改变，它不仅可适应于夏季制冷空调用作冷却塔，冬季还可用作热源塔，这样就变成了一塔两用实现资源共享了，还可以实现制冷机组用作热泵机组来使用，替代了传统锅炉采暖其节能减排意义非常重大。相比较燃气锅炉采暖其二氧化碳应视为零排放了，它是利用空气的显热和空气中水汽的潜热通过泵热方式把低温热源热量向高温处转移了（这也是遵循能量守恒定律的），若水汽充沛地域的两用塔也可以谓之水汽能塔，我们只需要1kw电能消耗（这1kw只是用于泵热的能耗），就可以获得5kw以上的热量，这种以小博大以少获多的产热方式是绝对划算的，也是利国利民利己的事情，在当今天然气紧缺情况下采用热源塔获取清洁能源方式来实现采暖目的绝对是今后中央空调市场主流方向，对应其市场会有数千亿规模，其前景又如何呢。
解决防冻液浓缩问题，就会完全杜绝冻管事件发生，而热源塔应用技术必将前行无阻地大发展，因为热源塔热泵机组在零度以上运行至少可以保证3.5倍能效比，若达到2倍左右能效比其运行费用就会与燃气锅炉采暖费用持平，在南方整个冬季平均能效比可以达到4.5倍左右，而在北方冬季里其平均能效比可以达到3.2左右。相比较现行的风冷式热泵机组来说其节能优势也非常突出，现行风冷热泵机组一般能效比很难超过2.8倍，更糟糕的是风冷热泵机组在较冷和湿度较大的天气里，它会花许多时间去化霜，化霜时不仅会停止制热而且会从房间取热用于化霜，严重影响到用户的体验。而热源塔热泵机组就不会有此类情况发生，热源塔热泵机组工作是一直为用户制热，绝不会影响用户的体验。
发明内容
为了解决上述技术背景的环境污染和热泵机组防冻液浓缩问题，本发明涉及了一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征如下：
所述机组包括主机冷凝器，所述主机冷凝器通过节流装置和压缩机两个并联的回路和蒸发器连接，所述主机冷凝器和蒸发器一侧连接在组合式阀门的两个端口，所述组合式阀门的另外两个端口连接去用户管道和冷热两用塔，所述主机冷凝器和蒸发器另外一侧连接功能切换阀的两个端口，所述功能切换阀的另外两个端口连接去用户循环泵和中转循环泵，所述中转循环泵另一侧和冷热两用塔相连。
所述装置包括负压蒸发室，所述负压蒸发室内防冻液侧入口端通过溢流阀连接到冷热两用塔溢流容积，防冻液侧出口端通过浓溶液泵和浓溶液阀连接到冷热两用塔和中转循环泵侧，所述负压蒸发室内循环水侧入口端连接循环水箱，循环水侧出口端通过喷射循环泵和喷射冷凝器连接到循环水箱的另一端。
作为本发明的进一步改进或优化：
所述组合式阀门和功能切换阀为四通阀；
作为本发明的进一步改进或优化：
所述压缩机为磁悬浮离心机，螺杆机，离心机，涡旋压缩机；
作为本发明的进一步改进或优化：
所述溢流阀和浓溶液阀为电磁阀；
作为本发明的进一步改进或优化：
所述负压蒸发室内置有液位控制器；
作为本发明的进一步改进或优化：
所述负压蒸发室内置的液位控制器设有三个液位联动控制点；
作为本发明的进一步改进或优化：
所述负压蒸发室内置有换热器；
作为本发明的进一步改进或优化：
所述循环水箱上沿设置有循环水箱溢出管；
所述防冻液浓缩装置的控制方法的具体实施步骤如下：
冷热两用塔内利用防冻液吸收空气中水汽能之后其溶液量增多，而增多的溶液采取溢流方式流入到负压蒸发室内实现浓缩，当溢流的防冻液达到液位控制器的第一液位时，液位控制器自动启动喷射循环泵，当防冻液液位下降到液位控制器的第二液位时，此时，联动控制喷射循环泵停止工作，当液位继续下降到第三液位时，此时的联动控制浓溶液泵有停止工作，从而实现防冻液在负压蒸发室内的换热器外侧和循环水侧的循环回路一直进行热量自动交换，从而实现防冻液的浓缩控制。
有益效果
本发明相对传统的锅炉采暖和风冷式热泵机组有明显的节能和环保的性能，完全可以代替它们成为新型的采暖制冷设备，更为重要的是，在冬季作为热泵运行时，本发明相对于传统的防冻液热泵有更为明显的技术效果，实现这个技术效果的就是自动化的防冻液浓缩装置，此装置相对于传统的防冻液热泵机组由于需要不断添加防冻液节约了成本，相对于电加热浓缩装置，实现了自动化，不需要人的定期巡查记录，同时采用溢流的方式，当吸收了多少水量就会溢流出多少进入负压蒸发室，这样可以保证防冻液在一定的浓度范围内，既避免了防冻液过于稀释而冻坏机组的管子，又防止了防冻液过于粘稠从而导致装置所需的循环泵功率过大，从而达到了节能的技术效果。
附图说明
图1为本发明的机组和浓缩装置的结构图。
图中：1、去用户管道；2、主机冷凝器；3、节流装置；4、组合式阀门；5、冷热两用塔；6、溢流容积；7、溢流阀；8、负压蒸发室；9、喷射冷凝器；10、溢出管；11、循环水箱；12、喷射循环泵；13、浓溶液泵；14、浓溶液阀；15、中转循环泵；16、蒸发器；17、压缩机；18、功能切换阀；19、去用户循环泵；20、换热器；21、液位控制器。
具体实施方式
现在根据图1 来说明本发明的具体实施方式，所述主机配备有压缩机17和节流装置3，且所述压缩机17和节流装置3通过管道与相应的蒸发器16和主机冷凝器2制冷剂侧相连，形成制冷剂循环回路。夏季制冷工况时，由去用户循环泵19通过功能切换阀18和蒸发器16相连，蒸发器16通过组合式阀门4和去用户管道1相连，去用户管道1和去用户循环泵19都和用户端相连，从而构成了用户冷流体循环回路，且在制冷工况时，冷热两用塔5通过中转循环泵15由功能切换阀18和主机冷凝器2以及组合式阀门4构成冷却塔回路；由去用户循环泵19通过功能切换阀18和主机冷凝器2相连，主机冷凝器2通过组合式阀门4和去用户管道1相连，去用户管道1和去用户循环泵19都和用户端相连，从而构成了用户暖流体循环回路，且在制热工况时，冷热两用塔5通过中转循环泵15由功能切换阀18和蒸发器16以及组合式阀门4构成热源塔的回路。
当为冬季制热工况时，冷热两用塔5为热源塔，其内部喷淋溶液为防冻液，作为热源塔工况工作时，当温度低于零度时，便会有空气中的水汽在防冻液溶液里释放潜热凝结成液态水，从而稀释了防冻液，防冻液被稀释以后，会造成其冰点温度上移，冰点温度上移在冬季工况的防冻液循环系统中，会容易造成管道结冰冻坏蒸发器16的铜管问题，于是，本发明设置了一种防冻液浓缩装置，该装置实施方式为：所述冷热两用塔5底部为溢流容积6,当由于防冻液吸收水分导致溶液增多现象发生时，高出溢流室上沿溢出管道的溶液便溢出溢流容积6, 通过溢流阀7进入到负压蒸发室8内，，所述负压蒸发室8内设有换热器20和液位控制器21，所述液位控制器21设有三个液位开关点，当溢流容积6内的溢流溶液进入负压蒸发室8内达到液位点一时，联动开关便关闭溢流阀7,同时启动喷射循环泵12，循环水箱11的水吸入负压蒸发室8里面所配置的换热器20内部与该换热器20外部防冻液进行热量交换后，循环水把潜热释放给防冻液温度降低再进入到喷射冷凝器9里去引射负压蒸发室8里面的水汽，该水汽通过引射管道进入喷射冷凝器9与喷射循环水混合在一起并释放潜热使喷射循环水温度升高18℃左右，此时负压蒸发室8里面的防冻液会不断浓缩，因负压蒸发同样会使溶液温度降下来，在此过程中我们又通过温度升高的喷射循环水与降下来温度的防冻液进行热量交换，重新把热量补回去,实现防冻液在封闭区间内不停的和循环水循环系统进行热量交换。这样实现一举多得的效果：效果一,把喷射循环水温度降低有利于喷射循环水冷凝水汽，使负压蒸发室8真空度更高；效果二,使负压蒸发室8里面的防冻液温度升高有利于其更好蒸发浓缩；效果三,会使水汽能变成失而复得，使水汽能重新回馈到溶液中；随着防冻液的不断得到浓缩，负压蒸发室8内的液位会下降，当下降到液位控制器21的液位点二时，联动液位控制器21控制喷射循环泵12停止工作，同时打开浓溶液阀14，起动浓溶液泵13，将浓缩后的防冻液泵入蒸发器16，当负压蒸发室8内液位下降到液位控制器21的液位点三时，联动控制浓溶液阀14关闭，浓溶液泵13停止工作，同时打开溢流阀7，使防冻液增量继续流入负压蒸发室8，以便下一轮的浓缩工作。特别指出在浓缩过程中必然会有凝结水混于喷射循环水中，导致喷射循环水量的增多，而这增多的喷射循环水是通过循环水箱11上沿安装的溢出管10流出。整个装置在浓缩过程中，无需人员干预，全程自动化，且没有水汽能溢出系统，只有液态冷凝水溢出。
在南方，防冻液最高浓度设在30%，最低设在26%，这样可以保证防冻液的溶液溢出量在总溶液量的5%以内，机组也能正常工作，不用担心结冰情况发生，但溢出量达到总溶液量1%时，即开始溶液浓缩工作，浓缩装置也不用经常运行，也不会出现过度浓缩情况发生了（而造成诸如尿素类防冻液结晶情况出现），该浓缩装置完全因应防冻液浓度变化程度而工作，并维持防冻液恰当浓度而不会出现结冰，其粘度也不会因其过大，而出现过多消耗循环泵的功率。这是一种非常经济的溶液浓缩技术。
在北方，防冻液的溶液浓度最高设在55%（在极寒地区浓度设置可以更高），最低设在46%，这样可以使机组在-30℃环境温度下也不会出现溶液结冰而导致机组无法运行情况发生。
乙二醇防冻液浓度为26.4%时，其冰点温度是-10℃，浓度为45.6%时，其冰点温度是-30℃，当浓度是52.1%时，其冰点温度为-40℃，可以根据溶液这些物理变化特性并根据不同地区环境温度情况设置一个合理经济的浓度范围可实现热泵机组正常运行，而不发生任何结冰胀管的事件及蒸发器16结晶情况发生。
以上所述本发明专利关键所在就是防冻液浓缩方法，并结合一塔两用配置了功能切换组合式阀门可实现冬季采暖夏季制冷空调，其高效使用效果是不局限于本实施例流程图的，它还会有更多变化形式，但凡采用了本自动化浓缩防冻液方式皆属于本发明范畴。
Claims (9)
1.一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述制冷制热机组包括主机冷凝器（2），所述主机冷凝器（2）通过节流装置（3）和压缩机（17）构成两个并联的回路和蒸发器（16）连接，所述主机冷凝器（2）和蒸发器（16）一侧连接在组合式阀门（4）的两个端口，所述组合式阀门（4）的另外两个端口连接去用户管道（1）和冷热两用塔（5），所述主机冷凝器（2）和蒸发器（16）另外一侧连接功能切换阀（18）的两个端口，所述功能切换阀（18）的另外两个端口连接去用户循环泵（19）和中转循环泵（15），所述中转循环泵（15）另一侧和冷热两用塔（5）相连；
所述防冻液浓缩装置包括负压蒸发室（8），所述负压蒸发室（8）内防冻液侧入口端通过溢流阀（7）连接到冷热两用塔（5）溢流容积（6），防冻液侧出口端通过浓溶液泵（13）和浓溶液阀（14）连接到冷热两用塔（5）和中转循环泵（15）侧，所述负压蒸发室（8）内循环水侧入口端连接循环水箱（11），循环水侧出口端通过喷射循环泵（12）和喷射冷凝器（9）连接到循环水箱(11)的另一端口。
2.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述组合式阀门（4）和功能切换阀（18）为四通阀。
3.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述压缩机（17）为磁悬浮离心机。
4.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述溢流阀（7）和浓溶液阀(14)为电磁阀。
5.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述负压蒸发室（8）内设置有液位控制器（21）。
6.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述负压蒸发室（8）内置的液位控制器（21）设有三个液位联动控制点。
7.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述负压蒸发室（8）内置有换热器（20）。
8.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置，其特征在于：所述循环水箱（11）上沿设置有溢出管（10）。
9.如权利要求1所述的一种制冷制热机组及其防冻液浓缩装置的控制方法，其实施过程为：冷热两用塔（5）内利用防冻液吸收空气中水汽能之后其溶液量增多，而增多的溶液采取溢流方式流入到负压蒸发室（8）内实现浓缩，当在负压蒸发室内溢流的防冻液达到液位控制器（21）的液位点一时，液位控制器（21）自动启动喷射循环泵（12），关闭溢流阀（7），将防冻液封闭在闭合的负压蒸发室（8）内，然后，利用喷射循环泵（12）在换热器（20）的循环水侧进行热量自动交换；当防冻液液位下降到液位控制器（21）的液位点二时，联动控制喷射循环泵（12）停止工作，浓溶液泵（13）开始工作，浓溶液阀（14）打开，将浓缩好的防冻液泵入蒸发器（16）内；当液位继续下降到液位点三时，此时的联动控制为浓溶液泵（13）停止工作，溢流阀（7）打开，接收溢流的防冻液进入到负压蒸发室（8），从而为下一次浓缩准备，实现整个防冻液的浓缩过程控制。
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