CN109210654A - 一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统。本发明由制冷系统、空调系统和控制系统构成；除霜模式下，四通换向阀开启，第一换热器由冷凝器变为蒸发器，第二换热器由蒸发器变为冷凝器，同时电动风阀动作使第一换热器与冷藏间相连，第二换热器与室外相连。此时，制冷系统正常运转持续为冷藏间提供冷量，保证了除霜过程冷藏间温湿度的高精度控制，同时第二换热器作为高温冷凝器且处于室外环境下，其除霜效率显著提高，其所产生的融霜余热及蒸汽直接排放至室外，避免了对冷藏间的影响。

Description

一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统
技术领域
本发明涉及低温制冷、冷冻冷藏及暖通空调领域，更具体的说，涉及一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统。
背景技术
蒸发器作为制冷系统中的必要设备之一，其换热性能的优良关系着整个系统的运行效率。处于冬季低温运行工况下的空调系统或低温冷冻冷藏系统的蒸发器极易结霜，尤其是高湿环境的食品冷冻冷藏环境，蒸发器结霜更为严重，霜层的生成增加了传热热阻，使蒸发器的换热性能显著降低，因此实现蒸发器的无霜环境或换热器的高效除霜对于提高制冷系统效率，降低系统能耗具有重要意义。目前常见的除霜方法有热气旁通除霜、热氟除霜、电加热除霜、机械式除霜及热水除霜等，然而每种方法都有其利弊，其共同的除霜缺点是在蒸发器除霜过程中，系统需要提供额外热量用于融霜，此时蒸发器失去了吸收热量继续维持室内低温的功能。此外，蒸发器的除霜过程中会产生额外的不利余热，散发到室内，从而增加了系统的能耗，降低室内环境温湿度的控制精度。以低温冷冻系统为例，由于室内温度较低，蒸发器需要达到很高的温度(通常大于5℃)，才能使霜层融化，一般除霜过程所需时间较长，且大量余热进入室内，致使室内低温环境被破坏，系统再次运转的能耗显著增加，此外在低温环境融霜后，蒸发器送风机开启瞬间，融霜水在低压环境下瞬间气化，大量蒸汽在送风机的作用下使得库内压力瞬间增加，极易容易造成炸库现象，此时一般采用压力平衡窗缓解该问题，然而压力平衡窗具有保温效果差、泄压效果不佳等缺点。以冬季热泵系统为例，在寒冷的北方地区室外蒸发器结霜严重，致使制热效率极低，一般采用电热辅助融霜，电热融霜效率较低，一般在20-30％，而且此时系统需停止运转，致使室内热量无法正常供应，降低了室内环境舒适度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有融霜技术的不足，解决融霜过程中无效散热高、除霜效率低、系统非正常运行等原因导致的室内环境控制精度低、融霜高能耗难题，提供一种同步除霜与制冷的热泵系统及配套空调系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统由制冷系统，空调系统和控制系统构成；
所述制冷系统包括压缩机、油分离器、换热器、贮液器、干燥过滤器、翅片管蒸发器、气液分离器、电子膨胀阀、四通换向阀、电磁阀、单向阀等；压缩机出口连接油分离器入口，油分离器出口经四通换向阀与第一换热器相连，第一换热器通过设置第一电磁阀的管路连接贮液器，贮液器通过依次设置干燥过滤器、电子膨胀阀、单向阀的管路连接第二换热器；第二换热器经四通换向阀与气液分离器相连，第一换热器与单向阀之间设置安装有第二电磁阀的管路，第一电磁阀与第二换热器之间设置安装有第三电磁阀的管路；
所述空调系统包括室内入口风道、室内出口风道、室外入口风道、室外出口风道及电动风阀等；室内入口风道与室内出口风道中间为冷藏间，室内出口风道与室外入口风道联通后分两路分别联通制冷系统的两换热器(冷凝器与蒸发器)的进风口，形成四通形式的风道连接，两换热器的出风口联通后再分两路分别联通室内入口风道和室外出口风道；两换热器均处于封闭的风道系统中；所述两个电动风阀分别位于两两风道的联接处，电动风阀可随着制冷系统四通换向阀的动作切换位置，使冷藏间始终与蒸发器联通，冷凝器始终与室外联通；此时，冷气流经室内出口风道进入蒸发器换热降温后再经室内进口风道进入冷藏间；室外空气经室外入口风道进入冷凝器吸热升温后再经室外出口风道，使热空气排出风道系统；所述空调系统外部包围聚氨酯保温材料，防止冷量无效散失；所述空调系统与制冷系统的联动控制，可使所需除霜的蒸发器切换为冷凝器，冷凝器切换为蒸发器，此时所需除霜的换热器管路内部高温工质与相对温度较高的室外环境，除霜效率可显著提高，且同时保证了冷藏间的冷量供应；此外融霜后的热蒸汽经送风机直接排放至室外，避免对室内环境的影响；
所述电动风阀在必要条件下，可以使室内与室外通过风道进行联通，从而起到平衡室内外压力的所用，在冷藏间内布置压差传感器，基于控制系统以室内外压差为目标值，控制电动风阀启闭，从而避免室内外压差过大对围护结构产生不利之影响。
所述控制系统采用可编程控制器(PLC)分别连接制冷系统各组件、风道系统中的电动风阀等，通过温度传感器和压差传感器等电流信号控制各设备的动作。
本发明具有如下有益效果：
1.制冷系统蒸发器转换冷凝器且转移至室外除霜，其除霜效率高，且避免了融霜余热及蒸汽对室内环境的影响；
2.除霜过程中，制冷系统同步运行，保证了室内冷量的不间断供应，室内环境的控制精度高；
3.空调系统的电动风阀可使室内与室外联通，具有平衡室内外压力的作用，避免围护结构受损。
附图说明
图1系统常规制冷模式工作原理图；
图2系统除霜模式工作原理图；
图3系统自动平衡室内外压力原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统基于带有四通换向阀的制冷系统，以制冷与制热切换运行为技术手段，并配合相应的空调系统，在控制系统作用下，完成蒸发器除霜时切换高温冷凝器且转移至室外高效融霜。
如图1所示，一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统，包括压缩机1、油分离器2、四通换向阀3、第一换热器4、第一电磁阀5、冷藏间6、电动风阀7、第二换热器8、第二电磁阀9、单向阀10、电子膨胀阀11、干燥过滤器12、贮液器13、第三电磁阀14、气液分离器15、可编程控制器、温湿度传感器、压差传感器、铁质风道及外部保温材料等。在常规制冷模式下，制冷系统处于启动状态，此时四通换向阀3关闭，油分离器2出口经四通换向阀3与第一换热器4相连，此时第一换热器4为冷凝器；第二换热器8经四通换向阀3与气液分离器15相连，此时第二换热器8为蒸发器；同时第一电磁阀5开启，第二电磁阀9与第三电磁阀14关闭。电动风阀7的状态如图1所示，第一换热器4与室外相连，第二换热器8与冷藏间6相连。制冷模式下冷藏间温度保持在一个低温状态，当冷藏间温度较低、湿度较高时，随着时间的推移，第二换热器8会逐渐结霜，当达到一定程度后系统进入除霜模式。
如图2所示，系统处于除霜模式下时，制冷系统仍处于启动状态，此时四通换向阀3开启，油分离器2出口经四通换向阀3与第二换热器8相连，此时第二换热器8为冷凝器，第一换热器4经四通换向阀3与气液分离器15相连，此时第一换热器4为蒸发器，第一电磁阀5关闭，第二电磁阀9与第三电磁阀14开启。此时，电动风阀7的状态如图2所示，第一换热器4与冷藏间6相连，第二换热器8与室外相连。除霜模式下，制冷系统正常运转持续为冷藏间提供冷量，保证了除霜过程冷藏间温湿度的高精度控制，同时第二换热器8作为高温冷凝器且处于室外环境下，其除霜效率显著提高，其所产生的融霜余热及蒸汽直接排放至室外，避免了对冷藏间的影响。当除霜结束后，系统由除霜模式转为常规制冷模式(如图1)。
如图3所示：进一步说明基于制冷模式下的系统自动平衡室内外压差的工作原理。冷藏间处于制冷模式下时，由于各种原因可造成室内外存在较高的压差，破坏冷藏间围护结构气密性，从而降低其保温性能。例如：冷藏间由常温降至-100℃低温时，根据热力学气体状态方程可知冷藏间压力随之降低；同样在温度保持恒定的情况下，室内其他气体或水蒸气增加时也会导致冷藏间的压力随之升高。为此在该系统的冷藏间内布置压差传感器，用以实时监测冷藏间与室外的压差，基于控制系统，当其超过一定的范围时(△P<-P或△P>P)，室内出口风道联接处的电动风阀动作并保持如图3状态所示，此时室内出口风道与第一换热器4即冷凝器的入风口风道相连，室外入口风道与第二换热器8即蒸发器的入风口风道相连；若此时室内压力大于室外压力，则冷藏间的冷空气由出口排出经过冷凝器吸热后排至室外，此时系统的冷凝温度略有下降，系统制冷效率提高；若此时室内压力小于室外压力，则室外的空气先经过蒸发器降温后再由入口进入冷藏间，由于进入冷藏间空气的预冷，降低了冷藏间温度的波动，有利于提高食品的保鲜品质。在补气和排气过程中，制冷系统均处于运行状态，待室内外压差满足-P<△P<P时，电动风阀动作至制冷模式状态(如图1所示)。
该系统不仅适用于低温高湿的冷冻冷藏系统，同样也适用于冬季热泵系统除霜过程，室内热量的不间断供应。冬季低温工况下，室外机融霜时，可以将热泵系统逆向运行(四通换向阀启停控制)，使室外机蒸发器转换为冷凝器进行融霜，同时融霜过程中产生的高温余热及蒸汽通过该专利中的风道及控制系统送入室内，此时室内的湿度也有所提高，对于干燥的冬季而言也是十分有利的，同时将室内蒸发器的冷量通过风道排至室外。

Claims (1)

1.一种同步除霜与制冷的热泵及空调系统，其特征在于，由制冷系统、空调系统和控制系统构成；
所述制冷系统包括压缩机、油分离器、贮液器、干燥过滤器、气液分离器、电子膨胀阀、四通换向阀、单向阀；压缩机(1)出口连接油分离器(2)入口，油分离器(2)出口经四通换向阀(3)与第一换热器(4)相连，第一换热器(4)通过设置第一电磁阀(5)的管路连接贮液器(13)，贮液器(13)通过依次设置干燥过滤器(12)、电子膨胀阀(11)、单向阀(10)的管路连接第二换热器(8)；第二换热器(8)经四通换向阀(3)与气液分离器(15)相连，第一换热器(4)与单向阀(10)之间设置安装有第二电磁阀(9)的管路，第一电磁阀(5)与第二换热器(8)之间设置安装有第三电磁阀(14)的管路；
所述空调系统包括室内入口风道、室内出口风道、室外入口风道、室外出口风道及电动风阀等；室内入口风道与室内出口风道中间为冷藏间，室内出口风道与室外入口风道联通后分两路分别联通制冷系统的两个换热器的进风口，两个换热器一个为蒸发器，另一个为冷凝器，形成四通形式的风道连接，两个换热器的出风口联通后再分别分两路联通室内入口风道和室外出口风道；两个换热器均处于封闭的风道系统中；所述两个电动风阀分别位于室内入口风道与室外出口风道的联接处及室内出口风道与室外入口风道的联接处，电动风阀随着制冷系统四通换向阀的动作切换位置，使冷藏间始终与蒸发器联通，冷凝器始终与室外联通；此时，冷气流经室内出口风道进入蒸发器换热降温后再经室内进口风道进入冷藏间；室外空气经室外入口风道进入冷凝器吸热升温后再经室外出口风道，使热空气排出风道系统；
所述控制系统采用可编程控制器分别连接制冷系统各组件、风道系统中的电动风阀，在冷藏间内布置压差传感器，用以实时监测冷藏间与室外环境的压差，通过温度传感器和压差传感器的电流信号控制各设备的动作。
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