CN109579358A - 一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统 - Google Patents

一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统，包括经济器和半导体低温补偿器，半导体低温补偿器由热端换热器、冷端换热器和半导体制冷器组件组成，热端换热器与半导体制冷器组件的散热端贴合，冷端换热器与半导体制冷器组件的制冷端贴合；第一出口连接热端换热器入口，第二出口连接冷端换热器入口；压缩机的排气口连接冷凝器入口，冷凝器出口的制冷剂管路分成第一支路与第二支路，第一支路连接第一节流装置的入口，第一节流装置的出口连接第一入口，第二支路连接第二入口，冷端换热器的出口连接第二节流装置的入口，第二节流装置的出口连接蒸发器的入口，蒸发器出口连接压缩机吸气口，热端换热器的出口连接压缩机的补气口。

Description

一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统
技术领域
本发明涉及一种热泵系统，特别是一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
热泵，是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，具有高效、节能环保等特点。热泵系统被认为是在减少CO2排放和降低对化石燃料依赖程度方面具有极大发展潜力的环保产品，是一种目前倍受全世界关注的新能源技术，具有广泛的应用前景和市场价值。热泵系统在热源温度较高的工况下运行时，系统性能较好，但是本发明的发明人发现在热源温度较低的工况下运行时则会出现效率下降、可靠性和稳定性降低的情况，这种状况一直制约着热泵的发展和应用。以我国北方地区为例，冬季气温常常低于-10℃，地表水温度低于5℃，在这种低温环境下运行的空气源热泵或水源热泵系统的制热能力和效率下降明显，常常无法满足供热需求，还会出现回液、排气温度高、超范围运行等问题，从而导致系统无法正常工作。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的提供一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统。该热泵系统具有在低温工况下可大幅增加系统制热能力和运行效率、运行稳定可靠等优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统，由压缩机、冷凝器、蒸发器、半导体低温补偿经济器、第一节流装置和第二节流装置组成；
所述半导体低温补偿经济器由经济器和半导体低温补偿器组成，半导体低温补偿器由热端换热器、冷端换热器和半导体制冷器组件组成，所述半导体制冷器组件为至少两片半导体制冷器构成，所述热端换热器与所述半导体制冷器组件的散热端贴合，所述冷端换热器与所述半导体制冷器组件的制冷端贴合；经济器第一出口连接热端换热器入口，经济器第二出口连接冷端换热器入口；
压缩机的排气口连接冷凝器入口，冷凝器出口的制冷剂管路分成第一支路与第二支路，第一支路连接第一节流装置的入口，第一节流装置的出口连接经济器第一入口，第二支路连接经济器第二入口，冷端换热器的出口连接第二节流装置的入口，第二节流装置的出口连接蒸发器的入口，蒸发器出口连接压缩机吸气口，热端换热器的出口连接压缩机的补气口。
本发明的目的之二是提供一种低温工况下的高效制热方法，提供上述热泵系统，冷凝器排出的制冷剂被制冷剂管路分成两路，第一支路内的制冷剂经过所述第一节流装置节流降温后首先进入经济器，在经济器内与所述第二支路内的制冷剂换热；吸热后进入所述半导体低温补偿器的热端换热器，热端换热器的制冷剂再次吸收热量后进入压缩机的补气口，第二支路内的制冷剂进入所述经济器散热降温后，进入所述半导体低温补偿器的冷端换热器再次降温，冷端换热器再次降温后制冷剂经过第二节流装置节流、降温降压后进入蒸发器吸热，然后经过压缩机压缩，最后进入冷凝器进行散热制热。系统工作过程中，半导体制冷器组件产生的热量和冷量同时得到了利用，其中热量直接被第一支路内的制冷剂送入压缩机，并在冷凝器中得到释放，而冷量则用于冷却第二支路的制冷剂，使得该部分制冷剂在进入蒸发器后可以在低温热源中吸收更多的热量，该部分热量最终也会在冷凝器中释放。
本发明的目的之三是提供一种上述热泵系统在供热领域中的应用。上述热泵系统适用于低温热源温度过低、传统供热方式热效率无法保障的应用场合。当低温热源温度较高时，所述半导体低温补偿器不工作，上述热泵系统工作过程与现有的补气增焓热泵系统相同；随着低温热源温度的降低，热泵系统的运行效率下降，降至某预定阈值后，所述半导体低温补偿器开始工作，从而提升系统在低温工况下的运行效率。
本发明的目的之四是提供一种热泵供暖设备，包括上述热泵系统和末端供暖装置，末端供暖装置设置在冷凝器上，末端供暖装置可以将冷凝器中制冷剂散出的热量以热风或热水的形式进行输送。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供了一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统，该系统采用半导体制冷技术为制冷剂同时提供冷量和热量，一方面使制冷剂在进入蒸发器前能达到更低的焓值，能够在低温热源内吸收更多的热量，同时还能加热进入压缩机补气口的另一部分制冷剂，提高制冷剂进入冷凝器前的焓值，增加冷凝器的散热量。以上效果均可以大大增强热泵系统在低温工况下的运行效果，提高运行效率。
2.本发明可以通过对半导体制冷器的控制精确调节半导体制冷组件的制冷和加热功率，在外界环境变化较大的工况下使系统运行更加稳定可靠。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的半导体低温补偿经济器结构示意图；
其中，1、压缩机，2、冷凝器，3、第一节流装置，4、半导体低温补偿经济器，5、第二节流装置，6、蒸发器，7、经济器第一入口，8、经济器第二入口，9、经济器，10、半导体低温补偿器，11、半导体制冷器组件，12、热端换热器，13、热端换热器的出口，14、冷端换热器的出口，15、冷端换热器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本公开所述的经济器是一种常规换热器，工作过程为，通过制冷剂自身节流蒸发吸收热量从而使另一部分制冷剂得到过冷。本公开的经济器中，自身节流蒸发吸收热量流经经济器的通道称为经济器第一通道，经济器第一通道的入口称为经济器第一入口，经济器第一通道的出口称为经济器第一出口，使另一部分制冷剂过冷的经济器的通道称为经济器第二通道，经济器第二通道的入口称为经济器第二入口，经济器第二通道的出口称为经济器第二出口。
本公开所述的节流装置是一种用于为制冷剂节流降压的装置，例如:毛细管、节流阀等。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在这种低温环境下运行的空气源热泵或水源热泵系统的制热能力和效率下降明显的不足，为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统。
本公开的一种典型实施方式，提供了一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统，由压缩机、冷凝器、蒸发器、半导体低温补偿经济器、第一节流装置和第二节流装置组成；
所述半导体低温补偿经济器由经济器和半导体低温补偿器组成，半导体低温补偿器由热端换热器、冷端换热器和半导体制冷器组件组成，所述半导体制冷器组件为至少两片半导体制冷器构成，所述热端换热器与所述半导体制冷器组件的散热端贴合，所述冷端换热器与所述半导体制冷器组件的制冷端贴合；经济器第一出口连接热端换热器入口，经济器第二出口连接冷端换热器入口；
压缩机的排气口连接冷凝器入口，冷凝器出口的制冷剂管路分成第一支路与第二支路，第一支路连接第一节流装置的入口，第一节流装置的出口连接经济器第一入口，第二支路连接经济器第二入口，冷端换热器的出口连接第二节流装置的入口，第二节流装置的出口连接蒸发器的入口，蒸发器出口连接压缩机吸气口，热端换热器的出口连接压缩机的补气口。
该实施方式中的一种或多种实施例中，半导体制冷器组件连接控制装置，控制装置控制半导体制冷器组件的输入功率和输出功率。可以根据系统需求进行调节。
该实施方式中的一种或多种实施例中，所述蒸发器为气-液换热器或液-液换热器。根据热源状态不同，可以形成低温空气源热泵系统或低温水源热泵系统。
本公开的另一种实施方式，提供了一种上述热泵系统在供热领域中的应用。上述热泵系统适用于低温热源温度过低、传统供热方式热效率无法保障的应用场合，例如寒冷地区冬季的空气源热泵供热。当室外空气温度较高时，所述半导体低温补偿器不工作，上述热泵系统工作过程与现有的补气增焓热泵系统相同，依靠热泵系统自身就可以保持较高的运行效率；随着室外环境温度的降低，热泵系统的运行效率下降，降至某预定阈值后，所述半导体低温补偿器开始工作，一方面以较高的效率加热第一支路内的制冷剂，同时也降低了第二支路内制冷剂的焓值，使第二支路内得制冷剂可以在蒸发器中吸收更多室外环境的热量，从而提升系统在低温工况下的运行效率。
本公开的第三种实施方式，提供了一种低温工况下高效制热的方法，提供上述热泵系统，冷凝器排出的制冷剂被制冷剂管路分成两路，第一支路内的制冷剂经过所述第一节流装置节流降温后首先进入经济器，在经济器内与所述第二支路内的制冷剂换热；吸热后进入所述半导体低温补偿器的热端换热器，热端换热器的制冷剂再次吸收热量后进入压缩机的补气口，第二支路内的制冷剂进入所述经济器散热降温后，进入所述半导体低温补偿器的冷端换热器再次降温，冷端换热器再次降温后制冷剂经过第二节流装置节流、降温降压后进入蒸发器吸热，然后经过压缩机压缩，最后进入冷凝器进行散热制热。系统工作过程中，半导体制冷器组件产生的热量和冷量同时得到了利用，其中热量直接被第一支路内的制冷剂送入压缩机，并在冷凝器中得到释放，而冷量则用于冷却第二支路的制冷剂，使得该部分制冷剂在进入蒸发器后可以在低温热源中吸收更多的热量，该部分热量最终也会在冷凝器中释放。
本公开的低温工况是指，气温不高于-10℃，或地表水温度不高于5℃。
该实施方式中的一种或多种实施例中，蒸发器吸热的方式为气-液换热或液-液换热。
该实施方式中的一种或多种实施例中，采用温度不高于-10℃的空气或温度不高于5℃的水作为蒸发器的热源。
本公开的第四种实施方式，提供了一种热泵供暖设备，包括上述热泵系统和末端供暖装置，末端供暖装置设置在冷凝器上，末端供暖装置可以将冷凝器中制冷剂散出的热量以热风或热水的形式进行输送。
该实施方式中的一种或多种实施例中，所述末端供暖装置为风扇或供热水管。冷凝器中的换热介质为空气时，所述供暖装置为风扇，风扇将冷凝器制冷剂散出的热量吹出。冷凝器中的换热介质为水时，供热水管中供水，冷凝器中制冷剂散出的热量被水吸收后，由供热水管输出。
该实施方式中的一种或多种实施例中，所述热泵供暖设备为热泵空调或热泵热水器。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例
如图1所示，包括压缩机1、冷凝器2、第一节流装置3、半导体低温补偿经济器4、第二节流装置5、蒸发器6。
压缩机1采用带有排气口、补气口和吸气口的形式。压缩机1的排气口通过制冷剂管路与冷凝器2的入口连接，冷凝器2的出口制冷剂管路分成两条支路，分别与半导体低温补偿经济器4的经济器第一入口7和经济器第二入口8连接，其中连接经济器第一入口7的管路上还设置了第一节流装置3。进入经济器第一入口7的制冷剂经过换热后从热端换热器的出口13流出半导体低温补偿经济器4，然后通过补气口进入压缩机1重新压缩。进入经济器第二入口8的制冷剂经过换热后从冷端换热器的出口14流出半导体低温补偿经济器4，然后经过第二节流装置5节流降压，变成低温低压状态后进入蒸发器6吸收低温热源的热量，然后再通过进气口进入压缩机1进行压缩。
如图2所示，半导体低温补偿经济器4内部包括经济器9和半导体低温补偿器10两部分，经济器9和半导体低温补偿器10串联连接。半导体低温补偿器10包括半导体制冷器组件11、热端换热器12、冷端换热器15三部分，其中半导体制冷器组件11由两片或多片半导体制冷器组成，形成统一的吸热表面和散热表面，热端换热器12与半导体制冷器组件11的散热表面贴合，冷端换热器15与半导体制冷器组件11的吸热表面贴合。
半导体低温补偿器10带有自动控制系统，当蒸发器6所使用的热源温度较高时，半导体低温补偿器10不工作，半导体低温补偿经济器4起到了传统经济器的作用，整个系统工作状态与传统补气增焓式热泵系统相同。随着热源温度的降低，系统的制热量和工作效率均出现下降，当蒸发器6所使用的热源温度低于自动控制系统预设的启动温度时，半导体低温补偿器10开始工作，半导体制冷器组件11通电，向热端换热器12提供热量，同时向冷端换热器15提供冷量。此时，从冷凝器2中流出的制冷剂会分成两条支路，流向第一支路的制冷剂首先经过第一节流装置3节流降压，变成低温状态，通过经济器第一入口进入半导体低温补偿经济器4，在经济器9内为另外一部分制冷剂降温，然后进入热端换热器12吸收来自半导体制冷器组件11热端产生的热量，经过两次吸热后被吸入压缩机1的补气口。流向第二支路的制冷剂通过经济器第二入口进入半导体低温补偿经济器4，首先在经济器9内被冷却，然后进入冷端换热器12被来自半导体制冷器组件11冷端产生的冷量再次冷却，经过两次冷却的制冷剂流向第二节流装置，在节流时可以达到更低的温度。进而进入蒸发器6后可以吸收更多热量。在蒸发器6内吸热后的制冷剂被吸入压缩机1的吸气口，在进行一定的压缩后会与来自补气口的另一部分制冷剂混合，一起被压缩到高温高压状态，然后进入冷凝器2，为冷凝器2的换热介质提供热量。
半导体低温补偿器10的自动控制系统可以根据热源温度和工作需求自动或手动调节半导体制冷器组件11的输入、输出功率。
所述蒸发器6可采用气-液换热器的形式，形成的系统即为低温空气源热泵系统；所述蒸发器6也可采用液-液换热器的形式，形成的系统即为低温水源热泵系统。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有半导体低温补偿经济器的热泵系统，其特征是，由压缩机、冷凝器、蒸发器、半导体低温补偿经济器、第一节流装置和第二节流装置组成；
所述半导体低温补偿经济器由经济器和半导体低温补偿器组成，半导体低温补偿器由热端换热器、冷端换热器和半导体制冷器组件组成，所述半导体制冷器组件为至少两片半导体制冷器构成，所述热端换热器与所述半导体制冷器组件的散热端贴合，所述冷端换热器与所述半导体制冷器组件的制冷端贴合；经济器第一出口连接热端换热器入口，经济器第二出口连接冷端换热器入口；
压缩机的排气口连接冷凝器入口，冷凝器出口的制冷剂管路分成第一支路与第二支路，第一支路连接第一节流装置的入口，第一节流装置的出口连接经济器第一入口，第二支路连接经济器第二入口，冷端换热器的出口连接第二节流装置的入口，第二节流装置的出口连接蒸发器的入口，蒸发器出口连接压缩机吸气口，热端换热器的出口连接压缩机的补气口。
2.如权利要求1所述的热泵系统，其特征是，半导体制冷器组件连接控制装置，控制装置控制半导体制冷器组件的输入功率和输出功率。
3.如权利要求1所述的热泵系统，其特征是，所述蒸发器为气-液换热器或液-液换热器。
4.一种权利要求1～3任一所述的热泵系统在供热领域中的应用。
5.一种低温工况下制热的方法，其特征是，提供权利要求1～3任一所述的热泵系统，冷凝器排查的制冷剂被制冷剂管路分成两路，第一支路内的制冷剂经过所述第一节流装置节流降温后首先进入经济器，在经济器内与所述第二支路内的制冷剂换热；吸热后进入所述半导体低温补偿器的热端换热器，热端换热器的制冷剂再次吸收热量后进入压缩机的补气口，第二支路内的制冷剂进入所述经济器散热降温后，进入所述半导体低温补偿器的冷端换热器再次降温，冷端换热器再次降温后制冷剂经过第二节流装置节流、降温降压后进入蒸发器吸热，然后经过压缩机压缩，最后进入冷凝器进行散热制热。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是，蒸发器吸热的方式为气-液换热或液-液换热。
7.如权利要求5所述的方法，其特征是，采用温度不高于-10℃的空气或温度不高于5℃的水作为蒸发器的热源。
8.一种热泵供暖设备，其特征是，包括权利要求1～3任一所述的热泵系统和末端供暖装置，末端供暖装置设置在冷凝器上，末端供暖装置将冷凝器中制冷剂散出的热量以热风或热水的形式进行输送。
9.如权利要求8所述的热泵供暖设备，其特征是，所述末端供暖装置为风扇或供热水管。
10.如权利要求8所述的热泵供暖设备，其特征是，所述热泵供暖设备为热泵空调或热泵热水器。
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