CN109595847A - 一种用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于家用空气源热泵系统的新型相变储热除霜装置，安装在常规家用热泵系统内，有效提高除霜效率和室内舒适度。该装置包括相变储热器、制冷剂旁路、电磁三通阀、电磁三通阀、控制器。相变储热器包裹在压缩机外，吸收和储存压缩机散失的废热。除霜时，高温制冷剂进入室外换热器除霜，低温制冷剂进入相变储热器吸热。与家用空气源热泵系统普遍采用的四通换向阀除霜技术相比，本发明实现了系统用压缩机废热的回收利用，为系统除霜提供了充足的能量来源，克服了四通换向阀除霜技术时间长、能耗大、室内舒适度降低的缺陷，且具有结构紧凑、造价低廉、对原有热泵设备结构改动小等优点。

Description

一种用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置
技术领域
本发明属于人居环境技术领域，涉及家用通风冷暖设备的除霜，特别涉及一种用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置。
背景技术
空气源热泵具有冷热双制、占用空间小、节能、环保、方便等优点，但其结霜问题是影响热泵系统冬季正常制热的主要因素。因此，改善除霜性能是推进空气源热泵系统发展的必要条件。家用空气源热泵系统的传统除霜方式为四通换向阀除霜，即四通换向阀换向，室外机作为冷凝器，室内机作为蒸发器，且室内风机一般处于关闭状态，因此导致除霜能量来源不足，除霜时间长，除霜效率低，室内环境的舒适性降低等缺点。相变储热除霜技术相比于四通换向阀除霜具有以下优点：有效回收利用了压缩机的废热，为除霜过程提供了充足的能量，缩短了除霜时间，除霜过程中低温制冷剂不走室内机，不会降低室内舒适度。但由于储热器结构和储热材料性能需要进一步优化和提升，因此相变储热除霜技术鲜有应用。
发明内容
为了克服上述现有技术中家用空气源热泵系统传统除霜技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其结构紧凑、成本低廉、能有效改善除霜性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，安装在家用热泵系统内，有效提高除霜效率和室内舒适度，包括包裹在压缩机6外侧以吸收并储存其散失低品位废热的相变储热器1，所述相变储热器1的一个端口通过管路一和电磁三通阀一3连接室内换热器9的介质入口管路，另一个端口通过管路二和电磁三通阀二4连接室内换热器9的介质出口管路，所述管路一和管路二组成制冷剂旁路2，所述室内换热器9的介质入口和出口管路为制冷剂主管路，通过阀门控制连通所述制冷剂旁路2和制冷剂主管路，压缩机6的排气端连通室外换热器10，将热量传递给室外换热器10外表面的霜层实现除霜，完成热交换的制冷剂经制冷剂旁路2将相变储热器1存储的低品位热量带走，并返回压缩机6的吸气端，完成一次循环。
所述压缩机6的排气端连接四通换向阀7的a口，吸气端连接四通换向阀7的c口，四通换向阀7的b口连接室外换热器10的介质入口，d口连接电磁三通阀一3的一个端口，电磁三通阀一3的另两个端口分别连接室内换热器9的介质入口以及管路一的一端，室内换热器9的介质出口连接电磁三通阀二4的一个端口，电磁三通阀二4另两个端口分别连接室外换热器10的介质出口以及管路二的一端，管路一的另一端和管路二的另一端分别连接相变储热器1的两个端口。
所述电磁三通阀一3、电磁三通阀二4均与控制器5连接，在热泵系统运行模式设定为制冷或者制热时，控制器5控制电磁三通阀一3和电磁三通阀二4关闭制冷剂主管路与制冷剂旁路2之间的连通，在热泵系统运行模式设定为除霜时，控制器5控制电磁三通阀一3和电磁三通阀二4开启制冷剂主管路与制冷剂旁路2之间的连通。
连接所述室外换热器10的介质出口和电磁三通阀二4之间的管路上设置有电子膨胀阀8。
所述压缩机6、电子膨胀阀8均与控制器5连接，根据热泵系统设定模式控制压缩机启停和频率，电子膨胀阀8的开度，实现系统运行状态控制，进一步优化除霜效率。
所述相变储热器1结构为管壳式，内管为蛇形管，蛇形管呈独特的非均匀方式布置，材料与制冷剂旁路2一样，均为紫铜。
所述相变储热器1内填充的相变材料为十二醇-硬脂酸-棕榈酸三元混合物，其相变温度满足要求、潜热大、价格低廉、制备工艺简单。
所述的相变储热器1外壳形状充分利用热泵系统室外机内部空间，紧密包裹住压缩机。储热器1外壳与压缩机6外表面间填充高导热材料如导热硅胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)相变储热器、制冷剂旁路、电磁三通阀安装在常规家用空气源热泵系统内，形成新的制冷剂回路，将压缩机散失的废热回收再利用，为系统除霜提供充足的能量，大大缩短了除霜时间，降低了系统能耗。
(2)相变储热器结构紧凑，充分利用热泵系统室外机内的闲置空间，不额外增加热泵系统设备体积。
(3)相变储热器内部蛇形管采用特殊的非均匀布置方式，在靠近压缩机区域换热管布置密集，远离压缩机区域换热管布置稀疏，实现换热管长度与储热器放热性能最优化。
(4)相变储热器形状紧密包裹在压缩机周围，并在储热器与压缩机外表面间填充高效导热材料，能够有效增大换热面积，减小接触热阻。
(5)相变储热器中的储热材料为十二醇-硬脂酸-棕榈酸三元混合物，其相变温度满足要求、潜热大、单位体积储热量满足系统除霜对热量的需求，价格低廉、制备工艺简单，有利于提高热泵系统的整体性价比。
(6)该除霜装置对热泵系统管路改动小，附加部件少，易于安装和维护。
(7)该除霜装置的控制简单，可以和热泵系统的控制相集成。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的控制逻辑图。
图3是本发明相变储热器结构示意图
图4是本发明相变储热器安装示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种用于家用空气源热泵系统的新型相变储热除霜装置，安装在家用热泵系统内，有效提高除霜效率和室内舒适度，包括相变储热器1、制冷剂旁路2、电磁三通阀一3、电磁三通阀二4等。相变储热器1包裹在压缩机6的外侧，吸收和储存压缩机6散失的低品位废热。
压缩机6的排气端连接四通换向阀7的a口，吸气端连接四通换向阀7的c口，四通换向阀7的b口连接室外换热器10的介质入口，d口连接电磁三通阀一3的一个端口，电磁三通阀一3的另两个端口分别连接室内换热器9的介质入口以及管路一的一端，室内换热器9的介质出口连接电磁三通阀二4的一个端口，电磁三通阀二4另两个端口分别连接室外换热器10的介质出口以及管路二的一端，管路一的另一端和管路二的另一端分别连接相变储热器1的两个端口，连接室外换热器10的介质出口和电磁三通阀二4之间的管路上设置有电子膨胀阀8。管路一和管路二组成制冷剂旁路2，室内换热器9的介质入口和出口管路为制冷剂主管路。
如图1和图2所示，电磁三通阀一3、电磁三通阀二4、压缩机6、四通换向阀7、电子膨胀阀8均与控制器5连接，由控制器5控制。
当热泵系统运行模式设定为制冷时，控制电磁三通阀一3和电磁三通阀二4关闭制冷剂主管路与制冷剂旁路2的连通，四通换向阀7换向使得a通b，c通d，室内换热器9可实现制冷。
当热泵系统运行模式设定为制热时，电磁三通阀一3和电磁三通阀二4关闭制冷剂主管路与制冷剂旁路2的连通，四通换向阀7换向使得a通d，b通c，室内换热器9可实现制热。
当热泵系统运行模式设定为除霜时，电磁三通阀一3和电磁三通阀二4开启制冷剂主管路与制冷剂旁路2的连通，四通换向阀7换向使得a通b，c通d，压缩机6排出的高温制冷剂进入室外换热器，将热量传递给换热器外表面的霜层，起到除霜的作用。完成热交换的制冷剂依次经过节流阀、电磁三通阀二4、制冷剂旁路2后进入相变储热器1，将相变储热材料存储的低品位热量带走，最后返回压缩机6的吸气端，完成一次循环。
如图3和图4所示，相变储热器1内管为蛇形管，材料为紫铜，蛇形管呈特殊的非均匀方式布置。外壳形状充分利用热泵系统室外机内部空间，紧密包裹住压缩机6。相变储热器1的外壳与压缩机6的外表面间可填充导热硅胶。相变储热器1内填充的相变材料为十二醇-硬脂酸-棕榈酸三元混合物，其相变温度区间为22.3～34.6℃，相变潜热为182.8J/g、价格低廉、制备工艺简单。
将本发明实际应用于某型号家用空气源热泵系统，并进行样机除霜性能的实验测试，实验结果表明安装本发明后，热泵系统的除霜时间缩短三分之一，除霜能耗比有效降低。
本发明的工作过程为：当热泵系统在正常制热模式下运行时，相变储热器内的相变材料吸收并储存压缩机散失的废热。随着热泵系统的室外机换热器表面结霜程度达到设定临界值，系统开启除霜模式，控制器5开启电磁三通阀一3和电磁三通阀二4连通制冷剂主管路与制冷剂旁路2，调节四通阀使得a通b，c通d。压缩机排出的高温制冷剂进入室外换热器，将热量传递给换热器外表面的霜层，起到除霜的作用。完成热交换的制冷剂依次经过节流阀、电磁三通阀二4、制冷剂旁路2后进入相变储热器1，将相变储热材料存储的低品位热量带走，最后返回压缩机的吸气端，完成一次循环。当除霜结束后，系统重新恢复正常制热模式，控制阀5控制电磁三通阀一3和电磁三通阀二4关闭制冷剂主管路与制冷剂旁路2的连通，调节四通换向阀7使得a通d，b通c。
本发明与家用空气源热泵系统普遍采用的四通换向阀除霜技术相比，实现了系统用压缩机废热的回收利用，为系统除霜提供了充足的能量来源，克服了传统四通换向阀除霜技术时间长、能耗大、室内舒适度降低的缺陷，且具有结构紧凑、造价低廉、对原有热泵设备结构改动小等优点。因此，采用本发明具有显著的经济效益，可以推广应用到不同类型的热泵系统，具有良好的推广应用前景，产业化规模极其巨大。

Claims (10)

1.一种用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，安装在家用热泵系统内，其特征在于，包括包裹在压缩机(6)外侧以吸收并储存其散失低品位废热的相变储热器(1)，所述相变储热器(1)的一个端口通过管路一和电磁三通阀一(3)连接室内换热器(9)的介质入口管路，另一个端口通过管路二和电磁三通阀二(4)连接室内换热器(9)的介质出口管路，所述管路一和管路二组成制冷剂旁路(2)，所述室内换热器(9)的介质入口和出口管路为制冷剂主管路，通过阀门控制连通所述制冷剂旁路(2)和制冷剂主管路，压缩机(6)的排气端连通室外换热器(10)，将热量传递给室外换热器(10)外表面的霜层实现除霜，完成热交换的制冷剂经制冷剂旁路(2)将相变储热器(1)存储的低品位热量带走，并返回压缩机(6)的吸气端，完成一次循环。
2.根据权利要求1所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述压缩机(6)的排气端连接四通换向阀(7)的a口，吸气端连接四通换向阀(7)的c口，四通换向阀(7)的b口连接室外换热器(10)的介质入口，d口连接电磁三通阀一(3)的一个端口，电磁三通阀一(3)的另两个端口分别连接室内换热器(9)的介质入口以及管路一的一端，室内换热器(9)的介质出口连接电磁三通阀二(4)的一个端口，电磁三通阀二(4)另两个端口分别连接室外换热器(10)的介质出口以及管路二的一端，管路一的另一端和管路二的另一端分别连接相变储热器(1)的两个端口。
3.根据权利要求2所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述电磁三通阀一(3)、电磁三通阀二(4)均与控制器(5)连接，在热泵系统运行模式设定为制冷或者制热时，控制器(5)控制电磁三通阀一(3)和电磁三通阀二(4)关闭制冷剂主管路与制冷剂旁路(2)之间的连通，在热泵系统运行模式设定为除霜时，控制器(5)控制电磁三通阀一(3)和电磁三通阀二(4)开启制冷剂主管路与制冷剂旁路(2)之间的连通。
4.根据权利要求2所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，连接所述室外换热器(10)的介质出口和电磁三通阀二(4)之间的管路上设置有电子膨胀阀(8)。
5.根据权利要求4所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述压缩机(6)、电子膨胀阀(8)均与控制器(5)连接，根据热泵系统设定模式控制压缩机启停和频率，电子膨胀阀(8)的开度，实现系统运行状态控制。
6.根据权利要求1所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述相变储热器(1)结构为管壳式。
7.根据权利要求1所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述相变储热器(1)内填充的相变材料为十二醇-硬脂酸-棕榈酸三元混合物。
8.根据权利要求1所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述相变储热器(1)材料为紫铜，所述制冷剂旁路(2)材料为紫铜。
9.根据权利要求1所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述相变储热器(1)的内管为蛇形管，且采用非均匀布置方式。
10.根据权利要求1所述用于家用空气源热泵系统的相变储热除霜装置，其特征在于，所述相变储热器(1)与压缩机(6)外表面间填充导热硅胶。
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