CN109869942B - 一种扁管套管式热回收型热泵空调系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扁管套管式热回收型热泵空调系统及其工作方法，在室内机和室外机内设置结构相同的扁管套管式换热器，两个扁管套管式换热器均包括内管和外管，其中内管用于流通载冷剂，外管用于流通制冷剂；将两个扁管套管式换热器的内管相连通，外管相连通，这样载冷剂便可以在两个扁管套管式换热器之间流通，通过载冷剂在内管与外管之间的热交换，提高了换热效果；此外，通过两个扁管套管式换热器的换热工作，使得室内机的部分冷量或部分热量输送至室外机，使空调系统即使在极端恶劣的条件下仍可处于最佳工况下运行，从而提高空调系统运行效率，减少能源损失。

Description

一种扁管套管式热回收型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，具体涉及扁管套管式热回收型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；冬季，当室外空气温度过低或湿度过大时，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，甚至当室外空气温度达到极端条件，空调机组还会出现无法开机的情况；夏季，当室外空气温度过高时(通常高于40℃时)，冷凝器由于工作环境温度过高，散热效果会急剧降低，最终导致空调耗能且运行效果极差，由此可见，传统热泵空调系统无论冬夏，都受环境影响极大，且在极端条件下运行很不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种扁管套管式热回收型热泵空调系统及其工作方法，该空调系统在冬季及夏季的换热性能均优异，同时避免蒸发器结霜。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种扁管套管式热回收型热泵空调系统，包括：室内机和室外机；

所述室内机包括第一扁管套管式换热器和第一风机；所述室外机包括第二扁管套管式换热器、第二风机和压缩机；

所述第一扁管套管式换热器包括第一内管和第一外扁管，所述第一外扁管套设在第一内管的外部；所述第二扁管套管式换热器包括第二内管和第二外扁管，所述第二外扁管套设在所述第二内管的外部；其中，两个内管用于流通载冷剂，两个外管用于流通制冷剂；

所述第一内管的第一端口以及第二内管的第一端口分别连接水箱；第一内管的第二端口和第二内管的第二端口通过三通阀连接水箱，且第二内管的第二端口与所述三通阀之间设置有电动阀；

所述第一外扁管的第一端口和第二外扁管的第一端口通过四通换向阀连接所述压缩机；第一外扁管的第二端口通过膨胀节流阀连接第二外扁管的第二端口；

所述第一风机用于排出室内机中的空气，所述第二风机用于排出室外机中的空气。

进一步的，所述第一内管的第一端口与水箱之间设置有水泵。

进一步的，所述三通阀的第一开口与所述第一内管的第二端口相连，第二开口与第二内管的第二端口相连，第三开口与水箱相连；所述第一外扁管的第二端口与所述膨胀节流阀之间设置有电动阀。

进一步的，所述第一外扁管上设置有第一翅片；第二外扁管上设置有第二翅片；所述第一翅片和第二翅片均采用片状设置，且片状翅片在对应的外扁管上等间隔设置。

进一步的，所述四通换向阀的第一开口连接所述第一外扁管的第一端口，第二开口连接所述第二外扁管的第一端口，第三开口连接所述压缩机的第一端口，第四开口连接所述压缩机的第二端口。

进一步的，所述四通换向阀的第一开口与所述第一外扁管的第一端口之间还设置有电动阀。

进一步的，所述第一扁管套管式换热器和第二扁管套管式换热器中均设置有两个集液导流装置；两个集液导流装置间隔设置在对应的扁管套管式换热器的翅片的两侧，且两个集液导流装置与翅片平行设置。

一种扁管套管式热回收型热泵空调系统的工作方法，包括制冷剂的循环过程和载冷剂的循环过程；

当所述空调系统处于夏季工况时，所述制冷剂从第一外扁管的第一端口输出至第二外扁管的第一端口；在第二外扁管内循环后从第二外扁管的第二端口输出至所述第一外扁管的第二端口；所述载冷剂经由第一内管进入第二内管，并从第二内管的另一端口输出至水箱；所述载冷剂的循环过程包括载冷剂在第一内管中的热量释放过程和在第二内管中的热量吸收过程；

当所述空调系统处于冬季工况时，所述制冷剂从第一外扁管的第二端口输出至第二外扁管；经第二外扁管内循环后从所述第二外扁管的第一端口输出至第一外扁管；所述载冷剂的循环过程包括载冷剂在第一内管中的热量吸收过程和在第二内管中的热量释放过程。

进一步的，当所述空调系统处于夏季工况时，所述制冷剂的工作过程具体为：所述制冷剂吸收所述第一内管中的热量形成高温低压制冷剂蒸汽进入压缩机；压缩机做功后输出高温高压制冷剂蒸汽；所述高温高压制冷剂蒸汽在第二外扁管中流动，释放热量形成低温高压制冷剂液体；所述低温高压制冷剂液体经膨胀节流阀后输出低温低压制冷剂液体，所述低温低压制冷剂液体进入所述第一外扁管中，完成制冷剂在第一外扁管与第二外扁管间的循环；

当所述空调系统处于冬季工况时，所述制冷剂的工作过程具体为：所述制冷剂在第一外扁管中流动释放热量，形成低温高压制冷剂液体；所述低温高压制冷剂经膨胀节流阀后输出低温低压制冷剂液体至第二外扁管中；所述低温低压制冷剂液体在第二外扁管中吸收热量后形成高温低压制冷剂蒸汽；所述高温低压制冷剂蒸汽经四通换向阀进入压缩机；所述压缩机做功后输出高温高压制冷剂蒸汽；所述高温高压制冷剂进入所述第一外扁管中，完成制冷剂在第一外扁管与第二外扁管之间的循环；

进一步的，通过调节四通换向阀对空调系统进行夏季工况和冬季工况切换。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明一种扁管套管式热回收型热泵空调系统，通过在室内机和室外机内设置结构相同的第一扁管套管式换热器和第二扁管套管式换热器，两个扁管套管式换热器均包括内管和套设在内管外部的外管，其中内管用于流通载冷剂，外管用于流通制冷剂；将两个扁管套管式换热器的内管相连通，外管相连通，这样载冷剂便可以在两个扁管套管式换热器之间流通，通过载冷剂在内管与外管之间的热交换，提高了换热效果；在夏季工况时，第一扁管套管式换热器通过载冷剂将部分冷量输送至室外机，提高系统夏季的制冷能力；在冬季工况时，第一扁管套管式换热器通过载冷剂将部分热量输送至室外机，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；此外，通过所设置的第一扁管套管式换热器和第二扁管套管式换热器的换热工作，使得室内机的部分冷量或部分热量输送至室外机以调节室外机受外界环境影响的情况，使空调系统即使在极端恶劣的条件下仍可处于最佳工况下运行，从而提高空调系统运行效率，减少能源损失；所设置的水箱为第一扁管套管式换热器内的第一内管提供载冷剂；所设置的电动阀可以用来调节设备内工质的流向，以满足夏季制冷要求及冬季制热要求；所设置的换向阀用来调节本发明空调系统的工作模式。

进一步的，所设置的水泵将水箱中的载冷剂泵送至第一内管中，并接收从第二内管中流出的经过换热后的载冷剂，从而实现载冷剂在空调系统中的循环。

进一步的，在两个外管上设置翅片，可以增加换热器的面积从而强化换热效果。

进一步的，通过调节四通换向阀可以实现对空调系统的工作模式的切换和选择。

进一步的，所设置的集液导流装置用来对外扁管端口和内管的端口进行固定，保证了外扁管与内管能够稳定工作。

本发明一种扁管套管式热回收型热泵空调系统的工作方法，通过所设置的内管实现了载冷剂的流通循环，通过所设置的外管实现了制冷剂的流通循环，从而将室内机的内管中的热量或冷量送入到室外机的内管中，提高了换热效果，并且使得空调系统即使在极端恶劣的条件下仍可处于最佳工况下运行，从而提高空调系统运行效率，减少能源损失。

附图说明

图1为本发明实施例的冬季工作原理图；

图2为本发明实施例的夏季工作原理图；

图3为本发明实施例中新型扁管套管式换热器的大样图；

图4为本发明实施例中第一扁管套管式换热器在A-A方向的剖面图；

图5为本发明实施例中第一扁管套管式换热器在B-B方向的剖面图；

图6为本发明实施例的制冷循环lgp-h图；

图7为本发明实施例的制冷循环T-S图；

图8为本发明实施例的热泵循环lgp-h图；

图9为本发明实施例的热泵循环T-S图；

图中，1为第一风机、2为第一扁管套管式换热器、21为第一内管、22为第一集液导流装置、23为第一翅片、24为第二外扁管、3为水泵、4为储水箱、5为电动阀、6为第二扁管套管式换热器、61为第二内管、62为第二集液导流装置、63为第二翅片、64为第二外扁管、7为第二风机、8为压缩机、9为四通换向阀、10为膨胀节流阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明一种扁管套管式热回收型热泵空调系统包括室内机和室外机，室内机内设置有第一风机1、第一扁管套管式换热器2、水泵3、储水箱4、电动阀5；第一风机1用于将室内机中的空气抽出，从而形成使室内机内部形成负压，促进室内机中的冷气或热气与室内空气的流通；关于第一扁管套管式换热器2的结构参见图3和图4，第一扁管套管式换热器2包括第一内管21，第一外扁管24，第一外扁管24套设在第一内管21的外部，且第一外扁管24与第一内管21之间非接触，在第一外扁管24与第一内管21之间流通有制冷剂，在第一内管21中流通有载冷剂；第一外扁管24固定在第一翅片23上；在第一扁管套管式换热器2中还设置有第一集液导流装置22，第一导流装置22的数量为两个，两个第一导流装置分别设置在第一扁管套管式换热器2的上下两端，其中，上部的第一导流装置22设置在第一内管21的出口以及第一外扁管24的出口的下方位置，下部的另一个第一导流装置22设置在第一外扁管24的第一端口的上方，通过两个第二导流装置形成对第一内管21以及第一外扁管24出口的固定和支撑。

第一内管21的第一端口连通水箱4，且连通管路中设置有水泵3，第一内管21的第二端口通过三通阀与第二内管61的第二端口以及水箱4的另一端口相连，具体地，三通阀的第一开口连接第一内管21的第二端口，第二开口连接第二内管61的第二端口，第三开口连接水箱4的另一端口，且在三通阀的第二开口与第二内管61的第二端口之间的管路上设置电动阀5。

在本发明的优选实施例中，载冷剂为水；翅片焊接在对应的外扁管上；

室外机包括第二扁管套管式换热器6、第二风机7、压缩机8、四通换向阀9、膨胀节流阀10；第二扁管套管式换热器6与第一扁管套管式换热器2采用相同的结构设置；下面结合图1和图2来说明室内机与室外机的连接关系。

第一内管21的一个端口与第二内管61的一个端口连通，且连通管路中设置有电动阀5；第一内管21的另一个端口连通水箱4，且连通管路中设置有水泵3；第二内管61的另一端口与水箱4直接连通；

第一外扁管24的一个端口与第二外扁管64的一个端口相连通，且连通管道中设置有四通换向阀9和压缩机8，四通换向阀9与第一外扁管24之间还设置有一个电动阀5；第一外扁管24的另一个端口与第二外扁管64的另一个端口相连通，且连通管路中设置有膨胀节流阀10；

四通换向阀9的连接关系具体为：四通换向阀9的第一开口连接所述第一外扁管24的第一端口，第二开口连接所述第二外扁管64的第一端口，第三开口连接所述压缩机8的第一端口，第四开口连接所述压缩机8的第二端口，通过四通换向阀9来调节制冷剂在外扁管中的流向。

本发明中由于换热器为套管式换热器，因此不仅外管外翅片可增加换热器面积从而强化换热，同时由于内管21的存在，在内管21中流通载冷剂用于进一步强化换热，内外配合，相比于传统换热器，其换热效率大大提高。

本发明所述的扁管套管式热回收型热泵空调系统的工作方法包括以下步骤：

参考图2，当室内需要制冷时，打开水泵3、第一风机1和第二风机7，调节电动阀5，调节四通换向阀9至夏季模式，使得制冷剂流向为图中所示；所述制冷剂在室内机中第一扁管套管式换热器2的外扁管24与内管21之间流动，吸收室内空气中热量，使得室内空气冷却至设计温度，同时通过水泵3向第一扁管套管式换热器2的内管21中输送一定量载冷剂，在不影响室内空气冷却的情况下，进一步向所述制冷剂释放热量变为低温载冷剂并通过电动阀5流动至室外机中第二扁管套管式换热器6的内管中参与换热；所述制冷剂在第一扁管套管式换热器2中吸收热量，变为高温低压制冷剂蒸汽后，经四通换向阀9流至压缩机8，压缩机做功将其转换为高温高压制冷剂蒸汽后再输送至室外机中第二扁管套管式换热器6的外扁管24中，所述高温高压制冷剂蒸汽同时向室外空气及内管21内的低温载冷剂释放热量变为低温高压制冷剂液体，所述低温高压制冷剂液体流至膨胀节流阀10后再次变为低温低压制冷剂液体被输送回室内机中第一扁管套管式换热器2的外扁管24内参与换热，完成夏季循环；

参考图6为本发明实施例的制冷循环lgp-h图，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6中，t_k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，本发明的理论压缩功都有所节约。

参考图7为本发明实施例的制冷循环T-S图，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8功耗，因此本发明的COP应比传统水冷系统有所提升。

参考图1，当室内需要制冷时，打开水泵3、第一风机1和第二风机7，调节电动阀5，调节四通换向阀9至冬季热泵模式，使得制冷剂流向为图中所示；所述制冷剂在室内机中第一扁管套管式换热器2的外扁管24与内管21之间流动，向室内空气释放热量，使得室内空气升温至设计温度，同时通过水泵3向第一扁管套管式换热器2的内管21中输送一定量载冷剂，在不影响室内空气加热需求的情况下，进一步吸收所述制冷剂热量变为高温载冷剂并通过电动阀5流动至室外机中第二扁管套管式换热器6的内管中参与换热；所述制冷剂在第一扁管套管式换热器2中释放热量，变为低温高压制冷剂液体后，流至膨胀节流阀10后变为低温低压制冷剂液体被输送至室外机中第二扁管套管式换热器2的外扁管24内从室外空气及内管21内的高温载冷剂中吸收热量变为高温低压制冷剂蒸汽，经四通换向阀9流至压缩机8，压缩机做功将其转换为高温高压制冷剂蒸汽后再输送至室内机中第一扁管套管式换热器6的外扁管24中再次参与换热，完成冬季热泵循环。

参考图8为本发明实施例的热泵循环lgp-h图，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都有所节约。

参考图9为本发明实施例的热泵循环T-S图，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Δq_D的制冷量，同时节约了Δw_D的压缩机8功耗，因此本发明中所用空调系统COP应比传统热泵系统有所提升。

以上结合附图对本发明的实施方式进行了阐述，但本发明不局限于上述具体的实施方式，上述具体的实施方式仅仅是示意性的，指导性的，而非限制性的，在不脱离本发明精神和范围前提下，本发明会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于本发明要求保护范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种扁管套管式热回收型热泵空调系统，其特征在于，包括：室内机和室外机；

所述室内机包括第一扁管套管式换热器(2)和第一风机(1)；所述室外机包括第二扁管套管式换热器(6)、第二风机(7)和压缩机(8)；

所述第一扁管套管式换热器(2)包括第一内管(21)和第一外扁管(24)，所述第一外扁管(24)套设在第一内管(21)的外部；所述第二扁管套管式换热器(6)包括第二内管(61)和第二外扁管(64)，所述第二外扁管套设在所述第二内管(61)的外部；其中，两个内管用于流通载冷剂，两个外管用于流通制冷剂；

所述第一内管(21)的第一端口以及第二内管(61)的第一端口分别连接水箱(4)；第一内管(21)的第二端口和第二内管(61)的第二端口通过三通阀连接水箱(4)，且第二内管(61)的第二端口与所述三通阀之间设置有电动阀(5)；

所述第一外扁管(24)的第一端口和第二外扁管(64)的第一端口通过四通换向阀(9)连接所述压缩机(8)；第一外扁管(24)的第二端口通过膨胀节流阀(10)连接第二外扁管(64)的第二端口；

所述第一风机(1)用于排出室内机中的空气，所述第二风机(7)用于排出室外机中的空气；

所述第一内管(21)的第一端口与水箱(4)之间设置有水泵(3)；

所述三通阀的第一开口与所述第一内管(21)的第二端口相连，第二开口与第二内管(61)的第二端口相连，第三开口与水箱(4)相连；所述第一外扁管(24)的第二端口与所述膨胀节流阀(10)之间设置有电动阀；

所述第一外扁管(61)上设置有第一翅片(23)；第二外扁管(64)上设置有第二翅片(63)；所述第一翅片(23)和第二翅片(63)均采用片状设置，且片状翅片在对应的外扁管上等间隔设置；

所述四通换向阀(9)的第一开口连接所述第一外扁管(24)的第一端口，第二开口连接所述第二外扁管(64)的第一端口，第三开口连接所述压缩机(8)的第一端口，第四开口连接所述压缩机(8)的第二端口；

所述四通换向阀(9)的第一开口与所述第一外扁管(24)的第一端口之间还设置有电动阀；

所述第一扁管套管式换热器(2)和第二扁管套管式换热器(6)中均设置有两个集液导流装置；两个集液导流装置间隔设置在对应的扁管套管式换热器的翅片的两侧，且两个集液导流装置与翅片平行设置。

2.一种如权利要求1所述的一种扁管套管式热回收型热泵空调系统的工作方法，其特征在于，包括制冷剂的循环过程和载冷剂的循环过程；

当所述空调系统处于夏季工况时，所述制冷剂从第一外扁管(24)的第一端口输出至第二外扁管(64)的第一端口；在第二外扁管(64)内循环后从第二外扁管(64)的第二端口输出至所述第一外扁管(24)的第二端口；所述载冷剂经由第一内管(21)进入第二内管(61)，并从第二内管(61)的另一端口输出至水箱(4)；所述载冷剂的循环过程包括载冷剂在第一内管(21)中的热量释放过程和在第二内管(61)中的热量吸收过程；

当所述空调系统处于冬季工况时，所述制冷剂从第一外扁管(24)的第二端口输出至第二外扁管(64)；经第二外扁管(64)内循环后从所述第二外扁管(64)的第一端口输出至第一外扁管(24)；所述载冷剂的循环过程包括载冷剂在第一内管(21)中的热量吸收过程和在第二内管(61)中的热量释放过程。

3.如权利要求2所述的一种扁管套管式热回收型热泵空调系统的工作方法，其特征在于，

当所述空调系统处于夏季工况时，所述制冷剂的工作过程具体为：所述制冷剂吸收所述第一内管(21)中的热量形成高温低压制冷剂蒸汽进入压缩机(8)；压缩机(8)做功后输出高温高压制冷剂蒸汽；所述高温高压制冷剂蒸汽在第二外扁管(24)中流动，释放热量形成低温高压制冷剂液体；所述低温高压制冷剂液体经膨胀节流阀(10)后输出低温低压制冷剂液体，所述低温低压制冷剂液体进入所述第一外扁管(24)中，完成制冷剂在第一外扁管(24)与第二外扁管(64)间的循环；

当所述空调系统处于冬季工况时，所述制冷剂的工作过程具体为：所述制冷剂在第一外扁管(24)中流动释放热量，形成低温高压制冷剂液体；所述低温高压制冷剂经膨胀节流阀(10)后输出低温低压制冷剂液体至第二外扁管(64)中；所述低温低压制冷剂液体在第二外扁管(64)中吸收热量后形成高温低压制冷剂蒸汽；所述高温低压制冷剂蒸汽经四通换向阀(9)进入压缩机(8)；所述压缩机(8)做功后输出高温高压制冷剂蒸汽；所述高温高压制冷剂进入所述第一外扁管(24)中，完成制冷剂在第一外扁管(24)与第二外扁管(64)之间的循环。

4.如权利要求2所述的一种扁管套管式热回收型热泵空调系统的工作方法，其特征在于，通过调节四通换向阀(9)对空调系统进行夏季工况和冬季工况的切换。

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