CN111121343A - 溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，包括补气增焓制热循环和结冰除水循环；结冰除水循环包括溶液换热管路、储存液循环管路和溶液再生管路，其中，溶液换热管路包括第一蒸发器、换热塔、第二截止阀和第一泵；储存液循环管路包括稀溶液排放管路和浓溶液循环管路，稀溶液排放管路包括第二泵和第一储液罐，浓溶液循环管路包括第二储液罐和第一泵；溶液再生管路包括第一膨胀阀、除水器、第一储液罐和第三泵。本发明不仅降低了压缩机的排气温度，还可实现制热+结冰除水+去冰等三种运行模式，保证制热的连续运行以及溶液的再生效果，占地面积和投资成本较低，操作简单，节省了热能的消耗，提升了无霜空气源热泵系统的能效。

Description

溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵
技术领域
本发明属于热泵技术领域，具体涉及一种基于结冰除水进行溶液再生的溶液除水的无 霜空气源补气增焓热泵。
背景技术
随着热泵技术的逐渐成熟，无霜空气源热泵循环已经在我国华南以及西南等地区得到 较好的应用，尤其是在一些商业应用领域出现很多相关工程，但由于应用范围受到环境因 素的制约：当环境温度过低时，机组会出现制热量不足、性能系数下降、排气温度过高等 现象。因此，补气增焓技术应运而生。采用了补气增焓技术的无霜空气源热泵系统不仅降 低了压缩机的排气温度而且增大了热泵机组的制热量。
但是在这一技术的具体实施时，仍有一系列问题需要解决：如经济性的考量、补气节 流元件的匹配、浓溶液的再生等。其中浓溶液的再生这一问题处于“节能时代”倍受人们关注。无霜空气源补气增焓热泵循环在冬季制热运行时，由于冬季空气中含有一定的水份，防冻液循环与空气接触换热过程中，空气中的水份遇冷后不断地被溶解在防冻液之中稀释了防冻液，为了分离和清除防冻液中的水份，现有的技术是采用电加热、燃料锅炉加热或太阳能加热等多种形式的加热烘干方法，但是上述几种加热方式均导致系统运行能耗增大， 投资增加和运行成本增大的问题。
现有专利提出采用冻结再生方式来清除防冻液中的水分，再生效果较佳，但在再生的 过程中需要停止制热运行，或者需要采用独立的热泵机组为溶液再生提供冷量，以保证用 户侧机组的正常运行，两套机组不仅增加了占地面积和投资成本，还给系统的调节带来很 大不便，难以运用到实际场合。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种效率较高、能耗较小、节能效能 良好的溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，包括补气增焓制热循环和结冰除水循环；补气 增焓制热循环包括压缩机、冷凝器、第一截止阀、经济器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、第一蒸发器和第二蒸发器；结冰除水循环包括溶液换热管路、储存液循环管路和溶液再生管路，其中，溶液换热管路包括第一蒸发器、换热塔、第二截止阀和第一泵，换热塔内的溶 液经第二截止阀和第一泵送至第一蒸发器，在第一蒸发器内与制冷剂换热后返回至换热塔顶部；储存液循环管路包括稀溶液排放管路和浓溶液循环管路，稀溶液排放管路包括第二泵和第一储液罐，换热塔底部的稀溶液经第二泵排放至第一储液罐内；浓溶液循环管路包括第二储液罐和第一泵，第二储液罐内的浓溶液经第六截止阀和第一泵输送至第一蒸发器；
溶液再生管路包括第一膨胀阀、除水器、第一储液罐和第三泵，由第一膨胀阀流出的 部分制冷剂经第三截止阀流动至除水器的第二进口，除水器的第二出口连通至压缩机；第 一储液罐的稀溶液出口通过第七截止阀连通除水器的第一进口，除水器的第一出口连接第 三泵的进口；第三泵的出口分别经第四截止阀连通第一储液罐的浓溶液进口，经第五截止 阀连通第二储液罐的浓溶液进口。
作为本发明的优选方案之一，还包括去冰循环，去冰循环包括第八截止阀和除水器， 第八截止阀与第一截止阀并联，冷凝器的制冷剂出口经第八截止阀连通至除水器的第三进 口，除水器的第三出口连通至第一节流阀进口。
作为本发明的优选方案之一，包括普通制热模式、制热+结冰除水模式和制热+去冰模 式。
作为本发明的优选方案之一，所述制热+结冰除水模式下，当除水器第一出口的溶液未 达到要求时，该溶液经第三泵和第四截止阀输送至第一储液罐；当除水器第一出口的溶液 达到要求时，该溶液经第三泵和第五截止阀输送至第二储液罐，第二储液罐内的浓溶液经 第一泵输送至第一蒸发器。
作为本发明的优选方案之一，换热塔包括溶液槽和位于溶液槽上方的换热腔体，换热 塔顶部的溶液在换热腔体内与空气接触换热后，流动至溶液槽内。
作为本发明的优选方案之一，所述换热塔的顶部与第二蒸发器耦合，第二蒸发器的风 机设于换热塔内。
作为本发明的优选方案之一，除水器包括由上至下设置的结冰室、隔板和储液室，结 冰室内设有制冰盘和设于制冰盘背面的结冰换热管，溶液喷头设于制冰盘正面一侧，将溶 液喷射至制冰盘表面；溶液与结冰换热管中的制冷剂换热后，冰块附着于制冷盘表面，未 结冰的水和溶液经隔板上的孔进入储液室。
作为本发明的优选方案之一，制冰盘的背面还设有去冰换热管，结冰室的底部一侧设 有排冰口，冰块被去冰换热管中的制冷剂加热后，从制冰盘表面脱落并经排冰口排出。
作为本发明的优选方案之一，隔板朝所述排冰口倾斜向下。
作为本发明的优选方案之一，制冰盘的正面设有多个制冰凹槽。
本发明与现有技术相比，有益效果是：相比传统的无霜空气源补气增焓热泵，本发明 不仅降低了压缩机的排气温度，还可实现制热+结冰除水+去冰等三种运行模式，既可以保 证制热的连续运行以及溶液的再生效果，还可以利用制冷剂余热来维持除水器的除水效果， 占地面积和投资成本较低，操作简单，节省了热能的消耗，提升了无霜空气源热泵系统的 能效。
附图说明
图1是本发明所述热泵组成示意图；
图2是本发明所述热泵中除水器的结构示意图；
图3是本发明所述热泵在普通制热模式下的流程示意图；
图4-1是本发明所述热泵在制热+结冰去水模式下的阶段一示意图；
图4-2是本发明所述热泵在制热+结冰去水模式下的阶段二示意图；
图4-3是本发明所述热泵在制热+结冰去水模式下的阶段三示意图；
图5是本发明所述热泵在制热+去冰模式下的流程示意图。
图中，1-冷凝器，2-压缩机，3-第二蒸发器，4-第一蒸发器，5-第一膨胀阀，6-第二膨 胀阀，7-经济器，8-换热塔，9-第一泵，10-第二泵，11-第三泵，12-第一储液罐，13-第二储液罐，14-风机，15-除水器；21-第一截止阀，22-第二截止阀，23-第三截止阀；24-第四 截止阀，25-第五截止阀，26-第六截止阀，27-第七截止阀，28-第八截止阀；
a-除水器的第一进口，b-除水器的第一出口，c-除水器的第二进口，d-除水器的第二出 口，e-除水器的第三进口，f-除水器的第三出口；
A-排冰口，B-隔板，C-储液室，D-制冰盘，E-溶液喷头，F-换热管。
具体实施方式
以下将对本发明的技术方案作进一步解释说明。
如图1所示，本实施例所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，包括补气增焓制热 循环和结冰除水循环；补气增焓制热循环包括压缩机2、冷凝器1、第一截止阀21、经济器7、第一膨胀阀5、第二膨胀阀6、第一蒸发器4和第二蒸发器3；冷凝器1为用户侧提 供热量，第一蒸发器4吸收溶液的热量，第二蒸发器3与换热塔8内的空气换热，以避免 第二蒸发器3表面结霜。
结冰除水循环包括溶液换热管路、储存液循环管路和溶液再生管路，其中，溶液换热 管路包括第一蒸发器4、换热塔8、第二截止阀22和第一泵9，换热塔8内的溶液经第二 截止阀22和第一泵9送至第一蒸发器4，在第一蒸发器4内与制冷剂换热后返回至换热塔 8顶部；储存液循环管路包括稀溶液排放管路和浓溶液循环管路，稀溶液排放管路包括第 二泵10和第一储液罐12，换热塔8底部的稀溶液经第二泵10排放至第一储液罐12内； 浓溶液循环管路包括第二储液罐13和第一泵9，第二储液罐13内的浓溶液经第六截止阀 26和第一泵9输送至第一蒸发器4；溶液再生管路包括第一膨胀阀5、除水器15、第一储 液罐12和第三泵10，由第一膨胀阀5流出的部分制冷剂经第三截止阀23流动至除水器15 的第二进口c，除水器15的第二出口d连通至压缩机2；第一储液罐12的稀溶液出口通过 第七截止阀27连通除水器15的第一进口a，除水器15的第一出口b连接第三泵11的进口； 第三泵11的出口分别经第四截止阀24连通第一储液罐12的浓溶液进口，经第五截止阀 25连通第二储液罐13的浓溶液进口。
本实施例所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，采用补气增焓制热循环的部分冷 量对引入除水器中的部分溶液进行结冰除水，结合储液罐的储液循环，既可以保证制热循 环的连续运行，还可以提高再生效果，提高无霜空气源热泵的运行时效。
本实施例所述无霜空气源补气增焓热泵还包括去冰循环，去冰循环包括第八截止阀28 和除水器15，第八截止阀28与第一截止阀21并联，冷凝器1的制冷剂出口经第八截止阀 28连通至除水器15的第三进口e，除水器15的第三出口f连通至第一膨胀阀5入口。当 除水器运行一定时间后，结冰数量逐渐增多，为保证除水器的除水效果，采用补气增焓制 热循环的部分热量来加热除冰，加热较快，结构简单。
本实施例采用的换热塔8包括溶液槽和位于溶液槽上方的换热腔体，换热塔顶部的溶 液在换热腔体内与空气接触换热后，流动至溶液槽内。优选地，换热塔顶部的溶液经喷淋 装置喷淋后与空气进行直接接触，以增加接触面积，由于换热后的溶液温度低于空气的温 度，空气中的水分遇冷后不断被溶解在溶液内，使得溶液的浓度逐渐降低，因此当溶液槽 内的溶液循环一段时间后，必定要进行溶液再生，才能保持连续的制热效果。优选地，本 实施例所述换热塔8与第二蒸发器3耦合，第二蒸发器的风机14设于换热塔顶部内，由于空气中的水分不断被脱除，因此，第二蒸发器3与脱水的空气换热，可保证第二蒸发器3 的换热效果，避免第二蒸发器3的表面结霜。
如图2所示，本实施例采用的除水器15包括由上至下设置的结冰室、隔板B和储液室 C，结冰室内设有制冰盘D和紧贴于制冰盘背面的换热管F，换热管F包括并联设置的结冰换热管和去冰换热管，结冰换热管的两端分别为除水器的第二进口c和第二出口d，去冰换热管的两端分别连接除水器的第三进口e和第三出口f。
溶液喷头E设于制冰盘D的正面一侧，溶液喷头E的入口连接除水器的第一进口a,即溶液由a口进入结冰室内，经溶液喷头E喷射至制冰盘D的表面；溶液与结冰换热管中 的制冷剂换热后，冰块附着于制冷盘D表面的凹槽内，未结冰的水和溶液经隔板B上的孔 进入储液室C，储液室C的底部设有第一出口b，再生后的溶液经第一出口b流出至换热 塔8的溶液槽内。
本实施例在结冰室的底部一侧设一排冰口A，当除水器中的结冰量较大时，冰块被去 冰换热管中的制冷剂加热后，从制冰盘表面脱落并经排冰口A排出。排冰口A可人工或自动开启或关闭，以避免未结冰的溶液由该排冰口流出。同时，为了更好地将冰块排出，使 隔板B朝所述排冰口A倾斜向下，增加冰块排出的时效。
本发明所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵可实现三种运行模式，普通制热模式、 制热+结冰除水模式、制热+去冰模式，具体流程如下：
如图3所示，普通制热模式下，开启第一截止阀21、第一膨胀阀5和第二膨胀阀6、第二截止阀22和第一泵9。制冷剂经压缩机2排出后依次经冷凝器1、第一截止阀21、第 二膨胀阀6或经济器7、第一膨胀阀5、第一蒸发器4和第二蒸发器3后返回至压缩机2； 溶液经换热塔8的底部由第一泵9输送至第一蒸发器4内，换热后返回至换热塔8的顶部。 该模式下，冷凝器1为用户侧提供热量，第一蒸发器4内的制冷剂不断吸收溶液的热量， 以维持制热负荷。
如图4-1～图4-3所示，制热+结冰除水模式下，普通制热正常运行，循环一段时间后， 此时，从蒸发器第二出口流出的溶液浓度慢慢降低，该模式共经历三个阶段：
阶段一如图4-1所示，为第二储液罐内的储存液循环：开启第二泵10，换热塔8内的稀溶液进入第一储液罐12内，待换热塔8内的稀溶液将流尽时，开启第六截止阀26，关 闭第二截止阀22与第二泵10，第二储液罐13内的浓溶液经第六截止阀26和第一泵9进 入第一蒸发器4内与制冷剂进行换热并进入换热塔8，待第二储液罐13内的浓溶液流尽后， 关闭第六截止阀26，打开第二截止阀22，维持溶液的正常循环。
阶段二如图4-2所示，为溶液再生循环：打开第三截止阀23、第七截止阀27、第三泵11和第四截止阀24。第一储液罐12内的稀溶液经第七截止阀27进入除水器15内。从第 一膨胀阀5流出的部分制冷剂进入除水器15的第二进口，流入除水器15的溶液被溶液喷 头E喷到除水器中带有凹槽的制冰盘D上，由于流入除水器和蒸发器的制冷剂浓度存在差 异，所以被喷在制冰盘上的溶液中的水结冰，(而蒸发器中的溶液不结冰)，同时也可调 节第二膨胀阀6改变经过除水器18的制冷剂的温度和压力，使结冰过程更好地进行，而除 水器15中未结冰的水和防冻剂成为浓溶液，通过除水器中隔板B上的孔流入储液室C，顺 着除水器15的第一出口b流出，经第三泵11和第四截止阀24返回至第一储液罐12。溶 液如此循环，浓度逐渐上升，水分持续结成冰。
阶段三如图4-3所示，当除水器15第一出口b流出的溶液达到浓度要求时，关闭第四 截止阀24，打开第五截止阀25，该溶液经第三泵11和第五截止阀25进入第二储存罐11内，待第二储存罐11内充满浓溶液，开启第六截止阀26，使得浓溶液进入溶液循环管路 中。溶液浓度满足要求时，可关闭溶液再生循环管路和第六截止阀，维持正常制热模式下 的溶液循环即可。
如图5所示，制热+去冰模式下，普通制热正常运行，关闭第一截止阀21、第三截至阀23～第七截止阀27、第二泵10和第三泵11；打开第八截止阀28。从冷凝器1出来的热 制冷剂经第八截止阀28从除水器15的第三进口c流入，与除水器中的制冰盘进行换热， 制冷盘因被加热，其表面附着的冰块会脱落，脱落的冰块顺着排冰口A流出。
相比传统的无霜空气源补气增焓热泵，本发明不仅降低了压缩机的排气温度，还可实 现制热+结冰除水+去冰等三种运行模式，既可以保证制热的连续运行以及溶液的再生效果， 还可以利用制冷剂余热来维持除水器的除水效果，占地面积和投资成本较低，操作简单， 节省了热能的消耗，提升了无霜空气源热泵系统的能效。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实 施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在 具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，包括补气增焓制热循环和结冰除水循环；补气增焓制热循环包括压缩机、冷凝器、第一截止阀、经济器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、第一蒸发器和第二蒸发器；
结冰除水循环包括溶液换热管路、储存液循环管路和溶液再生管路，其中，
溶液换热管路包括第一蒸发器、换热塔、第二截止阀和第一泵，换热塔内的溶液经第二截止阀和第一泵送至第一蒸发器，在第一蒸发器内与制冷剂换热后返回至换热塔顶部；
储存液循环管路包括稀溶液排放管路和浓溶液循环管路，稀溶液排放管路包括第二泵和第一储液罐，换热塔底部的稀溶液经第二泵排放至第一储液罐内；浓溶液循环管路包括第二储液罐和第一泵，第二储液罐内的浓溶液经第六截止阀和第一泵输送至第一蒸发器；
溶液再生管路包括第一膨胀阀、除水器、第一储液罐和第三泵，由第一膨胀阀流出的部分制冷剂经第三截止阀流动至除水器的第二进口，除水器的第二出口连通至压缩机；第一储液罐的稀溶液出口通过第七截止阀连通除水器的第一进口，除水器的第一出口连接第三泵的进口；第三泵的出口分别经第四截止阀连通第一储液罐的浓溶液进口，经第五截止阀连通第二储液罐的浓溶液进口。
2.根据权利要求1所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，还包括去冰循环，去冰循环包括第八截止阀和除水器，第八截止阀与第一截止阀并联，冷凝器的制冷剂出口经第八截止阀连通至除水器的第三进口，除水器的第三出口连通至第一节流阀进口。
3.根据权利要求2所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，包括普通制热模式、制热+结冰除水模式和制热+去冰模式。
4.根据权利要求3所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，所述制热+结冰除水模式下，当除水器第一出口的溶液未达到要求时，该溶液经第三泵和第四截止阀输送至第一储液罐；当除水器第一出口的溶液达到要求时，该溶液经第三泵和第五截止阀输送至第二储液罐，第二储液罐内的浓溶液经第一泵输送至第一蒸发器。
5.根据权利要求4所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，换热塔包括溶液槽和位于溶液槽上方的换热腔体，换热塔顶部的溶液在换热腔体内与空气接触换热后，流动至溶液槽内。
6.根据权利要求5所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，所述换热塔的顶部与第二蒸发器耦合，第二蒸发器的风机设于换热塔内。
7.根据权利要求4所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，除水器包括由上至下设置的结冰室、隔板和储液室，结冰室内设有制冰盘和设于制冰盘背面的结冰换热管，溶液喷头设于制冰盘正面一侧，将溶液喷射至制冰盘表面；溶液与结冰换热管中的制冷剂换热后，冰块附着于制冷盘表面，未结冰的水和溶液经隔板上的孔进入储液室。
8.根据权利要求7所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，制冰盘的背面还设有去冰换热管，结冰室的底部一侧设有排冰口，冰块被去冰换热管中的制冷剂加热后，从制冰盘表面脱落并经排冰口排出。
9.根据权利要求8所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，隔板朝所述排冰口倾斜向下。
10.根据权利要求9所述溶液除水的无霜空气源补气增焓热泵，其特征在于，制冰盘的正面设有多个制冰凹槽。
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