CN112082269A - 一种直热空气能热水器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直热空气能热水器，包括压缩机、储水箱、膨胀阀、冷凝管、蒸发器和风机，通过冷凝管对待加热水进行加热，所述的冷凝管包括外管和内管，构成冷凝管的壳程和管程，待加热水走壳程，冷媒走管程，构成逆流换热；所述的内管包括相互连接的宽径管和窄径管，宽径管中的冷媒先与壳程中的待加热水换热，之后进入窄径管液化为气体，通过相变放热加热壳程中的待加热水；待加热水由冷水入水口进入冷凝管的壳程，单次加热后由热水入口流入储水箱储存。与现有技术相比，本发明采用了两段式换热结构增加了高温冷媒热能对流释放区，延长了中低温冷媒热能液化释放区的长度，大大提高了换热效率；准确了除霜的效率，达到了最有效的除霜效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种热水器，尤其是涉及一种直热空气能热水器。
背景技术
热泵热水器主要是由压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等组成。接通电源后，轴流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的热能被不断“泵”送到水中，使保温水箱里的水温逐渐升高，最后达到55℃左右，供人们洗浴。
现在市场上所有热泵设备，制热时节流阀前温度平均为50℃左右，若以自来水年平均15℃计算，该技术设备比现有市售设备，换热效果差了35℃，也就是说现有设备在生产热水时，系统中还有相当多的冷媒汽体没有液化，冷媒中还有35℃的热量没有通过液化释放热量，就直接进入了节流阀，造成了极大得浪费。并且现有技术中采用的循环式加热，热量利用率低，在环境温度20℃时，实测得现有热泵热水器，COP仅3.0左右。
现有热泵热水器单一结构的循环加热方式，热泵压缩机长期工作在水箱水温45～55℃之间，系统回气温度也在45～55℃之间，压缩机的排气温度和排气压力就非常高，压缩机长期工作在排气压力、排气温度超过它的额定上限,高温会造成压缩机电机线圈绝缘阻值下降，加速老化，冷冻机油变稀，降低润滑效果，加速运动部件磨损，周而复始，还会造成机油结碳；压缩机寿命必然缩短，维修频率增高从而相对增加了用户使用成本。
现有热泵热水器单一结构的循环加热方式，无论环境温度高低，都要除霜，对系统是否需要除霜及进入除霜时间点，难以准确判断，普遍存在无霜，误除霜，有霜不除霜，除霜不彻底，除霜时间长，影响热水温度等许多缺点：冷媒管内置储水箱中的换热方式，或冷凝管外置，由水泵循环的换热方式，随着热水温度逐渐升高，热泵压缩机的排气温度和排气压力，也会随之升高，当排气温度和排气压力达到上限时，风机就不得不停止运转，否则就会损坏压缩机，风机停止运转的结果是，热泵生产热水的能效比和风扇运转时相比，又下降三分之二以上，蒸发器由于风机停止运转，从环境中吸热非常少，很快蒸发器就结满霜层，热泵控制系统就不得不除霜，周而复始造成大量能源浪费。
冬天能效比下降到平均能效比的60％，现在市场上售卖的家用热泵热水器，功率为1P约800W的居多，可以计算出它的实际加热功率仅800×3.0×60％＝1440(W)，就算它超负荷工作也和普通的电热水器功率1500W相当，而热泵长时间工作要面临除霜的问题，除霜会损失热能，延长加热时间，由此可见现有市售热泵在冬天，加热速度远不如电热水器快。
因此如何高效的实现加热和合理的优化除霜方式和除霜开始时间是当前空气能热水器需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种直热空气能热水器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种直热空气能热水器，包括压缩机、储水箱、膨胀阀、冷凝管、蒸发器和风机，通过冷凝管对待加热水进行加热，以此构成热泵热水器，所述的冷凝管包括外管和内管，构成冷凝管的壳程和管程，待加热水走壳程，冷媒走管程，构成逆流换热；
所述的内管包括相互连接的宽径管和窄径管，宽径管中的冷媒先与壳程中的待加热水换热，之后进入窄径管液化为气体，通过相变放热加热壳程中的待加热水；
冷凝管的壳程一端设有冷水入水口，另一端连接于储水箱的热水入口，待加热水由冷水入水口进入冷凝管的壳程，单次加热后由热水入口流入储水箱储存。
进一步地，所述的冷凝管在盘绕于储水箱外围。
进一步地，所述的宽径管的内径为窄径管的3～8倍。
进一步地，所述的入水口处设有冷水进水电磁阀，所述的热水入口处设有第一温度传感器，所述的储水箱中设有水位水温传感器；
所述的直热空气能热水器还包括控制器，所述的控制器与第一温度传感器、冷水进水电磁阀和水位水温传感器电连接；
当第一温度传感器检测到的温度低于设定的目标温度时，冷水进水电磁阀开度减小或关闭；
当第一温度传感器检测到的温度达到设定的目标温度时，冷水进水电磁阀开度增加或全开；
当水位水温传感器获得的液位值低于设定阈值时，冷水进水电磁阀开度增大或全开；
当水位水温传感器获得的液位值高于设定阈值时，冷水进水电磁阀开度减小或关闭。
进一步地，所述的储水箱底部设有热水出口，热水出口与冷水入水口间连接有循环流路；
进一步地，直热空气能热水器还具有保温功能，当水位水温传感器27获得的储水箱内水温值低于设定阈值时，水泵开启，保温电磁阀打开，冷水进水电磁阀关闭，储水箱中的水进入冷凝管的壳程，进行加热，直到水温达到设定阈值，停止加热，进入正常的工作程序。
当进水电磁阀闭合、开启时间间隔超出设定阈值的次数达到设定的值时，进水电磁阀闭合，储水箱中的水通过循环流路进入冷凝管的壳程，反复循环，完成除霜。
进一步地，所述的循环流路包括依次串联的水泵、单向阀、压力罐和保温电磁阀；
所述的保温电磁阀与冷水入水口连通，所述的保温电磁阀与控制器电连接；
所述的水泵上设有水泵开关；
当进水电磁阀闭合、开启时间间隔超出设定阈值的次数达到设定的值时，水泵开启，保温电磁阀打开；
当水泵开关获得的压力值超过设定阈值时，水泵开关关闭，水泵停止运行。
进一步地，所述的控制器包括依次电连接的输入接口、ARM处理器和输出接口；
所述的输入接口用于接收电信号并将电信号转变为数字信号，所述的ARM处理器用于处理数字信号并发出指令信号，所述的输出接口用于将指令信号转换为电信号。
进一步地，所述的宽径管为金属光滑管或金属螺纹管。
进一步地，所述的宽径管或窄径管可由多根金属管并联而成。
进一步地，所述的压缩机和蒸发器间还设有汽液分离器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明中的冷凝管中采用了两段式换热结构，进行一次性的直热加热，而摒弃了现有技术中的循环加热，同时利用了逆流形式的热传导换热和相变热，即两段式换热结构增加了高温冷媒热能对流释放区，延长了中低温冷媒热能液化释放区的长度，大大提高了换热效率。现在市售热泵热水器，生产55℃热水，要超出热泵额定功率30％以上，本发明技术生产55℃热水，所用功率只占热泵额定功率的80％左右，并可使任何使用本技术方案的热水器在额定功率下直接把自来水加热到75℃以下的任何设定温度，并且使得设备能效比COP达到5.0。
2)增加了用于除霜的循环流路，通过水电磁阀闭合、开启时间间隔是否超出设定阈值的次数作为除霜的切入时间，进一步准确了除霜的效率，达到了最有效的除霜效果，解决了冬季热泵除霜难题，储水箱和现有市售热泵热水器的水箱比较，其水箱体积至少可缩小至少一半。
3)热泵压缩机全年大部分时间可工作在额定功率的工况之下，这样能极大延长热泵压缩机的使用寿命；长期生产低温热水，冷凝管管壁不易结水垢，又能使冷凝管保持长期高效的换热效果，相对减少用户的购买和使用成本。
附图说明
图1为本发明中直热空气能热水器的结构示意图；
图2为本发明中冷凝管的结构示意图。
图中：1、冷媒输入管道，2、热水入口，3、宽径管，4、外管，5、窄径管，8、冷水入水口，9、冷媒出口管，10、膨胀阀，11、风机，12、蒸发器，14、压缩机，15、四通阀，16、冷水进水电磁阀，18、保温电磁阀，19、第一温度传感器，20、水泵压力开关，21、水泵，22、单向阀，23、压力罐，24、冷凝管，25、储水箱，27、水位水温传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种直热空气能热水器，包括压缩机14、储水箱25、膨胀阀10、冷凝管24、蒸发器12和风机11，通过冷凝管24对待加热水进行加热，以此构成热泵热水器，
本实施例中的冷凝管24包括：外管4和内管，构成冷凝管24的壳程和管程，待加热水走壳程，冷媒走管程，构成逆流换热；所述的内管包括相互连接的宽径管3和窄径管5，宽径管3中的冷媒先与壳程中的待加热水换热，之后进入窄径管5液化为气体，通过相变放热加热壳程中的待加热水；冷凝管24的壳程一端设有冷水入水口8，另一端连接于储水箱25的热水入口2，待加热水由冷水入水口8进入冷凝管24的壳程，单次加热后由热水入口2流入储水箱25储存。因为采用两段式换热的原因，本发明技术生产55℃热水，所用功率只占热泵额定功率的80％左右，并可使任何使用本技术方案的热水器在额定功率下直接把自来水加热到75℃以下的任何设定温度，并且使得设备能效比COP达到5.0。
具体实施时，冷凝管24在盘绕于储水箱25外围。所述的宽径管3的内径为窄径管5的3～8倍。入水口8处设有冷水进水电磁阀16，所述的热水入口2处设有第一温度传感器19，所述的储水箱25中设有水位水温传感器27；所述的宽径管3为金属光滑管或金属螺纹管，宽径管3或窄径管5可由多根金属管并联而成，压缩机14和蒸发器12间还设有汽液分离器13。
冷媒由冷凝管24的管程流出后进入冷媒出口管9，之后经过膨胀阀10进行节流膨胀，之后经过蒸发器12，通过风机11的鼓风从外界空气吸取热量，之后进入四通阀15并流入压缩机14，通过压缩机14压缩为高温高压气体，并经过气液分离器13进行气液分离，之后高温高压气体再次通过四通阀15进入冷媒输入管道1，最终流入冷凝管24，构成冷媒的循环。
设备的加热控制及除霜控制：直热空气能热水器还具有保温功能，当水位水温传感器27获得的储水箱内水温值低于设定阈值时，水泵21开启，保温电磁阀18打开，冷水进水电磁阀16关闭，储水箱25中的水进入冷凝管的壳程，进行加热，直到设定阈值，停止加热。
直热空气能热水器还包括控制器，所述的控制器与第一温度传感器19、冷水进水电磁阀16和水位水温传感器27电连接；进一步地，所述的储水箱25底部设有热水出口，热水出口与冷水入水口8间连接有循环流路。循环流路包括依次串联的水泵21、单向阀22、压力罐23和保温电磁阀18，保温电磁阀18与冷水入水口8连通；进一步地，所述的控制器包括依次电连接的输入接口、ARM处理器和输出接口；所述的输入接口用于接收电信号并将电信号转变为数字信号，所述的ARM处理器用于处理数字信号并发出指令信号，所述的输出接口用于将指令信号转换为电信号。
加热控制：
当第一温度传感器19检测到的温度低于设定的目标温度时，冷水进水电磁阀16开度减小或关闭；当第一温度传感器19检测到的温度达到设定的目标温度时，冷水进水电磁阀16开度增加或全开；当水位水温传感器27获得的液位值低于设定阈值时，冷水进水电磁阀16开度增大或全开；当水位水温传感器27获得的液位值高于设定阈值时，冷水进水电磁阀16开度减小或关闭。具体使用时通过水泵压力开关20实现热水的输出，同时开启水泵21进行增压。
保温控制：直热空气能热水器还具有保温功能，当水位水温传感器27获得的储水箱内水温值低于设定阈值时，水泵开启，保温电磁阀打开，冷水进水电磁阀关闭，储水箱中的水进入冷凝管的壳程，进行加热，直到水温达到设定阈值，停止加热，进入正常的工作程序。
除霜控制：
当进水电磁阀16闭合、开启时间间隔超出设定阈值的次数达到设定的值时，进水电磁阀16闭合，储水箱25中的水通过循环流路进入冷凝管24的壳程，反复循环，完成除霜。具体除霜判断时，当进水电磁阀16闭合、开启时间间隔超出设定阈值的次数达到设定的值时，控制器控制水泵21开启，保温电磁阀18打开；当水泵21上的水泵开关获得的压力值超过设定阈值时，水泵开关关闭，水泵21停止运行。
实际使用时，环境温度超过20℃后，可以在55℃以下生产热水，其能效比将更高，低温热水相对于高温热水，单位时间内储水箱保温消耗的热能也非常少，甚至可以忽略不计；当环境温度超过30℃时，生产40℃以下的低温热水，该技术设备的能效比最高可达15，100升的储水箱，热泵只需工作几分钟就能做满一箱低温热水，由此该技术设备全年平均能效比是非常高的；单位时间内生产低温热水的速度是生产高温热水的数倍，而耗电量几乎只有生产等量热值高温热水的一半，如果全年都在贴近洗浴温度生产热水，其平均能效比COP可达到6.0，而且低温热水保温耗电也非常少，值得推广。
设备储水箱的用水量是现有设备的2.2倍：在环境较低的冬天，设定水箱中水温为70℃，自来水温度为10℃，洗浴温度为40，正好放出1升70℃的热水，加1升冷水，混合成2升40℃的洗浴用水；100升储水箱，能用出200升洗浴用水；现有市售产品热水温度为55℃，需要放出2升热水正好加1升冷水，100升的储水箱，热水使用率为60％，只能放出60升55℃热水，也就是可以混成90升40℃洗浴用水；200÷90≈222％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直热空气能热水器，包括压缩机(14)、储水箱(25)、膨胀阀(10)、冷凝管(24)、蒸发器(12)和风机(11)，通过冷凝管(24)对待加热水进行加热，以此构成热泵热水器，其特征在于，所述的冷凝管(24)包括外管(4)和内管，构成冷凝管(24)的壳程和管程，待加热水走壳程，冷媒走管程，构成逆流换热；
所述的内管包括相互连接的宽径管(3)和窄径管(5)，宽径管(3)中的冷媒先与壳程中的待加热水换热，之后进入窄径管(5)液化为气体，通过相变放热加热壳程中的待加热水；
冷凝管(24)的壳程一端设有冷水入水口(8)，另一端连接于储水箱(25)的热水入口(2)，待加热水由冷水入水口(8)进入冷凝管(24)的壳程，单次加热后由热水入口(2)流入储水箱(25)储存。
2.根据权利要求1所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的冷凝管(24)在盘绕于储水箱(25)外围。
3.根据权利要求1所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的宽径管(3)的内径为窄径管(5)的3～8倍。
4.根据权利要求1所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的入水口(8)处设有冷水进水电磁阀(16)，所述的热水入口(2)处设有第一温度传感器(19)，所述的储水箱(25)中设有水位水温传感器；
所述的直热空气能热水器还包括控制器，所述的控制器与第一温度传感器(19)、冷水进水电磁阀(16)和水位水温传感器电连接；
当第一温度传感器(19)检测到的温度低于设定的目标温度时，冷水进水电磁阀(16)开度减小或关闭；
当第一温度传感器(19)检测到的温度达到设定的目标温度时，冷水进水电磁阀(16)开度增加或全开；
当水位水温传感器获得的液位值低于设定阈值时，冷水进水电磁阀(16)开度增大或全开；
当水位水温传感器获得的液位值高于设定阈值时，冷水进水电磁阀(16)开度减小或关闭。
5.根据权利要求4所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的储水箱(25)底部设有热水出口，热水出口与冷水入水口(8)间连接有循环流路；
当进水电磁阀(16)闭合、开启时间间隔超出设定阈值的次数达到设定的值时，进水电磁阀(16)闭合，储水箱(25)中的水通过循环流路进入冷凝管(24)的壳程，反复循环，完成除霜。
6.根据权利要求5所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的循环流路包括依次串联的水泵(21)、单向阀(22)、压力罐(23)和保温电磁阀(18)；
所述的保温电磁阀(18)与冷水入水口(8)连通，保温电磁阀(18)与控制器连接；
所述的水泵(21)上设有水泵开关；
当进水电磁阀(16)闭合、开启时间间隔超出设定阈值的次数达到设定的值时，水泵(21)开启，保温电磁阀(18)打开；
当水泵开关获得的压力值超过设定阈值时，水泵(21)停止运行。
7.根据权利要求6所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的控制器包括依次电连接的输入接口、ARM处理器和输出接口；
所述的输入接口用于接收电信号并将电信号转变为数字信号，所述的ARM处理器用于处理数字信号并发出指令信号，所述的输出接口用于将指令信号转换为电信号。
8.根据权利要求3所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的宽径管(3)为金属光滑管或金属螺纹管。
9.根据权利要求3所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的宽径管(3)或窄径管(5)可由多根金属管并联而成。
10.根据权利要求1所述的一种直热空气能热水器，其特征在于，所述的压缩机(14)和蒸发器(12)间还设有汽液分离器(13)。
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- 2019-06-12 CN CN201910505976.7A patent/CN112082269B/zh active Active
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