CN113915800B - 一种高温双源热泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温双源热泵装置，包括压缩机，所述压缩机具有一个高压排气口、一个低压吸气口和一个中压吸气口，所述高压排气口与冷凝器的制冷剂管道进口连接；冷凝器，所述冷凝器具有一根制冷剂管道和一个水管道，所述回热器具有高压制冷剂管道和低压制冷剂管道，回热器的高压制冷剂管道的进口与冷凝器的制冷剂管道出口连接，用于将高压饱和液态制冷剂降温为高压过冷液态制冷剂。热水储水罐，所述热水储水罐的进水口与冷凝器的水管道出口连接，用于接收被加热后的高温热水。本装置通过采用热回收式蒸发器和空气冷却式蒸发器的梯级吸热协同梯级压缩的循环方式，解决了现有技术中在高压比条件下压缩机容积效率过低和排气温度过高两大问题。

Description

一种高温双源热泵装置

技术领域

本发明属于制取开水的技术领域，具体涉及一种高温双源热泵开水器装置。

背景技术

近年来，随着国民生活水平的不断提高，高温热水装置在学校、医院、机场、车站、办公建筑等公共场所的需求日益增多。高温电热水器和锅炉凭借自身安装便捷和操作简单的优势得到了广泛应用，然而其自身制热效率较低，消耗等量电能获取的高温热水量较少。相比燃气锅炉和高电温热水器而言，热高温泵热水器具备结构简单、制热效率高的优势，对节能减排具有重要意义。

高温热泵热水器作为第四代高温热水器凭借其较高的制热效率得到了迅速的发展，作为目前最先进、能效比最高的高温热水制热技术之一，其主要由压缩机、冷凝器、节流部件和蒸发器构成。低温低压的制冷剂湿蒸汽在空气冷却式蒸发器内与外界环境进行热交换，吸热蒸发为低温低压饱和制冷剂蒸汽，然后进入压缩机内被绝热压缩为高温高压过热蒸汽，过热蒸汽在冷凝器内与冷水进行热交换，将热量通过冷凝器传递给冷水，实现制取高温热水的目的。

传统高温热泵热水器一般利用单级压缩热泵循环实现，一般认为压缩机的排气温度不超过70℃，随着压缩机排气温度升高，压缩比大幅度提高，吸气密度将降低，同时机组工作效率降低。当压缩机的压缩比大至一定数值，将造成压缩机停机运行，因此，压缩机的压缩比不能过高。传统热泵高温热水装置的高温热水供热温度一般为50～60℃，如需提供100℃高温热水，一般需要电加热辅助的方式制取高温热水，但高品位电能的消耗将显著增加。

现有技术中公开了一种高温热泵热水器，包括压缩机、节流部件、蒸发器和冷凝器构成，其特点在于通过改变蒸发器处空气流向和流速来增强蒸发换热量,从而提高制热性能，并减小机组体积，但是这种热泵系统没有解决压缩机的压缩比过大和高能耗问题。

鉴上，如何使传统热泵高温热水器在高温制热工况下，有效降低压缩比和系统能耗，成了业内关注的并且期待解决的技术问题，下面将要介绍的技术方案便是在这样的背景下产生的。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题，提供一种高温双源热泵装置，本装置通过采用热回收式蒸发器和空气冷却式蒸发器的梯级吸热梯级压缩循环方式，解决了现有技术中在高压比条件下压缩机容积效率过低和排气温度过高两大问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高温双源热泵装置，包括压缩机，所述压缩机具有一个高压排气口、一个低压吸气口和一个中压吸气口，所述高压排气口与冷凝器的制冷剂管道进口连接；冷凝器，所述冷凝器具有一根制冷剂管道和一根水管道，所述水管道内用于通过低温水，所述制冷剂管道内用于通过高压气态制冷剂，高压气态制冷剂进入冷凝器后，与水管道内通过的低温水进行换热，从而放热冷凝为高压饱和液态制冷剂，所述水管道内的低温水被加热为高温热水；回热器，所述回热器具有高压制冷剂管道和低压制冷剂管道，回热器的高压制冷剂管道的进口与冷凝器的制冷剂管道出口连接，用于将高压饱和液态制冷剂降温为高压过冷液态制冷剂；热水储水罐，所述热水储水罐的进水口与冷凝器的水管道出口连接，用于接收被加热后的高温热水。

作为优选方案，所述回热器的高压制冷剂管道出口通过第一节流部件与蒸发器Ⅰ的进口连接，蒸发器Ⅰ的出口与气液分离器的进液口连接，所述蒸发器Ⅰ设置在热水储水罐中，用于对热水储水罐内的高温水进行降温至30-50℃的中低温水。

作为优选方案，所述气液分离器还具有一个排气口和一个排液口，所述气液分离器的排气口通过工质调节阀与所述压缩机的中压吸气口连接，所述气液分离器的排液口通过第二节流部件与蒸发器Ⅱ的进口连接。

作为优选方案，所述蒸发器Ⅱ的出口与回热器的低压制冷剂管道的进口连接，低压制冷剂管道的出口与压缩机的低压进气口连接。

作为优选方案，所述冷凝器水管道的进口与净化水储水箱连通，净化水储水箱的进口侧设置有过滤器。

作为优选方案，所述高温双源热泵装置的工作介质为R245fa、R1234yf、R1234ze、R152a、R236fa、R600a、R600、R227ea、R236ea或R245ca一种或两种混合物所组成制冷剂。

作为优选方案，所述第一节流部件和第二节流部件为热力膨胀阀、毛细管阀或电子膨胀阀的任意一种或两种。

作为优选方案，所述热水储水罐内分隔为两个独立空间，其中，一侧为用于储存高温水的高温储水部，另一侧为用于制备并储存中低温水的中低温储水部。

作为优选方案，所述冷凝器的水管道出口分为两个管道，一者作为所述高温储水部的供水管道，另一者作为中低温储水部的供水管道，所述中低温储水部的供水管道上设置有水量调节阀。

有益效果

其一、本发明通过改进，由高温热泵加热系统和热水系统两大部分组成，采用热回收式蒸发器和空气冷却式蒸发器的梯级吸热压缩循环方式，解决了传统高温热泵在高压比条件下压缩机容积效率过低和排气温度过高两大问题，通过设置热回收式蒸发器，不但有效降低压缩机能耗，提高制热效率，达到节省高品位电能的目的，而且生产不同温度高温热水满足了生产或生活中对各种温度高温热水的需求，该装置具有结构简单、控制方便、运行可靠和节能环保特点，应用前景广阔。

其二、本发明，采用储水箱由隔板分隔为高温储水部和中低温储水部，其中经过冷凝器加热后的100℃高温热水，分别进入储水箱隔板两侧的储水部内，从而制取出高温水和中低温水供用户不同的需求进行使用。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高温双源热泵装置结构图；

图中标记：1、压缩机，2、冷凝器，3、回热器，4、热水储水罐，5、第一节流部件，6、蒸发器Ⅰ，7、气液分离器，9、工质调节阀，10、第二节流部件，11、蒸发器Ⅱ，12、净化水储水箱，13、过滤器，14、水量调节阀，15、放水阀Ⅰ，16、放水阀Ⅱ。

具体实施方式

以下通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。

需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。

如图所示，本发明提供一种高温双源热泵装置，包括高温热泵加热系统和热水系统两大部分组件，其中高温热泵加热系统通过与来自净化水储水箱12的低温自来水进行热交换，从而实现高温热泵加热系统与热水系统的热量传递过程，其利用两源蒸发器的梯级压缩高温热泵技术，能够有效解决传统高温热水制取能耗偏大的问题。

以下对高温热泵加热系统进行分析：高温热泵加热系统包括压缩机1、冷凝器2、回热器3、第一节流部件5、蒸发器Ⅰ6、气液分离器7、工质调节阀9、第二节流部件10和蒸发器Ⅱ11，其中蒸发器Ⅰ6为水冷式蒸发器，蒸发器Ⅱ11为空气冷却式蒸发器。第一节流部件5和第二节流部件10为热力膨胀阀、毛细管阀或电子膨胀阀的任意一种或者两种，压缩机1具有一个高压排气口、一个低压吸气口和一个中压吸气口，其中，压缩机1的高压排气口与冷凝器2的制冷剂管道进口连接；冷凝器2的制冷剂通道的出口与回热器3的高压制冷剂管道进口连接，回热器3的高压制冷剂管道出口通过与第一节流部件5与蒸发器Ⅰ6的进口端相连，蒸发器Ⅰ6的出口与气液分离器7的进口相连，气液分离器7还具有一个排气口和一个排液口，气液分离器7的排气口通过工质调节阀9与压缩机1的中压吸气口连接，气液分离器7的排液口通过第二节流部件10与蒸发器Ⅱ11的进口连接。蒸发器Ⅱ11的出口与回热器3的低压制冷剂管道的进口连接，回热器3的低压制冷剂管道的出口与压缩机1的低压吸气口连接。

本方案中，冷凝器2和回热器3等换热器采用板式换热器、套管式换热器或管壳式管热器的一种。空气冷却式蒸发器等换热器为翅片式换热器。

本实施例中，压缩机1的高压排气口流出的饱和气态制冷剂进入冷凝器2与来自净化水储水箱12的低温自来水进行热交换，饱和气态制冷剂放热冷凝为饱和液态制冷剂，低温自来水吸热升温为100℃高温热水。饱和液态制冷剂进入回热器3的高压侧制冷剂通道，与回热器3的低压侧制冷剂通道的饱和气态制冷剂进行热交换，从而使得饱和液态制冷剂放热降温为高压过冷液态制冷剂，低压侧饱和气态制冷剂吸热升温为低压过热气态制冷剂。高压过冷液态制冷剂进入第一节流部件5被绝热节流为中间压力、中间温度下气液两相混合制冷剂。

以下对热水系统进行分析：热水系统包括过滤器13、净化水储水箱12、水量调节阀14和热水储水罐4，其中过滤器13设置在净化水储水箱12的进口管道上，净化水储水箱12的出口管道与冷凝器2的水管道相连，冷凝器2的水管道出口分为支路一和支路二，两个支路均与热水储水罐4内部连通，热水储水罐4的内部由隔板分隔为高温储水部和中低温储水部，蒸发器Ⅰ6置于中低温储水部内，用于对中低温储水部的100℃高温水进行降温为30-50℃中低温热水，热水储水罐4的隔板为隔热材质，热水储水罐4和隔板的保温层由一种及一种以上的保温材料组成，所述保温材料包括聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫、气凝胶毡和玻璃棉。可以避免两个储水部的热量传递，其中高温储水部与中低温储水部之间的隔板与热水储水罐4的顶部留有距离且上方可连通，净化水储水箱12的出口的支路一与高温储水部的顶部连通，用于向高温储水部内供应100℃高温热水，支路二与中低温储水部的顶部连通，用于向中低温储水部内供应100℃高温热水，其中在支路二上还设置有水量调节阀14，用于控制中低温储水部的进水量大小，在高温储水部的侧壁靠下位置设置有放水阀Ⅰ15，在中低温储水部的侧壁靠下位置设置有放水阀Ⅱ16。

热水系统的制取热水的工作原理如下：经过滤器13过滤净化后的自来水进入净化水储水箱12存储，然后进入冷凝器2与从压缩机1排出的高压过热气态制冷剂进行热交换，自来水吸热升温为100℃高温热水。100℃高温热水一部分经高温热水入口流入热水储水罐4的高温储水部内储存，经放水阀Ⅰ15排出为用户提供100℃高温热水；另一部分经高温热水入口流出后，经水量调节阀14进入中低温储水部，中低温储水部内的100℃高温热水与设置其内部的水冷式蒸发器中的中间压力的气液两相混合制冷剂进行热交换，100℃高温热水放热降温为30-50℃中低温热水，经放水阀Ⅱ16排出为用户提供30-50℃中低温热水，从而满足用户不同需求，同时避免了全部使用高温热水的不便以及热量的损失和浪费。

本实施例中，第一节流部件5出口的气液两相混合制冷剂进入设置于中低温储水部的蒸发器Ⅰ6中与100℃高温热水进行热交换，部分制冷剂液体将会吸热蒸发，100℃高温热水放热降温为30-50℃中低温高温热水，气液两相混合制冷剂进入气液分离器7进行气液分离，由气液分离器7的排气口排出的较高蒸发压力的饱和气态制冷剂经工质调节阀9进入压缩机1的中压吸气口，通过蒸发器Ⅰ在高蒸发温度下回收高温水热量实现压缩机1在高压缩比条件下工作，从而提升压缩机1容积效率和降低压缩机1排气温度；而分离出的饱和液态制冷剂由气液分离器7的排液口进入第二节流部件10被绝热节流为更低蒸发压力、更低蒸发温度下气液两相混合制冷剂；然后，再进入蒸发器Ⅱ11与外界环境进行热交换，气液两相混合制冷剂吸热蒸发为饱和气态制冷剂，然后进入回热器3的低压制冷剂通道，与回热器3高压制冷剂通道内的冷凝压力的饱和液态制冷剂进行热交换，低压饱和气态制冷剂吸热升温为过热气态制冷剂，然后进入压缩机1的低压吸气口；从压缩机1低压吸气口进入的低压过热气态制冷剂被压缩机1第一级压缩至中间压力的过热气态制冷剂，然后与从压缩机1中压吸气口进入的中间压力的饱和气态制冷剂进行混合，混合后的中间压力的过热气态制冷剂被压缩机1第二级压缩至冷凝压力的过热气态制冷剂，需要指出的是，该处制冷剂的中间压力大小介于其冷凝压力和蒸发压力之间。

本方案中，热水储水罐4内由隔板分隔为两个独立空间，其中，隔板一侧为用于储存高温水的高温储水部，隔板的另一侧为用于制备并储存中低温水的中低温储水部，隔板上方形成有缺口，以连通高温储水部和中低温储水部，也即当高温储水部的水满后，可以溢流进入中低温储水部，以供中低温储水部补水，相应的水量调节阀14可以自动调节，以控制中低温储水部内的水位，从而避免热水流失，造成热量的浪费。

本方案中，经过冷凝器2加热的高温热水分别进入两个独立的储水部后，其中高温储水部的热水可以满足用户对高温热水的需求，中低温储水部的高温热水需要进一步进行降温，以满足用户对中低温热水的需求，而为了充分保证热量的利用，避免热损失，当冷凝器2的制冷剂经过放热后，进一步经过回热器3进行放热，其热量对将要进入压缩机1低压进气口的气态制冷剂进行预热，以对能量进行回收利用，从而降低能耗，而经过回热器3放热后，饱和液态制冷剂将会放热降温为高压过冷液态制冷剂，从而又可以利用高压过冷液态制冷剂对高温水进行降温。从而制取30-50℃的中低温水。

本实施例中，高温热泵系统的工作介质为R245fa、R1234yf、R1234ze、R152a、R236fa、R600a、R600、R227ea、R236ea或R245ca一种或两种混合物所组成制冷剂；自来水加热系统的工作介质为水。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种高温双源热泵装置，其特征在于：包括

压缩机，所述压缩机具有一个高压排气口、一个低压吸气口和一个中压吸气口，所述高压排气口与冷凝器的制冷剂管道进口连接；

冷凝器，所述冷凝器具有一根制冷剂管道和一根水管道，所述水管道内用于通过低温水，所述制冷剂管道内用于通过高压气态制冷剂，高压气态制冷剂进入冷凝器后，与水管道内通过的低温水进行换热，从而放热冷凝为高压饱和液态制冷剂，所述水管道内的低温水被加热为高温热水，一部分经高温热水入口流入热水储水罐的高温储水部内储存；另一部分经高温热水入口流出后，经水量调节阀进入中低温储水部；

回热器，所述回热器具有高压制冷剂管道和低压制冷剂管道，回热器的高压制冷剂管道的进口与冷凝器的制冷剂管道出口连接，用于将高压饱和液态制冷剂降温为高压过冷液态制冷剂；

所述回热器的高压制冷剂管道出口通过第一节流部件与蒸发器Ⅰ的进口连接，高压过冷液态制冷剂进入第一节流部件被绝热节流为气液两相混合制冷剂，蒸发器Ⅰ的出口与气液分离器的进液口连接，所述蒸发器Ⅰ设置在热水储水罐中，用于对热水储水罐内的高温水进行降温至30-50℃的中低温水；

所述气液分离器还具有一个排气口和一个排液口，所述气液分离器的排气口通过工质调节阀与所述压缩机的中压吸气口连接，所述气液分离器的排液口通过第二节流部件与蒸发器Ⅱ的进口连接；饱和液态制冷剂由气液分离器的排液口进入第二节流部件被绝热节流为气液两相混合制冷剂；

所述蒸发器Ⅱ的出口与回热器的低压制冷剂管道的进口连接，低压制冷剂管道的出口与压缩机的低压进气口连接；

热水储水罐，所述热水储水罐的进水口与冷凝器的水管道出口连接，用于接收被加热后的高温热水，所述热水储水罐内分隔为两个独立空间，其中一侧为用于储存高温水的高温储水部，另一侧为用于制备并储存中低温水的中低温储水部。

2.如权利要求1所述的一种高温双源热泵装置，其特征在于：所述冷凝器水管道的进口与净化水储水箱连通，净化水储水箱的进口侧设置有过滤器。

3.如权利要求1所述的一种高温双源热泵装置，其特征在于：所述高温双源热泵装置的工作介质为R245fa、R1234yf、R1234ze、R152a、R236fa、R600a、R600、R227ea、R236ea或R245ca一种或两种混合物所组成制冷剂。

4.如权利要求1所述的一种高温双源热泵装置，其特征在于：所述第一节流部件和第二节流部件为热力膨胀阀、毛细管阀或电子膨胀阀的任意一种或两种。

5.如权利要求1所述的一种高温双源热泵装置，其特征在于：所述冷凝器的水管道出口分为两个管道，一者作为所述高温储水部的供水管道，另一者作为中低温储水部的供水管道，所述中低温储水部的供水管道上设置有水量调节阀。

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