CN113983570A - 一种基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统及方法，包括制冷剂侧流程和空气侧流程；制冷剂侧流程包括压缩机、第一除湿换热器、第二除湿换热器、表冷器、冷凝器、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、储液器、干燥过滤器、气液分离器、四通换向阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀；空气侧流程包括第一三通风阀、第二三通风阀、第三三通风阀、第四三通风阀、第一风机、第二风机、第一除湿换热器和第二除湿换热器、风道进口、风道出口。本发明能够使热湿负荷匹配良好，同时兼顾空气温湿度独立控制及特殊环境下空气取水的需求。

Description

一种基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统及方法
技术领域
本发明涉及固体除湿空调热泵技术领域，尤其涉及一种基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统及方法。
背景技术
经过对现有公开文献的检索发现，目前热泵空调系统难以兼顾温湿度独立控制及特殊环境下实现空气取水的需求。
传统热泵空调系统能耗高的一个主要原因在于采用冷凝除湿的方式对空气的潜热和显热进行同时处理。但是，固体干燥剂除湿热泵系统实现了对系统中显热负荷和潜热负荷分别处理，通过除湿换热器上的干燥剂对空气中的潜热负荷进行处理，通过压缩式制冷系统对空气中的显热负荷和干燥剂吸附除湿产生的吸附热进行处理，在固定蒸发温度和制冷系数的情况下，可以有效提高冷凝温度。基于除湿换热器的制冷剂冷却式除湿热泵系统实现了冷却降温和吸附除湿过程的优化。
在较低相对湿度空气条件下，被动吸附取水和低于露点的主动冷凝取水效率都较低。经过对现有技术的检索发现，目前的空气取水设备大都采用制冷结露原理和吸附剂吸湿原理。中国专利申请号201210149074.2和中国专利申请号为02137108.3的专利利用了上述的制冷结露原理，在空气湿度相对低时也能正常取水，并且可以连续性取水，提高了取水的效率。
但是，现有热泵空调技术或空气取水技术无法兼顾空气温湿度独立控制及特殊环境下空气取水的需求。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何使热湿负荷匹配良好，进而实现兼顾空气温湿度独立控制及特殊环境下空气取水的需求。
为实现以上目的，本发明提供了一种基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，包括制冷剂侧流程和空气侧流程；所述制冷剂侧流程包括压缩机(1)、第一除湿换热器(3)、第二除湿换热器(17)、表冷器(19)、冷凝器(9)、第一电子膨胀阀(15)、第二电子膨胀阀(16)、储液器(12)、干燥过滤器(13)、气液分离器(21)、四通换向阀(2)、第一单向阀(5)、第二单向阀(6)、第三单向阀(7)、第四单向阀(8)；
所述空气侧流程包括第一三通风阀(10)、第二三通风阀(11)、第三三通风阀(18)、第四三通风阀(20)、第一风机(4)、第二风机(14)、第一除湿换热器(3)和第二除湿换热器(17)、风道进口(22)、风道出口(23)。
进一步地，所述压缩机(1)的排气口与所述四通换向阀(2)的第一流道口相连；所述压缩机(1)的吸气口与所述气液分离器(21)的出口相连；
所述第一除湿换热器(3)制冷剂流道的进口与所述四通换向阀(3)的第二流道口相连；所述第一除湿换热器(3)制冷剂流道的出口与所述第二单向阀(6)的进口相连；
所述第二除湿换热器(17)的进口与所述第四单向阀(8)的出口相连；所述第二除湿换热器(17)的出口与所述四通换向阀(2)的第四流道口相连。
进一步地，所述第一电子膨胀阀(15)的进口与所述干燥过滤器(13)的出口相连；所述第二电子膨胀阀(16)的进口与所述干燥过滤器(13)的出口相连；所述第一电子膨胀阀(15)的出口与所述第四单向阀(8)的进口相连；所述第二电子膨胀阀(16)的出口与所述表冷器(19)的进口相连。
进一步地，所述冷凝器(9)的进口与所述第二单向阀(6)的出口相连；所述储液器(12)的进口与所述冷凝器(9)的出口相连；所述气液分离器(21)的进口与所述表冷器(19)的出口相连；所述气液分离器(21)的进口与所述四通换向阀(2)的第三流道口相连。
进一步地，所述第一三通风阀(10)的第一流道口与所述第二三通风阀(11)的第一流道口相连；所述第一三通风阀(10)的第一流道口与所述表冷器(19)的出口相连；所述第一三通风阀(10)的第二流道口与所述风道入口(22)相连；所述第一三通风阀(10)的第二流道口与所述第二三通风阀(11)的第二流道口相连；所述第一三通风阀(10)的第三流道口与所述第一风机(4)的入口相连；所述第二三通风阀(11)的第三流道口与所述第二风机(14)的入口相连。
进一步地，所述第三三通风阀(18)的第一流道口与所述第四三通风阀(20)的第一流道口相连；所述第三三通风阀(18)的第一流道口与所述表冷器(19)的进口相连；所述第三三通风阀(18)的第二流道口与所述风道出口(23)相连；所述第三三通风阀(18)的第二流道口与所述第四三通风阀(20)的第三流道口相连；所述第三三通风阀(18)的第三流道口与所述第二除湿换热器(17)的出口相连；所述第四三通风阀(20)的第二流道口与所述第一除湿换热器(3)的出口相连；所述风道入口(22)和所述风道出口(23)均与室内环境连通。
进一步地，所述第一除湿换热器(3)和所述第二除湿换热器(17)均为通过将固体吸附材料均匀涂覆至常规换热器空气侧外表面制得。
进一步地，所述固体吸附材料包括硅胶、沸石分子筛、活性炭。
一种基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统的运行方法，其特征在于，仅包括夏季制冷运行模式，所述夏季制冷运行模式包括第一路径和第二路径；在所述第一路径中：所述四通换向阀(2)的第一流道口与所述四通换向阀(2)的第二流道口相连；所述四通换向阀(2)的第三流道口与所述四通换向阀(2)的第四流道口相连；所述第二三通风阀(11)的第一流道口、所述第三三通风阀(18)的第一流道口、所述第一三通风阀(10)的第二流道口和所述第四三通风阀(20)的第三流道口均关闭；
在所述第二路径中：所述四通换向阀(2)的第一流道口与所述四通换向阀(2)的第四流道口相连；所述四通换向阀(2)的第二流道口与所述四通换向阀(2)的第三流道口相连；所述第一三通风阀(10)的第一流道口、所述第四三通风阀(20)的第一流道口、所述第二三通风阀(11)的第二流道口和所述第三三通风阀(18)的第二流道口均关闭。
进一步地，所述第一路径和所述第二路径间循环切换运行，保证送风的连续降温除湿、除湿换热器表面干燥剂的循环吸附和再生以及表冷器上的连续空气取水。
与传统装置(系统)和方法相比，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明通过在除湿换热器热泵系统中加入一个表冷器和一个冷凝器，通过两个电子膨胀阀对各负荷进行良好分配，可以有效提高系统匹配除空气负荷外其他热负荷的能力。
(2)本发明采用硅胶等具有良好吸湿性能与再生性能的固体吸附材料作为吸附剂，利用固体吸附材料的吸湿性能进行除湿，通过内冷的方式带走湿负荷与热负荷，大大提高了系统的蒸发温度，一方面，可以提高系统制冷系数，另一方面，可以在相同的压缩机功耗下提高冷凝温度，使得特殊环境下的冷凝器散热能力增强。
(3)本发明添加的表冷器，还可以与第二除湿换热器形成闭式循环，将第二除湿换热器解吸出的水蒸气冷凝出来，同时，可以在较低相对湿度下循环取水，在沙漠、高原等特殊环境下，该取水系统依然能够正常工作水，以及可以连续性取水。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例在夏季运行模式第一路径下的结构示意图；
图2为本发明的一个较佳实施例在夏季运行模式第二路径下的结构示意图。
其中，1-压缩机，2-四通换向阀，3-第一除湿换热器，4-第一风机，5-第一单向阀，6-第二单向阀，7-第三单向阀，8-第四单向阀，9-冷凝器，10-第一三通风阀，11-第二三通风阀，12-储液器，13-干燥过滤器，14-第二风机，15-第一电子膨胀阀，16-第二电子膨胀阀，17-第二除湿换热器，18-第三三通风阀，19-表冷器，20-第四三通风阀，21-气液分离器，22-风道进口，23-风道出口。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一个较佳实施例提供了一种基于除湿换热器的取水除湿一体式热泵系统，包括制冷剂侧流程和空气侧流程；制冷剂侧流程包括压缩机1、第一除湿换热器3和第二除湿换热器17、表冷器19和冷凝器9、第一电子膨胀阀15和第二电子膨胀阀16、储液器12、干燥过滤器13、气液分离器21、四通换向阀2、第一单向阀5、第二单向阀6、第三单向阀7、第四单向阀8。空气侧流程包括第一三通风阀10、第二三通风阀11、第三三通风阀18、第四三通风阀20、第一风机4、第二风机14、第一除湿换热器3和第二除湿换热器17。
制冷剂侧流程的连接方式为：
压缩机1的排气口与四通换向阀2的第一流道口相连；压缩机1的吸气口与气液分离器21的出口相连。
第一除湿换热器3制冷剂流道的进口与四通换向阀2的第二流道口相连；第一除湿换热器3制冷剂流道的出口与第二单向阀6的进口相连。
第二除湿换热器17的进口与第四单向阀8的出口相连，第二除湿换热器17出口与四通换向阀2的第四流道口相连。
第一电子膨胀阀15的进口和第二电子膨胀阀16的进口分别与干燥过滤器13的出口相连，第一电子膨胀阀15的出口与第四单向阀8的进口相连；第二电子膨胀阀16的出口与表冷器19的进口相连。
冷凝器9的进口与第二单向阀6的出口相连；储液器12的进口与冷凝器9的出口相连。气液分离器21的进口与表冷器19的出口相连，气液分离器21的进口与四通换向阀2的第三流道口相连。
空气侧流程的连接方式为：
第一三通风阀10的第一流道口与第二三通风阀11的第一流道口、表冷器19的出口相连，第一三通风阀10的第二流道口与风道入口22和第二三通风阀11的第二流道口相连，第一三通风阀10的第三流道口与第一风机4的入口相连。
第二三通风阀11的第三流道口与第二风机14的入口相连。
第三三通风阀18的第一流道口与第四三通风阀20的第一流道口、表冷器19的进口相连，第三三通风阀18的第二流道口与风道出口23和第四三通风阀20的第三流道口相连，第三三通风阀18的第三流道口与第二除湿换热器17的出口相连。
第四三通风阀20的第二流道口与第一除湿换热器3的出口相连。
风道入口22和风道出口23与室内环境相连通。
基于除湿换热器的取水和除湿一体化热泵系统中第一除湿换热器3和第二除湿换热器17均为通过将固体吸附材料均匀涂覆至常规换热器空气侧外表面制得。
基于除湿换热器的取水和除湿一体化热泵系统的除湿换热器涂覆固体吸附材料包括硅胶、沸石分子筛、活性炭。
基于除湿换热器的取水和除湿一体化热泵系统的运行方法仅包括夏季制冷运行模式，该运行模式下包含两种路径：
如图1所示，在夏季运行模式的第一路径中：四通换向阀2的第一流道口与第二流道口相连通；四通换向阀2的第三流道口与第四流道口相连通；第二三通风阀11的第一流道口、第三三通风阀18的第一流道口、第一三通风阀10的第二流道口和第四三通风阀20的第三流道口均关闭。
在该运行路径下，第一除湿换热器3充当制冷系统的蒸发器，对流经的空气进行降温，同时其外表面翅片上涂覆的吸附材料吸附流经空气中的水蒸气，对流经的空气进行除湿，直至吸附材料吸附饱和；经过降温除湿后干冷的空气由第二风机14送入被调环境中调节室内显热、潜热负荷。第二除湿换热器17充当制冷系统的冷凝器，对流经的空气进行加热，同时其外表面翅片上涂覆的吸附材料中的水蒸气脱附，对流经的空气进行加湿，直至吸附材料再生完全；经过加热加湿后热湿的空气由第一风机4排至表冷器19循环冷凝取水。
如图2所示，在夏季运行模式的第二路径中：四通换向阀2的第一流道口与第四流道口相连通；四通换向阀2的第二流道口与第三流道口相连通；第一三通风阀10的第一流道口、第四三通风阀20的第一流道口、第二三通风阀11的第二流道口和第三三通风阀18的第二流道口均关闭。
在该运行路径下，第二除湿换热器17充当制冷系统的蒸发器，对流经的空气进行降温，同时其外表面翅片上涂覆的吸附材料吸附流经空气中的水蒸气，对流经的空气进行除湿，直至吸附材料吸附饱和；经过降温除湿后干冷的空气由第二风机14送入被调环境中调节室内显热、潜热负荷。第一除湿换热器3充当制冷系统的冷凝器，对流经的空气进行加热，同时其外表面翅片上涂覆的吸附材料中的水蒸气脱附，对流经的空气进行加湿，直至吸附材料再生完全；经过加热加湿后热湿的空气由第一风机4排至表冷器19循环冷凝取水。
基于除湿换热器的取水和除湿一体化热泵系统的运行方法，空气取水及除湿热泵空调系统在夏季运行模式下的两种路径间循环切换运行，保证送风的连续降温除湿、表冷器上的连续空气取水以及除湿换热器表面干燥剂的循环吸附、再生。
该除湿换热器热泵空调系统根据空气湿度选择两种模式的切换时间，在同一个运行模式下的两种路径间循环切换运行，可以保证送风的连续降温除湿或加热加湿以及除湿换热器表面干燥剂的高效循环吸附、再生。
因此，本发明在常规除湿换热器热泵系统中加入的表冷器，还可以与第二除湿换热器形成闭式循环，将第二除湿换热器解吸出的水蒸气冷凝出来，同时，可以在较低相对湿度下循环取水，在沙漠、高原等特殊环境下该取水系统依然能够正常工作，以及可以连续性取水。同时，本发明通过在常规除湿换热器热泵系统中加入一个蒸发器和一个冷凝器，通过两个电子膨胀阀对各负荷进行良好分配，可以有效提高系统匹配除空气负荷外其他热负荷的能力。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，包括制冷剂侧流程和空气侧流程；
所述制冷剂侧流程包括压缩机(1)、第一除湿换热器(3)、第二除湿换热器(17)、表冷器(19)、冷凝器(9)、第一电子膨胀阀(15)、第二电子膨胀阀(16)、储液器(12)、干燥过滤器(13)、气液分离器(21)、四通换向阀(2)、第一单向阀(5)、第二单向阀(6)、第三单向阀(7)、第四单向阀(8)；
所述空气侧流程包括第一三通风阀(10)、第二三通风阀(11)、第三三通风阀(18)、第四三通风阀(20)、第一风机(4)、第二风机(14)、第一除湿换热器(3)和第二除湿换热器(17)、风道进口(22)、风道出口(23)。
2.如权利要求1所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，所述压缩机(1)的排气口与所述四通换向阀(2)的第一流道口相连；所述压缩机(1)的吸气口与所述气液分离器(21)的出口相连；
所述第一除湿换热器(3)制冷剂流道的进口与所述四通换向阀(3)的第二流道口相连；所述第一除湿换热器(3)制冷剂流道的出口与所述第二单向阀(6)的进口相连；
所述第二除湿换热器(17)的进口与所述第四单向阀(8)的出口相连；所述第二除湿换热器(17)的出口与所述四通换向阀(2)的第四流道口相连。
3.如权利要求1所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，所述第一电子膨胀阀(15)的进口与所述干燥过滤器(13)的出口相连；所述第二电子膨胀阀(16)的进口与所述干燥过滤器(13)的出口相连；所述第一电子膨胀阀(15)的出口与所述第四单向阀(8)的进口相连；所述第二电子膨胀阀(16)的出口与所述表冷器(19)的进口相连。
4.如权利要求1所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，所述冷凝器(9)的进口与所述第二单向阀(6)的出口相连；所述储液器(12)的进口与所述冷凝器(9)的出口相连；所述气液分离器(21)的进口与所述表冷器(19)的出口相连；所述气液分离器(21)的进口与所述四通换向阀(2)的第三流道口相连。
5.如权利要求1所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，所述第一三通风阀(10)的第一流道口与所述第二三通风阀(11)的第一流道口相连；所述第一三通风阀(10)的第一流道口与所述表冷器(19)的出口相连；所述第一三通风阀(10)的第二流道口与所述风道入口(22)相连；所述第一三通风阀(10)的第二流道口与所述第二三通风阀(11)的第二流道口相连；所述第一三通风阀(10)的第三流道口与所述第一风机(4)的入口相连；所述第二三通风阀(11)的第三流道口与所述第二风机(14)的入口相连。
6.如权利要求1所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，所述第三三通风阀(18)的第一流道口与所述第四三通风阀(20)的第一流道口相连；所述第三三通风阀(18)的第一流道口与所述表冷器(19)的进口相连；所述第三三通风阀(18)的第二流道口与所述风道出口(23)相连；所述第三三通风阀(18)的第二流道口与所述第四三通风阀(20)的第三流道口相连；所述第三三通风阀(18)的第三流道口与所述第二除湿换热器(17)的出口相连；所述第四三通风阀(20)的第二流道口与所述第一除湿换热器(3)的出口相连；所述风道入口(22)和所述风道出口(23)均与室内环境连通。
7.如权利要求1所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，所述第一除湿换热器(3)和所述第二除湿换热器(17)均为通过将固体吸附材料均匀涂覆至常规换热器空气侧外表面制得。
8.如权利要求7所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统，其特征在于，所述固体吸附材料包括硅胶、沸石分子筛、活性炭。
9.如权利要求1至8任一所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统的运行方法，其特征在于，仅包括夏季制冷运行模式，所述夏季制冷运行模式包括第一路径和第二路径；在所述第一路径中：所述四通换向阀(2)的第一流道口与所述四通换向阀(2)的第二流道口相连；所述四通换向阀(2)的第三流道口与所述四通换向阀(2)的第四流道口相连；所述第二三通风阀(11)的第一流道口、所述第三三通风阀(18)的第一流道口、所述第一三通风阀(10)的第二流道口和所述第四三通风阀(20)的第三流道口均关闭；
在所述第二路径中：所述四通换向阀(2)的第一流道口与所述四通换向阀(2)的第四流道口相连；所述四通换向阀(2)的第二流道口与所述四通换向阀(2)的第三流道口相连；所述第一三通风阀(10)的第一流道口、所述第四三通风阀(20)的第一流道口、所述第二三通风阀(11)的第二流道口和所述第三三通风阀(18)的第二流道口均关闭。
10.如权利要求9所述的基于除湿换热器的取水除湿一体化热泵系统的运行方法，其特征在于，所述第一路径和所述第二路径间循环切换运行，保证送风的连续降温除湿、除湿换热器表面干燥剂的循环吸附和再生以及表冷器上的连续空气取水。
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