CN115031440B - 一种浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置 - Google Patents

Abstract

一种浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，包括水汽能提纯平台、第一换热器、第二换热器、压缩机和主机节流装置，所述水汽能提纯平台内注入换热溶液，第一换热器浸泡在换热溶液内，水汽能提纯平台内设有热量传递机构，热量传递机构将水汽能提纯平台上部空气中的热量传递至换热溶液后，再与第一换热器进行热交换。本发明通过将空调机系统中的第一换热器浸泡到可与空气进行换热的水汽能提纯平台空间内的托液盘溶液里，同时还可以采用了热量传递机构来吸收空气中水汽能，形成主机与空气换热的塔体装置一体化结构，在制冷与制热两种不同的工况下，第一换热器可分别起到冷凝器或蒸发器的作用，从而实现冬季采暖、夏季制冷空调目的。

Description

一种浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置

技术领域

本发明涉及热工流体机械，特别是涉及一种浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置。

背景技术

碳达峰碳中和任务极其艰巨，这是关乎人类命运和人类社会可持续发展的重大问题，然而，建筑能耗大户居然已经超过社会总能耗的46.7%了，而采暖能耗已经间接占到整个社会总能耗的20%以上了，这必将是节能减排最关键一环，若要提纲挈领地减碳，建筑能耗必将是首当其冲的，它是碳中和必不可少的最为重要的关键一环，如何转型传统采暖为新能源体系呢，并完全替代传统的以化石矿物能源的各式锅炉采暖，或以能量转换方式的电热采暖转变为以能量转移的热泵方式，大力倡导以能量转移方式的热泵新技术采暖将会节约大量的能源，是可以大幅降低二氧化碳温室气体排放的，大力推广水汽能热泵用以采暖是一个很好技术研究方向，同时还可以实现高效制冷空调。

大力开展热泵新技术研究，使热泵采暖变得经济实惠，不管在什么环境下都能够显现其强有力的使用价值。目前地源热泵与水源热泵都会受到地理条件及相关设备成本过高极大的限制，而空气能热泵受困于化霜难题及极寒天气采暖温度不到位，它们很难在高纬度地域得到普及应用与推广。为此，科技工作者经过多年不懈努力发明了热源塔热泵，虽然解决了化霜的难题，却囿于其防冻液冰点温度上移出现冻管的困惑，冻管会造成换热器设备被毁坏，从而造成巨大的经济损失，同样也存在极寒天气情况下采暖温度不够的情况，还有防冻液流失污染水土等诸多不利的因素制约。当前多联机组及模块机组制热工况下于冬季湿度相对较大时往往会陷入化霜的陷阱之中，会出现较长的工作时间用于化霜，而制热时间就会相对缩短许多，从而陷入恶性循环的化霜陷阱中，却难以返回以制热工况为主的正常运行，导致了采暖温度不够的窘境，使得用户体验极为不爽。

除了异常天气外，一般情况下空气中水汽含量是0.003%~4%之间，若在环境温度40℃情况下，相对湿度为100%时，其水汽质量会占空气质量比例可达3.94%左右。若环境温度还高其占比还会更大些。虽然水汽占比空气质量一般情况下很难超过4%，但其蕴含低温热量却能够占整个空气能的差不多99%以上。下面我们可以通过计算，看几个不同温度和不同相对湿度情况所含潜热与空气显热各占比情况，从而分析出水汽能占整个空气能比例有多少：因为空气的密度ρ=1.29Kg/m³，空气的比热容c=1.003J/(kg•K)。那么，根据热量公式Q=cm△t可得，一立方空气温升一度需要的热量Q就是：

Q=1.003J/(kg•K)×1.29Kg/m³×1m³1K=1.29387J。

因为：1卡=1千卡=4.18千焦（kJ）。

所以1.29387J=0.3095卡≈0.00031大卡。一立方空气温升一度需要0.0003大卡热量，那么升高10℃就需要0.003大卡热量，反之降低10℃就不是释放0.003大卡热量了，因为空气中含有水汽，在降温过程中空气中会有部分水汽凝结并散发出潜热来，空气升温就不存在水汽被凝结的情况了，所以经常计算升温与降温幅度相等情况下其释放热量和吸收热量会有很大区别。然而，每立方空气中水汽含量又是多少呢，可以通过相对湿度与绝对含湿量对照表查到不同温度情况下、在不同相对湿度下其绝对含湿量是多少。在温度20℃降至10℃时，假若相对湿度均为饱和水汽，那么20℃含湿量为17.27g/㎥，10℃的含湿量为9.36g/㎥，则每立方空气就会凝结出水=17.27-9.36=7.91g水，这部分水释放出潜热=7.91×0.001×537=4.247大卡热量，相比空气显热每立方只有0.0003大卡降温10度的显热1415倍释放量还要多，这个水汽能潜热比例明显比空气显热强许多。但是环境温度越低每立方空气水汽绝对含湿量就越少，且降温幅度越小释放水汽潜热也就越少。我们再来看空气中零度情况下饱和水汽每立方含量仅仅只有4.85g了，若只是降低5℃，那么释放潜热=（4.8-3.4）×587×0.001=0.8218大卡，相比空气显热仍然存在548倍的优势，这都是在饱和水汽情况下计算出来的结果。假若比较干燥的北方其相对湿度只有30%的情况下，把空气温度从-10℃降至-15℃能够获得水汽潜热吗，从相对湿度与绝对含湿量对照表查到30%的相对湿度在-10℃和-15℃情况下其绝对含湿量分别是0.7g/㎥和0.5g/㎥，而相对湿度30%时-10℃水汽露点温度为-22℃，显然，温度降幅须超过12℃以上才会有水汽潜热释放出来，当然温度降幅太大机组效率相应降低许多，这是需要进行利弊权衡的。像四川盆地年平均相对湿度为70～80％，北京全年平均62%，在冬季基本上需要降温5℃~8℃以上便会有水汽潜热释放出来。那么按照北方冬季空气相对湿度60%计算，若从-10℃空气中获取水汽潜热须要把空气降至-15℃以下才会有凝结水的潜热获得，因此在北方冬季需要降温10℃才会有较多的水汽潜热，我们计算一下相对湿度60%每立方空气从-10℃降至-20℃的潜热，首先我们查到-10℃相对湿度60%的绝对含湿量是1.4g/㎥，而-20℃饱和水汽的绝对含湿量是0.9g/㎥，那么（1.4－0.9）×0.001×593=0.2965大卡，这比空气降温10℃显热的0.003大卡还要高出98倍以上。显然，空气释放出来的显热还不到同等体积空气中相对湿度60%的水汽所释放的潜热2%不到。这充分说明了空气源热泵差不多都是以获取水汽潜热能为主，其空气显热完全是可以忽略不计的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种旨在最大化利用空气中的水汽能的一种浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，包括水汽能提纯平台、第一换热器、第二换热器、压缩机和主机节流装置，所述水汽能提纯平台内注入换热溶液，所述第一换热器浸泡在换热溶液内，所述水汽能提纯平台内设有热量传递机构，所述热量传递机构将水汽能提纯平台的塔体空间中的热量传递至换热溶液后，再与第一换热器进行热交换。

进一步，所述热量传递机构包括喷淋管道和喷淋循环泵，所述喷淋循环泵的一端与水汽能提纯平台的底部连接，所述喷淋循环泵的另一端与喷淋管道连接，所述喷淋管道上设有若干个喷淋头。

进一步，所述热量传递机构为热管，所述热管的一端暴露于水汽能提纯平台的上部空间，所述热管的另一端插入换热溶液中。

进一步，所述第一换热器、第二换热器连接的管道上设有冷媒切换阀，所述冷媒切换阀用于对第一换热器进行蒸发与冷凝的相互转换和用于对第二换热器进行蒸发与冷凝的相互转换。

进一步，所述冷媒切换阀采用电动四通阀切换，或采用多个电动角阀串、并联构成。

进一步，所述第一换热器为一个整体换热器，或为多个串联的换热器组合，或为多个并联的换热器组合，或为串并联混和的换热器组合。

进一步，所述水汽能提纯平台的顶部设有轴流风扇，所述水汽能提纯平台的两侧设有空气进入口。

进一步，所述第一换热器的翅片设置方向与换热溶液的流动方向一致。

进一步，所述第一换热器的翅片设置方向与换热溶液的滴入方向一致。

进一步，所述水汽能提纯平台的上部空间设有填料支架，并在填料支架上装满散热填料用以降膜换热。

进一步，所述水汽能提纯平台的底部设有隔音板，所述水汽能提纯平台的内壁设有消音器及吸音装置。

进一步，所述热管为非重力虹吸方式实现热力循环，其布列采用垂直错列交替方式来与空气进行热量交换。

进一步，所述水汽能提纯平台的塔底为托液盘，所述托液盘包括外托液盘和内托液盘，所述外托液盘和内托液盘通过隔板隔开，所述第一换热器设置在内托液盘的换热溶液内，所述热管是插入外托液盘的换热溶液内，内托液盘与外托液盘通过管道联通，并采用溶液循环泵来加强内外托液盘溶液之间的循环。

本发明通过将空调机系统中的第一换热器浸泡到可与空气进行换热的水汽能提纯平台空间内的托液盘溶液里，同时还可以采用了热量传递机构来吸收空气中水汽能，形成主机与空气换热的塔体装置一体化结构，在制冷与制热两种不同的工况下，第一换热器可分别起到冷凝器或蒸发器的作用，从而实现冬季采暖、夏季制冷空调目的。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图。

实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例包括轴流风扇1，喷淋管道2，塔体进风口3，置于水汽能提纯平台19内换热溶液18里的第一换热器4，主机节流装置5，喷淋循环泵6，主机压缩机7，四通阀8，用户末端循环泵9，第二换热器10，塔体空间11，塔体空间11内可以设置降膜换热填料。水汽能提纯平台19的塔底为托液盘17，第一换热器4是浸没在托液盘17的换热溶液18里。

第一换热器4是不局限于本实施例所采用3组翅片管换热器并联形式。

冷媒切换阀用于对第一换热器4进行蒸发与冷凝的相互转换和用于对第二换热器10进行蒸发与冷凝的相互转换。本实施例中的冷媒切换阀也不局限于采用两个四通阀8，也可以采用多个电动角阀代替的，这种以冷媒切换方式来转换制冷与制热工况方式要优于水路切换方式，能避免因阀门关闭不到位而出现溶液渗漏，造成防冻液溶液浓度扩散至温度尚高的冷凝系统里去，而出现腐蚀相关设备的情况。

在冬季制热工况下，换热溶液18为防冻液，通过四通阀8切换可使置于内托液盘1702里的第一换热器4成为蒸发器，那么第二换热器10便成为冷凝器了，第一换热器4不断吸收内托液盘1702里的防冻液的潜热并使防冻液的温度降至比空气温度低3℃～10℃，这比蒸发器内制冷剂直接与蒸发器外部空气换热要强许多，防冻液的换热系数是空气的几十倍，它不存在换热死角，再加上第一换热器4的翅片换热面积的拓展更是加强了其换热能力，降温后的防冻液18通过喷淋循环泵6及喷淋管道2不断喷淋于塔体空间11，并与空气进行热量交换，塔体空间11还可以设置有降膜填料，水汽能提纯平台19的顶部风筒里所设置的轴流风扇1会将空气通过塔体空气入口3吸入塔体内，并且把已进行热量交换被降温后的空气排入到大气中，防冻液在与空气交换热量过程中会促使空气中水汽释放潜热给防冻液，使得防冻液的温度提高3℃～10℃，就这样周而复始地不断吸收空气中水汽潜热，并通过主机压缩机7把制冷剂吸收而来的潜热转移到冷凝器（即第二换热器10）里，而冷凝器非制冷剂侧的暖媒水吸收制冷剂潜热后被用户末端循环泵9把含有采暖温度热量的流体输送至各用户风机盘管的末端，释放潜热的制冷剂被冷凝成液态制冷剂后经过节流装置5又重新返回到第一换热器4（蒸发器）里去和其外部防冻液进行热量交换，就这样周而复始地循环。该实施例所具备优势在于结构紧凑，占用空间少，增强制冷剂与防冻液热量交换能力，不存在换热死角，会导致防冻液与环境温度的温差变大，防冻液溶液温度越低越有利于吸收空气中水汽的潜热。

在夏季制冷工况下，冷媒切换阀将第一换热器4变为冷凝器，而第二换热器10变为蒸发器了，然后再把冬季运行的换热溶液18改为水，浸没第一换热器4（此时为冷凝器）的托液盘里的流体便是冷却水了，其冷却效果会更佳，更容易使冷凝器逼近于环境的湿球温度，冷凝器降温效果越好意味着制冷效率会越高，可以获得更高的能效比。

本实施例中，第一换热器4优选为翅片管换热器，且翅片布置方向须与换热溶液18的流动方向和换热溶液18的滴入方向保持一致，以减少其流体阻力并获得良好的换热效果，流体阻力小相应可以提升其流量，从而可以提升其换热量 ，第一换热器4的外部壁面可涂覆防腐和阻垢的相关涂料，如石墨烯材料等，还可以加强换热能力。

本实施例中，喷淋循环泵6的一端与水汽能提纯平台的底部连接，所述喷淋循环泵6的另一端与喷淋管道2连接，所述喷淋管道2上设有若干个喷淋头。水汽能提纯平台内的换热溶液通过喷淋循环泵6经由喷淋头喷出，喷出的换热溶液18可吸收水汽能提纯平台19塔体空间11中的热量，再与第一换热器4进行热交换。

实施例

如图2所示，托液盘17分为外托液盘1701和内托液盘1702，外托液盘1701和内托液盘1702通过隔板隔开。本实施例也是把主机两器之一的换热器（即第一换热器4）置于内托液盘1702的换热溶液18里，本实施例采用超导热管12来吸收空气中水汽潜热以增强溶液吸收空气能的能力，并且是采用气密性优良的四个电动角阀来实现机组制热与制冷功能切换。超导热管12的一端暴露于水汽能提纯平台上部的塔体空间11，超导热管的另一端插入外托液盘1701的换热溶液18中。本实施例中的冷媒切换阀包括第一角阀13、第二角阀14、第三角阀15和第四角阀16。

实施例2与实施例1不同之处在于，增加了多组的超导热管12置于第一换热器4的两边或四周，可通过超导热管12快速吸收空气热能，使超导热管12插入段（冷凝段或蒸发段）附近溶液逼近环境温度，再通过溶液泵（可以是潜水泵）循环到第一换热器4的周围，外托液盘1701的换热溶液18浸泡有超导热管12的冷凝段（冬季采暖运行），而内托液盘1702浸没有第一换热器4（即蒸发器），内、外托液盘相互连通，外托液盘1701中换热溶液18的温度接近环境空气温度，而内托液盘1701溶液温度接近蒸发器（冬季热泵运行时）的温度，并采用溶液循环泵不断把通过超导热管传导而来的空气热量带入到浸没有蒸发器的内托液盘1702中，同时把热量传递给蒸发器内制冷剂，而溶液温度会变得更低了，再被溶液循环泵打入到外托液盘1701里与超导热管12冷凝段的超导介质进行热量交换，使超导介质冷凝成液态流体，而液态超导介质会被超导热管内部虹吸材料吸入到蒸发段去，并获取其外部空气的热量再次被蒸发，这相当于复叠式热泵了，超导介质就这样不断蒸发、冷凝、再蒸发、再冷凝，从而快速地把空气热量传入到换热溶液18中去，超导热管是无需压缩机的一级热力循环。在冬季运行时超导热管12可以使第一换热器4（此时为蒸发器了）的温度及压力得到提高，可使两器的压缩比大幅降低，从而提高机组系统的能效比。

制冷工况运行时，系统流程中第二角阀14与第四角阀16是关闭的，而第一角阀13与第三角阀15是打开的；制热工况运行时，第一角阀13与第三角阀15是关闭的，而第二角阀14与第四角阀16是打开的，那么主机压缩机7工作便会把制冷剂压入到第二换热器10（此时为冷凝器）里，释放潜热给第二换热器10另一侧的暖媒水，那么用户末端循环泵9把含有采暖温度热量暖媒水带到各房间风机盘管末端里去散热，然后再重新回到第二换热器10里；而制冷剂释放潜热后又被冷凝成液态制冷剂了，经过主机节流装置5又重新回到第一换热器4（此时为蒸发器）里，并吸收托液盘里换热溶液18中的潜热而蒸发，蒸发后又被主机压缩机7重新经过第二角阀14与第四角阀16进入到第二换热器10里，就这样周而复始地蒸发、冷凝、再蒸发、再冷凝实现制冷剂循环的制热过程。

制冷依然如此，制冷工况下，第二换热器10变为蒸发器了，而第一换热器4变为冷凝器了。

实施例

如图3所示，本实施例是基于实施例1及实施例2所采取的模块化组合方式来实现用户的增容，包括3个串联的水汽能提纯平台19，每个塔体空间11内的第一换热器4并联后再串联于主机循环系统，本实施例不局限于3组塔体空间，本实施例中的冷媒切换阀也不局限于四通阀。

由于是主机与空气换热塔体（水汽能平台）一体化设计，无需建设相关的主机设备机房了，势必会对周边环境造成噪音污染，为此，水汽能提纯平台19的下部围壁须采用隔音板或具有吸音材料的板材，或在水汽能提纯平台19内设置消音器，虽然实施例图没有绘制和标注出隔音部件并不代表没有，是一般技术员都可以领会到的。

附图虽然没有绘制出溶液浓缩装置并不代表没有，防冻液储存容积虽然没有绘制出来也不代表没有，本发明把空气换热塔体与主机循环系统一体化设计创新理念体现在置于塔体空间的托液盘溶液里换热器布局结构形式上，这体现了与现有的可以制热同时又能制冷各类相关设备的不同之处，也是具有很大技术上的优势，其优势在于以下六点：1、结构紧凑，减少空间占用；2、减少总投资费用，无须建设主机机房；3、增强与空气换热能力，溶液无换热死角，喷淋循环泵减少过长的管道及弯道的阻力，要比冷却循环泵功率降低40%以上，使系统能效比有所增强；4、换热器采取浸没方式换热可百分之百杜绝换热器被冻管毁坏的事情发生；5、冷媒切换不存在防冻液腐蚀设备之虞，因为没有了防冻液通过水路阀门渗漏到高温循环系统的可能；6、采用导热管更加加强了与空气换热能力，可驱使溶液流入蒸发器的温度接近环境温度，从而缩小蒸发器与冷凝器压缩比，会提高系统能效比。

从现有成熟的空气源复叠热泵与传统的空气源热泵机组比较来看，它们会各有自己的优势，首先空气源复叠热泵投资费用肯定要高于传统空气能热泵，可是传统空气能热泵无法应对极低温环境运行，而复叠热泵则不然，当环境温度为零度时，复叠热泵能效比还能够达到5.0，其系统能效比还有3.11，在同一工况下传统空气能热泵的能效比只有2.5，其能效比相比传统热泵增加了24.4%，其应用温度范围得到了明显扩大，而传统空气能热泵在环境温度低于-10℃时一般是无法正常运行，除非是降低出水温度，这样很难达到采暖温度需求。空气源复叠热泵一般情况下会比传统空气能热泵能效比提高24.4%，但是环境温度超过10℃时这种节能优势不具备了，反而传统空气能热泵还要稍微强一些，这就是复叠热泵比较困惑的地方，因此采用超导热管代替复叠热泵低温级循环，不仅会降低成本，也不会存在这种困惑，超导热管作为低温级热力循环不仅具有复叠热泵之优势，还能化解这一困惑，那么水汽能提纯平台内托液盘就相当于复叠热泵的中间换热器了。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，包括水汽能提纯平台、第一换热器、第二换热器、压缩机和主机节流装置，其特征在于：所述水汽能提纯平台内注入换热溶液，所述第一换热器浸没在换热溶液内，所述水汽能提纯平台内设有热量传递机构，所述热量传递机构将水汽能提纯平台的塔体空间中的热量传递至换热溶液后，再与第一换热器进行热交换；

所述热量传递机构为热管；

所述热管的一端暴露于水汽能提纯平台的上部空间，所述热管的另一端插入换热溶液中，所述热管为非重力虹吸方式实现热力循环；

所述水汽能提纯平台的塔底为托液盘，所述托液盘包括外托液盘和内托液盘，所述外托液盘和内托液盘通过隔板隔开，所述第一换热器设置在内托液盘的换热溶液内，所述热管是插入外托液盘的换热溶液内，内托液盘与外托液盘通过管道联通，并采用溶液循环泵来加强内外托液盘溶液之间的循环；

所述第一换热器、第二换热器连接的管道上设有冷媒切换阀，所述冷媒切换阀用于对第一换热器进行蒸发与冷凝的相互转换和用于对第二换热器进行蒸发与冷凝的相互转换；

所述水汽能提纯平台的顶部设有轴流风扇，所述水汽能提纯平台的两侧设有空气进入口；

在冬季制热工况下，所述换热溶液为防冻液，通过冷媒切换阀切换使置于内托液盘里的第一换热器成为蒸发器；在夏季制冷工况下，冷媒切换阀将第一换热器变为冷凝器，然后再把冬季运行的换热溶液改为水。

2.根据权利要求1所述的浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述冷媒切换阀采用电动四通阀切换，或采用多个电动角阀串、并联构成。

3.根据权利要求1所述的浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述第一换热器为一个整体换热器，或为多个串联的换热器组合，或为多个并联的换热器组合，或为串并联混和的换热器组合。

4.根据权利要求1所述的浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述第一换热器的翅片设置方向与换热溶液的流动方向一致。

5.根据权利要求1所述的浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述水汽能提纯平台的底部设有隔音板，所述水汽能提纯平台的内壁设有消音器及吸音装置。

6.根据权利要求1所述的浸泡换热式水汽能热泵空气调节装置，其特征在于：所述热管布列采用垂直错列交替方式来与空气进行热量交换。