CN115111779A - 可控变制冷剂流量的热泵及水温控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于利用热泵的液体加热器，具体涉及一种可控变制冷剂流量的热泵及水温控制方法。热泵水温控制方法通过上下并联布置的至少两个换热盘管对水箱内的水分层加热，初始加热时保持各换热盘管中的制冷剂流量为最大值；加热过程中，保持底部的换热盘管中制冷剂流量不变且为最大值，判断底部换热盘管对应区域与上方的换热盘管对应区域之间的温差是否高于设定阈值，若高于设定阈值，则调低上方的换热盘管的制冷剂流量以减小温差。

Description

可控变制冷剂流量的热泵及水温控制方法
技术领域
本发明属于利用热泵的液体加热器，具体涉及一种可控变制冷剂流量的热泵及水温控制方法。
背景技术
热泵热水器(热泵)是利用逆卡诺原理通过制冷剂把热量从低温物体传递到高温的水里的设备，它具备节能、高效的特点，所以在国家低碳节能的政策号召下越来越受到人们的青睐而被广泛推广。
热泵包括水箱，水箱包括水箱外壳和位于水箱外壳中的内胆，内胆中或者内胆的外部布置有换热盘管，高温的制冷剂由换热盘管中流过，与水箱内的水进行换热而对水箱内的水进行加热。目前市面上的热泵通常采用单根换热盘管进行加热，存在的问题在于：由于水的密度受水温影响较大，水温升高致使水的密度变小，使得热泵的水箱内产生了“分层”现象，水箱内上部分的水温高于下部分，水箱内的水会出现一个温度梯度。当换热盘管与上部分的水进行换热时，换热效率较低，降低了热水器的整体加热效率。
水箱内会设置温度传感器，当温度传感器检测到的温度达到用户设定的温度时停止通入制冷剂，水箱内出现温度梯度时会引发其他的问题：若温度传感器设置在水箱的顶部，则当水箱内顶部的水温达到用户设定的温度时停止加热，但此时水箱底部的水温仍较低，用户用水时水温逐步下降，造成人体不适，不能满足用户需求；若温度传感器设置在水箱的底部，则当水箱内底部的水温达到用户设定的温度时停止加热，但此时水箱顶部的水温高于设定的温度，造成能源浪费，也会因为水温过高而造成人体不适。
授权公告号为CN203908110U的中国实用新型专利公开了一种热泵热水器用微通道换热器，包括上下依次布置且相互并联的多个换热盘管(微通道管组)，实现对水箱的分层加热。另外，该换热器提出了酌情调节水箱底部微通道管组的换热介质流量，从而减少运行过程中水温分层现象。该换热器采用调节换热介质流量的方式来解决水温分层的问题，但是并未给出具体的调节方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热泵水温控制方法，以在保证加热效率的情况下解决水箱内水温分层的技术问题；本发明的目的还在于提供一种可控变制冷剂流量的热泵，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明所提供的热泵水温控制方法的技术方案是：一种热泵水温控制方法，通过上下并联布置的至少两个换热盘管对水箱内的水分层加热，初始加热时保持各换热盘管中的制冷剂流量为最大值；加热过程中，保持底部的换热盘管中制冷剂流量不变且为最大值，判断底部换热盘管对应区域与上方的换热盘管对应区域之间的温差是否高于设定阈值，若高于设定阈值，则调低上方的换热盘管的制冷剂流量以减小温差。
有益效果：通过并联布置的多个换热盘管对水箱进行分层加热，且根据温差来调控换热盘管中制冷剂的流量，以减小温差，减小水箱内的温度梯度。初始加热时各换热盘管保持流量最大，能够对水箱内的水进行快速加热，提高加热效率；加热过程中底部换热盘管中的制冷剂流量保持为最大值，能够保证水箱底部被最大流量的制冷剂进行加热，提高加热效率。本发明在保证加热效率的前提下通过调控制冷剂流量的方式解决了水温分层的问题。
优选地，上方的换热盘管沿上下方向依次布置有至少两个，采集上方各换热盘管对应区域处的温度并与底部的换热盘管对应区域处的温度进行对比，若差值大于所述设定阈值则调低上方对应换热盘管的制冷剂流量。通过设置多个换热盘管能够提高加热效率，水温分层的问题能够进一步得到解决。
优选地，当底部的换热盘管对应区域的温度达到预设值时关闭热泵机组以停止加热。
优选地，当水箱热水出口的水温低于预设值至启动热泵机组对水箱内的水进行加热。
为实现上述目的，本发明所提供的可控变制冷剂流量的热泵的技术方案是：一种可控变制冷剂流量的热泵，包括水箱，水箱上设有冷水进口和热水出口，热泵还包括热泵机组以及与热泵机组相连以对水箱进行加热的换热盘管；所述换热盘管沿上下方向依次排布有至少两个，各换热盘管用于对水箱进行分层加热，各换热盘管通过对应的管路并联布置于热泵机组上，各管路上均设有用于调节对应换热盘管中制冷剂流量的控制阀；水箱内对应于各换热盘管的高度位置均设有用于检测相应高度水温的温度传感器；热泵还包括与各控制阀、各温度传感器均相连的控制器，控制器用于在初始加热时控制各控制阀处于最大开度，控制器用于采集各温度传感器的数据，当底部的换热盘管与上方的换热盘管对应区域之间的温差达到设定阈值时，控制器调控对应的控制阀以调低对应换热盘管的制冷剂流量，以减小温差。
有益效果：通过并联布置的多个换热盘管对水箱进行分层加热，且根据温差来调控换热盘管中制冷剂的流量，以减小温差，减小水箱内的温度梯度。通过初始加热时各换热盘管保持流量最大，能够对水箱内的水进行快速加热，提高加热效率；加热过程中底部换热盘管中的制冷剂流量保持为最大值，能够保证水箱底部被最大流量的制冷剂进行加热，提高加热效率。本发明在保证加热效率的前提下通过调控制冷剂流量的方式解决了水温分层的问题。
优选地，上方的换热盘管沿上下方向依次布置有至少两个，当上方任一换热盘管与底部的换热盘管对应区域的温差达到所述设定阈值时，控制器调低上方的换热盘管对应控制阀的开度，以减小制冷剂流量。通过设置多个换热盘管能够提高加热效率，水温分层的问题能够进一步得到解决。
优选地，各换热盘管沿上下方向依次等间距间隔排布，任意相邻两换热盘管之间具有间隔。各换热盘管等间距间隔排布，将水箱内等间距划分区域，便于进行控制。
优选地，所述水箱包括由外向内依次布置的水箱外壳、保温层及内胆，所述换热盘管绕置在内胆外部且位于保温层中。换热盘管位于内胆外部，布置起来更加方便，也不会引起换热盘管在水中的腐蚀。
优选地，各换热盘管均具有供制冷剂进入的进口和供制冷剂流出的出口，同一换热盘管中进口位于出口的下方。热水器内的水温上高下低，制冷剂管路设置为下进上出，使高温制冷剂加热低温水，温度降低后的制冷剂加热高温水，加热效率更高，均温效果也更好。
优选地，热泵包括连接在热水出口上的热水出水管道，热水出水管道上设有温度传感器，所述控制器与热泵机组以及热水出水管道上的温度传感器相连，当热水出水管道上的温度传感器检测到热水出水管道的水温低于预设值时控制热泵机组启动。
附图说明
图1为本发明所提供的可控变制冷剂流量的热泵的结构示意图；
附图标记说明：
1、水箱外壳；2、底座；3、第一水泵；4、热水出水管道；5、混合装置；6、第二水泵；7、用户使用管道；8、热泵机组；9、制冷剂进口管道；10、制冷剂流量控制器；11、分歧管；12、第一换热盘管；13、第二换热盘管；14、第三换热盘管；15、第四换热盘管；16、第五换热盘管；17、制冷剂回口管道；18、第一电子膨胀阀；19、第二电子膨胀阀；20、第三电子膨胀阀；21、第四电子膨胀阀；22、第五电子膨胀阀；23、第一温度传感器；24、第二温度传感器；25、第三温度传感器；26、第四温度传感器；27、第五温度传感器；28、第六温度传感器；29、PID控制器；30、第七温度传感器；31、压力传感器；32、镁棒；33、水位监测装置；34、内胆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合实施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明所提供的可控变制冷剂流量的热泵的具体实施例：
本发明的可控变制冷剂流量的热泵中，用换热盘管对水箱进行分层单独加热，根据采集的温度来调节对应层换热盘管中制冷剂的流量，通过调节各换热盘管中制冷剂的流量，来减小水箱中的温度梯度。
如图1所示，可控变制冷剂流量的热泵(以下简称为热泵)包括水箱部分、热泵部分、冷热水混合部分和控制部分。
其中，水箱部分包括水箱，水箱包括水箱外壳1，水箱外壳1为立式的圆筒状，水箱外壳1的内部有内胆34，内胆34与水箱外壳1之间有保温层(图中未显示，水箱外壳1的底部固定有底座2。本实施例中，水箱外壳1的材质为201不锈钢，内胆34的材质为304不锈钢，保温层采用聚氨酯压模板，当然，其他实施例中，各部件的材质可以根据实际情况进行更换。内胆34的底部开设有冷水进口并在冷水进口上安装有第一水泵3，内胆34的底部内侧固定有压力传感器31。当内胆34内的水量减少后，压力传感器31的压力值减小，当压力值减小至设定压力值后，第一水泵3开启向内胆34中通入冷水。内胆34的顶部开设有热水出口并在热水出口上连接有热水出水管道4，热水出水管道4上方布置有水位监测装置33，水位监测装置33监测水箱的水位，当达到高水位时第一水泵3停止补水。热水出水管道4中安装有第六温度传感器28，用来监测热水出水管道4内的水温。
水箱内沿上下方向等间距均布有五个换热盘管，自上向下依次为第一换热盘管12、第二换热盘管13、第三换热盘管14、第四换热盘管15和第五换热盘管16，各换热盘管均为下进上出的方式，各换热盘管的进口、出口均由水箱外壳1中穿出；通过向各换热盘管中通入制冷剂能够对内胆34内的水进行加热。五个换热盘管将水箱的内部划分为五个加热区域。在内胆34的内壁上设置有五个温度传感器，五个温度传感器与五个换热盘管一一对应，此处的一一对应指的是高度上一一对应。五个温度传感器自上向下依次为第一温度传感器23、第二温度传感器24、第三温度传感器25、第四温度传感器26、第五温度传感器27，各温度传感器用来检测所在高度位置的水温，各温度传感器均与PID控制器29相连。
本实施例中，换热盘管的材质为紫铜管。组装时，将各换热盘管绕置在内胆34的外部，换热盘管位于保温层中。内胆34上部固定有镁棒32，利用镁棒32保护周围金属，避免内胆在水中腐蚀，延长热泵的使用寿命。
热泵部分包括热泵机组8，热泵机组8向各换热盘管供应高温的制冷剂，具体地，热泵机组8上连接有制冷剂进口管道9，制冷剂进口管道9通过五个分歧管11与各换热盘管一一对应相连，使得各换热盘管并联布置于热泵机组8上，分歧管11与换热盘管的进口相连，五个换热盘管的出口连接有制冷剂回口管道17。
冷热水混合部分包括混合装置5，热水出水管道4连接在混合装置5上，冷热水混合部分还包括冷水进水管道，冷水进水管道上安装有第二水泵6，混合装置5上还连接有用户使用管道7。混合装置5内置有第七温度传感器30，实时监测混合装置5内的水温，用户可以根据第七温度传感器30了解混合装置5内水的温度，并根据此温度调控热水出水管道4、冷水进水管道，获得用户所需的热水温度。
控制部分包括PID控制器29、制冷剂流量控制器10和电子膨胀阀，电子膨胀阀有五个，五个电子膨胀阀分别一一对应安装在各换热盘管出口连接的管道上，五个电子膨胀阀分别为第一电子膨胀阀18、第二电子膨胀阀19、第三电子膨胀阀20、第四电子膨胀阀21、第五电子膨胀阀22，通过调节电子膨胀阀的开度能够调节对应换热盘管的制冷剂流量，从而能够控制水温。PID控制器29与第一温度传感器23、第二温度传感器24、第三温度传感器25、第四温度传感器26、第五温度传感器27、第六温度传感器28均相连，能够采集各温度传感器的数据，PID控制器29还与制冷剂流量控制器10相连，制冷剂流量控制器10与第一电子膨胀阀18、第二电子膨胀阀19、第三电子膨胀阀20、第四电子膨胀阀21、第五电子膨胀阀22相连。使用时，PID控制器29采集各温度传感器的数据并对数据进行处理，再通过制冷剂流量控制器10控制各电子膨胀阀的开度，进而调节各换热盘管内制冷剂的流量。
本发明的工作原理：当用户使用热泵时，热水沿热水出水管道4进入混合装置5中，与冷水在混合装置5中进行混合达到用户所需求的热水温度，经用户使用管道7排出。当第六温度传感器28检测到热水出水管道4中的热水未达到预设温度时，PID控制器29控制启动热泵机组8，制冷剂流量控制器10控制各电子膨胀阀，使各电子膨胀阀的开度调至最大。此时，各换热盘管同时运行对内胆34内的水进行加热。
当第一温度传感器23、第五温度传感器27出现温差时，PID控制器29判断该温差是否达到设定阈值，若达到设定阈值，PID控制器29通过制冷剂流量控制器10调控第一电子膨胀阀18的开度，减小流经第一电子膨胀阀18的制冷剂流量，以动态调控的方式控制第一换热盘管12的制冷剂流量，直到第一温度传感器23、第五温度传感器27的温差减小至设定阈值以下。
以此类推，以第五温度传感器27为基准，分别判断以上各温度传感器与第五温度传感器27之间的温差，并动态调控对应电子膨胀阀的开度，以减小水箱上下部之间的温差。
整个使用过程中，由于内胆34的最底部需要一直加热，故第五电子膨胀阀22一致保持最大开度输入制冷剂，直到第五温度传感器27检测到的温度至达到预设值，此时PID控制器29控制热泵机组8停止工作。
本实施例中，第五换热盘管16构成了底部的换热盘管，第一换热盘管12、第二换热盘管13、第三换热盘管14和第四换热盘管15均构成了位于第五换热盘管16上方的换热盘管。
本实施例中，各电子膨胀阀形成了控制对应换热盘管制冷剂流量的控制阀，电子膨胀阀既起到控制流量的作用，又起到降压降温的作用。其他实施例中，控制阀为布置在分歧管或者出口管道上的电磁阀，此时电子膨胀阀仍保留且开度可以保持不变，应当说明的是，无论是分歧管还是出口管道均为换热盘管连接的管路。
本实施例中，PID控制器29、制冷剂流量控制器10一起构成了控制器，控制器与各温度传感器、各控制阀均相连。
本实施例中，当热水出水管道4内的温度传感器(第六温度传感器28)达到预设值时，控制器采集数据并控制热泵机组8启动。其他实施例中，控制器可以采集水箱底部的温度传感器的数据，并以此作为判断的依据来启动热泵机组。
本实施例中，各换热盘管的进口均位于出口的下方，使得制冷剂在换热盘管中下进上出。其他实施例中，各换热盘管的进口位于出口的上方，使得制冷剂在换热盘管中上进下出。
本实施例中，换热盘管绕置在内胆34的外部。其他实施例中，换热盘管固设于内胆内部，具体地，在内胆中设置金属固定支架，换热盘管固定在金属固定支架上。
本实施例中，各换热盘管沿上下方向等间距间隔布置，且相邻两换热盘管之间没有交叉部分而具有间隔。其他实施例中，各换热盘管在上下方向上间隔排布，但不限定为等间距。其他实施例中，相邻两换热盘管之间可以有交叉的部分。其他实施例中，换热盘管的数量可以根据实际情况进行增减，但至少有两个。
本实施例中，当底部的换热盘管对应区域的温度达到预设值时关闭热泵机组8。其他实施例中，当顶部的换热盘管对应区域的温度达到预设值时关闭热泵机组。
本发明热泵水温控制方法的具体实施例：
热泵水温控制方法与上述可控变制冷剂流量的热泵的使用方法一致，在此不再赘述。
最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热泵水温控制方法，其特征在于：通过上下并联布置的至少两个换热盘管对水箱内的水分层加热，初始加热时保持各换热盘管中的制冷剂流量为最大值；加热过程中，保持底部的换热盘管中制冷剂流量不变且为最大值，判断底部换热盘管对应区域与上方的换热盘管对应区域之间的温差是否高于设定阈值，若高于设定阈值，则调低上方的换热盘管的制冷剂流量以减小温差。
2.根据权利要求1所述的热泵水温控制方法，其特征在于：上方的换热盘管沿上下方向依次布置有至少两个，采集上方各换热盘管对应区域处的温度并与底部的换热盘管对应区域处的温度进行对比，若差值大于所述设定阈值则调低上方对应换热盘管的制冷剂流量。
3.根据权利要求1或2所述的热泵水温控制方法，其特征在于：当底部的换热盘管对应区域的温度达到预设值时关闭热泵机组(8)以停止加热。
4.根据权利要求1或2所述的热泵水温控制方法，其特征在于：当水箱热水出口的水温低于预设值至启动热泵机组(8)对水箱内的水进行加热。
5.一种可控变制冷剂流量的热泵，包括水箱，水箱上设有冷水进口和热水出口，热泵还包括热泵机组(8)以及与热泵机组(8)相连以对水箱进行加热的换热盘管；所述换热盘管沿上下方向依次排布有至少两个，各换热盘管用于对水箱进行分层加热，各换热盘管通过对应的管路并联布置于热泵机组(8)上，其特征在于：各管路上均设有用于调节对应换热盘管中制冷剂流量的控制阀；水箱内对应于各换热盘管的高度位置均设有用于检测相应高度水温的温度传感器；热泵还包括与各控制阀、各温度传感器均相连的控制器，控制器用于在初始加热时控制各控制阀处于最大开度，控制器用于采集各温度传感器的数据，当底部的换热盘管与上方的换热盘管对应区域之间的温差达到设定阈值时，控制器调控对应的控制阀以调低对应换热盘管的制冷剂流量，以减小温差。
6.根据权利要求5所述的可控变制冷剂流量的热泵，其特征在于：上方的换热盘管沿上下方向依次布置有至少两个，当上方任一换热盘管与底部的换热盘管对应区域的温差达到所述设定阈值时，控制器调低上方的换热盘管对应控制阀的开度，以减小制冷剂流量。
7.根据权利要求6所述的可控变制冷剂流量的热泵，其特征在于：各换热盘管沿上下方向依次等间距间隔排布，任意相邻两换热盘管之间具有间隔。
8.根据权利要求5或6或7所述的可控变制冷剂流量的热泵，其特征在于：所述水箱包括由外向内依次布置的水箱外壳(1)、保温层及内胆(34)，所述换热盘管绕置在内胆(34)外部且位于保温层中。
9.根据权利要求5或6或7所述的可控变制冷剂流量的热泵，其特征在于：各换热盘管均具有供制冷剂进入的进口和供制冷剂流出的出口，同一换热盘管中进口位于出口的下方。
10.根据权利要求5或6或7所述的可控变制冷剂流量的热泵，其特征在于：热泵包括连接在热水出口上的热水出水管道(4)，热水出水管道(4)上设有温度传感器，所述控制器与热泵机组(8)以及热水出水管道(4)上的温度传感器相连，当热水出水管道(4)上的温度传感器检测到热水出水管道(4)的水温低于预设值时控制热泵机组(8)启动。
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