CN1800749A - 利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵 - Google Patents

Abstract

利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，涉及一种热泵。针对目前蒸发器表面除霜消耗额外能量，降低系统能效比的问题，本发明提供一种利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，它的蒸发器包括两组，在两组蒸发器(3)之间设有两个隔板(7)，两个隔板(7)将密闭空间(5)分割成一个结冰室和两个蒸发室，并在结冰室和两个蒸发室内都设有喷水装置，所述各喷水装置通过管路与同一水源连通。本发明具有性能好、成本低、易于工程实现的优点；利用水源热泵的低位热源供水进行喷淋除霜，结构简单，能耗很小，成本很低，操作容易，系统运行可靠，并且本发明充分利用了系统自身的固有资源，提高了系统自身的利用率，利于推广应用。

Description

利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵

技术领域

本发明涉及一种热泵，具体涉及一种凝固潜热型热泵。

背景技术

在我国，建筑物的采暖空调能耗占国家总能耗的30％左右，而且能源利用效率较低，给环境造成了巨大压力，另一方面建筑物的业主从政策和经济等方面考虑，也不愿意选择锅炉房或者城市热网。由于热泵具有供暖空调的双重功能，初投资和运行费用也较低，因此近年来得到了迅速的推广应用。水源热泵由于其效率高，成本低，限制少等优点而独占鳌头。近年来有人提出了凝固潜热型热泵，该热泵主要有两大工程应用背景，其一是我国拥有极大量的地表水资源，主要包括江河湖海水，而且几乎所有城市都是傍水而建，水源与人居同位，这些地表水可以为热泵提供绝对充足的低位热源，但是冬季江河湖海水水温很低，最低在2～4℃左右，因此可以利用的显热能量空间已经非常小，而且存在结冰冻结破坏或者堵塞管道和设备的危险；其二是目前城市污水源热泵发展迅速，但是研究表明，即使最大量的利用污水显热，平均6到12栋相同建筑的排放污水才能满足其中1栋建筑的热负荷要求；为了保证一栋建筑的排放污水热能供应能够自给自足，就必须提取5～15％的污水所蕴含的凝固潜热。研究表明，1kg清水的凝固潜热为335kJ/kg，是每摄氏度显热的80倍左右；当5-30％含冰率的流体冰作为流动换热的媒介与固体壁面接触时，其换热系数在3000W/(m²K)；同时流体冰还具有良好的流动性、可以用泵运输等诸多优点，因此如何采取新的工艺和方法制取流体冰来提取水的凝固潜热以满足工程负荷的要求成为人们着重研究的对象。目前制取流体冰的方法主要有两类，一类是水在低温壁面上凝结生成“有根冰”，然后用某种方法从壁面上剥离冰晶，再让水带走。另一类是水在过冷水或者不相溶低温流体中凝结生成“无根冰”，然后再进行冰晶分离。因为空气与水互不相溶，流动性好，而且可以很容易地免费获得，因此在制取“有根冰”或“无根冰”的过程中，人们考虑以空气为中介制冷流体，但是，在空气与水进行直接接触换热之后，温度在0℃左右，而且非常接近饱和状态，这种温度和湿度下的空气在进行冷却换热时极易在蒸发器表面结霜，霜层的增厚，增加了传热热阻，极大地降低了系统的效率，因此在制取冰过程中还必须进行蒸发器表面除霜。目前空气源热泵的除霜方法有热气旁通、变片距等方法，由于要消耗额外的能量，导致系统能效比下降很多。

发明内容

针对以空气为中介制冷流体的凝固潜热型热泵在提取凝固潜热的过程中，蒸发器表面容易结霜，传统除霜方法能耗较高，降低系统的能效比，本发明提供一种以空气为中介制冷流体，利用部分低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，它包括依次相连的冷凝器、压缩机、蒸发器和节流膨胀装置，所述蒸发器包括两组，两组蒸发器设置在同一个密闭空间内，并且两组蒸发器分别通过各自的管路与压缩机和节流膨胀装置连接；在两组蒸发器之间设有两个隔板，两个隔板将密闭空间分割成一个结冰室和两个蒸发室，所述密闭空间内还设有控制空气在结冰室与蒸发室之间循环的主风机；在所述密闭空间的下方设有接水盘；在所述结冰室和两个蒸发室内都设有喷水装置，所述各喷水装置通过管路与同一水源连通。由于霜层很薄，密度较小，除霜所需热量不大，而且凝固潜热型热泵由于受流体冰流动性的限制，含冰率不能高于30％，故本发明利用其余70％或者部分的低位热源供水的温差显热来进行除霜。本发明以空气为中介制冷流体，具有性能好、成本低、易于工程实现的优点；本发明蒸发器的各部分各区域在蒸发、除霜和风干的切换频率上达到协同运行，就能保证系统能量输入输出的平稳性；本发明所述接水盘中流动的水保证了冰晶输运而不积沉聚结，操作过程中控制含冰率在30％以下，可以保证后续管道设备不堵塞；本发明利用水源热泵的低位热源供水进行喷淋除霜，结构简单，能耗很小，成本很低，操作容易，系统运行可靠，并且本发明充分利用了系统自身的固有资源，提高了系统自身的利用率，利于推广应用。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一所述结构示意图，图2是具体实施方式二所述结构示意图，图3是具体实施方式三所述结构示意图，图4是具体实施方式四所述结构示意图，图5是具体实施方式五所述结构示意图，图6是折流-滚栅冰晶分离装置结构示意图，图7是具体实施方式六所述结构示意图，图8是热泵在冬季和夏季之间工作切换结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，参照图1，它包括热泵的主体部分即依次相连的冷凝器1、压缩机2、蒸发器3和节流膨胀装置4，该主体部分的工作原理与一般的大型空气源热泵基本相同。所述蒸发器3包括两组，两组蒸发器3设置在同一个密闭空间5内，并且两组蒸发器3分别通过各自的管路与压缩机2和节流膨胀装置4连接；在两组蒸发器3之间设有两个隔板7，两个隔板7将密闭空间5分割成一个结冰室A和两个蒸发室B，所述密闭空间5内设有控制空气在结冰室A与其中一个蒸发室B之间循环的主风机10，主风机10为两组，两组主风机10分别设置在两个蒸发室B内喷水装置的上方且出风口都朝向结冰室A。在所述密闭空间5的下方设有接水盘6；在所述结冰室A和两个蒸发室B内都设有喷水装置，参照图1，蒸发室B内的喷水装置11-1设置在蒸发器3的上方，结冰室A内的喷水装置11-2设置在结冰室A的下方，所述各喷水装置通过管路与同一水源连通。

本实施方式的工作过程如下：热泵热源供水通过一号管路14-1与结冰室A内的喷水装置11-2连通，通过二号管路14-2与蒸发室B内的喷水装置11-1连通。参照图1，打开一号阀门15-1和二号阀门15-2，热泵热源供水由喷水装置11-2向上喷洒，喷入到结冰室的水滴在结冰室A内先向上运动再向下运动，增加其在结冰室的停留时间，水滴在运动过程中向空气释放显热和潜热并形成冰晶，冰晶在重力和气流的作用下下落，由接水盘6收集，并被连续排走。

另一方面，开启一个主风机10，由于两个主风机10分别设置在两个蒸发室内喷水装置的上方，则位于对面蒸发室上方的停止运行的风机可以起到关闭其所在蒸发室风路的作用。密闭空间5内的空气在主风机10的吹动下在结冰室内由上向下运动，然后进入一个蒸发室并由下向上运动，此时循环风就会将在结冰室吸收的水滴的显热和凝固潜热带入蒸发室并通过蒸发器把热量传给制冷剂；制冷剂通过热泵把热量转移到末端循环水，末端循环水通过散热设备再把热量交给建筑物房间从而实现冬季对房间供热的目的。

进行蒸发运行的蒸发器在运行过程中又不断有霜凝结，当霜层达到一定厚度时，停止制冷剂供液，然后对其进行除霜；对于已经完成除霜的这部分蒸发器开始制冷剂供液，蒸发运行。如此按一定周期重复运行，在即不影响供热的情况下达到除霜目的。除霜时，该蒸发器停止制冷剂供液，打开该蒸发器上方喷淋装置的阀门并向蒸发器表面喷淋热泵低位热源供水，霜层即会在供水的显热作用下融化并向下流动，并由设置在其下方的接水盘6收集。

本实施方式中，主风机10的作用在于使密闭空间5内有空气在结冰室A与其中一个蒸发室B之间循环，所以只要达到所述目的，即应在本发明的保护范围之内，而不限于本实施方式所述的风机为两个及两个风机的具体安放位置。另外，本实施方式所述没有工作的风机可以起到阻止或极大的减少循环风进入其所在的蒸发室的作用，工作的时候，为了更好的达到阻止风进入该蒸发室的目的，可以将隔板的高度延伸至密闭空间5的顶端，或者增加风阀进行开关；将风机的入风口及出风口分别设置在隔板两端，则设置在蒸发室内的风机入风口可以将蒸发室内的风吸入风机并从出风口排出，从而实现该蒸发室内外空气的良好循环。

本实施方式中，蒸发室B内的喷水装置11-1及结冰室A内的喷水装置11-2都通过管路与同一水源连通。上述结构可以看出，蒸发室B内的喷水装置11-1的作用即为除霜，结冰室A内的喷水装置11-2的作用即为喷洒结冰用水。本实施方式用于除霜和结冰的用水都来源于热泵低位热源供水，利用不提取凝固潜热的那部分供水的显热进行除霜，无需额外消耗能量，从而简化了设备，节约了成本，提高了工作效率。

本实施方式通过上述结构即可以基本实现吸热、除霜同步进行，并且可以达到设备简单、成本低、效率高的目的。

具体实施方式二：，本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，参照图2，在结冰室内、两个隔板的侧面分别设有一组挡水网8。所述挡水网8为弹性网，可以是由弹簧制成的网，也可以是普通筛网，设置挡水网8的目的在于防止水滴喷淋到隔板7上并生成越来越厚的冰层。可以对挡水网8进行周期变形除冰，从而除掉挡水网上因喷水而形成的冰。

具体实施方式三：与具体实施方式一不同之处在于，本实施方式论述另一种喷水装置的安装位置，参照图3，所述蒸发室B内的喷水装置11-1设置在蒸发器3的上方，所述结冰室A内的喷水装置11-2设置在结冰室A的上部，并且在结冰室A内喷水装置11-2的下方设有弹性淋水层12。本实施方式与具体实施方式一的主要区别在于，具体实施方式一是水滴在结冰室的空气内生成“无根冰”，本实施方式则是水膜在弹性淋水层上生成“有根冰”。本实施方式中，热泵热源供水由结冰室A内的喷水装置11-2由上至下向弹性淋水层12喷淋，水在重力作用下向下流动形成水膜并最终凝结成冰。弹性淋水层上的冰晶依靠弹性变形方法剥离清除。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同之处在于，在两个蒸发室内都设有出风口朝向蒸发器的风机13。参照图4。

如实施方式一至三所述，对蒸发器进行除霜时，喷水装置11-1向蒸发器表面喷水，霜层即会在供水的显热作用下融化并向下流动，对于蒸发器表面的水分只需自然风干即可。但由于自然风干所需时间较长，所以为了提高除霜效率，本实施方式提供一种在蒸发室内设置风机的结构，当霜层全部融化之后，停止供水喷淋，打开风干循环风机13，将蒸发器表面迅速吹干，从而保证下一周期内蒸发运行时表面没有液态水。由于是利用系统内部已有的空气对除霜之后的蒸发器表面进行风干，从而可以保证下一运行周期内蒸发器表面不含任何形式的液态水份，避免了二次结霜。本实施方式所述供水除霜与风干结构充分利用了系统自身的固有资源，具有结构简单，投资少，能耗少的优点。前面所述结构只要各部分在蒸发、除霜和风干的切换频率上达到协同运行，就能保证系统能量输入输出的平稳性。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三不同之处在于，在蒸发室下方设有折流-滚栅冰晶分离装置9，参照图5、图6。实施方式一至三所述主风机10控制结冰室内的风自上向下流通，由于空气自身热容量较小，转移一定能量时，需要的空气体积流量比水要大很多，断面流速很高(一般在6～10m/s左右)。由于本发明结冰室与蒸发室内空气流道较短而且简单，因此主风机能耗不是很高，但是结冰室内高流速的空气容易携带刚刚凝结的冰晶流动，从而影响冰晶从气相分离。针对所述问题，本实施方式采用如图5、图6所示的带有折流板和滚栅的装置进行冰晶的分离过滤。所述折流-滚栅冰晶分离装置9由上挡板9-1、滚栅9-2、刮板9-3和折流板9-4组成，所述滚栅9-2设置在上挡板9-1与刮板9-3之间，并且滚栅9-2的下端与刮板9-3接触；所述折流板9-4的一端固定在上挡板9-1的底面上，折流板9-4的另一端向着滚栅9-2的方向弯曲过渡。所述滚栅9-2为网孔状柱面体，滚栅9-2的中间设有传动轴9-5。

喷水装置11-2在结冰室内喷水并且水滴凝结成冰晶，冰晶在重力和气流的作用下落至接水盘6中并被连续排走；有一部分冰晶被主风机10产生的循环风夹带并进入该循环流道，此时，折流-滚栅冰晶分离装置9即起到将循环风与冰晶进行分离的作用。所述折流-滚栅冰晶分离装置9把冰晶从空气中分离分两个步骤进行，第一步利用了冰晶的惯性：在结冰室下方即将进入蒸发室的气流首先遇到折流板9-4，气流内夹带的冰晶遇到折流板9-4后即会在自身惯性的作用下向水面运动，并被水面捕获而达到初步分离的目的。分离的第二步利用了滚栅过滤和机械滤面再生：没有因惯性而落入水面的冰晶在继续前进过程中遇到滚栅9-2，滚栅9-2为网孔状柱面体且不断绕传动轴9-5转动，继续前进的气流由滚栅的网孔穿过，而气流内夹带的冰晶则会被网孔截住，被截留的冰晶随滚栅转动过程中遇到刮板9-3后由刮板清除并掉入接水盘6中从而实现空气与冰晶的分离，同时实现对滚栅的机械滤面再生；落入到接水盘中的冰晶即会被流动的水带走。

具体实施方式六：本实施方式为结合了实施方式四、五的结构而形成的热泵。参照图7，本实施方式所述结构即包括有风机13，也包括有折流-滚栅冰晶分离装置9。所述风机13及折流-滚栅冰晶分离装置9的具体结构及安装位置与具体实施方式四、五相同。

本实施方式同时实现了蒸发器高效换热、低能耗除霜、冰晶完全分离的目的，它以空气为中介制冷流体，将蒸发器分成两大部分，蒸发与除霜两种工况交替运行，利用水源热泵热源供水进行频率协同喷淋除霜，空气风于，同时利用冰晶惯性和滚栅进行连续冰晶分离。

具体实施方式七：如图8所示，热泵在冬季供热结束后，需要在夏季供冷时，将四通换向阀16旋转90度角，则蒸发器3与冷凝器1功能互换，即在夏季运行时，冷凝器1将作为蒸发器使用，蒸发器3将作为冷凝器使用，从而实现对建筑物的供冷要求。夏季空调工况运行时，除霜的喷淋装置可以用于喷淋冷凝，即将喷水装置11-1和喷水装置11-2所在管路的阀门全部开启，使各喷水装置同时工作，从而更好的实现空调冷凝废热向水中释放。

本发明中的蒸发器3包括两组，每组中的蒸发器可以是一个，也可以是多个，可以根据需要进行设置；相应的，根据蒸发器的数量也可以调整主风机10、风机13、折流-滚栅冰晶分离装置9及隔板7、挡水网8的数量，目的只在于更好的实现本发明所述目的，因此都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，它包括依次相连的冷凝器(1)、压缩机(2)、蒸发器(3)和节流膨胀装置(4)，其特征在于所述蒸发器(3)包括两组，两组蒸发器(3)设置在同一个密闭空间(5)内，并且两组蒸发器分别通过各自的管路与压缩机(2)和节流膨胀装置(4)连接；

在两组蒸发器(3)之间设有两个隔板(7)，两个隔板(7)将密闭空间(5)分割成一个结冰室(A)和两个蒸发室(B)，所述密闭空间(5)内还设有控制空气在结冰室(A)与蒸发室(B)之间循环的主风机(10)；

在所述密闭空间(5)的下方设有接水盘(6)；

在所述结冰室(A)和两个蒸发室(B)内都设有喷水装置，所述各喷水装置通过管路与同一水源连通。

2.根据权利要求1所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于所述蒸发室(B)内的喷水装置设置在蒸发器(3)的上方，所述结冰室(A)内的喷水装置设置在结冰室(A)的下方。

3.根据权利要求2所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于在结冰室(A)内、两个隔板(7)的侧面分别设有一组挡水网(8)。

4.根据权利要求1所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于所述蒸发室(B)内的喷水装置设置在蒸发器(3)的上方，所述结冰室(A)内的喷水装置设置在结冰室(A)的上部，并且在结冰室(A)内喷水装置的下方设有弹性淋水层(12)。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于在两个蒸发室(B)内都设有出风口朝向蒸发器的风机(13)。

6.根据权利要求5所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于在蒸发室下方设有折流-滚栅冰晶分离装置(9)，所述折流-滚栅冰晶分离装置(9)在结构上由上挡板(9-1)、滚栅(9-2)、刮板(9-3)和折流板(9-4)组成，所述滚栅(9-2)为网孔状柱面体，滚栅(9-2)的中间设有传动轴(9-5)；所述滚栅(9-2)设置在上挡板(9-1)与刮板(9-3)之间，并且滚栅(9-2)的下端与刮板(9-3)接触；所述折流板(9-4)的一端固定在上挡板(9-1)的底面上，折流板(9-4)的另一端向着滚栅(9-2)的方向弯曲过渡。

7.根据权利要求6所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于所述密闭空间(5)内设置的控制空气在结冰室(A)与蒸发室(B)之间循环的主风机(10)为两组，两组主风机(10)分别设置在两个蒸发室(B)内喷水装置的上方且出风口都朝向结冰室(A)。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于在蒸发室(B)下方设有折流-滚栅冰晶分离装置(9)，所述折流-滚栅冰晶分离装置(9)在结构上由上挡板(9-1)、滚栅(9-2)、刮板(9-3)和折流板(9-4)组成，所述滚栅(9-2)设置在上挡板9-1与刮板(9-3)之间，并且滚栅(9-2)的上端与上挡板(9-1)接触，滚栅(9-2)的下端与刮板(9-3)接触；所述折流板(9-4)的一端固定在上挡板(9-1)的底面上，折流板(9-4)的另一端向着滚栅(9-2)的方向弯曲过渡。

9.根据权利要求8所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于所述滚栅(9-2)为网孔状柱面体，滚栅(9-2)的中间设有传动轴(9-5)。

10.根据权利要求1、2、3或4所述的利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，其特征在于所述密闭空间(5)内设置的控制空气在结冰室(A)与蒸发室(B)之间循环的主风机(10)为两组，两组主风机(10)分别设置在两个蒸发室(B)内喷水装置的上方且出风口都朝向结冰室(A)。

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