CN1856684A - 用于热泵式水加热系统的除霜方法 - Google Patents

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Abstract

制冷剂循环流经蒸气压缩系统(20)，其包括压缩机(22)、气体冷却器(24)、膨胀装置(26)、和蒸发器(28)。当传感器(66)感测到水滴冻结在蒸发器(28)上时，位于压缩机排出口(62)与膨胀装置(26)的入口(64)之间的阀(60)打开。来自压缩机(22)的排出口的制冷剂旁通绕过气体冷却器(24)并进入膨胀装置(26)的入口。高温制冷剂融化在蒸发器(28)上的霜。当霜融化时，使得蒸发器的流动通道畅通以便空气流经蒸发器。

Description

用于热泵式水加热系统的除霜方法
技术领域
本发明总体上涉及一种具有位于压缩机出口和膨胀装置入口之间的阀的水加热系统，该阀用于蒸发器的除霜通道。
背景技术
含氯的制冷剂由于其具有破坏臭氧的可能性因此将逐渐地被淘汰。碳氢化合物(HFC)已经作为替代制冷剂，但是这些制冷剂仍然具有增加全球温室效应的可能。还提出使用“天然”制冷剂例如二氧化碳和丙烷作为替代流体。不利的是，这些流体中的绝大多数在使用中存在问题。二氧化碳具有较低的临界点，这使得使用二氧化碳的空调系统实际在临界点之上运行，或在大多数情况下过临界运行。亚临界的流体的压力是在饱和状态下(当液体和蒸气都存在时)的温度的函数。然而，当流体的温度高于临界温度(超临界)时，压力是流体的密度的函数。
在过临界蒸气压缩系统中，制冷剂在压缩机中被压缩到高压。当制冷剂进入气体冷却器时，热量从该高压制冷剂中排出。该热量传递给在散热装置中的流体介质，例如水。该流体介质由水泵泵送以便流经气体冷却器。接着，在流经膨胀装置之后，制冷剂膨胀到低压。该制冷剂随后流经蒸发器并从外界空气中获得热量。该制冷剂再进入压缩机从而完成该循环。
如果蒸发器的表面温度低于潮湿的外界空气的露点温度，则水滴会冻结在蒸发器翅片上。当蒸发器的表面温度低于凝固点时，水滴将冻结。积霜从冻结的水滴上生成并且阻塞流经蒸发器的空气通道。阻塞增加了流经蒸发器的压力降，减少了流经蒸发器的空气流，降低了热泵的性能，并且还降低了加热能力。
在现有技术中，蒸发器是通过关断气体冷却器的水泵来进行除霜的。来自压缩机的蒸发器流经气体冷却器，但是没有将热量排散给气体冷却器中的流体。该热的制冷剂膨胀并流经蒸发器以便对蒸发器进行除霜。该现有技术的系统的缺点在于，紧接在水泵关断之后，气体冷却器仍然被流体冷却。因此，当水泵关断时制冷剂必须流经气体冷却器以便对气体冷却器加温。一旦气体冷却器被加热，膨胀装置的开口度增加以便将温热的制冷剂提供给蒸发器。由于制冷剂必须流经长路径的气体冷却器，因此这样的系统还导致从压缩机出口到膨胀装置入口的压力降增加。这还需要使得膨胀装置的开口度增大。
因此，在本领域中需要提供一种克服现有技术的问题的改进的除霜方法。
发明内容
过临界蒸气压缩系统包括压缩机、气体冷却器、膨胀机、和蒸发器。制冷剂经封闭回路系统进行循环。优选的是，二氧化碳用做制冷剂。由于二氧化碳具有低临界点，因此使用二氧化碳作为制冷剂的系统通常需要蒸气压缩系统以过临界方式运行。
在制冷剂在压缩机中被压缩之后，制冷剂在气体冷却器中被冷却。水泵泵送水以便流经气体冷却器的散热装置。冷却水从制冷剂获得热量并离开散热装置。该制冷剂随后流经膨胀装置并膨胀为低压。在膨胀之后，制冷剂流经蒸发器并且被外界空气加热，从而以高焓且低压离开该蒸发器。
一阀位于压缩机排出口与膨胀阀入口之间。当传感器检测到在蒸发器流动通道上有水滴冻结开始形成时，控制器打开该阀以便执行除霜循环。来自压缩机的排出口的制冷剂旁通绕过第一热交换器并进入膨胀装置的入口。当除霜循环启动时，控制器关断水泵以便切断进入气体冷却器的散热装置的水流。
旁通绕过气体冷却器的该高温制冷剂进入蒸发器，并且融化在蒸发器流动通道上形成的霜。当霜融化时，使得蒸发器的流动通道畅通以便空气流经蒸发器流动通道。
参照以下的描述将更好地理解本发明的这些和其它的特征。
附图说明
通常参照以下的附图和当前的优选实施例，本领域的普通技术人员可容易地理解本发明的多个特征和优点。在附图中：
图1示出了使用本发明的阀的蒸气压缩系统的示意图；
图2示出了过临界蒸气压缩系统在正常工作过程中的热力图；
图3示出了过临界蒸气压缩系统在该阀打开时的热力图；
图4示出了本发明的蒸气压缩系统的第二示例的示意图；
图5示出了本发明的蒸气压缩系统的第三示例的示意图；
图6示出了本发明的蒸气压缩系统的第四示例的示意图；
图7示出了本发明的蒸气压缩系统的第五示例的示意图；
图8示出了在系统中使用的附加传感器的示意图。
具体实施方式
图1示出了蒸气压缩系统20，其包括压缩机22、散热的热交换器(作为过临界循环中的气体冷却器)24、膨胀装置26、和吸热的热交换器(蒸发器)28。
制冷剂循环流经封闭的回路循环20。优选的是，二氧化碳用做制冷剂。尽管参照二氧化碳进行描述，但是也可使用其它的制冷剂。由于二氧化碳具有较低的临界点，因此使用二氧化碳作为制冷剂的系统通常需要蒸气压缩系统20以过临界方式运行。
当以水加热模式工作时，制冷剂以高压和高焓离开压缩机22。该制冷剂随后流经气体冷却器24并且该制冷剂的热量散失，以便以低焓且高压离开气体冷却器24。例如水的流体介质散热装置30并且与流经气体冷却器24的制冷剂进行热交换。在气体冷却器24中，制冷剂将热量排散给流体介质，该流体介质吸收热量。水泵32泵送流体介质流经散热装置30。该冷却的流体34在散热装置入口进入散热装置30并且沿与制冷剂流向相反的方向流动。在与制冷剂进行热交换之后，被加热的水38在散热装置出口或供应口40处离开。
制冷剂随后流经膨胀装置26，并且压力下降。膨胀装置26可以是电子式膨胀阀(EXV)或其它类型的膨胀装置26。
在膨胀之后，制冷剂流经蒸发器28的通道42并且以高焓且低压离开。在蒸发器28中，外界空气将热量排散给吸热的制冷剂。外界空气44流经散热装置46并且与流经第二热交换器28的制冷剂进行热交换。外界空气经散热装置入口或返回口48进入散热装置46，并且沿与制冷剂流向相反或相交的方向流动。在与制冷剂进行热交换之后，被冷却的外界空气50经散热装置出口或供应口52离开散热装置46。该系统20将热量从低温的能量级(周围空气)传递给高温的能量级(被加热的热水)。能量的传递是借助对压缩机22的电能输入来实现的。当制冷剂流经蒸发器28时，外界空气与蒸发器28内的制冷剂之间的温度差驱使热能从外界空气传递给制冷剂。风扇54迫使外界空气流过蒸发器28，保持该温度差并使得制冷剂蒸发。
该系统20还包括收集器58。收集器58存储该系统20中的过多的制冷剂，以便控制该系统20的高压，并由此控制制冷系数(COP)。
阀60位于压缩机22的排出口62与膨胀阀26的入口64之间。当传感器66检测到需要除霜的情况时，控制器68打开阀60以便执行除霜循环。来自压缩机22的排出口62的制冷剂旁通绕过气体冷却器24并进入膨胀装置26的入口64。控制器68还关断水泵32以便切断进入气体冷却器24的冷却水34的流动。在一个示例中，当在蒸发器28的盘管上积聚有霜时，需要进行除霜。
当传感器66检测到不再需要除霜时，控制器68关断阀60，以便使得该系统20返回到正常操作。
该阀60的尺寸如此确定，即，使得经过阀60的压力降明显小于经过气体冷却器24的压力降。因此，来自压缩机22的绝大部分制冷剂流经阀60并进入膨胀装置26。该热的制冷剂借助膨胀装置26进行节流，并且输送到蒸发器28。该高温的制冷剂流经蒸发器28的通道42，以便加热蒸发器28并使得在蒸发器28上的霜融化。在除霜循环中控制该膨胀阀26以便使得压缩机22功率最大化并加强除霜过程。
图2示出了蒸气压缩系统20在正常工作过程中的热力图。制冷剂以高压且高焓离开压缩机22，如图2中的点A所示。当制冷剂以高压流经气体冷却器24时，该制冷剂的热量和焓散失给流体介质，以便以低焓且高压离开气体冷却器24，如点B所示。当制冷剂流经膨胀阀26时，存在如点C所示的压力降低。在膨胀之后，制冷剂流经蒸发器28并且以高焓且低压离开，如点D所示。在制冷剂流经压缩机22时，该制冷剂再次获得高压和高焓以便完成该循环。
图3示意地示出了蒸气压缩系统20在除霜模式中的热力图。制冷剂流经压缩机22并以高压且高焓离开压缩机22，如点E所示。当阀60打开时，该制冷剂旁通绕过气体冷却器并流经阀60。该制冷剂随后流向膨胀阀26。该热的制冷剂借助膨胀阀26膨胀到低压，如点F所示。该热的制冷剂随后流经蒸发器28。在蒸发器28中该热的制冷剂将热量排散给蒸发器28，以便融化在蒸发器28的通道上的积霜。在流经蒸发器28之后，制冷剂以低焓且低压离开，如点G所示。该制冷剂再次进入压缩机22以便完成该循环20。
图4示意地示出了本发明的系统20的变型示例。该系统20还包括位于压缩机22的排出口62与气体冷却器24之间的阀70。在一个示例中，该阀70是电磁阀。阀70的开口度和关闭度是可改变的。当传感器66检测到需要进行除霜的情况时，控制器68打开阀60并关闭阀70，以便防止来自压缩机22的制冷剂进入气体冷却器24。当传感器66检测到不再需要除霜时，控制器68关闭阀60并且打开阀70，以便来自压缩机22的制冷剂进入气体冷却器24。
图5示意地示出了本发明的系统20的变型示例。该系统20还包括位于气体冷却器24与膨胀装置26的入口64之间的阀71。当传感器66检测到需要进行除霜的情况时，控制器68打开阀60并关闭阀71，以便防止来自气体冷却器24的制冷剂进入膨胀装置26。当传感器66检测到不再需要除霜时，控制器68关闭阀60并且打开阀71，以便来自气体冷却器24的制冷剂进入膨胀装置26。
图6示意地示出了本发明的系统20的变型示例。该系统20还包括位于压缩机22的排出口62、气体冷却器24、与膨胀装置26之间的三通阀72。该阀72包括通向压缩机22的排出口62的端口76、通向气体冷却器24的端口74、和通向膨胀装置26的入口64的端口78。当传感器66检测到需要进行除霜的情况时，控制器68打开端口76和78并关闭端口74，以便防止来自压缩机22的制冷剂进入气体冷却器24。当传感器66检测到不再需要除霜时，控制器68关闭端口78并且打开端口74，以便来自压缩机22的制冷剂进入气体冷却器24。
图7示意地示出了本发明的系统20的变型示例。该系统20还包括位于气体冷却器24、膨胀装置26、与压缩机22的排出口62之间的三通阀80。该阀80包括通向气体冷却器24的端口82、通向膨胀装置26的入口64的端口84、和通向压缩机22的排出口62的端口86。当传感器66检测到需要进行除霜的情况时，控制器68打开端口86并关闭端口82，以便防止来自气体冷却器24的制冷剂进入膨胀装置26。当传感器66检测到不再需要除霜时，控制器68关闭端口86并且打开端口82，以便来自气体冷却器24的制冷剂进入膨胀装置26。
如图8所示，膨胀装置26的节流孔尺寸可进行调节以便控制蒸气压缩系统20的各个特征。在一个示例中，传感器90感测经入口88进入气体冷却器24的制冷剂的温度。如果在气体冷却器24的入口88处的制冷剂温度超过门限数值，控制器68调节膨胀装置26的节流孔尺寸。在一个示例中，门限数值是212F。或者，传感器92感测压缩机22的功率。如果压缩机22的功率超过门限数值，控制器68调节膨胀装置26的节流孔尺寸。最后，传感器94感测蒸气压缩系统20的高压侧压力。如果高压侧压力超过门限数值，控制器68调节膨胀装置26的节流孔尺寸。
以上的描述仅是本发明原理的示例。虽然已示出并描述了本发明的基本特征，但是应该理解的是，在不脱离本发明精神或保护范围的前提下，本领域中普通技术人员可作出各种替代、修正、和改变。因此，所有这些修正或改变都包含在以下权利要求中所限定的本发明的保护范围内。

Claims (20)

1.一种蒸气压缩系统，其包括：
将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
用于冷却该制冷剂的散热的热交换器，流体从该制冷剂获得热量；
用于使得该制冷剂降低到低压的膨胀装置；
在该压缩装置的排出口与该膨胀装置的入口之间控制制冷剂流动的阀；和
用于使得该制冷剂蒸发的吸热的热交换器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该流体是水。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一检测所述吸热的热交换器的除霜条件的传感器和一控制器，当该传感器检测到所述除霜条件时该控制器打开该阀。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，来自该压缩机的所述制冷剂流经该阀、该膨胀装置、和吸热的热交换器，以便融化在所述吸热的热交换器上的霜。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，当该传感器没有检测到所述除霜条件时该控制器关闭该阀。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括抽取所述流体以便使其流经所述散热的热交换器的泵。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，当该控制器打开该阀时，该控制器关断该泵。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该制冷剂是二氧化碳。
9.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括位于该压缩装置的排出口和该气体冷却器之间的第二阀，并且当该传感器检测到所述除霜条件时该控制器关闭该第二阀。
10.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括位于该气体冷却器和该膨胀装置的入口之间的第二阀，并且当该传感器检测到所述除霜条件时该控制器关闭该第二阀。
11.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述阀包括与该压缩装置的排出口流体连通的第一端口、与所述散热的热交换器流体连通的第二端口、以及与该膨胀装置的入口流体连通的第三端口，并且当该传感器检测到所述除霜条件时该控制器关闭该第二端口并打开该第三端口，当该传感器没有检测到所述除霜条件时该控制器打开该第二端口并关闭该第三端口。
12.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述阀包括与该膨胀装置的入口流体连通的第一端口、与所述散热的热交换器流体连通的第二端口、以及与该压缩装置的排出口流体连通的第三端口，并且当该传感器检测到所述除霜条件时该控制器关闭该第二端口并打开该第三端口，当该传感器没有检测到所述除霜条件时该控制器打开该第二端口并关闭该第三端口。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该膨胀装置可调节成便于控制所述散热的热交换器中的所述制冷剂的入口温度、所述压缩机的功率、和所述高压中之一。
14.一种蒸气压缩系统，其包括：
将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
用于冷却该制冷剂的散热的热交换器，流体从该制冷剂获得热量；
抽取所述流体以便使其流经所述散热的热交换器的泵；
用于使得该制冷剂降低到低压的膨胀装置；
在该压缩装置的排出口与该膨胀装置的入口之间控制制冷剂流动的阀；
用于使得该制冷剂蒸发的吸热的热交换器；
检测所述吸热的热交换器的除霜条件的传感器；和
控制器，当该传感器检测到所述除霜条件时该控制器打开该阀，并且来自该压缩机的所述热的制冷剂流经该阀、该膨胀装置、和吸热的热交换器，以便融化在所述吸热的热交换器上的霜。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，当该传感器检测到在所述吸热的热交换器上没有所述霜时，该控制器关闭该阀。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，当该控制器打开该阀时，该控制器关闭该泵。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，该制冷剂是二氧化碳。
18.一种调控过临界蒸气压缩系统的高压的方法，其包括以下步骤：
提供吸热的热交换器；
将制冷剂压缩到高压；
通过与流体的热交换来冷却该制冷剂，该流体从该制冷剂获得热量；
使得该制冷剂膨胀到低压；
使得该制冷剂在所述吸热的热交换器中蒸发；
感测所述吸热的热交换器的除霜条件；
使得制冷剂从该压缩步骤流向该膨胀步骤；和
当感测所述除霜条件的步骤表明所述除霜条件必需时，融化在所述吸热的热交换器上的霜。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括感测到在所述吸热的热交换器上没有霜并且阻断制冷剂从该压缩步骤流向该膨胀步骤的流动的步骤。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该制冷剂是二氧化碳。
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