CN1898506A - 具有多级式热交换器的热泵 - Google Patents

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CN1898506A
CN1898506A CNA2004800386162A CN200480038616A CN1898506A CN 1898506 A CN1898506 A CN 1898506A CN A2004800386162 A CNA2004800386162 A CN A2004800386162A CN 200480038616 A CN200480038616 A CN 200480038616A CN 1898506 A CN1898506 A CN 1898506A
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gas
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CNA2004800386162A
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上野勋
长谷川达也
大栗赖之
永田谦二
谷藤浩二
野泽克行
增田泰士
藤田真弘
里见龙义
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Inst Eco & Economy System Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/04—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
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Abstract

本空调机系统在普通空冷式冷凝器(2)之后增设了空冷式冷凝器(2′)，该冷凝器(2′)的气管横截面积与冷凝器(2)的气管横截面积之比小于等于70％，并且，以使增设的空冷式冷凝器(2′)和普通的空冷式冷凝器(2)同时在相同温度的大气下进行热交换的方式并列设置。这样，对于本空冷式空调机来说，不仅能提高热泵的效率，同时也可在采用单一的新的替代冷媒气体HFC、特别是HFC134a的条件下运转。

Description

具有多级式热交换器的热泵
技术领域
本发明涉及由压缩机1、空冷式冷凝器2、膨胀阀3或毛细管4、蒸发器5构成的热泵，涉及其冷媒气体是HCFC系的一般冷媒气体时的运转能力的提高，以及冷媒气体采用HFC系的冷媒气体、特别是单一的134a冷媒气体时的运转及其能力的高效化。
背景技术
被称为冷凝器的热泵室外机的空冷热交换器，其气管的配管采用直径为普通单一相同直径的被称为3分管的Φ9.5mm的配管，有时也可采用比3分管或粗或细的配管，但一般情况下要求使用同一直径的管进行配置。因此，本发明通过在增设的冷凝器中减小气管的横截面积，着眼于空冷式冷凝器的散热能力而使热泵的能力得以提高，并且，可通过充分地进行冷媒气体的冷凝来解决HFC系冷媒气体与油的相溶性问题，从而可以大大地改善热泵的运转能力。
发明内容
用图1的框图来说明技术方案1，热泵是用气管6的配管连接压缩机1、空冷式普通冷凝器2、膨胀阀3以及蒸发器5、并且用气管7的配管连接蒸发器5和压缩机1而构成的系统，其特点是在空冷式冷凝器2上又增设了冷凝器2′。
用图2的框图来说明技术方案2。热泵是用气管6的配管连接压缩机1、四通阀8、空冷式普通冷凝器2、毛细管4以及蒸发器5、并且借助四通阀8用气管7的配管连接蒸发器5和压缩机1而构成的系统。其特点是，在制冷时，在冷凝器2上增设了冷凝器2′；制热时，将蒸发器5作为冷凝器而使用，在该蒸发器5上增设了冷凝器2′。
流经增设的空冷式冷凝器2′和空冷式冷凝器2的冷媒气体的配管，其管的横截面积之比小于等于70％、最好小于等于50％，从而可以实现与大气的热交换的高效化，并且能够提高冷媒气体的冷凝。为了使增设的冷凝器2′和普通的空冷式冷凝器2同时与同温度的大气进行热交换，该结构的构成和配置为以下几种：将增设的冷凝器2′分别安装在普通冷凝器2的上部(如图4)、下部(如图5)、中部(如图6)。
对于冷媒气体，高温高压的气体从压缩机1排出，在空冷式冷凝器2中与大气进行热交换，成为普通的冷凝状态，接着将该气体送到空冷式冷凝器2′中，在气体配管的横截面积变小的增设空冷式冷凝器2′中再次与同温度的大气进行热交换以实现完全冷凝，使冷媒的温度下降。结果，促进了冷媒气体的冷凝，而因为冷凝温度的下降，即使使用普通HCFC系列的冷媒气体，也能提高热泵的运转效率。
因为HFC系列的冷媒气体的分子结构中无氯原子，所以不溶于矿物系的润滑油，这样油在蒸发器中就会产生分离，因此在通常单一冷媒气体下不可能运转。但是，即使是HFC系的冷媒气体、特别是134a完全冷凝后的冷媒气体，也与油有很好相溶性，因而使得热泵的运转成为可能。
附图说明
图1用框图来表示技术方案1所记载的热泵的结构。
图2用框图来表示技术方案2所记载的热泵的结构。
图3表示将增设冷凝器2′增设于普通空冷式冷凝器2的上部、并使该2′和2的气体配管的管的截面之比小于等于70％的结构。
图4是将增设冷凝器2′附加到普通空冷式冷凝器2的上部的结构的侧视图。
图5是将增设冷凝器2′附加到普通空冷式冷凝器2的下部的结构的侧视图。
图6是将增设冷凝器2′附加到普通空冷式冷凝器2的中间的结构的侧视图。
图7表示冷凝时冷媒温度的变化量。
图8表示蒸发时冷媒温度的变化量。
图9表示热泵系统中的电源的电流值。
图10表示制冷系数COP值的比较。
具体实施方式
使用的设备是空冷空调3HP，采用该设备时的参数如下。空冷式冷凝器的散热能力通常为9000kcal/h。增设冷凝器2′的散热能力为4000kca/h，是气管的横截面积比小于等于普通冷凝器的横截面积50％的空冷式冷凝器，并将该增设冷凝器2′安装在普通冷凝器的上部。装置的结构和配置都是为了使增设冷凝器2′和普通冷凝器2能够同时与相同温度的大气进行热交换。
空冷式空调3HP所使用的冷媒气体为HCFC22，其气体量为2.4kg。表1给出了未增设有增设冷凝器2′的情况下空冷式空调的运转数据。
表2给出了在冷媒仍为HCFC22的情况下、通过普通空冷式冷凝器2与大气进行热交换之后，再通过增设冷凝器2′而运转的数据。
横轴为下面列出的20项测量项目，纵轴为测定经过时间(分)。
1.压缩机吸入口处的气体温度(℃)
2.压缩机排出口处的气体温度(℃)
3.普通冷凝器入口处的气体温度(℃)
4.普通冷凝器出口处的气体温度(℃)
5.增设冷凝器入口处的气体温度(℃)
6.增设冷凝器出口处的气体温度(℃)
7.毛细管入口处的气体温度(℃)
8.毛细管出口处的气体温度(℃)
9.蒸发器出口处的气体温度(℃)
10.冷凝器吸入的气体温度(℃)
11.冷凝器排出的气体温度(℃)
12.增设冷凝器吸入的气体温度(℃)
13.增设冷凝器排出的气体温度(℃)
14.蒸发器吸入的空气温度(℃)
15.蒸发器排出的空气温度(℃)
16.压缩机的吸入部压力(MPa)
17.压缩机的排出部压力(MPa)
18.普通冷凝器的出口部压力(MPa)
19.增设冷凝器的出口部压力(MPa)
20.电流值(A)
表1
时间   测量项目
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
  5   22.72   84.03   75.41   41.73   -   -   40.83   11.45   24.29   32.78
  10   24.37   93.40   84.03   44.81   -   -   44.08   11.56   24.09   34.95
  15   25.01   97.94   88.20   46.69   -   -   45.91   12.25   24.49   36.09
  20   25.39   100.85   91.49   47.83   -   -   47.11   12.85   24.98   36.83
  25   25.86   102.87   93.48   48.61   -   -   47.93   13.39   25.49   37.31
  30   26.03   103.84   94.69   49.35   -   -   48.67   13.87   25.88   37.84
  35   26.31   104.97   96.06   49.88   -   -   49.27   14.07   26.24   38.24
  40   26.79   105.93   96.44   50.14   -   -   49.53   14.29   26.82   38.41
  45   27.10   106.58   97.12   50.51   -   -   49.95   14.49   27.52   38.61
  50   27.43   107.02   97.60   50.83   -   -   50.26   14.43   27.68   38.97
  55   27.80   107.77   97.52   51.27   -   -   50.64   14.61   27.86   39.11
  60   27.97   107.80   98.40   51.52   -   -   51.00   14.67   28.31   39.33
  65   28.33   108.60   99.03   51.78   -   -   51.26   14.81   28.80   39.51
  70   28.59   109.02   99.49   51.98   -   -   51.51   14.88   29.19   39.78
  75   28.83   109.70   99.55   52.15   -   -   51.72   15.09   29.22   39.96
  80   29.04   109.96   100.34   52.21   -   -   51.81   15.17   29.42   39.94
  85   29.22   110.15   100.09   52.40   -   -   52.07   15.18   29.83   40.12
  90   29.22   110.53   101.85   52.29   -   -   52.12   15.16   30.02   39.59
时间   测量项目
  11   12   13   14   15   16   17   18   19   20
  5   41.38   -   -   33.29   20.68   0.345   1.74   1.73   -   8.72
  10   44.57   -   -   34.14   19.82   0.360   1.82   1.81   -   9.13
  15   46.41   -   -   35.01   19.82   0.370   1.93   1.90   -   9.34
  20   47.66   -   -   35.95   20.25   0.380   1.96   1.95   -   9.40
  25   48.50   -   -   36.52   20.56   0.381   1.99   1.98   -   9.54
  30   49.26   -   -   37.42   20.82   0.390   2.02   2.01   -   9.62
  35   49.86   -   -   37.87   21.28   0.390   2.05   2.04   -   9.60
  40   50.17   -   -   38.59   21.78   0.392   2.05   2.04   -   9.85
  45   50.51   -   -   39.08   22.09   0.398   2.07   2.06   -   9.87
  50   50.83   -   -   39.72   22.48   0.400   2.09   2.07   -   9.82
  55   51.21   -   -   39.87   22.69   0.400   2.10   2.10   -   9.98
  60   51.52   -   -   40.56   23.09   0.401   2.12   2.11   -   10.04
  65   51.77   -   -   40.86   23.38   0.409   2.12   2.12   -   10.05
  70   51.99   -   -   41.29   23.66   0.409   2.15   2.14   -   9.98
  75   52.18   -   -   41.60   23.90   0.410   2.15   2.14   -   10.08
  80   52.28   -   -   41.77   24.10   0.410   2.15   2.15   -   10.06
  85   52.47   -   -   42.04   24.29   0.410   2.16   2.15   -   10.19
  90   52.47   -   -   42.23   24.38   0.410   2.16   2.16   -   10.30
表2
时间   测量项目
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
  5   23.05   85.66   75.22   41.11   41.08   38.69   38.51   10.09   24.75   32.67
  10   25.78   96.11   83.45   43.77   43.72   41.71   41.67   10.14   24.79   35.09
  15   26.49   100.81   89.22   44.82   44.96   42.98   42.99   10.47   25.25   35.53
  20   26.92   103.21   92.16   45.96   46.16   44.16   44.15   11.03   25.60   36.48
  25   27.40   105.77   94.05   46.79   47.03   45.02   45.06   11.73   26.25   36.98
  30   27.71   106.96   95.15   47.45   47.74   45.70   45.72   11.61   26.83   37.64
  35   28.21   108.17   96.31   48.23   48.47   46.44   46.44   12.27   27.18   38.35
  40   28.52   108.99   97.44   48.73   49.00   46.92   46.95   12.30   27.96   38.88
  45   28.86   109.66   97.92   48.98   49.16   47.09   47.21   12.57   28.17   38.93
  50   29.19   110.21   98.15   49.11   49.33   47.25   47.39   12.65   28.41   38.91
  55   29.60   110.52   98.93   49.48   49.62   47.54   47.59   12.97   28.82   39.41
  60   29.83   111.04   98.69   50.06   50.16   48.03   48.14   13.07   29.22   39.99
  65   30.11   111.23   99.09   50.24   50.37   48.23   48.35   13.36   29.61   40.12
  70   30.40   111.60   99.60   50.71   50.81   48.70   48.86   13.41   29.77   40.42
  75   30.75   112.44   99.92   50.96   51.04   48.91   49.15   13.42   30.36   40.97
  80   31.02   112.80   100.56   50.91   51.03   48.94   49.14   13.72   30.41   40.72
  85   31.12   112.94   100.95   51.12   51.22   49.15   49.34   13.74   30.69   40.89
  90   31.28   113.35   102.59   51.13   51.42   49.40   49.59   13.84   30.69   40.63
时间   测量项目
  11   12   13   14   15   16   17   18   19   20
  5   40.32   34.29   37.83   33.50   21.52   0.310   1.47   1.62   1.55   8.54
  10   43.20   36.57   40.84   34.72   21.17   0.320   1.71   1.68   1.62   8.71
  15   44.39   37.92   42.22   35.78   21.41   0.322   1.76   1.74   1.67   8.78
  20   45.65   38.93   43.48   36.60   21.01   0.330   1.81   1.78   1.73   8.96
  25   46.56   39.74   44.40   37.24   21.25   0.340   1.85   1.83   1.75   9.07
  30   47.29   40.35   45.09   38.11   21.63   0.341   1.88   1.85   1.79   8.95
  35   48.11   41.00   45.85   38.63   22.01   0.350   1.90   1.88   1.83   9.13
  40   48.67   41.37   46.36   39.37   22.47   0.352   1.94   1.90   1.83   9.33
  45   48.94   41.61   46.64   39.75   22.75   0.358   1.95   1.92   1.85   9.33
  50   49.04   41.72   46.77   40.36   23.11   0.360   1.95   1.90   1.85   9.21
  55   49.40   42.02   47.07   40.47   23.35   0.360   1.95   1.94   1.88   9.36
  60   49.99   42.44   47.57   40.91   23.64   0.360   1.98   1.95   1.90   9.41
  65   50.16   42.63   47.76   41.27   23.90   0.369   2.01   1.98   1.90   9.48
  70   50.64   42.93   48.19   41.89   24.18   0.365   2.01   1.98   1.94   9.61
  75   50.92   43.11   48.41   42.21   24.55   0.370   2.05   2.01   1.92   9.53
  80   50.83   43.14   48.40   42.25   24.63   0.368   2.03   1.99   1.93   9.45
  85   51.06   43.36   48.60   42.74   24.79   0.370   2.05   2.01   1.95   9.51
  90   51.12   43.65   48.76   42.71   24.93   0.370   2.06   2.02   1.95   9.50
图7表示冷凝时冷媒气体温度的变化量。这些值是由冷媒气体的冷凝器入口温度和出口温度的温度差而求得的，而在引入了增设冷凝器的情况下，这些值是由普通冷凝器的入口温度和增设冷凝器的出口温度的温度差而求得的。
图8表示蒸发时冷媒气体温度的变化量。这些值表示冷媒气体的蒸发器入口温度和出口温度的温度差。若分析这些结果，则可以理解通过使冷媒气体过冷凝，可在蒸发器使用更大的蒸发潜热。
图9表示热泵系统的电源的电流值。图10表示制冷系数COP值的比较(COP比)。这些值是与以采用HCFC22冷媒而进行普通运转为基准得到的制冷系数COP所进行的比较，这些值是通过以下方法而计算出来的，即用增设冷凝器并在HCFC22或HFC134a条件下运转时的COP除以未增设冷凝器并在HCFC22条件下运转时的COP而得到的。能够理解虽然在使用冷媒气体HCFC22时，增设冷凝器后与增设之前相比，其电流值下降了，但若对这些制冷系数COP进行计算并加以比较，则可以证实增设冷凝器后的COP提高了约5％。
从空冷式空调装置中去掉冷媒气体HCF22并加入规定量的新的冷媒气体HFC134a而后运转的数据由表3给出。
表3
  时间   测量项目
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
  5   21.24   67.77   59.29   35.11   35.15   34.17   34.36   5.14   26.32   29.98
  10   27.11   77.44   67.42   37.03   37.11   36.10   36.41   6.73   27.58   31.31
  15   26.96   78.46   69.13   39.30   39.33   36.68   36.71   12.97   27.01   32.61
  20   24.73   78.84   69.62   40.64   40.73   38.36   38.57   16.00   26.33   33.70
  25   25.32   79.00   70.27   41.52   41.64   39.23   39.40   15.65   27.14   34.41
  30   26.76   79.61   70.25   42.32   42.34   39.78   39.89   16.29   28.26   35.06
  35   27.38   81.18   71.93   42.85   42.95   40.44   40.51   16.56   28.85   3548
  40   28.38   82.68   72.99   43.35   43.41   40.92   41.07   16.37   29.67   35.86
  45   28.41   83.04   73.63   43.71   43.91   41.43   41.60   17.23   30.00   36.23
  50   28.82   82.95   73.89   44.09   44.26   41.81   42.03   17.27   30.67   36.65
  55   29.83   84.05   75.33   44.19   44.42   41.92   42.07   17.04   31.42   36.75
  60   29.88   84.56   75.35   44.40   44.61   42.15   42.35   17.40   31.26   36.81
  65   30.15   85.24   75.58   44.57   44.77   42.24   42.47   17.34   31.69   37.07
  70   30.17   84.86   75.82   45.01   45.23   42.77   43.03   18.15   31.94   37.42
  75   30.53   85.14   76.05   45.39   45.47   43.02   43.32   18.52   32.37   37.59
  80   30.93   85.87   76.55   45.48   45.68   43.19   43.40   18.12   32.64   37.89
  85   31.43   86.66   77.41   45.66   45.90   43.43   43.66   17.99   33.13   38.06
  90   31.24   86.54   77.49   45.80   46.05   43.67   44.06   18.36   33.19   38.12
时间   测量项目
  11   12   13   14   15   16   17   18   19   20
  5   34.58   30.71   30.65   33.44   23.49   0.110   0.90   0.88   0.82   6.10
  10   36.48   32.27   32.22   35.12   23.97   0.123   0.94   0.92   0.86   6.00
  15   38.81   33.78   36.42   36.48   22.98   0.192   0.94   0.99   0.94   6.37
  20   40.14   35.08   38.09   37.07   23.45   0.198   1.03   1.02   0.95   6.20
  25   41.00   35.82   39.04   37.13   22.95   0.203   1.05   1.04   0.97   6.28
  30   41.74   36.27   39.74   38.42   23.80   0.209   1.08   1.06   0.99   6.33
  35   42.33   36.83   40.38   39.13   24.24   0.210   1.10   1.07   1.00   6.30
  40   42.81   37.43   40.91   39.84   24.98   0.202   1.12   1.08   1.02   6.32
  45   43.25   37.79   41.38   40.40   25.42   0.211   1.15   1.11   1.04   6.43
  50   43.62   38.09   41.77   40.83   25.84   0.216   1.15   1.12   1.05   6.46
  55   43.76   38.34   41.93   41.38   26.38   0.210   1.15   1.12   1.05   6.41
  60   43.94   38.46   42.11   41.59   26.61   0.208   1.15   1.12   1.05   6.39
  65   44.11   38.59   42.27   42.03   26.97   0.210   1.16   1.12   1.05   6.41
  70   44.56   38.93   42.66   42.29   27.17   0.220   1.19   1.15   1.07   6.49
  75   44.84   39.14   42.93   42.64   27.36   0.222   1.20   1.15   1.09   6.55
  80   45.03   39.40   43.15   42.81   27.61   0.215   1.20   1.15   1.10   6.51
  85   45.21   39.65   43.36   42.98   28.00   0.218   1.21   1.16   1.09   6.53
  90   45.32   39.77   43.55   43.32   28.11   0.215   1.21   1.16   1.10   6.48
冷媒气体的冷凝状态可以通过在增设冷凝器的出入口处安装的检视窗来观察气泡的混入状态。其结果是，若从气泡的混入状态判断，则冷媒气体在增设冷凝器的入口处只有少量的冷凝，而在其出口处几乎完全冷凝了。结果可以断定，空调机可以正常工作，可以长时间连续运转。其制冷系数COP与在HCFC22条件下的运转相比提高了约40％。
在没有增设冷凝器2′而仅用单一气体HFC134a冷媒运转的情况下，由于与矿物油的相溶性差，矿物油在蒸发器中会产生分离，不与冷媒气体一同返回到压缩机，这样压缩机持续工作约2小时就会被烧坏。但是，增设有冷凝器2′的空调机却可以正常工作，并已经被充分地证实实际上可以长时间的运转。
对于空调机，在仅采用单一的冷媒气体HFC134a时，因为冷媒气体HFC134a与矿物油没有相溶性，所以，矿物油在蒸发器中会发生分离，从而通常不能用单一气体进行运转，然而，其运转功能已经通过增设冷凝器来实施发明的最佳方式而加以证实了。
符号说明
1…压缩机
2…普通空冷式冷凝器
2′…增设空冷式冷凝器
3…膨胀阀
4…毛细管
5…蒸发器
6…连接压缩机1、冷凝器2、冷凝器2′、膨胀阀3的高压气管
7…连接蒸发器5和压缩机1的低压气管
8…四通阀

Claims (2)

1.一种空冷式冷凝器的热泵，包括压缩机(1)、普通空冷式冷凝器(2)、膨胀阀(3)、蒸发器(5)，该冷凝器(2)增设了冷凝器(2′)；空冷式冷凝器的结构为，冷媒气体流经冷凝器(2)和冷凝器(2′)，但冷凝器(2′)的气管横截面积与冷凝器(2)的气管横截面积之比小于等于70％，最好小于等于50％；这两者之间的配置是，通过并列设置增设冷凝器(2′)和普通空冷式冷凝器(2)，以使空冷用的大气能同时以相同的温度通过的方式，使两个冷凝器成为不重合的一体化结构。
2.一种空冷式冷凝器的热泵，包括压缩机(1)、普通空冷式冷凝器(2)、毛细管(4)、蒸发器(5)；在制冷时，该冷凝器(2)增设了冷凝器(2′)；在制热时，冷凝器(2)作为蒸发器而工作，蒸发器(5)作为冷凝器而工作，所以，蒸发器(5)增设了冷凝器(2′)；在制冷、制热运转的任一情况下，冷凝器(2′)可以通过切换四通阀(8)来发挥作为冷凝器的作用；空冷式冷凝器的结构为，冷媒气体流经冷凝器(2)和冷凝器(2″)，但冷凝器(2′)的气管横截面积与冷凝器(2)的气管横截面积之比小于等于70％，最好小于等于50％；这两者之间的配置是，通过并列设置增设冷凝器(2′)和普通空冷式冷凝器(2)，以使空冷用的大气能同时以相同的温度通过的方式使两个冷凝器成为不重合的一体化结构。
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