CN218821098U - 一种开式低环温空气循环高温热泵机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于低碳节能设备技术领域，涉及一种开式低环温空气循环高温热泵机组，其包括循环空气进口(1)、空气过滤器(2)、回热器(3)、空气压缩机(4)、油气分离器(5)、一级换热器(6)、油过滤器(7)、增压装置(9)、二级换热器(10)、膨胀机(11)、消音装置(13)和循环空气出口(14)。本实用新型提出了使用空压机润滑油油路循环初级供热，实现低环境温度工况下高温供热水/空气，其循环工质为空气，绿色环保；其采用回热器、膨胀端功回收、双级换热、高效换热器等设计，极大地提高了系统能效。

Description

一种开式低环温空气循环高温热泵机组

技术领域

本实用新型属于低碳节能设备技术领域，涉及一种高温热泵机组，特别涉及一种从空气中吸热、以空气为循环介质的高温热泵机组。

背景技术

空气源热泵作为一种高效利用电能而不产生污染的采暖方式已广泛应用于人们的日常生活中。但是，一方面，在寒冷气候地区冬季供暖期间(尤其当环境温度低于-25℃时)，随着环境温度/热负荷的增加，常规空气源热泵供暖机组制热能力和制热效率衰减严重，甚至无法开机运行。为了解决低温工况对机组制热能效的影响，电辅热、喷气增焓等技术被开发和使用，但本质上蒸汽压缩空气源热泵供暖机组仍存在热需求和热容量不匹配的问题。另一方面，当蒸发器表面温度低于0℃时，蒸发器表面易结霜，这不仅增加了热阻，还阻碍了气流，不可避免地会迅速降低能效。为了解决此结霜问题，研究人员提出了许多解决方案，如电加热器除霜、逆循环除霜和热气旁路除霜，这些方法在除霜方面确实有效，但大都是牺牲了系统效率来实现。再另一方面，常规热泵系统使用的是氟利昂类工质，大多是具有高GWP值和ODP值的有机工质，如R134a、R410a等，仍属于环境不友好型物质，也正面临越来越严格的使用限制，未来可预见将被逐步淘汰。相比之下，空气是一种天然、安全、环保的工质，因此，使用空气作为工作流体的逆布雷顿循环(空气循环热泵系统)可作为传统蒸汽压缩循环的潜在替代方案。空气循环热泵系统由于其在低温工况条件下的优异性能，被认为是常规热泵系统替代的、极具潜力的技术之一。

例如，专利CN201710959515.8公开了一种空气循环压缩式空气源热泵机组，其解决了现有常规热泵机组在环境温度降低时制热量衰减大、能效低等问题，但其未涉及到膨胀机如何在系统中回收膨胀功，另外其实现高温供热的方式采用空气侧的多级压缩和级间冷却技术，也未涉及到空压机油循环回路高效供热技术。专利CN201810747699.6提出了一种将涡轮增压器应用于空气循环热泵系统的装置，将主动增压端与膨胀机功回收用的增压端并联使用，从而提高整系统的制热性能。专利CN201810905343.0提出将闭式空气循环热泵系统应用于在寒冷及严寒地区，以制备高温热水。专利CN201810688220.6和专利CN202110571812.1还提出将空气循环热泵系统应用于空调领域。然而，仍未有人提出将开式空气循环热泵系统中膨胀机功回收利用的膨胀端与空压机串联，并使用空压机处油路循环冷却作为一级供热，从而实现热泵机组在低温工况下的高效高温供热，也未有人提出将空气循环系统与现有常规热泵结合为复叠系统，以实现热泵超高温供热。

鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的空气循环高温热泵机组。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种开式低环温空气循环高温热泵机组，其实现了在低环境温度工况下高温供热水/空气的有益效果，解决了常规空气源热泵在低温工况下效率低且衰减严重的问题，同时也解决了低温工况下因蒸发器结霜导致系统性能衰减和除霜/化霜问题，不存在非环保工质使用的问题，也不存在由于相关环保法规政策施行而导致设备被淘汰的风险。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种开式低环温空气循环高温热泵机组，其包括循环空气进口、空气过滤器、回热器、空气压缩机、油气分离器、一级换热器、油过滤器、增压装置、二级换热器、膨胀机、消音装置和循环空气出口，其特征在于，所述循环空气进口和循环空气出口与环境大气相连，所述循环空气进口与所述空气过滤器的入口相连，所述空气过滤器的出口与所述回热器的低温空气入口相连，所述回热器的低温空气侧出口与所述空气压缩机的入口相连，所述空气压缩机的出口与所述油气分离器的入口相连，所述油气分离器的出气口与所述增压装置的入口相连，所述增压装置的出口与所述二级换热器的进气口相连，所述二级换热器的出气口与所述回热器的高温空气入口相连，所述回热器的高温空气出口与所述膨胀机的入口相连，所述膨胀机的出口与所述消音装置的入口相连，所述消音装置的出口与所述循环空气出口相连，所述油气分离器的出油口与所述一级换热器的油入口相连，所述一级换热器的油出口与所述油过滤器的入口相连，所述油过滤器的出口与所述空气压缩机的进油口相连。

优选地，所述空气压缩机为螺杆型、活塞型、转子型、涡旋型、直线型或离心型。

优选地，所述油过滤器的出口与所述空气压缩机的进油口之间设有油泵。

优选地，所述增压装置和膨胀机通过传动装置相连。

优选地，所述开式低环温空气循环高温热泵机组进一步包括第一冷水进口和第一热水出口，所述第一冷水进口与所述一级换热器的进水口相连，所述一级换热器的出水口与所述二级换热器的进水口相连，所述二级换热器的出水口与所述第一热水出口相连。

优选地，所述开式低环温空气循环高温热泵机组进一步包括双级换热器壳体和第一换热器风机，所述双级换热器壳体用于将所述一级换热器和二级换热器进行串联，所述第一换热器风机设置在所述双级换热器壳体的一端使得在所述双级换热器壳体中产生风场流动，且风场流动顺序为从所述一级换热器流向所述二级换热器。

优选地，所述开式低环温空气循环高温热泵机组进一步包括节流装置、压缩机和高温侧冷凝器，所述一级换热器的出水口与所述二级换热器的进水口相连，所述二级换热器的出水口与所述压缩机的入口相连，所述压缩机的出口与所述高温侧冷凝器的高温入口相连，所述高温侧冷凝器的高温出口与所述节流装置的入口相连，所述节流装置的出口与所述一级换热器的进水口相连。

优选地，所述开式低环温空气循环高温热泵机组进一步包括第二冷水进口和第二热水出口，所述高温侧冷凝器的低温入口与所述第二冷水进口相连，所述高温侧冷凝器的低温出口与所述第二热水出口相连。

优选地，所述开式低环温空气循环高温热泵机组进一步包括第二换热器风机，所述第二换热器风机设置在所述高温侧冷凝器的一侧。

优选地，所述一级换热器和二级换热器的换热方式为叉流、顺流或逆流。

优选地，所述膨胀机为向心透平膨胀机、轴流膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机或转子膨胀机。

与现有技术相比，本实用新型的开式低环温空气循环高温热泵机组具有如下有益技术效果中的一者或多者：本实用新型的开式低环温空气循环高温热泵机组的循环方式为开式，且工质直接取用于环境中的空气，机组的出口空气焓值小于机组的进口空气焓值，从环境中取热，等同于常规空气源热泵，采用热回收、功回收、油回路散热/换热循环以及双级换热器设计，可实现机组在低温工况下高效高温供热运行。由此，一方面，解决了常规空气源热泵在低温工况下效率低且衰减严重的问题；另一方面，因机组中没有低温换热器的使用，解决了低温工况下因蒸发器结霜导致机组性能衰减和除霜/化霜问题；再另一方面，机组工质直接取用于环境空气，不存在非环保工质使用的问题，更不存在由于相关政策导致设备被淘汰的问题。

附图说明

图1是本实用新型的第一实施例的开式低环温空气循环高温热泵热水机组的构成示意图。

图2是本实用新型的第二实施例的开式低环温空气循环高温热泵热风机组的构成示意图。

图3是本实用新型的第三实施例的开式低环温空气循环高温热泵复叠热水机组的构成示意图。

图4是本实用新型的第四实施例的开式低环温空气循环高温热泵复叠热风机组的构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，实施例的内容不作为对本实用新型的保护范围的限制。

本实用新型涉及一种开式低环温空气循环高温热泵机组，其解决了常规空气源热泵在低温工况下效率低且衰减严重的问题，同时解决了低温工况下因蒸发器结霜导致系统性能衰减和除霜/化霜问题，而且不存在非环保工质使用的问题，更不存在由于相关政策导致设备被淘汰的问题。

如图1-4所示，本实用新型的开式低环温空气循环高温热泵机组包括循环空气进口1、空气过滤器2、回热器3、空气压缩机4、油气分离器5、一级换热器6、油过滤器7、增压装置9、二级换热器10、膨胀机11、消音装置13和循环空气出口14。

其中，所述循环空气进口1和循环空气出口14与环境大气相连。所述循环空气进口1与所述空气过滤器2的入口相连。所述空气过滤器2的出口与所述回热器3的低温空气入口相连。所述回热器3的低温空气出口与所述空气压缩机4的入口相连。所述空气压缩机4的出口与所述油气分离器5的入口相连。

所述油气分离器5的出气口与所述增压装置9的入口相连。所述增压装置9的出口与所述二级换热器10的进气口相连。所述二级换热器10的出气口与所述回热器3的高温空气入口相连。所述回热器3的高温空气出口与所述膨胀机11的入口相连。所述膨胀机11的出口与所述消音装置13的入口相连。所述消音装置13的出口与所述循环空气出口14相连。

所述油气分离器5的出油口与所述一级换热器6的油入口相连。所述一级换热器6的油出口与所述油过滤器7的入口相连。所述油过滤器7的出口与所述空气压缩机4的进油口相连。

由此，所述循环空气进口1、空气过滤器2、回热器3、空气压缩机4、油气分离器5、一级换热器6、增压装置9、二级换热器10、回热器3、膨胀机11、消音装置13和循环空气出口14依次连接，组成此热泵机组主要的开式空气循环。其中，大气环境空气通过循环空气进口1和空气过滤器2进入机组工作，首先在回热器3处被预热，后经过空气压缩机4被压缩后压力和温度升高，再进入油气分离器5。其中从空气压缩机4带出的油气混合物在所述油气分离器5中进行分离，其中分离的空气进入增压装置9再次增压和增温，后进入二级换热器10向另一侧供热后被冷却，随后在回热器3内预热另一侧空气后再次被冷却，随后进入膨胀机11降压和降温后，最后经消音装置13排回大气环境。

所述空气压缩机4、油气分离器5、一级换热器6、油过滤器7、油泵8、空气压缩机4依次连接，组成此热泵机组的油冷却/换热循环系统。其中，从所述空气压缩机4进到油气分离器5内分离出来的高压高温热油流入所述一级换热器6向另一侧供热后被冷却，再经油过滤器7过滤，再经油泵8回到空气压缩机4。其中，某些空压机本身可为油循环提供足够压差，不需要油泵8作为外来动力，此时，可以不设置所述油泵8。

如图1所示，在本实用新型的第一实施例中，进一步包括第一冷水进口15和第一热水出口16。其中，所述第一冷水进口15与所述一级换热器6的进水口相连。所述一级换热器6的出水口与所述二级换热器10的进水口相连。所述二级换热器10的出水口与所述第一热水出口16相连。由此，组成此热泵机组的供热循环。

在该第一实施例中，用能端获能载体工质为水，在一级换热器6和二级换热器10内换热获得热量。冷水在流经一级换热器6处被加热至温度T₁后，再流经二级换热器10再次被加热至T₂，T₂＞T₁，最终实现向用能端的高温供热。因此，构成了开式低环温空气循环热泵热水机系统。

如图2所示，在本实用新型的第二实施例中，进一步包括双级换热器壳体17和第一换热器风机18。其中，所述双级换热器壳体17用于将所述一级换热器6和二级换热器10进行串联。所述第一换热器风机18设置在所述双级换热器壳体17的一端使得在所述双级换热器壳体17中产生风场流动，且风场流动顺序为从所述一级换热器6流向所述二级换热器10。

在该第二实施例中，用能端获能载体工质为空气，在双级换热器壳体17内换热获得热量。流入双级换热器壳体17的空气，在流经一级换热器6后先被加热到T₁后，再流经较高温的二级换热器10，再次被加热到温度T₂，T₂＞T₁，最终实现向用能端高温供热。因此，构成了开式低环温空气循环热泵热风机系统。

第一实施例与第二实施例的区别仅仅在于是向水侧供热还是向风侧供热。

如图3和4所示，本实用新型的开式低环温空气循环高温热泵机组进一步包括节流装置19、压缩机20和高温侧冷凝器21。其中，所述一级换热器6的出水口与所述二级换热器10的进水口相连。所述二级换热器10的出水口与所述压缩机20的入口相连。所述压缩机20的出口与所述高温侧冷凝器21的高温入口相连。所述高温侧冷凝器21的高温出口与所述节流装置19的入口相连。所述节流装置19的出口与所述一级换热器6的进水口相连。

由此，结合空气循环热泵在低温环境下(如-25℃以下)的高能效优势和常规热泵在普通(如-10℃以上)工况下的高能效优势，将原开式低环温空气循环热泵机组作为复叠系统的低温级，将常规热泵系统作为复叠系统的高温级，组合成复叠系统。其将一级换热器6和二级换热器10通过管路串联，流向为一级换热器6流向二级换热器10，共同作为常规热泵系统的蒸发器，复叠系统整体最终通过高温侧冷凝器21向用能端供热。

如图3所示，在本实用新型的第三实施例中，进一步包括第二冷水进口23和第二热水出口22。所述高温侧冷凝器21的低温入口与所述第二冷水进口23相连。所述高温侧冷凝器21的低温出口与所述第二热水出口22相连。

由此，其常规热泵系统为热泵热水机，因此，构成了开式低环温空气循环热泵/常规蒸气压缩热泵复叠系统(热水机)。

与第三实施例不同，如图4所示，在本实用新型的第四实施例中，进一步包括第二换热器风机24。所述第二换热器风机24设置在所述高温侧冷凝器21的一侧。

由此，常规热泵系统为热泵热风机，因此，构成了开式低环温空气循环热泵/常规蒸气压缩热泵复叠系统(热风机)。

第三实施例与第四实施例的区别仅仅在于所述高温侧冷凝器21是向水侧供热还是向风侧供热。

在本实用新型中，由于所述循环空气进口1和循环空气出口14都与大气环境直接相通，优选地，将所述循环空气进口1和环空气出口14的位置进行隔离设计，以防止进出口空气短路或相互影响。

所述空气压缩机4优选但不限于螺杆式油冷却式空气压缩机，活塞式、离心式、转子、涡旋等运动型式和水冷却、风冷式、被动散热式等散热形式的空压机。只要满足本实用新型的循环运行设计需求的空压机，也在本实用新型的保护范围内。

进一步地，所述空气压缩机4的压缩过程级数可以为单级、双级或多级。当级数为双极或多级时，可设置压缩级间冷却。

此外，所述增压装置9和膨胀机11通过传动装置12进行连接，可将损耗的膨胀功进行回收至增压端，回收的功可以作为增压装置9的动力，进一步提升来自空压机出口空气的压力和温度，以提高机组的性能。

进一步地，所述传动装置12可以为齿轮、皮带、铰链等传动方式。

并且，所述增压装置9优选为气体轴承式，其它油轴承等也可选用。其转动形式可选为涡轮式、活塞式、螺杆式等。

而且，所述一级换热器6和二级换热器10的换热方式可选为叉流、顺流或逆流。

最后，所述膨胀机11可选为向心透平膨胀机、轴流膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机或转子膨胀机等。

本实用新型的开式低环温空气循环高温热泵机组的循环工质为空气，绿色环保。而且，其工质经过空气压缩机压缩后升压受热变成油气混合物，经过油气分离器，油路闭式循环向用能端进行一级供热，气路利用增压装置回收的膨胀功将空气进行二级压缩后，向用能端二级供热。由此，其通过回热器设计等，极大地提高了机组能效。本实用新型的开式低环温空气循环高温热泵机组可以作为使用氟利昂工质的常规热泵系统的低碳环保替代技术，也可解决机组在低环境温度工况下运行系统性能衰减严重等问题。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种开式低环温空气循环高温热泵机组，其包括循环空气进口(1)、空气过滤器(2)、回热器(3)、空气压缩机(4)、油气分离器(5)、一级换热器(6)、油过滤器(7)、增压装置(9)、二级换热器(10)、膨胀机(11)、消音装置(13)和循环空气出口(14)，其特征在于，所述循环空气进口(1)和循环空气出口(14)与环境大气相连，所述循环空气进口(1)与所述空气过滤器(2)的入口相连，所述空气过滤器(2)的出口与所述回热器(3)的低温空气入口相连，所述回热器(3)的低温空气侧出口与所述空气压缩机(4)的入口相连，所述空气压缩机(4)的出口与所述油气分离器(5)的入口相连，所述油气分离器(5)的出气口与所述增压装置(9)的入口相连，所述增压装置(9)的出口与所述二级换热器(10)的进气口相连，所述二级换热器(10)的出气口与所述回热器(3)的高温空气入口相连，所述回热器(3)的高温空气出口与所述膨胀机(11)的入口相连，所述膨胀机(11)的出口与所述消音装置(13)的入口相连，所述消音装置(13)的出口与所述循环空气出口(14)相连，所述油气分离器(5)的出油口与所述一级换热器(6)的油入口相连，所述一级换热器(6)的油出口与所述油过滤器(7)的入口相连，所述油过滤器(7)的出口与所述空气压缩机(4)的进油口相连。

2.根据权利要求1所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，所述空气压缩机为螺杆型、活塞型、转子型、涡旋型、直线型或离心型。

3.根据权利要求1所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，所述油过滤器(7)的出口与所述空气压缩机(4)的进油口之间设有油泵(8)。

4.根据权利要求3所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，所述增压装置(9)和膨胀机(11)通过传动装置(12)相连。

5.根据权利要求4所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，进一步包括第一冷水进口(15)和第一热水出口(16)，所述第一冷水进口(15)与所述一级换热器(6)的进水口相连，所述一级换热器(6)的出水口与所述二级换热器(10)的进水口相连，所述二级换热器(10)的出水口与所述第一热水出口(16)相连。

6.根据权利要求4所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，进一步包括双级换热器壳体(17)和第一换热器风机(18)，所述双级换热器壳体(17)用于将所述一级换热器(6)和二级换热器(10)进行串联，所述第一换热器风机(18)设置在所述双级换热器壳体(17)的一端使得在所述双级换热器壳体(17)中产生风场流动，且风场流动顺序为从所述一级换热器(6)流向所述二级换热器(10)。

7.根据权利要求4所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，进一步包括节流装置(19)、压缩机(20)和高温侧冷凝器(21)，所述一级换热器(6)的出水口与所述二级换热器(10)的进水口相连，所述二级换热器(10)的出水口与所述压缩机(20)的入口相连，所述压缩机(20)的出口与所述高温侧冷凝器(21)的高温入口相连，所述高温侧冷凝器(21)的高温出口与所述节流装置(19)的入口相连，所述节流装置(19)的出口与所述一级换热器(6)的进水口相连。

8.根据权利要求7所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，进一步包括第二冷水进口(23)和第二热水出口(22)，所述高温侧冷凝器(21)的低温入口与所述第二冷水进口(23)相连，所述高温侧冷凝器(21)的低温出口与所述第二热水出口(22)相连。

9.根据权利要求7所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，进一步包括第二换热器风机(24)，所述第二换热器风机(24)设置在所述高温侧冷凝器(21)的一侧。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，所述一级换热器(6)和二级换热器(10)的换热方式为叉流、顺流或逆流。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的开式低环温空气循环高温热泵机组，其特征在于，所述膨胀机(11)为向心透平膨胀机、轴流膨胀机、活塞膨胀机、螺杆膨胀机或转子膨胀机。

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