CN2869685Y - 过冷节流分级冷凝式热泵热水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种过冷节流分级冷凝式热泵热水器，包括制冷压缩机、室内水冷冷凝器(热水器)、气液分离器等，压缩机的制冷工质为混合制冷工质；根据不同环境温度和不同用途，通过设置电磁阀处于不同开启状态，可成功实现冬季运行和夏、春、秋季运行热泵热水器循环方式之间的相互切换，在夏季运行时可同时方便地提供冷风器制冷循环方式、为人们提供集空调、热水于一身的环保型多功能机。本实用新型可广泛应用于家庭、医院、学校等领域，可大大改善人们的生活质量，提高工作效率。

Description

过冷节流分级冷凝式热泵热水器

                        技术领域

本实用新型属于工程热物理与能源利用学科领域，涉及一种热泵热水器，特别是一种过冷节流分级冷凝式热泵热水器。

                        背景技术

随着科学技术的迅速发展和社会生活水平的提高，人们不仅希望建筑环境四季如春，而且希望每天都有方便的热水改善生活。空气源热泵技术是一种既能为建筑环境提供适宜的冷量又能提供充足的热量，满足人们对控制环境温度、制取生活热水及节能降耗的迫切需求，它具有适应范围广、不受地质和水源条件的限制、安装及维护方便等优点，是家庭住宅及其它中小规模的建筑环境控制及热水供应的最佳方式。

由于氟利昂R22的单位容积制冷量大，在空调温度范围内，其冷凝压力和蒸发压力以及它们之间的比值较为合理，具有良好的空气调节用制冷和供暖性能，因此迄今为止，各国大多数传统的空调器、热泵空调器、热泵热水器仍采用氟利昂R22作为制冷工质。但是，现行的空调器和热泵空调器如果继续采用氟利昂R22作为热泵热水器的制冷工质，只能在环境温度较高的春、夏、秋季节，以及温度为0℃以上地区才能实现热泵循环(例如我国南方地区的冬季)，而在环境温度为-10～-20℃以下的地区却无法实现正常的热泵循环(例如我国北方地区的冬季)，因此也就无法为该地区的人们提供所需要的热水。其原因是在热泵热水器的循环中，若要将冷凝器中的冷却水加热到55℃以上的能够提供使用的热水，则冷凝器内的氟利昂R22制冷工质的冷凝温度至少要达到70℃，而此时，压缩机的排气压力将高达30bar，在如此高的排气压力下，致使压缩机不能正常工作。而当环境温度为-10℃以下时，由于制冷工质与环境之间至少需10℃的传热温差才能使压缩机从低温环境中吸取热量，此时，当氟利昂R22的蒸发温度达到-20℃时，但其蒸发压力却只有2.4bar，这样压缩机的高、低压力之比值将为30/2.4＝12.5。显然，在如此高的压差比值下，压缩机也是无法正常工作。

综上所述，传统的热泵制冷系统在0℃以下的低温环境中，将会出现压缩机无法正常工作的危险现象，这完全是由于采用单一的制冷工质及单级蒸汽压缩式制冷/热泵循环的局限性所造成的。如何突破传统蒸汽压缩式循环的局限，研发出能成功实现冷凝与蒸发大温差热泵循环、在(-15～40)℃的环境温度区间能始终保持良好的性能、能四季为人们提供方便热水的空气源热泵热水器产品，既满足人们越来越迫切的需求，又能同时达到环保节能目的，这已成为国内外制冷与低温界关注的热点和难点问题。

                        发明内容

针对传统的空气源热泵系统所存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提出一种采用非共沸混合制冷工质的过冷节流分级冷凝式热泵热水器，旨在利用非共沸混合制冷工质可进行分级冷凝的原理，使它既具有在较高环境温度下能效比高的特点，又具有在较低环境温度下压缩机的压缩比较小、循环的冷凝温度与蒸发温度之差较大、对环境的适应性较强的独特优势。因此，这种新型分级冷凝过冷式热泵热水器，既能够很好地适用于高温环境温度下，又能够很好地适用于低温环境温度下，还能较大幅度地增加热泵循环中冷凝温度与蒸发温度之温差，显著提高热泵系数；同时，还可避免热泵循环中冷凝压力与蒸发压力之差过分增大的缺陷，并达到环保的目的。

为了实现上述任务，本实用新型采取以下技术解决方案：

一种过冷节流分级冷凝式热泵热水器，包括压缩机，其特征在于，在压缩机的高压排气口依次连接有油气分离器、室内水冷冷凝器、干燥过滤器和气液分离器；

气液分离器有两条通路，其上部通路通过管路依次与热交换器)的气体管道、第二节流阀及室外风冷蒸发器的入口端相连通；底部通路通过管路依次与热交换器中的一个液体管道、第一节流阀、第一电磁阀及室外风冷蒸发器的入口端相连通；

其中第一节流阀同时与第二电磁阀、热交换器中的另一个液体管道及制冷压缩机的低压吸气口相连通；

室外风冷蒸发器的出口端通过管路与热交换器的另一个液体管道入口端相连通；

油气分离器还通过管路连接有一除霜电磁阀，该除霜电磁阀与室外风冷蒸发器的入口端相连通。

本实用新型的其它一些特点是，所述的压缩机的制冷工质为混合制冷工质，它由高沸点、中沸点、低沸点三种工质所组成，它们分别在高沸点组、中沸点组、低沸点组中选取，或者仅在其中的高沸点组和低沸点组中选取，组成双组分、三组分或最多为四组分的环保型混合制冷工质。

所述的压缩机的高压与低压之比为4～12以内。

所述的室内水冷冷凝器为热水器。

室外风冷蒸发器为移动式，根据不同季节作为室内冷风器或室外蒸发器。

所述的第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀用于根据季节和制冷循环、热泵循环方式进行相互切换。

本实用新型的过冷节流分级冷凝式热泵热水器，从气液分离器分离出来的高温高沸点工质液体在通过第一节流阀节流之前，先将它从气液分离器的底部引入热交换器中的一个液体管道内预冷，然后再通过第一节流阀进行节流，以提高制冷工质的节流效果，从而使热泵热水器在(-15～40)℃的环境温度下均能保持良好的制冷性能，成为夏季可兼作空调、四季可源源不断提供热水的环保节能产品。

由于在过冷节流分级冷凝式热泵热水器中特别设置了第一电磁阀和第二电磁阀，以实现春夏秋季运行热泵热水器循环方式与冬季运行热泵热水器循环方式之间的相互切换；在系统中特别设置了室内水冷冷凝器(即热水器)、气液分离器和移动式风冷蒸发器(冷风器)；并在气液分离后，特别设置了可在-15℃以下环境温度运行、对高沸点工质和低沸点工质进行分级冷凝的低温热交换器；特别设置了对高沸点工质进行节流的第一节流阀，及对低沸点工质进行节流的第二节流阀；在移动式风冷蒸发器出口端特别设置了连接管，将蒸发制冷后的制冷工质引入热交换器的高沸点工质液体通道内。这样，既可充分利用制冷工质的剩余冷量，对热交换器中的低沸点工质气体进行预冷，可显著提高低沸点工质气体的节流效果；并可对即将返回压缩机低压端的制冷工质气体进行预热，达到有效地改善压缩机性能的目的。

本实用新型可广泛应用于家庭、学校、医院等领域，可根据夏春秋季及冬季的不同环境温度来选择运行方式，为人们在一年四季都能够方便的提供热水。

                        附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图；

图2是本实用新型的第一实施例，热泵循环夏、春、秋季运行方式热泵热水器结构示意图。

图3是本实用新型的第二实施例，热泵循环冬运行方式的热泵热水器结构示意图。

                      具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的过冷节流分级冷凝式热泵热水器循环系统结构原理和工作原理作详细说明。

参见图1，为本实用新型的总体结构示意图，包括压缩机1、油气分离器2、室内水冷冷凝器(即热水器)3、干燥过滤器4、气液分离器5、热交换器6、第一节流阀7、第一电磁阀8、室外风冷蒸发器9、第二节流阀10、第二电磁阀11和第三电磁阀12所组成，压缩机1的制冷工质为混合制冷工质。

压缩机1的高压排气口依次连接有油气分离器2、室内水冷冷凝器3、干燥过滤器4；气液分离器5的顶部与干燥过滤器4相连通；气液分离器5的上部通过连接管依次与热交换器6中的气体管道、第二节流阀10及室外风冷蒸发器9的入口端相连通；气液分离器5的底部通过连接管依次与热交换器6中的一个液体管道、第一节流阀7、第一电磁阀8及室外风冷蒸发器9的入口端相连通；第一节流阀7同时与第二电磁阀11、热交换器6中的另一个液体管道与制冷压缩机1的低压吸气口相连通；室外风冷蒸发器9的出口端通过连接管与热交换器6的另一个液体管道入口端相连通；此外，油气分离器2通过除霜电磁阀12与室外风冷蒸发器9的入口端相连通；

为了克服单一制冷工质在低环境温度下蒸发压力过低的缺陷，本实用新型在以下三组工质中选取工质，组成混合制冷工质。三组工质按其标准蒸发温度(一个标准物理大气压下的饱和蒸发温度)分为高沸点、中沸点、低沸点三组工质。所组成的混合制冷工质可以包括高沸点、中沸点、低沸点三种工质，它们分别在高沸点组、中沸点组、低沸点组中选取，也可以仅在其中的高沸点组和低沸点组中选取，组成双组分或三组分或最多为四组分的环保型混合制冷工质：

1)高沸点制冷工质(简称高温工质)组：R123、R600、RC318、R142b等。在混合制冷工质中，可以在该组中选取一种或两种工质，其总的摩尔成分约占混合制冷工质总体的(10～65)％。

2)中沸点制冷工质(简称中温工质)组：R134a、R152a、R124、R142、R161、R227ea。在混合制冷工质中在该组中选取一种或两种工质，也可不选取该组中的工质，其摩尔成分约占混合制冷工质总体的(1～50)％。

3)低沸点制冷工质(简称低温工质)组：R23、R774、R116、R32、R125、R1270、R143、R290等。在混合制冷工质中，可以在该组中选取一种或两种工质，其总的摩尔成分约占混合制冷工质总体的(25～70)％。

在非共沸混合工质中，所选取的低沸点工质在(-15～-20)℃的室外环境温度下，其蒸发温度可低达(-20～-40)℃，但其蒸发压力却可高达(0.2～0.4)MPa；而高温工质在冷凝温度为70℃或以上温度时，其冷凝压力却仅为2MPa左右，压缩机的高压与低压之比仅为4～12左右，显然，在此压缩比下压缩机完全可以实现正常的热泵或制冷循环。在组成混合制冷工质时，其中的中沸点组分的作用仅是改善整个制冷系统的传热和压力平衡。因此，在有些情况下也可不必选用它。

以上高沸点组、中沸点组和低沸点组中的各种制冷剂均可在市场上方便地购买到。

以下是发明人给出的实施例：

参见图2，为本实用新型的第一实施例，热泵循环夏、春、秋季运行方式热泵热水器结构示意图。

参见图2，当本实用新型的系统处于夏、春、秋季运行循环方式时，除第二电磁阀11、第三电磁阀12处于关闭状态之外，其余电磁阀和部件处于开启状态；

在图2中，本实用新型的夏、春、秋季运行热水器循环方式是：经过制冷压缩机1压缩后的高温高压混合工质气体由制冷压缩机1的高压排气端排出，经油气分离器2进行油、气分离后，流入室内水冷冷凝器(即热水器)3内被冷却水冷凝成为高温高压混合工质流体，同时将冷却水加热成55℃以上的热水，接着流过干燥过滤器4进行干燥，然后从顶部流入气液分离器5内进行气、液分离；分离后的高沸点工质液体汇集在气液分离器5的底部，低沸点工质气体汇集在气液分离器5的上部；

分离后的高沸点工质液体由气液分离器5的底部流出后，先流入热交换器6中的高温高沸点工质液体通道内预冷，然后经第一节流阀7节流后成为低温低压的高沸点工质液体，通过第一电磁阀8，由移动式风冷蒸发器9的入口端流入其内，对热交换器6中的低沸点工质气体进行预冷，最后返回到制冷压缩机1的低压吸气端；

分离后的低沸点工质气体由气液分离器5的上部流出，经入口端流入热交换器6中的低沸点工质气体管道内，被冷凝液化为(5～15)℃的高压低沸点工质流体，然后由热交换器6的出口端流出，接着经第二节流阀10节流成为(-20～-40)℃的低压低沸点工质液体，然后流入移动式风冷蒸发器内蒸发制冷，同时吸收环境空气源中的热量，然后流入热交换器9中的经第一节流阀7节流后的低温低压的高沸点工质液体通道内，进行预冷，最后返回到制冷压缩机1的低压吸气端，开始新的制冷循环。这样，可充分利用移动式风冷蒸发器11内的剩余冷量，对进入热交换器9内的工质气体进行预冷，又可对返回制冷压缩机1的低温低压低沸点工质流体进行预热，达到节能和安全可靠的目的，并进一步提高压缩机的性能。

在夏季运行方式时，移动式风冷蒸发器9可移动置于室内作冷风器用；在春、秋季运行时，移动式风冷蒸发器9可移动置于室外仅作蒸发器用；

参见图3，为本实用新型的第二实施例，热泵循环冬运行方式的热泵热水器结构示意图。

参见图3，本实用新型的实施例与第一实施例在结构组成上均相同，其不同之处仅在于电磁阀的开启状态不一样：其中，除第一电磁阀8、第三电磁阀12处于关闭状态之外，其余部件和电磁阀处于开启状态；

在图3中，本实用新型的冬季运行热水器循环方式是：经过压缩机1压缩后的高温高压混合工质气体由制冷压缩机1的高压排气端排出，经油气分离器2油、气分离后，流入室内水冷冷凝器(热水器)3内被冷凝成高温高压、70℃以上的高沸点工质液体，并将冷却水加热成55℃以上的热水，供人们使用。高温高压混合工质流体从室内水冷冷凝器(热水器)3流出后，从顶部流入气液分离器5内进行气、液分离；

在上述的循环系统中冷凝温度可达到70℃以上，蒸发温度达到(-20～-40)℃，冷凝温度与蒸发温度之差将超过(80～90)℃。因此，在如此大的温差条件下运行，只有采用本实用新型的高沸点工质与低沸点工质分级冷凝的方式，才能保证上述的热泵循环的正常、高效地运行。

Claims (6)

1.一种过冷节流分级冷凝式热泵热水器，包括压缩机(1)，其特征在于，在压缩机(1)的高压排气口依次连接有油气分离器(2)、室内水冷冷凝器(3)、干燥过滤器(4)和气液分离器(5)；

气液分离器(5)有两条通路，其上部通路通过管路依次与热交换器(6)的气体管道、第二节流阀(10)及室外风冷蒸发器(9)的入口端相连通；底部通路通过管路依次与热交换器(6)中的一个液体管道、第一节流阀(7)、第一电磁阀(8)及室外风冷蒸发器(9)的入口端相连通；

其中第一节流阀(7)同时与第二电磁阀(11)、热交换器(6)中的另一个液体管道及制冷压缩机(1)的低压吸气口相连通；

室外风冷蒸发器(9)的出口端通过管路与热交换器(6)的另一个液体管道入口端相连通；

油气分离器(2)还通过管路连接有一除霜电磁阀(12)，该除霜电磁阀(12)与室外风冷蒸发器(9)的入口端相连通。

2.如权利要求1所述的过冷节流分级冷凝式热泵热水器，其特征在于，所述的压缩机(1)的制冷工质为混合制冷工质，它由高沸点、中沸点、低沸点三种工质所组成，它们分别在高沸点组、中沸点组、低沸点组中选取，或者仅在其中的高沸点组和低沸点组中选取，组成双组分、三组分或最多为四组分的环保型混合制冷工质。

3.如权利要求1所述的过冷节流分级冷凝式热泵热水器，其特征在于，所述的压缩机(1)的高压与低压之比为4～12以内。

4.如权利要求1所述的过冷节流分级冷凝式热泵热水器，其特征在于，所述的室内水冷冷凝器(3)为热水器。

5.如权利要求1所述的过冷节流分级冷凝式热泵热水器，其特征在于，所述的室外风冷蒸发器(9)为移动式，根据不同季节作为室内冷风器或室外蒸发器。

6.如权利要求1所述的过冷节流分级冷凝式热泵热水器，其特征在于，所述的第一电磁阀(8)、第二电磁阀(11)、第三电磁阀(12)用于根据季节和制冷循环、热泵循环方式进行相互切换。

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