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一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510995976.1

申請日:

2015.12.25

公開號:

CN105485907A

公開日:

2016.04.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F24H 4/02申請日:20151225|||公開
IPC分類號: F24H4/02; F24H9/00 主分類號: F24H4/02
申請人: 浙江工業大學
發明人: 徐英杰; 蔣寧; 高增梁
地址: 310014浙江省杭州市下城區朝暉六區潮王路18號
優先權:
專利代理機構: 杭州斯可睿專利事務所有限公司33241 代理人: 王利強
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510995976.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.06.01|||2016.05.11|||2016.04.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,高壓壓縮機的出口與第一冷凝器的制冷劑入口連通,第一冷凝器的制冷劑出口的一路經過第一節流裝置與過冷器的第一入口連通,過冷器的氣體出口與高壓壓縮機的入口連通,另一路與過冷器的第二入口連通,過冷器的液體出口經過第三節流裝置、單向閥、第二節流裝置、蒸發器與低壓壓縮機的入口連通,其出口分為兩股,一股經過第一截止閥與第二冷凝器的制冷劑入口連通,第二冷凝器的制冷劑出口與第二節流裝置的入口連通;另一股經第二截止閥與高壓壓縮機的入口連通;總冷水進口通過水泵與第二冷凝器、第一冷凝器連通,第一冷凝器的熱水出口為總熱水出口。本發明有效降低能耗、提升能效且、增大工作溫區。

權利要求書

1.一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,其特征在于:包
括高壓壓縮機、低壓壓縮機、第一冷凝器、第二冷凝器、過冷器和蒸
發器,所述高壓壓縮機的出口與所述第一冷凝器的制冷劑入口連通,
所述第一冷凝器的制冷劑出口的一路經過第一節流裝置與所述過冷器
的第一入口連通,所述過冷器的氣體出口與所述高壓壓縮機的入口連
通,所述第一冷凝器的制冷劑出口的另一路與所述過冷器的第二入口
連通,所述過冷器的液體出口經過第三節流裝置、單向閥與第二節流
裝置的入口連通,所述第二節流裝置的出口與所述蒸發器的入口連通,
所述蒸發器的出口與所述低壓壓縮機的入口連通,所述低壓壓縮機的
出口分為兩股,一股經過第一截止閥與第二冷凝器的制冷劑入口連通,
所述第二冷凝器的制冷劑出口與所述第二節流裝置的入口連通;另一
股經過第二截止閥與高壓壓縮機的入口連通;
總冷水進口通過水泵與第二冷凝器的冷水進口連通,所述第二冷
凝器的熱水出口與所述第一冷凝器的冷水進口連通,所述第一冷凝器
的熱水出口為總熱水出口。
2.如權利要求1所述的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,
其特征在于:所述蒸發器的出口與氣液分離器的入口連通,所述氣液
分離器的氣體出口與所述低壓壓縮機的入口連通。
3.如權利要求1所述的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,
其特征在于:所述高壓壓縮機的出口與第一油分離器的入口連接,所
述第一油分離器的油出口與所述高壓壓縮機的入口連通,所述第一油
分離器的制冷劑出口與所述第一冷凝器的制冷劑入口連通;所述低壓
壓縮機的出口與第二油分離器的入口連接,所述第二油分離器的油出
口與所述低壓壓縮機的入口連通,所述第二油分離器的制冷劑出口分
為兩股分別與第一截止閥的入口及第二截止閥的入口連接。
4.如權利要求2所述的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,
其特征在于:所述高壓壓縮機的出口與第一油分離器的入口連接,所
述第一油分離器的油出口與所述高壓壓縮機的入口連通,所述第一油
分離器的制冷劑出口與所述第一冷凝器的制冷劑入口連通;所述低壓
壓縮機的出口與第二油分離器的入口連接,所述第二油分離器的油出
口與所述低壓壓縮機的入口連通,所述第二油分離器的制冷劑出口分
為兩股分別與第一截止閥的入口及第二截止閥的入口連接。
5.如權利要求1~4之一所述的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵
熱水器,其特征在于:所述第二冷凝器的制冷劑出口與所述蒸發器的
入口之間設置化霜支管,所述化霜支管上安裝第三截止閥。
6.如權利要求1~4之一所述的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵
熱水器,其特征在于:所述蒸發器的出口經過第四截止閥與所述高壓
壓縮機的入口連通,所述過冷器的氣體出口和第二截止閥的出口均與
第五截止閥的入口相連,第五截止閥的出口與所述高壓壓縮機的入口、
第四截止閥出口均連通。
7.如權利要求5所述的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,
其特征在于:所述蒸發器的出口經過第四截止閥與所述高壓壓縮機的
入口連通,所述過冷器的氣體出口和第二截止閥的出口均與第五截止
閥的入口相連,第五截止閥的出口與所述高壓壓縮機的入口、第四截
止閥出口均連通。
8.如權利要求2所述的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,
其特征在于:所述氣液分離器的氣體出口經過第四截止閥與所述高壓
壓縮機的入口連通,所述過冷器的氣體出口和第二截止閥的出口均與
第五截止閥的入口相連,第五截止閥的出口與所述高壓壓縮機的入口、
第四截止閥出口均連通。

說明書

一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器

技術領域

本發明涉及熱水器領域,尤其是一種熱泵熱水器。

背景技術

各國在巴黎氣候峰會的激烈交鋒與籠罩在華北上空久久不散的
霧霾危機都在告訴人們環境與能源問題日益嚴重。具有節能環保的熱
泵熱水器已成為研究與應用的熱點,已廣泛應用于酒店、醫院、學校、
生活熱水、工業生產等場合,且市場在不斷擴大。然而熱泵熱水器畢
竟還是需要消耗大量電能,因此提高其電效率成為一個改進的重點。
此外,在我國冬季普遍寒冷,尤其西北、東北地區氣溫可低于-20℃,
此時普通的熱泵熱水器效率急劇下降甚至無法運行也嚴重制約了其
節能效果。因此提高熱泵的運行穩定性與工作范圍也是一個重點課
題。

發明內容

為了克服已有熱泵熱水器的能耗較大、能效較低、工作溫區不夠
廣的不足,本發明提供一種有效降低能耗、提升能效、增大工作溫區
的高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:

一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器,包括高壓壓縮
機、低壓壓縮機、第一冷凝器、第二冷凝器、過冷器和蒸發器,所述
高壓壓縮機的出口與所述第一冷凝器的制冷劑入口連通,所述第一冷
凝器的制冷劑出口的一路經過第一節流裝置與所述過冷器的第一入口
連通,所述過冷器的氣體出口與所述高壓壓縮機的入口連通,所述第
一冷凝器的制冷劑出口的另一路與所述過冷器的第二入口連通,所述
過冷器的液體出口與經過第三節流裝置、單向閥與第二節流裝置的入
口連通,所述第二節流裝置的出口與所述蒸發器的入口連通,所述蒸
發器的出口與所述低壓壓縮機的入口連通,所述低壓壓縮機的出口分
為兩股,一股經過第一截止閥與第二冷凝器的制冷劑入口連通,所述
第二冷凝器的制冷劑出口與所述第二節流裝置的入口連通;另一股經
過第二截止閥與高壓壓縮機的入口連通;

總冷水進口通過水泵與第二冷凝器的冷水進口連通,所述第二冷
凝器的熱水出口與所述第一冷凝器的冷水進口連通,所述第一冷凝器
的熱水出口為總熱水出口。

進一步,所述蒸發器的出口與氣液分離器的入口連通,所述氣液
分離器的氣體出口與所述低壓壓縮機的入口連通。

再進一步,所述高壓壓縮機的出口與第一油分離器的入口連接,
所述第一油分離器的油出口與所述高壓壓縮機的入口連通,所述第一
油分離器的制冷劑出口與所述第一冷凝器的制冷劑入口連通;所述低
壓壓縮機的出口與第二油分離器的入口連接,所述第二油分離器的油
出口與所述低壓壓縮機的入口連通,所述第二油分離器的制冷劑出口
分為兩股分別與第一截止閥的入口及第二截止閥的入口連接。

更進一步,所述第二冷凝器的制冷劑出口與所述蒸發器的入口之
間設置化霜支管,所述化霜支管上安裝第三截止閥。

所述蒸發器的出口經過第四截止閥與所述高壓壓縮機的入口連
通,所述過冷器的氣體出口和第二截止閥的出口均與第五截止閥的入
口相連,第五截止閥的出口與所述高壓壓縮機的入口、第四截止閥出
口均連通。

或者是:所述第二氣液分離器的氣體出口經過第四截止閥與所述
高壓壓縮機的入口連通,所述過冷器的氣體出口和第二截止閥的出口
均與第五截止閥的入口相連,第五截止閥的出口與所述高壓壓縮機的
入口、第四截止閥出口均連通。

本發明的有益效果主要表現在:

1、采用兩級壓縮兩級節流,與單級熱泵相比大大擴展了使用范圍,
提升了效率;

2、相比已有的兩級壓縮熱泵,巧妙地采用了兩級加熱熱水,在熱
水溫升較大時,可以大大減少高壓壓縮機的耗功,也就是進一步提升
了系統能效。本質上來講,現有的直熱式熱泵熱水器具有較大的換熱
溫差即產生較大的熵產,而循環式熱泵熱水器則會將冷水與熱水混合
同樣造成了較大的熵產,而本發明則減少了上述熵產,提高了系統的
熱力學完善性;

3、在不同的季節、不同的外部條件下可以選擇最合適的模式,最
大限度地提升季節能效,并保證系統的穩定運行。部件簡單管路靈活,
通過少量的截止閥切換何以實現兩級壓縮兩級加熱模式、兩級壓縮一
級加熱模式、低壓級壓縮單級加熱模式、高壓級壓縮單級加熱模式以
及熱氣旁通化霜模式。

附圖說明

圖1是一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器的示意
圖。

圖2是另一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器的示意
圖。

圖3是再一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水器的示意
圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1~圖3,一種高效的大溫升單級節流兩級壓縮熱泵熱水
器,包括高壓壓縮機1、低壓壓縮機10、第一冷凝器3、第二冷凝器
13、過冷器5和蒸發器8,所述高壓壓縮機1的出口與所述第一冷凝
器3的制冷劑入口連通,所述第一冷凝器3的制冷劑出口的一路經過
第一節流裝置4與所述過冷器5的第一入口連通,所述過冷器5的氣
體出口與所述高壓壓縮機1的入口連通,所述第一冷凝器3的制冷劑
出口的另一路與所述過冷器5的第二入口連通,所述過冷器5的液體
出口經過第三節流裝19、單向閥6與第二節流裝置7的入口連通,所
述第二節流裝置7的出口與所述蒸發器8的入口連通,所述蒸發器8
的出口與所述低壓壓縮機10的入口連通,所述低壓壓縮機10的出口
分為兩股,一股經過第一截止閥12與第二冷凝器13的制冷劑入口連
通,所述第二冷凝器13的制冷劑出口與所述第二節流裝置7的入口連
通;另一股經過第二截止閥14與高壓壓縮機1的入口連通;

總冷水進口通過水泵15與第二冷凝器13的冷水進口連通,所述
第二冷凝器13的熱水出口與所述第一冷凝器3的冷水進口連通,所述
第一冷凝器3的熱水出口為總熱水出口。

進一步,所述蒸發器8的出口與氣液分離器9的入口連通,所述
氣液分離器9的氣體出口與所述低壓壓縮機10的入口連通。

再進一步,所述高壓壓縮機1的出口與第一油分離器2的入口連接,
所述第一油分離器2的油出口與所述高壓壓縮機1的入口連通,所述
第一油分離器2的制冷劑出口與所述第一冷凝器3的制冷劑入口連通;
所述低壓壓縮機10的出口與第二油分離器11的入口連接,所述第二
油分離器11的油出口與所述低壓壓縮機10的入口連通,所述第二油
分離器11的制冷劑出口分為兩股分別與第一截止閥的入口及第二截
止閥的入口連接。

更進一步,所述第二冷凝器13的制冷劑出口與所述蒸發器8的入
口之間設置化霜支管,所述化霜支管上安裝第三截止閥16。

所述蒸發器的出口經過第四截止閥與所述高壓壓縮機的入口連
通,所述過冷器的氣體出口和第二截止閥的出口均與第五截止閥的入
口相連,第五截止閥的出口與所述高壓壓縮機的入口、第四截止閥出
口均連通。

或者是:所述氣液分離器9的氣體出口經過第四截止閥17與所述
高壓壓縮機1的入口連通,所述過冷器5的氣體出口和第二截止閥14
的出口均與第五截止閥18的入口相連,第五截止閥18的出口與所述
高壓壓縮機1的入口、第四截止閥17出口均連通。

本實施例的工作過程為:

參照圖1:

兩級壓縮兩級加熱模式:當環境溫度較低,所需熱水溫度又較高,
且冷水進水溫度較低時采用該模式,第一截止閥12與第二截止閥14
均打開,高壓壓縮機1、低壓壓縮機10均運行,水泵15運行。高溫
高壓的含油氣態制冷劑從高壓壓縮機1出口流出進入第一油分離器2,
含油制冷劑中的潤滑油在第一油分離器被分離出來并從第一油分離器
2的油出口流出回到壓縮機入口,高溫高壓的制冷劑從油分離器的制
冷劑出口流出進入第一冷凝器3制冷劑入口放熱冷凝,高壓的液態制
冷劑從第一冷凝器3的制冷劑出口流出分成兩路,第一路經過第一節
流裝置4后變成中壓的氣液混合制冷劑并進入過冷器5的第一入口,
蒸發吸熱變成氣態,氣態制冷劑從過冷器5的氣體出口流出,第二路
進入過冷器的第二入口并被過冷,過冷后的液態制冷劑從過冷器5的
液體出口流出經過第三節流裝置19與單向閥6后與來自第二冷凝器
13的液態制冷劑混合后經過第二節流裝置7后變成低溫低壓的制冷劑
氣液混合物進入蒸發器8吸收環境熱量,吸熱蒸發后的低溫低壓氣態
制冷劑經過氣液分離器9然后被吸入低壓壓縮機10的入口,中溫中壓
的含油制冷劑從低壓壓縮機10的出口排出進入第二油分離器11,其
中的潤滑油從第二油分離器11的油出口流出返回低壓壓縮機10的入
口,而中溫中壓的制冷劑則從第二油分離器11的制冷劑出口流出分成
兩股,一股經過第一截止閥12進入第二冷凝器13中冷凝放熱變成中
壓的液態制冷劑,從第二冷凝器13的制冷劑出口流出后與來自單向閥
6出口的制冷劑混合,另一路經過第二截止閥14與來自過冷器5氣體
出口的制冷劑混合后返回高壓壓縮機1的入口。冷水經過水泵15后進
入第二冷凝器13中被初步加熱,變成中溫熱水,然后再進入第一冷凝
器3被進一步加熱,變成高溫熱水后從第一冷凝器3水出口流出供給
用戶。

為了更好地說明本發明的節能效果,下面給出了基于兩級壓縮兩
級加熱模式的系統模擬計算結果并與傳統的單級熱泵以及以專利
(200720039229.1)為代表的兩級壓縮熱泵(包括噴射增焓熱泵)進
行對比。計算時,各個部件根據質量守恒與能量守恒建模,壓縮機等
熵效率采用Navarro-Peris等(InternationalJournalofRefrigeration,2013,
36(7))提出的方程,忽略管路摩擦損失與漏熱,其他設定參數見表1,
結果見表2.

從表2的結果可知,本發明的COP是最高的,比兩級壓縮熱泵高
15.6%,比傳統的單級熱泵更是高出40.9%。


表1


表2

兩級壓縮兩級加熱模式:當環境溫度較低,所需熱水溫度又較高,
且冷水進水溫度高于環境溫度較多時采用該模式,第一截止閥12關
閉,第二截止閥14打開,高壓壓縮機1、低壓壓縮機10均運行,水
泵15運行。此時的運行過程與常規運行模式相比,由于第一截止閥
12關閉,第二冷凝器13不工作,從水泵15出來冷水經過第二冷凝器
13時不被加熱,而是僅在第一冷凝器3中被加熱。

低壓級壓縮單級加熱模式:當環境溫度相對較高,而所需熱水溫
度正常時采用該模式。第一截止閥12打開,第二截止閥14關閉,高
壓壓縮機1關閉,低壓壓縮機10運行,水泵15運行。高溫高壓的含
油制冷劑從低壓壓縮機10的出口排出進入第二油分離器11,其中的
潤滑油從第二油分離器11的油出口流出返回低壓壓縮機10的入口,
而中溫中壓的制冷劑則從第二油分離器11的制冷劑出口流出經過第
一截止閥12進入第二冷凝器13中冷凝放熱變成的液態制冷劑,從第
二冷凝器13的制冷劑出口流出后經過第二節流裝置7后變成低溫低壓
的制冷劑氣液混合物進入蒸發器8吸收環境熱量,吸熱蒸發后的低溫
低壓氣態制冷劑經過第二氣液分離器9被吸入低壓壓縮機10的入口。
冷水經過水泵15后進入第二冷凝器13中被加熱,由于第一冷凝器3
不工作,熱水流經第一冷凝器3時不被加熱,最后從第一冷凝器3水
出口流出供給用戶。

參照圖2:

當室外環境溫度接近或低于0℃時,蒸發溫度可以達到0℃以下,
蒸發器外側可能會結霜結冰,此時需要對熱泵熱水機的蒸發器進行化
霜。因此,在圖1的基礎上在第二冷凝器2的制冷劑出口與蒸發器8
的入口之間增加了第三截止閥16,并用管路連接,可以實現熱氣旁通
化霜功能,使得熱泵熱水機可以更穩定地運行。除了增加化霜功率外,
此流程可以實現的功能與圖1的一樣,且在實現圖1的模式時第三截
止閥16保持關閉。

熱氣旁通化霜模式:第一截止閥12打開、第二截止閥14關閉、
第三截止閥16打開,高壓壓縮機1關閉,低壓壓縮機10運行,水泵
15關閉。高溫高壓的氣態含油制冷劑從低壓壓縮機10的出口排出進
入第二油分離器11,其中的潤滑油從第二油分離器11的油出口流出
返回低壓壓縮機10的入口,而高溫氣態制冷劑則從第二油分離器11
的制冷劑出口流出經過第一截止閥12與第二冷凝器13,由于水泵15
關閉,第二冷凝器13不工作,高溫氣態制冷劑不在第二冷凝器13中
進行換熱,高溫氣態制冷劑從第二冷凝器13的制冷劑出口流出后經過
第三截止閥16后進入蒸發器8放熱,使得蒸發器外壁化霜,制冷劑從
蒸發器8出口流出經過第二氣液分離器9后最終被吸入低壓壓縮機10
的入口。

參照圖3:

當環境溫度相對較高,而所需熱水溫度正常時,圖1的實施例中
采用低壓壓縮機10進行單級壓縮制加熱模式,而圖3中增加了第四截
止閥17與第五截止閥18,使得進行單級壓縮加熱時也可以采用高壓
壓縮機1,由于高壓壓縮機1與低壓壓縮機10的額定功率與氣缸尺寸
不同,因此擴大了單級壓縮加熱模式的加熱功率范圍,同時也提高了
高壓壓縮機的利用率。此流程除了可以實現高壓級壓縮單級加熱模式
外,也可以實現圖1和圖2的所有運行模式,只需將第四截止閥17
保持關閉,第五截止閥18保持開啟。

高壓級壓縮單級加熱模式:第一截止閥12,第二截止閥14,第三
截止閥16,第五截止閥18關閉,第四截止閥17開啟,高壓壓縮機1
與水泵15開啟,低壓壓縮機10關閉。高溫高壓的含油氣態制冷劑從
高壓壓縮機1出口流出進入第一油分離器2,含油制冷劑中的潤滑油
在第一油分離器被分離出來并從第一油分離器2的油出口流出回到壓
縮機入口,高溫高壓的制冷劑從油分離器的制冷劑出口流出進入第一
冷凝器3制冷劑入口放熱冷凝,高壓的液態制冷劑從第一冷凝器3的
制冷劑出口流出經過過冷器5但不換熱,再從過冷器5的液體出口流
出經過第三節流裝置19與單向閥6后,又經過第二節流裝置7,變成
低溫低壓的制冷劑氣液混合物進入蒸發器8吸收環境熱量,吸熱蒸發
后的低溫低壓氣態制冷劑經過第二氣液分離器9然后經過第四節截止
閥17返回高壓壓縮機1的入口。冷水經過水泵15后流經第二冷凝器
13但未加熱,然后再進入第一冷凝器3被加熱,變成高溫熱水后從第
一冷凝器3水出口流出供給用戶。

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一種 高效 大溫升單級 節流 兩級 壓縮 熱水器
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