熱水器系統及該熱水器系統的換熱方法與流程

2023-09-17 10:34:10 2

本發明涉及衛浴電器領域，具體而言，涉及一種熱水器系統及該熱水器系統的換熱方法。

背景技術：

現有的熱水器設備主要包括：燃氣熱水器、電熱水器以及太陽能熱水器。燃氣熱水器通過燃燒可燃氣體加熱水；電熱水器採用電阻加熱技術通過發熱電阻加熱水；太陽能熱水器依靠太陽光輻射的熱量加熱水；以上熱水器在日常使用過程中都有一定的局限性，如燃氣熱水器和電熱水器均有一定安全隱患，燃氣熱水器存在燃氣洩漏的危險，電熱水器存在電路短路或漏電的危險，這些均威脅使用者的人身安全；再如太陽能熱水器在日常使用的過程中受限於日照情況，在日常良好時太陽能熱水器能夠正常工作，而在陰天、雨天或雪天等日照惡劣的情況下則不能正常工作。

近幾年市面上出現了熱泵熱水器，熱泵熱水器採用卡諾循環原理，利用換熱介質的氣液兩相之間變化進行吸熱，然後換熱介質放熱加熱水，將熱量從低溫的環境中轉移到高溫的環境中，即將室外空氣環境中的熱量轉移到溫度較高的待加熱水中。在理論上，熱泵熱水器的熱力學耗能系統的經濟性比消耗電能和燃料能直接供暖的熱水器系統的經濟性要好。因此，相對於現有的燃氣熱水器、電熱水器及太陽能熱水器而言，熱泵熱水器具有輸入功率小，能效高，使用穩定性好，以及更加安全可靠的優點。

如圖1所示，其是現有市面上的熱泵熱水器系統的結構原理圖。該熱泵熱水器系統包括包括壓縮機1′、冷凝器2′、節流元件3′、蒸發器4′、風機5′和水箱6′，待加熱水存放在水箱6′中，空氣依靠風機5′提供流動動力形成氣流。

該系統工作過程為：壓縮機1′抽吸蒸發器4′中換熱介質蒸汽，將換熱介質蒸汽壓縮後送往冷凝器2′，在冷凝器2′中換熱介質等壓冷卻成液體，然後輸向水箱6′並向其中的待加熱水釋放一定熱量，之後換熱介質通過節流元件3′，在經過節流元件3′後換熱介質以氣液兩相混合物狀態進入蒸發器4′，換熱介質在蒸發器4′中從空氣中吸熱蒸發(風機5′為蒸發器4′提供強制對流空氣)，然後換熱介質再次進入壓縮機進行下一循環。如此多次循環換熱操作，直至待加熱水達到加熱溫度要求。

但是，現有的熱泵熱水器系統的蒸發器4′置於室外並直接與外界空氣接觸，因而蒸發器4′受室外環境溫度變化的影響十分明顯，尤其在冬季空氣寒冷時，蒸發器4′會結霜情況頻發，這嚴重影響熱泵熱水器的換熱性能。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於提供一種熱水器系統及該熱水器系統的換熱方法，以解決現有技術中的熱水器系統的蒸發器在冬季結霜情況頻發而影響熱水器系統的換熱性能問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種熱水器系統，包括：水箱以及依次相連通的冷凝器、節流元件、蒸發器和壓縮機，冷凝器設置在水箱內以加熱水箱內的水；熱水器系統還包括：空氣預熱裝置，空氣預熱裝置與蒸發器間隔設置，且蒸發器的進風側與空氣預熱裝置的出風側相對設置，空氣預熱裝置用於對通過蒸發器的空氣進行預熱處理。

進一步地，空氣預熱裝置包括：輔助冷凝器，輔助冷凝器的出口與蒸發器的入口相連通；節流閥，節流閥的出口與輔助冷凝器的進口相連通，節流閥的進口與壓縮機的出口相連通，節流閥用於控制流向輔助冷凝器的換熱介質的流量。

進一步地，熱水器系統還包括：控制器，控制器與壓縮機電連接，控制器與節流閥電連接；溫度傳感器，溫度傳感器與控制器電連接，溫度傳感器用於檢測水箱中的水的溫度；控制器根據溫度傳感器檢測到的水箱中的水的溫度控制節流閥的開度大小，並控制壓縮機的啟動或關閉。

進一步地，空氣預熱裝置包括發熱設備，發熱設備的出風側與蒸發器的進風側相對設置。

進一步地，空氣預熱裝置包括導熱部件，導熱部件的第一端裹設在壓縮機的殼體上，導熱部件的第一端將壓縮機產生的熱量傳遞至導熱部件的第二端，且導熱部件的第二端對通過蒸發器的空氣進行預熱處理。

進一步地，熱水器系統還包括：軸流式風機，軸流式風機用於使空氣依次通過空氣預熱裝置和蒸發器。

進一步地，節流元件為毛細管節流設備或熱力膨脹閥或電子膨脹閥中的一種。

進一步地，熱水器系統還包括：安裝基座，蒸發器、壓縮機、節流元件、空氣預熱裝置以及軸流式風機均固定安裝在安裝基座上。

進一步地，熱水器系統還包括：散熱裝置，散熱裝置固定設置在安裝基座上，散熱裝置用於對壓縮機進行散熱處理。

根據本發明的另一方面，提供了一種熱水器系統的換熱方法，該換熱方法應用前述的熱水器系統進行換熱操作，該換熱方法包括以下步驟：

步驟S10：換熱介質在熱水器系統的蒸發器中從空氣吸熱，以使換熱介質由液相轉變為氣相，其中，通過熱水器系統的空氣預熱裝置對輸向蒸發器的空氣進行預熱處理；

步驟S20：通過熱水器系統的壓縮機將氣相的換熱介質進行壓縮；

步驟S30：將壓縮完成後的氣相換熱介質輸送至熱水器系統的冷凝器中與水箱中的水進行換熱，以使水的溫度升高。

進一步地，在步驟S10的通過空氣預熱裝置對輸送至蒸發器的空氣進行預熱處理的過程中，由輸送進冷凝器的換熱介質中分流出一路氣相換熱介質對空氣進行預熱處理，其中，該路換熱介質通過空氣預熱裝置中的輔助蒸發器對空氣進行放熱。

進一步地，在換熱介質通過輔助蒸發器對空氣進行放熱的過程中，通過控制空氣預熱裝置中的節流閥的開度大小來控制進入輔助蒸發器的換熱介質的流量，以控制該路換熱介質通過輔助蒸發器向空氣放出的熱量保持穩定。

應用本發明的技術方案，該熱水器系統包括水箱以及依次相連通的冷凝器、節流元件、蒸發器和壓縮機，冷凝器設置在水箱內以加熱水箱內的水蒸發器利用液相換熱介質從空氣中吸收熱量以使換熱介質蒸發為氣相，由壓縮機壓縮並將換熱介質輸向冷凝器中對水箱中的水進行加熱，其中，利用空氣預熱裝置對通過蒸發器的空氣進行預熱操作。該熱水器系統通過利用空氣預熱裝置對空氣進行預熱後再與蒸發器中的換熱介質換熱以使換熱介質吸收熱量，在寒冷易結霜的冬季，預熱升溫後的空氣能夠首先對結霜的蒸發器進行解凍除霜，與現有技術相比，避免了換熱介質一邊吸熱一邊對蒸發器解凍除霜的工作，提高了換熱效率，並且，預熱升溫後的空氣能夠進一步提高換熱介質與空氣在蒸發器中進行換熱的換熱效能，提高能耗利用率。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1示出了現有技術的熱泵熱水器系統的換熱原理結構示意圖；

圖2示出了根據本發明的熱水器系統的第一實施例的換熱原理結構示意圖；

圖3示出了根據本發明的熱水器系統的第一實施例的詳細換熱原理結構示意圖；

圖4示出了根據本發明的熱水器系統的第二實施例的換熱原理結構示意圖；

圖5示出了根據本發明的熱水器系統的第三實施例的換熱原理結構示意圖；

圖6示出了本發明的熱水器系統的實施例的集成裝配結構示意圖。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

10、水箱； 20、冷凝器；

31、蒸發器； 32、軸流式風機；

40、壓縮機； 50、空氣預熱裝置；

51、輔助冷凝器； 52、節流閥；

60、控制器； 70、溫度傳感器；

80、安裝基座； 90、散熱裝置；

100、汽液分離器； 200、節流元件；

201、水箱進水管； 202、水箱出水管。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。

圖1至圖5中的空心箭頭表示空氣的流動方向；圖1至圖5中的實心黑箭頭表示換熱介質在循環通道中的流動方向。

如圖2和圖3所示，本發明的第一實施例提供了一種熱水器系統，該熱水器系統包括水箱10、冷凝器20、節流元件200、蒸發器31、壓縮機40和空氣預熱裝置50，其中，冷凝器20、節流元件200、蒸發器31以及壓縮機40依次相連通以形成換熱介質循環流動的封閉循環通道。在本實施例中，冷凝器20設置在水箱10內，冷凝器20用於加熱水箱10內的水，節流元件200將從冷凝器20輸出的換熱介質從常溫高壓的液相狀態轉換為低溫低壓的液相狀態，然後換熱介質繼續輸向蒸發器31與空氣進行換熱，以使換熱介質吸收空氣中的熱量被蒸發為氣相狀態。換熱介質在冷凝器20中向水釋放了熱量對水進行加熱之後，換熱介質經由節流元件200重新流回蒸發器31中與空氣進行換熱，換熱介質在蒸發器31中重新吸收空氣的熱量並且換熱介質由液相蒸發為氣相。換熱介質在蒸發器31中從空氣中吸收了熱量之後，由壓縮機40提供動力，將換熱介質由蒸發器31中抽送出來，然後換熱介質在壓縮機40中被壓縮，氣相換熱介質被壓縮為高溫高壓氣相，並且由壓縮機40提供動力向冷凝器20輸出，換熱介質在冷凝器20中與水進行熱交換，在該熱水器系統中，空氣預熱裝置50與蒸發器31間隔設置，並且蒸發器31的進風側與空氣預熱裝置50的出風側相對設置，這樣能夠縮短輔助冷凝器51將預熱後的空氣輸送至蒸發器31的輸送路徑，從而減少預熱後的空氣在輸送過程中的熱量損失，空氣預熱裝置50用於對通過蒸發器31空氣進行預熱處理。

該熱水器系統通過利用空氣預熱裝置50對空氣進行預熱後再與蒸發器31中的換熱介質換熱，以使換熱介質吸收空氣的熱量而蒸發為氣相，在寒冷容易結霜的冬季，預熱升溫後的空氣能夠首先對結霜的蒸發器31進行解凍除霜，與現有技術相比，避免了換熱介質一邊吸熱一邊對蒸發器31解凍除霜的工作過程，從而節省了蒸發器31自身解凍除霜所耗費的較長的工作時間，提高了熱水器系統的整體換熱效率，並且，預熱升溫後的空氣能夠進一步提高換熱介質與空氣在蒸發器31中進行換熱的換熱效能，提高能耗利用率。在夏季炎熱的時節，熱水器系統的空氣預熱裝置50並不開啟工作，此時，環境空氣的溫度較高，無需再對空氣進行預熱操作。

在第一實施例中，空氣預熱裝置50包括輔助冷凝器51和節流閥52，輔助冷凝器51的進口節流閥52的出口相連通，輔助冷凝器51的出口與蒸發器31的入口相連通，節流閥52的進口與壓縮機40的進口相連通(或者，輔助冷凝器51的進口與節流閥52的出口相連通，輔 助冷凝器51的出口通過連接管路與蒸發器31與冷凝器20之間的連接管路通過三通接頭相連通，節流閥52的進口通過連接管路與壓縮機40與冷凝器20之間的連接管路通過三通接頭相連通)，節流閥52用於控制流向輔助冷凝器51的換熱介質的流量。在冬季時節，熱水器系統需要利用空氣預熱裝置50對空氣進行預熱以提高熱水器系統的換熱效率時，此時，將節流閥52打開，使得部分換熱介質流向輔助冷凝器51，然後換熱介質在輔助冷凝器51中向空氣釋放熱量，從而對空氣進行預熱，並將預熱後的空氣向蒸發器31輸出。

如圖3所示，第一實施例的熱水器系統還包括控制器60和溫度傳感器70，控制器60與壓縮機40電連接，控制器60與節流閥52電連接，溫度傳感器70與控制器60電連接。溫度傳感器70用於檢測水箱10中的水的溫度，並將溫度傳感器70檢測到的水箱10中的水的溫度數據傳輸給控制器60中進行分析處理，控制器60根據溫度傳感器70檢測到的水箱10中的水的溫度控制節流閥52的開度大小，由於熱水器系統在剛開始工作的階段水箱10中水的溫度較低(此時水的溫度為室溫20攝氏度左右)，並且輔助冷凝器51需要快速地對蒸發器31進行解凍除霜處理，因此，此時節流閥52的開度較大或完全開啟節流閥52；在熱水器系統工作了一段時間之後，蒸發器31已經解凍除霜完成，並且水箱10中的水的溫度也有所上升，經過壓縮機40循環的換熱介質的溫度也在不斷上升，此時，輔助冷凝器51中需要保持向空氣穩定釋放熱量以使空氣被預熱後的溫度能夠保持溫度的範圍，因此，控制器60控制節流閥52逐漸關小其開度。在水箱10中的水的溫度上升至所設定的溫度之後(該設定的溫度為40攝氏度至70攝氏度之間的任意溫度值，該設定溫度可以由使用者自定義地設定)，控制器60控制壓縮機40的啟動或關閉。

在第一實施例中，該熱水器系統還包括軸流式風機32。在本實施例中，軸流式風機32用於使空氣依次通過空氣預熱裝置50和蒸發器31。軸流式風機32可以安裝在蒸發器31的一側且遠離輔助冷凝器51，應用軸流式風機32抽風的方式將經輔助冷凝器51預熱後的空氣抽向蒸發器31；或者，軸流式風機32也可以安裝在輔助冷凝器51的一側並遠離蒸發器31，應用軸流式風機32向輔助冷凝器51吹風的方式將經輔助冷凝器51預熱後的空氣抽向蒸發器31。當然，本發明的軸流式風機32還可以利用徑向式出風的風機代替。

具體地，第一實施例的節流元件200為毛細管節流設備或熱力膨脹閥或電子膨脹閥中的一種，經過節流元件200的換熱介質能夠從常溫高壓液相狀態轉變為低溫低壓液相狀態，然後輸向蒸發器31。

為了集成裝配該熱水器系統，縮減該熱水器系統所佔用的裝配空間，第一實施例的熱水器系統還包括安裝基座80，如圖6所示，蒸發器31、壓縮機40、節流元件200、空氣預熱裝置50以及軸流式風機32均固定安裝在安裝基座80上。並且，水箱10的水箱進水管201和水箱出水管202穿過安裝基座80並與安裝基座80固定連接。在本實施例中，換熱介質由蒸發器31流進壓縮機40之前，換熱介質還需經過汽液分離器100，進行汽液分離，以保證換熱介質完全以氣相狀態進入壓縮機40。

在熱水器系統的工作過程中，壓縮機40持續工作產生熱量，為了能夠對壓縮機40進行降溫散熱處理，保護壓縮機40能夠在適合的工作溫度下工作，以避免壓縮機40的溫度過高 而損壞壓縮機40，因此，熱水器系統還包括散熱裝置90，該散熱裝置90固定設置在安裝基座80上，散熱裝置90用於對壓縮機40進行散熱處理，如圖3所示。該散熱裝置90可以是散熱風機，也可以是循環冷卻水散熱器，當採用散熱風機對壓縮機40進行散熱冷卻時，散熱風機的出風口與壓縮機40相對設置以使散熱風機的散熱風直接吹向壓縮機40進行散熱冷卻，當採用循環冷卻水散熱器對壓縮機40進行散熱冷卻時，循環冷卻水散熱器的循環水管繞設在壓縮機40的殼體上，循環冷卻水循環流動以帶走壓縮機40產生的熱量，從而實現對壓縮機40散熱冷卻。在第一實施例中，散熱裝置90與控制器60電連接，在熱水器系統啟動工作後，散熱裝置90持續對壓縮機進行散熱冷卻，或者，在壓縮機40上設置第一測溫傳感器，該第一測溫傳感器與控制器60電連接，第一測溫傳感器將檢測到的壓縮機40的溫度信號傳輸給控制器60，當壓縮機40的溫度上升到預定溫度之後，控制器60控制散熱裝置90啟動對壓縮機進行持續散熱冷卻。

如圖4所示，其示出了本發明的第二實施例的原理結構示意圖。在第二實施例中，該實施例與第一實施例的不同之處在於：空氣預熱裝置50包括發熱設備，發熱設備的出風側與蒸發器31的進風側相對設置。優選地，該發熱設備為熱風機，當選用熱風機時，可以應用家用電為熱風機提供電能，也可以應用平板太陽能蓄電池對熱風機供能。發熱設備與控制器60電連接，通過控制器60控制發熱設備啟動工作，以向空氣預熱裝置50中吹送熱風。優選地，該發熱設備上具有第二測溫傳感器，第二測溫傳感器也與控制器60電連接，通過第二測溫傳感器檢測室外溫度，當第二測溫傳感器檢測到室外溫度低於5攝氏度時，控制器60根據第二測溫傳感器檢測的室外溫度信號控制發熱設備向蒸發器31輸送熱風。第二實施例與第一實施例之間除上述不同之外，其餘結構均相同。

如圖5所示，其示出了本發明的第三實施例的原理結構示意圖。在第三實施例中，該實施例與第一實施例的不同之處在於：空氣預熱裝置50包括導熱部件，導熱部件的第一端裹設在壓縮機40的殼體上，導熱部件的第一端將壓縮機40產生的熱量傳遞至導熱部件的第二端，且導熱部件的第二端對空氣進行預熱處理，並且，由於導熱部件持續將壓縮機40的熱量導出，使壓縮機40能夠持續被散熱冷卻，因此，在第三實施例中無需再單獨設置散熱裝置90對壓縮機進行散熱冷卻。由於壓縮機40將換熱介質進行壓縮形成高溫高壓的氣相換熱介質之後，換熱介質從壓縮機的輸出管輸向冷凝器20，此時，壓縮機40的輸出口附近的輸出管的溫度也相對較高，為了能夠更加充分地利用熱水器系統中壓縮機40自身產生的熱量，因此，導熱部件的第一端除了包裹壓縮機40的殼體傳導熱量之外，還將壓縮機40輸出口附近的輸出管包裹起來，從而更好地將壓縮機40產生的熱量回收利用，同時也進一步對壓縮機40進行散熱。第三實施例的導熱部件持續為空氣進行預熱，然後將預熱後的空氣向蒸發器31輸出。在本實施例中，導熱部件可以是導熱管、導熱管束、導熱板或導熱帶的一種或幾種的結合形式。第三實施例與第一實施例之間除上述不同之外，其餘結構均相同。

根據本發明的另一方面，提供了一種熱水器系統的換熱方法，該換熱方法應用前述的熱水器系統進行換熱操作，該換熱方法包括以下步驟：

步驟S10：換熱介質在熱水器系統的蒸發器31中從空氣吸熱，以使換熱介質由低溫液相轉變為氣相，其中，通過熱水器系統的空氣預熱裝置50對通過蒸發器31的空氣進行預熱處理；

步驟S20：通過熱水器系統的壓縮機40將氣相的換熱介質壓縮形成高溫高壓氣相的換熱介質；

步驟S30：將壓縮完成的高溫氣相的換熱介質輸送至熱水器系統的冷凝器20中與水箱10中的水進行換熱，以使水的溫度升高，並且氣相的換熱介質向水箱10中的水放熱後被冷凝為液相。

在本發明的換熱方法中，在步驟S10的通過空氣預熱裝置50對輸送至蒸發器31的空氣進行預熱處理的過程中，由輸送進冷凝器20的換熱介質中分流出一路高溫氣相換熱介質對空氣進行預熱處理，其中，該路換熱介質通過空氣預熱裝置50中的輔助蒸發器31對空氣進行放熱，從而實現對空氣的預熱操作。

具體地，在換熱介質通過輔助蒸發器31對空氣進行放熱的過程中，通過控制空氣預熱裝置50中的節流閥52的開度大小來控制進入輔助蒸發器31的換熱介質的流量，以控制該路換熱介質通過輔助蒸發器31向空氣放出的熱量保持穩定，從而使預熱後輸出的空氣的溫度保持穩定。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。