利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵的製作方法

2023-05-22 17:01:16 2

專利名稱：利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱泵，具體涉及一種凝固潛熱型熱泵。
背景技術：
在我國，建築物的採暖空調能耗佔國家總能耗的30％左右，而且能源利用效率較低，給環境造成了巨大壓力，另一方面建築物的業主從政策和經濟等方面考慮，也不願意選擇鍋爐房或者城市熱網。由於熱泵具有供暖空調的雙重功能，初投資和運行費用也較低，因此近年來得到了迅速的推廣應用。水源熱泵由於其效率高，成本低，限制少等優點而獨佔鰲頭。近年來有人提出了凝固潛熱型熱泵，該熱泵主要有兩大工程應用背景，其一是我國擁有極大量的地表水資源，主要包括江河湖海水，而且幾乎所有城市都是傍水而建，水源與人居同位，這些地表水可以為熱泵提供絕對充足的低位熱源，但是冬季江河湖海水水溫很低，最低在2～4℃左右，因此可以利用的顯熱能量空間已經非常小，而且存在結冰凍結破壞或者堵塞管道和設備的危險；其二是目前城市汙水源熱泵發展迅速，但是研究表明，即使最大量的利用汙水顯熱，平均6到12棟相同建築的排放汙水才能滿足其中1棟建築的熱負荷要求；為了保證一棟建築的排放汙水熱能供應能夠自給自足，就必須提取5～15％的汙水所蘊含的凝固潛熱。研究表明，1kg清水的凝固潛熱為335kJ/kg，是每攝氏度顯熱的80倍左右；當5-30％含冰率的流體冰作為流動換熱的媒介與固體壁面接觸時，其換熱係數在3000W/(m2K)；同時流體冰還具有良好的流動性、可以用泵運輸等諸多優點，因此如何採取新的工藝和方法製取流體冰來提取水的凝固潛熱以滿足工程負荷的要求成為人們著重研究的對象。目前製取流體冰的方法主要有兩類，一類是水在低溫壁面上凝結生成「有根冰」，然後用某種方法從壁面上剝離冰晶，再讓水帶走。另一類是水在過冷水或者不相溶低溫流體中凝結生成「無根冰」，然後再進行冰晶分離。因為空氣與水互不相溶，流動性好，而且可以很容易地免費獲得，因此在製取「有根冰」或「無根冰」的過程中，人們考慮以空氣為中介製冷流體，但是，在空氣與水進行直接接觸換熱之後，溫度在0℃左右，而且非常接近飽和狀態，這種溫度和溼度下的空氣在進行冷卻換熱時極易在蒸發器表面結霜，霜層的增厚，增加了傳熱熱阻，極大地降低了系統的效率，因此在製取冰過程中還必須進行蒸發器表面除霜。目前空氣源熱泵的除霜方法有熱氣旁通、變片距等方法，由於要消耗額外的能量，導致系統能效比下降很多。

發明內容
針對以空氣為中介製冷流體的凝固潛熱型熱泵在提取凝固潛熱的過程中，蒸發器表面容易結霜，傳統除霜方法能耗較高，降低系統的能效比，本發明提供一種以空氣為中介製冷流體，利用部分低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，它包括依次相連的冷凝器、壓縮機、蒸發器和節流膨脹裝置，所述蒸發器包括兩組，兩組蒸發器設置在同一個密閉空間內，並且兩組蒸發器分別通過各自的管路與壓縮機和節流膨脹裝置連接；在兩組蒸發器之間設有兩個隔板，兩個隔板將密閉空間分割成一個結冰室和兩個蒸發室，所述密閉空間內還設有控制空氣在結冰室與蒸發室之間循環的主風機；在所述密閉空間的下方設有接水盤；在所述結冰室和兩個蒸發室內都設有噴水裝置，所述各噴水裝置通過管路與同一水源連通。由於霜層很薄，密度較小，除霜所需熱量不大，而且凝固潛熱型熱泵由於受流體冰流動性的限制，含冰率不能高於30％，故本發明利用其餘70％或者部分的低位熱源供水的溫差顯熱來進行除霜。本發明以空氣為中介製冷流體，具有性能好、成本低、易於工程實現的優點；本發明蒸發器的各部分各區域在蒸發、除霜和風乾的切換頻率上達到協同運行，就能保證系統能量輸入輸出的平穩性；本發明所述接水盤中流動的水保證了冰晶輸運而不積沉聚結，操作過程中控制含冰率在30％以下，可以保證後續管道設備不堵塞；本發明利用水源熱泵的低位熱源供水進行噴淋除霜，結構簡單，能耗很小，成本很低，操作容易，系統運行可靠，並且本發明充分利用了系統自身的固有資源，提高了系統自身的利用率，利於推廣應用。


圖1是本發明具體實施方式
一所述結構示意圖，圖2是具體實施方式
二所述結構示意圖，圖3是具體實施方式
三所述結構示意圖，圖4是具體實施方式
四所述結構示意圖，圖5是具體實施方式
五所述結構示意圖，圖6是折流-滾柵冰晶分離裝置結構示意圖，圖7是具體實施方式
六所述結構示意圖，圖8是熱泵在冬季和夏季之間工作切換結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式為一種利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，參照圖1，它包括熱泵的主體部分即依次相連的冷凝器1、壓縮機2、蒸發器3和節流膨脹裝置4，該主體部分的工作原理與一般的大型空氣源熱泵基本相同。所述蒸發器3包括兩組，兩組蒸發器3設置在同一個密閉空間5內，並且兩組蒸發器3分別通過各自的管路與壓縮機2和節流膨脹裝置4連接；在兩組蒸發器3之間設有兩個隔板7，兩個隔板7將密閉空間5分割成一個結冰室A和兩個蒸發室B，所述密閉空間5內設有控制空氣在結冰室A與其中一個蒸發室B之間循環的主風機10，主風機10為兩組，兩組主風機10分別設置在兩個蒸發室B內噴水裝置的上方且出風口都朝向結冰室A。在所述密閉空間5的下方設有接水盤6；在所述結冰室A和兩個蒸發室B內都設有噴水裝置，參照圖1，蒸發室B內的噴水裝置11-1設置在蒸發器3的上方，結冰室A內的噴水裝置11-2設置在結冰室A的下方，所述各噴水裝置通過管路與同一水源連通。
本實施方式的工作過程如下熱泵熱源供水通過一號管路14-1與結冰室A內的噴水裝置11-2連通，通過二號管路14-2與蒸發室B內的噴水裝置11-1連通。參照圖1，打開一號閥門15-1和二號閥門15-2，熱泵熱源供水由噴水裝置11-2向上噴灑，噴入到結冰室的水滴在結冰室A內先向上運動再向下運動，增加其在結冰室的停留時間，水滴在運動過程中向空氣釋放顯熱和潛熱並形成冰晶，冰晶在重力和氣流的作用下下落，由接水盤6收集，並被連續排走。
另一方面，開啟一個主風機10，由於兩個主風機10分別設置在兩個蒸發室內噴水裝置的上方，則位於對面蒸發室上方的停止運行的風機可以起到關閉其所在蒸發室風路的作用。密閉空間5內的空氣在主風機10的吹動下在結冰室內由上向下運動，然後進入一個蒸發室並由下向上運動，此時循環風就會將在結冰室吸收的水滴的顯熱和凝固潛熱帶入蒸發室並通過蒸發器把熱量傳給製冷劑；製冷劑通過熱泵把熱量轉移到末端循環水，末端循環水通過散熱設備再把熱量交給建築物房間從而實現冬季對房間供熱的目的。
進行蒸發運行的蒸發器在運行過程中又不斷有霜凝結，當霜層達到一定厚度時，停止製冷劑供液，然後對其進行除霜；對於已經完成除霜的這部分蒸發器開始製冷劑供液，蒸發運行。如此按一定周期重複運行，在即不影響供熱的情況下達到除霜目的。除霜時，該蒸發器停止製冷劑供液，打開該蒸發器上方噴淋裝置的閥門並向蒸發器表面噴淋熱泵低位熱源供水，霜層即會在供水的顯熱作用下融化並向下流動，並由設置在其下方的接水盤6收集。
本實施方式中，主風機10的作用在於使密閉空間5內有空氣在結冰室A與其中一個蒸發室B之間循環，所以只要達到所述目的，即應在本發明的保護範圍之內，而不限於本實施方式所述的風機為兩個及兩個風機的具體安放位置。另外，本實施方式所述沒有工作的風機可以起到阻止或極大的減少循環風進入其所在的蒸發室的作用，工作的時候，為了更好的達到阻止風進入該蒸發室的目的，可以將隔板的高度延伸至密閉空間5的頂端，或者增加風閥進行開關；將風機的入風口及出風口分別設置在隔板兩端，則設置在蒸發室內的風機入風口可以將蒸發室內的風吸入風機並從出風口排出，從而實現該蒸發室內外空氣的良好循環。
本實施方式中，蒸發室B內的噴水裝置11-1及結冰室A內的噴水裝置11-2都通過管路與同一水源連通。上述結構可以看出，蒸發室B內的噴水裝置11-1的作用即為除霜，結冰室A內的噴水裝置11-2的作用即為噴灑結冰用水。本實施方式用於除霜和結冰的用水都來源於熱泵低位熱源供水，利用不提取凝固潛熱的那部分供水的顯熱進行除霜，無需額外消耗能量，從而簡化了設備，節約了成本，提高了工作效率。
本實施方式通過上述結構即可以基本實現吸熱、除霜同步進行，並且可以達到設備簡單、成本低、效率高的目的。
具體實施方式
二，本實施方式與具體實施方式
一不同之處在於，參照圖2，在結冰室內、兩個隔板的側面分別設有一組擋水網8。所述擋水網8為彈性網，可以是由彈簧製成的網，也可以是普通篩網，設置擋水網8的目的在於防止水滴噴淋到隔板7上並生成越來越厚的冰層。可以對擋水網8進行周期變形除冰，從而除掉擋水網上因噴水而形成的冰。
具體實施方式
三與具體實施方式
一不同之處在於，本實施方式論述另一種噴水裝置的安裝位置，參照圖3，所述蒸發室B內的噴水裝置11-1設置在蒸發器3的上方，所述結冰室A內的噴水裝置11-2設置在結冰室A的上部，並且在結冰室A內噴水裝置11-2的下方設有彈性淋水層12。本實施方式與具體實施方式
一的主要區別在於，具體實施方式
一是水滴在結冰室的空氣內生成「無根冰」，本實施方式則是水膜在彈性淋水層上生成「有根冰」。本實施方式中，熱泵熱源供水由結冰室A內的噴水裝置11-2由上至下向彈性淋水層12噴淋，水在重力作用下向下流動形成水膜並最終凝結成冰。彈性淋水層上的冰晶依靠彈性變形方法剝離清除。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三不同之處在於，在兩個蒸發室內都設有出風口朝向蒸發器的風機13。參照圖4。
如實施方式一至三所述，對蒸發器進行除霜時，噴水裝置11-1向蒸發器表面噴水，霜層即會在供水的顯熱作用下融化並向下流動，對於蒸發器表面的水分只需自然風乾即可。但由於自然風乾所需時間較長，所以為了提高除霜效率，本實施方式提供一種在蒸發室內設置風機的結構，當霜層全部融化之後，停止供水噴淋，打開風乾循環風機13，將蒸發器表面迅速吹乾，從而保證下一周期內蒸發運行時表面沒有液態水。由於是利用系統內部已有的空氣對除霜之後的蒸發器表面進行風乾，從而可以保證下一運行周期內蒸發器表面不含任何形式的液態水份，避免了二次結霜。本實施方式所述供水除霜與風乾結構充分利用了系統自身的固有資源，具有結構簡單，投資少，能耗少的優點。前面所述結構只要各部分在蒸發、除霜和風乾的切換頻率上達到協同運行，就能保證系統能量輸入輸出的平穩性。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三不同之處在於，在蒸發室下方設有折流-滾柵冰晶分離裝置9，參照圖5、圖6。實施方式一至三所述主風機10控制結冰室內的風自上向下流通，由於空氣自身熱容量較小，轉移一定能量時，需要的空氣體積流量比水要大很多，斷面流速很高(一般在6～10m/s左右)。由於本發明結冰室與蒸發室內空氣流道較短而且簡單，因此主風機能耗不是很高，但是結冰室內高流速的空氣容易攜帶剛剛凝結的冰晶流動，從而影響冰晶從氣相分離。針對所述問題，本實施方式採用如圖5、圖6所示的帶有折流板和滾柵的裝置進行冰晶的分離過濾。所述折流-滾柵冰晶分離裝置9由上擋板9-1、滾柵9-2、刮板9-3和折流板9-4組成，所述滾柵9-2設置在上擋板9-1與刮板9-3之間，並且滾柵9-2的下端與刮板9-3接觸；所述折流板9-4的一端固定在上擋板9-1的底面上，折流板9-4的另一端向著滾柵9-2的方向彎曲過渡。所述滾柵9-2為網孔狀柱面體，滾柵9-2的中間設有傳動軸9-5。
噴水裝置11-2在結冰室內噴水並且水滴凝結成冰晶，冰晶在重力和氣流的作用下落至接水盤6中並被連續排走；有一部分冰晶被主風機10產生的循環風夾帶並進入該循環流道，此時，折流-滾柵冰晶分離裝置9即起到將循環風與冰晶進行分離的作用。所述折流-滾柵冰晶分離裝置9把冰晶從空氣中分離分兩個步驟進行，第一步利用了冰晶的慣性在結冰室下方即將進入蒸發室的氣流首先遇到折流板9-4，氣流內夾帶的冰晶遇到折流板9-4後即會在自身慣性的作用下向水面運動，並被水面捕獲而達到初步分離的目的。分離的第二步利用了滾柵過濾和機械濾面再生沒有因慣性而落入水面的冰晶在繼續前進過程中遇到滾柵9-2，滾柵9-2為網孔狀柱面體且不斷繞傳動軸9-5轉動，繼續前進的氣流由滾柵的網孔穿過，而氣流內夾帶的冰晶則會被網孔截住，被截留的冰晶隨滾柵轉動過程中遇到刮板9-3後由刮板清除並掉入接水盤6中從而實現空氣與冰晶的分離，同時實現對滾柵的機械濾面再生；落入到接水盤中的冰晶即會被流動的水帶走。
具體實施方式
六本實施方式為結合了實施方式四、五的結構而形成的熱泵。參照圖7，本實施方式所述結構即包括有風機13，也包括有折流-滾柵冰晶分離裝置9。所述風機13及折流-滾柵冰晶分離裝置9的具體結構及安裝位置與具體實施方式
四、五相同。
本實施方式同時實現了蒸發器高效換熱、低能耗除霜、冰晶完全分離的目的，它以空氣為中介製冷流體，將蒸發器分成兩大部分，蒸發與除霜兩種工況交替運行，利用水源熱泵熱源供水進行頻率協同噴淋除霜，空氣風於，同時利用冰晶慣性和滾柵進行連續冰晶分離。
具體實施方式
七如圖8所示，熱泵在冬季供熱結束後，需要在夏季供冷時，將四通換向閥16旋轉90度角，則蒸發器3與冷凝器1功能互換，即在夏季運行時，冷凝器1將作為蒸發器使用，蒸發器3將作為冷凝器使用，從而實現對建築物的供冷要求。夏季空調工況運行時，除霜的噴淋裝置可以用於噴淋冷凝，即將噴水裝置11-1和噴水裝置11-2所在管路的閥門全部開啟，使各噴水裝置同時工作，從而更好的實現空調冷凝廢熱向水中釋放。
本發明中的蒸發器3包括兩組，每組中的蒸發器可以是一個，也可以是多個，可以根據需要進行設置；相應的，根據蒸發器的數量也可以調整主風機10、風機13、折流-滾柵冰晶分離裝置9及隔板7、擋水網8的數量，目的只在於更好的實現本發明所述目的，因此都應在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，它包括依次相連的冷凝器(1)、壓縮機(2)、蒸發器(3)和節流膨脹裝置(4)，其特徵在於所述蒸發器(3)包括兩組，兩組蒸發器(3)設置在同一個密閉空間(5)內，並且兩組蒸發器分別通過各自的管路與壓縮機(2)和節流膨脹裝置(4)連接；在兩組蒸發器(3)之間設有兩個隔板(7)，兩個隔板(7)將密閉空間(5)分割成一個結冰室(A)和兩個蒸發室(B)，所述密閉空間(5)內還設有控制空氣在結冰室(A)與蒸發室(B)之間循環的主風機(10)；在所述密閉空間(5)的下方設有接水盤(6)；在所述結冰室(A)和兩個蒸發室(B)內都設有噴水裝置，所述各噴水裝置通過管路與同一水源連通。
2.根據權利要求1所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於所述蒸發室(B)內的噴水裝置設置在蒸發器(3)的上方，所述結冰室(A)內的噴水裝置設置在結冰室(A)的下方。
3.根據權利要求2所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於在結冰室(A)內、兩個隔板(7)的側面分別設有一組擋水網(8)。
4.根據權利要求1所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於所述蒸發室(B)內的噴水裝置設置在蒸發器(3)的上方，所述結冰室(A)內的噴水裝置設置在結冰室(A)的上部，並且在結冰室(A)內噴水裝置的下方設有彈性淋水層(12)。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於在兩個蒸發室(B)內都設有出風口朝向蒸發器的風機(13)。
6.根據權利要求5所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於在蒸發室下方設有折流-滾柵冰晶分離裝置(9)，所述折流-滾柵冰晶分離裝置(9)在結構上由上擋板(9-1)、滾柵(9-2)、刮板(9-3)和折流板(9-4)組成，所述滾柵(9-2)為網孔狀柱面體，滾柵(9-2)的中間設有傳動軸(9-5)；所述滾柵(9-2)設置在上擋板(9-1)與刮板(9-3)之間，並且滾柵(9-2)的下端與刮板(9-3)接觸；所述折流板(9-4)的一端固定在上擋板(9-1)的底面上，折流板(9-4)的另一端向著滾柵(9-2)的方向彎曲過渡。
7.根據權利要求6所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於所述密閉空間(5)內設置的控制空氣在結冰室(A)與蒸發室(B)之間循環的主風機(10)為兩組，兩組主風機(10)分別設置在兩個蒸發室(B)內噴水裝置的上方且出風口都朝向結冰室(A)。
8.根據權利要求1、2、3或4所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於在蒸發室(B)下方設有折流-滾柵冰晶分離裝置(9)，所述折流-滾柵冰晶分離裝置(9)在結構上由上擋板(9-1)、滾柵(9-2)、刮板(9-3)和折流板(9-4)組成，所述滾柵(9-2)設置在上擋板9-1與刮板(9-3)之間，並且滾柵(9-2)的上端與上擋板(9-1)接觸，滾柵(9-2)的下端與刮板(9-3)接觸；所述折流板(9-4)的一端固定在上擋板(9-1)的底面上，折流板(9-4)的另一端向著滾柵(9-2)的方向彎曲過渡。
9.根據權利要求8所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於所述滾柵(9-2)為網孔狀柱面體，滾柵(9-2)的中間設有傳動軸(9-5)。
10.根據權利要求1、2、3或4所述的利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，其特徵在於所述密閉空間(5)內設置的控制空氣在結冰室(A)與蒸發室(B)之間循環的主風機(10)為兩組，兩組主風機(10)分別設置在兩個蒸發室(B)內噴水裝置的上方且出風口都朝向結冰室(A)。
全文摘要
利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，涉及一種熱泵。針對目前蒸發器表面除霜消耗額外能量，降低系統能效比的問題，本發明提供一種利用低位熱源供水顯熱進行除霜的凝固潛熱型熱泵，它的蒸發器包括兩組，在兩組蒸發器(3)之間設有兩個隔板(7)，兩個隔板(7)將密閉空間(5)分割成一個結冰室和兩個蒸發室，並在結冰室和兩個蒸發室內都設有噴水裝置，所述各噴水裝置通過管路與同一水源連通。本發明具有性能好、成本低、易於工程實現的優點；利用水源熱泵的低位熱源供水進行噴淋除霜，結構簡單，能耗很小，成本很低，操作容易，系統運行可靠，並且本發明充分利用了系統自身的固有資源，提高了系統自身的利用率，利於推廣應用。
文檔編號F24D15/00GK1800749SQ20061000961
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月12日 優先權日2006年1月12日
發明者孫德興, 張承虎, 吳榮華, 劉志斌 申請人:哈爾濱工業大學