一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置的製作方法

2023-05-09 04:12:31 4

專利名稱：一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種蒸發熱量來自於人工水體的熱泵集成裝置，特別涉及一種間接採集空 氣能來恢復循環水溫的人工水體熱泵裝置，尤其利用新能源的高度集成高效的熱泵裝置。
背景技術：
熱泵是一種消耗少部分高級能量(電能、燃料燃燒能等)來做功，從低溫熱源吸取大 量能量，然後向高溫熱源釋放熱量的裝置。目前常用的蒸氣壓縮式熱泵的制熱是通過使用 熱泵工質的蒸發冷凝來實現的液態低壓工質通過蒸發器與外界環境換熱，吸收環境中的 熱量後蒸發，然後經過壓縮機被壓縮，工質溫度升高，再經過冷凝器時放熱給高溫熱源， 熱泵工質被液化，然後經過節流元件節流膨脹，溫度和壓力降低，再回流到蒸發器進入下 一循環。在現有的熱泵裝置中，可以利用水源、地源、空氣源等多種能量來源。但是，應 用水、地源熱泵需要有合適的水體資源，開展水中拋管、地下埋管施工，因而水、地源熱 泵受到使用場所地表、地下自然條件的限制。使用空氣源受空氣溫、溼度影響比較大，在 冬季溼度較高的地區運行時，蒸發器結霜嚴重，從而導致熱泵不能長時間高效工作，嚴重 時使熱泵機組停止運行。除霜環節中，除霜耗能導致整個熱泵系統效率的降低。隨著社會 的發展及技術的進步，人們更加需要一種更節能、高效的熱泵能量採集裝置。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種採熱效率更高、更加節能的、 使用更方便的間接採集空氣能的人工水體熱泵一體化裝置，該熱泵系統在低溫高溼的冬季 能夠穩定運行，可靠性高，無結霜困擾，省去了除霜環節。本發明將人工水體能量採集裝 置與熱泵部件(壓縮機、節流閥和蒸發器等) 一體化集成，無需顧慮使用環境的地表、地 下自然條件，應用方便。
本發明的技術方案是這樣實現的
一種間接採集空氣能的人工水體熱泵一體化裝置，包括人工水體能量採集裝置和熱泵 循環裝置，其中人工水體能量採集裝置包括水循環單元和空氣循環單元。人工水體能量採 集裝置的水循環單元包括水一工質換熱器(水側)、空氣一水換熱器(水側)、集水槽、水 泵、管路等；空氣循環單元包括空氣一水換熱器(空氣側)和風機系統等。熱泵循環裝置 根據一體化裝置的集成程度，包括水一工質換熱器的工質側(熱泵循環裝置的蒸發器工質 側)、壓縮機、節流元件、冷凝器中的部分或者全部部件，冷凝器向高溫熱源釋放熱量。
水循環單元中，水泵的進口與集水槽連接，出口通過管道進入水一工質換熱器的水側 進口，水一工質換熱器的水側出口連接空氣一水換熱器的水側進口，空氣一水換熱器的水 側出口連接集水槽。
空氣循環單元中，在風機系統的驅動下，環境中的空氣經空氣流道後進入空氣一水換
熱器的空氣側進口，再從空氣一水換熱器的空氣側出口排放至環境中，形成空氣循環。水 循環單元和空氣循環單元通過空氣一水換熱器進行熱交換。
熱泵循環裝置中，水一工質換熱器的工質側進口與節流元件出口連接，出口與壓縮機 進口連接，壓縮機的出口與冷凝器進口連接，冷凝器出口與節流元件進口連接，熱泵工質 在裝置中循環。熱泵循環裝置和水循環單元通過水一工質換熱器進行熱交換。
水循環單元的工作過程本發明使用的水(或其它液體介質)，進入水一工質換熱器 的水側，釋放熱量降溫(工質側吸熱蒸發)，低溫水從水一工質換熱器出來後，進入空氣 一水換熱器水側，和空氣進行換熱，吸熱升溫，然後高溫水進入集水槽，再被水泵泵入水 一工質換熱器完成水循環。
空氣循環裝置的工作過程環境中的空氣在風機系統的推動下，.進入空氣一水換熱器 空氣側，釋放熱量(若空氣與水發生直接接觸，將還伴隨有空氣中水蒸汽的傳質)，然後空氣排入環境，完成空氣的循環。
熱泵循環裝置的工作過程液態熱泵工質通過節流元件後溫度、壓力均降低，然後進 入水一工質換熱器的工質側，吸收水側的熱量後蒸發，氣態的工質經壓縮機壓縮，壓力和 溫度都升高，高溫氣態工質通過冷凝器進行冷凝放熱，將熱量傳遞給高溫熱源，形成的液 態工質重新回到節流元件的進口，完成熱泵工質的循環。
本發明的熱泵工質在水一工質換熱器的工質側中和循環水進行熱量的交換，這部分循 環水類似於人工的水體。區別與自然環境中的水體和環境(空氣、水體底固體巖土)在自 然狀態下的換熱，這部分人工水體採用強制換熱的方式和自然環境中的空氣進行換熱，構 成了本發明的人工水體熱泵的能量來源。由於空氣一水換熱器可以採用混合的方式進行傳 熱傳質；水一工質換熱器內循環的人工水體可以為低冰點溫度的液體介質，水一工質換熱 器可以實現液體間的間壁換熱，換熱途徑突破了常規空氣源熱泵風冷蒸發器的空氣一工質 換熱的相態模式，因此，形成結霜的基礎因素發生了變化。而空氣和水的混合換熱，以及 水在間壁換熱時較高的對流換熱係數，也使工質蒸發環節的總傳換熱效率具有了提高的潛 力，由此既可以避免熱泵在低溫高溼氣候下使用的結霜問題，又獲得穩定高效的工作性能。
本發明與現有的產品相比，具有耐冷溼氣候、穩定節能的特點。


圖1為本發明提供的人工水體熱泵一體化裝置的原理圖，其空氣一水換熱器的水側採 用噴淋方式和空氣進行開放式的自由接觸，發生傳熱傳質。
圖2為本發明提供的人工水體熱泵一體化裝置，其空氣一水換熱器和水一工質換熱器 的水側均採用噴淋方式，並和空氣進行開放式的自由接觸，發生傳熱傳質。
圖3為本發明提供的人工水體熱泵一體化裝置，其空氣一水換熱器採用間壁換熱的方 式傳熱。
'￡ 4為本發明提供的人工水體熱泵一體化裝置，其水循環單元的循環水從空氣—水換 熱器出來後再進入水一工質換熱器。
下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
實施例l參見圖l，本發明的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，包括 壓縮機l、節流元件5、水泵64、冷凝器31、集水槽52、風機系統63、空氣一水換熱器 42、水一工質換熱器21、噴淋器53、連接管道ll、 12、 13、 14、 71。水一工質換熱器21 工質側的進口通過管道12與節流元件5出口連接，出口與壓縮機1進口通過管道11連接， 壓縮機l出口與冷凝器31進口通過管道14連接，冷凝器31出口與節流元件5進口通過 管道13連接，形成熱泵循環裝置。水泵64的進口與集水槽52連接，出口通過管道71 與噴淋器53連接，噴淋器53的出水進入水一工質換熱器21的水側進口，水一工質換熱 器21的水側出口連接空氣一水換熱器42的水側進口 ，空氣一水換熱器42的水側出口連 接集水槽52，形成人工水體的循環單元。環境中的空氣，進入空氣一水換熱器42，空氣 一水換熱器42的空氣側出口連接風機系統63，風機系統排氣進入環境，形成空氣的開式 循環單元。
熱泵中液態工質通過節流元件5後溫度、壓力均降低，然後進入水一工質換熱器21 的工質側，吸收水側的熱量後蒸發，氣態的工質經壓縮機1壓縮，壓力和溫度都升高，高 溫氣態工質流入冷凝器31進行冷凝放熱，形成的液態工質重新回到節流元件5，完成熱 泵工質的循環。
水循環單元的人工水體(或其它液體介質)，經過噴淋器53，進入水一工質換熱器21 的水側，放熱降溫，低溫水從水一工質換熱器21出來後，進入空氣一水換熱器42的水側， 和空氣進行換熱，吸熱升溫，然後進入集水槽52，再被水泵64泵入噴淋器53，完成人工 水體的循環。
環境中的空氣在風機系統的推動下，從空氣一水換熱器42的空氣側入口，進入空氣一水換熱器42與水進行熱交換，釋放熱量，溫度降低，低溫空氣排入環境，完成空氣的 循環。
實施例2參見圖2，水一工質換熱器21工質側的進口通過管道12與節流元件5出 口連接，出口與壓縮機l進口端通過管道ll連接，壓縮機l出口與冷凝器31進口通過管 道14連接，冷凝器31出口與節流元件5進口通過管道13連接，形成熱泵循環裝置。水 泵64的進口與集水槽52連接，出口通過管道71與噴淋器53連接，噴淋器53的出水進 入水—工質換熱器21的水側進口，水一工質換熱器21的水側出口連接空氣一水換熱器 42的水側進口，空氣一水換熱器42的水側出口連接集水槽52，形成人工水體的循環單元。 環境中的空氣進入空氣一水換熱器42的空氣側進口 ，空氣一水換熱器42的空氣側出口連 接風機系統63，在風機系統後排入環境，形成空氣循環。同時，由於水一工質換熱器21 的水側採用噴淋方式進水，開放於環境， 一部分環境中的空氣會進入水一工質換熱器21 的水側並同水一起流出，發生空氣和水間的傳熱傳質現象，這部分空氣在風機系統的驅動 下最後也排入環境，形成空氣循環單元。
環境中的空氣在風機系統的推動下， 一部分進入空氣一水換熱器42的空氣側，另一 部分進入水一工質換熱器21的水側，經過水一工質換熱器21然後進入空氣一水換熱器 42的空氣側，釋放熱量，低溫空氣排入環境。
實施例3參見圖3，本發明的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，包括 壓縮機l、節流元件5、水泵64、冷凝器31、集水槽52、風機系統63、空氣一水換熱器 42、水一工質換熱器21、連接管道71、 11、 12、 13、 14、 73、 72。水一工質換熱器21 (蒸 發器)的進口通過管道12與節流元件5出口連接，出口與壓縮機1進口通過管道11連接， 壓縮機l出口與冷凝器31進口通過管道14連接，冷凝器31出口與節流元件5進口通過 管道13連接，形成熱泵循環裝置。水泵64的進口與集水槽52連接，出口通過管道71 與水一工質換熱器21連接，水一工質換熱器21的出口通過管道72與空氣一水換熱器42 的水側進口連接，空氣一水換熱器42的水側出口與集水槽52通過管道73連接，形成人 工水體的循環單元。空氣一水換熱器42的空氣側進口與大氣連通，出口連接風機系統63， 風機系統63出口連接環境，形成空氣循環單元。
集水槽52的水(或其它液體介質)，經泵64後沿管道71直接進入水一工質換熱器 21的水側，放熱降溫，低溫水從水一工質換熱器21出口沿管道72流進空氣一水換熱器 42水側，與空氣進行換熱，吸熱升溫，然後沿管道73進入集水槽52。
實施例4參見圖4，本發明的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，包括 壓縮機l、節流元件5、水泵64、冷凝器31、集水槽52、水一工質換熱器21、風機系統 63、空氣一水換熱器42、噴淋器53、連接管道71、 11、 12、 13、 14。水一工質換熱器21 工質側的進口通過管道12與節流元件5出口連接，出口與壓縮機1進口通過管道11連接， 壓縮機l出口與冷凝器31進口通過管道14連接，冷凝器31出口與節流元件5進口通過 管道13連接，形成熱泵循環裝置。水泵64的進口與集水槽52連接，出口通過管道71 與噴淋器53連接，噴淋器53的出水進入空氣一水換熱器42的水側進口，從空氣一水換 熱器42的水側出口與水一工質換熱器21水側進口連接，水一工質換熱器21水側出口連 接集水槽52，形成人工水體的循環單元。環境中的空氣，進入空氣一水換熱器42，空氣 一水換熱器42的空氣側出口連接風機系統63，風機系統排氣進入環境，形成空氣的開式 循環單元。
水循環單元的人工水體(或其它液體介質)，經過噴淋器53，進入空氣一水換熱器42 的水側，和空氣進行換熱，吸熱升溫，然後進入水一工質換熱器21放熱降溫，低溫水從 水一工質換熱器21出來，進入集水槽52，然後再被水泵64泵入噴淋器53。
所述人工水體為水或低冰點液體。如乙二醇或丙三醇的水溶液、對金屬等有所保護的 乙二醇水溶液、丙三醇二甘醇單烷基醚溶液或二縮三丙二醇單烷基醚、硼酸酯為原料復配 製得的溶液以及鹽溶液。
權利要求
1. 一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，包括壓縮機(1)、節流元件(5)、水泵(64)、冷凝器(31)、集水槽(52)、風機系統(63)、空氣—水換熱器(42)、水—工質換熱器(21)、噴淋器(53)、連接管道(71、11、12、13、14)；其特徵在於，水—工質換熱器(21)的進口通過管道(12)與節流元件(5)出口連接，出口與壓縮機(1)進口端通過管道(11)連接，壓縮機(1)出口與冷凝器(31)進口通過管道(14)連接，冷凝器(31)出口與節流元件(5)進口通過管道(13)連接；水泵(64)的進口與集水槽(52)連接，出口通過管道(71)與噴淋器(53)連接，噴淋器(53)的出水進入水—工質換熱器(21)的水側進口，水—工質換熱器(21)的水側出口連接空氣—水換熱器(42)的水側進口，空氣—水換熱器(42)的水側出口連接集水槽(52)；空氣—水換熱器(42)的空氣側出口與風機系統(63)連接。
2. 根據權利要求1所述的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，其特徵在 於，水循環單元和空氣循環單元構成一體化裝置，對於熱泵循環裝置，裝置集成熱泵循環 裝置的水一工質換熱器(21)的工質側和熱泵裝置管路(11)、 (12);或水一工質換熱器(21) 的工質側、壓縮機(l)、節流元件(5)和熱泵裝置管路(11)、 (12)、 (13)、 (14);或者水_ 工質換熱器(21)的工質側、壓縮機(l)、節流元件(5)、冷凝器(31)和熱泵裝置管路(11)、(12)、 (13)、 (14)。
3. 根據權利要求1所述的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，其特徵在 於，風機系統(63)對空氣的驅動，採用吸風式或吹風式，既風機系統放置在空氣循環單元 的終點或者起點，或放置在空氣循環單元中間的某一位置。
4. 根據權利要求1所述的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，其特徵在 於，水一工質換熱器(21)中水與工質的換熱採用噴淋器(53)噴淋的開放方式換熱，也可以 釆用套管式、管殼式、蛇管式換熱器等多種常用換熱器結構形式進行換熱。
5. 根據權利要求1所述的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，其特徵在 於，所述人工水體為水或低冰點液體。
6. 根據權利要求1所述的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，其特徵在 於，空氣一水換熱器(42)可以採用逆流、順流、錯流等多種換熱方式；換熱器採用水在空 氣流中直接噴淋接觸，或採用填料塔、泡罩塔、篩板塔等傳熱傳質設備來強化傳熱、傳質， 換熱器採用間壁換熱的方式來交換熱量。
7. 根據權利要求1所述的一種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，其特徵在 於，水一工質換熱器(21)與空氣一水換熱器(42)可連接為一體或者分開。
8. —種利用人工水體採集能量的熱泵一體化裝置，包括壓縮機(l)、節流元件(5)、水 泵(64)、冷凝器(31)、集水槽(52)、風機系統(63)、空氣一水換熱器(42)、水一工質換熱器 (21)、噴淋器(53)、連接管道(71、 11、 12、 13、 14);其特徵在於，水一工質換熱器(21)的 進口通過管道(12)與節流元件(5)出口連接，出口與壓縮機(l)進口端通過管道(ll)連接，壓 縮機(1)出口與冷凝器(31)進口通過管道(14)連接，冷凝器(31)出口與節流元件(5)進口通過 管道(13)連接；水泵(64)的進口與集水槽(52)連接，出口通過管道(71)與噴淋器(53)連接， 噴淋器(53)的出水進入空氣一水換熱器(42)的水側進口，空氣一水換熱器(42)的水側出口連 接水一工質換熱器(21)的水側進口，水一工質換熱器(21)的水側出口連接集水槽(52);空氣 一水換熱器(42)的空氣側出口與風機系統(63)連接。
全文摘要
利用人工液體採集能量的熱泵一體化裝置，包括壓縮機(1)、節流元件(5)、液體泵、冷凝器、集液體槽、風機系統、空氣-液體換熱器、液體-工質換熱器、噴淋器、連接管道，液體-工質換熱器的進口通過管道與節流元件(5)出口連接，出口與壓縮機(1)進口端通過管道連接，液體泵的進口與集液體槽連接，出口通過管道與噴淋器連接，噴淋器的出液體進入液體-工質換熱器的液體側進口，液體-工質換熱器的液體側出口連接空氣-液體換熱器的液體側進口，空氣-液體換熱器的液體側出口連接集液體槽；液體-工質換熱器的液體側出口連接空氣-液體換熱器的液體側進口，空氣-液體換熱器的液體側出口連接集液體槽，形成人工液體的循環單元。
文檔編號F25B30/02GK101498530SQ20091002470
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月11日 優先權日2009年2月11日
發明者科 強, 王高元, 鄧建強, 韋幫遠 申請人:南京翠波新能源發展有限公司;西安交通大學