專利名稱：一種利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可利用空調(diào)冷凝熱制備生活熱水的跨臨界二氧化碳熱泵熱水器 系統(tǒng)，屬熱交換技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著家用空調(diào)和熱水器的使用越來越普及，所需能耗占社會總能耗的比例逐年上 升?？照{(diào)在制冷工況運行時，冷凝熱直接排入大氣，不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境熱污染，而且使冷 凝器周圍環(huán)境溫度升高，不利于冷凝器散熱，造成冷凝溫度升高，導(dǎo)致空調(diào)機組運行能耗升 高。因此，回收冷凝熱，不僅可提高能源利用率，而且能減小空調(diào)對環(huán)境的影響。熱泵熱水器能夠利用低溫?zé)嵩?，具有良好的?jīng)濟性，正在迅速發(fā)展并逐步被人們 所認(rèn)識。目前市場上常見的熱泵熱水器均采用常規(guī)氟利昂工質(zhì)，除了會引起臭氧層破壞與 溫室效應(yīng)外，供水溫度也較低。在需要提供高溫水或開水的場合，采用常規(guī)工質(zhì)的熱力循環(huán) 系統(tǒng)，性能極不穩(wěn)定。當(dāng)蒸發(fā)器所處的環(huán)境溫度過低時，機組的效率大幅下降，熱水器的出 水溫度達(dá)不到要求。二氧化碳是一種自然工質(zhì)，具有很多優(yōu)點使用安全，無毒；物理化學(xué)穩(wěn)定性好； 單位容積制冷量大，有利于減小裝置體積；在超臨界條件下，它的流動傳熱性能好；此外， 二氧化碳容易獲取，價格低廉，不需要回收，并且它不破壞臭氧層。因此，許多研究者認(rèn)為二 氧化碳將是“21世紀(jì)最具前景的制冷劑”。但由于二氧化碳的臨界溫度只有31°C，處于常溫范圍，所以通常采用跨臨界循環(huán)。 在二氧化碳跨臨界循環(huán)中，壓縮機的排氣溫度比較高，一般會在80°C以上，并且二氧化碳的 放熱過程在超臨界壓力下進(jìn)行，因此有較大溫度滑移，這個特性特別適合提供高溫?zé)崴?。如果能夠?qū)⒁远趸紴楣べ|(zhì)的空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱回收起來制備生活熱水，不僅 能保證熱水的溫度，還可減小空調(diào)對環(huán)境的不良影響，提高能源的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，以減小空調(diào)對環(huán) 境的不良影響，提高能源的利用率。本發(fā)明所稱問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，構(gòu)成中包括壓縮機、冷 媒-水套管式換熱器、儲液器、節(jié)流閥、室內(nèi)翅片管換熱器、套管式回?zé)崞?、氣液分離器和保 溫水箱，所述冷媒-水套管式換熱器的內(nèi)外管之間的空腔的工質(zhì)入口接壓縮機的高壓口， 工質(zhì)出口排出的二氧化碳依次經(jīng)回?zé)崞鲀?nèi)外管之間的空腔、儲液器、節(jié)流閥、室內(nèi)翅片管換 熱器、回?zé)崞鲀?nèi)管、氣液分離器進(jìn)入壓縮機低壓口，冷媒-水套管式換熱器的內(nèi)管的兩端均 通過水管與保溫水箱連接，在水管上設(shè)置有管道泵。上述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，構(gòu)成中還包括室外翅片 管換熱器、以及在工質(zhì)管路上設(shè)置的三個四通閥、四個三通閥、兩個止回閥和三個截止閥；其中，第一四通閥的3 口接壓縮機的高壓口，4 口接冷媒-水套管式換熱器的工質(zhì)入口，1 口接回?zé)崞鲀?nèi)管入口 ；第一三通閥的9 口接冷媒-水套管式換熱器的工質(zhì)出口，10 口接第 二四通閥的21 口，11 口接第一四通閥的4 口，第二四通閥的22 口接室外翅片管換熱器的 上口，23 口接第二三通閥的12 口，24 口經(jīng)第二止回閥接第三三通閥的15 口和第四三通閥 的19 口 ；第三四通閥的5 口接第二三通閥的13 口，6 口接節(jié)流閥入口，7 口接第三三通閥 的16 口，8 口接回?zé)崞鲀?nèi)外管之間的空腔的入口 ；第二三通閥的14 口接室外翅片管換熱器 的下口 ；第三三通閥的17 口經(jīng)第一止回閥接室外翅片管換熱器的下口 ；第一截止閥接于冷 媒-水套管式換熱器的工質(zhì)入口與室內(nèi)翅片管換熱器的上口之間；第二截止閥接于第一四 通閥的2 口與室內(nèi)翅片管換熱器的上口之間；第三截止閥接于第三四通閥的8 口與室內(nèi)翅 片管換熱器的下口之間；第四三通閥的18 口接第一四通閥的2 口，20 口接室內(nèi)翅片管換熱 器的下口。上述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，所述回?zé)崞?、冷?水 套管式換熱器以及各個部件之間的連接管道的外表面包裹保溫材料。上述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，所述室內(nèi)翅片管換熱器 和室外翅片管換熱器均為風(fēng)冷式。上述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，所述保溫水箱內(nèi)設(shè)置有 電加熱器。本發(fā)明采用冷媒-水套管式換熱器回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冷凝廢熱，并利用回收的 熱量制備生活熱水，不僅提高了能源利用率，而且減輕了空調(diào)對環(huán)境的熱污染。本系統(tǒng)采用 二氧化碳作為制冷劑，安全環(huán)保、價格低廉，并且二氧化碳的放熱過程有較大的溫度滑移， 適合提供高溫?zé)崴?。本發(fā)明即適合家庭等需冷量、熱水量小的場所，又適合賓館、公共浴室、 醫(yī)院、療養(yǎng)院、學(xué)校、健身中心、美發(fā)中心、部隊、廠礦企業(yè)的集體宿舍等需冷量、熱水量大的 場所。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述； 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖2是制冷+熱水模式的回路示意圖； 圖3是單制冷模式的回路示意圖； 圖4是熱水模式的回路示意圖； 圖5是制熱+熱水模式的回路示意圖； 圖6是單制熱模式的回路示意圖。圖中各標(biāo)號為A、壓縮機；B、冷媒-水套管式換熱器；C、室外翅片管換熱器；D、儲 液器；E、節(jié)流閥；F、室內(nèi)翅片管換熱器；G、回?zé)崞鳎籋、氣液分離器；I、電加熱器；J、保溫水 箱；K、管道泵；L、熱電偶；M、第一四通閥；N、第二四通閥；0、第三四通閥；P、第一三通閥；Q、 第二三通閥；R、第三三通閥；S、第四三通閥；T、第一止回閥；U、第二止回閥；V、第一截止閥； W、第二截止閥；X、第三截止閥。
具體實施例方式通過調(diào)節(jié)圖1中的電磁三通閥、四通閥、截止閥，改變工質(zhì)的流向，本發(fā)明可分別 實現(xiàn)制冷+熱水、單制冷、制熱水、制熱+熱水、單制熱的功能。圖2 圖6中，虛線表示被 關(guān)閉的管路。1)制冷+熱水模式
參見圖2，在制冷+熱水模式下運行時，控制三通閥、四通閥的流向，關(guān)閉第一截止閥V、 第三截止閥X，打開第二截止閥W，用冷媒-水套管式換熱器B替換室外翅片管換熱器C。高 溫高壓二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第一四通閥M(3-4)進(jìn)入冷媒-水套管式換熱器B加熱生活熱水， 二氧化碳被冷卻后經(jīng)過第一三通閥P(9-10)、第二四通閥N(21-23)、第二三通閥Q(12_13) 和第三四通閥0(5-8)進(jìn)入回?zé)崞鱃進(jìn)一步降溫，然后在節(jié)流閥E處膨脹，經(jīng)過第三四通閥 0(6-7)和第三三通閥R(16-15)、第四三通閥S(19-20)進(jìn)入室內(nèi)翅片管換熱器F吸收空氣 熱量，向室內(nèi)供冷，然后經(jīng)過截止閥W、第一四通閥M(2-l)進(jìn)入回?zé)崞鱃過熱，經(jīng)氣液分離 器H進(jìn)入壓縮機A，完成一個循環(huán)。這樣，壓縮機A、冷媒-水套管式換熱器B、回?zé)崞鱃、儲 液器D、節(jié)流閥E、室內(nèi)翅片管換熱器F和氣液分離器H夠成一個回路。原來通過室外翅片管換熱器C排到環(huán)境中的熱量，被回收到冷媒_水套管式換熱 器B中，用于制備生活熱水。2)單制冷模式
參見圖3，在冷媒-水套管式換熱器B入水口處設(shè)有熱電偶L。當(dāng)系統(tǒng)在制冷+熱水模 式運行，熱電偶L測得冷媒-水套管式換熱器B入水溫度高于65°C，即保溫水箱J內(nèi)的水已 全部加熱到要求的溫度，控制系統(tǒng)通過改變第一三通閥P、第二三通閥Q和第二四通閥N的 流向，用室外翅片管換熱器C替換冷媒-水套管式換熱器B，系統(tǒng)恢復(fù)單制冷模式運行。仍 舊關(guān)閉第一截止閥V、第三截止閥X，打開第二截止閥W。高溫高壓二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第一四 通閥M(3-4)、第一三通閥P(Il-IO)和第二四通閥N(21-22)進(jìn)入室外翅片管換熱器C向環(huán) 境排放熱量，被冷卻后經(jīng)過第二三通閥Q(14_13)和第三四通閥0(5-8)進(jìn)入回?zé)崞鱃進(jìn)一 步降溫，然后在節(jié)流閥E處膨脹，經(jīng)過第三四通閥0(6-7)和第三三通閥R(16-15)、第四三 通閥S (19-20)進(jìn)入室內(nèi)翅片管換熱器F吸收空氣熱量，向室內(nèi)供冷，然后經(jīng)過第二截止閥 W、第一四通閥M(2-l)進(jìn)入回?zé)崞鱃升溫，經(jīng)氣體冷卻器H進(jìn)入壓縮機A，完成一個循環(huán)。這 樣，壓縮機A、室外翅片管換熱器C、回?zé)崞鱃、儲液器D、節(jié)流閥E、室內(nèi)翅片管換熱器F和氣 液分離器H夠成一個回路，既確保保溫水箱H內(nèi)水溫達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，又不會影響空調(diào)室內(nèi)翅片管 換熱器E的制冷效果。3)熱水模式
參見圖4，非空調(diào)期，跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器采用熱水模式制備熱水?？刂?系統(tǒng)通過控制三通閥和四通閥的流向，將室內(nèi)翅片管換熱器F從循環(huán)中去掉，形成典型的 熱泵熱水器循環(huán)。其中，第一截止閥V、第二截止閥W、第三截止閥X均關(guān)閉。高溫高壓二氧 化碳?xì)怏w經(jīng)過第一四通閥M(3-4)進(jìn)入冷媒-水套管式換熱器B加熱生活熱水，二氧化碳被 冷卻后經(jīng)過第一三通閥P(9-10)、第二四通閥N(21-23)、第二三通閥Q(12-13)和第三四通 閥0(5-8)進(jìn)入回?zé)崞鱃進(jìn)一步降溫，然后在節(jié)流閥E處膨脹，經(jīng)過第三四通閥0(6-7)、第 三三通閥R(16-17)和截止閥T進(jìn)入室外翅片管換熱器C吸收空氣熱量，然后經(jīng)過第二四通 閥N(22-24)、第二截止閥U、第四三通閥S(19-18)和第一四通閥M(2_l)進(jìn)入回?zé)崞鱃過熱，經(jīng)氣液分離器H進(jìn)入壓縮機A，完成一個循環(huán)。即壓縮機A、冷媒-水套管式換熱器B、回?zé)?器G、儲液器D、節(jié)流閥E、室外翅片管換熱器C和氣液分離器H構(gòu)成一個回路。這樣，系統(tǒng)在熱水模式下運行，由于熱泵循環(huán)的COP較高，較常規(guī)電熱水器、燃?xì)?熱水器節(jié)約高品質(zhì)熱源。4)制熱+熱水模式
參見圖5，冬季，跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器采用制熱+熱水模式為房間供熱 風(fēng)、制熱水。當(dāng)系統(tǒng)在熱水模式運行時，控制系統(tǒng)開啟第一截止閥V、第三截止閥X，關(guān)閉第 二截止閥W，使冷媒-水套管式換熱器B與室內(nèi)翅片管換熱器F并聯(lián)進(jìn)入系統(tǒng)。高溫高壓 二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第一四通閥M(3-4)后在a處分成兩個支路。部分二氧化碳經(jīng)第一截止 閥V進(jìn)入室內(nèi)翅片管換熱器F放熱給空氣，向室內(nèi)供熱，然后經(jīng)第三截止閥X至圖中點b 處；部分二氧化碳進(jìn)入冷媒_水套管式換熱器B加熱生活熱水，被冷卻后經(jīng)過第一三通閥 P(9-10)、第二四通閥N(21-23)、第二三通閥Q(12-13)和第三四通閥0(5-8)在點b處與另 一支路二氧化碳匯合后，進(jìn)入回?zé)崞鱃進(jìn)一步降溫，然后在節(jié)流閥E處膨脹，經(jīng)過第三四通 閥0(6-7)、第三三通閥R(16-17)和截止閥T進(jìn)入室外翅片管換熱器C吸收空氣熱量，然后 經(jīng)過第二四通閥N(22-24)、截止閥U、第四三通閥S (19-18)和第一四通閥M(2_l)進(jìn)入回?zé)?器G過熱，經(jīng)氣液分離器H進(jìn)入壓縮機A，完成一個循環(huán)。5)單制熱模式
參見圖6，當(dāng)系統(tǒng)在制熱+熱水模式運行，熱電偶L測得回水溫度高于65°C，即保溫水 箱J內(nèi)的水已全部加熱到要求的溫度。控制系統(tǒng)改變?nèi)ㄩy和四通閥的流向，關(guān)閉第一截 止閥V、第三截止閥X，打開第二截止閥W，將冷媒-水套管式換熱器B從循環(huán)中去掉，系統(tǒng) 恢復(fù)熱泵型單制熱模式運行。高溫高壓二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過第一四通閥M(3-2)和第二截止 閥W進(jìn)入室內(nèi)翅片管換熱器F放熱給空氣，向室內(nèi)供熱，冷卻后經(jīng)過第四三通閥S(20-19)、 第三三通閥R(15-16)和第三四通閥0(7-8)進(jìn)入回?zé)崞鱃進(jìn)一步降溫，然后在節(jié)流閥E處 膨脹，經(jīng)過第三四通閥0(6-5)和第二三通閥Q (13-14)進(jìn)入室外翅片管換熱器C吸收室外 大氣熱量，后經(jīng)過第二四通閥N(22-21)、第一三通閥P(IO-Il)和第一四通閥M(4_l)進(jìn)入回 熱器G升溫，經(jīng)氣體冷卻器H進(jìn)入壓縮機A，完成一個循環(huán)。即壓縮機A、室內(nèi)翅片管換熱器 F、回?zé)崞鱃、儲液器D、節(jié)流閥E、室外翅片管換熱器C和氣液分離器H構(gòu)成一個回路。本系統(tǒng)所用壓縮機A為二氧化碳專用壓縮機。冷媒-水套管式換熱器B為逆流式， 內(nèi)管與外管之間是二氧化碳工質(zhì)，內(nèi)管內(nèi)部是被加熱的生活熱水。換熱器外表面包裹保溫 材料。室內(nèi)翅片管換熱器F、室外翅片管換熱器C均為風(fēng)冷式，管外表面設(shè)置有翅片?；?zé)?器G為套管式換熱器，內(nèi)管與外管之間是被冷卻的二氧化碳工質(zhì)，內(nèi)管內(nèi)部是被加熱的二 氧化碳工質(zhì)?；?zé)崞魍獗砻姘夭牧?。各個部件之間采用管道相連接，管外包裹保溫 材料。
權(quán)利要求
1.一種利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，其特征是，它包括壓縮機 (A)、冷媒-水套管式換熱器(B)、儲液器(D)、節(jié)流閥(E)、室內(nèi)翅片管換熱器(F)、套管式回 熱器(G)、氣液分離器(H)和保溫水箱(J);所述冷媒-水套管式換熱器(B)的內(nèi)外管之間的 空腔的工質(zhì)入口(a)接壓縮機(A)的高壓口(d)，工質(zhì)出口(b)排出的二氧化碳依次經(jīng)回?zé)?器(G)內(nèi)外管之間的空腔、儲液器(D)、節(jié)流閥(E)、室內(nèi)翅片管換熱器(F)、回?zé)崞?G)內(nèi)管、 氣液分離器(H)進(jìn)入壓縮機(A)低壓口(c)，冷媒-水套管式換熱器(B)的內(nèi)管的兩端均通 過水管與保溫水箱(J)連接，在水管上設(shè)置有管道泵(K)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，其特征 是，它還包括室外翅片管換熱器(C)、以及在工質(zhì)管路上設(shè)置的三個四通閥、四個三通閥、 兩個止回閥和三個截止閥；其中，第一四通閥(M)的3 口接壓縮機(A)的高壓口，4 口接冷 媒-水套管式換熱器(B)的工質(zhì)入口，1 口接回?zé)崞?G)內(nèi)管入口 ；第一三通閥(P)的9 口 接冷媒-水套管式換熱器(B)的工質(zhì)出口，10 口接第二四通閥(N)的21 口，11 口接第一四 通閥(M)的4 口，第二四通閥(N)的22 口接室外翅片管換熱器(C)的上口，23 口接第二三通 閥(Q)的12 口，24 口經(jīng)第二止回閥(U)接第三三通閥(R)的15 口和第四三通閥(S)的19 口 ；第三四通閥(0)的5 口接第二三通閥(Q)的13 口，6 口接節(jié)流閥(E)入口，7 口接第三三 通閥(R)的16 口，8 口接回?zé)崞?G)內(nèi)外管之間的空腔的入口 ；第二三通閥(Q)的14 口接 室外翅片管換熱器(C)的下口 ；第三三通閥(R)的17 口經(jīng)第一止回閥接室外翅片管換熱器 (C)的下口 ；第一截止閥(V)接于冷媒-水套管式換熱器(B)的工質(zhì)入口與室內(nèi)翅片管換熱 器(F)的上口之間；第二截止閥(W)接于第一四通閥(M)的2 口與室內(nèi)翅片管換熱器(F)的 上口之間；第三截止閥(X)接于第三四通閥(0)的8 口與室內(nèi)翅片管換熱器(F)的下口之 間；第四三通閥(S)的18 口接第一四通閥(M)的2 口，20 口接室內(nèi)翅片管換熱器(F)的下
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，其特 征是，所述回?zé)崞?G)、冷媒-水套管式換熱器(B)以及各個部件之間的連接管道的外表面 包裹保溫材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，其特征 是，所述室內(nèi)翅片管換熱器(F)和室外翅片管換熱器(C)均為風(fēng)冷式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器，其特征 是，所述保溫水箱(J)內(nèi)設(shè)置有電加熱器(I)。
全文摘要
一種利用冷凝余熱的跨臨界二氧化碳熱泵型空調(diào)熱水器。它包括壓縮機、冷媒-水套管式換熱器、儲液器、節(jié)流閥、室內(nèi)翅片管換熱器、套管式回?zé)崞鳌庖悍蛛x器和保溫水箱；所述冷媒-水套管式換熱器的內(nèi)外管之間的空腔的工質(zhì)入口接壓縮機的高壓口，工質(zhì)出口排出的二氧化碳依次經(jīng)回?zé)崞鲀?nèi)外管之間的空腔、儲液器、節(jié)流閥、室內(nèi)翅片管換熱器、回?zé)崞鲀?nèi)管、氣液分離器進(jìn)入壓縮機低壓口，冷媒-水套管式換熱器的內(nèi)管的兩端均通過水管與保溫水箱連接，在水管上設(shè)置有管道泵。本發(fā)明采用冷媒-水套管式換熱器回收熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冷凝廢熱，并利用回收的熱量制備生活熱水，不僅提高了能源利用率，而且減輕了空調(diào)對環(huán)境的熱污染。
文檔編號F25B29/00GK102003833SQ201010521709
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者劉建林, 劉春濤, 論立勇, 謝英柏 申請人:華北電力大學(xué)(保定)