CN105890168B - 一种直热式热泵热水器机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及节能设备领域。目的在于提供一种具有高加热性能的直热式热泵热水器机组。本发明所采用的技术方案是：一种直热式热泵热水器机组，包括压缩机，压缩机的出口与套管换热器的外管连接，套管换热器的外管末端与电子膨胀阀连接，电子膨胀阀与蒸发器连接，蒸发器与气液分离器连接，气液分离器与压缩机的进口连接。套管换热器的外管沿热介质的流向均匀的分为多段，压缩机的出口通过分流阀分别与外管的每一段连接，外管的相邻两段之间均设置单向阀；套管换热器的内管分别与自来水管网和储水箱连接。本发明能够提高换热介质和水的换热速率，大大的提高直热式热泵热水器机组的加热性能。

Description

一种直热式热泵热水器机组

技术领域

本发明涉及节能设备领域,具体涉及一种热泵热水器。

背景技术

热泵热水器就是利用逆卡诺原理，通过介质，把热量从低温物体传递到水里的设备。热泵装置，可以使介质(冷媒)相变，温度比低温热源更低，从而自发吸收低温热源热量，回到压缩机后的介质，又被压缩成高温高压气体，从而自发放热，实现从低温热源"搬运"热量。热泵热水器工作流程是压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经电子膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气释放。随后吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。空气源热泵热水器能够将空气中的低温热能吸收，并且在机器内部转化为高温热能，然后加热水温，空气源热泵热水器非常的节能，而且效率也非常的高。空气源热泵热水器是当今世界上最先进的能源利用产品之一。随着经济的快速发展与人们生活品位的提高，生活用热水已成为人们的生活必需品，然而传统的热水器(电热水器，燃油、气热水器)具有能耗大、费用高、污染严重等缺点；而节能环保型太阳能热水器的运行又受到气象条件的制约。空气源热泵热水器是目前学校宿舍、酒店、洗浴中心等场所的大、中、小热水集中供应系统的最佳解决方案。

但是现有热泵热水器换热效果不够理想，具体说来，现有的热泵热水器主要采用套管换热器，换热介质在外管中流动的过程也就是热介质和水形成热平衡的过程，由于传热速率=传热推动力（温度差）/传热热阻，也就是温差越大传热速率越高，因此在套管换热器末端，换热介质温度下降后，换热速度变慢，导致热泵热水器的套管换热器在两端换热性能差异大，加热不稳定，加热性能低。另外，由于套管换热器末端的换热介质和水换热慢，导致换热介质在流出套管换热器后仍然未得到足够的冷却，这就增大了压缩机负荷，对整机的使用寿命造成不良的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高加热性能的直热式热泵热水器机组。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种直热式热泵热水器机组，包括压缩机，所述压缩机的出口与套管换热器的外管连接，所述套管换热器的外管末端与电子膨胀阀连接，所述电子膨胀阀与蒸发器连接，所述蒸发器与气液分离器连接，所述气液分离器与压缩机的进口连接。

所述套管换热器的外管沿换热介质的流向均匀的分为多段，所述压缩机的出口通过分流阀分别与外管的每一段连接，所述外管相邻的两段之间均设置单向阀。所述套管换热器的内管分别与自来水管网和储水箱连接。

优选的，所述外管分为三段。

优选的，所述外管中的换热介质流向与内管中的水流向相反。

优选的，所述内管采用铝合金材料，所述铝合金材料按质量配比的元素百分比数为：硅Si：18%-23%；铜Cu：3-4%；镁Mg：1.5-2%；铬Cr:0.05-0.15%；钪Sc：0.3-0.5%；钛Ti：0.15-0.25%；锶Sr：0.1-0.2%；铌Nb：0.05-0.1%，钡Ba:0.2-0.3%,剩余为铝Al。

优选的，所述外管包括由内至外依次设置的玻璃钢防腐层、不锈钢管层、泡沫保温层。

优选的，所述压缩机与套管换热器之间、气液分离器与压缩机之间、蒸发器与气液分离器之间均通过四通阀连接。

优选的，还包括壳体，所述压缩机、套管换热器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器均位于壳体内。所述蒸发器呈U字形，且沿壳体左右侧面及背面分布，所述壳体左右侧面及背面由金属网围成，壳体正面设置门板，壳体顶面设置风机，所述风机的进气端和排气端分别位于壳体顶面的内外侧。

优选的，所述壳体内还设置有控制器，所述控制器分别与四通阀、压缩机、风机连接。

优选的,所述水箱内设有电辅助加热组件，所述电辅助加热组件包括位于储水箱内的电热管和温度感应器，所述电热管和温度感应器分别与控制器连接。

优选的，所述控制器为触摸屏式控制器。

本发明的有益效果集中体现在，能够大大的提高直热式热泵热水器机组的加热性能。具体说来，所述套管换热器的外管均匀的分为多段，压缩机的出口通过分流阀分别与外管的各段连接，这样一来就确保了在换热的过程中每一段外管中的换热介质和内管中的水均能保持较高的温度差，由于传热速率=传热推动力（温度差）/传热热阻，温度差越高则传热速率越快，所以本发明的加热性能得到大大提高。同时相邻的两段外管之间设置的单向阀避免了换热介质回流，确保了换热的稳定性。优选设置为外管中的换热介质流向与内管中的水流向相反，这就确保了在换热的过程中，换热介质与内管中的水始终保持在较高较稳定的温度差，进一步提高了加热的温度性。另外套管换热器的外管通过优选特定的铝合金材料，该材料与传统的材料相比，不仅导热性能更好，而且结构强度更佳，可以进一步提高了本发明的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为壳体的安装示意图；

图3为水箱的安装示意图；

图4为套管冷凝器的结构示意图；

图5为图4中所示结构的A-A向视图；

图6为图5中B部放大图；

图7为一种优选的水箱结构示意图；

图8为图7中C部放大图。

具体实施方式

结合图1-6所示的一种直热式热泵热水器机组，包括压缩机1。压缩机1的出口与套管换热器2的外管4连接，所述套管换热器2的外管4末端与电子膨胀阀5连接，换热介质在外管4内流动，所述电子膨胀阀5与蒸发器6连接，所述蒸发器6与气液分离器7连接，所述气液分离器7与压缩机1的进口连接。

所述套管换热器2的外管4沿换热介质的流向均匀的分为多段，所述换热介质可以是氮气、氨气或其他起到相同作用的气体。所述压缩机1的出口通过分流阀10分别与外管4的每一段连接，所述外管4相邻的两段之间均设置单向阀8，单向阀8避免了换热介质回流，确保了换热的稳定性。所述套管换热器2的内管3分别与自来水管网和储水箱9连接，冷水在流过内管3的过程中和外管4中的换热介质进行换热。换热后的热水储存在储水箱9中。

在本发明的使用过程当中，首先压缩机1将换热介质压缩成高温高压气体，此时换热介质通过分流阀10及管路分别进入每一段外管4，来自自来水管网的水从内管3中流过，通过内管3的过程中与换热介质进行换热。换热后的水经过管路流入储水箱9中待用。换热介质与水换热后温度降低，温度降低后的换热介质在压力的持续作用下变成液态。经过电子膨胀阀5后，换热介质进入蒸发器6，在这个过程中，换热介质气化吸热，然后再进入压缩机1中再一次进入循环。本发明由于外管4分为多段，而高温的换热介质分别与每一段进行换热，进入外管4每一段的换热介质均是刚从压缩机1排出的高温气体，因此换热介质和内管3中的水温差较大。而传统的换热方式，由于换热介质在外管4中流动的过程中伴随着热量损失，因此温度越来越低，在外管4的尾段，换热介质和水的温差将大大减小。由于传热速率=传热推动力（温度差）/传热热阻，温度差越高也就传热速率越快。所以本发明的换热方式和传统的换热方式相比，更快更高效。所述外管4可以分为两段、三段、四段甚至更多，当然外管4段数越多则换热速度越快，通常情况下分为三段就可以达到较好效果。

更好的做法是，所述外管4中的换热介质流向与内管3中的水流向相反，也就是说外管4的出口端为内管3的进口端。这样一来，就确保了在换热的过程中，换热介质与内管3中的水始终保持在较稳定的温度差，从而进一步提高了本发明的稳定性。

进一步的，所述内管3采用铝合金材料，所述铝合金材料按质量配比的元素百分比数为：硅Si：18%-23%；铜Cu：3-4%；镁Mg：1.5-2%；铬Cr:0.05-0.15%；钪Sc：0.3-0.5%；钛Ti：0.15-0.25%；锶Sr：0.1-0.2%；铌Nb：0.05-0.1%，钡Ba:0.2-0.3%,剩余为铝Al。

本发明所述的铝合金材料由以下步骤制备：

（1）通过化学分析对原材料筛选，其中必须确保铝的纯度大于99.9%，硅、铜、镁的纯度大于99.5%，然后对所有原材料进行烘干，烘干温度为100-105度，时间≥2小时。

（2）将所有的原材料装入中频真空感应炉，在装炉时使各原材料紧密接触。

（3）检查设备，确保设备正常，如：水循环管路、电力系统和观察孔等。

（4）抽真空，至20Pa以下时送电启动。起始功率45KW；2-3分钟后调整至55KW；当合金融化后，调整至80KW并保持8分钟后浇注。

（5）浇注完成后冷却120分钟以上方可出炉，然后取出本发明所述的铝合金材料。

将本发明所述的铝合金材料进行物理分析，得出屈服强度及导热系数（导热度）。然后与常用的导热性较好的铝合金材料及银、铜进行对比，对比结果通过下表列出：

根据上表所示的数据，按本方案配比而成的铝合金材料和常规的铝合金相比，不仅导热性能更好，而且结构强度更佳。具体来说，由于内管3需要承压，而纯铝材料强度不足，不能直接应用在内管3上。如1070铝和1050铝当中的铝含量都达到了99%以上，虽然其导热性能都很好，但是其强度不足所以不能应用在承压管道上。内管3属于承压管道，需要选用强度较大的材料制作，铜虽然强度和导热度均很好，但是其不仅价格昂贵，而且重量大。在常规的理解中，铝合金的导热性能大大低于纯铝，且铝合金的导热性能与其中铝含量呈正相关，而本方案中的铝合金铝含量只有70%左右，但是其导热性能却基本达到纯铝的水平，且结构强度得到大大的改善。在不牺牲其导热性能的前提下，达到这样的强度大大的超出了预料。

更好的做法是所述外管4包括如图6所示由内至外依次设置的玻璃钢防腐层11、不锈钢管层12、泡沫保温层13。为了简化结构，同时更加便于控制，所述压缩机1与套管换热器2、气液分离器7与压缩机1、蒸发器6与气液分离器7均通过四通阀14连接。也就是说四通阀14设置有压缩机接口、气压分离器接口、蒸发器接口、套管换热器接口。

还包括壳体15，所述压缩机1、套管换热器2、电子膨胀阀5、蒸发器6、气液分离器7均位于壳体15内。所述蒸发器6可以是板状，布置于壳体15的一个侧面，但是更好的方案是蒸发器6呈U字形，且沿壳体15左右侧面及背面分布，所述壳体15左右侧面及背面由金属网围成，壳体15正面设置门板，壳体15顶面设置风机16，所述风机16的进气端和排气端分别位于壳体15顶面的内外侧。这样一来，不仅蒸发器6的面积更大，在与空气换热的时候效果更好，而且布置更合理紧凑，节省了安装面积。风机16可以带动空气快速流动，避免蒸发器6表面结霜。另外，所述壳体15内还设置有控制器，所述控制器分别与四通阀14、压缩机1、风机16连接。最好是将控制器设置为触摸屏的形式，这样就能更加便于工作人员的操作。

如图3中所示，所述水箱内还设有电辅助加热组件，所述电辅助加热组件包括位于储水箱9内的电热管17和温度感应器18，所述电热管17和温度感应器18分别与控制器连接。这样，在气温过低的时候，可以开启电热管17直接对储水箱9进行辅助加热，进一步提高本发明的环境适应性。

或者如图7所示的，可以进一步将所述储水箱9优化为包括箱体91，此时就不再需要设置电热管17。所述箱体91内设置多个竖向的隔板92将箱体内部分为多个隔离区96，所述每个隔板92上均设置一个浮球阀93，当隔离区96内的水位低于浮球阀93则相应的浮球阀93打开，反之则浮球阀93关闭。所述浮球阀93位于隔板92上的位置沿箱体91一侧向相对一侧的方向依次升高。所述浮球阀93位置最高的一个隔离区96设置热水进口94和补水口95，补水口95与自来水管网连接。浮球阀93位置最低的一个隔离区96底部设置供水口97，供水口97与用水端接通。如图7中所示浮球阀93的位置为从左往右依次升高，则热水进口94和补水口95位于最右侧的隔离区96，供水口97位于最左边的隔离区96，如果浮球阀93升高的方向为从右往左，则对应设置。所述每个隔板92顶部均设置与相邻两个隔离区96连通的通孔111，所述通孔111高度相等，所述每一个隔离区96内均设置回流口98和温度感应器18，所述回流口98位于隔离区96底部，每一个回流口98分别通过带有电磁阀100的管路与回流管110连接。所述回流管110接回内管3的进水端，热水进口94与内管3的出水端连接。

这样一来，本发明就既能采用直热的方式，也能采用循环的方式。通过储水箱9进行补水即是循环式，通过内管3补水即是直热式。在采用储水箱9补水时，一种状态是储水箱9内水温已达到预定温度的热水，热水使用后需进行补水，就是使用者在使用热水的过程中，最先用的是图7中最左侧的隔离区96内的热水，当该隔离区96内的水位下降到浮球阀93以下时，相应的浮球阀93打开，此时从左往右数第二个隔离区96内的热水补充到其中，往后的每一个隔离区96内的热水都可以通过其右侧的隔离区96进行补充，补充完毕后，水位上升，浮球阀93关闭。此时相邻的隔离区96之间的水是不流通的，所以互不干扰。当最右侧的隔离区96内的水位降低后，冷水通过补水口95进入水箱内，但是冷水只能补充到最右侧的隔离区96中，不会影响到最左侧的隔离区96。这样一来就避免了现有技术中冷热水直接混合后，供水口97处出水温度忽然降低的情况，使出水温度更加的稳定。而且经由浮球阀93流动的过程本身也实现冷热水混合，水从右至左依次补入每个隔离区96，在此期间多次经过浮球阀93，这个过程也使冷热水混合均匀。

另一种情况是，当一个隔离区96的水温度不够时，该区的温度被温度感应器18检测到，此时相对应的电磁阀100会打开，该隔离区96内的水通过回流管110进入热泵主机再加热，相邻的隔离区96会将热水补充到该区。这样能够确保使用者使用的始终是符合需求的热水，再加热后的水会从热水进口94重新进入储水箱9，再向左依次补入每个隔离区96内。通常热水进口94的位置与相对应的浮球阀93的位置高度相同，而补水口95位置通常位于隔离区96底部，这就保证补充的水是刚通过套管换热器2加热的水，进一步确保了热水的温度。当使用完热水后，每个隔离区96内的水位上升到浮球阀93所在的位置，加热后的热水可以通过通孔111注满每一个隔离区96。此时，由于用户并未使用热水，所以即使出现水温较低的情况也可以通过上述的加热方式进行加热。

为了提高隔离区96的独立性，使隔离区96之间的热交换降到最低，所述隔板92包括三层平行布置的板状的不锈钢层，所述相邻的不锈钢层之间设置有波浪板状的玻璃钢层，所述不锈钢层和玻璃钢层之间填充有泡沫块及惰性气体。所述的惰性气体包括氙、氪、氩等。在此基础上还可以将玻璃钢层的材料优化为按如下质量配比的原料组成：环氧丙烯酸酯40份、玻璃纤维28份、大理石粉料5份、聚乙二醇1.5份、聚乙烯醇2份、氢氧化铝1.5份、硬脂酸铯1.5份、聚甲基丙烯酸甲酯1份、苯酐1份、石墨粉0.5份。

本发明所述的玻璃钢材料通过以下步骤制备：

（1）将环氧丙烯酸酯40份放入反应釜中边搅拌边加热至熔融状态。

（2）将大理石粉料5份放入球磨机中磨碎，10-15分钟后向球磨机中加入玻璃纤维28份二者共同研磨，研磨至400-600目。

（3）将磨碎后的大理石粉料和玻璃纤维加入反应釜中与环氧丙烯酸酯搅拌混合，在300-400转/分的速度下搅拌15-20分钟。

（4）将余料加入反应釜中，在450-550转/分的速度下搅拌15-25分钟，浇注、固化即可。

普通的有机玻璃钢的抗拉强度为260 MPa -290MPa，软化温度为800℃-850℃，密度为1.5-2.0g/cm³，导热系数为0.21-0.26W/（m*k）。例如现有的优选玻璃钢材料a在各项性能上大大超过普通的有机玻璃钢，该玻璃钢材料a按质量配比的原料组成如下：环氧丙烯酸酯30份、玻璃纤维30份、呋喃树脂粘接剂3.5份、聚四氟乙烯2份、石墨粉0.1份、固化剂1份、二氧化钛粉末2份。

以下是本发明所述的玻璃钢材料和玻璃钢材料a的各项指标检测结果数据对比表，均通过实验验证：

根据上表可以看出，本发明所述的玻璃钢材料，其各项性能指标均有所上升。本发明玻璃钢材料导热系数无论是与普通的有机玻璃钢相比，还是与玻璃钢材料a相比，均有所下降，更是远远的低于金属材料，所以采用本发明玻璃钢材料制成的隔板2，其保温性能得到很好的提升。另外本发明玻璃钢材料的强度和比强度都有较高的数据指标，也就是说隔板2在强度得到保障的前提下重量大大降低，便于安装、维修和拆卸。

Claims (5)

1.一种直热式热泵热水器机组，包括压缩机（1），所述压缩机（1）的出口与套管换热器（2）的外管（4）连接，所述套管换热器（2）的外管（4）末端与电子膨胀阀（5）连接，所述电子膨胀阀（5）与蒸发器（6）连接，所述蒸发器（6）与气液分离器（7）连接，所述气液分离器（7）与压缩机（1）的进口连接；

其特征在于：

所述外管（4）包括由内至外依次设置的玻璃钢防腐层（11）、不锈钢管层（12）、泡沫保温层（13）；所述套管换热器（2）的外管（4）沿换热介质的流向均匀的分为多段，所述压缩机（1）的出口通过分流阀（10）分别与外管（4）的每一段连接，所述外管（4）相邻的两段之间均设置单向阀（8）；所述套管换热器（2）的内管（3）分别与自来水管网和储水箱（9）连接；

所述储水箱（9）包括箱体（91），所述箱体（91）内设置多个竖向的隔板（92）将箱体内部分为多个隔离区（96），所述每个隔板（92）上均设置一个浮球阀（93），所述浮球阀（93）位于隔板（92）上的位置沿箱体（91）一侧向相对一侧的方向依次升高；所述浮球阀（93）位置最高的一个隔离区（96）设置热水进口（94）和补水口（95），补水口（95）与自来水管网连接；浮球阀（93）位置最低的一个隔离区（96）底部设置供水口（97）；

所述每个隔板（92）顶部均设置与相邻两个隔离区（96）连通的通孔（111），所述通孔（111）高度相等，所述每一个隔离区（96）内均设置回流口（98）和温度感应器（18），所述回流口（98）位于隔离区（96）底部，每一个回流口（98）分别通过带有电磁阀（100）的管路与回流管（110）连接；所述回流管（110）接回内管（3）的进水端，热水进口（94）与内管（3）的出水端连接。

2.根据权利要求1所述的直热式热泵热水器机组，其特征在于：所述外管（4）分为三段。

3.根据权利要求1所述的直热式热泵热水器机组，其特征在于：所述外管（4）中的换热介质流向与内管（3）中的水流向相反。

4.根据权利要求1所述的直热式热泵热水器机组，其特征在于：所述内管（3）采用铝合金材料，所述铝合金材料按质量配比的元素百分比数为：硅Si：18%-23%；铜Cu：3-4%；镁Mg：1.5-2%；铬Cr:0.05-0.15%；钪Sc：0.3-0.5%；钛Ti：0.15-0.25%；锶Sr：0.1-0.2%；铌Nb：0.05-0.1%，钡Ba:0.2-0.3%,剩余为铝Al。

5.根据权利要求1所述的直热式热泵热水器机组，其特征在于：还包括壳体（15），所述压缩机（1）、套管换热器（2）、电子膨胀阀（5）、蒸发器（6）、气液分离器（7）均位于壳体（15）内；所述蒸发器（6）呈U字形，且沿壳体（15）左右侧面及背面分布，所述壳体（15）左右侧面及背面由金属网围成，壳体（15）正面设置门板，壳体（15）顶面设置风机（16），所述风机（16）的进气端和排气端分别位于壳体（15）顶面的内外侧。