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CN100347488C - 相变蓄热热泵热水器 - Google Patents

相变蓄热热泵热水器 Download PDF

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Abstract

一种相变蓄热热泵热水器，主要包括：压缩机、蒸发器、风扇、节流装置、过滤干燥器、控制器、冷水进水管、热水出水管、热力循环管和相变蓄热装置；相变蓄热装置主要由温度传感器、外壳、绝缘材料、内胆、相变蓄热材料和换热排管组成。本发明装置中，蒸发器从空气源中吸收热量，通过压缩机消耗电能做功，将热量输送到相变蓄热材料，并储存起来，用户使用热水时，相变蓄热材料将热水管内冷水加热，根据使用地点不同，相变蓄热装置内可设置或不设置可调式辅助电加热器，当热泵系统制热效率很低时或节假日短时间需要提供大量热水时，可启动可调式辅助电加热器辅助加热。本发明装置体积小，重量轻，使用方便，安装灵活，可广泛应用于生产生活领域。

Description

相变蓄热热泵热水器
                         技术领域
本发明属于热水器领域，具体涉及一种相变蓄热热泵热水器。
                         背景技术
随着人们生活水平的提高，家庭热水功能不再是只用于洗澡，还用于洗卫生洁具和洗衣物等，热水的消耗量增加，对舒适性热水的要求日益普遍，对热水器性能方面的安全、高效省钱、环保要求越来越高。传统的热水器有三种：燃气热水器，电热水器和太阳能热水器，其中燃气热水器存在着效率低、安全隐患及环境污染问题；电热水器耗能较大，同时也存在安全隐患问题；太阳能热水器安装场合受限制，受晴雨天气的影响，雨天无法提供热水，由于生产厂家众多，产品质量参差不齐，也影响了太阳能热水器的使用。目前市场上出现的新型高科技产品——热泵热水器，不仅具有热力系数高、节能省电、环保、安全等一些列优点，而且还具有蓄热能力，能利用晚上的廉价电能加热，对国家来说减少了电力紧张状况；对家庭来说节省了运行开支。
热泵热水器在市场上出现后，受到用户的欢迎，在一些宾馆、泳池、别墅等场合的使用情况良好，但是，我们通过对现有的热泵热水器实际产品的考察，分析发现现有产品为保证具有较高能效比，减少设备运行时的噪音，热泵热水器的压缩机功率选得较小，其吸热过程缓慢，属于容积储热型，而不是即热型，采用的是显热方式储热，因而其体积做地较大，对于绝大多数楼层居民来说，安装位置受限制，影响了热泵热水器在这部分消费群中的购买与使用；另一方面，由于热水箱要承受一定的压力，所有的外形均是圆形结构，不美观，用户对外观形状的选择就很少。因此既保持热泵热水器高效节能、环保安全的特点，同时大幅度减少热泵热水器体积，降低重量，是非常必要的。事实上，如果采用相变蓄热材料来替代热泵热水器储水箱，就能达到此目的。
目前涉及相变蓄热在热泵上的应用及研究并不多：专利03129369.7公开了一种相变储热预热式热泵热水器，其特点是将构成热泵系统冷凝器的换热盘管分成两部分：储热换热器和加热换热器串联而成，前者是将35～50℃的相变材料进行加热，后者是加热被储热材料已经预热到30℃左右的水，水温度最后到45～55℃放出，相变储热只是用于热水的预热的目的。
                           发明内容
本发明的目的在于提供一种相变蓄热热泵热水器，它克服了普通家用热泵热水器存在的体积大，楼层家庭的安装受限制的问题。本发明的相变材料的相变温度为45～90℃，蓄热量能将热水加热到用户直接使用所需的温度35～80℃，用户使用热水时在足够长的时间内不需启动热泵，利用相变材料的蓄热直接供热，与专利03129369.7有着本质的区别；此外结构上的方式与专利03129369.7也完全不同。
本发明是通过下述的结构技术方案和装置工作方案来实现的：图1是本发明的相变蓄热热泵热水器的结构示意图，本发明的相变蓄热热泵热水器主要包括压缩机(1)、蒸发器(3)、风扇(4)、节流装置(6)、过滤干燥器(7)、控制器(8)、冷水进水管(10)、热水出水管(17)、连接相变蓄热热泵热水器各部件的热力循环管(5)和相变蓄热装置(20)，所述节流装置(6)为膨胀阀或毛细管，相变蓄热装置(20)为加热保温的蓄热容器，其内部为方形密封装置，根据热泵的工作性能受环境温度影响的特点，本发明相变蓄热装置(20)设计成I型和II型两种结构形式：II型相变蓄热装置(20)的结构示意图如图5所示，包括：温度传感器(9)、外壳(12)、绝缘材料(13)、内胆(14)、相变蓄热材料(15)、换热排管(16)和可调式辅助电加热器(23)，所述可调式辅助电加热器(23)插在外壳(12)上，外壳(12)与内胆(14)之间填有绝缘材料(13)，内胆(14)内有温度传感器(9)和换热排管(16)，并由相变蓄热材料(15)填满整个内胆(14)，内胆(14)的上部是金属波纹薄膜(19)，是为了满足相变蓄热材料(15)在发生相变时容积大小改变的需要；所述换热排管(16)包括热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)，热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)交错排列；压缩机(1)、冷凝换热盘管(21)、过滤干燥器(7)、节流装置(6)、蒸发器(3)通过热力循环管(5)依次连接，制冷剂在内流动，形成一个制冷剂工作循环；另外，冷水进水管(10)上安装有单向阀(11)，并与热水换热盘管(22)相连，热水换热盘管(22)的出口与热水出水管(17)相连，热水出水管(17)上安装有截止阀(18)，可调节出水量大小，形成一个热水工作流程；控制器(8)是一个集成电路板，通过导线分别与蒸发器(3)进风口温度测点处的温度传感器(2)以及相变蓄热装置(20)内测点处的温度传感器(9)相连，同时通过导线与压缩机(1)及风扇(4)电机电源线路相连，形成一个通过测点温度来控制压缩机(1)运行或停止的工作流程；所述温度传感器(2)及温度传感器(9)为铂电阻温度传感器。
相变蓄热材料(15)将热量以潜热的方式储存起来，用户使用热水时相变蓄热材料(15)释放潜热，以近似等温放出热量，放热时间长，具有非常稳定的供热水性能；采用绝缘材料(13)的目的是为了减少相变蓄热材料(15)的热损，可调式辅助电加热器(23)采用半导体电热膜，是在环境温度太低，热泵效率很低时或节假日热水用量激增时使用。
I型相变蓄热装置(20)的结构示意图如图4所示，它与II型相比，只是少了可调式辅助电加热器(23)，建议I型结构形式在广东、海南等省市及东南亚国家使用；建议II型结构形式在长江中下游推广使用。
本发明与专利03129369.7相比：本发明直接利用相变蓄热材料(15)将水加热到用户所需的温度，专利03129369.7只是用于预热；相变蓄热材料所采用的相变温度段也不同：本发明所选用的相变蓄热材料(15)相变温度为45～90℃，专利03129369.7的相变蓄热材料的相变温度为35～50℃；结构上也具有本质的区别：本发明将热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)以交错排列方式布置，排列分成两种方式：一种是1+2方式，如图2所示，一根热水换热盘管(22)，二根冷凝换热盘管(21)；另外一种是2+3方式，如图3所示，二根热水换热盘管(22)，三根冷凝换热盘管(21)。热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)之间用点焊连接，组成换热排管(16)，整个换热排管(16)都在相变蓄热材料(15)之内，热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)直接用铜光管，这样在填充相变蓄热材料(15)时非常方便，传热上采用与水逆流方式，热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)通过点焊并列在一起的目的是实现冷凝换热盘管(21)内的制冷剂对热水换热盘管(22)内的热水直接部分加热，保证当本发明使用了足够长的时间后(超过正常用水量范围)，用户还想继续使用热水时，启动压缩机(1)，通过冷凝换热盘管(21)对热水换热盘管(22)和相变蓄热材料(15)直接加热，水的出口温度较高，在一段时间内满足用户的需求，另外在相变蓄热装置(20)上，增加了可调式辅助电加热器(23)；专利03129369.7则是采用将冷凝器分成储热换热器与加热换热器两种方式，前者用于预热相变材料，后者用于用户使用热水时对已预热过的30℃左右的水进一步提升温度，采用的是顺流方式。
本发明中的相变蓄热材料(15)是相变温度在45～90℃的不导电蓄热介质，其成分可为KF·4H2O、Ca(NO3)2·4H2O、3H2O·CH3COONa、CH3(CH2)12COOH、CH3(CH2)14COOH、CH3(CH2)16COOH、三硬脂酸甘油脂以及广东省中山市新迪公司研制的PCM50相变材料等。当压缩机(1)内的制冷剂为R22或R134a时，选用相变温度为45-60℃的相变蓄热材料(15)；当制冷剂为R744、R22/R134a混合工质及其它高温工质时，选用相变温度为60-90℃的相变蓄热材料(15)。
本发明专利除了具有普通热泵热水器的高效节能、环保及安全外，与现有的热泵热水器的结构和功能相比具有如下优点：
①.价格适中，且热容量大，相变潜热值较大，相变过程中吸收大量的热量，因此能大幅度减少热泵热水器体积，其容积大小相当于储水箱的1/3～1/2；
②.本发明中的I型或II型相变蓄热装置(20)由于相变蓄热材料(15)体积不大，重量轻，承重小，因此可以将其外形设计成方形或其它形状，结构紧凑、合理、美观，同时可以与建筑结构相配合，减省房间空间；而且安装形式多样，可室内也可室外，可以落地安装、壁挂安装，也可装修时镶嵌在墙上；
③.本发明利用相变蓄热材料(15)作二次热源，装置内的冷凝换热盘管(21)或可调式辅助电加热器(23)先对相变蓄热材料(15)加热，温度达到设定温度值时(比相变温度略高)，加热停止，相变蓄热装置处于保温阶段，用户用水时，相变蓄热材料(15)发生相变，释放潜热对水不断进行加热；
④.在超过日常用水量情况下，用户想继续使用热水时，本发明能保证在一段时间内的用户的这一需求。
                         附图说明
图1是本发明的相变蓄热热泵热水器的结构示意图；
图2是换热排管(16)结构示意图之一；
图3是换热排管(16)结构示意图之二；
图4是I型相变蓄热装置(20)的结构示意图；
图5是II型相变蓄热装置(20)的结构示意图。
图中：1-压缩机  2-温度传感器  3-蒸发器  4-风扇  5-热力循环管  6-节流装置  7--干燥过滤器  8-控制器  9-温度传感器  10-冷水进水管  11-单向阀  12-外壳  13-绝热材料  14-内胆  15-相变蓄热材料  16-换热排管17-热水出水管  18-截止阀  19-金属波纹膜  20-蓄热装置  21-冷凝换热盘管  22-热水换热盘管  23-可调式辅助电加热器
                       具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明：
如图1、图2、图3、图4、图5所示，具有II型相变蓄热装置(20)的相变蓄热热泵热水器实施方式：当位于相变蓄热装置(20)内的温度测点处的温度传感器(9)的值低于设定温度a时，设定温度a的值略高于所采用的相变蓄热材料(15)的相变温度，此时在控制器(8)内将蒸发器(3)进风口温度测点处的温度传感器(2)信号同设定温度值b相比较，设定温度b的值的确定是根据相变蓄热热泵热水器在此环境温度下工作时制热系数为1.0的条件确定的，在一年之中的绝大部分时间内，蒸发器(3)进风口温度测点处的温度传感器(2)的值大于设定值，控制器(8)对压缩机(1)的电机发出信号，通过执行机构启动压缩机(1)，此时环境空气中的热量向热泵系统中蒸发器(3)内的制冷剂传递，在压缩机(1)的推动下，将蒸发器(3)内吸收了环境热量的制冷剂输送到冷凝换热盘管(21)内，通过冷凝换热盘管(22)对相变蓄热材料(15)进行加热，相变蓄热材料(15)发生相变，将热量储存起来，向相变蓄热材料(15)释放的热量为从环境中吸收的热量再加上压缩机(1)所消耗的电能所转化的热量值。相变蓄热热泵热水器具有较高的能效比，加热时间可以是一天之中的任意时刻，如将加热时间设置在晚上23:00～7:00之间，对供电起削峰填谷作用，缓解我国用电紧张局面，在实施了峰谷电位差价的地区，为用户节省开支，当用户用热水时，相变蓄热材料(15)对热水换热盘管(22)内的水进行加热，相变蓄热材料(15)通过相变释放潜热，在放热过程中相变蓄热材料(15)温度不变，且放热特性好，放热量大，放热时间长，因而用户能得到恒定的水温。节假日热水用量激增时，通过控制器(8)同时启动可调式辅助电加热器(23)和压缩机(1)，共同加热，满足用户的用水量需求。
在一年之中的很短一段时间内，环境温度很低，蒸发器(3)进风口温度测点处的温度传感器(2)的值低于设定温度b值时，压缩机(1)在此环境温度下制热效率很差，此时不启动压缩机(1)，单靠可调式电加热器(23)辅助加热。
具有I型相变蓄热装置(20)的相变蓄热热泵热水器实施方式：此结构的产品适宜于在广东、海南等省市地区及东南亚国家等推广使用，基本上全年都能高效率地运行，其工作方式与上面介绍的II型相变蓄热装置(20)结构单独使用压缩机(1)制热的方式是完全一致的。
本发明既充分利用热泵的高效节能作用，同时用相变蓄热装置替代储水箱，体积小，重量轻，节约用户空间，安装不受限制，既可以独立摆放，也可以与建筑物结构相结合设计出外观形状，例如可以将相变蓄热装置设计成一面内墙，不但美观，而且不占空间体积，承重小，使相变蓄热热泵热水器的安装场合更广泛，可广泛应用于生产生活领域。

Claims (9)

1.一种相变蓄热热泵热水器，主要包括：压缩机(1)、蒸发器(3)、风扇(4)、节流装置(6)、过滤干燥器(7)、控制器(8)、冷水进水管(10)、热水出水管(17)、热力循环管(5)和相变蓄热装置(20)，其特征在于，所述相变蓄热装置(20)由温度传感器(9)、外壳(12)、绝缘材料(13)、内胆(14)、相变蓄热材料(15)和换热排管(16)组成，所述外壳(12)与内胆(14)之间填有绝缘材料(13)，内胆(14)内有温度传感器(9)和换热排管(16)，并由相变蓄热材料(15)填满整个内胆(14)，内胆(14)的上部是金属波纹薄膜(19)；所述换热排管(16)包括热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)，热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)交错排列；所述压缩机(1)、冷凝换热盘管(21)、过滤干燥器(7)、节流装置(6)、蒸发器(3)通过热力循环管(5)依次连接，冷水进水管(10)上安装有单向阀(11)，并与热水换热盘管(22)相连，热水换热盘管(22)的出口与热水出水管(17)相连，热水出水管(17)上安装有截止阀(18)；所述控制器(8)通过导线分别与蒸发器(3)进风口温度测点处的温度传感器(2)以及相变蓄热装置(20)内测点处的温度传感器(9)相连，同时通过导线与压缩机(1)及风扇(4)电机电源线路相连。
2.根据权利要求1所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述相变蓄热装置(20)的外壳(12)上插有可调式辅助电加热器(23)。
3.根据权利要求1或2所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)以1+2方式交错排列，即一根热水换热盘管(22)，二根冷凝换热盘管(21)，热水换热盘管与冷凝换热盘管之间用点焊连接。
4.根据权利要求1或2所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述所述热水换热盘管(22)与冷凝换热盘管(21)以2+3方式交错排列，即二根热水换热盘管(22)，三根冷凝换热盘管(21)，热水换热盘管与冷凝换热盘管之间用点焊连接。
5.根据权利要求1或2所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述相变蓄热材料(15)是相变温度在45～90℃的不导电蓄热介质。
6.根据权利要求1或2所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述压缩机(1)内的制冷剂为R22或R134a时，选用相变温度为45-60℃的相变蓄热材料(15)；制冷剂为R744、R22/R134a混合工质及其它高温工质时，选用相变温度为60-90℃的相变蓄热材料(15)。
7.根据权利要求1或2所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述节流装置(6)为膨胀阀或毛细管。
8.根据权利要求1或2所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述蒸发器(3)进风口温度测点处的温度传感器(2)及相变蓄热装置(20)内测点处的温度传感器(9)为铂电阻温度传感器。
9.根据权利要求1或2所述的相变蓄热热泵热水器，其特征在于，所述热水换热盘管(22)及冷凝换热盘管(21)为铜光管。
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