CN102809217B - 一种带有热利用平衡处理器的热泵热水机 - Google Patents

Abstract

一种带有热利用平衡处理器的热泵热水机，涉及一种利用热泵的流体加热器，尤其涉及一种适用于R407C环保型制冷剂的热泵热水机。热泵热水机包括热利用平衡处理器，热利用平衡处理器包括壳体、换热管、主换热腔、副换热腔和汽液分离器，换热管置于主换热腔内，汽液分离器置于壳体内，与壳体结合构成副换热腔；主换热腔连接到冷凝器，副换热腔连接到膨胀阀；换热管的一端连接到外部冷水进水管路，换热管的另一端连接到热水循环回路的保温水箱。通过热利用平衡处理器的副换热腔中对冷凝和蒸发过程的工质进行热利用平衡交换，进行热量综合利用，增加了冷凝效果，有效地降低了高压压力和排气温度，降低压缩机的功耗，机组的能效更高。

Description

一种带有热利用平衡处理器的热泵热水机

技术领域

本发明涉及一种利用热泵的流体加热器，尤其涉及一种适用于R407C环保型制冷剂的带有热利用平衡处理器的热泵热水机。

背景技术

热泵热水机因为节能、环保、安全已经得了广泛的使用，热泵专用压缩机使用的制冷剂有两种：R22和R407C，R407C制冷剂为环保型制冷剂。在《蒙特利尔议定书》中，R22作为HCFC类工质是第二批要被替代的物质。1992年在丹麦哥本哈根召开的《议定书》缔约国第四次会议决定把R22的禁用期提前到2020年,因此制冷系统使用环保型制冷剂的替代已经越来越接近。作为R22制冷剂的重要的替代品，R407C制冷剂是一种混合工质，是R125、R32和R134a（重量百分比为25/23/52%）的非共沸混合物，温度滑移约为7K。温度滑移是指制冷剂混合物在某一恒定压力下发生相变时相变温度的变化值。对于非共沸混合制冷剂相变温度会随着相变过程而发生较大变化，因此换热器必须进行优化，否则温度滑移将会对设备的制冷性造成严重影响。R407C环保型制冷剂是R22在某些应用中的长期替代品，现有的冷凝器和蒸发器的带管壳式热交换器的R22设备，直接改装成R407C制冷剂之后，表面传热系数较低，导致换热效果变化，系统的热力循环状态发生了改变，因此对使用R407C制冷剂系统重新进行技术研究是非常重要。中国实用新型专利“一种R407C冷媒环保工业冷水机的冷媒循环装置”（中国实用新型专利号：ZL200820301799.8，授权公告号：CN201281485Y）公开了一种R407C冷媒环保工业冷水机的冷媒循环装置，包括通过进出水管路连接有外部冷却水的冷凝换热器、压缩机、通过进出水管路连接有外部待冷却水的蒸发换热器，三者通过管连接构成封闭回路，其特征在于：所述的蒸发换热器为通过R407C冷媒的蒸发来吸收被冷却水热量的板式蒸发器，其内被冷却水的流向与R407C冷媒的流向相反构成全逆流热交换；所述的冷凝换热器为通过R407C冷媒的冷凝来释放热量给冷却水的板式冷凝器，其内的冷却水流向与R407C冷媒的流向相反构成全逆流热交换，使得冷媒循环系统有效避免此替代冷媒R407C冷凝和蒸发时的温度滑移对换热器的换热量的显著影响，避免系统失衡；该实用新型应用于符合无氟环保要求的采用替代环保冷媒R407C做制冷剂的工业冷水机，具有热转换稳定可靠的特点。中国发明专利申请“一种采用混合制冷剂的空调换热器及空调器”（中国发明专利申请号：201210036236.1，公开号：CN102538308A）公开了一种采用混合制冷剂的空调换热器及空调器，包括翅片管换热器、集流管、至少2路分流管及连接集流管与各分流管的分流器，所述的集流管与所述分流器的进口端连接，所述分流器的分流出口分别连接所述各分流管的一端，所述各分流管的另一端分别与翅片管换热器上的管路连接以此来改善混合制冷剂因为非共沸带来的温度滑移问题，以及提高空调器换热器的换热效率及制热能力。上述实用新型专利和发明专利申请虽然分别提出了不同的解决混合制冷剂带来的温度滑移问题的技术方案，但是，现有的技术方案都是通过控制换热器自身的温差来适应混合制冷剂的温度滑移，并不能从根本上解决由于非共沸混合工质R407C的相变不等温特性造成的相变过程不平衡的问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种带有热利用平衡处理器的热泵热水机，通过对冷凝过程和蒸发过程的不同相态的工质进行热利用平衡交换，解决混合制冷剂的温度滑移对设备的运行性能和安全性带来的严重影响。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种带有热利用平衡处理器的热泵热水机，包括工质循环回路和热水循环回路；所述的工质循环回路包括压缩机、四通阀、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述的热水循环回路包括循环水泵和保温水箱，其特征在于：

所述的热泵热水机还包括一个热利用平衡处理器，所述的热利用平衡处理器包括壳体、换热管、主换热腔、副换热腔和汽液分离器，以及连通到壳体外部的工质入口、工质出口、进水口、出水口、汽分入口和汽分出口；所述的换热管置于主换热腔内，所述的汽液分离器置于所述的壳体内，与所述的壳体结合构成所述的副换热腔；

所述的主换热腔通过工质入口连接到所述的冷凝器，所述的副换热腔通过所述的工质出口连接到所述的膨胀阀；所述的汽分入口经由四通阀连接到所述的蒸发器，所述的汽分出口连接到所述压缩机的吸气口；所述的换热管的内部为热媒水通道，所述换热管的一端通过所述的进水口，经由一个电磁阀连接到外部冷水进水管路，所述换热管的另一端通过所述的出水口连接到热水循环回路的保温水箱；

所述的热泵热水机的工质循环回路为：压缩机－＞四通阀－＞冷凝器－＞热利用平衡处理器的主换热腔－＞热利用平衡处理器的副换热腔－＞膨胀阀－＞蒸发器－＞四通阀－＞热利用平衡处理器的汽液分离器－＞压缩机。

本发明提供的带有热利用平衡处理器的热泵热水机的一种较佳的技术方案，其特征在于所述热利用平衡处理器的壳体内部的上半部设有一个内筒，所述的主换热腔是壳体的上半部和内筒之间形成的空间；所述的换热管盘绕为螺旋状，置于所述的主换热腔内；所述汽液分离器的汽分筒体置于壳体内部的下半部，所述的副换热腔是壳体的下半部与汽分筒体的外周之间形成的空间；所述主换热腔的上部连接通到置于壳体外部的工质入口，所述主换热腔的下部设有与副换热腔连通的工质通道孔，所述副换热腔底部连通到置于壳体外部的工质出口。

本发明提供的带有热利用平衡处理器的热泵热水机的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的换热管与主换热腔形成低频紊流换热结构，所述的换热管为麻花状螺旋管，所述麻花状螺旋管的内外表面均带有凹凸螺旋扭转的峰谷结构，所述换热管外壁的凸起螺旋贴近主换热腔的内壁，形成具有螺旋状工质通道的低频紊流换热结构。

本发明提供的带有热利用平衡处理器的热泵热水机的一种更好的技术方案，其特征在于所述汽分筒体的外周设有螺旋翅片，所述壳体的内壁贴近汽分筒体外周的螺旋翅片，形成具有盘绕管结构的副换热腔。

本发明提供的带有热利用平衡处理器的热泵热水机的一种优选的技术方案，其特征在于所述的热利用平衡处理器对冷凝过程和蒸发过程的不同相态的工质进行热利用平衡交换，冷凝过程的液态高温工质从工质入口进入热利用平衡处理器，经过主换热腔与换热管中的热媒水换热后，在所述的副换热腔中，与蒸发过程中由汽分入口进入所述汽分筒体的气态低温工质再次进行换热；在副换热腔中的工质，在换热过程中进一步降温成为过冷状态，并从工质出口流出进入蒸发器，从而提高蒸发器从空气源中吸收热能的效率，同时，汽分筒体中的工质在换热过程中升温，充分汽化成为过热气体，从汽分出口流出进入压缩机，从而防止液态工质进入压缩机造成液击故障。

本发明的有益效果是：

1、本发明的带有热利用平衡处理器的热泵热水机通过在副换热腔中对冷凝过程和蒸发过程的不同相态的工质进行热利用平衡交换，可以解决由于非共沸混合工质R407C的相变不等温特性造成的相变过程不平衡的问题，可以消除混合制冷剂的温度滑移对设备的运行性能和安全性的影响，尤其适用于R407C环保型制冷剂系统。

2、本发明的带有热利用平衡处理器的热泵热水机，通过热利用平衡处理器对节流前的制冷剂进行热量综合利用，对补充给水箱中的冷水进行预热，增加了冷凝侧冷凝效果，有效地降低了高压压力和排气温度，降低压缩机的功耗，机组的能效更高。同时还提高了保温水箱中的补水水温。

3、本发明的带有热利用平衡处理器的热泵热水机，通过对出冷凝器的制冷剂进行再冷凝，可以保证进膨胀阀前的制冷剂处于过冷状态，避免在高水温时节流前有部分制冷剂处于气体状态，从而避免膨胀阀发生气堵现象造成系统不能正常工作的故障。

4、本发明使用的带有热利用平衡处理器的热泵热水机，出蒸发器的制冷剂通过热利用平衡处理器进行制冷剂再热，焓值增加，可以保证进压缩机的制冷剂为过热气体，防止压缩机液击现象发生，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1本发明的带有热利用平衡处理器的热泵热水机系统原理图，

图2热利用平衡处理器的内部结构示意图，

图3是热利用平衡处理器的主换热腔的结构示意图，

图4是热利用平衡处理结构的换热管的结构示意图，

图5是热利用平衡处理结构的副换热腔的局部放大图，

图6是本发明的热利用平衡处理器的外部结构示意图。

以上图中的各部件的标号：1-压缩机，2-四通阀，3-冷凝器，4-热利用平衡处理器，5-膨胀阀，6-蒸发器，7-汽液分离器，8-循环水泵，9-保温水箱，10-电磁阀，401-工质入口，402-工质出口，403-主换热腔，404-工质通道孔，405-副换热腔，411-进水口，412-出水口，415-热媒水通道，41-壳体，42-换热管，43-内筒，701-汽分入口，702-汽分出口，71-汽分筒体，711-螺旋翅片，703-过滤网。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

图1是本发明的带有热利用平衡处理器的热泵热水机的一个实施例的系统原理图，包括工质循环回路和热水循环回路；所述的工质循环回路包括压缩机1、四通阀2、冷凝器3、膨胀阀5和蒸发器6，所述的热水循环回路包括循环水泵8和保温水箱9。在图1所示的本发明的热泵热水机的实施例中，还包括热利用平衡处理器4。图2是热利用平衡处理器4的结构示意图，包括壳体41、换热管42、主换热腔403、副换热腔405和汽液分离器7，以及连通到壳体外部的工质入口401、工质出口402、进水口411、出水口412、汽分入口701和汽分出口702；换热管42置于主换热腔403内，汽液分离器7置于壳体41内，与壳体41结合构成所述的副换热腔405，参见图2和图3。

在图1所示的带有热利用平衡处理器4的热泵热水机的实施例中，主换热腔403通过工质入口401连接到冷凝器3，副换热腔405通过工质出口402连接到膨胀阀5；汽分入口701经由四通阀2连接到蒸发器6，汽分出口702连接到压缩机1的吸气口；换热管42的内部为热媒水通道415，换热管42的一端通过进水口411，经由电磁阀10连接到外部冷水进水管路，换热管42的另一端通过出水口412连接到热水循环回路的保温水箱9。

图1所示的带有热利用平衡处理器4的热泵热水机的工质循环回路为：压缩机1－＞四通阀2－＞冷凝器3－＞热利用平衡处理器4的主换热腔403－＞热利用平衡处理器4的副换热腔405－＞膨胀阀5－＞蒸发器6－＞四通阀2－＞热利用平衡处理器4的汽液分离器7－＞压缩机1。

在图2所示的本发明的热泵热水机的热利用平衡处理器4的实施例中，在热利用平衡处理器4的壳体41内部的上半部设有一个内筒43，主换热腔403是壳体41的上半部和内筒43之间形成的空间；换热管42盘绕为螺旋状，置于主换热腔403内；汽液分离器7的汽分筒体71置于壳体41内部的下半部，副换热腔405是壳体41的下半部与汽分筒体71的外周之间形成的空间；主换热腔403的上部连接通到置于壳体41外部的工质入口401，主换热腔403的下部设有与副换热腔连通的工质通道孔404，副换热腔405底部连通到置于壳体41外部的工质出口402。

根据图3和图4所示的热利用平衡处理器4的实施例，换热管42与主换热腔403形成低频紊流换热结构，换热管42为麻花状螺旋管，所述麻花状螺旋管的内外表面均带有凹凸螺旋扭转的峰谷结构，参见图4中A部截面放大图。换热管42外壁的凸起螺旋贴近主换热腔403的内壁，形成具有螺旋状工质通道的低频紊流换热结构，换热管42外壁的凸起部位靠近换热腔403的内壁，换热管42外壁的螺旋凹槽，与换热腔403的内壁形成螺旋状工质通道，管程的热媒水和壳程的工质同时处于螺旋管流动状态，促进了湍流程度，提高了传热效率。

在图2所示的本发明提供的热利用平衡处理器4的实施例中，汽分筒体71的外周设有螺旋翅片711，壳体41的内壁贴近汽分筒体71外周的螺旋翅片711，形成具有盘绕管结构的副换热腔405，参见图5所示的D部放大图，汽分筒体71外周的螺旋翅片711的凸起部位靠近壳体41的内壁，使副换热腔405形成螺旋状的液态高压工质通道，副换热腔405中工质处于螺旋管流动状态，促进了湍流程度，提高了传热效率。

根据本发明提供的带有热利用平衡处理器4的热泵热水机的一种优选的实施例，热利用平衡处理器4对冷凝过程和蒸发过程的不同相态的工质进行热利用平衡交换，冷凝过程的液态高温工质从工质入口401进入热利用平衡处理器4，经过主换热腔403与换热管42中的热媒水换热后，在副换热腔405中，与蒸发过程中由汽分入口701进入所述汽分筒体71的气态低温工质再次进行换热；在副换热腔405中的工质，在平衡换热过程中进一步降温成为过冷状态，并从工质出口402流出进入蒸发器6，从而提高蒸发器6从空气源中吸收热能的效率；同时，汽分筒体71中的工质在平衡换热过程中升温，充分汽化成为过热气体，从汽分出口702流出进入压缩机1，从而防止液态工质进入压缩机1造成液击故障。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种带有热利用平衡处理器的热泵热水机，包括工质循环回路和热水循环回路；所述的工质循环回路包括压缩机、四通阀、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述的热水循环回路包括循环水泵和保温水箱，其特征在于：

所述的热泵热水机还包括一个热利用平衡处理器，所述的热利用平衡处理器包括壳体、换热管、主换热腔、副换热腔和汽液分离器，以及连通到壳体外部的工质入口、工质出口、进水口、出水口、汽分入口和汽分出口；所述的换热管置于主换热腔内，所述的汽液分离器置于所述的壳体内，与所述的壳体结合构成所述的副换热腔；

所述的主换热腔通过工质入口连接到所述的冷凝器，所述的副换热腔通过所述的工质出口连接到所述的膨胀阀；所述的汽分入口经由四通阀连接到所述的蒸发器，所述的汽分出口连接到所述压缩机的吸气口；所述的换热管的内部为热媒水通道，所述换热管的一端通过所述的进水口，经由一个电磁阀连接到外部冷水进水管路，所述换热管的另一端通过所述的出水口连接到热水循环回路的保温水箱；

所述的热泵热水机的工质循环回路为：压缩机－＞四通阀－＞冷凝器－＞热利用平衡处理器的主换热腔－＞热利用平衡处理器的副换热腔－＞膨胀阀－＞蒸发器－＞四通阀－＞热利用平衡处理器的汽液分离器－＞压缩机。

2.根据权利要求1所述的带有热利用平衡处理器的热泵热水机，其特征在于所述热利用平衡处理器的壳体内部的上半部设有一个内筒，所述的主换热腔是壳体的上半部和内筒之间形成的空间；所述的换热管盘绕为螺旋状，置于所述的主换热腔内；所述汽液分离器的汽分筒体置于壳体内部的下半部，所述的副换热腔是壳体的下半部与汽分筒体的外周之间形成的空间；所述主换热腔的上部连接通到置于壳体外部的工质入口，所述主换热腔的下部设有与副换热腔连通的工质通道孔，所述副换热腔底部连通到置于壳体外部的工质出口。

3.根据权利要求1或2所述的带有热利用平衡处理器的热泵热水机，其特征在于所述的换热管与主换热腔形成低频紊流换热结构，所述的换热管为麻花状螺旋管，所述麻花状螺旋管的内外表面均带有凹凸螺旋扭转的峰谷结构，所述换热管外壁的凸起螺旋贴近主换热腔的内壁，形成具有螺旋状工质通道的低频紊流换热结构。

4.根据权利要求2所述的带有热利用平衡处理器的热泵热水机，其特征在于所述汽分筒体的外周设有螺旋翅片，所述壳体的内壁贴近汽分筒体外周的螺旋翅片，形成具有盘绕管结构的副换热腔。

5.根据权利要求1所述的带有热利用平衡处理器的热泵热水机，其特征在于所述的热利用平衡处理器对冷凝过程和蒸发过程的不同相态的工质进行热利用平衡交换，冷凝过程的液态高温工质从工质入口进入热利用平衡处理器，经过主换热腔与换热管中的热媒水换热后，在所述的副换热腔中，与蒸发过程中由汽分入口进入所述汽分筒体的气态低温工质再次进行换热；在副换热腔中的工质，在换热过程中进一步降温成为过冷状态，并从工质出口流出进入蒸发器，从而提高蒸发器从空气源中吸收热能的效率，同时，汽分筒体中的工质在换热过程中升温，充分汽化成为过热气体，从汽分出口流出进入压缩机，从而防止液态工质进入压缩机造成液击故障。