CN1390293A - 热泵和减湿设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明,提供一种具有高性能系数的热泵、及一种每单位水分去除量仅需消耗少量能量的减湿设备。该热泵包括:一个增压器260,用于提高制冷剂的压力;一个冷凝器220,用于冷凝该制冷剂以加热高温热源流体;一个汽化器210,用于汽化该制冷剂以冷却低温热源流体;以及热交换装置300,它被设置在连接该冷凝器220与该汽化器210的制冷剂流动通道中,用于在一个中间压力下对该制冷剂进行汽化和冷凝,该中间压力处于该冷凝器220的冷凝压力与该汽化器210的汽化压力之间,用以通过在该中间压力下汽化该制冷剂来冷却该低温热源流体,并通过在该中间压力下冷凝该制冷剂来加热该低温热源流体。该低温热源流体被依次连续地由该热交换装置进行冷却、由该汽化器进行冷却、及由该热交换装置进行加热。该低温热源流体可以在该汽化器中进行冷却之前由该热交换装置进行预冷却,在该预冷却过程中被去除的热量可以从已由该汽化器冷却的该低温热源流体中回收。

Description

热泵和减湿设备

技术领域

本发明涉及一种热泵和一种减湿设备，并且尤其是涉及一种具有较高性能系数(COP)的热泵，和具有这种热泵的一种减湿设备，该减湿设备的每单位能耗的减湿量较高。

背景技术

如图11所示，现有的一种减湿设备具有：一个压缩机1，用于压缩制冷剂；一个冷凝器2，用于利用外界空气来对经过压缩后的制冷剂进行冷凝；一个汽化器3，用于利用一个膨胀阀5来降低经过冷凝后的制冷剂的压力，并且使得该制冷剂发生汽化，用以将来自于空调空间10内的处理空气(process air)冷却至等于或者低于其露点的温度；以及一个回热器4，用于在冷凝器2的下游侧利用膨胀阀5上游的制冷剂对处理空气进行二次加热，此时所述处理空气已经被冷却至等于或者低于其露点的温度。制冷剂在冷凝器和回热器中得以冷凝。理由所图示出的减湿设备，由所述压缩机1、冷凝器2、回热器4、膨胀阀5及汽化器3构成一个热泵HP。该热泵HP用于将热量从流过汽化器3的处理空气中输送到流过冷凝器2的外界空气中。

在这里，以下将参照在图12中示出的莫利尔图(Mollier diagram)，对图11中所示出的热泵HP的工作方式进行描述。在图12中所示出的曲线图是在将HFC134a用作冷凝介质的情况下所获得的莫利尔图。点a表示的是经过汽化器3汽化后的制冷剂的一个状态，该制冷剂呈饱和蒸汽形式。该制冷剂的压力为0.34Mpa，温度为5℃，并且其热函为400.9kJ/kg。点b表示的是经过压缩机1抽吸和压缩后的蒸汽之状态，即在压缩机1出口处的状态。在该点b处，该制冷剂呈过热蒸汽之形式。制冷剂蒸汽在冷凝器2中得以冷却，并达到由该莫利尔图中的点c所表示的状态。在该点c处，制冷剂呈饱和蒸汽形式，其压力为0.94Mpa，温度为38℃。在这样的压力下，制冷剂得以冷却和冷凝，达到由点d所表示的状态。在该点d处，制冷剂呈饱和液体形式，并且具有与点c处相同的压力和温度。该饱和液体的热函为250.5kJ/kg。该制冷剂液体由一个膨胀阀5减压至0.34Mpa，该压力是温度为5℃时的饱和压力。制冷剂液、汽之混合物在5℃的温度下被输送至汽化器3中，在该汽化器3中，该混合物去除处理空气中的热量，并被汽化以达到由所述莫利尔图中的点a所表示的饱和蒸汽之状态。该饱和蒸汽再次被吸入到压缩机1中，并且重复前述循环。

下面将参照在图13中所示出的湿度图来对图11中示出的减湿设备的工作方式进行描述。在图13中，字母K、L、M对应于图11中被圆圈圈起来的字母。来自于空调空间101内的空气(处于状态K下)被冷却至等于或者低于其露点的温度，以降低其干球温度，并且降低其绝对湿度，从而达到状态L。在该湿度图中，状态L位于一条饱和曲线上。处于状态L的空气由回热器4进行二次加热，来增大其干球温度，并且保持其绝对湿度不变，从而达到状态M。随后，该空气被供送到空调空间10内。状态M在绝对湿度和干球温度两方面均低于状态K。

利用前述的常规热泵和减湿设备，由于必须明显地将所述处理空气冷却至其露点，因此在热泵内大约一半的汽化器冷却作用被消耗在从所述空气中去除可感知的热载荷上，从而使得每单位耗电量的水分去除量(减湿性能)较低。如果使用一个单级压缩机来作为该热泵中的压缩机，那么它产生一个单级压缩式冷却循环，导致其性能系数(COP)较低，并且每单位水分去除量需要消耗大量的电能。

因此，本发明的目的在于提供一种具有高性能系数(COP)热泵和一种减湿设备，该减湿设备去除每单位水分量仅消耗少量的能量。

发明内容

根据本发明的一个方面，例如，如图1所示，提供一种热泵，该热泵包括有：一个增压器260，用于提高制冷剂的压力；一个冷凝器220，用于冷凝所述制冷剂，来加热一种高温热源流体；一个汽化器210，用于汽化所述制冷剂，来冷却一种低温热源流体；以及热交换装置300，该热交换装置300被设置于连接冷凝器220与汽化器210的制冷剂流动路径上，用于在一个中间压力下对所述制冷剂进行汽化和冷凝，其中所述中间压力处于冷凝器220的冷凝压力与汽化器210的汽化压力之间，从而通过在该中间压力下汽化所述制冷剂来冷却该低温热源流体，通过在该中间压力下冷凝所述制冷剂来加热该低温热源流体；其中，所述低温热源流体依次连续地按指定顺序由热交换装置300进行冷却、由汽化器210进行冷却、及由热交换装置300进行加热。

优选的是，热交换装置300被设置成能够使得制冷剂在所述中间压力下反复交替地得以汽化和冷凝。通常，由冷凝器220进行冷凝以加热该高温热源流体的制冷剂是由增压器260增压后的制冷剂，而由汽化器210进行汽化以冷却该低温热源流体的制冷剂由增压器260进行增压。

利用前述配置，所述热泵包括有热交换装置，用于在一中间压力下汽化和冷凝所述制冷剂，其中所述中间压力处于该冷凝器的冷凝压力与该汽化器的汽化压力之间，从而通过在该中间压力下汽化所述制冷剂来冷却该低温热源流体，并通过在该中间压力下冷凝所述制冷剂来加热该低温热源流体。因此，该低温热源流体依次连续地按指定顺序由该热交换装置进行冷却、由该汽化器进行冷却、及由该热交换装置进行加热。因此，该低温热源流体在该汽化器中进行冷却之前就可以由该热交换装置进行预冷却，并且可以利用预冷却中的热量来加热从该汽化器中流出的该低温热源流体。

根据本发明的另一方面，提供一种热泵，其中的中间压力至少包括有一个第一中间压力和一个低于该第一中间压力的第二中间压力，热交换装置300按指定顺序依次通过在该第一中间压力下汽化制冷剂和在该第二中间压力下汽化该制冷剂来连续地对低温热源流体进行冷却，另外，该热交换装置按指定顺序依次通过在该第二中间压力下冷凝所述制冷剂和在该第一中间压力下冷凝所述制冷剂来连续地对低温热源流体进行加热。

利用前述配置，由于是在该低温热源流体的逆流之间进行热交换，因此该热交换装置可以获得非常高的热交换效率。

根据本发明的又一方面，例如，如图1所示，提供一种减湿设备，该减湿设备包括有：一个增压器260，用于提高制冷剂的压力；一个冷凝器220，用于冷凝所述制冷剂来加热高温热源流体OA；一个汽化器210，用于汽化所述制冷剂来将处理空气冷却至等于或者低于其露点的温度；热交换装置300，该热交换装置300被设置于连接冷凝器220与汽化器210的制冷剂流动路径107至111中，用于在一个中间压力下汽化和冷凝所述制冷剂，其中该中间压力处于冷凝器220中的冷凝压力与汽化器210中的汽化压力之间，从而通过在该中间压力下汽化所述制冷剂来冷却所述处理空气，通过在该中间压力下冷凝所述制冷剂来加热所述处理空气；以及一个处理空气流动路径，用于将热交换装置300与汽化器210连接起来，以便所述处理空气依次按指定顺序连续地由热交换装置300进行冷却、由汽化器210进行冷却、及由热交换装置300进行加热。

通常，由冷凝器220进行冷凝来加热高温热源流体的制冷剂是由增压器260增压后的制冷剂，而由汽化器210进行汽化来冷却低温热源流体的制冷剂由增压器260进行增压。

通常，该高温热源为环境空气，而该低温热源流体在热交换装置300中被预冷却，然后在汽化器210中进行冷却。该低温热源流体可以在被进行预冷却的同时由热交换装置300进行冷凝。优选的是，热交换装置300被设置成能够使得制冷剂在所述中间压力下反复交替地得以汽化和冷凝。热交换装置300还可以被设置成能够使得所述中间压力至少包括有一个第一中间压力和一个低于该第一中间压力的第二中间压力，并且热交换装置300按指定顺序依次通过在第一中间压力下汽化所述制冷剂和在第二中间压力下汽化所述制冷剂来连续地对低温热源流体进行冷却，另外，该热交换装置300按指定顺序依次通过在第二中间压力下冷凝所述制冷剂和在第一中间压力下冷凝所述制冷剂来连续地对该低温热源流体进行加热。例如，如图8中所示，该减湿设备还可以包括有一个旁通流动路径，用于相对于热交换装置300以分路方式将由冷凝器220冷凝后的制冷剂输送到汽化器210中。

根据本发明的再一方面，例如，如图1中所示，提供一种减湿设备，该减湿设备包括有：一个增压器260，用于提高制冷剂的压力；一个冷凝器220，用于冷凝所述制冷剂；一个汽化器210，用于汽化所述制冷剂来将处理空气冷却到等于或者低于其露点的温度；以及热交换装置300，用于在冷却所述处理空气的汽化器210的上游侧对该处理空气进行预冷却，并且在冷却所述处理空气的汽化器210的下游侧对该处理空气进行二次加热；其中，所述制冷剂在被导入汽化器210之前被供送至热交换装置300中。

通常，由冷凝器220进行冷凝来加热高温热源流体的制冷剂是由增压器260增压后的制冷剂，而由汽化器210进行汽化来冷却低温热源流体的制冷剂由增压器260进行增压。

根据本发明的再一方面，例如，如图8中所示，该减湿设备还可以包括有一个旁通流动路径401，用于将由冷凝器220冷凝后的制冷剂输送到汽化器210中，并且该旁通流动路径可以对热交换装置300起分路作用。

利用前述配置，由于该减湿设备包括有旁通流动路径，在通过利用该汽化器冷却低温热源流体、以去除掉包含在该低温热源流体中的水分之情况下，该低温热源流体的温度和湿度之间的关系可以被合适地调整。

在这里还可以提供一种减湿设备，该减湿设备具有所述热泵，所述低温热源流体为处理空气，所述汽化器210被设置成能够将该处理空气冷却到等于或者低于其露点的温度，并且一条空气流动路径连接在热交换装置300与汽化器210之间，以使得该处理空气按指定顺序依次连续地由热交换装置300进行冷却、由汽化器210进行冷却、及由热交换装置300进行加热。

本申请是基于申请号No.11-330431、申请日为1999年11月19日的日本专利申请，在这里将该专利申请结合入本发明，作为本申请之内容的一部分。

根据下面的详细描述，可以更充分地理解本发明。通过下面的详细描述，本发明的进一步用途将更为清楚。但是，下面的详细描述和特定示例将被描述成仅用于解释本发明之优选实施例。本领域技术人员显而易见的是，在本发明的技术构思和保护范围之内，显然可以对下面所详细描述的实施例进行各种变化和修改。

本申请人并不希望将下面所描述的任何实施例贡献给公众，并且在等效的原则下，那些没有被包括在权利要求保护范围之内的任何公开之修改和可选方案均构成本发明的一部分。

附图简述

图1是根据本发明之第一实施例的热泵及具有这种热泵的减湿空调设备的流程图；

图2是图1中所示热泵的莫利尔图；

图3是说明图1中所示减湿空调设备的工作的湿度图；

图4是根据本发明之第二实施例的热泵及具有这种热泵的减湿空调设备的流程图；

图5是图4中所示热泵的莫利尔图；

图6是根据本发明之第三实施例的热泵及具有这种热泵的减湿空调设备的流程图；

图7是图6中所示热泵的莫利尔图；

图8是根据本发明之第四实施例的热泵及具有这种热泵的减湿空调设备的流程图；

图9是根据本发明之第五实施例的热泵及具有这种热泵的减湿空调设备的流程图；

图10(a)和10(b)分别是一个示意性平面图和一个示意性侧视图，示出了适用于在根据本发明之实施例的热泵中使用的一种热交换器；

图11是一种常规热泵和一种常规减湿空调设备的流程图；

图12是图11中所示常规热泵的莫利尔图；及

图13是说明图11中所示常规减湿空调设备之工作的湿度图。

实施本发明的最佳方式

下面将参照附图对本发明的若干实施例进行描述。在这些附图中，相同或者相应的部件由相同或者相似的附图标记来表示，并且将不再予以重复描述。

图1是根据本发明之第一实施例的热泵HP1、及具有这种热泵作为根据本发明的减湿设备的减湿空调设备的流程图。该减湿空调设备的作用是将处理空气冷却到等于或者低于其露点的温度，用于除去该空气中的水分。图2是包括在图1中所示空调设备中的热泵HP1的制冷剂莫利尔图，而图3则是图1中所示空调设备的湿度图。

下面将参照图1来描述根据第一实施例的热泵和具有这种热泵的减湿空调设备的结构细节。该空调设备利用一个冷却装置来降低处理空气的湿度，用以在供送有该处理空气的空调空间101内保持一个舒适的环境。在图1中，将沿着一条从空调空间101开始的处理空气之流动路径对与该处理空气相关的装置进行描述。为了将处理空气返回到空调空间101中，按以下指定顺序依次设置有：一条被连接到该空调空间101上的流动路径107、一个位于热交换器300内的第一腔室310、一条流动路径108、一个用于将处理空气冷却到等于或者低于其露点的温度的汽化器210、一条流动路径109、一个位于热交换器300内的第二腔室320、一条流动路径110、一个被连接到流动路径110上用于循环所述处理空气的鼓风机102、以及一条流动路径111。

另外，为了将所述处理空气作为废气EX排出，沿着一条从外界空气OA开始的冷却空气之流动路径，依次设置有：一条流动路径124、一个用于对制冷剂进行冷却和冷凝的冷凝器220、一条流动路径125、一个用于输送冷却空气的鼓风机140、以及一条流动路径126。

下面将沿着一条从制冷剂汽化器210开始的制冷剂之流动路径对热泵HP1的装置进行描述。在图1中，按指定顺序依次设置有：制冷剂汽化器210、一条流动路径204、一个用于压缩已被制冷剂汽化器210汽化为蒸汽之制冷剂的压缩机260、一条流动路径201、制冷剂冷凝器220、一条流动路径202、一个节气阀(restriction)330、一个用于对流过热交换器300内的第一腔室310的处理空气进行冷却的汽化区域251、一个用于对流过热交换器300内的第二腔室320的处理空气进行加热(二次加热)的冷凝区域252、一条流动路径203以及一个节气阀250。该制冷剂交替地流过汽化区域251和冷凝区域252，并且返回到制冷剂汽化器210中。热泵HP1由此构造而成。

下面将对热交换器300的结构细节进行描述。该热交换器300包括一个用于在流入汽化器210内的处理空气与流出该汽化器210的处理空气之间间接地利用该制冷剂来进行热交换的热交换器。该热交换器300具有多个基本平行的热交换管道，来作为制冷剂在多个不同平面PA、PB、PC……之每一平面上的流动通道，这些平面PA、PB、PC……与图1中的纸面相垂直，并且也垂直于处理空气的流动方向。在图1中，为了简化起见，在前述的各个平面中仅示出了一根管道。

热交换器300具有第一腔室310和第二腔室320，第一腔室310用于使得处理空气在流过汽化器210之前经过其中，第二腔室320用于使得处理空气在流过汽化器210之后经过其中。第一腔室310和第二腔室320形成了各自的独立空间，各个独立空间均呈长方体形状。两个腔室分别具有相互邻接设置的间隔壁301和302，热交换管道延伸穿过这两个间隔壁301和302。

在另一个实施例中，热交换装置300可以被构造成能够由一个间隔壁301来将一个呈长方体形状的单个空间分隔开来，并且热交换管道延伸穿过该间隔壁301，并交替地穿过第一腔室310和第二腔室320。

在图1中，该处理空气在被导入汽化器210之前通过流动路径107被从右侧供送至第一腔室310中，并且通过流动路径108从该第一腔室310的左侧排出。处理空气已通过汽化器210和已经被冷却至等于或者低于其露点温度、以及其绝对湿度被降低时，该处理空气通过流动路径109被从左侧供送至第二腔室320中，并且通过流动路径110从该第二腔室320的右侧排出。

如图1所示，热交换管道延伸穿过所述第一腔室310、第二腔室320及用于将这两个腔室相互隔离开的间隔壁301和302。比如，被设置在平面PA中的热交换管道具有延伸穿过第一腔室310的部分，并且将该部分称作汽化区域251A，作为第一制冷剂流动通道(在下文中，在无需分别讨论多个汽化区域的情况下，被简单地称之为汽化区域251)。被设置在平面PA内的热交换管道还具有延伸穿过第二腔室320的部分，并且将该部分称作冷凝区域252A，作为第二制冷剂流动通道(在下文中，在无需分别讨论多个冷凝区域的情况下，被简单地称之为冷凝区域252)。汽化区域251A和冷凝区域252A用作一对第一和第二腔室延展部分，并且构成制冷剂流动通道。

另外，被设置在平面PB内的热交换管道具有延伸穿过第一腔室310的部分，并且将该部分称作汽化区域251B。被设置在平面PB内的热交换管道还具有延伸穿过第二腔室320的部分，并且将该部分称作冷凝区域252B，该冷凝区域252B与汽化区域251B构成一对制冷剂流动通道。如同在平面PB中这样，在各个平面PC……中也均提供有制冷剂流动通道。

如图1所示，汽化区域251A和冷凝区域252A相互配对，并通过一根管道使其形成一个整体的流动通道。该一特征，以及第一腔室310和第二腔室320相互邻接设置且在其间设置有两个间隔壁301和302之这一事实一起，有利于使热交换器300作为一个整体更为小巧和紧凑。

在根据本实施例所示的热交换器中，汽化区域251A、251B、251C……从图1的右侧开始依次连续设置，而冷凝区域252A、252B、252C……也从图1的右侧开始依次连续设置。

如图1所示，远离间隔壁302的冷凝区域252A之端部与远离间隔壁302的冷凝区域252B之端部由一根U形管道相互连接起来。汽化区域251B的端部与汽化区域251C的端部也同样由一根U形管道相互连接起来。

因此，沿一个方向从汽化区域251A流向冷凝区域252A的制冷剂通过所述U形管道而被导入冷凝区域252B中，并且随后流入到汽化区域251B内，经由所述U形管道从该汽化区域251B流入到汽化区域251C内。以这种方式，这些制冷剂流动通道包括这些汽化区域和这些冷凝区域，这些制冷剂流动通道反复交替地延伸穿过第一腔室310和第二腔室320。换句话说，制冷剂的流动通道被设置为一组曲折的细长导管。一组曲折的细长导管穿过所述第一腔室310和第二腔室320，并且被固定成交替地与具有较高温度的处理空气和具有较低温度的处理空气相接触。

首先，在下面将参照图1描述制冷剂在所述装置之间的流动，并且随后参照图2对热泵HP1的工作进行描述。

在图1中，由制冷剂压缩机260增压后的制冷剂蒸汽经由被连接在该压缩机排出口上的制冷剂蒸汽导管201而被导入到制冷剂冷凝器220中。由压缩机260压缩后的制冷剂蒸汽由作为冷却空气的环境空气进行冷却和冷凝。

制冷剂冷凝器220具有一个制冷剂出口，该制冷剂出口通过制冷剂流动通道202而被连接到热交换器300中的汽化区域251A入口上。节气阀330被设置在汽化区域251A之入口处附近的制冷剂流动通道202上。

从制冷剂冷凝器220中流出的液态制冷剂在节气阀330的作用下压力减小并且发生膨胀，以便部分地发生汽化(闪蒸现象)。呈液、汽混合物形式的制冷剂抵达汽化区域251A，其中液态制冷剂流动以弄湿汽化区域251A内的管道内表面，并且发生汽化来冷却(预冷却)在流入汽化器210之前流过第一腔室310的处理空气。

汽化区域251A与冷凝区域252A被构造成一根连续的管道。更具体地说，由于汽化区域251A与冷凝区域252A被成形为一根整体式流动通道，因此汽化后的制冷剂蒸汽(以及没有汽化的制冷剂液体)流入到冷凝区域252A内，并且对流过第二腔室320的处理空气进行加热(二次加热)，其中该处理空气已经在汽化器210中得以冷却和减湿，并且其温度低于流入汽化器210之前的温度。此时，热量被从汽化后的制冷剂蒸汽本身中去除，该汽化后的制冷剂蒸汽被冷凝。

如上所述，热交换器300不仅在第一平面PA内具有汽化区域和冷凝区域(至少具有一对部分，比如由251A和252A来表示)，该汽化区域用作延伸穿过第一腔室310的制冷剂流动通道，该冷凝区域用作延伸穿过第二腔室320的制冷剂流动通道，而且在第二平面PB内也具有冷凝区域和汽化区域(至少具有一对部分，比如由252B和251B来表示)，该冷凝区域用作延伸穿过第二腔室320的制冷剂流动通道，该汽化区域用作延伸穿过第一腔室310的制冷剂流动通道。

在热交换器300中，最后那个冷凝区域的出口经由制冷剂液体导管203而被连接到汽化器210上，并且膨胀阀250被设置成一个位于制冷剂导管203上的第二节气阀。

在冷凝区域得以冷凝后的制冷剂液体在节气阀250的作用下压力减小并且发生膨胀，来降低其温度。随后，制冷剂液体进入到制冷剂汽化器210中进行汽化，来利用汽化所需的热量对处理空气进行冷却。节气阀330和250可以是小孔、毛细导管、膨胀阀或者类似装置。

在制冷剂汽化器210中已经汽化成蒸汽的制冷剂通过流动路径204被导入到制冷剂压缩机260的吸气侧，从而重复前述循环。

下面将对制冷剂在图1中所示热交换器300内的汽化区域和冷凝区域中的工作情况进行描述。制冷剂在液相状态下流入汽化区域251A内。制冷剂也可以是已经部分汽化的制冷剂液体，略微包含有汽相。在制冷剂液体流过汽化区域251A的同时，该制冷剂液体通过对处理空气进行预冷却以使其本身被加热。在汽相增加的同时，制冷剂进入到冷凝区域252A内。在冷凝区域252A中，制冷剂对处理空气进行加热，此时所述处理空气的温度在冷却和减湿作用下已经低于汽化区域251A中的处理空气的温度。此时，热量被从制冷剂本身中去除，与此同时处于汽相的制冷剂得以冷凝，制冷剂流入到下一冷凝区域252B内。在制冷剂流过冷凝区域252B的同时，利用具有更低温度的处理空气，来进一步将热量从制冷剂中去除，并且处于汽相的制冷剂被进一步得以冷凝。此后，制冷剂流入到下一汽化区域251B内。以这种方式，制冷剂在汽相和液相之间的相变的同时，流过制冷剂流动通道。因此，在由汽化器210进行冷却之前的处理空气与已经由汽化器210进行了冷却的处理空气之间进行热量交换，以降低其绝对湿度。

接下来，将参照图2对热泵HP1的工作方式进行描述。图2是在将HFC134a用作制冷剂的情况下所获得的莫利尔图。在该莫利尔图中，横轴表示的是热函，而纵轴表示的是压力。除了前述的制冷剂之外，HFC407C和HFC410A也是适用于根据本发明的热泵和减湿设备的制冷剂。这些制冷剂具有的工作压力区域朝向比HFC134a更高的压力侧偏移。

在图2中，点a表示的是制冷剂在汽化器210排出口处的状态，此时该制冷剂呈饱和蒸汽形式。该制冷剂的压力为0.34Mpa，温度为5℃，并且热函为400.9kJ/kg。点b表示的是经过压缩机260抽吸和压缩后的该蒸汽之状态，即在压缩机260排气口处的状态。在该点b处，制冷剂的压力为0.94Mpa，并且呈过热蒸汽形式。

制冷剂蒸汽在冷凝器220中得以冷却，并且达到由该莫利尔图中的点c所表示的状态。在该点c处，制冷剂呈饱和蒸汽形式，并且其压力为0.94Mpa，温度为38℃。在这样的压力下，制冷剂得以冷却和冷凝，来达到由点d表示的状态。在该点d处，制冷剂呈饱和液体形式，并且具有与点c处相同的压力和温度。该饱和液体的热函为250.5kJ/kg。

制冷剂液体在节气阀330的作用下压力减小，并且流入到热交换器300中的汽化区域251A内。该状态由所述莫利尔图上的点e来表示。该制冷剂液体的温度大约为18℃。该制冷剂液体的压力为根据本发明的一个中间压力，即具有处于本实施例中的0.34Mpa与0.94Mpa之间的一个中间值。并且，由于制冷剂液体的一部分发生汽化，该制冷剂液体是液体和蒸汽的混合物。

在汽化区域251A中，制冷剂液体在所述中间压力下发生汽化，并且在该中间压力下达到由点f1所表示的状态，该点f1位于饱和液体曲线与饱和蒸汽曲线之间。在该点f1处，虽然一部分液体发生了汽化，但是仍然剩余相当多的制冷剂液体。

该制冷剂在由点f1所表示的状态下流入到冷凝区域252A内。在该冷凝区域252A中，利用温度较低并且流过第二腔室320的处理空气来将热量从制冷剂中去除，该制冷剂达到由点g1表示的状态。

该制冷剂在由点g1所表示的状态下流入到汽化区域251B内，在这里，热量被从制冷剂中去除。制冷剂的液相增大，并且达到由点f2所表示的状态。随后，制冷剂流入到冷凝区域252B内，在这里制冷剂的液相增大，并达到由点g2所表示的状态。同样，制冷剂在汽化区域与冷凝区域中反复交替地得以汽化和冷凝。在图2中的莫利尔图上，假设冷凝区域252B被连接到膨胀阀250上，将平面PC中的汽化区域和冷凝区域及后续区域略去图解。

在所述莫利尔图上，点g2位于饱和液体曲线上。在该点g2处，制冷剂的温度为18℃，热函为223.3kJ/kg。

制冷剂液体在点g2处通过节气阀250被减压至0.34Mpa，该压力是温度为5℃时的饱和压力，从而达到由点j所表示的状态。在该点j处，制冷剂在5℃的温度下以制冷剂液、汽混合物的形式流入到制冷剂汽化器210内，在这里由制冷剂来将处理空气中的热量去除，汽化至由莫利尔图上的点a所表示之状态的饱和蒸汽。汽化后的蒸汽再次由压缩机260吸入，从而重复前述循环。

在热交换器300中，如前所述那样，制冷剂在汽化区域251中经历从点e至点f1或者从点g1至点f2的汽化状态变化，在冷凝区域252中经历从点f1至点g1或者从f2至g2的冷凝状态变化。由于制冷剂借助于汽化作用和冷凝作用来传递热量，因此热传递率非常高，并且热交换器的效率也很高。

在蒸汽压缩式热泵HP1中包括有压缩机260、制冷剂冷凝器220、节气阀330和250以及制冷剂汽化器210，当没有设置热交换器300时，在制冷剂冷凝器220中处于由点d所表示之状态的制冷剂通过所述节气阀返回到制冷剂汽化器210中。因此，可由制冷剂汽化器210所使用的热函差值仅为400.9-250.5＝150.4kJ/kg。但是，利用根据具有热交换器300之本实施例的热泵HP1，可由制冷剂汽化器210所使用的热函差值为400.9-223.3＝177.6kJ/kg。因而，在相同冷却载荷下循环到该压缩机中的蒸汽的量及所需能量可以降低15％。从而，根据本实施例的热泵HP1可以如同具有过冷循环那样进行工作。

下面将参照图3中的湿度图对具有所述热泵HP1的减湿空调设备的工作方式进行描述。在结构细节方面将参照图1。在图3中，字母K、X、L和M用于表示不同区域内的空气状态，并且分别对应于在图1中所示流程图内由圆圈圈起来的字母。在图3中所示出的湿度图还能够应用于根据本发明另外一个实施例的减湿空调设备，该实施例将在后面进行描述。

在图3中，来自于空调空间101的处理空气(处于状态K下)通过处理空气流动路径107流入到热交换器300中的第一腔室310内，在这里由在汽化区域251内汽化后的制冷剂将处理空气冷却至一定的程度。该工作步骤可以被称作预冷却步骤，这是因为处理空气被初步进行冷却，然后由汽化器210冷却至等于或者低于其露点的温度。在所述处理空气在汽化区域251中得以预冷却的同时，一定量的水分被从该空气中去除，来降低该空气中的绝对湿度，随后该空气达到点X处。该点X位于饱和曲线上。另一方式是，所述空气也可以被预冷却至一个位于点K与点X之间的中间点处。另外，所述空气也可以被预冷却至这样一个点处，即该点稍微朝向该饱和曲线上更低的湿度位置而偏移于点X之外。

经过预冷却的处理空气通过流动路径108被导入到汽化器210内，在这里该处理空气由制冷剂冷却至等于或者低于其露点的温度，该制冷剂已经在膨胀阀250的作用下被降压，并且在一个较低温度下发生汽化。该处理空气中的水分被去除，以降低该空气的绝对湿度和干球温度，该空气达到点L处。虽然为了进行图示，将用于表示从点X至点L之变化的粗线绘制成远离饱和曲线，但是它实际上对准该饱和曲线。

处于由点L所表示状态下的处理空气通过流动路径109流入到热交换器300中的第二腔室320内，在这里，所述处理空气由制冷剂进行加热，保持绝对湿度不变，其中所述制冷剂已经在冷凝区域252中得以冷凝，从而达到点M处。与处于点K处的处理空气相比，处于该点M处的处理空气具有足够低的绝对湿度，其干球温度不会过分低于处于点K处的处理空气，并且具有适当的相对湿度。处于点M处的处理空气随后被鼓风机102抽吸走，并且被返回到空调空间101中。

在热交换器300中，通过制冷剂在汽化区域251内发生汽化来对所述处理空气进行预冷却，并且通过制冷剂在冷凝区域252内发生冷凝来对所述处理空气进行二次加热。在汽化区域251内汽化后的制冷剂在冷凝区域252中得以冷凝。因此，相同的制冷剂被汽化和冷凝，以在汽化器210中被冷却之前的处理空气与汽化器210中被冷却之后的处理空气之间间接地进行热交换。

环境空气通过流动路径124被导入到冷凝器220内。由该环境空气将热量从被冷凝的制冷剂中去除，加热的环境空气通过流动路径125被抽吸入鼓风机140内，该空气通过流动路径126被作为废气EX从鼓风机140中排出。

在图3所示的湿度图上的空气循环中，在第一腔室310中对处理空气进行预冷却的热量的量，即在第二腔室320中对处理空气进行二次加热所消耗的热量的量H，它表示了回收热量的量，而在汽化器210中对处理空气进行冷却的热量的量，被表示为Q。用于对空调空间101进行冷却的冷却效果被表示为i。

下面将参照图4和5对本发明的第二实施例进行描述。该第二实施例与图1所示出的第一实施例之间的不同之处在于，节气阀331和332在热交换器300中分别被设置在平面PB与PC内的汽化区域之间和平面PD与PE内的汽化区域之间。具体来讲，在图4中，平面PB内的汽化区域251B端部与平面PC内的汽化区域251C端部经由节气阀331相互连接起来，而平面PD内的汽化区域251D端部与平面PE内的汽化区域251E端部经由节气阀332相互连接起来。

在前述配置中，被导入汽化区域251B内的制冷剂在汽化区域251B中部分汽化成湿态，在节气阀331的作用下压力降低，并且流入到平面PC中的汽化区域251C内。该制冷剂在汽化区域251C中被进一步汽化，并且随后流入到冷凝区域252C内。制冷剂在U形管道内改变流动方向，并且流入到冷凝区域252D内。在冷凝区域252D内，制冷剂被进一步冷凝并且随后流入到汽化区域251D内。该制冷剂在汽化区域251D中被部分汽化，并且抵达节气阀332处。在节气阀332的作用下制冷剂的压力降低，并且流入到平面PE中的汽化区域251E内，接着又流入到该平面PE中的冷凝区域252E内。在冷凝区域252E中，制冷剂得以充分冷凝，并且通过流动路径203流向膨胀阀250处。在膨胀阀250的作用下制冷剂的压力降低，并且流入到汽化器210内。

汽化区域251A与251B中的汽化压力和冷凝区域252A与252B中的冷凝压力(即第一中间压力)、或者在汽化区域251C、251D中和冷凝区域252C、252D中的压力(即第二中间压力)均取决于流入汽化器210之前的处理空气温度与流过汽化器210之后的处理空气温度。

由于在图1中所示出的热交换器300或者在图4中所示出的热交换器300b均利用了通过汽化和冷凝的热传递，因此该热交换器具有极佳的热传递率。尤其是，由于热交换器300b以逆流原理来进行热交换，所以该热交换器300b的热交换效率非常高。由于制冷剂在制冷剂流动通道中作为一个整体基本上沿一个方向受迫流动，从汽化区域251至冷凝区域252或者从冷凝区域252至汽化区域251，因此具有较高温度的处理空气与具有较低温度的处理空气之间的热交换效率非常高。词句“制冷剂作为一个整体基本上沿一个方向流动”的意思是指：当作为一个整体来看时，即使制冷剂可能由于紊流现象而局部回流，或者由于气泡或瞬间阻断所产生的压力波而在流动方向中被摆动，制冷剂在制冷剂流动通道中仍然基本上沿着一个方向流动。在本实施例中，制冷剂在由压缩机260增大的压力作用下沿一个方向受迫流动。

当高温流体被冷却时，即利用所述热交换器来对高温流体进行冷却时，热交换效率φ被定义为

φ＝(TP1-TP2)/(TP1-TC1)

其中，在热交换器入口处的高温流体之温度被标记为TP1，其在该热交换器出口处的温度被标记为TP2，低温流体在热交换器入口处的温度被标记为TC1，而其在该热交换器出口处的温度被标记为TC2。当该低温流体将被加热时，即当利用所述热交换器来对低温液体进行加热时，热交换效率φ被定义为

φ＝(TC2-TC1)/(TP1-TC1)

下面将参照图5对根据图4中所示实施例的热泵HP2的运行进行描述。在图5中，从点a至点e的转变与图2中所示出的转变相同，因此在下文中不再予以描述。

如以上参照图2所述，处于由点e所表示的状态的制冷剂流入到热交换器300b中的汽化区域251A1内，由于一部分液体在第一中间压力下发生汽化，所以该制冷剂为液、汽混合物。

该制冷剂在所述汽化区域中被进一步汽化，并且到达点f1处，该点f1更为靠近所述莫利尔图上湿润区域内的饱和蒸汽曲线。在该状态下的制冷剂流入到所述冷凝区域内，在这里，制冷剂得以冷凝。随后，利用U形管道使得制冷剂沿相反方向流动，并且得以冷凝，从而到达点g1处，该点g1更为靠近穿过所述湿润区域的饱和液体曲线。接着，制冷剂流入到所述汽化区域内，趋向所述湿润区域内的饱和蒸汽曲线以到达点h1a处。直到这一点，制冷剂基本上在第一中间压力下经历变化。

处于由点h1a所表示状态的制冷剂在节气阀331的作用下压力降低，并且在第二中间压力下到达点h1b处。具体地说，制冷剂从平面PA和PB内作为制冷剂流动通道的汽化区域流入到平面PC内作为制冷剂流动通道的汽化区域中。在该汽化区域中，该制冷剂在第二中间压力下发生汽化，并且到达点f2处。随后，制冷剂以同样的方式反复交替地汽化成汽相和冷凝成液相，并且通过中间节气阀332来减小其压力。此后，制冷剂流过汽化区域和冷凝区域，并且到达所述莫利尔图上的点g3处，该点g3对应于图2中的点g2。在所述莫利尔图上，点g3位于饱和液体曲线上。在该点g3处，制冷剂的温度为12℃，热函为215.0kJ/kg。

与图2中所示情况相同，制冷剂液体在点g3处通过节气阀250被减压至0.34Mpa，该压力是温度为5℃时的饱和压力，并且达到由点j所表示的状态。制冷剂在5℃的温度下以制冷剂液、汽混合物的形式流入到制冷剂汽化器210内，在这里，由制冷剂将热量从处理空气中去除，并被汽化成饱和蒸汽，该蒸汽处于由所述莫利尔图上的点a所表示的状态。汽化后的蒸汽再次由压缩机260吸入，从而重复前述循环。

在热交换器300b中，正如前面所述那样，制冷剂反复交替地经历汽相之变化和液相之变化。由于制冷剂通过发生汽化和发生冷凝来进行热传递，所以热传递率非常高，热交换的效率也很高，如同利用热交换器300一样。

在热交换器300b中，处理空气在于汽化器210中进行冷却之前，连续地在第一腔室310内的汽化区域251A、251B、251C、251D、251E中交换热量。更具体地说，处理空气的温度梯度与这些汽化区域的温度梯度相一致。同样，在汽化器210中得以冷却之后的处理空气在第二腔室320内的冷凝区域252A、252B、252C、252D、252E中交换热量。更具体地说，处理空气的温度梯度与这些冷凝区域的温度梯度处于相同方向。因此，汽化器210中进行冷却之前的逆流处理空气与汽化器210中得以冷却之后的处理空气之间进行热交换。这种热交换，与通过发生汽化和发生冷凝进行的热传递一起，使得热交换器300b获得非常高的热交换效率。

与常规热泵相比，可由制冷剂汽化器210所使用的热函差值明显较大。因此，在相同的冷却载荷作用下循环到压缩机中的蒸汽的量和所需要的功率可以减少20％(1-(620.1-472.2)/(620.1-434.9)＝0.20)，如同图2中所示出的情况一样。

由于从质量方面来看带有热泵HP2的减湿空调设备与前面参照图3中的湿度图所进行的描述一样，因此不再对带有热泵HP2的减湿空调设备的工作方式进行描述。

图6是一个根据本发明第三实施例的减湿设备的流程图。根据该第三实施例，一个与根据第一实施例的热交换器300和根据第二实施例的热交换器300b相对应的热交换器300c，具有被设置在冷凝区域侧的节气阀331和332。该第三实施例的其它结构细节，均与图4中所示出的第二实施例中的结构细节相同。

图7是图6中所示热泵HP3的莫利尔图。与图5中所示出的莫利尔图不同，制冷剂在中间压力下的冷凝过程中压力降低。更具体地说，制冷剂在节气阀331的作用下从点g1a减压至点g1b，并且在节气阀332的作用下从点g2a减压至点g2b。

该第三实施例与图4中所示实施例的相同之处还在于，在汽化器210中进行冷却之前的逆流处理空气与于汽化器210中得以冷却之后的处理空气之间进行热交换。

下面将参照图8对本发明的第四实施例进行描述。该第四实施例与前述实施例的区别之处在于，存在有一个旁通流动路径，用于将制冷剂从冷凝器220输送至汽化器210中。图8示出了这样一个旁通流动路径被设置在图1所示的实施例中。

一个三通阀400被设置成制冷剂流动路径202中的方向控制装置，该流动路径202位于在图1中所示出的冷凝器220与膨胀阀330之间。一个从该三通阀400开始延伸的旁通流动路径401被连接到延伸在膨胀阀250与汽化器210之间的流动路径上。从而，该三通阀400可以选择性地经由膨胀阀330将制冷剂从冷凝器220供送至热交换器300中，以及直接从冷凝器220中供送至汽化器210中。在该三通阀400与汽化器210之间的旁通流动路径上设置有一个膨胀阀250a。如果旁通流动路径401被连接至延伸在热交换器300与膨胀阀250之间的流动路径203上，那么该膨胀阀250a可以省去。

一个控制器402被连接到三通阀400上。该控制器402用于从一个温度传感器403和一个湿度传感器404中接收信号，并且控制三通阀400来保持空调空间101内的温度和湿度处于给定的水平，其中所述温度传感器403用于检测空调空间101的温度，而所述湿度传感器404用于检测该空调空间101的湿度。具体地说，如果空调空间101的可感知热载荷相对较小，该制冷剂被从冷凝器220输送至热交换器300中。如果空调空间101的可感知热载荷较大，那么由于干球温度增大，通过对热交换器300进行分路作用而直接将制冷剂从冷凝器220输送至汽化器210中。如果空调空间101内的可感知热载荷为一个中间值，那么使用热交换器300的时间与旁通该热交换器300的时间之比，可以根据该中间值而发生变化。

在图8中，旁通流动路径401被应用于图1中所示出的实施例中。但是，该旁通流动路径401也可以被应用于图4或者图6中所示出的实施例中。

在图1、4、6和8中还示出了一个排水盘(drain pan)450，这样一个排水盘最好不仅被放置在汽化器210的下方，而且被放置在热交换器300、300b、300c的下方。尤其是，该排水盘450最好被放置在第一腔室310的下方，这是因为处理空气主要是在该第一腔室310内进行预冷却，并且某些水分有可能在该第一腔室310内发生冷凝。

在前述实施例中，从空调空间101中返回的空气被导入第一腔室310内。但是，正如在图9中所示出的那样，环境空气也会被导入到第一腔室310内。环境空气具有较高的湿度和较高的温度，它最好是在汽化器210中进行冷却之前得以预冷却。这种配置在对医院和餐馆进行空气调节时是很有效的，具有很高的性能系数(COP)，医院和餐馆需要环境空气作为经过空气调节后的空气总量。

下面将参照图10(a)和10(b)描述根据本发明的热交换器300的结构示例。

图10(a)示出了在具有较低温度的处理空气和具有较高温度的处理空气的流动方向所观看的热交换器，而图10(b)则是一个侧视图，示出了在垂直于低温处理空气和高温处理空气之流动方向的方向所观看的热交换器。

在图10(a)中，低温处理空气的流动远离观察者，而高温处理空气流向观察者。在该热交换器中，管道被设置成在4个平面PA、PB、PC和PD之每一平面内排成八排，其中这些平面PA、PB、PC、PD均垂直于低温处理空气和高温处理空气的流动方向。从而，沿所述处理空气的流动方向，这些管道被排布成四层八排。在图1、4和6中，为了进行图示，热交换管道被设置成在平面PA、PB、PC、PD之每一平面内的每层一排。但是，这些管道通常被设置成每层多排。

一个中间节气阀331被设置在从第一平面PA到下一平面PB的过渡位置处。一个中间节气阀332(未示出)被设置在从平面PB到平面PC的过渡位置处。一个中间节气阀333被设置在从平面PC到平面PD的过渡位置处。虽然有一个节气阀被设置在从一个平面到下一平面的过渡位置处，但是平面PA内的管道排可以被设置在多层中。在这种配置中，一个中间节气阀被设置在从每一层到下一层的过渡位置处。在一个中间节气阀之前和之后的平面分别被称作第一和第二平面。

如图10(a)和10(b)中所示热交换器之每一个都具有在八排四层中的管道，根据处理空气的量，它们可以相互平行排布，或者相对于高温处理空气和低温处理空气的流动方向相互串联。

例如，在图7中所示出的莫利尔图中，即使制冷剂被反复汽化和冷凝而达到处于饱和液体曲线之外的过冷区域，所述循环仍是有效的。但是，考虑到在处理空气流之间的热交换，制冷剂最好在湿润区域内改变其物相。因此，利用在图10(a)和10(b)中所示出的热交换器，被连接在节气阀330上的第一汽化区域的热传递面积最好应该大于后续汽化区域的热传递面积。另外，由于流入到节气阀250的制冷剂最好在饱和或者过冷区域内，被连接在节气阀250上的冷凝区域的热传递面积最好应该大于前一冷凝区域的热传递面积。

在上述的实施例中，利用同一种制冷剂来作为热传递媒介，其在汽化器中用于将处理空气冷却至等于或者低于其露点的温度、在预冷却器中用于对处理空气进行预冷却、及在回热器中用于对处理空气进行二次加热。因此，该制冷系统被简化。由于可以利用在汽化器与冷凝器之间的压力差，制冷剂进行正向循环。由于具有物相变化的沸腾现象被应用于热交换，其用于对处理空气进行预冷却和二次加热，因此可以获得很高的效率。

根据上述实施例的减湿设备已被描述为用于对一个空间进行空气调节的减湿空调设备。但是，根据本发明的减湿设备不仅可以适用于空调空间，而且可以适用于其它需要被减湿的空间。工业实用性

如上所述，根据本发明，提供一种热泵，该热泵包括有热交换装置，用于在一个中间压力下对制冷剂进行汽化和冷凝，其中所述中间压力处于冷凝器的冷凝压力与汽化器的汽化压力之间，用以通过在该中间压力下汽化所述制冷剂来对低温热源流体进行冷却，通过在该中间压力下冷凝所述制冷剂来对低温热源流体进行加热。因此，低温热源流体被依次连续地由热交换装置进行冷却、由汽化器进行冷却、及由热交换装置进行加热。因此，低温热源流体可以在于汽化器中进行冷却之前由热交换装置进行预冷却，并且在该预冷却过程中去除的热量可以从已经由汽化器冷却后的低温热源流体中回收。因此，可以提供一种具有较高性能系数的热泵。

当处理空气被用作低温热源，并且由汽化器将其冷却至等于或者低于其露点的温度时，可以提供一种减湿设备，该减湿设备每单位水分去除量消耗少量的能量。

Claims (5)

1.一种热泵，包括有：

一个增压器，用于提高制冷剂的压力；

一个冷凝器，用于冷凝所述制冷剂来加热一种高温热源流体；

一个汽化器，用于汽化所述制冷剂来冷却一种低温热源流体；以及

热交换装置，该热交换装置被设置在连接所述冷凝器与所述汽化器的制冷剂流动通道中，用于在一个中间压力下对所述制冷剂进行汽化和冷凝，该中间压力处于所述冷凝器的冷凝压力与所述汽化器的汽化压力之间，以通过在所述中间压力下汽化所述制冷剂来冷却所述低温热源流体，并且通过在所述中间压力下冷凝所述制冷剂来加热所述低温热源流体；

其中，所述低温热源流体被依次连续地由所述热交换装置进行冷却、由所述汽化器进行冷却、及由所述热交换装置进行加热。

2.根据权利要求1所述的热泵，其中，所述中间压力至少包括有一个第一中间压力和一个低于该第一中间压力的第二中间压力，所述热交换装置依次通过在所述第一中间压力下汽化所述制冷剂和通过在所述第二中间压力下汽化所述制冷剂、来连续地对所述低温热源流体进行冷却，所述热交换装置依次通过在所述第二中间压力下冷凝所述制冷剂和通过在所述第一中间压力下冷凝所述制冷剂、来连续地对所述低温热源流体进行加热。

3.一种减湿设备，包括有：

一个增压器，用于提高制冷剂的压力；

一个冷凝器，用于冷凝所述制冷剂来加热一种高温热源流体；

一个汽化器，用于汽化所述制冷剂来将处理空气冷却至等于或者低于其露点的温度；

热交换装置，该热交换装置被设置在连接所述冷凝器与所述汽化器的一个制冷剂流动路径上，用于在一个中间压力下对该制冷剂进行汽化和冷凝，其中该中间压力处于所述冷凝器的冷凝压力与所述汽化器的汽化压力之间，用以通过在所述中间压力下汽化所述制冷剂来冷却所述处理空气，并且通过在所述中间压力下冷凝所述制冷剂来加热所述处理空气；以及

一个处理空气流动路径，该流动路径连接所述热交换装置与所述汽化器，以使得所述处理空气被依次连续地由所述热交换装置进行冷却、由所述汽化器进行冷却、及由所述热交换装置进行加热。

4.一种减湿设备，包括有：

一个增压器，用于提高制冷剂的压力；

一个冷凝器，用于冷凝所述制冷剂；

一个汽化器，用于汽化所述制冷剂，以将处理空气冷却至等于或者低于其露点的温度；以及

热交换装置，用于在冷却所述处理空气的所述汽化器之上游侧对所述处理空气进行预冷却，并且用于在冷却所述处理空气的所述汽化器之下游侧对所述处理空气进行二次加热；

其中，该制冷剂在被导入到所述汽化器之前，被供送至所述热交换装置中。

5.根据权利要求3或4所述的减湿设备，还包括有一条旁通流动路径，用于将由所述冷凝器冷凝后的制冷剂输送至所述汽化器，所述旁通流动路径对所述热交换装置起分路作用。

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