具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组论文和设计-袁成利

全文摘要

本公开提供了一种具有太阳能‑空气源直膨式蒸发器的热泵机组，本实用新型属于新能源利用技术领域，包括设置有压缩机、冷凝器和蒸发器并充有工质的热泵循环管路，其特征在于：所述蒸发器中设有蒸发管，蒸发管的内管壁和外管壁上分别设有齿纹和翅片，齿纹包括贯穿蒸发管两端并交替设置的凸齿部和凹槽部；翅片表面设置具有拉丝沟的太阳能吸热面；所述蒸发管之间平行设置并且串联成蒸发管组；所述蒸发管组并联在蒸发器的两端。本公开提供的技术方案相比其他太阳能直膨式热泵机组具有较高的能效。

主设计要求

1.一种具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，包括设置有压缩机、冷凝器和蒸发器并充有工质的热泵循环管路，其特征在于：所述蒸发器中设有蒸发管，蒸发管的内管壁和外管壁上分别设有齿纹和翅片，齿纹包括贯穿蒸发管两端并交替设置的凸齿部和凹槽部；翅片表面设置具有拉丝沟的太阳能吸热面；所述蒸发管之间平行设置并且串联成蒸发管组；所述蒸发管组并联在蒸发器的两端。

设计方案

2.根据权利要求1所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：翅片与蒸发管的中轴平行，拉丝沟的沟底倒为圆角。

3.根据权利要求2所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：所述拉丝沟的沟中线间距大于沟深。

4.根据权利要求1所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：齿纹绕蒸发管的中轴螺旋设置。

5.根据权利要求1所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：所述热泵循环管路包括设有压缩机的第一管路、设有冷凝器的第二管路、设有蒸发器的第三管路和设有经济器的第四管路，其中，所述压缩机为具有附加吸气口的直流变频补气增焓压缩机，所述第一管路的出口和入口分别通过四通换向阀与第二管路和第三管路的一端连接，第二管路的另一端和第三管路的另一端之间串接第四管路和双向减压阀，第四管路中经济器的回气口通过单向阀与所述压缩机的附加吸气口连接。

6.根据权利要求5所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：第四管路中包括过滤器和电磁阀，经济器的液相出口经过过滤器后分为两路，一路与双向减压阀连接，另一路依次经过电磁阀、减压阀后与经济器的回液口连接。

7.根据权利要求5所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：所述冷凝器为连有用户循环管路的换热器，用户循环管路内充有工质，所述热泵循环管路内的工质与用户循环管路内的工质通过所述换热器实现热交换。

8.根据权利要求7所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：用户循环管路内的工质包括水。

9.根据权利要求1所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：热泵循环管路内的工质包括R22、R407C、R410A或者R290。

10.根据权利要求1至9任一项所述的具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，其特征在于：蒸发管由铝或铝合金一体成型，所述太阳能吸热面通过电泳黑化并刷有吸热漆层。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于新能源利用技术领域，特别涉及一种将太阳能与空气源热泵结合，以实现制冷、制热、供应生活热水、工业烘干、农业烘干的直接膨胀式太阳能热泵机组。

背景技术

热泵(Heat Pump)机组或热泵系统是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置，包括设置在循环管路内的工质（也可称冷媒、制冷剂）以及设置在循环管路上的压缩机、蒸发器和冷凝器，工质在设置于低温热源的蒸发器内气化吸热后，经过压缩机加压，最后在设置于高温热源的冷凝器内液化放热，再回到蒸发器，从而完成整个热泵循环。低温热源可以是空气、河水、海水，城市污水，地表水，地下水，中水太阳能、土壤等任何导热介质。

空气源热泵机组是以空气作为低温热源的热泵机组，当室外温度较低或湿度较大时，空气源热泵蒸发器部分易结霜，影响系统效率。太阳能热泵机组是指利用太阳能作为热源的热泵机组。由于利用太阳辐照作为热源可以有效提高系统的蒸发温度，因此太阳能热泵机组可以克服普通空气源热泵机组在低环境温度条件下运行效果差的问题。根据蒸发器与太阳能集热器的结合方式，太阳能热泵系统可以分为间接膨胀式太阳能热泵系统和直接膨胀式太阳能热泵系统（直膨式）。现有技术中，间接膨胀式太阳能热泵系统蒸发器与太阳能集热器分开设置，换热性能差、结构复杂，而直接膨胀式太阳能热泵系统性能受辐照条件影响较大，在低辐照和无辐照条件下运行效率低。

经济器是一种特殊的换热器，具有液相入口、液相出口、回液口和回气口，基本原理是将流出液相出口的部分工质减压后从回液口重新进入经济器，并在经济器内被从液相入口进入的工质加热气化后从回气口排出气相工质，从而实现了对液相入口进入的工质的冷却。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种可以在复杂环境下稳定运行的太阳能-空气源复合直膨式热泵机组，同时，相比其他太阳能直膨式热泵机组具有较高的能效。

本实用新型提供的技术方案是，

一种具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，包括设置有压缩机、冷凝器和蒸发器并充有工质的热泵循环管路，所述蒸发器中设有蒸发管，蒸发管的内管壁和外管壁上分别设有齿纹和翅片，齿纹包括贯穿蒸发管两端并交替设置的凸齿部和凹槽部；翅片表面设置具有拉丝沟的太阳能吸热面；所述蒸发管之间平行设置并且串联成蒸发管组；所述蒸发管组并联在蒸发器的两端。

上述技术方案进一步的改进在于：翅片与蒸发管的中轴平行，拉丝沟的沟底倒为圆角。

上述技术方案进一步的改进在于：所述拉丝沟的沟中线间距大于沟深。

上述技术方案的一个实施例中，优选的，齿纹绕蒸发管的中轴螺旋设置。

上述技术方案的一个实施例中，优选的，热泵循环管路包括设有压缩机的第一管路、设有冷凝器的第二管路、设有蒸发器的第三管路和设有经济器的第四管路，其中，所述压缩机为具有附加吸气口的直流变频补气增焓压缩机，所述第一管路的出口和入口分别通过四通换向阀与第二管路和第三管路的一端连接，第二管路的另一端和第三管路的另一端之间串接第四管路和双向减压阀，第四管路中经济器的回气口通过单向阀与所述压缩机的附加吸气口连接。

上述实施例的进一步改进在于：第四管路中包括过滤器和电磁阀，经济器的液相出口经过过滤器后分为两路，一路与双向减压阀连接，另一路依次经过电磁阀、减压阀后与经济器的回液口连接。

上述实施例的进一步改进还在于：所述冷凝器为连有用户循环管路的换热器，用户循环管路内充有工质，所述热泵循环管路内的工质与用户循环管路内的工质通过所述换热器实现热交换。

优选的，用户循环管路内的工质包括水。

优选的，热泵循环管路内的工质包括R22、R407C、R410A或者R290的任一种。

上述各技术方案进一步的改进在于，蒸发管由铝或铝合金一体成型，所述太阳能吸热面通过电泳黑化并刷有吸热漆层。

本实用新型的一个方面带来的有益效果是：压缩机采用直流变频补气增焓压缩机，相比于普通压缩机更加节能高效，提高了能效比，实现了-25℃～29℃内连续制热运转，增大了压缩机在严寒条件下的制热能力；采用直流变频技术，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗的作用。直流变频补气增焓压缩机在本实用新型中至少可以解决以下问题：1、当太阳光照比较强烈的时候，可以精准打开增焓的适可流量，结合变频技术，降低压缩机输入功率和排气温度，但同时又增加了压缩机的排气量，从而实现了压缩机功率下降，效能上升，COP也随之上升；2、在低环境温度又没有光的情况下，根据适配量打开喷焓，通过压缩机升频，提升排气量，同时工质经过经济器二次过冷，降低冷媒进入蒸发器之前的温度，提高高压压力，增加蒸发能力，达到低温补气增焓的效果，也提高了热泵低温制热的稳定性。

本实用新型的一个方面带来的有益效果是：蒸发管设有利于蒸发的机构同时也设有太阳能吸热面，将蒸发器和太阳能集热器合二为一，减少了换热设备，在该结构下，通过选用合适的制冷剂作为热泵循环管路的吸热工质，与一般太阳能热水系统中以防冻液作为吸收工质相比，更能防止太阳能集热器在严寒环境下结冰胀裂管道。

本实用新型的一个方面带来的有益效果是：在蒸发器中设有具有翅片的蒸发管，蒸发器同时具有太阳能集热板的集热功能，翅片材质为铝或铝合金，其导热快，质地轻、加工工艺简单；而使用电泳工艺使太阳能吸热面的抗冲击力强，不易脱落老化，表面光滑，比氧化铝材形成的表面有更强的耐磨性、耐候性、耐碱性，适于户外安装。

本实用新型的一个方面带来的有益效果是：传统空气源热泵只能与单一的空气能源进行换热，不能更充分的利用各种自然资源来增强换热效果。本实用新型提供的蒸发管可以充分吸收太阳能、空气及周围环境的能量来增强换热效果。提高了太阳能直膨式热泵系统的稳定性。

本实用新型的一个方面带来的有益效果是：翅片表面拉丝沟纹有效的增加了光的吸收面积和空气的对流换热面积；改变翅片管置于阳光下的安装方式和角度，使其更好的接受太阳辐射，同时增强蒸发管间的自然空气对流；同时翅片表面拉丝沟纹在化霜过程中能够有效的减少凝结液的聚集，加速凝结液的排泄，减少凝结换热热阻缩短化霜时间，有效的提升了整个系统的吸热能力；蒸发管分组设置，将低温冷媒液态精确等分分流，可以降低喷射阻力，提高蒸发能力，从而达到更好的吸热效果；设有蒸发管的蒸发器具有太阳能集热器的功能，蒸发器表面吸收太阳能及空气能热量后，其表面温度升高，表面结霜会自然融化，无需停机专门化霜，提高系统运行的稳定性。同时在霜融化的过程中，还起到了清洁集热器表面的作用。

本实用新型的一个方面带来的有益效果是：表面电泳处理的蒸发管与空气自然对流换热，沟槽拉丝等构造破坏换热过程中边界层的产生和发展，降低换热热阻，表面电泳处理后相对光滑，使得表面自然对流换热边界层更薄，从而增加了蒸发管的换热性能，提高了热泵系统的能效比。同时蒸发器表面不易产生脏堵现象。也增强了热泵机组的稳定性和使用寿命。

本实用新型的一个方面带来的有益效果是：一般太阳能集热系统中的太阳能集热器为板式或真空管式，还有玻璃等部件，需要额外保护，本实用新型提供的蒸发管结构简单、不含玻璃部件，更易于与建筑物构件屋顶、栏杆、墙体相结合，减小了占地面积，不影响建筑物的美观性，实现了太阳能-空气源复合直膨式热泵机组与建筑一体化的构想。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的系统结构框图；

图2为本实用新型一个实施例中蒸发器的结构示意图；

图3为图2中蒸发器的左视示意图；

图4为图2中蒸发管的结构示意图

图5为图4中A处的局部放大示意图；

图6为图4中B-B剖面示意图；

图7为本实用新型一个实施例的系统结构框图；

图8为图7实施例的具体管路连接图；

图9为图7实施例的运行原理示意图；

图10为本实用新型一个实施例中蒸发管的结构示意图；

其中，10、压缩泵，20、气液分离器，30，四通换向阀，40、冷凝器，50、经济器，60、蒸发器，61、蒸发管，71、双向膨胀阀，72、膨胀阀，73、单向阀，74、电磁阀，80，过滤器；

611、翅片，612、齿纹，613、凸齿部，614、凹槽部，615、太阳能吸热面，616、拉丝沟；

901、第一管路，902、第二管路，903、第三管路，904、第四管路，905、用户循环管路，910、第一热源，920、第二热源。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先应当说明的是，能效比或者循环性能系数（Coefficient Of Performance，COP），是传热学中能量与热量之间的转换比率，其物理含义为：在冬季供热时，制热量（W）与输入功率（W）的比率定义为热泵机组的能效比；在夏季制冷时，制冷量（W或Btu\/h）与输入功率（W）的比率定义为热泵机组的能效比。现有技术中直接膨胀式太阳能热泵系统并不能在较低的环境温度下稳定、长期的运行，当环境温度难以实现工质的快速蒸发时，将使热泵机组中的压缩机超载运行，单纯通过改变循环管路中各部件的性能将会大幅提高生产和使用成本，这也是其在北方年均温度较低地区难以推广的原因。本实用新型解决的主要问题是在环境低温时，通过较低成本保证热泵循环管路中工质的气、液两相循环，实现热泵机组长期、稳定运行。本实用新型解决的另一个问题是，如何将补气增焓压缩机用于直接膨胀式太阳能热泵系统，(目前没有相关企业将此项技术应用在太阳能热泵上)1，当太阳光照比较强烈的时候，可以精准打开增焓的适可流量，结合变频技术，降低压机输入功率和排气温度，但同时又增加了压缩机的排气量，从而实现了功率下降，能力上升，COP随之上升。2，在低环境温度又没有光的情况下，必然适配量打开喷焓，通过压缩机升频，提升排气量，经济器二次过冷，降低主阀冷媒进入之前的温度，提高高压压力，增加蒸发能力，达到低温补气增焓的效果，也提高了热泵低温制热的稳定性，常规技术方案中不会将其应用于直接膨胀式太阳能热泵系统。

实施例一

如图1所示本实用新型的一个热泵机组的实施例，该热泵机组的热泵循环管路包括设有压缩机的第一管路901、设有冷凝器的第二管路902、设有蒸发器的第三管路903和设有经济器的第四管路904，其中，第一管路901中的压缩机为具有附加吸气口的直流变频补气增焓压缩机，第一管路901的出口和入口分别通过四通换向阀30与第二管路902和第三管路903的一端连接，第二管路902的另一端和第三管路903的另一端之间串接第四管路904和双向减压阀71，第四管路904中经济器的回气口通过单向阀73与第一管路901中的压缩机的附加吸气口连接。第三管路903的蒸发器中使用了本实用新型提供的蒸发管。热泵循环管路中充有工质R22、R407C、R410A或者R290，可以在第一热源910和第二热源920之间实现逆卡诺循环。本实施例可以实现的一个功能是：通过四通换向阀30可以切换工质在热泵循环管路中的运动方向，当工质从第二管路902经过双向膨胀阀71流向第三管路903时，可以把第二热源920的热能泵至第一热源910处，当工质从第三管路903经过双向膨胀阀71流向第二管路902时，可以把第一热源910的热能泵至第二热源920处。

本实施例第三管路903中包括如图2、图3所示的蒸发器60，包括左上、右上、左下，右下四个蒸发管组，每个蒸发管组由10个首尾连接的蒸发管61串接而成。在连接时可以每个蒸发管组的一端并联成蒸发器的一端，每个蒸发管组的另一端并联成蒸发器60的另一端，从而实现工质在进入蒸发器60时，可以分四路分别通过四个蒸发管组，然后在蒸发器60的另一端重新汇合。蒸发管61两侧各有一个翅片611，翅片611与蒸发管组的安装平面平行。

本实施例的蒸发管611由纯铝一体成型，如图4所示，蒸发管61主体为圆管，在蒸发管61的管壁外对称固定有两片翅片611，在蒸发管61的管壁内相对设有两条齿纹，每条齿纹包括三个凸齿部613和两个凹槽部614，凸齿部613和凹槽部614交替设置，其中凸齿部613顶面高于内管壁，凹槽部614的底面低于内管壁。图5是图4中A处局部放大示意图，如其所示翅片611的上下表面设有太阳能吸热面615，太阳能吸热面615具有密布的拉丝沟616并且在拉丝处理后再均匀经过电泳黑化最后外部附着吸热漆，使其具有一定的耐腐耐磨能力，并且表面光滑疏水性好具有一定的自净能力。拉丝沟616底部通过倒圆角到为圆弧形，拉丝沟的沟宽或者沟中线间距大于沟深，使得沟内难以积累细小颗粒，微观上保证太阳能吸热面615的迎光面不受细小颗粒遮挡，太阳能吸热面615最外层是吸热漆层，能够最大限度的吸收太阳辐射能，中间是电泳渗透黑化层，内部是未被电泳渗透的铝料基底。图6是图4中蒸发管61从B处的剖面，其中齿纹612围绕蒸发管61的中轴螺旋设置并贯通整根蒸发管61，同时齿纹612中细长的凸齿部613和凸齿部613之间细长的凹槽部614也沿内管壁盘旋贯通蒸发管61，增加了制冷剂和蒸发器的换热面积，并且凸齿部613和凹槽部614起导流作用，当工质经过齿纹612时形成局部的湍流，增加对流换热边界层内的扰动，提高换热效果，促进工质在湍流局部的蒸发。

由于在本实施例的蒸发器60中使用了上述蒸发管61，当第一热源910的温度远低于第二热源920时，提高了工质在蒸发器60内的蒸发率，使得热泵机组可以将第一热源910的热能泵入第二热源920，将热泵机组的低温热源是包含太阳能、空气、雨水等复杂环境因素的混合热源时，其COP提高到具备利用价值。

实施例二

如图7、图8，图9所示，本实施例是一种具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组，与实施例一的区别在于：具有用户循环管路905，用户循环管路905充有水作为第二工质与第二循环管路902中的冷凝器40与热泵循环管路的第一工质交换热能，本实施例中冷凝器40具体的为水侧换热器；第一管路901中的压缩机10具体的为直流变频双转子补气增焓压缩机，具有吸气口、附加吸气口和排气口；第一管路901中还包括气液分离器20，气液分离器20的气体出口与压缩机10的吸气口连接，压缩机10的排气口与四通换向阀30的恒入口D连接，四通换向阀30的恒出口S与气液分离器20的入口连接，四通换向阀30的可变流向接口C与水侧换热器中第一工质管路的一端连接，水侧换热器中第一工质管路的另一端与经济器50的液相入口连接；经济器50的液相出口通过过滤器80后分为两路管路，一路通过双向膨胀阀71后与蒸发器60的一端连接，另一路依次通过电磁阀74和膨胀阀72后连接到经济器的回液口；经济器50的回气口通过单向阀73与压缩机的附加吸气口连接；蒸发器60的另一端与四通换向阀的可变流向接口E连接；水侧换热器的两个第二工质连接端与用户循环管路905连接，通过对水侧换热器中第一工质温度的调节控制用户循环管路905中第二工质的温度；双向膨胀阀71具体的为电子双向膨胀阀，四通换向阀30为电子四通换向滑阀，可以通过自动化系统配合对电磁阀74和压缩机10的变频调节实现整个热泵机组的运行控制。

本实施例中通过对蒸发管61的功率匹配，设置蒸发管61的翅片为三片。

本实施例的工作状态包括制冷运行模式和制热运行模式，但本实施例主要应用于制热。

本实施例的制热运行模式如下：该运行模式下，第一工质的低温低压蒸气由气液分离器20吸入压缩机10，在压缩机10内压缩成为高温高压的气体，经四通换向阀30的S方向处进入水侧换热器，即冷凝器40后，和第二工质进行换热供给用户循环管路905高温热水，第一工质在水侧换热器内冷凝成为中温高压液体。中温高压液态第一工质在进入经济器50和过滤器80后分为两部分，一部分（主路部分）通过双向膨胀阀71气化，降温降压后进入太阳能集热器，即蒸发器60吸收太阳能和空气的热量，然后经四通换向阀30的E导向和气液分离器2 0回到压缩机10，而另一部分（辅路部分即补气增焓部分）第一工质通过经济器50后通过电磁阀74（在制热模式下，电磁阀74为打开状态）然后压力较高的液态第一工质通过电磁阀74后由膨胀阀72气化降温降压，再进入经济器5与主路制冷剂换热增温（可以进一步降低主路制冷剂的温度，并且使经过膨胀阀72但未完全气化的第一工质进一步气化），然后通过与压缩机10的附加吸气口连通管道，重新进入压缩机10继续压缩，进入下一个循环。第一工质在水侧换热器40处放热冷凝加热用户循环管路905的第二工质，经过用户循环管路905的采暖末端放热加热用户室内空气或其他设备，达到制热目的。

本实施例的制冷运行模式如下：该运行模式下，低温低压第一工质蒸气由气液分离器20吸入压缩机10，在压缩机10内压缩成为高温高压的气体，经四通换向阀30的E导向进入太阳能集热器后，第一工质向室外太阳能和空气释放热量，并冷凝成为中温高压液体。来自太阳能集热器的高压液态第一工质经过双向膨胀阀71气化，降温降压后进入经济器50（由于制冷模式下电磁阀74处于关闭状态，辅路不通），再进水侧换热器吸热，然后经四通换向阀30的S导向和气液分离器20回到压缩机10。制冷剂在水侧换热器4处吸热蒸发冷却用户循环管路905中制冷系统的水，经过用户循环管路905制冷末端吸热，冷却房间用户室内空气，达到制冷目的。

实施例三

实施例三是一种热泵机组，实施例三与实施例一及实施例二的区别在于：使用了一种内齿纹星型翅片蒸发管61，如图10所示，蒸发管61的内部管壁被细长的凸齿部613和凹槽部614组成的齿纹完全覆盖，齿纹围绕蒸发管61中轴螺旋并旋转对称，齿纹的螺旋角大于30度；同时，蒸发管61的翅片611也围绕蒸发管61的中轴呈对称的星型设置；其中，蒸发管外径17mm，内径12mm；凸齿部高1mm，凹槽部与蒸发管内壁高度差为零；翅片611厚1.63mm，宽30mm，长度与蒸发管61等长；翅片611上的拉丝沟深0.25mm，底部倒角半径0.2mm，相邻拉丝沟的沟中线距离大于0.6。

设计图

具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组论文和设计

具有太阳能-空气源直膨式蒸发器的热泵机组论文和设计-袁成利

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢