帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO₂熱泵空調系統的制作方法

專利名稱：帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO₂熱泵空調系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種跨臨界(X)2熱泵空調，尤其是一種采用自限溫電熱帶的跨臨界(X)2 熱泵空調系統。
背景技術：
自限溫電熱帶的核心發熱元件是具有正溫度系數(PTC)特性的高分子自控導電塑料，其由塑料加導電碳粒構成，當給平行母線通電時，碳粒就在兩條平行母線間形成回路。在伴熱線內，兩條平行母線之間的電流隨溫度而變化。當伴熱線周圍的溫度下降時，導電塑料產生多段分子的收縮而使碳粒連接形成電路，其內電流使伴熱線發熱。當溫度升高時，導電塑料產生微分子的膨脹，碳粒逐漸分開而使電路中斷，電阻上升，伴熱線就會自動減少功率輸出。自限溫電電熱帶在各個區段能即時調整功率，自動跟蹤按需供熱，使管溫處處、時時均勻同步，無過熱點也無過低點。此外，自限溫電熱帶的特點是在低溫時輸出功率最大(一般產品的標稱功率為幾十到上百瓦)，而當穩態(在維持溫度點)時，其功率輸出接近于零。
自限溫電熱帶廣泛用于石油、化工、機械、航空、航天、軍工、電力、食品(保鮮設備、生物發酵)、船舶、建筑(地熱)、醫藥(制藥和保健品)。海上平臺、鐵路機車、消防城建、涂料業、紙漿及紙制品、公用事業設備等領域外。在近年新興的太陽能領域中起到冬季防止凍堵保證太陽能一年四季正常使用。
挪威NTNU—SINTEF實驗室關于二氧化碳熱泵熱水器試驗表明在供熱量一定的情況下，系統的制熱系數(氣體冷卻器散熱量與壓縮機的輸入功之比)隨蒸發溫度的上升而提高。蒸發溫度不宜過低，當蒸發溫度為0°c，熱水從60°C上升到80°C時，制熱COP相應從 4. 3降至3. 6。此外，在蒸發溫度一定的情況下，隨著供熱溫度需求的升高，制熱系數下降。
因此，需要將節能環保的自限溫電熱帶應用于跨臨界CO2熱泵循環中，同時將其用于儲水箱的保溫中，用于能夠改善跨臨界(X)2熱泵循環的整體性能，提高系統的制熱系數。發明內容
本發明是要提供一種帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO2熱泵空調系統，將自限溫電熱帶應用于跨臨界二氧化碳熱泵空調系統中，從而提高系統性能，節約能源，節省空間，使之成為集熱泵空調、熱水器于一體的環保節能、結構緊湊的跨臨界(X)2熱泵空調系統。
為實現上述目的，本發明的技術方案是一種帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO2熱泵空調系統，由跨臨界(X)2熱泵循環系統、冬季熱水循環回路和夏季熱水循環回路組成，其特點是跨臨界CO2熱泵循環系統包括(X)2壓縮機、第一，二四通閥、室內換熱器、節流閥、室外換熱器、儲液器，CO2壓縮機經第一四通閥后連接室內換熱器或夏季連接室外換熱器，第二四通閥，節流閥，室外換熱器或夏季連接室內換熱器，儲液器形成循環回路；冬季熱水循環回路和夏季熱水循環回路包括室，內外換熱器，第一，二三通閥，截止閥、水泵、貯水箱，冬季貯水箱中的水經水泵、截止閥、第一三通閥、室內換熱器、第二三通閥流回水箱，形成一個加熱水循環回路，貯水箱另一側則分別補給冷水及向用戶提供所需供暖、生活熱水；夏季貯水箱中的水經水泵、截止閥、第一三通閥、室外換熱器、第二三通閥流回水箱，形成一個加熱水循環回路，貯水箱另一側則分別補給冷水及向用戶提供所需的生活熱水。
貯水箱的箱體外側敷設自限溫電熱帶。室外換熱器的進水管外部敷設自限溫電熱帶。貯水箱和室外換熱器內分別設有溫度傳感器的感應觸頭，溫度傳感器信號輸出端經溫控器連接自限溫電熱帶。
本發明的有益效果是；本發明采用自限溫電熱帶應用在系統的兩個部分，一部分是將電熱帶敷設在貯水箱的外部，另一部則是將電熱帶敷設在室外換熱器的水循環進水管管路外側。
室外換熱器(冬季為蒸發器)冷凍水管外側的自限溫電熱帶，使跨臨界(X)2熱泵系統冬季運行時冷凍水保持蒸發所需的溫度，保證系統運行的高效；冬季室外惡劣工況下可以防止蒸發器循環水的冰凍。在室外換熱器冷凍水外側敷設自限溫電熱帶，一方面使蒸發溫度維持在最佳狀態，防止制熱系數的下降，另一方面也使系統可以滿足用戶較高的溫度要求，而不至效率下降，從整體上提高了系統的運行效率。此外，寒冷地區冬季室外溫度低于o°c，水的冰點為o°c，在室外換熱器冷凍水管外側敷設自限溫電熱帶，防止了冷凍水的結冰現象，保證了此系統在冬季嚴寒地區也能夠正常使用。
貯水箱外側的電熱帶使生活熱水一年四季可以達到即開即用的效果，同時冬季在房間負荷變化時隨時補充房間所需循環熱水。電熱帶減少循環管路的熱損失，節約維持熱水系統正常運轉所需能源，選用合理的控制器，可節約高達50%的能源。
因此，本發明將節能環保的自限溫電熱帶應用于跨臨界CO2熱泵循環中，同時將其用于儲水箱的保溫中，能夠改善跨臨界CO2熱泵循環的整體性能，提高系統的制熱系數。此外，增設的保溫水箱和自限溫電熱帶的特性，可以大大節省了生活熱水所耗費的電能。因此，帶有自限溫電熱帶的跨臨界(X)2熱泵空調系統能夠實現夏季制冷、冬季供暖和全年供應熱水的功能，是一個結構緊湊、環保、節能、高效的系統。


圖1是本發明的系統結構原理圖； 圖2是室外換熱器結構示意圖；圖3是貯水箱結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，本發明的帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO2熱泵空調系統由冬季水循環，夏季水循環和跨臨界(X)2熱泵循環三個獨立的循環管路組成。
夏季水循環管路由室外換熱器6，第一，二三通閥8，12，截止閥9、水泵10、貯水箱 11組成。截止閥9開啟，儲存在貯水箱11的冷水經水泵10，由三通閥8的ac端流出，冷水流經室外換熱器6 (夏季為氣冷器)吸收氣冷器放出的熱量，流經第一三通閥12的ac端， 熱水流入并儲存在貯水箱11中，根據用戶需求向用戶提供生活熱水，貯水箱11下層冷水則流經第一三通閥8的ac端，在室外換熱器6 (夏季為氣冷器)中進行循環加熱，如此循環往Μ. ο
冬季熱水循環管路由室內換熱器3，第一，二三通閥8，12，截止閥9、水泵10、貯水箱11組成，冷水儲存在貯水箱11中，截止閥9開啟，貯水箱11中的冷水經水泵10由第一三通閥8的ab端流出，冷水流經室內換熱器3 (冬季為氣冷器)吸收熱量，流經第二三通閥12 的ab端，熱水流入并儲存在貯水箱11中，根據生活熱水和供熱需求，向用戶提供熱水，水箱下層冷水則流經第一三通閥8的ab端，在氣冷器中進行循環加熱，如此往復循環。
跨臨界(X)2熱泵循環系統由(X)2壓縮機1、第一，二四通閥2、4、室內換熱器3、節流閥5、室外換熱器6、儲液器7組成。冬季運行時，對于CO2熱泵循環系統，第一過程CO2氣體被壓縮為高溫高壓的流體，經過第一四通閥2的d、b通道，進入室內換熱器3 (冬季為氣冷器);第二過程在氣冷器內完成，(X)2被冷卻，水被加熱；被氣冷器冷卻后的(X)2流過第二四通閥4的a、c通道，第三為節流過程，CO2被節流降壓成液體，節流后的液體進入室外換熱器6 (冬季為蒸發器)；第四過程在蒸發器中完成，液態CO2吸熱蒸發。流出蒸發器的CO2經過四通閥2的a、c通道進入氣液分離器7，最后回到壓縮機1，如此往復循環。
夏季運行時，對于(X)2制冷循環系統，第一過程(X)2氣體被壓縮為高溫高壓的流體，經過第一四通閥2的d、a通道，進入室外換熱器6 (夏季為氣冷器)；在氣冷器中(X)2被冷卻，水被加熱；被氣冷器冷卻后的(X)2流過第二四通閥4的d、b通道，第二為節流過程， CO2被節流降壓成液體，節流后的液體進入室內換熱器3 (夏季為蒸發器)；第三過程在蒸發器中完成，液態(X)2吸熱蒸發。流出蒸發器的(X)2經過第一四通閥2的b、c通道進入氣液分離器7，最后回到壓縮機1，如此往復循環。
如圖2，3所示，將自限溫電熱帶應用在系統的兩個部分，一部分是將電熱帶敷設在貯水箱的外部，另一部則是將電熱帶敷設在室外換熱器的水循環管路的進水管外部。
由于自限溫電熱帶外形扁平，便于與管道接觸。根據換熱量計算得電熱帶所需長度，由所纏繞位置及纏繞面積確定其纏繞間隔，如圖2.、3所示，將自限溫電熱帶分別均勻間隔地纏繞在室外換熱器6進水管和貯水箱11的外側。室外換熱器6采用殼管式，CO2在管側流動，水則在殼側流動，在室外換熱器6的水側進水管外部均勻間隔地纏繞電熱帶，如圖2所示。自限溫電熱帶可用粘性膠帶貼緊在貯水箱11和室外換熱器6的進水管的表面， 并且采用保溫層將換熱帶和壁面包裹與外界進行隔熱處理。所需自限溫電熱帶的長度及布置，要根據所需換熱量、加熱時間及換熱器、貯水箱的具體情況進行熱力學和尺寸計算進行確定。
本發明中使用溫控器C對自限溫電熱帶進行開關的控制。將溫控器C的溫度傳感器T的感應觸頭14分別設置在室外換熱器6和貯水箱11殼體內然后與殼體一起包裹在保溫層內，溫控器C另一端則與自限電熱帶13相連，當所測溫度降低到設定溫度以下，則啟動自限電熱帶13 ；當所測溫度升高到設定溫度上限，則關閉自限電熱帶13。
權利要求
1.一種帶有自限溫電熱帶的跨臨界(X)2熱泵空調系統，由跨臨界(X)2熱泵循環系統、 冬季熱水循環回路和夏季熱水循環回路組成，其特征在于所述跨臨界(X)2熱泵循環系統包括CO2壓縮機(1)、第一，二四通閥0、4)、室內、外換熱器(3，6)、節流閥(5)、室外換熱器(6)、儲液器(7)，CO2壓縮機(1)經第一四通閥后依次連接室內換熱器C3)或夏季連接室外換熱器(6)，第二四通閥，節流閥(5)，室外換熱器(6)或夏季連接室內換熱器(3)，儲液器(7)形成循環回路；冬季熱水循環回路和夏季熱水循環回路包括室，內外換熱器(3，6)，第一，二三通閥(8，12)，截止閥(9)、水泵(10)、貯水箱(11)；冬季貯水箱(11)中的水經水泵 (10)、截止閥(9)、第一三通閥(8)、室內換熱器(3)、第二三通閥(12)流回水箱(11)，形成一個加熱水循環回路，貯水箱(11)另一側則分別補給冷水及向用戶提供所需供暖、生活熱水； 夏季貯水箱(11)中的水經水泵(10)、截止閥(9)、第一三通閥(8)、室外換熱器(6)、第二三通閥(12)流回水箱(11)，形成一個加熱水循環回路，貯水箱(11)另一側則分別補給冷水及向用戶提供所需的生活熱水。
2.根據權利要求1所述的帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO2熱泵空調系統，其特征在于 所述貯水箱(11)的箱體外側敷設自限溫電熱帶(15)。
3.根據權利要求1所述的帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO2熱泵空調系統，其特征在于 所述室外換熱器(6 )的進水管外部敷設自限溫電熱帶(15 )。
4.根據權利要求1所述的帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO2熱泵空調系統，其特征在于 所述貯水箱(11)和室外換熱器(6)內分別設有溫度傳感器(T)的感應觸頭(16)，溫度傳感器(T)信號輸出端經溫控器(C)連接自限溫電熱帶(15)。
全文摘要
本發明涉及一種帶有自限溫電熱帶的跨臨界CO2熱泵空調系統，CO2壓縮機經第一四通閥后連接室內換熱器(夏季連接室外換熱器)，第二四通閥，節流閥，室外換熱器(夏季連接室內換熱器)，儲液器形成循環回路；冬季熱水循環回路和夏季熱水循環回路包括室，內外換熱器，第一，二三通閥，截止閥、水泵、貯水箱。冬季貯水箱中的水經水泵、截止閥、第一三通閥、室內換熱器、第二三通閥流回水箱，形成一個加熱水循環回路，貯水箱另一側則分別補給冷水及向用戶提供所需供暖、生活熱水。夏季貯水箱中的水經水泵、截止閥、第一三通閥、室外換熱器、第二三通閥流回水箱，形成一個加熱水循環回路，貯水箱另一側則分別補給冷水及向用戶提供所需的生活熱水。
文檔編號F24F5/00GK102494379SQ201110408269
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者劉康, 盧慧霞, 呂靜, 周嘉偉, 張松波, 楊杰, 王金雨 申請人:上海理工大學