一種裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型制冷制熱【技術領域】，特別涉及一種裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統。在系統的工質循環回路中接入能效增大器，所述的能效增大器包括可變容積容器和改變容器容積的執行機構。本實用新型解決了現有技術存在的由于工質的平均密度固定不變，使系統難以處于最佳能效比（EER或COP）狀態下工作的問題，為空調系統提供一種新的性能調節手段，可以顯著提高空調系統的能效比，顯著改善空調系統的運行性能。
【專利說明】一種裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于制冷制熱【技術領域】，特別涉及一種裝有能效增大器的蒸汽壓縮式熱泵空調系統。
【背景技術】
[0002]蒸氣壓縮式空調系統包括空調制冷一熱泵系統、單純空調制冷系統、單純熱泵系統以及熱泵熱水器系統，其工作過程的本質是其工質從低溫介質(如室內或室外空氣)吸取熱量后，經壓縮機壓縮提高溫度后向高溫介質(如室外或室內空氣)放出熱量。為取得最經濟高效的運行效果，其工質的冷凝溫度應比高溫介質的溫度高出一個最小的合理溫差Δ Tk,而工質的蒸發溫度應比低溫介質的溫度低一個最小合理溫差Λ Te。
[0003]在設計工況下，上述的要求基本可以得到遵守，此時系統達到最佳能效比和工作能力。但在實際運行過程中往往不能到達上述理想要求。
[0004]現有的空調制冷一熱泵系統為應對工況的變動，主要有如下兩種性能調節手段:
[0005]I)變頻調節:變頻調節主要是通過改變壓縮機的轉速達到改變工質的流量和壓縮機功耗的目的。這樣在氣溫不太高的情況下，可以通過適當降低壓縮機轉速而達到節能的目的。
[0006]2)膨脹閥調節:包括熱力膨脹閥和電子膨脹閥等。其調節原理是通過改變膨脹閥的節流面積達到改變工質流量和膨脹比的目的。
[0007]上述兩種調節方式均無法改變系統中的工質的平均密度，或者說工質的充裝量。理論和實驗均證實，每一工況下都存在一個工質最佳充裝量，在該最佳充裝量下，系統達到最佳工作狀態，具有最佳能效比。當系統偏離了設計工況時，上述兩種調節方式均無法改變工質的平均密度，因此系統就難以處于最佳能效比(EER或C0P)狀態下工作。
[0008]當機組在空調制冷和熱泵工況之間切換時，上述的問題就特別突出。如在夏天制冷工況時，其外部環境溫度區間為27°C (室內)至35°C (室外);在冬天熱泵工況時，其外部溫度區間則為20°C (室內)至2°C (室外)。在上述溫度條件下，夏天制冷時，合理的工質冷凝溫度設為50°C，蒸發溫度為12°C ;冬天制熱時，工質的冷凝溫度應降為35°C，蒸發溫度應降為一 8°C。顯然，這兩個工況下，工質的工作溫度相差了 15°C。由于在不同的溫度下，氣態工質具有不同的密度，15°C之差氣態工質的密度差別將達50%以上。也就是說，制冷和熱泵工況下，系統中的最佳工質充裝量將有相當大的差別。顯然，傳統的熱泵空調系統難以適應這種情況，其工質的充裝量若照顧了制冷工況，則熱泵工況工質充裝量將大大過量。為減小這種差距，傳統的熱泵空調系統在設計時有意縮小室內換熱器的面積，增大室內換熱溫差。這樣，夏天制冷時的工質設計蒸發溫度將從12°C降低至5°C;而冬天制熱時的冷凝溫度將從35°C提高至43°C。此時冬、夏兩個工況下工質的工作溫度的差值將減小到10°C左右，最佳工質充裝量的差別得以縮小，但代價是設計能效比也降低了，設計能效比將從4下降到3左右。
[0009]即使在單純的制冷工況或熱泵工況下運行時，傳統空調系統的大部分時間也是偏離設計工況的，當空調剛啟動時，室內的溫度是緩慢下降的，而當室內溫度穩定后，室外的溫度又可能隨時間而變，傳統的空調的工質充裝量無法對此進行精確調節，這意味著傳統的空調系統大多數時間的工質充裝量不處于最佳狀態。
實用新型內容
[0010]針對現有技術存在的由于工質的平均密度固定不變，使系統難以處于最佳能效比(EER或C0P)狀態下工作的問題，本實用新型提出蒸氣壓縮式空調系統工質側容積連續可調的技術方案，使系統中工質平均密度由固定不變狀態變為可調節狀態。工質側容積的變動意味著工質的平均密度發生了變動，當循環工質的平均密度增大時，如果其他條件不變，則工質循環的冷凝溫度和蒸發溫度都升高，反之亦然。這就為空調系統的運行提供了一種新的調節手段，從而有效提聞空調系統的能效比。
[0011]本實用新型所要解決的技術問題是通過如下技術方案實現的:
[0012]一種裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器和依次連接上述各機構的管道組成的工質循環回路，在所述的工質循環回路中接入能效增大器，所述的能效增大器包括可變容積容器和改變容器容積的執行機構。
[0013]進一步地，系統還包括四通閥，當在所述的工質循環回路中接入四通閥時，切換四通閥可使該循環回路按空調制冷或熱泵方式運行。
[0014]所述的冷凝器還通過管道與水箱和循環泵連接成水加熱循環回路。
[0015]更好地，所述的可變容積容器與工質循環回路的連接位置設置在壓縮機出口的循環管道處。
[0016]具體地，所述的可變容積容器為可伸縮變形的波紋管，所述波紋管的兩端分別由底板封閉，所述波紋管的后端底板通過連接管與工質循環回路管道連接，所述波紋管的前端底板與所述的執行機構連接。所述的執行機構由螺母絲杠運動副構成，螺母的外圓為蝸輪，與蝸輪相配的蝸桿通過電動機驅動，所述的絲杠的一端與所述波紋管的前端底板固定連接。
[0017]本實用新型的裝有能效增大器的熱泵空調系統可以顯著提高系統的能效比，使工況能效比可以達到4左右，而且其季節能效比還能超過設計工況能效比，顯著改善空調系統的運行性能。
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為實施例1一單純空調制冷系統的示意圖；
[0020]圖2為實施例2—單純熱泵系統的示意圖；
[0021]圖3為實施例3—熱泵熱水器系統的示意圖；
[0022]圖4為實施例4一空調制冷一熱泵系統的示意圖；
[0023]圖5為能效增大器實施例示意圖；
[0024]圖6為裝有能效增大器的系統的循環溫熵圖。
【具體實施方式】[0025]圖1為實施例1一單純空調制冷系統的示意圖，包括壓縮機1、冷凝器(室外機)3、膨脹閥4、蒸發器(室內機)5和依次連接上述各機構的管道組成的工質循環回路。在所述的工質循環回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可變容積容器61和改變容器容積的執行機構62組成。作為一個最佳實施例，所述的可變容積容器61與工質循環回路的連接位置設置在壓縮機I出口的循環管道處，因為該處的循環工質壓力高、密度大，可變容積容器61比較小的容積變動可對系統循環回路中工質的平均密度產生比較大的影響，調節靈敏度比較高。當然可變容積容器也可以連接到系統循環回路的其他位置上，也可以在循環回路上連接多個可變容積容器。
[0026]當夏季室外氣溫下降時，工質的冷凝溫度也隨著下降，相應的，工質的冷凝壓力和密度也隨著下降，循環回路中的工質量處于過量狀態，這將導致能效比的下降。此時可稍為擴大可變容積容器61的容積，減少循環回路中的工質平均密度，使循環回路中的工質量達到最佳值，此時系統具有最佳能效比和制冷能力。更進一步，在壓縮機轉速不變的條件下，由于循環回路中的工質平均密度可調，則經過壓縮機的工質質量流量也可調，從而實現了利用定轉速常規壓縮機達到變容量空調的目的。因此，本發明具有取代變頻空調的潛力。
[0027]圖2為實施例2—單純熱泵系統的示意圖，包括壓縮機1、冷凝器(室內機)3、膨脹閥4、蒸發器(室外機)5和依次連接上述各機構的管道組成的工質循環回路。在所述的工質循環回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可變容積容器61和改變容器容積的執行機構62組成。作為一個最佳實施例，所述的可變容積容器61與工質循環回路的連接位置設置在壓縮機I出口的循環管道處，因為該處的循環工質壓力高、密度大，可變容積容器61比較小的容積變動可對系統循環回路中工質的平均密度產生比較大的影響，調節靈敏度比較高。當然可變容積容器也可以連接到系統循環回路的其他位置上，也可以在循環回路上連接多個可變容積容器。
[0028]當冬季室外氣溫下降時，可稍為擴大可變容積容器61的容積，降低循環回路中工質的平均密度，此時工質的蒸發溫度也將隨著下降，使蒸發器保持合理的最佳傳熱溫差，此時系統在基本不降低能效比和制熱能力的條件下實現低溫下的高效制熱。
[0029]圖3為實施例3—裝有能效增大器的熱泵熱水器系統示意圖，包括壓縮機1、冷凝器3、膨脹閥4、蒸發器5和依次連接上述各機構的管道組成的工質循環回路，其中，冷凝器3還和水箱7及循環泵8組成水加熱回路。在所述的工質循環回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可變容積容器61和改變容器容積的執行機構62組成。作為一個最佳實施例，所述的可變容積容器61與工質循環回路的連接位置設置在壓縮機I出口的循環管道處，因為該處的循環工質壓力高、密度大，可變容積容器61比較小的容積變動可對系統循環回路中工質的平均密度產生比較大的影響，調節靈敏度比較高。當然可變容積容器也可以連接到系統循環回路的其他位置上，也可以在循環回路上連接多個可變容積容器。
[0030]由于熱泵熱水器的工作特點，水溫是逐漸上升的，如剛開始加熱時的水溫為10°C，加熱終了的水溫升到55°C，因此熱泵熱水器工質的冷凝溫度也要相應從25°C增加至65°C。如果使用環保型工質134a，25°C時氣態工質的密度為32kg/m3，65°C時氣態工質的密度為100kg/m3，相差達3倍之多。傳統的熱泵熱水器的工質充裝量難以適應這種情況，開始加熱時處于工質嚴重過量的狀況，到加熱結束時又可能處于工質量過少的狀態。這都會明顯降低熱泵熱水器的能效比。使用本發明，我們就能妥善的解決這個難題。在整個加熱過程中，我們可以使可變容積容器61的容積逐漸減少，也就是使循環回路中工質的平均密度逐漸增大，使冷凝器始終處于最佳工作狀態，從而熱泵熱水器具有最佳的能效比和最大的工作能力。
[0031]圖4為實施例4一空調制冷一熱泵系統的示意圖，包括壓縮機1、四通閥2、冷凝器
3、膨脹閥4、蒸發器5和依次連接上述各機構的管道組成的工質循環回路，切換四通閥2可使該循環回路按空調制冷或熱泵方式運行。在所述的工質循環回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可變容積容器61和改變容器容積的執行機構62組成。作為一個最佳實施例，所述的可變容積容器61與工質循環回路的連接位置設置在壓縮機I出口的循環管道處，因為該處的循環工質壓力高、密度大，可變容積容器61比較小的容積變動可對系統循環回路中工質的平均密度產生比較大的影響，調節靈敏度比較高。當然可變容積容器也可以連接到系統循環回路的其他位置上，也可以在循環回路上連接多個可變容積容器。
[0032]當本系統工況由空調制冷工況(如工質冷凝溫度為50°C，蒸發溫度為12°C)切換為熱泵工況(如工質冷凝溫度為35°C，蒸發溫度為一 I(TC)時，此時可將可變容積容器61的容積增大，以減少循環回路中的工質平均密度，從而使工質的冷凝溫度由50°C逐漸降至35°C，相應的工質的蒸發溫度由12°C下降至一 10°C左右，實現工況的切換，使系統能效比保持在4左右，比現有空調系統的最佳能效比提高10%以上。反之，當由制熱工況轉為制冷工況時，則可將可變容積容器61的容積減少而使工質的充裝量適應工質工作溫度的變化。
[0033]本實用新型如果和膨脹閥調節或變頻調節結合起來就可以實現對空調一熱泵系統的全面精確調節，從而可以在各種工況下同時使ATk和ATe調節到最佳值，此時系統的能效比將達到該工況下的最大值。
[0034]圖5為裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統的能效增大器的實施例示意圖。如圖所示，所述的可變容積容器61為可伸縮變形的波紋管611，所述波紋管的兩端分別由底板封閉，所述波紋管的后端底板612通過連接管與工質循環管路連接，所述波紋管的前端底板613與所述的執行機構62連接。
[0035]所述的執行機構62由螺母絲杠運動副構成，螺母621的外圓為蝸輪623，與蝸輪相配的蝸桿624通過電動機625驅動，所述的絲杠622的一端與所述波紋管的前端底板固定連接。當電動機625正轉或反轉時，蝸輪螺母621也跟著正轉或反轉，從而使絲杠622產生前伸或后縮運動，帶動波紋管容器的前端底板613運動，達到改變容器容積的目的。
[0036]為了減小波紋管容器的死容積，在所述波紋管的前端底板613內側焊接一段圓柱體614，該圓柱體的直徑略小于波紋管的內徑，圓柱體的長度略大于波紋管完全壓縮時的長度。
[0037]對于壓縮機為2kW的渦旋式全封閉壓縮機，波紋管的內徑為20cm，圓柱體614的直徑為19.8cm,當波紋管完全壓縮時的長度為IOcm時，圓柱體的長度為10.1cm。圓柱體614的端面與前端底板613內側端面的距離在O至15cm之間變動，對應波紋管的長度在IOcm至25cm之間變動。
[0038]本實用新型的能效增大器除了上述實施例的波紋管及其機械驅動機構以外，還可以有其他結構形式，如活塞式缸體與液壓驅動機構配合，通過液壓機構驅動活塞在缸體內的移動來改變缸體內的工質容積。可變容積容器還可以采用膜盒式、特殊可變形復合材料式等結構。[0039]圖6為裝有能效增大器的空調系統的循環溫熵圖，其中橫坐標S代表熵值，縱坐標T代表溫度值。改變工質的容積的調節方式的實質是改變參與循環的工質的平均密度，從而使工質的冷凝溫度和蒸發溫度同時升高或降低，圖中用實線表示的封閉曲線1-2-3-4為設計工況下的循環曲線，其中1-2為工質壓縮過程，2-3為工質冷凝過程，3-4為工質膨脹過程，4-1為工質蒸發過程。當減少可變容積容器的容積時，參與循環的工質的平均密度增加，圖示的制冷循環曲線1-2-3-4整體上移，如曲線I' -2，-3' -4'所示，當增大可變容積容器的容積時，參與循環的工質的平均密度減少，圖示的制冷循環曲線1-2-3-4整體下移，如曲線I" -2" -3" -4"所示，此時由于壓縮機的轉速和膨脹閥的開度都沒變，因而循環的壓縮比沒有顯著變化。這是本實用新型的調節方式和以往靠改變膨脹比或壓縮比的調節方式的根本區別。把這兩種不同的調節方式結合起來可以使空調系統精確滿足各種工況條件下的運行并使系統的能效比始終處于最佳值。
【權利要求】
1.一種裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，包括壓縮機(I)、冷凝器(3)、膨脹閥(4)、蒸發器(5)和依次連接上述各機構的管道組成的工質循環回路，其特征是，在所述的工質循環回路中接入能效增大器(6)，所述的能效增大器包括可變容積容器和改變容器容積的執行機構。
2.根據權利要求1所述的裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，其特征是，還包括四通閥(2)，當在所述的工質循環回路中接入四通閥(2)時，切換四通閥可使該循環回路按空調制冷或熱泵方式運行。
3.根據權利要求1所述的裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，其特征是，所述的冷凝器還通過管道與水箱(7)和循環泵(8)連接成水加熱循環回路。
4.根據權利要求1至3任一項所述的裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，其特征是，所述的可變容積容器(61)與工質循環回路的連接位置設置在壓縮機(I)出口的循環管道處。
5.根據權利要求1至3任一項所述的裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，其特征是，所述的可變容積容器(61)為可伸縮變形的波紋管(611)，所述波紋管的兩端分別由底板封閉，所述波紋管的后端底板(612)通過連接管與工質循環回路管道連接，所述波紋管的前端底板(613)與所述的執行機構(62)連接。
6.根據權利要求5所述的裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，其特征是，所述的執行機構(62)由螺母絲杠運動副構成，螺母(621)的外圓為蝸輪(623)，與蝸輪相配的蝸桿(624)通過電動機(625)驅動，所述的絲杠(622)的一端與所述波紋管的前端底板(613)固定連接。
7.根據權利要求5所述的裝有能效增大器的蒸氣壓縮式空調系統，其特征是，在所述波紋管的前端底板(613)內側焊接一段圓柱體(614)，該圓柱體的直徑略小于波紋管的內徑，圓柱體的長度略大于波紋管完全壓縮時的長度。
【文檔編號】F25B41/04GK203518327SQ201320527822
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年7月22日
【發明者】陳恩鑒, 徐曉麗, 王顯龍 申請人:陳恩鑒, 余偉俊