蒸發式冷凝空調熱泵系統的制作方法

本實用新型屬于制冷與空調設備技術領域，主要涉及一種蒸發式冷凝空調熱泵系統。

背景技術：

蒸發式冷凝技術是一種高效節電、節水技術。通過循環水均勻分布于換熱器表面以形成連續水薄膜，利用非飽和空氣焓差推動力，將水蒸發潛熱吸收的換熱器內部流體熱量轉移至空氣帶走。配置蒸發式冷凝器設備與風冷式冷卻設備相比，可節電30％以上；與傳統的開式冷卻塔相比，其功效相當于將傳統水冷凝器與冷卻塔進行集成，效率更高，有效降低循環水的飄逸率。蒸發式冷凝技術，較廣泛應用在閉式冷卻塔產品中，當前以制冷劑為工質的蒸發式冷凝器產品在日漸增多，冷凝器形式以蛇形盤管式為主，新型板片式蒸發冷凝器則處于研發推廣中。當前，采用蒸發式冷凝技術產品基本應用于工業領域制冷系統中，無熱泵功能，同時蒸發式冷凝器因應用環境為高濕熱場合，換熱器表面易積垢，一直困擾其推廣應用。

空氣源熱泵是一種無需安裝機房，不需要冷卻水，利用空氣為熱源，可冷暖兩用的空調設備，因空氣隨時隨地可以獲取利用，安裝與使用方便，空氣源熱泵在舒適性空調領域得到廣泛應用。其不足是，空氣的比熱容小，空氣側換熱器效率低，設備需要較大的通風量以及較大的換熱溫差才能滿足使用需求，因此制冷運行時，空氣源熱泵冷凝溫度較水冷機組高約10℃，與蒸發冷相比高13℃以上，導致制冷系統能效較低，因而有必要將蒸發式冷凝技術與空氣源熱泵技術優勢互補，以更好滿足舒適性空調領域產品節能要求。

技術實現要素：

本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術中存在的問題，而提供一種蒸發式冷凝空調熱泵系統，能實現高效的蒸發冷技術嫁接于空氣源熱泵產品中，達到制冷運行效率高，成本合理，易于生產，應用可靠，頗具實施價值。

本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的。這種蒸發式冷凝空調熱泵系統，由壓縮機、四通閥、使用側換熱器、翅片管換熱器、蒸發式冷凝器、噴淋水裝置、貯液器、干燥過濾器、節流裝置、氣液分離器、風機、電磁閥D、電磁閥A、電磁閥B、單向閥及管路與控制回路組成，翅片管換熱器與蒸發式冷凝器按串并聯方式布置于四通閥的冷凝器管端接口，兩者所在支路的進口端共同連接至四通閥的冷凝器接口端，兩者出口端共同連接至貯液器的進口管路上；制冷與制熱功能依靠四通閥切換壓縮機的吸排氣流向，并由電磁閥與單向閥對流向再次控制，使制冷運行可通過蒸發式冷凝功能系統水蒸發潛熱來快速冷卻制冷劑，實現制冷高效節能運行；制熱時，依靠翅片管換熱器從空氣側吸熱，使系統具備空氣源熱泵功能。

所述的翅片管換熱器是一種風冷冷凝器，蒸發式冷凝器是一種以水蒸發潛熱為主的風水冷卻冷凝器，通過控制回路調節四通閥、電磁閥來調整制冷劑流向，依靠蒸發式冷凝器5與翅片管換熱器獨立、串聯、并聯運行模式，使系統實現制冷時高效運行，并同時具備空氣源熱泵功能，實現二者有機結合。

所述的蒸發式冷凝器與噴淋水裝置集成于風冷模塊機機殼內，噴淋水裝置包括循環水泵、噴嘴、集水池和浮球閥，在風冷模塊機機殼底部設有集水池，集水池通過循環水泵和上部布水器的噴嘴相連通，通過浮球閥控制進水；噴嘴正對于蒸發式冷凝器，風冷模塊機機殼的頂部設有風機，依靠風機來排除蒸發式冷凝器在制冷運行冷卻時形成的高濕熱空氣；在制熱運行時，依靠風機驅動空氣流過翅片管換熱器，使機組制冷劑從低溫空氣熱源獲取熱量。

與蒸發式冷凝器相連的換熱單元支路包括蒸發式冷凝器、電磁閥B、單向閥A組成，與翅片管換熱器相連的換熱單元支路B包括翅片管換熱器、電磁閥A、單向閥E組成，兩個支路間通過電磁閥D連通。

本實用新型的有益效果為：

1、與傳統的空氣源熱泵機組相比，大幅提升制冷時運行能效，可提高30％以上。

2、與傳統的冷水機組+冷卻塔應用相比，不但能效更好，而且一體化設計保證交付產品質量好、美觀、占地面積小，有效降低工程造價。

3、與冷水機組單一制冷功能相比，增加制熱模式，拓寬應用范圍。

4、制冷運行時通過對蒸發式冷凝器與空冷式翅片管換熱器設置的獨立運行、串聯運行、并聯運行模式，確保各工況下系統均能高效可靠運行，可有效降低蒸發式冷凝器換熱表面積垢風險。

5、系統設計靈活，可擴展性好，能適應不同的應用環境。

附圖說明

圖1是一種蒸發式冷凝空調熱泵系統流程圖；

圖2是一種帶蒸發的風冷冷熱水熱泵系統流程圖；

圖3蒸發式冷凝器與翅片管換熱器串聯式連接；

圖4蒸發式冷凝器與翅片管換熱器并聯式連接；

圖5蒸發式冷凝器與翅片管換熱器串并行連接1；

圖6蒸發式冷凝器與翅片管換熱器串并行連接2；

圖7熱泵系統附屬控制回路示意圖。

附圖標記說明：1-壓縮機；2-四通閥；3-使用側換熱器；4-翅片管換熱器；5-蒸發式冷凝器；6-噴淋水裝置；7-貯液器；8-干燥過濾器；9-節流裝置；10-氣液分離器；11-風機；12-電磁 閥D；13-電磁閥A；14-電磁閥B；15-單向閥A、16-單向閥B、17-單向閥C、18-單向閥D、19-單向閥E；20-電磁閥C；21-集水池，22-浮球閥，23-循環水泵，24-噴嘴。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明：

這種蒸發式冷凝空調熱泵系統，其特征在于：由壓縮機1、四通閥2、使用側換熱器3、翅片管換熱器4、蒸發式冷凝器5、噴淋水裝置6、貯液器7、干燥過濾器8、節流裝置9、氣液分離器10、風機11、電磁閥D12、電磁閥A13、電磁閥B14、單向閥及管路與控制回路組成，翅片管換熱器4與蒸發式冷凝器5按串并聯方式布置，于四通閥2的冷凝器管端接口，兩者所在支路的進口端共同連接至四通閥2的冷凝器接口端，兩者出口端共同連接至貯液器7的進口管路上；制冷與制熱功能依靠四通閥2切換壓縮機1的吸排氣流向，并由電磁閥與單向閥對流向再次控制，使制冷運行可通過蒸發式冷凝功能系統水蒸發潛熱來快速冷卻制冷劑，實現制冷高效節能運行；制熱時，依靠翅片管換熱器4從空氣側吸熱，使系統具備空氣源熱泵功能。所述的翅片管換熱器4是一種風冷冷凝器，蒸發式冷凝器5是一種以水蒸發潛熱為主的風水冷卻冷凝器，通過控制回路調節四通閥2、電磁閥來調整制冷劑流向，依靠蒸發式冷凝器5與翅片管換熱器4獨立、串聯、并聯運行模式，使系統實現制冷時高效運行，并同時具備空氣源熱泵功能，實現二者有機結合。

在本方案中，翅片管換熱器4與蒸發式冷凝器5作為熱源側換熱器，在制冷運行時均可作為冷凝器，可獨立運行也可聯合運行，在熱泵系統中位置可以串行布置、并行連接或者串并行自由組合設計，參見圖3、4、5、6所示。在蒸發式冷凝器系統中，易積垢是無法回避的問題，以空冷式翅片管換熱器作為預冷是非常效的減少積垢措施，對于此場合應用，按串行布置即將翅片管換熱器前置于蒸發式冷凝器即可實現預冷功能。鑒于蒸發式冷凝效力遠高于風冷，最佳的制冷運行模式是蒸發式冷凝器獨立運行，而制熱模式則是翅片管換熱器獨自工作，并行連接可達到此目的，而且管路布置簡潔。如果在一個系統中既要蒸發式冷凝器獨立運行，又要翅片管換熱器融合一體聯合運行，采用串并行自由組合設計，通過合理的控制，就能實現系統高效、可靠運行。通過這種新穎的串并行自由組合設計，在制冷運行為高溫高負荷易積垢時，將翅片管換熱器投入作為預冷段，進入蒸發式冷凝器制冷劑溫度可顯著下降，積垢風險大大降低。當蒸發式冷凝器系統故障或需檢修時，可臨時切換至翅片管換熱器承擔冷凝功能而不影響機組使用。當制冷運行蒸發式冷凝效果顯著下降時，可投入翅片管換熱器參與冷卻，增加系統散熱能力，彌補蒸發式冷凝之不足。由此可見，本設計保證制冷運行高效，又提升系統運行安全冗余度。這種串并行自由組合設計有圖5與圖6兩種方案，布置2較布置1在翅片管換熱器入口前增設電磁閥C20，可保證制冷蒸發式冷凝器獨立運行時完全 切斷制冷劑向翅片管換熱器輸送，但制熱運行時因電磁閥C20的存在產生額外系統壓降會犧牲性能，本方案優先采用布置1。

在本方案中，與蒸發式冷凝器5相連的支路A包括蒸發式冷凝器5、電磁閥B14、單向閥A15組成。制冷運行時，電磁閥A14處于全開狀態，該支路暢通，壓縮機排氣全部進入蒸發式冷凝器5中進行與風水換熱。在制熱運行時，支路A需要切斷，將蒸發式冷凝器5從運行的熱泵循環中隔離出來，電磁閥與單向閥共同作用可關閉此通道。

在本方案中，與翅片管換熱器4相連的支路B包括翅片管換熱器4、電磁閥A13、單向閥E19組成。制冷運行時，電磁閥13處于關閉狀態，該支路被切斷，支路內部壓力與室外環境溫度對應的制冷劑飽和壓力相當。制熱運行時，電磁閥A13打開，翅片管換熱器4作為空氣源熱泵蒸發器使用，經節流裝置9節流后產生的低溫氣液兩相制冷劑流過翅片管換熱器4，從空氣中吸收熱量而氣化蒸發。

在本方案中，電磁閥D12連通了與蒸發式冷凝器5相連的支路A以及與翅片管換熱器4相連的支路B。在制冷運行時，蒸發式冷凝器5獨立運行則可關閉電磁閥D12；當蒸發式冷凝器5與翅片管換熱器4制冷聯合運行時，則可打開電磁閥D12。在制熱運行時，關閉電磁閥D12，切斷支路A。

在本方案中，制冷與制熱功能依靠四通閥2切換壓縮機1的吸排氣流向，并再由電磁閥與單向閥對制冷劑流向進一步控制，使制冷運行時，壓縮機排氣通向蒸發式冷凝器5，利用噴淋水裝置6產生的噴淋水水蒸發潛熱來快速冷卻制冷劑，實現制冷高效節能運行；制熱時，壓縮機排氣通向使用側換熱器3，其冷凝熱傳遞給使用側流體，達到制熱功能。翅片管換熱器4作為制熱循環的蒸發器，源源不斷從空氣側吸熱，由此使系統具備空氣源熱泵功能。

在本方案中，蒸發式冷凝器5在制冷運行冷卻時形成的高濕熱空氣，需要通過風機11排除出去；翅片管換熱器4在制熱運行時，作為空氣源熱泵的蒸發器，需要風機11抽取外部環境中的空氣流過翅片管換熱器，使換熱器內制冷劑與空氣產生有效換熱。

作為本方案進一步方案，集成一套完整蒸發式冷凝功能系統，蒸發式冷凝器5充當冷凝散熱器、噴淋水裝置6作為蒸發冷卻的水源，經蒸發式冷凝器5上部的布水器作用，噴淋水均勻灑在蒸發式冷凝器5間壁式換熱表面上，風機11產生的強制對流空氣也通過間壁式換熱表面，從而形成氣水流動換熱。所述的蒸發式冷凝器5與噴淋水裝置6集成于風冷模塊機機殼內，噴淋水裝置包括循環水泵23、噴嘴24、集水池21和浮球閥22，在風冷模塊機機殼底部設有集水池21，集水池21通過循環水泵23和上部布水器的噴嘴24相連通，通過浮球閥22控制進水；噴嘴24正對于蒸發式冷凝器5，風冷模塊機機殼的頂部設有風機11，依靠風機11來排除蒸發式冷凝器5在制冷運行冷卻時形成的高濕熱空氣；在制熱運行時，依靠風機 11驅動空氣流過翅片管換熱器4，使機組制冷劑從低溫空氣熱源獲取熱量。風機11可進行變速調節，以優化匹配制冷與制熱系統運行。

作為本方案進一步方案，制冷時通過蒸發式冷凝器5的風量，與制熱時流過翅片管換熱器4的風量可不相同，因此風機11可進行變速調節，或作為多組風機配置時按投入數量變化來改變風量。以上措施可優化匹配制冷與制熱系統運行。

作為本方案進一步方案，通過系統控制器回路調整壓縮機、四通閥、電磁閥、風機、節流裝置、水泵的運行狀態來控制制冷劑流向，調節制冷劑循環流量、空氣流量、噴淋水量來實現系統制冷時依靠多種運行模式確保高效可靠運行，制熱時發揮空氣源熱泵節能作用，并實現二者有機結合。

作為本方案進一步方案，通過合理的管路設計與優化的控制邏輯，可減少電磁閥數量，降低系統設計成本。如將位于高溫區部位的電磁閥移除，可進一步提升運行可靠性。

如圖1所示的實施方案采用的是蒸發式冷凝器與翅片管換熱器串并行布置的一種熱泵機組系統流程，串并行布置通道由蒸發式冷凝器5、翅片管換熱器4與電磁閥D12、電磁閥A13、電磁閥B14、單向閥A15、單向閥E19構成，形成以蒸發式冷凝器5為核心的換熱單元支路A，以翅片管換熱器4為核心的換熱單元支路B，通過電磁閥控制制冷劑流向從而達到自由切換換熱單元功能。換熱單元支路A由蒸發式冷凝器5、電磁閥B14、單向閥A15構成，換熱單元支路B由翅片管換熱器4、電磁閥A13、單向閥E19組成。支路A與支路B的進口均連接至四通閥2的冷凝器接管C口，制冷運行時高溫高壓排氣可有選擇性地導入支路A與支路B入口。支路A與支路B的出口連接至貯液器7的進口。蒸發式冷凝器5、翅片管換熱器4之間再通過電磁閥D12連通，由其控制聯合運行或獨立運行。

在蒸發式冷凝器功能系統中，蒸發式冷凝器5可為蛇形盤管式結構，耐壓高，較適合制冷劑；也可使用板片式換熱器，易清洗，制冷劑充注少，需檢測耐壓能力達標。集水池中水經水泵壓送入水處理設備如電子式除垢儀后，輸送至位于蒸發式冷凝器5上部的布水器，通過噴嘴24將水均勻噴灑在蒸發式冷凝器5間壁式換熱表面上，風機11抽吸的空氣與噴淋水呈逆流方式通過間壁式換熱表面，形成氣水間傳質傳熱，依靠不飽和空氣存在的流動焓差為推動力，水不斷蒸發吸熱，并被流過的空氣快速帶走。隨著水蒸發耗散與極少量飄逸損失，水池中水位下降，在浮球閥作用下及時補水，保證水泵安全吸入水位。長期運行后，水池中礦物質濃度升高，需要定期進行排污。

根據圖1所示的制冷運行流向，使用側換熱器3與四通閥2的蒸發器側通道E相連接，低壓蒸汽經氣液分離器10進行氣液分離后進入壓縮機吸氣口，經壓縮機1做功后，形成的高溫高壓氣體通過四通閥2導入冷凝器側通道C，然后根據各電磁閥通斷狀態進入不同的換熱 器單元支路進行冷卻。在只有蒸發式冷凝器5運行時，電磁閥D12、電磁閥A13關閉，電磁閥B14打開，排氣進入換熱單元支路A，通過蒸發式冷凝器5進行高效冷卻。在翅片管換熱器4作為預冷時，翅片管換熱器4與蒸發式冷凝器5采用串聯運行模式，電磁閥B14、電磁閥A13關閉，電磁閥D12打開，排氣首先進入換熱單元支路B，在翅片管換熱器4中被空氣進行干式冷卻，可將70℃以上的排氣降為48℃以下的兩相混合物，再經電磁閥D12通道，導入呈串聯布局的蒸發式冷凝器5中進行二次冷卻，因入液溫度小于55℃，大大減小了換熱表面積垢幾率。蒸發式冷凝機組需要定期清垢除污防堵塞，如果運行中控制回路檢測到系統冷凝溫度較高，即蒸發冷效果較差時，控制器導入并行聯合運行模式，電磁閥B14維持開啟，電磁閥D12維持關閉，電磁閥A13打開，排氣分流進入翅片管換熱器4中進行干式冷卻，減小了蒸發式冷凝器5的冷卻負荷，冷凝能力得到加強，有效改善整個機組的制冷運行能效。

在制熱運行時，只有翅片管換熱器4所在的換熱單元支路B參與運行，而蒸發式冷凝器5所在系統退出運行，即水泵不工作，電磁閥B14、電磁閥D12關閉，換熱單元支路A被隔離。在四通閥2流向切換下，壓縮機排氣導入使用側換熱器3中進行放熱冷卻，制冷劑冷卻后經單向閥C17進入貯液器7中，經干燥過濾器8進入節流裝置9，節流后形成的低溫低壓兩相制冷劑經單向閥D18后進入翅片管換熱器4中進行吸熱蒸發變成過熱蒸汽，再經四通閥2與氣液分離器10回到壓縮機2吸氣口。翅片管換熱器積霜，通過逆向制冷循環方式除霜，按照翅片管換熱器獨立制冷運行模式處理，即電磁閥D12、電磁閥B14可關閉，電磁閥A13打開，壓縮機排氣進入翅片管換熱器融霜。

圖2所示為一種帶蒸發式冷凝的風冷冷熱水熱泵系統流程，此為在小型機組簡化應用示例。系統由渦旋壓縮機1、電磁式四通換向閥2、釬焊板式換熱器、翅片管換熱器4、銅管簇蒸發式冷凝器5、噴淋水裝置6、貯液器7、干燥過濾器8、節流裝置9(電子膨脹閥)、氣液分離器10、軸流風機11、電磁閥A13、電磁閥B14、單向閥與控制回路組成。翅片管換熱器4為銅管套鋁翅片構成，蒸發式冷凝器5為蛇形銅管管束陣列，兩者均采用小管徑強化換熱管Φ7內螺紋銅管，其管內容積較常規使用Φ9.52、Φ15.88等大管徑換熱器小，制冷劑充填量小，這樣可適當調整蒸發式冷凝器5與翅片管換熱器4串并行設計方案，移除電磁閥D12，將電磁閥B14設計位置從原位于排氣高溫管路轉移至位于制冷運行時的液體管路上，相應提高電磁閥工作壽命。換熱單元支路A由蒸發式冷凝器5、電磁閥B14、單向閥A15構成，換熱單元支路B由翅片管換熱器4、電磁閥A13、單向閥E19組成。支路A與支路B的進口均連接至四通閥2的冷凝器接管C口，支路A與支路B的出口連接至貯液器7的進口。在支路A與支路B進口連接點的管路設計，按利于制熱流向布置，制熱時，支路A所在電磁閥B14關閉，使其支路不暢通，從翅片管換熱器4出來的含油制冷劑沿壓降最小的直通管道流過兩支路匯 合點，支路A因在連接點處設計有上升管段，避免滯留冷凍油，保證冷凍油正常回至壓縮機。

在蒸發式冷凝器5獨立制冷運行模式，電磁閥B14打開，電磁閥A13關閉，制冷劑進入蒸發式冷凝器中冷卻。翅片管換熱器因所在支路切斷，少量制冷劑會在其內自然冷卻，在運行過程中，可控制電磁閥A13間歇式開啟。在制冷聯合運行時，電磁閥B14與電磁閥A13均打開，兩換熱器單元同時參與冷卻，分擔冷凝負荷。制冷運行時，通過貯液器7分離運行時可能出現的極少量飽和氣體，保證電子膨脹閥節流運行穩定性。

制熱運行翅片管換熱器需要除霜時，按制冷逆循環方式進行，電磁閥B14關閉，電磁閥A13打開，風機11關閉，壓縮機排氣主要進入翅片管換熱器融霜。在少于10分鐘的除霜過程中，雖蒸發式冷凝器5支路被阻斷，因熱氣與銅管束內流道存在自然溫差，少量熱氣遷移進入冷卻，當機組歷經多次除霜后，可能會在其內累積一些冷凍油，此時需要在控制器中設置制冷劑與油的沖吸程序，以使蒸發式冷凝器5中不積存過多的冷凍油。

蒸發式冷凝器5沒有設計富余換熱管來冷卻噴淋水，因而在噴淋水裝置6中設置填料來冷卻噴淋水，以保證蒸發冷凝效果。風機11采用雙速風機設計，根據圖7所示的控制回路中的排氣壓力傳感器采集值來控制排風量，電子膨脹閥根據吸氣壓力與吸氣溫度傳感器得到的吸氣過熱度進行制冷劑流量控制，由此確保機組高效穩定運行。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。