專利名稱：熱泵系統(tǒng)與加熱流體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱泵系統(tǒng)且尤其涉及熱泵系統(tǒng)與加熱流體的方法。
本發(fā)明開發(fā)出來主要是用做一個(gè)熱泵系統(tǒng)以及一種方法，該方法用于在寒冷環(huán)境或周圍溫度變動(dòng)大的環(huán)境下把水加熱，下文均參照此種用途予以說明。然而，要意識(shí)到，本發(fā)明不局限于這一特殊應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過說明書對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的任何討論應(yīng)當(dāng)決不被認(rèn)為是承認(rèn)此種現(xiàn)有技術(shù)是眾所周知的或形成為這一領(lǐng)域的常識(shí)。
清潔的水需要被加熱到約60℃或以上。為了把水加熱，往往還需要加熱到這一溫度。已經(jīng)有人使用氣源熱泵系統(tǒng)(air sourced heatpump system)進(jìn)行此種類型把水加熱，且通常使用空調(diào)壓縮機(jī)。然而，由于空調(diào)壓縮機(jī)操作溫度范圍狹窄，常規(guī)熱泵系統(tǒng)就不能在廣泛的周圍溫度范圍下例如夏季很熱但冬季很冷的情況下工作。相似地，該常規(guī)系統(tǒng)也不能在水與熱源之間溫差較大的情況下工作。例如，周圍溫度持續(xù)低下比如寒冷環(huán)境中就是此種情況。
克服此種困難的方式就是使用兩級(jí)壓縮系統(tǒng)、多級(jí)壓縮系統(tǒng)或者級(jí)聯(lián)系統(tǒng)(cascade system)。然而，這些系統(tǒng)要求有兩個(gè)或更多個(gè)壓縮機(jī)，這樣就使熱泵變得復(fù)雜、昂貴，而且難以適應(yīng)變動(dòng)大的周圍溫度。而當(dāng)周圍溫度溫暖時(shí)，該壓縮系統(tǒng)也就不必要了。
在寒冷環(huán)境下，通常是使用礦物燃料燃燒鍋爐把水加熱，這種用法運(yùn)行成本高，而且對(duì)環(huán)境有不良作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服或改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)中至少一個(gè)缺點(diǎn)，或者提供有用的替代方案。
本發(fā)明的目的是以其推薦方式提供一種熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有可成準(zhǔn)兩級(jí)壓縮而執(zhí)行的壓縮機(jī)，其可在寒冷環(huán)境下或周圍溫度變動(dòng)大的環(huán)境下操作，而且又簡單又不昂貴。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于加熱流體的熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于從熱源提取熱而使致冷劑蒸發(fā)的蒸發(fā)器；與所述蒸發(fā)器流體相連的壓縮機(jī)，其用于壓縮上述致冷劑的蒸氣；與所述壓縮機(jī)流體相連的冷凝器，其用于把來自所述已壓縮致冷劑的熱傳送給所述流體；使所述冷凝器與所述蒸發(fā)器流體相連的主伸縮調(diào)整器(expansiondevice)，其用于降低致冷劑的溫度；用于使來自所述冷凝器的一部分所述致冷劑轉(zhuǎn)移并降低溫度的裝置；以及用于經(jīng)流體而把所述溫度已降低致冷劑部分噴射到所述壓縮機(jī)中的裝置，從而使所述溫度已降低致冷劑部分與所述致冷劑蒸氣在中間壓力下混合，并導(dǎo)致所述致冷劑蒸氣及被排放到所述冷凝器中的所述致冷劑部分被至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種用于加熱流體的方法，該方法包括下列步驟從熱源提取熱而蒸發(fā)致冷劑；壓縮所述致冷劑蒸氣以便提高其溫度；把來自所述被壓縮致冷劑蒸氣的熱傳送給所述流體；在上述傳送步驟之后把一部分所述致冷劑轉(zhuǎn)移并降低溫度；降低所述致冷劑的溫度；在所述壓縮步驟期間引入所述溫度已降低致冷劑部分，從而使所述溫度已降低致冷劑部分與所述致冷劑蒸氣在中間壓力下混合，并導(dǎo)致所述致冷劑蒸氣及所述致冷劑部分被至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮；以及排放所述被壓縮致冷劑以便在所述傳送步驟中把熱傳送給所述流體。
轉(zhuǎn)移及溫度降低裝置最好包括與冷凝器及壓縮機(jī)流體相連的伸縮調(diào)整器。該伸縮調(diào)整器最好包括毛細(xì)管或膨脹閥(expansion valve)。伸縮調(diào)整器還可以包括熱交換器例如中間冷卻器。
轉(zhuǎn)移及溫度降低裝置最好包括與冷凝器及伸縮調(diào)整器流體相連的旁路通道。
流體噴射裝置最好包括流體噴射閥，該閥用于控制致冷劑部分流入伸縮調(diào)整器。壓縮機(jī)最好包括一個(gè)連接于流體噴射裝置的流體噴射口。流體噴射裝置最好包括與流體噴射口流體相連接的止回閥。
所述方法最好包括使所述致冷劑從所述溫度降低步驟到所述蒸發(fā)步驟的返回步驟。
主伸縮調(diào)整器最好經(jīng)由第一管道而與冷凝器流體相連。該第一管道最好與旁路通道流體相連。主伸縮調(diào)整器可以是膨脹閥。
毛細(xì)管最好靠近第一管道，以便使流經(jīng)第一管道去往主伸縮調(diào)整器的致冷劑冷卻。在一種推薦形式中，毛細(xì)管螺旋盤繞在第一管道周圍。毛細(xì)管的下游末端可以連接著一段管道。該管道段(pipe section)最好與第一管道相接觸，以便在第一管道與管道段之間傳熱。管道段可以基本上平行于第一管道，并可以由金屬夾子或其他適當(dāng)?shù)木o固裝置固定在第一管道上。在管道段與第一管道之間最好有傳熱膏(heattransfer paste)介入，以便于進(jìn)行熱傳遞。管道段最好還變形為與第一管道相一致。
在溫度降低裝置包括伸縮調(diào)整器和中間冷卻器的情況下，最好中間冷卻器與冷凝器及主伸縮調(diào)整器流體相連，從而使致冷劑通過中間冷卻器而去往主伸縮調(diào)整器，并與穿過中間冷卻器的致冷劑部分交換熱量。
被加熱的流體最好是水。熱源可以是周圍空氣。


下面，僅以舉例方式參照

本發(fā)明的推薦實(shí)施例，在附圖中圖1是按照本發(fā)明用于對(duì)水加熱的熱泵系統(tǒng)示意略圖；以及圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的示意略圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖1，用于對(duì)水加熱的熱泵系統(tǒng)包括蒸發(fā)器1和冷凝器5，該蒸發(fā)器通過把來自周圍熱源3的熱傳送給壓縮機(jī)4而使致冷劑蒸發(fā)，該壓縮機(jī)與蒸發(fā)器1流體相連而用于壓縮致冷劑蒸氣，該冷凝器與壓縮機(jī)4流體相連而用于把來自已壓縮致冷劑的熱傳送給水6。熱源3是寒冷環(huán)境下的周圍空氣，且壓縮機(jī)4是帶有液體噴射口7而用于低溫制冷的常規(guī)壓縮機(jī)。
其形式為毛細(xì)管的伸縮調(diào)整器8與冷凝器5及壓縮機(jī)4流體相連，以便把一小部分已冷凝致冷劑轉(zhuǎn)移并降低其溫度。流體噴射裝置9以流體方式而把溫度已降低致冷劑部分從毛細(xì)管8噴射到壓縮機(jī)4中。溫度已降低致冷劑部分與在壓縮機(jī)4中被壓縮到中間壓力的致冷劑蒸氣混合，并導(dǎo)致至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮。結(jié)合起來的致冷劑(致冷劑蒸氣與致冷劑部分)隨后又被壓縮，并被排放到冷凝器5中。
主膨脹閥10經(jīng)由管道11而與冷凝器5流體相連，并與蒸發(fā)器1流體相連。旁路通道12把致冷劑部分從管道11轉(zhuǎn)移到毛細(xì)管8。
流體噴射裝置9包括流體噴射電磁閥13，該閥用于使致冷劑部分的液體噴射得以進(jìn)行和斷開，且所述噴射裝置還包括管道段15，其用于經(jīng)由止回閥17而把溫度已降低致冷劑部分遞送給壓縮機(jī)4上的噴射口7。止回閥17確保僅僅是溫度已降低致冷劑部分進(jìn)入壓縮機(jī)4，并防止致冷劑從壓縮機(jī)4穿過管道段15而逆流到毛細(xì)管8和流體噴射電磁閥13。
毛細(xì)管8螺旋盤繞在管道11周圍，以便當(dāng)致冷劑流向主膨脹閥10而穿過管道11時(shí)將其冷卻。管道段15經(jīng)由金屬夾子也固定在管道11的一個(gè)部分21上，且基本上平行于管道部分21并與其相接觸，以便促進(jìn)管道段15與管道部分21之間的熱傳送。在管道段15與管道部分21之間還施加了傳熱膏。管道段15可被變形，以便與管道部分21相一致而改進(jìn)傳熱。
熱泵系統(tǒng)的其他零部件包括位于冷凝器5與毛細(xì)管8之間的液體電磁閥23和過濾器/干燥器25，該閥用于使已冷凝致冷劑的流動(dòng)得以進(jìn)行和斷開。在管道11上設(shè)有觀察鏡(sight glass)27，其用于觀察進(jìn)入主膨脹閥10之前的致冷劑。在輔助管路31上還設(shè)有除冰電磁閥29。
下面說明熱泵系統(tǒng)的操作情況。蒸發(fā)器1中的致冷劑被取自周圍空氣3的熱所蒸發(fā)。壓縮機(jī)4抽取來自蒸發(fā)器1的致冷劑蒸氣，并將其從低壓、低溫蒸氣狀態(tài)壓縮為高壓、高溫蒸氣狀態(tài)。然后，高壓、高溫致冷劑蒸氣被排放給冷凝器5，該冷凝器起到熱交換器的作用以把熱從致冷劑蒸氣變?yōu)樗?。這一過程的結(jié)果是，致冷劑被冷凝成液體且過冷。
然后，液態(tài)致冷劑穿過液體電磁閥23和過濾器/干燥器25，以便去除致冷劑中的濕氣和污物。當(dāng)大部分液態(tài)致冷劑穿過過濾器/干燥器25之后，就流經(jīng)管道11而去往主膨脹閥10。液態(tài)致冷劑膨脹而穿過主膨脹閥10，導(dǎo)致其壓力和溫度下降。致冷劑的溫度此時(shí)就低于周圍空氣3的溫度。接著，致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器1，在那里，來自周圍空氣3的熱再度被傳送給致冷劑。已蒸發(fā)的致冷劑最終被排入壓縮機(jī)4中，并使此種循環(huán)反復(fù)進(jìn)行。
在大多數(shù)液態(tài)致冷劑進(jìn)入主膨脹閥10的同時(shí)，有一小部分液態(tài)致冷劑(其可以占整個(gè)致冷劑的約10％)從管道11進(jìn)入旁路通道12中，并穿過液態(tài)噴射電磁閥13而去往毛細(xì)管8。毛細(xì)管8使致冷劑部分膨脹，導(dǎo)致其壓力和溫度下降。溫度已降低致冷劑部分于是穿過管道段15和止回閥17而去往噴射口7。液態(tài)/蒸氣形式的致冷劑部分于是被噴射給壓縮機(jī)4，以便與壓縮機(jī)4中經(jīng)過準(zhǔn)一級(jí)壓縮處理后的過熱致冷劑蒸氣混合并使其冷卻(也就是說，當(dāng)致冷劑蒸氣已被壓縮成中間壓力之后，致冷劑部分被噴射進(jìn)壓縮機(jī)中)。其結(jié)果是，準(zhǔn)兩級(jí)壓縮發(fā)生了，且已被結(jié)合的致冷劑蒸氣及致冷劑部分被壓縮為終壓。已壓縮的致冷劑接著就被排放到冷凝器5中。
由于壓縮機(jī)4中的致冷劑經(jīng)過了至少準(zhǔn)一級(jí)壓縮，把溫度已降低致冷劑部分引入壓縮機(jī)4中與過熱致冷劑混合，就會(huì)降低下一級(jí)別壓縮之前的致冷劑的溫度，并因此降低壓縮機(jī)中的溫度以便進(jìn)行后續(xù)壓縮。這樣就導(dǎo)致每一級(jí)別壓縮的壓力比被降低到合乎準(zhǔn)兩級(jí)壓縮所要求的程度，并因此改進(jìn)每一壓縮的效率。由于致冷劑部分流體噴射的緣故而使準(zhǔn)兩級(jí)壓縮與中間冷卻在壓縮機(jī)中結(jié)合，也會(huì)降低從熱泵系統(tǒng)中抽取的動(dòng)力(power)(與單級(jí)壓縮比較而言)。流體噴射閥13和止回閥17控制著被噴射進(jìn)壓縮機(jī)4中溫度已降低致冷劑部分的定時(shí)和方向。因此，以單級(jí)壓縮機(jī)就能可控地達(dá)到至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮。結(jié)果是，冷凝溫度與蒸發(fā)溫度之間的溫差明顯增大了，于是就增大了熱泵系統(tǒng)的周圍溫度操作范圍。
伸縮調(diào)整器8的推薦形式為毛細(xì)管，以便使熱泵系統(tǒng)簡化。毛細(xì)管8還可讓溫度已降低致冷劑部分僅僅在其膨脹而吸收來自管道11中的熱之后且在進(jìn)入主膨脹閥10之前被使用。如上所述，毛細(xì)管8螺旋盤繞在管道11和管道段15周圍，而該管道段基本上平行于管道11并與其相接觸。以此方式，管道11中的致冷劑就會(huì)被額外冷卻，這樣就降低了液態(tài)致冷劑在進(jìn)入主膨脹閥10之前發(fā)生噴濺(flashing)的風(fēng)險(xiǎn)。
在本實(shí)施例中，盡管有大約10％數(shù)量的整個(gè)致冷劑被轉(zhuǎn)移給毛細(xì)管8，但這一轉(zhuǎn)移的數(shù)量依據(jù)周圍熱源的溫度以及所要求的水溫而定。
盡管上文說明了本發(fā)明的推薦實(shí)施例，但要明白，該系統(tǒng)的各個(gè)組成部件在其他實(shí)施例中可以變動(dòng)。
圖2顯示了第二實(shí)施例，其中，對(duì)應(yīng)部件均以同樣附圖標(biāo)記表示。在第二實(shí)施例中，伸縮調(diào)整器8為帶有中間冷卻器35的膨脹閥33。中間冷卻器35與冷凝器5及膨脹閥10流體相連。旁路通道12位于中間冷卻器35下游。來自冷凝器5的液態(tài)致冷劑進(jìn)入中間冷卻器35。在致冷劑部分經(jīng)由旁路通道12而被提取到液體噴射閥13之前，中間冷卻器35先使液態(tài)致冷劑冷卻。致冷劑部分穿過膨脹閥33以便進(jìn)一步降低其溫度和壓力。溫度已降低致冷劑部分接著返回到冷卻器35，以便與來自冷凝器5而被遞送給壓縮機(jī)4之前穿過中間冷卻器35的液態(tài)致冷劑交換熱。如同在第一實(shí)施例中一樣，致冷劑部分在壓縮機(jī)中與致冷劑蒸氣混合而導(dǎo)致至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮。液態(tài)致冷劑部分從中間冷卻器35之后提取，從而就會(huì)減少致冷劑在膨脹閥33和主膨脹閥9二者中噴濺的可能性。
在其他一些實(shí)施例中，如果要求的話，通過噴射準(zhǔn)第二級(jí)壓縮處理之后另外那些溫度已降低致冷劑部分，就能導(dǎo)致多級(jí)壓縮。
壓縮機(jī)可以是其中帶有一個(gè)或更多個(gè)液體噴射口的制冷壓縮機(jī)，或者是修改成裝備有液體噴射口的任何壓縮機(jī)。
已經(jīng)簡化地說明了熱泵系統(tǒng)，以便有助于理解本發(fā)明。要意識(shí)到，在該熱泵系統(tǒng)中，還有其他部分和控制及安全所用機(jī)械裝置未予說明，但這樣并不影響該系統(tǒng)推薦形式的基本操作。
以上所說明的本發(fā)明推薦形式提供了對(duì)水加熱所用能量高效及實(shí)用的系統(tǒng)，尤其是從寒冷溫度環(huán)境下遞送熱的氣源熱泵系統(tǒng)。本發(fā)明的推薦形式替代當(dāng)前的礦物燃料燃燒鍋爐，從而降低對(duì)環(huán)境的任何不利影響。
盡管已參照專門例子說明了本發(fā)明，但專業(yè)人員都會(huì)明白，可以用許多其他形式實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于加熱流體的熱泵系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于從熱源提取熱而使致冷劑蒸發(fā)的蒸發(fā)器；與所述蒸發(fā)器流體相連的壓縮機(jī)，其用于壓縮上述致冷劑的蒸氣；與所述壓縮機(jī)流體相連的冷凝器，其用于把來自所述已壓縮致冷劑的熱傳送給所述流體；使所述冷凝器與所述蒸發(fā)器流體相連的主伸縮調(diào)整器，其用于降低致冷劑的溫度；用于使來自所述冷凝器的一部分所述致冷劑轉(zhuǎn)移并降低溫度的裝置；以及用于把所述溫度已降低致冷劑部分流體噴射到所述壓縮機(jī)中的裝置，使所述溫度已降低致冷劑部分與所述致冷劑蒸氣在中間壓力下混合，并導(dǎo)致所述致冷劑蒸氣及排放到所述冷凝器中的所述致冷劑部分被至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)移并降低溫度的裝置包括與冷凝器及壓縮機(jī)流體相連的伸縮調(diào)整器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述伸縮調(diào)整器包括毛細(xì)管。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述伸縮調(diào)整器包括膨脹閥。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述膨脹閥包括一個(gè)熱交換器。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述熱交換器是中間冷卻器。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述中間冷卻器與所述冷凝器及所述主伸縮調(diào)整器流體相連，從而致冷劑穿過所述中間冷卻器而去往所述主伸縮調(diào)整器，并與穿過所述中間冷卻器的所述致冷劑部分交換熱量。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述流體噴射裝置包括流體噴射閥，其用于控制所述致冷劑部分進(jìn)入所述伸縮調(diào)整器的流動(dòng)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述壓縮機(jī)包括與流體噴射裝置相連接的流體噴射口。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述流體噴射裝置包括與所述流體噴射口相連接的止回閥。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)移并降低溫度的裝置包括與所述冷凝器及所述伸縮調(diào)整器流體相連的旁路通道。
12.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述主伸縮調(diào)整器通過第一管道而與所述冷凝器流體相連。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第一管道與使得所述冷凝器與所述毛細(xì)管流體相連的旁路通道相連接。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于所述毛細(xì)管靠近所述第一管道，以便使穿過所述第一管道而去往所述主伸縮調(diào)整器的致冷劑冷卻。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于所述毛細(xì)管螺旋盤繞所述第一管道。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于所述毛細(xì)管的下游末端連接著第二管道，所述第二管道與所述第一管道相接觸，以便在所述第一管道與所述第二管道之間傳熱。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第二管道基本上平行于所述第一管道。
18.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于在所述第一管道與所述第二管道之間有傳熱膏放入，以便促進(jìn)傳熱。
19.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第二管道被變形以便與所述第一管道相一致。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述主伸縮調(diào)整器是膨脹閥。
21.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述流體是水。
22.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述熱源是周圍空氣。
23.一種加熱流體的方法，該方法包括下列步驟從熱源提取熱而蒸發(fā)致冷劑；壓縮所述致冷劑蒸氣以便提高其溫度；把來自所述被壓縮致冷劑蒸氣的熱傳送給所述流體；在上述傳送步驟之后把一部分所述致冷劑轉(zhuǎn)移并降低溫度；降低所述致冷劑的溫度；在所述壓縮步驟期間引入所述溫度已降低致冷劑部分，從而使所述溫度已降低致冷劑部分與所述致冷劑蒸氣在中間壓力下混合，并導(dǎo)致所述致冷劑蒸氣及所述致冷劑部分被至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮；以及排放所述被壓縮致冷劑以便在所述傳送步驟中把熱傳送給所述流體。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于還包括使所述致冷劑從所述溫度降低步驟到所述蒸發(fā)步驟的返回步驟。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述流體是水。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述熱源是周圍空氣。
全文摘要
一種用于加熱流體(6)的熱泵系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于從熱源(3)提取熱而使致冷劑蒸發(fā)的蒸發(fā)器(1)；與所述蒸發(fā)器(1)流體相連而用于壓縮所述致冷劑蒸氣的壓縮機(jī)(4)；與所述壓縮機(jī)(4)流體相連而用于把來自所述已壓縮致冷劑的熱傳送給所述流體(6)的冷凝器(5)；使所述冷凝器(5)與所述蒸發(fā)器(1)流體相連的主伸縮調(diào)整器(10)，其用于降低致冷劑的溫度；用于使來自所述冷凝器(5)的一部分所述致冷劑轉(zhuǎn)移并降低溫度的裝置(8)；以及用于經(jīng)流體而把所述溫度已降低致冷劑部分噴射到所述壓縮機(jī)(4)中的裝置(9)，從而使所述溫度已降低致冷劑部分與所述致冷劑蒸氣在中間壓力下混合，并導(dǎo)致所述致冷劑蒸氣及排放到所述冷凝器(5)中的所述致冷劑部分被至少準(zhǔn)兩級(jí)壓縮。并提供一種用于加熱流體的方法。
文檔編號(hào)F25B1/10GK1865812SQ200510125308
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月19日
發(fā)明者友贏 申請(qǐng)人:量子能技術(shù)股份有限公司