一种装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型制冷制热【技术领域】，特别涉及一种装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统。在系统的工质循环回路中接入能效增大器，所述的能效增大器包括可变容积容器和改变容器容积的执行机构。本实用新型解决了现有技术存在的由于工质的平均密度固定不变，使系统难以处于最佳能效比（EER或COP）状态下工作的问题，为空调系统提供一种新的性能调节手段，可以显著提高空调系统的能效比，显著改善空调系统的运行性能。
【专利说明】一种装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于制冷制热【技术领域】，特别涉及一种装有能效增大器的蒸汽压缩式热泵空调系统。
【背景技术】
[0002]蒸气压缩式空调系统包括空调制冷一热泵系统、单纯空调制冷系统、单纯热泵系统以及热泵热水器系统，其工作过程的本质是其工质从低温介质(如室内或室外空气)吸取热量后，经压缩机压缩提高温度后向高温介质(如室外或室内空气)放出热量。为取得最经济高效的运行效果，其工质的冷凝温度应比高温介质的温度高出一个最小的合理温差Δ Tk,而工质的蒸发温度应比低温介质的温度低一个最小合理温差Λ Te。
[0003]在设计工况下，上述的要求基本可以得到遵守，此时系统达到最佳能效比和工作能力。但在实际运行过程中往往不能到达上述理想要求。
[0004]现有的空调制冷一热泵系统为应对工况的变动，主要有如下两种性能调节手段:
[0005]I)变频调节:变频调节主要是通过改变压缩机的转速达到改变工质的流量和压缩机功耗的目的。这样在气温不太高的情况下，可以通过适当降低压缩机转速而达到节能的目的。
[0006]2)膨胀阀调节:包括热力膨胀阀和电子膨胀阀等。其调节原理是通过改变膨胀阀的节流面积达到改变工质流量和膨胀比的目的。
[0007]上述两种调节方式均无法改变系统中的工质的平均密度，或者说工质的充装量。理论和实验均证实，每一工况下都存在一个工质最佳充装量，在该最佳充装量下，系统达到最佳工作状态，具有最佳能效比。当系统偏离了设计工况时，上述两种调节方式均无法改变工质的平均密度，因此系统就难以处于最佳能效比(EER或C0P)状态下工作。
[0008]当机组在空调制冷和热泵工况之间切换时，上述的问题就特别突出。如在夏天制冷工况时，其外部环境温度区间为27°C (室内)至35°C (室外);在冬天热泵工况时，其外部温度区间则为20°C (室内)至2°C (室外)。在上述温度条件下，夏天制冷时，合理的工质冷凝温度设为50°C，蒸发温度为12°C ;冬天制热时，工质的冷凝温度应降为35°C，蒸发温度应降为一 8°C。显然，这两个工况下，工质的工作温度相差了 15°C。由于在不同的温度下，气态工质具有不同的密度，15°C之差气态工质的密度差别将达50%以上。也就是说，制冷和热泵工况下，系统中的最佳工质充装量将有相当大的差别。显然，传统的热泵空调系统难以适应这种情况，其工质的充装量若照顾了制冷工况，则热泵工况工质充装量将大大过量。为减小这种差距，传统的热泵空调系统在设计时有意缩小室内换热器的面积，增大室内换热温差。这样，夏天制冷时的工质设计蒸发温度将从12°C降低至5°C;而冬天制热时的冷凝温度将从35°C提高至43°C。此时冬、夏两个工况下工质的工作温度的差值将减小到10°C左右，最佳工质充装量的差别得以缩小，但代价是设计能效比也降低了，设计能效比将从4下降到3左右。
[0009]即使在单纯的制冷工况或热泵工况下运行时，传统空调系统的大部分时间也是偏离设计工况的，当空调刚启动时，室内的温度是缓慢下降的，而当室内温度稳定后，室外的温度又可能随时间而变，传统的空调的工质充装量无法对此进行精确调节，这意味着传统的空调系统大多数时间的工质充装量不处于最佳状态。
实用新型内容
[0010]针对现有技术存在的由于工质的平均密度固定不变，使系统难以处于最佳能效比(EER或C0P)状态下工作的问题，本实用新型提出蒸气压缩式空调系统工质侧容积连续可调的技术方案，使系统中工质平均密度由固定不变状态变为可调节状态。工质侧容积的变动意味着工质的平均密度发生了变动，当循环工质的平均密度增大时，如果其他条件不变，则工质循环的冷凝温度和蒸发温度都升高，反之亦然。这就为空调系统的运行提供了一种新的调节手段，从而有效提闻空调系统的能效比。
[0011]本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的:
[0012]一种装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和依次连接上述各机构的管道组成的工质循环回路，在所述的工质循环回路中接入能效增大器，所述的能效增大器包括可变容积容器和改变容器容积的执行机构。
[0013]进一步地，系统还包括四通阀，当在所述的工质循环回路中接入四通阀时，切换四通阀可使该循环回路按空调制冷或热泵方式运行。
[0014]所述的冷凝器还通过管道与水箱和循环泵连接成水加热循环回路。
[0015]更好地，所述的可变容积容器与工质循环回路的连接位置设置在压缩机出口的循环管道处。
[0016]具体地，所述的可变容积容器为可伸缩变形的波纹管，所述波纹管的两端分别由底板封闭，所述波纹管的后端底板通过连接管与工质循环回路管道连接，所述波纹管的前端底板与所述的执行机构连接。所述的执行机构由螺母丝杠运动副构成，螺母的外圆为蜗轮，与蜗轮相配的蜗杆通过电动机驱动，所述的丝杠的一端与所述波纹管的前端底板固定连接。
[0017]本实用新型的装有能效增大器的热泵空调系统可以显著提高系统的能效比，使工况能效比可以达到4左右，而且其季节能效比还能超过设计工况能效比，显著改善空调系统的运行性能。
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为实施例1一单纯空调制冷系统的示意图；
[0020]图2为实施例2—单纯热泵系统的示意图；
[0021]图3为实施例3—热泵热水器系统的示意图；
[0022]图4为实施例4一空调制冷一热泵系统的示意图；
[0023]图5为能效增大器实施例示意图；
[0024]图6为装有能效增大器的系统的循环温熵图。
【具体实施方式】[0025]图1为实施例1一单纯空调制冷系统的示意图，包括压缩机1、冷凝器(室外机)3、膨胀阀4、蒸发器(室内机)5和依次连接上述各机构的管道组成的工质循环回路。在所述的工质循环回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可变容积容器61和改变容器容积的执行机构62组成。作为一个最佳实施例，所述的可变容积容器61与工质循环回路的连接位置设置在压缩机I出口的循环管道处，因为该处的循环工质压力高、密度大，可变容积容器61比较小的容积变动可对系统循环回路中工质的平均密度产生比较大的影响，调节灵敏度比较高。当然可变容积容器也可以连接到系统循环回路的其他位置上，也可以在循环回路上连接多个可变容积容器。
[0026]当夏季室外气温下降时，工质的冷凝温度也随着下降，相应的，工质的冷凝压力和密度也随着下降，循环回路中的工质量处于过量状态，这将导致能效比的下降。此时可稍为扩大可变容积容器61的容积，减少循环回路中的工质平均密度，使循环回路中的工质量达到最佳值，此时系统具有最佳能效比和制冷能力。更进一步，在压缩机转速不变的条件下，由于循环回路中的工质平均密度可调，则经过压缩机的工质质量流量也可调，从而实现了利用定转速常规压缩机达到变容量空调的目的。因此，本发明具有取代变频空调的潜力。
[0027]图2为实施例2—单纯热泵系统的示意图，包括压缩机1、冷凝器(室内机)3、膨胀阀4、蒸发器(室外机)5和依次连接上述各机构的管道组成的工质循环回路。在所述的工质循环回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可变容积容器61和改变容器容积的执行机构62组成。作为一个最佳实施例，所述的可变容积容器61与工质循环回路的连接位置设置在压缩机I出口的循环管道处，因为该处的循环工质压力高、密度大，可变容积容器61比较小的容积变动可对系统循环回路中工质的平均密度产生比较大的影响，调节灵敏度比较高。当然可变容积容器也可以连接到系统循环回路的其他位置上，也可以在循环回路上连接多个可变容积容器。
[0028]当冬季室外气温下降时，可稍为扩大可变容积容器61的容积，降低循环回路中工质的平均密度，此时工质的蒸发温度也将随着下降，使蒸发器保持合理的最佳传热温差，此时系统在基本不降低能效比和制热能力的条件下实现低温下的高效制热。
[0029]图3为实施例3—装有能效增大器的热泵热水器系统示意图，包括压缩机1、冷凝器3、膨胀阀4、蒸发器5和依次连接上述各机构的管道组成的工质循环回路，其中，冷凝器3还和水箱7及循环泵8组成水加热回路。在所述的工质循环回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可变容积容器61和改变容器容积的执行机构62组成。作为一个最佳实施例，所述的可变容积容器61与工质循环回路的连接位置设置在压缩机I出口的循环管道处，因为该处的循环工质压力高、密度大，可变容积容器61比较小的容积变动可对系统循环回路中工质的平均密度产生比较大的影响，调节灵敏度比较高。当然可变容积容器也可以连接到系统循环回路的其他位置上，也可以在循环回路上连接多个可变容积容器。
[0030]由于热泵热水器的工作特点，水温是逐渐上升的，如刚开始加热时的水温为10°C，加热终了的水温升到55°C，因此热泵热水器工质的冷凝温度也要相应从25°C增加至65°C。如果使用环保型工质134a，25°C时气态工质的密度为32kg/m3，65°C时气态工质的密度为100kg/m3，相差达3倍之多。传统的热泵热水器的工质充装量难以适应这种情况，开始加热时处于工质严重过量的状况，到加热结束时又可能处于工质量过少的状态。这都会明显降低热泵热水器的能效比。使用本发明，我们就能妥善的解决这个难题。在整个加热过程中，我们可以使可变容积容器61的容积逐渐减少，也就是使循环回路中工质的平均密度逐渐增大，使冷凝器始终处于最佳工作状态，从而热泵热水器具有最佳的能效比和最大的工作能力。
[0031]图4为实施例4一空调制冷一热泵系统的示意图，包括压缩机1、四通阀2、冷凝器
3、膨胀阀4、蒸发器5和依次连接上述各机构的管道组成的工质循环回路，切换四通阀2可使该循环回路按空调制冷或热泵方式运行。在所述的工质循环回路中接入能效增大器6，所述的能效增大器由可变容积容器61和改变容器容积的执行机构62组成。作为一个最佳实施例，所述的可变容积容器61与工质循环回路的连接位置设置在压缩机I出口的循环管道处，因为该处的循环工质压力高、密度大，可变容积容器61比较小的容积变动可对系统循环回路中工质的平均密度产生比较大的影响，调节灵敏度比较高。当然可变容积容器也可以连接到系统循环回路的其他位置上，也可以在循环回路上连接多个可变容积容器。
[0032]当本系统工况由空调制冷工况(如工质冷凝温度为50°C，蒸发温度为12°C)切换为热泵工况(如工质冷凝温度为35°C，蒸发温度为一 I(TC)时，此时可将可变容积容器61的容积增大，以减少循环回路中的工质平均密度，从而使工质的冷凝温度由50°C逐渐降至35°C，相应的工质的蒸发温度由12°C下降至一 10°C左右，实现工况的切换，使系统能效比保持在4左右，比现有空调系统的最佳能效比提高10%以上。反之，当由制热工况转为制冷工况时，则可将可变容积容器61的容积减少而使工质的充装量适应工质工作温度的变化。
[0033]本实用新型如果和膨胀阀调节或变频调节结合起来就可以实现对空调一热泵系统的全面精确调节，从而可以在各种工况下同时使ATk和ATe调节到最佳值，此时系统的能效比将达到该工况下的最大值。
[0034]图5为装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统的能效增大器的实施例示意图。如图所示，所述的可变容积容器61为可伸缩变形的波纹管611，所述波纹管的两端分别由底板封闭，所述波纹管的后端底板612通过连接管与工质循环管路连接，所述波纹管的前端底板613与所述的执行机构62连接。
[0035]所述的执行机构62由螺母丝杠运动副构成，螺母621的外圆为蜗轮623，与蜗轮相配的蜗杆624通过电动机625驱动，所述的丝杠622的一端与所述波纹管的前端底板固定连接。当电动机625正转或反转时，蜗轮螺母621也跟着正转或反转，从而使丝杠622产生前伸或后缩运动，带动波纹管容器的前端底板613运动，达到改变容器容积的目的。
[0036]为了减小波纹管容器的死容积，在所述波纹管的前端底板613内侧焊接一段圆柱体614，该圆柱体的直径略小于波纹管的内径，圆柱体的长度略大于波纹管完全压缩时的长度。
[0037]对于压缩机为2kW的涡旋式全封闭压缩机，波纹管的内径为20cm，圆柱体614的直径为19.8cm,当波纹管完全压缩时的长度为IOcm时，圆柱体的长度为10.1cm。圆柱体614的端面与前端底板613内侧端面的距离在O至15cm之间变动，对应波纹管的长度在IOcm至25cm之间变动。
[0038]本实用新型的能效增大器除了上述实施例的波纹管及其机械驱动机构以外，还可以有其他结构形式，如活塞式缸体与液压驱动机构配合，通过液压机构驱动活塞在缸体内的移动来改变缸体内的工质容积。可变容积容器还可以采用膜盒式、特殊可变形复合材料式等结构。[0039]图6为装有能效增大器的空调系统的循环温熵图，其中横坐标S代表熵值，纵坐标T代表温度值。改变工质的容积的调节方式的实质是改变参与循环的工质的平均密度，从而使工质的冷凝温度和蒸发温度同时升高或降低，图中用实线表示的封闭曲线1-2-3-4为设计工况下的循环曲线，其中1-2为工质压缩过程，2-3为工质冷凝过程，3-4为工质膨胀过程，4-1为工质蒸发过程。当减少可变容积容器的容积时，参与循环的工质的平均密度增加，图示的制冷循环曲线1-2-3-4整体上移，如曲线I' -2，-3' -4'所示，当增大可变容积容器的容积时，参与循环的工质的平均密度减少，图示的制冷循环曲线1-2-3-4整体下移，如曲线I" -2" -3" -4"所示，此时由于压缩机的转速和膨胀阀的开度都没变，因而循环的压缩比没有显著变化。这是本实用新型的调节方式和以往靠改变膨胀比或压缩比的调节方式的根本区别。把这两种不同的调节方式结合起来可以使空调系统精确满足各种工况条件下的运行并使系统的能效比始终处于最佳值。
【权利要求】
1.一种装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，包括压缩机(I)、冷凝器(3)、膨胀阀(4)、蒸发器(5)和依次连接上述各机构的管道组成的工质循环回路，其特征是，在所述的工质循环回路中接入能效增大器(6)，所述的能效增大器包括可变容积容器和改变容器容积的执行机构。
2.根据权利要求1所述的装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，其特征是，还包括四通阀(2)，当在所述的工质循环回路中接入四通阀(2)时，切换四通阀可使该循环回路按空调制冷或热泵方式运行。
3.根据权利要求1所述的装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，其特征是，所述的冷凝器还通过管道与水箱(7)和循环泵(8)连接成水加热循环回路。
4.根据权利要求1至3任一项所述的装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，其特征是，所述的可变容积容器(61)与工质循环回路的连接位置设置在压缩机(I)出口的循环管道处。
5.根据权利要求1至3任一项所述的装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，其特征是，所述的可变容积容器(61)为可伸缩变形的波纹管(611)，所述波纹管的两端分别由底板封闭，所述波纹管的后端底板(612)通过连接管与工质循环回路管道连接，所述波纹管的前端底板(613)与所述的执行机构(62)连接。
6.根据权利要求5所述的装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，其特征是，所述的执行机构(62)由螺母丝杠运动副构成，螺母(621)的外圆为蜗轮(623)，与蜗轮相配的蜗杆(624)通过电动机(625)驱动，所述的丝杠(622)的一端与所述波纹管的前端底板(613)固定连接。
7.根据权利要求5所述的装有能效增大器的蒸气压缩式空调系统，其特征是，在所述波纹管的前端底板(613)内侧焊接一段圆柱体(614)，该圆柱体的直径略小于波纹管的内径，圆柱体的长度略大于波纹管完全压缩时的长度。
【文档编号】F25B41/04GK203518327SQ201320527822
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】陈恩鉴, 徐晓丽, 王显龙 申请人:陈恩鉴, 余伟俊