专利名称：热泵系统与加热流体的方法
技术领域：
本发明涉及热泵系统且尤其涉及热泵系统与加热流体的方法。
本发明开发出来主要是用做一个热泵系统以及一种方法，该方法用于在寒冷环境或周围温度变动大的环境下把水加热，下文均参照此种用途予以说明。然而，要意识到，本发明不局限于这一特殊应用领域。
背景技术：
通过说明书对现有技术的任何讨论应当决不被认为是承认此种现有技术是众所周知的或形成为这一领域的常识。
清洁的水需要被加热到约60℃或以上。为了把水加热，往往还需要加热到这一温度。已经有人使用气源热泵系统(air sourced heatpump system)进行此种类型把水加热，且通常使用空调压缩机。然而，由于空调压缩机操作温度范围狭窄，常规热泵系统就不能在广泛的周围温度范围下例如夏季很热但冬季很冷的情况下工作。相似地，该常规系统也不能在水与热源之间温差较大的情况下工作。例如，周围温度持续低下比如寒冷环境中就是此种情况。
克服此种困难的方式就是使用两级压缩系统、多级压缩系统或者级联系统(cascade system)。然而，这些系统要求有两个或更多个压缩机，这样就使热泵变得复杂、昂贵，而且难以适应变动大的周围温度。而当周围温度温暖时，该压缩系统也就不必要了。
在寒冷环境下，通常是使用矿物燃料燃烧锅炉把水加热，这种用法运行成本高，而且对环境有不良作用。
发明内容
本发明的目的是克服或改进现有技术中至少一个缺点，或者提供有用的替代方案。
本发明的目的是以其推荐方式提供一种热泵系统，该系统带有可成准两级压缩而执行的压缩机，其可在寒冷环境下或周围温度变动大的环境下操作，而且又简单又不昂贵。
根据本发明的一个方面，提供一种用于加热流体的热泵系统，该系统包括用于从热源提取热而使致冷剂蒸发的蒸发器；与所述蒸发器流体相连的压缩机，其用于压缩上述致冷剂的蒸气；与所述压缩机流体相连的冷凝器，其用于把来自所述已压缩致冷剂的热传送给所述流体；使所述冷凝器与所述蒸发器流体相连的主伸缩调整器(expansiondevice)，其用于降低致冷剂的温度；用于使来自所述冷凝器的一部分所述致冷剂转移并降低温度的装置；以及用于经流体而把所述温度已降低致冷剂部分喷射到所述压缩机中的装置，从而使所述温度已降低致冷剂部分与所述致冷剂蒸气在中间压力下混合，并导致所述致冷剂蒸气及被排放到所述冷凝器中的所述致冷剂部分被至少准两级压缩。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于加热流体的方法，该方法包括下列步骤从热源提取热而蒸发致冷剂；压缩所述致冷剂蒸气以便提高其温度；把来自所述被压缩致冷剂蒸气的热传送给所述流体；在上述传送步骤之后把一部分所述致冷剂转移并降低温度；降低所述致冷剂的温度；在所述压缩步骤期间引入所述温度已降低致冷剂部分，从而使所述温度已降低致冷剂部分与所述致冷剂蒸气在中间压力下混合，并导致所述致冷剂蒸气及所述致冷剂部分被至少准两级压缩；以及排放所述被压缩致冷剂以便在所述传送步骤中把热传送给所述流体。
转移及温度降低装置最好包括与冷凝器及压缩机流体相连的伸缩调整器。该伸缩调整器最好包括毛细管或膨胀阀(expansion valve)。伸缩调整器还可以包括热交换器例如中间冷却器。
转移及温度降低装置最好包括与冷凝器及伸缩调整器流体相连的旁路通道。
流体喷射装置最好包括流体喷射阀，该阀用于控制致冷剂部分流入伸缩调整器。压缩机最好包括一个连接于流体喷射装置的流体喷射口。流体喷射装置最好包括与流体喷射口流体相连接的止回阀。
所述方法最好包括使所述致冷剂从所述温度降低步骤到所述蒸发步骤的返回步骤。
主伸缩调整器最好经由第一管道而与冷凝器流体相连。该第一管道最好与旁路通道流体相连。主伸缩调整器可以是膨胀阀。
毛细管最好靠近第一管道，以便使流经第一管道去往主伸缩调整器的致冷剂冷却。在一种推荐形式中，毛细管螺旋盘绕在第一管道周围。毛细管的下游末端可以连接着一段管道。该管道段(pipe section)最好与第一管道相接触，以便在第一管道与管道段之间传热。管道段可以基本上平行于第一管道，并可以由金属夹子或其他适当的紧固装置固定在第一管道上。在管道段与第一管道之间最好有传热膏(heattransfer paste)介入，以便于进行热传递。管道段最好还变形为与第一管道相一致。
在温度降低装置包括伸缩调整器和中间冷却器的情况下，最好中间冷却器与冷凝器及主伸缩调整器流体相连，从而使致冷剂通过中间冷却器而去往主伸缩调整器，并与穿过中间冷却器的致冷剂部分交换热量。
被加热的流体最好是水。热源可以是周围空气。
下面，仅以举例方式参照
本发明的推荐实施例，在附图中图1是按照本发明用于对水加热的热泵系统示意略图；以及图2是本发明另一实施例的示意略图。
具体实施例方式
参看图1，用于对水加热的热泵系统包括蒸发器1和冷凝器5，该蒸发器通过把来自周围热源3的热传送给压缩机4而使致冷剂蒸发，该压缩机与蒸发器1流体相连而用于压缩致冷剂蒸气，该冷凝器与压缩机4流体相连而用于把来自已压缩致冷剂的热传送给水6。热源3是寒冷环境下的周围空气，且压缩机4是带有液体喷射口7而用于低温制冷的常规压缩机。
其形式为毛细管的伸缩调整器8与冷凝器5及压缩机4流体相连，以便把一小部分已冷凝致冷剂转移并降低其温度。流体喷射装置9以流体方式而把温度已降低致冷剂部分从毛细管8喷射到压缩机4中。温度已降低致冷剂部分与在压缩机4中被压缩到中间压力的致冷剂蒸气混合，并导致至少准两级压缩。结合起来的致冷剂(致冷剂蒸气与致冷剂部分)随后又被压缩，并被排放到冷凝器5中。
主膨胀阀10经由管道11而与冷凝器5流体相连，并与蒸发器1流体相连。旁路通道12把致冷剂部分从管道11转移到毛细管8。
流体喷射装置9包括流体喷射电磁阀13，该阀用于使致冷剂部分的液体喷射得以进行和断开，且所述喷射装置还包括管道段15，其用于经由止回阀17而把温度已降低致冷剂部分递送给压缩机4上的喷射口7。止回阀17确保仅仅是温度已降低致冷剂部分进入压缩机4，并防止致冷剂从压缩机4穿过管道段15而逆流到毛细管8和流体喷射电磁阀13。
毛细管8螺旋盘绕在管道11周围，以便当致冷剂流向主膨胀阀10而穿过管道11时将其冷却。管道段15经由金属夹子也固定在管道11的一个部分21上，且基本上平行于管道部分21并与其相接触，以便促进管道段15与管道部分21之间的热传送。在管道段15与管道部分21之间还施加了传热膏。管道段15可被变形，以便与管道部分21相一致而改进传热。
热泵系统的其他零部件包括位于冷凝器5与毛细管8之间的液体电磁阀23和过滤器/干燥器25，该阀用于使已冷凝致冷剂的流动得以进行和断开。在管道11上设有观察镜(sight glass)27，其用于观察进入主膨胀阀10之前的致冷剂。在辅助管路31上还设有除冰电磁阀29。
下面说明热泵系统的操作情况。蒸发器1中的致冷剂被取自周围空气3的热所蒸发。压缩机4抽取来自蒸发器1的致冷剂蒸气，并将其从低压、低温蒸气状态压缩为高压、高温蒸气状态。然后，高压、高温致冷剂蒸气被排放给冷凝器5，该冷凝器起到热交换器的作用以把热从致冷剂蒸气变为水6。这一过程的结果是，致冷剂被冷凝成液体且过冷。
然后，液态致冷剂穿过液体电磁阀23和过滤器/干燥器25，以便去除致冷剂中的湿气和污物。当大部分液态致冷剂穿过过滤器/干燥器25之后，就流经管道11而去往主膨胀阀10。液态致冷剂膨胀而穿过主膨胀阀10，导致其压力和温度下降。致冷剂的温度此时就低于周围空气3的温度。接着，致冷剂进入蒸发器1，在那里，来自周围空气3的热再度被传送给致冷剂。已蒸发的致冷剂最终被排入压缩机4中，并使此种循环反复进行。
在大多数液态致冷剂进入主膨胀阀10的同时，有一小部分液态致冷剂(其可以占整个致冷剂的约10％)从管道11进入旁路通道12中，并穿过液态喷射电磁阀13而去往毛细管8。毛细管8使致冷剂部分膨胀，导致其压力和温度下降。温度已降低致冷剂部分于是穿过管道段15和止回阀17而去往喷射口7。液态/蒸气形式的致冷剂部分于是被喷射给压缩机4，以便与压缩机4中经过准一级压缩处理后的过热致冷剂蒸气混合并使其冷却(也就是说，当致冷剂蒸气已被压缩成中间压力之后，致冷剂部分被喷射进压缩机中)。其结果是，准两级压缩发生了，且已被结合的致冷剂蒸气及致冷剂部分被压缩为终压。已压缩的致冷剂接着就被排放到冷凝器5中。
由于压缩机4中的致冷剂经过了至少准一级压缩，把温度已降低致冷剂部分引入压缩机4中与过热致冷剂混合，就会降低下一级别压缩之前的致冷剂的温度，并因此降低压缩机中的温度以便进行后续压缩。这样就导致每一级别压缩的压力比被降低到合乎准两级压缩所要求的程度，并因此改进每一压缩的效率。由于致冷剂部分流体喷射的缘故而使准两级压缩与中间冷却在压缩机中结合，也会降低从热泵系统中抽取的动力(power)(与单级压缩比较而言)。流体喷射阀13和止回阀17控制着被喷射进压缩机4中温度已降低致冷剂部分的定时和方向。因此，以单级压缩机就能可控地达到至少准两级压缩。结果是，冷凝温度与蒸发温度之间的温差明显增大了，于是就增大了热泵系统的周围温度操作范围。
伸缩调整器8的推荐形式为毛细管，以便使热泵系统简化。毛细管8还可让温度已降低致冷剂部分仅仅在其膨胀而吸收来自管道11中的热之后且在进入主膨胀阀10之前被使用。如上所述，毛细管8螺旋盘绕在管道11和管道段15周围，而该管道段基本上平行于管道11并与其相接触。以此方式，管道11中的致冷剂就会被额外冷却，这样就降低了液态致冷剂在进入主膨胀阀10之前发生喷溅(flashing)的风险。
在本实施例中，尽管有大约10％数量的整个致冷剂被转移给毛细管8，但这一转移的数量依据周围热源的温度以及所要求的水温而定。
尽管上文说明了本发明的推荐实施例，但要明白，该系统的各个组成部件在其他实施例中可以变动。
图2显示了第二实施例，其中，对应部件均以同样附图标记表示。在第二实施例中，伸缩调整器8为带有中间冷却器35的膨胀阀33。中间冷却器35与冷凝器5及膨胀阀10流体相连。旁路通道12位于中间冷却器35下游。来自冷凝器5的液态致冷剂进入中间冷却器35。在致冷剂部分经由旁路通道12而被提取到液体喷射阀13之前，中间冷却器35先使液态致冷剂冷却。致冷剂部分穿过膨胀阀33以便进一步降低其温度和压力。温度已降低致冷剂部分接着返回到冷却器35，以便与来自冷凝器5而被递送给压缩机4之前穿过中间冷却器35的液态致冷剂交换热。如同在第一实施例中一样，致冷剂部分在压缩机中与致冷剂蒸气混合而导致至少准两级压缩。液态致冷剂部分从中间冷却器35之后提取，从而就会减少致冷剂在膨胀阀33和主膨胀阀9二者中喷溅的可能性。
在其他一些实施例中，如果要求的话，通过喷射准第二级压缩处理之后另外那些温度已降低致冷剂部分，就能导致多级压缩。
压缩机可以是其中带有一个或更多个液体喷射口的制冷压缩机，或者是修改成装备有液体喷射口的任何压缩机。
已经简化地说明了热泵系统，以便有助于理解本发明。要意识到，在该热泵系统中，还有其他部分和控制及安全所用机械装置未予说明，但这样并不影响该系统推荐形式的基本操作。
以上所说明的本发明推荐形式提供了对水加热所用能量高效及实用的系统，尤其是从寒冷温度环境下递送热的气源热泵系统。本发明的推荐形式替代当前的矿物燃料燃烧锅炉，从而降低对环境的任何不利影响。
尽管已参照专门例子说明了本发明，但专业人员都会明白，可以用许多其他形式实施本发明。
权利要求
1.一种用于加热流体的热泵系统，所述系统包括用于从热源提取热而使致冷剂蒸发的蒸发器；与所述蒸发器流体相连的压缩机，其用于压缩上述致冷剂的蒸气；与所述压缩机流体相连的冷凝器，其用于把来自所述已压缩致冷剂的热传送给所述流体；使所述冷凝器与所述蒸发器流体相连的主伸缩调整器，其用于降低致冷剂的温度；用于使来自所述冷凝器的一部分所述致冷剂转移并降低温度的装置；以及用于把所述温度已降低致冷剂部分流体喷射到所述压缩机中的装置，使所述温度已降低致冷剂部分与所述致冷剂蒸气在中间压力下混合，并导致所述致冷剂蒸气及排放到所述冷凝器中的所述致冷剂部分被至少准两级压缩。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述转移并降低温度的装置包括与冷凝器及压缩机流体相连的伸缩调整器。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述伸缩调整器包括毛细管。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述伸缩调整器包括膨胀阀。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述膨胀阀包括一个热交换器。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述热交换器是中间冷却器。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述中间冷却器与所述冷凝器及所述主伸缩调整器流体相连，从而致冷剂穿过所述中间冷却器而去往所述主伸缩调整器，并与穿过所述中间冷却器的所述致冷剂部分交换热量。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述流体喷射装置包括流体喷射阀，其用于控制所述致冷剂部分进入所述伸缩调整器的流动。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述压缩机包括与流体喷射装置相连接的流体喷射口。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述流体喷射装置包括与所述流体喷射口相连接的止回阀。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述转移并降低温度的装置包括与所述冷凝器及所述伸缩调整器流体相连的旁路通道。
12.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述主伸缩调整器通过第一管道而与所述冷凝器流体相连。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述第一管道与使得所述冷凝器与所述毛细管流体相连的旁路通道相连接。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述毛细管靠近所述第一管道，以便使穿过所述第一管道而去往所述主伸缩调整器的致冷剂冷却。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述毛细管螺旋盘绕所述第一管道。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述毛细管的下游末端连接着第二管道，所述第二管道与所述第一管道相接触，以便在所述第一管道与所述第二管道之间传热。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述第二管道基本上平行于所述第一管道。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于在所述第一管道与所述第二管道之间有传热膏放入，以便促进传热。
19.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述第二管道被变形以便与所述第一管道相一致。
20.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述主伸缩调整器是膨胀阀。
21.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述流体是水。
22.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述热源是周围空气。
23.一种加热流体的方法，该方法包括下列步骤从热源提取热而蒸发致冷剂；压缩所述致冷剂蒸气以便提高其温度；把来自所述被压缩致冷剂蒸气的热传送给所述流体；在上述传送步骤之后把一部分所述致冷剂转移并降低温度；降低所述致冷剂的温度；在所述压缩步骤期间引入所述温度已降低致冷剂部分，从而使所述温度已降低致冷剂部分与所述致冷剂蒸气在中间压力下混合，并导致所述致冷剂蒸气及所述致冷剂部分被至少准两级压缩；以及排放所述被压缩致冷剂以便在所述传送步骤中把热传送给所述流体。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于还包括使所述致冷剂从所述温度降低步骤到所述蒸发步骤的返回步骤。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于所述流体是水。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于所述热源是周围空气。
全文摘要
一种用于加热流体(6)的热泵系统，所述系统包括用于从热源(3)提取热而使致冷剂蒸发的蒸发器(1)；与所述蒸发器(1)流体相连而用于压缩所述致冷剂蒸气的压缩机(4)；与所述压缩机(4)流体相连而用于把来自所述已压缩致冷剂的热传送给所述流体(6)的冷凝器(5)；使所述冷凝器(5)与所述蒸发器(1)流体相连的主伸缩调整器(10)，其用于降低致冷剂的温度；用于使来自所述冷凝器(5)的一部分所述致冷剂转移并降低温度的装置(8)；以及用于经流体而把所述温度已降低致冷剂部分喷射到所述压缩机(4)中的装置(9)，从而使所述温度已降低致冷剂部分与所述致冷剂蒸气在中间压力下混合，并导致所述致冷剂蒸气及排放到所述冷凝器(5)中的所述致冷剂部分被至少准两级压缩。并提供一种用于加热流体的方法。
文档编号F25B1/10GK1865812SQ200510125308
公开日2006年11月22日 申请日期2005年11月15日 优先权日2005年5月19日
发明者友赢 申请人:量子能技术股份有限公司