[發(fā)明專利]二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)和具有其的二氧化碳熱泵熱水裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710028913.8
• 申請(qǐng)日: 2017-01-16
• 公開（公告）號(hào): CN106801995B
• 公開（公告）日: 2019-12-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜培學(xué);張富珍;胥蕊娜;祝銀海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): F24H4/02
• 分類號(hào): F24H4/02;F24H9/20;F24H9/00
• 代理公司: 11201 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 黃德海

本發(fā)明公開了一種二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)和具有其的二氧化碳熱泵熱水裝置，二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)包括：具有依次相連的蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、第一氣體冷卻器、第二氣體冷卻器和節(jié)流裝置的二氧化碳熱泵回路，二氧化碳在第一氣體冷卻器內(nèi)被冷卻至準(zhǔn)臨界溫度區(qū)，第一氣體冷卻器具有第一進(jìn)水口和第一出水口，第二氣體冷卻器具有第二進(jìn)水口和第二出水口；包括第一水路和第二水路的水路，第一水路的進(jìn)水端和第二水路的進(jìn)水端分別與第二出水口連通，第一水路的出水端與第一進(jìn)水口連通；設(shè)在水路上以控制第一進(jìn)水口和第二水路的出水端分別與第二出水口的通斷的控制水閥。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)可以保證熱水產(chǎn)出量、產(chǎn)出溫度以及高熱泵系數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱水裝置技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)和具有其的二氧化碳熱泵熱水裝置。

背景技術(shù)

相關(guān)技術(shù)的CO₂熱泵熱水器中存在著CO₂冷卻溫度和出水溫度之間的矛盾，具體而言，在高水流量下，CO₂可被冷卻到預(yù)定的溫度，系統(tǒng)的熱泵系數(shù)能夠保證，但熱水的出水溫度較低，達(dá)不到要求的出水溫度；在較低水流量下，熱水能夠達(dá)到出水溫度，但是CO₂冷不下來，達(dá)不到預(yù)定的冷卻溫度，從而導(dǎo)致熱泵系數(shù)不高，降低了CO₂熱泵熱水器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，CO₂熱泵熱水器有待進(jìn)一步改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)是基于發(fā)明人對(duì)以下事實(shí)和問題的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)作出的：

CO₂熱泵熱水器(又稱二氧化碳熱泵熱水器)是運(yùn)行在跨臨界區(qū)的熱力系統(tǒng)，來自壓縮機(jī)的高溫高壓CO₂(即二氧化碳)進(jìn)入氣體冷卻器中與冷水進(jìn)行熱量交換，CO₂被冷卻，水被加熱。其從環(huán)境吸熱的過程一般位于亞臨界區(qū)，而加熱熱水的過程則發(fā)生在超臨界區(qū)。超臨界區(qū)的CO₂冷卻放熱過程是一個(gè)近似等壓的變溫過程。在此熱交換過程中，CO₂的比熱容會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生極大的變化，尤其是在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近，比熱容的變化非常劇烈。

在氣體冷卻器內(nèi)，當(dāng)CO₂與水進(jìn)行熱量交換時(shí)，最小傳熱溫差會(huì)出現(xiàn)在換熱器內(nèi)部，即出現(xiàn)夾點(diǎn)。夾點(diǎn)的出現(xiàn)使得基于傳統(tǒng)的端部溫差法按照能量和質(zhì)量平衡設(shè)計(jì)的換熱目標(biāo)難以達(dá)到，從而出現(xiàn)了上述矛盾。

也就是說，在CO₂與冷水進(jìn)行熱量交換的過程中，出現(xiàn)的熱水熱不上去或CO₂冷不下來的主要原因是高溫CO₂的比熱容在一定壓力下隨著溫度降低而升高，在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近急劇升高，到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大，然后急劇降低。比熱容的這種變化趨勢(shì)使得準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近的單位質(zhì)量的CO₂每降低1度可使單位質(zhì)量的水溫度升高7度(以8MPa的CO₂為例)，而在高溫區(qū)(CO₂離開壓縮機(jī)進(jìn)入CO₂氣體冷卻器的初期)的CO₂的比熱容較少，單位質(zhì)量的CO₂的溫度降低1度，只能使單位質(zhì)量的水溫度升高0.4度。因此，在冷熱兩股流體質(zhì)量不變的情況下，出現(xiàn)了背景技術(shù)中所說的流量高時(shí)熱水溫度上不去而流量少時(shí)CO₂冷不下來的情況。

有鑒于此，本申請(qǐng)的發(fā)明人根據(jù)CO₂在一定壓力下比熱容隨溫度變化的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了分段加熱的分流調(diào)節(jié)法。具體地，將氣體冷卻器分成兩個(gè)，第一段用于將CO₂冷卻到準(zhǔn)臨界點(diǎn)溫度附近，而水被加熱到溫度不太高的某一合適的溫度范圍內(nèi)(基于CO₂在第一段被冷卻到的溫度以及需要的傳熱溫差確定)，然后溫水被分成兩股，一股作為溫水而輸出，一股繼續(xù)進(jìn)入下一級(jí)加熱器繼續(xù)被CO₂加熱而達(dá)到要求的熱水溫度，而CO₂也放出熱量被冷卻。