[发明专利]高效的极低温两级压缩跨临界空气源热泵热水器

说明书

一种高效的极低温两级压缩跨临界空气源热泵热水器，包括水箱、第一水泵、第二水泵和电加热器等，所述水箱的第一出口与第一水泵的入口相连，第一水泵的出口与第一截止阀入口相连，第一截止阀的出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的出口与气冷器第一的入口相连，气冷器的第一出口与水箱的第一入口相连；冷水进水口与第三截止阀的入口相连，第三截止阀的出口与第四截止阀的入口相连。本发明基于能量梯级利用的热力学原理，采用两级压缩跨临界热泵系统，将循环加热、直热和电加热三种模式巧妙结合，发挥不同梯级能量的优势，降低低温下气冷器出口温度，以此增加从空气吸收的热量，提升总体能效，系统可以在‑40℃的极低温下运行。

技术领域

本发明属于热水器，涉及一种热泵热水器。

背景技术

CO₂跨临界热泵循环采用清洁的工质，相比传统的卤代烃类(氟 利昂类)工质更环保，温室效应极低，更易获取。此外，由于其气冷 器中工质处于超临界的特性使得特别适合通过逆流换热制取温度较高 的热水，较为节能。因此，跨临界空气源热泵成为热泵领域的重点研 究和发展对象。

但该种热泵在使用中难免会出现热水在水箱中静止时导致温度降 低需要循环加热的情况，此时其效率就较低。更致命的是，随着应用 面的扩大，当其用于低温环境时，如中国北方冬季普遍可以降到-10℃ 乃至-20℃以下，该种热泵的效率快速下降。原蒸发温度10℃，北方 冬季蒸发温度-20℃，伴随着蒸发温度降低，其吸气压力快速降低，由 于压缩机的压比变化有限，其排气压力也必然下降，例如从10MPa 下降为7MPa。产生热水不变，例如温度是65℃时，则65℃等温线与 10MPa和7MPa等压线交点分别为a和b，我们可以看到b点相比a 向右移动了很大的距离，这导致从a点和b点分别膨胀达到相应的蒸 发温度后的c点与e点的位置相差较大，线段ef非常短，远远短于cd， 这意味着ef对应的过程蒸发器从空气中吸收的热量非常少，即系统的 能效很低，非常接近于1，考虑到压缩机效率、漏热损失、压力损失 等，效率可能低于传统电加热。

发明内容

为了克服已有热泵热水器的能效较低、效率较低的不足，为了改善 上述问题，本发明基于能量梯级利用的热力学原理，采用两级压缩跨 临界热泵系统，将循环加热、直热和电加热三种模式巧妙结合，发挥 不同梯级能量的优势，降低低温下气冷器出口温度，以此增加从空气 吸收的热量，优化热泵运行工况，提升总体能效，系统可以在-40℃的 极低温下运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高效的极低温两级压缩跨临界空气源热泵热水器，包括水箱、 蒸发器、第一压缩机、第二压缩机、气冷器、第一节流装置、气液分 离器、第二节流装置、第一水泵、第二水泵和电加热器，所述水箱的 第一出口与第一水泵的入口相连，第一水泵的出口与第一截止阀的入 口相连，第一截止阀的出口与第二截止阀的入口相连，第二截止阀的 出口与气冷器的第一入口相连，气冷器的第一出口与水箱的第一入口 相连；冷水进水口与第三截止阀的入口相连，第三截止阀的出口与第 四截止阀的入口相连，第四截止阀的出口同时与第一截止阀的出口和 第二截止阀的入口相连；第三截止阀的出口还与第五截止阀的入口相连，第五截止阀的出口与水箱的第三入口相连；水箱的第二出口与第 二水泵的入口相连，第二水泵的出口与电加热器的入口相连，电加热 器的出口与第六截止阀的入口相连，第六截止阀的出口与第七截止阀 的入口相连，第七截止阀的出口与水箱的第二入口相连；水箱的第三 出口与第八截止阀的入口相连，第八截止阀的出口与第九截止阀入口 相连，第九截止阀的出口与用户相连；第六截止的出口还与第九截止 阀的入口相连；气冷器的第二出口与第一节流装置的入口相连，第一 节流装置的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口与 第一压缩机的入口相连，第一压缩机的出口与气冷器的第二入口相连；气液分离器的第二出口与第二节流装置的入口相连，第二节流装置的 出口与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口与第二压缩机的入口相连， 第二压缩机的出口与第一压缩机的入口相连。