CN100401001C - 地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置 - Google Patents

Abstract

地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，它涉及一种水源热泵系统凝固热利用的装置。本发明针对现有地表水源热泵系统凝固热利用，采用热熔法存在工艺复杂及采用机械振荡除冰法存在消耗能耗大问题。本发明的螺杆(1-4)的一端沿壳体的长度方向装在壳体内，装在壳体内的螺杆(1-4)上至少装有一个与螺杆(1-4)螺纹连接的孔板，螺杆(1-4)的另一端通过减速器(1-2)与电机(1-1)相连接，穿过孔板的换热管进口(1-3-1)与壳体上的换热载体入口(1-9)相连接，穿过孔板的换热管出口(1-3-2)与壳体上的换热载体出口(1-10)相连接，壳体上设有进水口(1-11)和出水口(1-12)。该装置利用地表水源凝固热结冰，通过孔板往复移动除冰、除垢，具有结构简单，投资低，换热效率高的优点。

Description

地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置

技术领域

本发明涉及一种水源热泵系统凝固热利用的装置。

背景技术

开发利用各类低位可再生性清洁能源作为热泵冷热源为建筑物供暖空调提供能量的同时，还具有重要的节能与环保意义。江、河、湖、海水，城市污水等水源是良好的低位能源，数量丰富，分布面广，潜在的热能巨大，较空气源而言，不仅热容量高，而且相对比较还具有冬暖夏凉的热物性特点。热泵制热系数较空气源高出30％，较土壤源则具有较高的传热效率，热泵系统效率高，初投资低，它相对地下水源而言则取之不尽，无回灌、地质及水资源等相关问题。因此，有效合理地开发利用这类地表水源为建筑物供暖空调提供能量具有重大意义。

国外早在19世纪70年代初就有江、河、湖、海水源热泵系统的工程实例，从理论到实践证实了水源热泵系统的节能、环保及经济价值，其中开发利用水源凝固热的方法与工程也有报道。我国近几年随着能源消耗与环境污染问题的加重，水源热泵系统得到了推广应用，但主要是地下水，江、河、湖、海水源等地表水仅有个别工程实施，其中城市污水近两年也开始了推广应用。目前，地表水源热泵系统凝固热利用有两种方法：热熔和机械除冰；采用热熔法存在系统不稳定，需要消耗部分高位热能，综合效率低，工艺复杂问题；采用机械振荡搅拌方法除冰，存在结构复杂、成本高、消耗能耗大等问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的地表水源热泵系统凝固热利用，采用热熔法存在系统不稳定，需要消耗部分高位热能，综合效率低，工艺复杂问题；采用机械振荡搅拌方法除冰，存在结构复杂、成本高、消耗能耗大问题而提供的一种地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置。

本发明包括换热器；所述的换热器由电机、减速器、换热管、螺杆、孔板、壳体组成；螺杆的一端沿壳体的长度方向装在壳体内，螺杆的另一端通过减速器与电机的输出轴相连接，换热管进口通过换热载体进口腔或进入腔与壳体上的换热载体入口相连接，换热管出口通过换热载体出口腔或流出腔与壳体上的换热载体出口相连接，所述的壳体上设有进水口和出水口；装在壳体内的螺杆上至少装有一个与螺杆螺纹连接的孔板，孔板与壳体内壁之间具有水流通道。

本发明具有以下有益效果：一、由于换热管装在孔板上，通过换热管内的换热载体与流过换热管外壁上的地表水进行换热，换热载体吸收地表水的凝固热，使地表水在换热管外壁上结冰，利用螺杆的转动，使装在螺杆上并与螺杆螺纹连接的孔板在螺杆上作往复运动(通过电机的正反转)，通过孔板的往复移动将换热管外壁上的结冰除掉，本发明具有结构简单、使用安全、可靠的优点。二、本发明的主要工作部件是螺杆和孔板，二者通过电机带动工作，其机械工艺简单，容易加工制造，投资也较低，并且整体体积小、重量轻。三、在孔板来回移动过程中，不但可将换热管外壁上的结冰清除掉，而且还能清除换热管外壁上的软垢，防止软垢附着在换热管外壁上，同时，由于孔板的往复移动，还可增强水流扰动，提高换热效率。四、采用电机驱动，能耗较小，使整个热泵系统辅助能耗低，能保证系统高效运行。

附图说明

图1是本发明的换热器1的主视剖面图(采用圆柱状壳体1和一个孔板)，图2是图1的A-A剖视图，图3是本发明的换热器1的主视剖面图(采用长方体壳体、一组喷淋口和一个孔板)，图4是图3的B-B剖视图，图5是本发明的换热器1的主视剖面图(采用长方体壳体、一组喷淋头和一个孔板)，图6是图5的C-C剖视图，图7是换热器1与压缩机4、冷凝器5、膨胀阀6相连接的结构简图，图8是本发明的换热器1的主视剖面图(采用一组孔板和一组螺杆并分别采用平行并列的排列方式)，图9是本发明的换热器1的主视剖面图(采用孔板的纵向尺寸增大的配置方式)，图10是换热器1采用多台并联的连接方式与压缩机4、冷凝器5、膨胀阀6相连接的结构原理图，图11是本发明的换热器1的主视剖面图(采用一组孔板)，图12是在换热器1的进水口1-11和出水口1-12之间的管路3上设置水泵2的结构原理图，图13是在原有热泵机组不变的情况下，增加换热器1和循环泵8的结构原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7说明本实施方式，本实施方式由换热器1、压缩机4、膨胀阀6、冷凝器5组成；所述的换热器1由电机1-1、减速器1-2、换热管1-3、螺杆1-4、孔板、壳体组成；螺杆1-4的一端沿壳体的长度方向装在壳体内，装在壳体内的螺杆1-4上装有一个与螺杆1-4螺纹连接的孔板，孔板与壳体内壁之间具有水流通道1-8，螺杆1-4的另一端通过减速器1-2与电机1-1的输出轴相连接，换热管进口1-3-1通过换热载体进口腔或进入腔与壳体上的换热载体入口1-9相连接，换热管出口1-3-2通过换热载体出口腔或流出腔与壳体上的换热载体出口1-10相连接，所述的壳体上设有进水口1-11和出水口1-12，所述的换热载体入口1-9与膨胀阀6的输出端相连接，膨胀阀6的输入端与冷凝器5的输出端相连接，冷凝器5的输入端与压缩机4的输出端相连接，压缩机4的输入端与所述的换热载体出口1-10相连接。孔板既作为内隔板，增加壳程数，又作为除冰板。孔板往复移动既加强了水流的扰动，增大了传热系数，同时能去除管外垢层与水源中污染物的附着层，很大程度上提高了换热效率。设置单孔板机械上更容易实现。

本实施方式中，为提高除冰效率，还可选用一组螺杆(参见附图8)，选用一组螺杆时，每根螺杆1-4之间采用平行并列的排列方式，每根螺杆1-4配有一台电机1-1和一个减速器1-2。

本实施方式中，当换热器1的换热面积较大时，若所有换热管束集中穿越孔板，对机械传动不利，可考虑分散换热管束的办法，即选用一组平行并列的孔板(参见附图8)或增大孔板的纵向尺寸(参见附图9)。

当使用单台换热器1换热量有限或不够时，可考虑多台并联使用(参见附图10)。使用时，先将每个换热器1的换热载体入口1-9并联后再与膨胀阀6的输出端相连接，膨胀阀6的输入端与冷凝器5的输出端相连接，

冷凝器5的输入端与压缩机4的输出端相连接，每个换热器11的换热载体出口1-10并联后与压缩机4的输入端相连接。

具体实施方式二：结合图11说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的壳体内的螺杆1-4上装有一组与螺杆1J螺纹连接的孔板。采用上述结构，可提高工作效率。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2、图11说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的壳体是圆柱状壳体；所述的圆柱状壳体由圆柱状外壳、第一固定板1-6-1、第二固定板1-6-2和隔板1-6-3组成；所述的圆柱状外壳由圆柱状筒体1-6-7和分别与圆柱状筒体1-6-7两端焊接的第一封头1-6-8和第二封头1-6-6组成；第一固定板1-6-1和第二固定板1-6-2分别装在圆柱状筒体1-6-7内的两端并分别与圆柱状筒体1-6-7的内壁焊接，第一固定板1-6-1上设有凹孔1-6-1-1，第二固定板1-6-2上设有中心孔1-6-2-1，第二封头1-6-6上设有与所述的中心孔1-6-2-1及凹孔1-6-1-1同轴的通孔1-6-6-1；所述的螺杆1-4的一端穿过所述的通孔1-6-6-1和中心孔1-6-2-1装在所述的凹孔1-6-1-1内，第一固定板1-6-1上设有换热管连接孔1-6-1-2，第二固定板1-6-2上设有与所述的换热管连接孔1-6-1-2同轴的换热管通过孔1-6-2-2，隔板1-6-3固定装在由第一固定板1-6-1与第一封头1-6-8围成的空腔内并将所述的空腔分割成一个换热载体进口腔1-6-4和一个换热载体出口腔1-6-5，所述的换热载体入口1-9设置在换热载体进口腔1-6-4所对应的第一封头1-6-8上，换热载体入口1-9通过换热载体进口腔1-6-4与所述的换热管进口1-3-1相连接，所述的换热载体出口1-10设置在换热载体出口腔1-6-5所对应的第一封头1-6-8上，换热载体出口1-10通过换热载体出口腔1-6-5与所述的换热管出口1-3-2相连接，圆柱状筒体1-6-7上设有所述的进水口1-11和出水口1-12，所述的圆柱状壳体内的螺杆1-4上装有一个大半圆形孔板1-5-2或一组大半圆形孔板。

本实施方式中，为了增加大半圆形孔板1-5-2的使用寿命，可在大半圆形孔板1-5-2的换热管插入孔1-5-2-2的内壁上设置耐磨材料层。

具体实施方式四：结合图3、图4、图5、图6、图8、图9说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的壳体是长方体壳体；所述的长方体壳体包括长方体外壳1-7-1、第一支撑板1-7-2、第二支撑板1-7-3和间隔板1-7-4；第一支撑板1-7-2和第二支撑板1-7-3分别装在长方体外壳1-7-1内并与长方体外壳1-7-1的内壁固定连接，由第一支撑板1-7-2与长方体外壳1-7-1的一侧封堵1-7-1-1围成一个腔室，间隔板1-7-4固定装在所述的腔室内并将腔室分割成换热载体进入腔1-7-5和换热载体流出腔1-7-6，所述的换热载体入口1-9设置在换热载体进入腔1-7-5所对应的长方体外壳1-7-1的一侧封堵1-7-1-1上，换热载体入口1-9通过换热载体进入腔1-7-5与所述的换热管进口1-3-1相连接，所述的换热载体出口1-10设置在换热载体流出腔1-7-6所对应的长方体外壳1-7-1的一侧封堵1-7-1-1上，换热载体出口1-10通过换热载体流出腔1-7-6与所述的换热管出口1-3-2相连接，第一支撑板1-7-2上设有凹槽孔1-7-2-1，第二支撑板1-7-3上设有圆孔1-7-3-1，长方体外壳1-7-1的另一侧封堵1-7-1-2上设有与所述的圆孔1-7-3-1及凹槽孔1-7-2-1同轴的支撑孔1-7-1-3；所述的螺杆1-4的一端穿过所述的支撑孔1-7-1-3和圆孔1-7-3-1装在所述的凹槽孔1-7-2-1内，第一支撑板1-7-2上设有换热管装入孔1-7-2-2，第二支撑板1-7-3上设有与所述的换热管装入孔1-7-2-2同轴的换热管穿入孔1-7-3-2，长方体外壳1-7-1的侧壁上设有所述的进水口1-11和出水口1-12，所述的长方体壳体内的螺杆1-4上装有方形孔板1-5-1。

本实施方式中，为了增加方形孔板1-5-1的使用寿命，可在方形孔板1-5-1的换热管固定孔1-5-1-2的内壁上设置耐磨材料层。

具体实施方式五：结合图3、图4、图5、图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四的不同点是：本实施方式的长方体壳体还包括水管1-7-7和一组喷淋头1-7-8或一组喷淋口1-7-9；所述的水管1-7-7与所述的长方体外壳1-7-1的内壁固定连接，所述的喷淋头1-7-8或喷淋口1-7-9设置在水管1-7-7上，水管1-7-7与所述的进水口1-11相连接，水管1-7-7的两端分别与第一支撑板1-7-2和第二支撑板1-7-3焊接。利用淋激式换热器原理，当地表水源中污染物含量大时，采用上述结构，使换热器1内的水流处于淋激状态。孔板作为除冰板来回移动加强水流扰动，增大传热系数，同时还可去除换热管1-3外壁软垢层与地表水源中污染物的附着层，提高换热效率。

具体实施方式六：结合图3、图5说明本实施方式，本实施方式的喷淋头1-7-8或喷淋口1-7-9沿水管1-7-7的长度方向均匀分布。采用上述结构，可使换热管1-3外壁上的结冰层均匀一致，利于除冰。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图12说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式还增加有水泵2和管路3；所述的管路3的一端与壳体的进水口1-11连接，管路3的另一端与壳体的出水口1-12连接，所述的水泵2设置在管路3上。当地表水源的结冰比例较大时(例如50％的水量结冰)，换热器1内的水流后半程流速小，而且水流含冰比例大，为防止流通断面阻塞或冰层附着，采取上述结构，可使部分水量回流，以此增大换热器1内的水流量与流速。

工作过程是：换热载体(采用制冷剂)由换热载体入口1-9进入到换热管1-3内流动，地表水通过进水口1-11进入到换热器1的壳体内并在换热管1-3外流动，两者通过换热管1-3的管壁换热，地表水吸收冷量后在换热管1-3的外壁上结冰，装在换热管1-3上的孔板通过螺杆1-4的正反转动(螺杆1-4由电机带动)，使孔板在螺杆1-4上往复移动，通过孔板的移动将换热管1-3外壁上的结冰除掉，并同时将换热管1-3管壁上的软垢清除掉，除掉的冰、软垢及没有结冰的地表水由出水口1-12流出，经换热后的制冷剂由换热载体出口1-10流出。

在使用现有热泵机组的情况下，即蒸发器7不变，增加换热器1，既增加中间换热过程，进入换热器1内的换热载体(采用热媒，这里可采用乙二醇溶液)与进入换热器1壳体内的地表水进行换热，热媒吸收地表水凝固热后通过蒸发器7将热量传递给换热载体(该换热载体为制冷剂，制冷剂经由膨胀阀6的输出端进入到蒸发器7内与热媒换热后，再进入到压缩机4内，再经压缩机4的输出端进入到冷凝器5内，再经冷凝器5的输出端进入到膨胀阀6内循环)，从而为建筑物供暖空调提供能量。为了使从换热器1出来的换热载体(热媒)迅速的进入蒸发器7内换热，减少其能量损失，在蒸发器7和换热器1之间的输送管路上设置有循环泵8(参见附图13)。

Claims (8)

1.一种地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，它包括换热器(1)；所述的换热器(1)由电机(1-1)、减速器(1-2)、换热管(1-3)、螺杆(1-4)、孔板、壳体组成；螺杆(1-4)的一端沿壳体的长度方向装在壳体内，螺杆(1-4)的另一端通过减速器(1-2)与电机(1-1)的输出轴相连接，换热管进口(1-3-1)通过换热载体进口腔或进入腔与壳体上的换热载体入口(1-9)相连接，换热管出口(1-3-2)通过换热载体出口腔或流出腔与壳体上的换热载体出口(1-10)相连接，所述的壳体上设有进水口(1-11)和出水口(1-12)；其特征在于装在壳体内的螺杆(1-4)上至少装有一个与螺杆(1-4)螺纹连接的孔板，孔板与壳体内壁之间具有水流通道(1-8)。

2.根据权利要求1所述的地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，其特征在于所述的孔板是方形孔板(1-5-1)；所述的方形孔板(1-5-1)上设有与螺杆(1-4)相配合的螺纹孔(1-5-1-1)和换热管固定孔(1-5-1-2)。

3.根据权利要求1所述的地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，其特征在于所述的孔板是大半圆形孔板(1-5-2)；所述的大半圆形孔板(1-5-2)上设有与螺杆(1-4)相配合的螺孔(1-5-2-1)和换热管插入孔(1-5-2-2)。

4.根据权利要求3所述的地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，其特征在于所述的壳体是圆柱状壳体；所述的圆柱状壳体由圆柱状外壳、第一固定板(1-6-1)、第二固定板(1-6-2)和隔板(1-6-3)组成；所述的圆柱状外壳由圆柱状筒体(1-6-7)和分别与圆柱状筒体(1-6-7)两端焊接的第一封头(1-6-8)和第二封头(1-6-6)组成；第一固定板(1-6-1)和第二固定板(1-6-2)分别装在圆柱状筒体(1-6-7)内的两端并分别与圆柱状筒体(1-6-7)的内壁焊接，第一固定板(1-6-1)上设有凹孔(1-6-1-1)，第二固定板(1-6-2)上设有中心孔(1-6-2-1)，第二封头(1-6-6)上设有与所述的中心孔(1-6-2-1)及凹孔(1-6-1-1)同轴的通孔(1-6-6-1)；所述的螺杆(1-4)的一端穿过所述的通孔(1-6-6-1)和中心孔(1-6-2-1)装在所述的凹孔(1-6-1-1)内，第一固定板(1-6-1)上设有换热管连接孔(1-6-1-2)，第二固定板(1-6-2)上设有与所述的换热管连接孔(1-6-1-2)同轴的换热管通过孔(1-6-2-2)，隔板(1-6-3)固定装在由第一固定板(1-6-1)与第一封头(1-6-8)围成的空腔内并将所述的空腔分割成一个换热载体进口腔(1-6-4)和一个换热载体出口腔(1-6-5)，所述的换热载体入口(1-9)设置在换热载体进口腔(1-6-4)所对应的第一封头(1-6-8)上，换热载体入口(1-9)通过换热载体进口腔(1-6-4)与所述的换热管进口(1-3-1)相连接，所述的换热载体出口(1-10)设置在换热载体出口腔(1-6-5)所对应的第一封头(1-6-8)上，换热载体出口(1-10)通过换热载体出口腔(1-6-5)与所述的换热管出口(1-3-2)相连接，圆柱状筒体(1-6-7)上设有所述的进水口(1-11)和出水口(1-12)，所述的圆柱状壳体内的螺杆(1-4)上装有所述的大半圆形孔板(1-5-2)。

5.根据权利要求1所述的地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，其特征在于所述的壳体是长方体壳体；所述的长方体壳体包括长方体外壳(1-7-1)、第一支撑板(1-7-2)、第二支撑板(1-7-3)和间隔板(1-7-4)；第一支撑板(1-7-2)和第二支撑板(1-7-3)分别装在长方体外壳(1-7-1)内并与长方体外壳(1-7-1)的内壁固定连接，由第一支撑板(1-7-2)与长方体外壳(1-7-1)的一侧封堵(1-7-1-1)围成一个腔室，间隔板(1-7-4)固定装在所述的腔室内并将腔室分割成换热载体进入腔(1-7-5)和换热载体流出腔(1-7-6)，所述的换热载体入口(1-9)设置在换热载体进入腔(1-7-5)所对应的长方体外壳(1-7-1)的一侧封堵(1-7-1-1)上，换热载体入口(1-9)通过换热载体进入腔(1-7-5)与所述的换热管进口(1-3-1)相连接，所述的换热载体出口(1-10)设置在换热载体流出腔(1-7-6)所对应的长方体外壳(1-7-1)的一侧封堵(1-7-1-1)上，换热载体出口(1-10)通过换热载体流出腔(1-7-6)与所述的换热管出口(1-3-2)相连接，第一支撑板(1-7-2)上设有凹槽孔(1-7-2-1)，第二支撑板(1-7-3)上设有圆孔(1-7-3-1)，长方体外壳(1-7-1)的另一侧封堵(1-7-1-2)上设有与所述的圆孔(1-7-3-1)及凹槽孔(1-7-2-1)同轴的支撑孔(1-7-1-3)；所述的螺杆(1-4)的一端穿过所述的支撑孔(1-7-1-3)和圆孔(1-7-3-1)装在所述的凹槽孔(1-7-2-1)内，第一支撑板(1-7-2)上设有换热管装入孔(1-7-2-2)，第二支撑板(1-7-3)上设有与所述的换热管装入孔(1-7-2-2)同轴的换热管穿入孔(1-7-3-2)，长方体外壳(1-7-1)的侧壁上设有所述的进水口(1-11)和出水口(1-12)，装在长方体壳体内的螺杆(1-4)上装有方形孔板(1-5-1)。

6.根据权利要求5所述的地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，其特征在于所述的长方体壳体还包括水管(1-7-7)和一组喷淋头(1-7-8)或一组喷淋口(1-7-9)；所述的水管(1-7-7)与所述的长方体外壳(1-7-1)的内壁固定连接，所述的喷淋头(1-7-8)或喷淋口(1-7-9)设置在水管(1-7-7)上，水管(1-7-7)与所述的进水口(1-11)相连接，水管(1-7-7)的两端分别与第一支撑板(1-7-2)和第二支撑板(1-7-3)焊接。

7.根据权利要求6所述的地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，其特征在于所述的喷淋头(1-7-8)或喷淋口(1-7-9)沿水管(1-7-7)的长度方向均匀分布。

8.根据权利要求1所述的地表水源热泵系统凝固热利用及防污染装置，其特征在于它还包括水泵(2)和管路(3)；所述的管路(3)的一端与壳体的进水口(1-11)连接，管路(3)的另一端与壳体的出水口(1-12)连接，所述的水泵(2)设置在管路(3)上。

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