CN102353177A - 利用工业余热驱动的vm循环热泵型空调热水器 - Google Patents

Abstract

一种利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，用于解决充分利用工业余热制冷、制热问题。技术方案是：构成包括VM循环热泵装置、工业余热利用装置、室内换热器、室外换热器、冷媒—水套管式换热器、储水箱及截止阀、三通阀、四通阀、连接管路；工业余热利用装置的热管式交换器设置在VM循环热泵装置在热气缸与热回热器之间；由VM循环热泵装置、室内换热器、室外换热器、冷媒—水套管式换热器、储水箱及截止阀、三通阀、四通阀、连接管路构成不同模式下的制冷、制热回路。本发明将工业余热回收技术与VM循环热泵技术相结合，利用工业余热作为能源驱动VM循环热泵工作来达到制冷取暖的目的，可广泛利用各种工业余热，提高能源利用率。

Description

利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器

技术领域

本发明涉及一种VM循环热泵系统，特别是利用工业余热驱动的VM循环热泵装置来实现制冷、供暖、供热三联供给系统，属于热交换技术领域。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，能源消耗量的不断增加，能源紧张已成为一个世界性的问题。与此同时工业余热中蕴含有大量未被利用的能量，资源利用提升空间很大。例如冶金行业中可利用的余热约占其燃料消耗量的33%，建筑材料约占40%，机械制造加工业约占15%，化工、玻璃、搪瓷业占15%以上，造纸、木材业占17%，纺织业约占10%。工业余热按照其温度高低可分为：高温余热，T≥650℃；中温余热，230℃≤T<650℃；低温余热，T<230℃。其中，中高温余热废气占70%-80%。目前受节能技术、装备水平的限制和节能意识影响，在窑炉工业企业中仍有大量的中、高温废气余热资源未被充分利用，30%-90%的热量被排放到环境中，不仅造成了严重的能源浪费，而且造成了严重的环境热污染，加剧了城市“热岛效应”。在当今这个提倡节能减排的时期，采取措施高效回收工业余热，已经成为一项迫在眉睫的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足：提供一种利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，该空调热水器可以实现制冷、供暖、供热三联供给系统。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，其特别之处是：构成中包括VM循环热泵装置、工业余热利用装置、室内换热器、室外换热器、冷媒—水套管式换热器、储水箱及截止阀、三通阀、四通阀、连接管路，所述工业余热利用装置包括工业废气利用管道及与其连通的热管式交换器；所述VM循环热泵装置包括冷气缸、冷回热器、热气缸、热回热器、冷量换热器和冷却器，所述热管式交换器设置在热气缸与热回热器之间；所述冷媒—水套管式换热器连通储水箱； 

所述冷量换热器、第一循环泵、第一三通阀、第二三通阀、室内换热器、第三三通阀、第四三通阀及连接管路构成室内制冷循环回路；

所述冷却器、第二循环泵、冷媒—水套管式换热器、第五三通阀、第一四通阀、第二四通阀、第一截止阀及连接管路构成供热水循环回路；

所述冷却器   、第二循环泵、第二截止阀、第三三通阀、室内换热器、第二三通阀及连接管路构成室内供热循环回路；

所述冷却器、第二循环泵、第五三通阀、第一四通阀、室外换热器、第二四通阀、第一截止阀及连接管路构成室外散热循环回路。

上述利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，所述冷媒—水套管式换热器和储水箱之间设有热电偶和第三循环泵。

 上述利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，所述余工业废气利用管道采用回路式，其上设置第三、第四截止阀。

本发明的主要优点如下：1、将工业余热回收技术与VM循环热泵技术相结合，需要制冷或取暖时，可利用工业余热作为能源驱动VM循环热泵工作来达到制冷取暖的目的，提高能源利用率，且不会消耗其他的高品位能源，也不会造成能源的短缺和环境污染的加重；2、VM循环热泵工质是氮气、氦气等，不会对环境产生污染，没有氟利昂制冷剂的替代问题，也没有臭氧层破坏和温室效应；3、VM循环热泵性能系数比目前直燃型吸收式机组高，而且寿命长；4、结构简单，设计合理，控制完备，应用广泛，适合各种工业生产的余热利用。

附图说明

图1是本发明原理示意图；

图2是VM循环热泵装置和工业余热利用装置示意图；

图3-6是VM循环热泵原理图。

图中各标号含义如下：1.冷气缸，2.冷推移活塞，3.冷回热器，4.热气缸、5.热推移活塞，6.热回热器，7.冷量换热器，8.冷却器，9.推移活塞的驱动连杆机构，10.热管式换热器，11. 工业废气利用管道，12.第三截止阀，13.第四截止阀，14.储水箱，15.第三循环泵，16. 冷媒—水套管式换热器，17.热电偶，18.第五三通阀，19.第一四通阀，20.室外换热器，21.第二四通阀，22.第一截止阀，23.第二三通阀，24.第一三通阀，25.第一循环泵，26.室内换热器，27.第三三通阀，28.第四三通阀，29.第二截止阀，30.第二循环泵，31. VM循环热泵装置，32.驱动电机。

具体实施方式

参看图2，本发明将工业余热回收技术与VM循环热泵技术结合为一体，可同时实现制冷、制热。所述VM循环热泵装置由冷气缸1，冷推移活塞2，冷回热器3，热气缸4、热推移活塞5、热回热器6、冷量换热器7、冷却器8、推移活塞的驱动连杆机构9、热管式换热器10组成。所述工业余热利用装置包括工业废气利用管道11及与其连通的热管式交换器10，工业余热利用装置通过热管型交换器10与VM循环热泵装置串接，在工业废气利用管道设置第三截止阀12，第四截止阀13。工业废热源源不断进入工业废气利用管道，利用热管型交换器与热气缸内的气体进行热交换，提高热气缸内气体的温度。通过调节截止阀的开度来调节流量。并工业废气利用管道采用回路式，以便在产生漏气的情况下改换通气路径。

参看图2及图3-6，VM循环热泵装置工作原理如下：

过程1-2（图3、图4）：热推移活塞5向右运动，冷推移活塞2向左运动，冷腔和热腔容积同时减小；冷腔中的部分气体通过冷量换热器7吸热，然后经冷回热器3被其中的填料加热到室温温度Ta，进入室温腔。而原来处于热腔4内的气体通过热回热器6，由填料冷却到室温温度Ta，进入室温腔。在这个过程中，气体在冷量换热器中吸热，有制冷效应。

过程图2-3（图4、图5）：冷推移活塞2继续向左移动，热推移活5塞向左运动，热腔增大，冷腔减小。冷腔中所留气体经历与过程1-2大致相同的过程；而室温腔中的部分气体由热推移活塞5推过热回热器6时，被填料加热到接近于高温Th进入热腔。

过程3-4（图5、图6）：两个推移活塞运动使冷腔和热腔容积同时增大，室温腔内的部分气体通过冷回热器3被填料冷却到温度接近Tc，进入冷腔，而在热侧，部分室温腔气体经热回热器6时被填料加热到温度接近Th，进入热腔。

过程4-1（图6、图3）：冷推移活塞2继续右移，直至右止点，而热推移活塞5则向右移动到中间位置，冷腔增加到最大，而热腔减小。热腔4中部分气体经过热回热器6时向填料放热，温度降低到接近Ta进入到室温腔；同时部分室温腔的气体通过冷回热器3时被填料冷却到温度接近Tc，进入冷腔1。此过程中气体在冷量换热器7中吸收热量产生制冷效应。

参看图1，本发明构成包括VM循环热泵装置31、工业余热利用装置、室内换热器26、室外换热器20、冷媒—水套管式换热器16、储水箱14及三通阀、四通阀、截止阀和连接管路。通过控制三通阀、四通阀在不同运行模式下的不同流向以及截止阀的开关，分别实现制冷+热水、单制冷、供暖+热水、单供暖、制热水的功能。各运行模式详述如下：

1)制冷+热水模式：

仍参看图1，在制冷+热水模式下运行时，控制三通阀、四通阀的流向，打开截止阀22，关闭截止阀29。在制冷循环中，由冷量换热器中出来的工质，通过第一循环泵25、第一三通阀24(a-c)、第二三通阀23(a-c)、室内换热器26、第三三通阀27(c-b)、第四三通阀28(c-b)，进入冷量换热器构成室内制冷循环回路。在制热水循环中，工质通过冷却器，第二循环泵30、冷媒—水套管式换热器16、第五三通阀18(c-b)、第一四通阀19(d-c)、第二四通阀21(d-b)、第一截止阀22，经过B端回到冷却器实现循环。

2)单制冷模式

在冷媒-水管式换热器16的入水口处设有热电偶17，当在制冷+热水模式运行时，热电偶检测到冷媒-水管式换热器的水温度高于60℃时，即储水箱14内的水全部加热到要求的温度，切换第五三通阀18、第一四通阀19的流向，打开第一截止阀22，关闭第二截止阀29，用室外换热器20代替冷媒-水管式换热器，系统恢复单制冷模式。从冷却器中出来的工质通过第二循环泵30、第五三通阀 18(a-b)、第一四通阀19(d-a)、室外换热器20、第二四通阀21(a-b)，经由B回到冷却器循环中，VM循环热泵31与室外换热器20构成一个循环。由冷量换热器中出来的工质循环与制冷+热水模式相同。该结构，既保证了储水箱温度能够达到标准，又不至于影响到VM循环热泵装置31的制冷效果。

3)供暖+热水模式

冬季，本装置可以采用供暖+热水模式为房间供热风、制热水。在该模式下，打开第一截止阀22、第二截止阀29，从冷却器出来的循环工质通过第二循环泵30在A处分成两路，一路通过第二截止阀29、第三三通阀27(a-c)、室内换热器26、第二三通阀23(c-b)；另外一路通过冷媒-水管式换热器16、第五三通阀18(c-b)、第一四通阀19(d-c)、第二四通阀21(d-b)，两路工质在B处混合进入冷却器，实现循环。冷量换热器出来的工质通过第一循环泵25、第一三通阀24(a-b)、第二四通阀21(c-a)、室外换热器20、第一四通阀19(a-b)、第四三通阀28(a-b)实现循环，此时，VM循环热泵装置31、循环泵25、室外换热器20组成循环。

4)单供暖模式

当系统处于供暖+热水模式运行，热电偶17的回水温度高于60℃，即储水箱14的水已全部加热到要求的温度，控制系统改变三通阀、四通阀的流向，关闭第一截止阀22，打开第二截止阀29，将冷媒-水套管式换热器16置于循环外，系统恢复单供暖模式运行。冷却器出来的工质通过第二循环泵30、第二截止阀29、第三三通阀27(a-c)、室内换热器26、第二三通阀23(c-b)，经由B回到冷却器，完成循环。此时，VM循环热泵装置31、循环泵30、室内管换热器26构成循环。从冷量换热器中出来的工质循环同制冷+热水模式。

5)热水模式

在非空调期，本装置可采用热水模式制备热水。控制系统通过控制三通阀和四通阀的流向，打开第一截止阀22，关闭第二截止阀29。从冷却器中出来的工质通过第二循环泵30，经过冷媒-水套管式换热器16、第五三通阀18(c-b)、第一四通阀19(d-c)、第二四通阀21(d-b)、第一截止阀22，通过B回到冷却器。而冷量换热器中出来的工质通过第一环循泵25、第一三通阀24(a-b)、第二四通阀21(c-a)、室外换热器20、第一四通阀19(a-b)、第四三通阀28(a-b)进入冷量换热器实现循环。这样系统在热水模式下运行，由于热泵循环装置的COP较高，较常规电热水器、燃气热水器节约高品位热源。

本发明开始工作时需要驱动电机32提供少量的机械动力(小型机在10W以下)。系统正常运行期间，当热推移活塞处于它的最左端附近时，热腔的体积较大，其中的气体量也较多，系统内的平均温度就较高，压力也就较高。相反，当热推移活塞处于它的最右端时，热腔的体积接近于零，机内工质的平均温度和压力比都比较低。这样，热气缸就起了驱动的作用。

以下提供一个具体的实施例，说明本发明的可行性：可行性分析

以水泥厂一70m2厂房值班室为例，根据负荷概算夏天需要制冷功率Qc=12.6KW，冬天需要供暖功率为Qa=10.5KW。热腔中的气体能达到的温度为Th=600K，冷腔中气体能达到的温度Tc=280K，假设中间温度为Ta=345K。

在制冷工况下，VM循环热泵从高温热源吸收的热量为

设该循环热泵工作时间为10小时，则需要工业废气提供热量

制冷系数

在供暖工况下，VM循环热泵高温热源吸收热量为 

设该循环热泵工作时间为10小时，则需要工业废气提供热量

热泵系数

式中：Qc——中间腔放热功率

Qa——冷腔制冷功率

该装置除了在夏季制冷冬季取暖之外，还可以一年四季供应热水，达到一机多用。

由于在制冷的同时往往同时有制备热水的功能，以夏季制冷+制热水模式为例对加热时间进行计算如下：

设水箱中初始温度为T1=20℃，加热后温度T2=60℃，则温升

T=40℃。以日用水量V约为200L计算。

加热200L热水所需热量为

式中：Cp——水的比热容，kJ/(kg·K)；

——水的密度，kg/L；

V——日用水量，L。

由于VM循环热泵是从低温热源和高温热源中吸收热量，由中间腔向外放热，则放热功率

则加热时间为

故该系统每天只需要运行制冷+热水模式29min就能满足热水需求，而在单制冷工况下制热水效率不低于制冷+热水模式，故该VM循环热泵型空调热水器完全可以满足间歇使用热水的要求，并完全省去了以往常规用于加热热水的一次能耗，还能够节省工业余热向室外大气中直接排放11560.752kJ热量。

Claims (3)

1.一种利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，其特征在于：构成中包括VM循环热泵装置（31）、工业余热利用装置、室内换热器（26）、室外换热器（20）、冷媒—水套管式换热器（16）、储水箱（14）及截止阀、三通阀、四通阀、连接管路，所述工业余热利用装置包括工业废气利用管道（11）及与其连通的热管式交换器（10）；所述VM循环热泵装置包括冷气缸（1）、冷回热器（3）、热气缸（4）、热回热器（6）、冷量换热器（7）和冷却器（8），所述热管式交换器设置在热气缸与热回热器之间；所述冷媒—水套管式换热器连通储水箱； 

所述冷量换热器（7）、第一循环泵（25）、第一三通阀（24）、第二三通阀（23）、室内换热器（26）、第三三通阀（27）、第四三通阀（28）及连接管路构成室内制冷循环回路；

所述冷却器（8）、第二循环泵（30）、冷媒—水套管式换热器（16）、第五三通阀（18）、第一四通阀（19）、第二四通阀（21）、第一截止阀（22）及连接管路构成供热水循环回路；

所述冷却器（8）   、第二循环泵（30）、第二截止阀（29）、第三三通阀（27）、室内换热器（26）、第二三通阀（23）及连接管路构成室内供热循环回路；

所述冷却器（8）、第二循环泵（30）、第五三通阀（18）、第一四通阀（19）、室外换热器（20）、第二四通阀（21）、第一截止阀（22）及连接管路构成室外散热循环回路。

2.根据权利要求1所述的利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，其特征在于：所述冷媒—水套管式换热器（16）和储水箱（14）之间设有热电偶（17）和第三循环泵（15）。

3.根据权利要求2所述的利用工业余热驱动的VM循环热泵型空调热水器，其特征在于：所述余工业废气利用管道（11）采用回路式，其上设置第三截止阀（12）、第四截止阀（13）。

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