CN102494442A - 一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统及其运行方法，它包括一设置在矿井回风源出口处的扩散塔，扩散塔的顶部设置有一出风口，出风口的上部设置外置气-液热交换器，外置气-液热交换器内填充有制冷工质。热泵机组单元内设置若干热泵机组，每一热泵机组内均包括一内置热交换器、一具有换向阀的压缩机和一膨胀阀。外置气-液热交换器通过压缩机和膨胀阀与内置热交换器的壳体管道连接，构成制冷工质换热循环管路；内置热交换器内的换热管道两端分别连接用户设备单元的进水口与出水口，构成用户换热循环管路。通过切换系统中压缩机上的换向阀，系统运行在制热或制冷模式。本发明可以为煤矿建筑冬季采暖、生活热水和井口防冻提供热量，为夏季空调提供冷量，具有节能减排的效果。

Description

一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种热泵系统及其运行方法，特别是关于一种用于回收利用煤矿矿井回风源中低温热量或冷量的直接膨胀式矿井回风源热泵系统及其运行方法。

背景技术

目前，国内大部分煤矿工业场所需要的建筑采暖、井筒防冻以及如职工洗浴的生活热水的热能均是由燃煤锅炉提供。这种传统的供热方式不仅消耗了大量的不可再生能源，同时还会排放大量的温室气体等不利于环境保护的污染物，不符合我国改善能源结构和加强环境保护的政策，以及使用清洁优质能源的发展趋势。

一般情况下，矿井回风量充足，矿井回风源的温度、湿度一年四季基本保持恒定，因此，如何充分回收利用煤矿矿井回风源中低温热量或冷量是个重要的课题。目前，相关技术中已经研发了专为煤矿生活生产提供所需热能或冷量的矿井回风源热泵系统。但这些现有的矿井回风源热泵系统都存在一些不足之处，如当原矿井总回风扩散塔与矿井回风源热泵要求不符时，需要改造扩散塔的结构，并要重新设计与之配套的回风换热地下集水池、导流槽等设施，工艺相对比较复杂。另一方面，现有的矿井回风源热泵大都采用间接膨胀式，矿井回风换热器与热泵蒸发器分开设立，通过水或载冷剂连接矿井回风换热器与热泵蒸发器，然后在蒸发器中与制冷工质进行二次换热，这会在矿井回风-水-制冷工质能量传递过程中产生能量损失。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种工艺简单且能够有效降低能量损失的直接膨胀式矿井回风源热泵系统及其运行方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：它包括一设置在矿井回风源出口处的扩散塔、一外置气-液热交换器、一热泵机组单元和一用户设备单元；扩散塔的顶部设置有一出风口，出风口的上部设置外置气-液热交换器，外置气-液热交换器内填充有制冷工质；根据外置气-液热交换器的换热量，热泵机组单元设置若干热泵机组，每一热泵机组内均包括一内置热交换器、一具有换向阀的压缩机和一膨胀阀；外置气-液热交换器通过压缩机和膨胀阀与内置热交换器的壳体管道连接，构成制冷工质换热循环管路；内置热交换器内的换热管道两端分别连接用户设备单元的进水口与出水口，构成用户换热循环管路。

上述外置气-液热交换器为热管型换热器。

上述外置气-液热交换器为蜂窝板式换热器。

上述外置气-液热交换器为板式金属换热器。

上述压缩机为涡旋式压缩机。

上述压缩机为螺杆式压缩机。

上述用户设备单元为具有制冷和制热功能的空调设备。

上述一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统的运行方法，包括以下两种模式：

1)制热运行模式：系统运行在制热运行模式时，外置气-液热交换器作为蒸发器工作，热泵机组内的内置热交换器作为冷凝器工作；矿井回风源经扩散塔的出风口排出，排出过程与外置气-液热交换器的制冷工质进行热交换；制冷工质吸收矿井回风源的热量，蒸发膨胀，然后通过热泵机组内的压缩机变成高温高压气体，进入内置热交换器的壳体内；进入壳体内的制冷工质向换热管道内需要加热的用水源释放热量，然后再经膨胀阀变成低温低压的液体，返回外置气-液热交换器，继续和进入外置气-液热交换器的矿井回风源不断循环换热；而内置热交换器的换热管道内的水源获得热量后，为用户设备单元提供热量；

2)制冷运行模式：系统运行在制冷运行模式时，外置气-液热交换器作为冷凝器工作，热泵机组内的内置热交换器作为蒸发器工作；矿井回风源经扩散塔的出风口排出，排出过程与外置气-液热交换器的制冷工质进行热交换；制冷工质向矿井回风源释放热量，冷凝，然后通过热泵机组内的膨胀阀变成低温低压液体，进入内置热交换器的壳体内；进入壳体内的制冷工质向换热管道内需要制冷的用水源吸收热量，然后再经过压缩机变成高温高压的气体，返回外置气-液热交换器，继续和进入外置气-液热交换器的矿井回风源不断循环换热；而内置热交换器的换热管道内的水源释放热量后温度降低，为用户设备单元提供冷量；

上述两种模式的转变是通过切换系统的压缩机上的换向阀，改变制冷工质的流动方向而实现。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明采用外置气-液热交换器中的制冷工质直接膨胀的方式，与矿井回风源直接进行热交换，提取矿井回风源中的低温热量或冷量，再由热泵机组将热量或冷量供给用户设备，不需要利用水或其他载冷剂二次换热，有效地降低了能量传递过程中的能量损失，提高能量的利用率。2)本发明可以根据热、冷量需求，通过切换压缩机上的换向阀，改变外置气-液热交换器和热泵机组的运行模式。如：冬季运行时，外置的气-液热交换器作为蒸发器，提取矿井回风中的低温热能，由热泵机组将低温热能供给热用户；夏季运行时，外置的气-液热交换器作为冷凝器，提取矿井回风中的低温冷量，由热泵机组将低温冷量供给空调用户，从而冬、夏两季均能有效地回收利用煤矿矿井回风废。3)本发明采用的外置气-液热交换器无电动设备，无需防爆，不影响矿井反风运行，安全性能稳定。4)本发明采用的热泵机组里仅含有内置热交换器、压缩机和膨胀阀，与常规的热泵机组相比，有效地减小了热泵机组的体积、占地面积，从而进一步减小了热泵机房的面积。本发明可以广泛地用于煤矿生活生产，替代燃煤锅炉和中央空调，为煤矿建筑冬季采暖、生活热水和井口防冻提供热量，为夏季空调提供冷量，具有节能减排的效果。

附图说明

图1是本发明的系统制热运行模式示意图

图2是本发明的系统制冷运行模式示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的系统包括一设置在矿井回风源出口1处的扩散塔2、一外置气-液热交换器3、一热泵机组单元4和一用户设备单元5。扩散塔2的顶部设置有一出风口21，出风口21的上部设置外置气-液热交换器3，外置气-液热交换器3内填充有制冷工质。根据外置气-液热交换器3的换热量，热泵机组单元4可以由一组或多组并联的热泵机组6组成，图中以一组为例。每一热泵机组6内均包括一内置热交换器7、一具有换向阀的压缩机8和一膨胀阀9。外置气-液热交换器3通过压缩机8和膨胀阀9与内置热交换器7的壳体71管道连接，构成制冷工质换热循环管路。内置热交换器7内的换热管道72两端分别连接用户设备单元5的进水口与出水口，构成用户换热循环管路。

上述实施例中，外置气-液热交换器3可以为热管型换热器，或蜂窝板式换热器，或板式金属换热器。

上述实施例中，热泵机组6内的压缩机8可以采用涡旋式压缩机，或螺杆式压缩机，压缩机8由电能驱动，进而使热泵机组6启动运行。

上述实施例中，用户设备单元5可以设置为具有制冷和制热功能的空调设备。

本发明系统的运行方法，包括以下两种模式：

1)制热运行模式：

如图1所示，当系统运行在制热运行模式时，系统的外置气-液热交换器3作为蒸发器工作，热泵机组6的内置热交换器7作为冷凝器工作。矿井回风源首先进入扩散塔2，然后从扩散塔2的出风口21排出，排出过程与外置气-液热交换器3内的制冷工质进行热交换。制冷工质吸收矿井回风源的热量，蒸发膨胀，然后通过热泵机组6内的压缩机8变成高温高压气体，进入内置热交换器7的壳体71内。进入壳体71内的制冷工质向换热管道72内需要加热的用水源释放热量，然后再经膨胀阀9变成低温低压的液体，返回外置气-液热交换器3，继续和进入外置气-液热交换器3的矿井回风源不断循环换热。而内置热交换器7的换热管道72内的水源获得热量后，可以为用户设备单元5提供热量，满足如煤矿建筑采暖、生活热水以及井口防冻等的热量需求。

2)制冷运行模式：

如图2所示，当系统运行在制冷运行模式时，系统的外置气-液热交换器3作为冷凝器工作，热泵机组6内的内置热交换器7作为蒸发器工作。矿井回风源首先进入扩散塔2，然后从扩散塔2的出风口21排出，排出过程与外置气-液热交换器3内的制冷工质进行热交换。制冷工质向矿井回风源释放热量，冷凝，然后通过热泵机组6内的膨胀阀9变成低温低压液体，进入内置热交换器7的壳体71内。进入壳体71内的制冷工质向换热管道72内需要制冷的用水源吸收热量，然后再经过压缩机8变成高温高压的气体，返回外置气-液热交换器3，继续和进入外置气-液热交换器3的矿井回风源不断循环换热。而内置热交换器7的换热管道72内的水源释放热量后温度降低，从而可以为用户设备单元5，如煤矿建筑空调提供冷量。

上述两种模式的转变是通过切换压缩机8上的换向阀，改变制冷工质的流动方向而实现。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：它包括一设置在矿井回风源出口处的扩散塔、一外置气-液热交换器、一热泵机组单元和一用户设备单元；所述扩散塔的顶部设置有一出风口，所述出风口的上部设置所述外置气-液热交换器，所述外置气-液热交换器内填充有制冷工质；根据所述外置气-液热交换器的换热量，所述热泵机组单元设置若干热泵机组，每一所述热泵机组内均包括一内置热交换器、一具有换向阀的压缩机和一膨胀阀；所述外置气-液热交换器通过所述压缩机和所述膨胀阀与所述内置热交换器的壳体管道连接，构成制冷工质换热循环管路；所述内置热交换器内的换热管道两端分别连接所述用户设备单元的进水口与出水口，构成用户换热循环管路。

2.如权利要求1所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述外置气-液热交换器为热管型换热器。

3.如权利要求1所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述外置气-液热交换器为蜂窝板式换热器。

4.如权利要求1所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述外置气-液热交换器为板式金属换热器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述压缩机为涡旋式压缩机。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述压缩机为螺杆式压缩机。

7.如权利要求1或2或3或4所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述用户设备单元为具有制冷和制热功能的空调设备。

8.如权利要求5所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述用户设备单元设置为具有制冷和制热功能的空调设备。

9.如权利要求6所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述用户设备单元设置为具有制冷和制热功能的空调设备。

10.如权利要求1～9任一项所述的一种直接膨胀式矿井回风源热泵系统的运行方法，包括以下两种模式：

1)制热运行模式：系统运行在制热运行模式时，外置气-液热交换器作为蒸发器工作，热泵机组内的内置热交换器作为冷凝器工作；矿井回风源经扩散塔的出风口排出，排出过程与外置气-液热交换器的制冷工质进行热交换；制冷工质吸收矿井回风源的热量，蒸发膨胀，然后通过热泵机组内的压缩机变成高温高压气体，进入内置热交换器的壳体内；进入壳体内的制冷工质向换热管道内需要加热的用水源释放热量，然后再经膨胀阀变成低温低压的液体，返回外置气-液热交换器，继续和进入外置气-液热交换器的矿井回风源不断循环换热；而内置热交换器的换热管道内的水源获得热量后，为用户设备单元提供热量；

2)制冷运行模式：系统运行在制冷运行模式时，外置气-液热交换器作为冷凝器工作，热泵机组内的内置热交换器作为蒸发器工作；矿井回风源经扩散塔的出风口排出，排出过程与外置气-液热交换器的制冷工质进行热交换；制冷工质向矿井回风源释放热量，冷凝，然后通过热泵机组内的膨胀阀变成低温低压液体，进入内置热交换器的壳体内；进入壳体内的制冷工质向换热管道内需要制冷的用水源吸收热量，然后再经过压缩机变成高温高压的气体，返回外置气-液热交换器，继续和进入外置气-液热交换器的矿井回风源不断循环换热；而内置热交换器的换热管道内的水源释放热量后温度降低，为用户设备单元提供冷量；

上述两种模式的转变是通过切换系统中压缩机上的换向阀，改变制冷工质的流动方向而实现。

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