CN103185421A - 直接式海水源热泵 - Google Patents

Abstract

一种直接式海水源热泵，它主要由以下几部分组成：海水-制冷剂换热器、循环水-制冷剂换热器、四通阀、压缩机、膨胀阀、几个阀门和几条管路；在海水-制冷剂换热器上，有下制冷剂管引出并与膨胀阀的一端相接，另有上制冷剂管引出到四通阀；压缩机与四通阀并联；四通阀的另一端，通过上制冷剂管，连接到循环水-制冷剂换热器的筒体上部；循环水-制冷剂换热器底部的下制冷剂管，连接到膨胀阀的一端，其特征在于：所述海水-制冷剂换热器是直接接触式换热器。

Description

直接式海水源热泵

技术领域

本发明涉及热泵技术，特别是涉及直接式海水源热泵。

背景技术

利用海水作为冷热源，通过海水源热泵对建筑进行采暖空调，可以直接减少其他短缺能源的消耗，同时还可以达到废物利用的目的，是资源再生利用、发展循环经济、建设节约型社会、友好环境的重要措施。

海水源热泵实现了废热的回收利用，变废为宝，是新型的可再生清洁能源利用技术，符合可持续发展、建设资源节约型社会的要求。将水源热泵系统技术与城市海水结合，在扩大城市海水利用范围、拓展城市海水治理效益方面具有深远意义。

海水源热泵是依靠热泵机组内部制冷剂的物态循环变化，冬季从海水中吸收热量，经热泵机组升温后对建筑供热，夏季通过热泵机组，把建筑物中的热量传递给海水，从而实现供冷。海水替代了锅炉和冷却塔，具有高效节能、绿色环保、安全可靠、一机多用等突出优点。

目前，海水源热泵系统在我国的部分沿海城市得到了应用，但还没有大面积推广，主要在于海水换热器的可靠性方面，还有待于解决。

随着整个社会节约能源、环保意识的提高，海水源热泵的应用领域也在不断的扩展。除了在城市供暖制冷、制取生活热水应用外，还在食品、生化、制药工业、种植养殖及农副产品加工储藏领域均得到应用。应该进一步挖掘利用各类可再生的低温热源或废热热源，完善和推广海水源热泵技术，向着建立节约型社会发展。

海水源热泵可分为直接式海水源热泵与间接式海水源热泵两类。直接式系统中，与海水换热的介质为制冷剂，间接式系统中，与海水换热的介质为中介水或防冻液。

前者海水与制冷剂之间经换热器壁面直接换热；后者则存在中介媒质，从而传热热阻增加，导致热泵系统效率随之下降。

实现无腐蚀堵塞连续换热，是利用海水作为热泵冷热源的技术关键，尤其是对于直接式海水源热泵系统。

解决海水对换热设备及管路的腐蚀、堵塞与污染，实现无腐蚀与无污染换热，是一个世界性技术难题。海水对换热器的影响主要有腐蚀、结垢及堵塞，热泵中的海水流通管路，经常被腐蚀和堵塞，以至于热泵完全不能工作。

直接式系统是目前海水源热泵研究的前沿领域和发展方向，直接式系统与间接式系统相比有很大的优点，主要是：

1，在同样的水源条件下供出同样多的热量，蒸发温度可提高5℃左右，热泵机组效率得以很大提高，系统总的耗电量可降低15％以上。

2，省去了中介水循环水泵，机房占地面积减少，降低了土建和设备初投资，减少水泵能耗。

3，获取同样多的热量，所需的海水量可减小一半左右。间接式系统需要考虑中间换热的温差损失，这就限制了海水的降温幅度。

采用直接式海水源热泵遇到的主要问题是，

1，直接海水源热泵系统，要求热泵机组的蒸发器/冷凝器能够“一器两用”，对蒸发器/冷凝器提出了特殊要求。

2，直接式海水源热泵机组，采用海水为热源，容易腐蚀，污染和堵塞，使海水源热泵效率下降，甚至不能工作。对海水和换热器，需经过特殊处理，技术难度较大。虽然人们有很多设想和试验，但都存在不足。

到目前为止，还没有广泛地普及直接式海水源热泵系统；海水源热泵技术诞生以来，基本采用间接式系统，这是从可靠性角度考虑而采取的保守措施。

直接式海水源热泵与普通换热器工作条件有很大的区别，普通换热器的设计方法，使用经验，不能简单用于直接式海水源热泵，尤其是海水-制冷剂换热器。

尽管普通换热器的设计方法与制造工艺，都很成熟，但是，直接式海水源热泵科学设计方法，至今，还没有很好解决。

上述有关直接式海水源热泵的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、赵军，戴传山主编，地源热泵技术与建筑节能应用，北京：中国建筑工业出版社，2009。

2、(美)沙拉，塞库利克著，程林译，换热器设计技术，北京：机械工业出版社，2010。

3、陈东，谢继红编，热泵技术手册，北京：化学工业出版社，2012。

发明内容

本发明的目的是给出直接式海水源热泵，它主要由以下几部分组成：海水-制冷剂换热器、循环水-制冷剂换热器、四通阀、压缩机、膨胀阀、几个阀门和几条管路。

在海水-制冷剂换热器上，有下制冷剂管引出并与膨胀阀的一端相接，另有上制冷剂管引出到四通阀；压缩机与四通阀并联；四通阀的另一端，通过上制冷剂管，连接到循环水-制冷剂换热器的筒体上部；循环水-制冷剂换热器底部的下制冷剂管，连接到膨胀阀的一端，其特征在于：所述海水-制冷剂换热器是直接接触式换热器。

所述海水-制冷剂换热器，它外形是一个竖立设置的压力容器，有上下椭圆封头和中间圆形的筒体，它的结构包括：筒体、上封头、上制冷剂管、海水进水管、喷头、挡水板、制冷剂层、海水室、下制冷剂管、上液位传感器、下液位传感器、下封头、海水出水管、电控阀。

所述海水-制冷剂换热器，在上封头向上方向，引出上制冷剂管，上制冷剂管的另一端连接四通阀；海水进水管从筒体接近上封头处，水平引入，在海水进水管的末端，位于筒体中心线上，有一个开口向下的海水喷头，除部分海水被挡水板遮挡，大部分海水直接喷向下部筒体内空间；筒体的中下部，是两层不同密度液体的蓄液室，上部是制冷剂层，下部是海水室；在筒体的侧壁上，有上液位传感器、下制冷剂管和下液位传感器，下制冷剂管的另一端与膨胀阀相接；上液位传感器将制冷剂层液位高度信号传递到膨胀阀，下液位传感器将海水室水位高度信号，传导给从下封头引出的海水出水管上的电控阀。

所述循环水-制冷剂换热器，它是一个水平设置的壳管式换热器，它的结构包括：筒体、前封头、后封头、隔板、循环水进水管、循环水出水管、管板、传热管、上制冷剂管、下制冷剂管。

循环水-制冷剂换热器的前封头上，有水平设置的循环水进水管和循环水出水管；在前封头内有一个隔板，它将进水和出水分开；从循环水进水管进入的循环水，进入传热管，穿过管板后，进入后封头内，再反向进入传热管，开始第二个流程，最后，从循环水出水管流出。

在圆形的筒体的上部，有上制冷剂管，筒体内，传热管外空间是制冷剂空间，筒体底部有下制冷剂管，下制冷剂管的另一头连接到膨胀阀的一端。

所述压缩机是无油螺杆式压缩机，是一种回转式容积式压缩机，它的结构包括：进气口、汽缸、阴转子、阳转子、轴、油压活塞、滑阀、同步齿轮和排气口。

所述压缩机，在断面为双圆相交的汽缸内，装有一对转子——阳转子和阴转子，两根转子间没有润滑油，两根转子并不直接接触，相互间存在一定间隙，电机通过联轴器带动阳转子，阳转子通过同步齿轮带动阴转子高速旋转，利用螺杆的齿槽容积和位置的变化来完成制冷剂蒸汽的吸人、压缩和排气过程。

有一个由滑阀为主体的能量调节机构，移动油压活塞，带动连杆移动滑阀，能够改变吸气容积，改变输出的压缩制冷剂量。

所述膨胀阀，它是电动式电子膨胀阀，它的结构包括：控制器、阀杆、电机、线圈、阀针、入口和出口；膨胀阀采用电机驱动，它是步进电动机，控制器根据液位传感器传递来的信号，按一定的控制规律，向步进电机的线圈输出脉冲驱动信号，电机正向或反向运动，带动阀杆上下运动，阀针和阀座间距离变化，从而改变阀的开度，达到调节流量的目的。它的作用是保持海水-制冷剂换热器中的制冷剂层的液位。

当本发明直接式海水源热泵用作供热时，如果制冷剂层液位偏高，电控阀的流通面积应该调小一些；当本发明直接式海水源热泵用作制冷时，如果制冷剂层液位偏高，电控阀的流通面积应该调大一些。

本发明的优点是：

1，本发明的直接式海水源热泵，不需要对海水进行严格净化。海水直接进入直接式海水源热泵，换热器中的海水流通管路不会被堵塞，不会腐蚀，能够长时间稳定工作。

2，在直接式海水源热泵中，海水直接与制冷剂进行热量交换，无论制冷剂是得到热量，还是失去热量，相对于有中介水换热的情况，制冷剂在其中都可以实现较大的温差，从海水得到或向海水放出较多的热量，热泵机组效率得以很大提高。

3，省去通常海水源热泵所设置的海水-中介水换热器、中介水循环水泵及相应的管路，机房占地面积减少，降低了土建和设备初投资，减少能耗。

附图说明

图1是本发明直接式海水源热泵实施例的总体结构图；

图2是本发明直接式海水源热泵实施例的海水-制冷剂换热器结构图；

图3是本发明直接式海水源热泵实施例的循环水-制冷剂换热器结构图；

图4是本发明直接式海水源热泵实施例的压缩机结构图；

图5是本发明直接式海水源热泵实施例的膨胀阀结构图；

图6是本发明直接式海水源热泵实施例的总体运行图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明直接式海水源热泵实施例的总体结构图。

本发明直接式海水源热泵实施例的总体结构图，它主要由以下几部分组成：海水-制冷剂换热器100，循环水-制冷剂换热器300，压缩机200，四通阀500，膨胀阀400，几个阀门和几条管路。

海水-制冷剂换热器100是一个竖立设置的压力容器，它有上下椭圆封头和中间一个圆形的筒体，海水进水管110从筒体靠上部水平引入，海水出水管140从底部封头引出。在筒体靠下部，有下制冷剂管115引出并与膨胀阀400的一端相接。在上封头，有上制冷剂管125连到四通阀500。

螺杆压缩机200与四通阀500并联。

四通阀500的另一端，通过上制冷剂管325，连接到循环水-制冷剂换热器300的筒体上部。循环水-制冷剂换热器300是一个水平设置的压力容器，它有前后两个椭圆封头和一个卧式的圆形的筒体。循环水-制冷剂换热器300的一端封头上，有水平设置的循环水进水管310和循环水出水管340。循环水-制冷剂换热器300通过筒体底部的下制冷剂管315，连接到膨胀阀400的一端。

图2给出了本发明直接式海水源热泵实施例的海水-制冷剂换热器结构图。

本发明直接式海水源热泵实施例的海水-制冷剂换热器100，它是一个竖立设置的压力容器，它有上下椭圆封头和中间竖立的一个圆形的筒体105，是一个直接接触式换热器。

海水-制冷剂换热器100的结构包括：筒体105、上封头135、上制冷剂管125、海水进水管110、喷头112、挡水板117、制冷剂层180、海水室120、下制冷剂管115、上液位传感器170、下液位传感器160、下封头130、海水出水管140、电控阀150。

在上封头135向上方向，引出上制冷剂管125，在上制冷剂管125中，流动的是制冷剂蒸汽。上制冷剂管125的另一端连接四通阀。

海水进水管110从筒体105靠上部，接近上封头135处，水平引入。海水进水管110的末端，在筒体的中心线上，有一个开口向下的海水喷头112。喷头112将进入的海水，发散，雾化，除部分海水被挡水板117遮挡，大部分海水直接喷向下部筒体内空间，使之最大限度与制冷剂进行接触换热。挡水板117遮挡海水喷洒的目的，是为了防止海水随着制冷剂一起进入下制冷剂管115。

筒体105的中下部，是两层不同密度液体的蓄液室，上部是制冷剂层180，下部是海水室120。制冷剂层180的制冷剂与海水室120的海水，两者不仅密度不同，而且互不相溶。这样，既保证了可以稳定地工作，不会损失制冷剂，也不会污染海水。

在筒体侧壁上，有下制冷剂管115、上液位传感器170和下液位传感器160。下制冷剂管115的另一端与膨胀阀相接。上液位传感器170将制冷剂层180的液位信号，传递到膨胀阀，控制通过膨胀阀的制冷剂流量。下液位传感器160将海水室120中海水水位高度信号，传导给从下封头130引出的海水出水管140上的电控阀150，使后者恰当地调整出水流量，使海水室120中海水水位保持不变。

本发明直接式海水源热泵实施例的海水-制冷剂换热器100，它既可以作为蒸发器，也可以作为冷凝器。

图3给出了本发明直接式海水源热泵实施例的循环水-制冷剂换热器结构图。

本发明直接式海水源热泵实施例的循环水-制冷剂换热器300，它是一个水平设置的压力容器，它有前后两个椭圆封头和一个卧式的圆形的筒体305，是一个壳管式间壁换热器。

循环水-制冷剂换热器300的结构包括：筒体305、前封头330、后封头335、隔板355、循环水进水管310、循环水出水管340、管板345、传热管360、上制冷剂管325、下制冷剂管315。

循环水-制冷剂换热器300的一端前封头330上，有水平设置的循环水进水管310和循环水出水管340。在前封头330内有一个隔板355，它将进水和出水分开。从循环水进水管310进入循环水-制冷剂换热器300内的循环水，进入传热管，穿过管板345后，在后封头335内，反向进入传热管360，开始第二个流程，可以设立更多隔板，有更多的流程，最后，从循环水出水管340流出。

在圆形的筒体305的上部，有上制冷剂管325，它的内部输送汽态制冷剂。筒体内，传热管外空间是制冷剂空间，在此空间内，上方是汽态制冷剂，下方是液态制冷剂。

筒体底部有下制冷剂管315，内部流动的是液态制冷剂，下制冷剂管315的另一头连接到膨胀阀的一端。

本发明直接式海水源热泵实施例的循环水-制冷剂换热器300，它既可以作为蒸发器，也可以作为冷凝器。

图4给出了本发明直接式海水源热泵实施例的压缩机结构图。

本发明直接式海水源热泵实施例的压缩机是无油螺杆式压缩机。

无油螺杆式压缩机200是一种回转式容积式压缩机，它包括：进气口225、汽缸220、阴转子240、阳转子250、轴230、油压活塞、滑阀、同步齿轮210和排气口。它利用螺杆的齿槽容积和位置的变化来完成制冷剂蒸汽的吸人、压缩和排气过程。

螺杆式压缩机，在断面为双圆相交的汽缸内，装有一对转子——阳转子250和阴转子240。阳转子有四个齿，阴转子有六个齿。无油螺杆式压缩机的两根转子间没有润滑油，两根转子并不直接接触，相互间存在一定间隙。电机270通过联轴器260，带动阳转子，阳转子250通过同步齿轮210带动阴转子240高速旋转，同步齿轮在传递动力的同时，还确保了转子之间的间隙。

当阳转子旋转一周，隐转子旋转2/3周，或者说，阳子的转速比阴转子的转速快50％。在汽缸220的吸汽的端座上，开有吸汽口225，当齿槽与吸汽口相通时，吸汽就开始，随着螺杆的旋转，齿槽脱离吸汽口，一对齿槽空间吸满蒸汽，螺杆继续旋转，两螺杆的齿与齿槽相互配合，由汽缸体、配合的螺杆和排汽端座组成的齿槽容积变小，而且位置向排汽端移动，完成了对蒸汽压缩和输送的作用。当这对齿槽空间与端座的排汽口相通时，压缩终了，蒸汽被排出。每对齿槽空间都存在着吸汽、压缩、排汽三个过程。在同一时刻存在着吸汽、压缩、排汽三个过程，不过它们发生在不同的齿槽空间。

螺杆式压缩机有一个由滑阀为主体的能量调节机构，移动油压活塞，带动连杆移动滑阀，能够改变吸气容积，改变输出的压缩制冷剂量，从而达到改变制冷量或供热量的目的。

螺杆式压缩机的特点：

1，螺杆式压缩机只有旋转运动，没有往复运动，平衡性好，振动小。

2，螺杆式压缩机的结构简单、易损件少，可靠性高，检修周期长。

3，螺杆式压缩机没有余隙，没有吸、排汽阀，在高压缩比下，可用单级压缩。

4，螺杆式压缩机对湿压缩不敏感。

5，螺杆式压缩机的制冷量可以在10％一100％范围内无级调节。

6，噪声较大，需要一套润滑油分离、冷却、过滤和加压的辅助设备，机组体积大。

图5给出了本发明直接式海水源热泵实施例的膨胀阀结构图。

本发明直接式海水源热泵实施例的膨胀阀，它是膨胀阀400，它是电动式电子膨胀阀。它的结构包括：控制器405、阀杆410、电机420、线圈430、阀针440、入口450和出口460。

膨胀阀400采用电机420驱动，它是四相永磁步进电动机。电机420正向或反向运动，带动阀杆410上下运动，阀针440和阀座间距离变化，从而改变阀的开度，达到调节流量的目的。控制器405根据液位传感器传递来的信号，按一定的控制规律，向步进电机的线圈420输出脉冲驱动信号，改变阀杆410高度，调节通过膨胀阀的制冷剂流量，控制海水-制冷剂换热器中制冷剂层的液位高度。制冷剂层位于海水室上方，海水室的海水液位另有控制。

膨胀阀400和海水-制冷剂换热器中上液位信号传感器间的作用关系有两种模式：

1，当本发明直接式海水源热泵实施例用作供热的热泵时，制冷剂在膨胀阀400中的流动方向是流向海水-制冷剂换热器，此时，如果制冷剂层180液位偏高，膨胀阀400的流通面积应该调小一些；

2，当本发明直接式海水源热泵实施例用作空调制冷时，制冷剂在膨胀阀400中的流动方向是离开海水-制冷剂换热器中，此时，如果制冷剂层180液位偏高，膨胀阀400的流通面积应该调大一些。

图6给出了本发明直接式海水源热泵实施例的总体运行图。

本发明直接式海水源热泵实施例的总体运行有两种模式：

1，当本发明直接式海水源热泵实施例用作供热的热泵时，制冷剂在管路中的流动方向如实线箭头所示。此时，海水-制冷剂换热器100是蒸发器，循环水-制冷剂换热器300是冷凝器。

通过膨胀阀400的制冷剂两相流，经过下制冷剂管115进入蒸发器100中。作为热源的海水，经过海水进水管110，也进入蒸发器100中。海水与制冷剂在蒸发器中换热，制冷剂蒸发，产生的制冷剂蒸汽从上制冷剂管125流出，经过四通阀500，在压缩机200中压缩升温后，经过上制冷剂管325，从上部进入冷凝器300。

在冷凝器300中，制冷剂蒸汽与传热管中的循环水进行换热，制冷剂蒸汽凝结，而循环水被加温。产生的液态制冷剂从冷凝器300底部的下制冷剂管315流出，流向膨胀阀400。而从循环水进水管310进入的循环水，被加热后，从循环水出水管340流出。

2，当本发明直接式海水源热泵实施例用作空调制冷时，制冷剂在管路中的流动方向如虚线箭头所示，此时，海水-制冷剂换热器100是冷凝器，循环水-制冷剂换热器300是蒸发器。

通过膨胀阀400的制冷剂两相流，经过下制冷剂管315进入蒸发器300中，在蒸发器300中，制冷剂蒸汽与传热管中的循环水进行换热，液态制冷剂受热蒸发，而循环水被降温。产生的汽态制冷剂从蒸发器300上部的上制冷剂管325流出，流向四通阀500，在经过压缩机200，压缩升温后，经过上制冷剂管125，进入冷凝器100。

作为冷源的海水，经过海水进水管110，也进入冷凝器100中。海水与制冷剂在冷凝器100中换热，海水被加热，制冷剂蒸汽凝结。产生的液态制冷剂从下制冷剂管115流出，经过膨胀阀400，回到蒸发器300。被加热的海水，从冷凝器100底部的海水出水管140流出。

Claims (5)

1.一种直接式海水源热泵，它主要由以下几部分组成：海水-制冷剂换热器、循环水-制冷剂换热器、四通阀、压缩机、膨胀阀、几个阀门和几条管路；在海水-制冷剂换热器上，有下制冷剂管引出并与膨胀阀的一端相接，另有上制冷剂管引出到四通阀；压缩机与四通阀并联；四通阀的另一端，通过上制冷剂管，连接到循环水-制冷剂换热器的筒体上部；循环水-制冷剂换热器底部的下制冷剂管，连接到膨胀阀的一端，其特征在于：所述海水-制冷剂换热器是直接接触式换热器。

2.按照权利要求1所述的直接式海水源热泵，其特征在于：所述海水-制冷剂换热器，它外形是一个竖立设置的压力容器，有上下椭圆封头和中间圆形的筒体，它的结构包括：筒体、上封头、上制冷剂管、海水进水管、喷头、挡水板、制冷剂层、海水室、下制冷剂管、上液位传感器、下液位传感器、下封头、海水出水管、电控阀；在上封头向上方向，引出上制冷剂管，上制冷剂管的另一端连接四通阀；海水进水管从筒体接近上封头处，水平引入，

在海水进水管的末端，位于筒体的中心线上，有一个开口向下的海水喷头，除部分海水被挡水板遮挡，大部分海水直接喷向下部筒体内空间；筒体的中下部，是两层不同密度液体的蓄液室，上部是制冷剂层，下部是海水室；在筒体的侧壁上，上液位传感器、下制冷剂管和下液位传感器，下制冷剂管的另一端与膨胀阀相接；上液位传感器将制冷剂层的液位高度信号传递到膨胀阀，下液位传感器将海水室水位高度信号，传导给从下封头引出的海水出水管上的电控阀。

3.按照权利要求1所述的直接式海水源热泵，其特征在于：所述循环水-制冷剂换热器，它是一个水平设置的壳管式换热器，它的结构包括：筒体、前封头、后封头、隔板、循环水进水管、循环水出水管、管板、传热管、上制冷剂管、下制冷剂管；循环水-制冷剂换热器的前封头上，有水平设置的循环水进水管和循环水出水管；在前封头内有一个隔板，它将进水和出水分开；从循环水进水管进入的循环水，进入传热管，穿过管板后，进入后封头内，再反向进入传热管，开始第二个流程，最后，从循环水出水管流出；在圆形的筒体的上部，有上制冷剂管，筒体内，传热管外空间是制冷剂空间，筒体底部有下制冷剂管，下制冷剂管的另一头连接到膨胀阀的一端。

4.按照权利要求1所述的直接式海水源热泵，其特征在于：所述压缩机是无油螺杆式压缩机，是一种回转式容积式压缩机，它的结构包括：进气口、汽缸、阴转子、阳转子、轴、油压活塞、滑阀、同步齿轮和排气口；在断面为双圆相交的汽缸内，装有一对转子——阳转子和阴转子，两根转子间没有润滑油，两根转子并不直接接触，相互间存在一定间隙，电机通过联轴器带动阳转子，阳转子通过同步齿轮带动阴转子高速旋转，利用螺杆的齿槽容积和位置的变化来完成制冷剂蒸汽的吸人、压缩和排气过程，有一个由滑阀为主体的能量调节机构，移动油压活塞，带动连杆移动滑阀，能够改变吸气容积，改变输出的压缩制冷剂量。

5.按照权利要求1所述的直接式海水源热泵，其特征在于：所述膨胀阀，它是电动式电子膨胀阀，它的结构包括：控制器、阀杆、电机、线圈、阀针、入口和出口；膨胀阀采用电机驱动，它是步进电动机，控制器根据液位传感器传递来的信号，按一定的控制规律，向步进电机的线圈输出脉冲驱动信号，电机正向或反向运动，带动阀杆上下运动，阀针和阀座间距离变化，从而改变阀的开度，达到调节流量的目的。

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