CN103185422A - 海水养殖场海水源热泵 - Google Patents

Abstract

一种海水养殖场海水源热泵，它主要由以下几部分组成：蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、几个阀门和几条管路；蒸发器和冷凝器都是直立的有上下封头的筒型换热器，在蒸发器筒体中部，有下制冷剂管引出并与膨胀阀的出口端相接，上制冷剂管从蒸发器上封头引出到压缩机的入口端；压缩机的出口端，通过上制冷剂管连接到冷凝器的筒体中上部；冷凝器筒体中下部引出的下制冷剂管，连接到膨胀阀进口端，其特征在于：(1)所述蒸发器是直接接触式换热器；(2)所述冷凝器直接接触式换热器。

Description

海水养殖场海水源热泵

技术领域

本发明涉及热泵技术，特别是涉及海水养殖场海水源热泵。

背景技术

冬天，通过海水源热泵，利用海水热能对海水养殖场进行供热，保持养殖池海水有合适的温度，可以提高鱼虾等养殖的海产产量，减少其他传统能源的消耗，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，对海水养殖场供热。海水热能替代燃煤，海水源热泵替代了锅炉，具有高效节能、绿色环保、安全可靠等突出优点。

目前，海水源热泵系统在我国的部分沿海城市得到了推广与应用。但由于海水中氯离子含量较高，对金属材质腐蚀严重，到目前为止，海水换热器的防腐蚀问题，还没有得到根本解决。因此，海水源热泵系统在我国的进一步推广，还有许多问题需要解决。

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。除了在海产养殖场外，在城市供暖制冷、制取生活热水、食品、生化、制药工业、种植及农副产品加工储藏领域，也得到应用。应该进一步挖掘利用海水热源，完善和推广海水源热泵技术，向着建立节约型社会发展。

海水养殖场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。

实现无腐蚀无堵塞连续换热，是利用海水作为养殖场热泵的技术关键，尤其是对于海水养殖场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，实现防腐与无污染换热，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养殖场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，省去了海水换热器和中介水循环水泵，机房占地面积减少，降低了土建和设备初投资，也减少水泵能耗。

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。

采用海水养殖场直接式海水源热泵遇到的主要问题是：海水养殖场直接式海水源热泵，它的蒸发器，采用海水为热源，比一般海水换热器更容易腐蚀、污染和堵塞，使海水源热泵效率下降，甚至不能工作。

到目前为止，还没有广泛地普及海水养殖场海水源热泵和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。

海水养殖场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，不能简单用于海水养殖场海水源热泵，尤其是它的蒸发器。

尽管普通热泵的设计方法与制造工艺，都很成熟，但是，海水养殖场海水源热泵的科学设计方法，至今，还没有很好解决。

上述有关海水养殖场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海水养殖场海水源热泵，它主要由以下几部分组成：蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、几个阀门和几条管路。

蒸发器和冷凝器都是直立的有上下封头的筒型换热器，在蒸发器筒体中部，有下制冷剂管引出并与膨胀阀的出口端相接，上制冷剂管从蒸发器上封头引出到压缩机的入口端；压缩机的出口端，通过上制冷剂管连接到冷凝器的筒体中上部；冷凝器筒体中下部引出的下制冷剂管，连接到膨胀阀进口端，其特征在于：(1)所述蒸发器是直接接触式换热器；(2)所述冷凝器直接接触式换热器。

所述蒸发器，它的结构包括：筒体、上封头、上制冷剂管、海水进水管、喷头、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压缩机的入口端；海水进水管从筒体接近上封头处，水平引入，海水进水管的末端，在筒体的中心线上，有一个开口向下的喷头；筒体内的中下部，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；在制冷剂层上部，有下制冷剂管，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，传导给下制冷剂管的另一端的膨胀阀；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。

所述冷凝器，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、液位传感器、下封头、海水出水管、电控阀。在筒体中上部，水平方向，引入上制冷剂管，上制冷剂管的入口端连接压缩机的出口端；从上封头中部，海水进水管垂直向下引入筒体，海水进水管的末端，有一个开口向下的喷头，避开挡水板，向下喷洒海水；筒体内的中下部，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，有下制冷剂管和液位传感器，下制冷剂管的另一端与膨胀阀入口相接，液位传感器将海水室中水位信号，传导给从下封头引出的海水出水管上的电控阀。

所述压缩机是无油螺杆式压缩机，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，螺杆的齿槽容积和位置的变化，完成对制冷剂蒸汽的吸人、压缩和排气过程，有一个由滑阀为主体的能量调节机构。

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。它的作用是保持蒸发器中的制冷剂层的液位。如果制冷剂层液位偏高，膨胀阀的流通面积应该调小一些。

本发明的优点是：

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

2，在海水养殖场海水源热泵中，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。

4，尽管传热管置于海水流道中，但由于传热管是竖立设置，同时，传热管与海水不相交，传热管表面很少积垢。流道隔板上少量积垢，对换热器性能没有影响。当流道隔板上积垢过多时，可以通过喷水清洗。

附图说明

图1是本发明海水养殖场海水源热泵实施例的总体结构图；

图2是本发明海水养殖场海水源热泵实施例的蒸发器结构图；

图3是本发明海水养殖场海水源热泵实施例的冷凝器结构图；

图4是本发明海水养殖场海水源热泵实施例的压缩机结构图；

图5是本发明海水养殖场海水源热泵实施例的膨胀阀结构图；

图6是本发明海水养殖场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给出了本发明海水养殖场海水源热泵实施例的总体结构图。

本发明直海水养殖场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：蒸发器100，冷凝器300，压缩机200，膨胀阀400，几个阀门和几条管路。

蒸发器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的出口端相接。在上封头，有上制冷剂管125连到压缩机200的入口。

压缩机200的另一端出口，通过上制冷剂管325，连接到冷凝器300的筒体上部。

冷凝器300也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。冷凝器300的上端封头上，有循环水进水管310，下端封头上，有循环水出水管340。冷凝器300通过筒体下部的下制冷剂管315，连接到膨胀阀400的入口端。

图2给出了本发明海水养殖场海水源热泵实施例的蒸发器结构图。

本发明直接式海水源热泵实施例的蒸发器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。

蒸发器100的结构包括：筒体105、上封头、上制冷剂管125、海水进水管110、喷头、制冷剂层180、海水室120、下制冷剂管115、液位传感器160、液位传感器170、下封头、海水出水管140、电控阀150。

在上封头向上方向，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的另一端连接压缩机。

海水进水管110从筒体105靠上部，接近上封头处，水平引入。海水进水管110的末端，在筒体的中心线上，有一个开口向下的喷头。喷头将进入的海水，发散，雾化，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。

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105的侧壁上，有下制冷剂管115、液位传感器160和液位传感器170。下制冷剂管115的另一端与膨胀阀相接。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。液位传感器170将制冷剂层180的液位高度信号，传导给下制冷剂管115上的膨胀阀，使后者恰当地调整流量，使制冷剂层180液位保持不变。

图3给出了本发明海水养殖场海水源热泵实施例的冷凝器结构图。

本发明海水养殖场海水源热泵实施例的冷凝器300，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305，是一个直接接触式换热器。

冷凝器300的结构包括：筒体305、上封头、上制冷剂管325、海水进水管310、喷头、挡水板317、制冷剂层380、海水室320、下制冷剂管315、液位传感器360、下封头、海水出水管340、电控阀350。

在筒体中上部，水平方向，引入上制冷剂管325，从上制冷剂管325中，流入筒体的是经过压缩机压缩了的制冷剂蒸汽。上制冷剂管325的入口端连接压缩机。

海水进水管310从上封头中部，垂直向下引入筒体。海水进水管310的末端，在筒体的中心线上，有一个开口向下的喷头。喷头将进入的海水，发散，雾化，喷向下部筒体内空间，避开挡水板317，最大限度与制冷剂进行接触换热。挡水板317用于防止海水被制冷剂从下制冷剂管315带走。

筒体305的中下部，是两层不同密度液体的蓄液室，上部是制冷剂层380，下部是海水室320。制冷剂层380的制冷剂与海水室320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305的侧壁上，在制冷剂层380的中部高度，有下制冷剂管315与液位传感器360。下制冷剂管315的另一端与膨胀阀相接，从下制冷剂管315流出的液态制冷剂流向膨胀阀。液位传感器360将海水室320中海水水位高度信号，传导给从下封头引出的海水出水管340上的电控阀350，使后者恰当地调整出水流量，使海水室320中海水水位保持不变。

图4给出了本发明海水养殖场海水源热泵实施例的压缩机结构图。

本发明海水养殖场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给出了本发明海水养殖场海水源热泵实施例的膨胀阀结构图。

本发明海水养殖场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，控制蒸发器中制冷剂层的液位高度，如果制冷剂层液位偏高，膨胀阀400的流通面积应该调小一些。制冷剂层位于海水室上方，海水室的海水液位另有控制。

图6给出了本发明海水养殖场海水源热泵实施例的总体运行图。

本发明海水养殖场海水源热泵实施例，利用原生海水作热源，通过热泵，向养殖场海水供热，制冷剂在管路中的流动方向如箭头所示。

液态制冷剂，经过下制冷剂管315进入膨胀阀400，通过膨胀阀后，变为制冷剂两相流，经过下制冷剂管115进入蒸发器100中。

作为热源的原生海水，经过海水进水管110，通过进水管喷口，也喷入蒸发器100中。

海水与制冷剂在蒸发器中直接接触换热，制冷剂蒸发，海水降温。产生的制冷剂蒸汽从上制冷剂管125流出，经过压缩机200压缩升温后，通过上制冷剂管325，从冷凝器筒体中上部，水平进入冷凝器300。

从冷凝器300上封头中部，养殖场的海水，经过海水进水管310垂直向下引入筒体。海水进水管310的末端，在筒体的中心线上，有一个开口向下的喷头。喷头将进入的海水，发散，雾化，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。

在冷凝器300中，制冷剂蒸汽与雾状喷入的海水进行换热后，制冷剂蒸汽凝结，而海水被加热。产生的液态制冷剂漂浮在海水室上面，从冷凝器300中部的下制冷剂管315流出，流向膨胀阀400。而从海水进水管310进入的海水，被加热后，从下封头的海水出水管340流出，送往海水养殖场。

Claims (5)

1.一种海水养殖场海水源热泵，它主要由以下几部分组成：蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、几个阀门和几条管路；蒸发器和冷凝器都是直立的有上下封头的筒型换热器，在蒸发器筒体中部，有下制冷剂管引出并与膨胀阀的出口端相接，上制冷剂管从蒸发器上封头引出到压缩机的入口端；压缩机的出口端，通过上制冷剂管连接到冷凝器的筒体中上部；冷凝器筒体中下部引出的下制冷剂管，连接到膨胀阀进口端，其特征在于：(1)所述蒸发器是直接接触式换热器；(2)所述冷凝器直接接触式换热器。

2.按照权利要求1所述的海水养殖场海水源热泵，其特征在于：所述蒸发器，它的结构包括：筒体、上封头、上制冷剂管、海水进水管、喷头、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压缩机的入口端；海水进水管从筒体接近上封头处，水平引入，海水进水管的末端，在筒体的中心线上，有一个开口向下的喷头；筒体内的中下部，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；在制冷剂层上部，有下制冷剂管，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，传导给下制冷剂管的另一端的膨胀阀；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所述的海水养殖场海水源热泵，其特征在于：所述冷凝器，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、液位传感器、下封头、海水出水管、电控阀；在筒体中上部，水平方向，引入上制冷剂管，上制冷剂管的入口端连接压缩机的出口端；从上封头中部，海水进水管垂直向下引入筒体，海水进水管的末端，有一个开口向下的喷头，避开挡水板，向下喷洒海水；筒体内的中下部，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，有下制冷剂管和液位传感器，下制冷剂管的另一端与膨胀阀入口相接，液位传感器将海水室中水位信号，传导给从下封头引出的海水出水管上的电控阀。

4.按照权利要求1所述的海水养殖场海水源热泵，其特征在于：所述压缩机是无油螺杆式压缩机，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，螺杆的齿槽容积和位置的变化，完成对制冷剂蒸汽的吸人、压缩和排气过程，有一个由滑阀为主体的能量调节机构。

5.按照权利要求1所述的海水养殖场海水源热泵，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，它的作用是保持蒸发器中的制冷剂层的液位，如果制冷剂层液位偏高，膨胀阀的流通面积应该调小一些。

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