CN104654573A - 一种回收废热热融式凝固潜热热泵 - Google Patents

Abstract

一种回收废热热融式凝固潜热热泵属于热泵领域，包括压缩机、冷凝水箱干燥过滤器、节流装置、蒸发水箱、气液分离器、蒸发水箱循环泵、冷凝水箱循环泵、液位计、用户热利用系统、集水器、除污器、自来水电磁阀、排水电磁阀和控制器。与常规的污水源热泵系统相比，不仅实现了生活污水的深度利用，通过生活污水的废热融解除冰实现换热表面上交替冻冰与融冰的两个过程，降低了生活污水的温度，保证了热泵机组常年的正常启动和稳定运行，同时保证了低位热源所提供的热量满足用户用热负荷需求，结构简单，便于维护检修，制热效率高，可以广泛应用于供生活热水及供热领域。

Description

一种回收废热热融式凝固潜热热泵

技术领域

本发明属于热泵领域，具体涉及一种利用废热显热除冰、利用废热显热和潜热作为热泵低位热源的凝固潜热热泵。

背景技术

随着我国经济的快速发展、城镇化水平和人民生活水平的不断提高，家庭、宾馆、学校、医院、浴池等对生活热水的需求量也不断提高。目前，通常有以下几种方式用来制备生活热水：(A)利用高品位热源(如燃煤、燃油、燃气、电加热)的热水锅炉；(B)利用太阳能作为主热源、燃气锅炉或电加热作为辅助热源的热水系统；(C)水源热泵或空气源热泵等热泵热水系统等。由于生活热水利用后在排放时仍具有较高的温度(可以达到30℃以上)，尽管利用高品位热源的热水锅炉尽管具有加热快、系统运行稳定的优点，但从我国能源政策及经济性角度看，热水锅炉不是最佳的制备热水的方式，不但消耗一次能源，而且运行费用高，同时产生的生活污水中蕴含的低位热能由于无法科学利用而被白白的浪费。太阳能是绿色的可再生能源，以其作为热源提供生活热水值得提倡，但太阳能具有不稳定性和分散性的缺点，使得太阳能热水系统的使用受到了较大的限制。对于热泵热水系统而言，江、河、湖、海水、城市污水等地表水源热泵由于具有制热系数高、初投资低等优点，被公认为是一项即节能又环保的优秀技术，然而地表水源热泵却一直没有得到普遍的推广，原因在于适合热泵水源的地表水并非处处都是，譬如，冬季江河湖海水的水温很低，最低在2～4℃左右，则可利用的显热能量空间已经很小，存在结冰冻结破坏或者堵塞管路的危险。

为了解决低位热源显热能量空间小的问题，人们考虑制取流体冰来提取凝固 潜热以满足工程负荷的需要。发明专利(申请号为CN 200610009617.5)提出了一种利用低位热源供水显热进行除霜的凝固潜热型热泵，利用空气与水互不相溶，流动性好的特点，以空气作为中介制冷流体，以此来制取“无根冰”。空气与水进行直接换热之后，再与热泵蒸发器内的制冷剂进行换热，因此，该热泵本质上属于空气源热泵。由于空气与水直接换热后的温度在0℃左右，且非常接近饱和状态，则该凝固热潜热型热泵在提取凝固潜热的过程中，蒸发器表面容易结霜，为提高热泵的制热效率，该发明利用部分低位热源水显热进行除霜。该发明很好地利用了低位热源水的潜热，同时有效地解决了蒸发器除霜的问题。另外，为了解决风冷热泵在环境气温较低时，其工作效率低甚至无法正常运行的问题，发明专利(申请号为CN 200910184024.6)提出了一种双热源热泵，该热泵具有两种运行模式，在环境气温较高时采用空气源作为热源，在环境温度较低时采用水的部分潜热作为热源，从而保证了热泵系统在环境温度较低时具有较高的工作效率，但如何制取流动冰，以满足连续从水中提取凝固热的需求是该热泵系统能否稳定运行的关键。在提取凝固热的过程中，为了在满足经济效益的情况下使结的冰及时从换热表面上被剥离，并且使冰水无堵塞地在管道中流动，发明专利(专利号为CN 200610009616.0，CN 200610009740.7)提出了刮刀式凝固热采集装置，以机械“刮”的形式将冻结在换热管上的冰从壁面上剥离下来，与水混合形成冰絮并随水带走，从而不断的采集凝固热，但采用机械除冰的方法存在设备结构复杂、成本高的问题。

生活污水回收利用时，具有废热温度高、蕴含的热能丰富等显著特点(可以达到30℃以上)，但以此作为水源热泵的低位热源，通过水源热泵机组加热生活热水时，会出现以下问题：(1)在冬季气温较低的地区，冬季自来水温度较低，如5℃左右，而废热的温度在30℃左右，利用30℃左右的低位热源通过热 泵将5℃左右的自来水加热到满足生活用水温度要求时，热泵机组在该工况下无法正常启动。(2)热泵在加热生活热水的过程中，由于冷凝侧冷水温度逐渐升高，导致冷凝温度逐渐升高，同时由于污水水量不足，需要将生活污水通过蓄水箱蓄存起来，则蒸发侧污水温度逐渐降低，导致蒸发温度逐渐减低，在热泵机组整个的运行过程中，冷凝温度和蒸发温度变化范围大，则热泵机组运行的稳定性差。(3)通过热泵机组将5℃左右的自来水加热到满足生活用水温度要求时，仅回收生活污水的显热，无法满足冷凝侧用户的用热负荷需要。因此，在国际社会普遍要求节能减排的呼声下，如何有效的解决上述问题，从而合理、有效地利用生活废水等废热资源，实现为用户提供连续稳定的用热需求具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是实现生活污水的合理、有效利用，采用污水的部分低温显热和凝固潜热作为热源，同时利用废水的部分显热通过热融法实现换热表面上交替进行冻冰与融冰的两个过程，以维持热泵机组的蒸发温度在一个比较稳定的范围之内运行，保证热泵机组的正常稳定地运行，并且保证低位热源所提供的热量满足用户用热负荷需求而提供的一种回收废热热融式凝固潜热热泵。

本发明的技术方案如下：

一种回收废热热融式凝固潜热热泵，包括压缩机、冷凝水箱、干燥过滤器、节流装置、蒸发水箱、气液分离器、蒸发水箱循环泵、冷凝水箱循环泵、液位计、用户热利用系统、集水器、除污器、自来水电磁阀、排水电磁阀和控制器；压缩机排气口与冷凝水箱制冷剂侧、干燥过滤器、节流装置、蒸发水箱制冷剂侧通过管道依次连接，压缩机吸气口与气液分离器出口通过管道连接；自来水 电磁阀通过自来水供水管道与冷凝水箱相连接，自来水供水管入口位置高于液位计顶端；排水电磁阀通过排水管与蒸发水箱相连接；用户热利用系统通过管路与冷凝水箱相连接；集水器、除污器与蒸发水箱通过管路依次连接；蒸发水箱循环泵的吸入口和出口通过管路与蒸发水箱连接，冷凝水箱循环泵的吸入口和出口通过管路与冷凝水箱连接；液位计安装在冷凝水箱外侧壁，其底端位置高于与用户热利用系统相连的出水口。

本发明的运行模式为：控制器读取液位计的指示值并和冷凝水箱最低液位设定值比较，当指示值低于最低液位设定值时，自来水电磁阀打开给冷凝水箱充水，当指示值达到冷凝水箱最高液位设定值时，自来水电磁阀关闭，蒸发水箱循环泵、冷凝水箱循环泵启动，之后热泵机组启动，当冷凝水箱内的水温达到用户需求温度时，热泵机组停止运行，之后蒸发水箱循环泵、冷凝水箱循环泵停止运行；用户从冷凝水箱中取高温热水，利用后通过集水器将废水进行收集，通过除污器对废水进行物理除污处理之后，废水流入蒸发水箱进行蓄存，并对蒸发水箱制冷剂换热管外侧的固体冰进行融解，当水温低于排水温度下线设定值时，排水电磁阀打开排水，当水温高水排水温度上线设定值时，排水电磁阀关闭；当蒸发水箱内蓄水液面高于溢流口时，多余的废水从溢流排出。

本发明与常规的污水源热泵系统相比，不仅实现了生活污水的热回收利用，而且通过生活污水的废热融解除冰实现换热表面上交替冻冰与融冰的两个过程，降低了生活污水的温度，保证了热泵机组常年的正常启动和稳定运行。该装置实现了废水凝固热利用，保证了低位热源所提供的热量满足用户用热负荷需求，提高了热泵的制热效率，并且本发明结构简单，便于维护检修，可以广泛应用于供生活热水及供热领域。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

图中：1压缩机，2冷凝水箱，3干燥过滤器，4节流装置，5蒸发水箱，6气液分离器，7蒸发水箱循环泵，8冷凝水箱循环泵，9液位计，10用户热利用系统，11集水器，12除污器，13自来水电磁阀，14排水电磁阀，15控制器。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实现本发明时，压缩机1、冷凝水箱2、干燥过滤器3、节流装置4、蒸发水箱5、气液分离器6依次连接，其工作原理与一般的水源热泵基本相同；自来水电磁阀13通过自来水供水管道与冷凝水箱2相连接；排水电磁阀通过排水管14与蒸发水箱5相连接；用户热利用系统10通过管路与冷凝水箱2相连接；集水器11、除污器12与蒸发水箱5通过管路依次连接；蒸发水箱循环泵7的吸入口和出口通过管路与蒸发水箱5连接，冷凝水箱循环泵8的吸入口和出口通过管路与冷凝水箱2连接；液位计9安装在冷凝水箱2外侧壁，其底端位置高于与用户热利用系统10相连的出水口。蒸发水箱5内的换热管既可以是光滑铜管，也可以是翅片管；冷凝水箱2既可以是附图1所示的直接式系统，冷凝水箱2自来水管入口位置高于液位计9的顶端。同时冷凝水箱2也可以采用冷凝器代替，形成间接式系统。

本发明的运行模式为：控制器15读取冷凝水箱2液位计9的指示值并和冷凝水箱2最低液位设定值比较，当指示值低于最低液位设定值时，自来水电磁阀13打开给冷凝水箱2充水，当指示值达到冷凝水箱2最高液位设定值时，自来水电磁阀13关闭，蒸发水箱循环泵8、冷凝水箱循环泵9启动，之后热泵机组启动，当冷凝水箱2内的水温达到用户需求温度时，热泵机组停止运行， 之后蒸发水箱循环泵8、冷凝水箱循环泵7停止运行；用户从冷凝水箱2中取高温热水，高温热水利用后通过集水器11将废水进行收集，通过除污器12对废水进行物理除污处理之后，废水流入蒸发水箱进行蓄存，并对蒸发水箱5制冷剂换热管外侧的固体冰进行融解，当水温低于排水温度下线设定值时，排水电磁阀14打开排水，当水温高水排水温度上线设定值时，排水电磁阀14关闭；当蒸发水箱5内蓄水液面高于溢流口时，多余的废水从溢流排出。

Claims (10)

1.一种回收废热热融式凝固潜热热泵，包括压缩机(1)、冷凝水箱(2)、干燥过滤器(3)、节流装置(4)、蒸发水箱(5)、气液分离器(6)、蒸发水箱循环泵(7)、冷凝水箱循环泵(8)、液位计(9)、用户热利用系统(10)、集水器(11)、除污器(12)、自来水电磁阀(13)、排水电磁阀(14)和控制器(15)；其特征在于压缩机(1)排气口与冷凝水箱(2)制冷剂侧、干燥过滤器(3)、节流装置(4)、蒸发水箱(5)制冷剂侧、气液分离器(6)通过管道依次连接，形成热泵工质循环环路；蒸发水箱(5)蓄冰侧为开式系统，用户热利用系统(10)利用后的废水通过集水器(11)收集、并利用除污器(12)除污后进入蒸发水箱(5)，废水经热泵提取潜热，并利用再次收集、进入蒸发水箱(5)的废水显热融冰后其冰水混合物经排水电磁阀(14)排出；液位计(9)安装在冷凝水箱(2)外侧壁，其底端位置高于与用户热利用系统(10)相连的出水口。

2.根据权利要求1所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于冷凝侧是直接式开式系统，冷凝水箱(2)自来水管入口位置高于液位计(9)的顶端。

3.根据权利要求1所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于冷凝水箱(2)采用冷凝器代替，冷凝器是板式换热器或壳管式换热器。

4.根据权利要求1或2所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于冷凝水箱(2)内的换热管是光管或翅片管。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于蒸发水箱(5)内的换热管是光管或翅片管。

6.根据权利要求4所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于蒸发水箱(5)内的换热管是光管或翅片管。

7.根据权利要求1或2或6所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于蒸发水箱(5)的搅拌系统是外置蒸发水箱循环泵或内置搅拌器；冷凝水箱(2) 的搅拌系统是外置冷凝水箱循环泵或内置搅拌器。

8.根据权利要求3所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于蒸发水箱(5)的搅拌系统是外置蒸发水箱循环泵或内置搅拌器。

9.根据权利要求4所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于蒸发水箱(5)的搅拌系统是外置蒸发水箱循环泵或内置搅拌器；冷凝水箱(2)的搅拌系统是外置冷凝水箱循环泵或内置搅拌器。

10.根据权利要求5所述的一种回收废热热融式凝固潜热热泵，其特征在于蒸发水箱(5)的搅拌系统是外置蒸发水箱循环泵或内置搅拌器；冷凝水箱(2)的搅拌系统是外置冷凝水箱循环泵或内置搅拌器。