CN104990305B - 一种全工况运行的预凝式热源塔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全工况运行的预凝式热源塔装置，包括主溶液回路、预凝与喷淋抑霜回路及空气回路，主溶液回路与预凝与喷淋抑霜回路为并列连接，溶液或冷却水从热源塔的溶液入口端进入后，经第一电动三通阀后以并联形式分为两股，分别进入主溶液回路与预凝与喷淋抑霜回路，并在集液池汇集。本发明能够降低热源塔热泵机组在冬季制热运行各种工况下的溶液再生负荷，减少溶液再生能源消耗，同时减少夏季制冷运行时的冷却水消耗，提高热源塔热泵系统冬夏综合性能。

Description

一种全工况运行的预凝式热源塔装置

技术领域

本发明属于制冷空调热泵技术领域，涉及一种可实现全工况运行的预凝式热源塔装置。

背景技术

现有中央空调系统冷热源方案都存在各自的优点及缺陷：冷水机组+锅炉方案具有夏季制冷效率高等优点，但冬季存在冷水机组闲置，锅炉供热一次能源利用率低等不足；空气源热泵具有结构紧凑，使用灵活，兼顾供冷供热的优点，但夏季制冷效率偏低，冬季制热存在结霜问题；水/地源热泵兼顾供冷供热，效率高，但受地理/地质条件限制且初投资较高。

热源塔热泵系统作为一种新型的建筑空调系统冷热源，在夏季制冷时与常规水冷冷水机组无异，具有水冷冷水机组的高效率；在冬季制热时热源塔中的工作介质为具有较低冰点的溶液，在塔中溶液与空气换热，从空气中吸取热量作为热泵的低位热源，在实现热源塔热泵制热的同时，避免常规空气源热泵的结霜问题。

热源塔热泵系统在冬季制热运行时，利用溶液在热源塔中与空气进行传热传质，实现显热和潜热的交换，因通常空气中的水蒸气分压力大于溶液表面的水蒸气分压力，在换热过程中，空气中的水分将进入溶液，导致溶液的浓度降低，冰点升高，而为保证系统的稳定运行，必须保证溶液的冰点温度低于热泵的蒸发温度。因此，在运行过程中需对溶液浓度以通过再生的方式进行控制，但溶液再生过程是一个消耗大量能量的过程。在雨天或雾天，空气中水蒸气分压力远大于溶液表面水蒸气分压力的同时，由于热源塔进风口呈负压，热源塔周围空气中的水滴将容易随进风被吸入塔内，导致溶液浓度下降更为严重，溶液再生负荷急剧增加。在夏季热源塔的功能相当于冷却塔，将冷水机组的冷凝热量在塔中主要通过部分冷却水蒸发来实现将冷凝热散到环境中，由此产生了大量的冷却水消耗，这对水资源不是很丰富的地区来说，是一个制约。

因此，为降低热源塔热泵系统冬季制热运行时的溶液再生负荷，减少溶液再生的能源消耗，同时减少夏季制冷运行时的冷却水消耗，提高热源塔热泵系统的冬夏综合性能，设计出一种可在冬夏季各种运行工况下都实现高效运行的热源塔成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够降低热源塔热泵机组在冬季制热运行各种工况下的溶液再生负荷，减少溶液再生能源消耗，同时减少夏季制冷运行时的冷却水消耗，提高热源塔热泵系统冬夏综合性能的全工况运行的预凝式热源塔装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的全工况运行的预凝式热源塔装置，包括热源塔塔体和设置在塔体中的主溶液回路、预凝与喷淋抑霜回路和空气回路。

主溶液回路包括从上至下依次设置的布液器、填料、集液池、第一电动三通阀及其连接管道。主溶液回路中，热源塔的溶液入口端连接第一电动三通阀入口，第一电动三通阀第一出口连接布液器的入口，填料位于布液器的正下方，集液池位于填料的正下方且在塔身最底部，集液池输出端接热源塔的溶液出口端。所述第一电动三通阀和集液池同时是预凝与喷淋抑霜回路的组成部分，所述填料同时是空气回路的组成部分；

预凝与喷淋抑霜回路包括第一电动三通阀、第二电动三通阀、喷淋装置、翅片管换热器、集液槽、第一电磁阀、第二电磁阀、集液池及其连接管道。预凝与喷淋抑霜回路中，第一电动三通阀第二出口连接第二电动三通阀入口，第二电动三通阀第一出口连接位于热源塔下部侧面进风位置的翅片管换热器溶液入口，翅片管换热器溶液出口与集液池第一输入端相连，第二电动三通阀第二出口连接喷淋装置的入口，所述喷淋装置位于翅片管换热器的正上方，所述集液槽位于翅片管换热器的正下方，集液槽的出口分成两路，一路通过第一电磁阀接集液池第二输入端，另外一路通过第二电磁阀接热源塔的排水口；所述翅片管换热器同时是空气回路的组成部分；

空气回路包括导流板、翅片管换热器、填料、收液器、风机及其连接通道。所述导流板位于热源塔下部侧面且在翅片管换热器的外侧，所述填料位于热源塔的中部，所述收液器位于布液器的上方，所述风机位于收液器的上方。

进一步的，本发明热源塔装置中，主溶液回路与预凝与喷淋抑霜回路为并列连接，溶液或冷却水从热源塔的溶液入口端进入后，经第一电动三通阀后以并联形式分为两股，分别进入主溶液回路与预凝与喷淋抑霜回路，并在集液池汇集。

进一步的，本发明热源塔装置中，所述翅片管换热器对进入热源塔的空气中的水分进行预凝，并在雨天或大雾天气时，防止热源塔进风口负压导致的雨滴或雾滴吸入热源塔内部。

进一步的，本发明热源塔装置中，喷淋装置能将低冰点的溶液喷淋于其正下方的翅片管换热器，位于翅片管换热器正下方的集液槽收集所喷淋溶液，当第一电磁阀开启，第二电磁阀关闭时上述收集的溶液汇入集液池，保证翅片管换热器稳定运行，充分利用其换热面积。

进一步的，本发明中，热源塔为逆流热源塔或横流热源塔。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明一种全工况运行的预凝式热源塔装置，在夏季通过翅片管换热器的作用，可减少机组冷凝热散热过程中冷却水的消耗；在冬季制热运行时，通过将空气中水分预凝的方式，大大的减少空气中水分在热源塔中进入溶液的量，从而降低热泵机组的溶液再生负荷及其再生热源需求，提高了热源塔热泵机组的综合性能，实现节能节水。

附图说明

图1是一种全工况运行的预凝式热源塔装置的原理示意图。

图中有：风机1、收液器2、布液器3、填料4、翅片管换热器5、翅片管换热器溶液入口5a、翅片管换热器溶液出口5b、第一电动三通阀6、第一电动三通阀入口6a、第一电动三通阀第一出口6b、第一电动三通阀第二出口6c、第二电动三通阀7、第二电动三通阀入口7a、第二电动三通阀第一出口7b、第二电动三通阀第二出口7c、第一电磁阀8、第二电磁阀9、喷淋装置10、导流板11、集液槽12、集液池13、集液池输出端13a、集液池第一输入端13b、集液池第二输入端13c。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提供的一种全工况运行的预凝式热源塔装置，其原理图如图1所示，该热源塔包括热源塔塔体和设置在塔体中的主溶液回路、预凝与喷淋抑霜回路和空气回路。

主溶液回路包括从上至下依次设置的布液器3、填料4、集液池13、第一电动三通阀6及其连接管道；主溶液回路中，热源塔的溶液入口端连接第一电动三通阀入口6a，第一电动三通阀第一出口6b连接布液器3的入口，所述填料4位于布液器3的正下方，所述集液池13位于填料4的正下方且在塔身最底部，集液池输出端13a接热源塔的溶液出口端；所述第一电动三通阀6和集液池13同时是预凝与喷淋抑霜回路的组成部分，所述填料4同时是空气回路的组成部分；

预凝与喷淋抑霜回路包括第一电动三通阀6、第二电动三通阀7、喷淋装置10、翅片管换热器5、集液槽12、第一电磁阀8、第二电磁阀9、集液池13及其连接管道；第一电动三通阀第二出口6c连接第二电动三通阀入口7a，第二电动三通阀第一出口7b连接位于热源塔下部侧面进风位置的翅片管换热器溶液入口5a，翅片管换热器溶液出口5b与集液池第一输入端13b相连，第二电动三通阀第二出口7c连接喷淋装置10的入口，所述喷淋装置10位于翅片管换热器5的正上方，所述集液槽12位于翅片管换热器5的正下方，集液槽12的出口分成两路，一路通过第一电磁阀8接集液池第二输入端13c，另外一路通过第二电磁阀9接热源塔的排水口；所述翅片管换热器5同时是空气回路的组成部分；

空气回路包括导流板11、翅片管换热器5、填料4、收液器2、风机1及其连接通道，所述导流板11位于热源塔下部侧面且在翅片管换热器5的外侧，所述填料4位于热源塔的中部，所述收液器2位于布液器3的上方，所述风机1位于收液器2的上方。

本发明的具体方法是：热源塔冬季制热运行分为二种模式，冬季制热不结霜模式和冬季制热结霜模式。

冬季制热不结霜模式：冬季制热运行时，当空气在热源塔的翅片管换热器5的翅片表面只凝露而不冻结或不出现结霜时，运行此模式，可实现对进入热源塔的空气中的水分预凝。此时，低温溶液从热泵机组蒸发器流出后由热源塔的溶液入口端进入，经过第一电动三通阀6时分为两路，一路溶液由第一电动三通阀第一出口6b流出，进入布液器3，溶液由布液器3布撒于填料4之上，溶液在填料4表面形成液膜，在重力的作用下，由填料4上部流到填料4下部，在这过程中与空气进行传热传质，溶液温度升高，浓度降低，最终溶液由填料4下部流入集液池13中；另一路溶液由第一电动三通阀第二出口6c流出，进入第二电动三通阀7，此时溶液全部从第二电动三通阀第一出口7b流出，进入翅片管换热器5，溶液在翅片管换热器5中与空气进行换热，溶液温度升高后，从翅片管换热器溶液出口5b流出，由集液池第一输入端13b流入集液池13，集液池13中温度升高后的溶液从集液池输出端13a经热源塔的溶液出口端流出，进入热泵机组的蒸发器中。同时因进入第二电动三通阀7的全部溶液都从第二电动三通阀第一出口7b流出，则喷淋装置10中无溶液喷淋，同时因翅片管换热器5中溶液与空气进行换热，翅片管换热器5的翅片表面温度低于空气露点温度，空气中水分在翅片管换热器5的翅片表面凝结，凝结水从翅片管换热器5的翅片表面滴落后流入集液槽12，此时第一电磁阀8关闭，第二电磁阀9打开，凝结水从集液槽12流出后经过第二电磁阀9从热源塔的排水口流出。环境中的空气在风机1的抽吸作用下，经过导流板11进入翅片管换热器5，在其中与溶液进行换热，此时空气中的水分凝结成水滴，空气温度下降，同时绝对含湿量也降低，实现预凝，空气从翅片管换热器5中流出后进入填料4，在填料4中与溶液进行传热传质，空气再次放出热量，其温度进一步降低，同时空气中水分尚有部分进入溶液，空气从填料4的上部流出后进入收液器2，空气中所携带的液滴将被收液器2所除去，空气流出收液器2后被风机1吸入加压后排出热源塔。

冬季制热结霜模式：当空气经过热源塔的翅片管换热器5的翅片表面出现结霜时，运行此模式。此时，低温溶液从热泵机组蒸发器流出后由热源塔的溶液入口端进入，经过第一电动三通阀6时分为两路，一路溶液由第一电动三通阀第一出口6b流出，进入布液器3，溶液由布液器3布撒于填料4之上，溶液在填料4表面形成液膜，在重力的作用下，由填料4上部流到填料4下部，在这过程中与空气进行传热传质，溶液的温度升高，浓度降低，最终溶液由填料4下部流入集液池13中；另一路溶液由第一电动三通阀第二出口6c流出，进入第二电动三通阀7，此时溶液在第二电动三通阀7中被分成两路，一路溶液从第二电动三通阀第一出口7b流出，进入翅片管换热器5，溶液在翅片管换热器5中与空气进行换热，溶液温度升高后，从翅片管换热器溶液出口5b流出，由集液池第一输入端13b流入集液池13；另一路溶液从第二电动三通阀第二出口7c流出，溶液进入喷淋装置10，溶液被喷淋至翅片管换热器5的翅片表面，因翅片管换热器5中溶液与空气进行换热时，翅片管换热器5的翅片表面温度低于空气露点温度且低于0℃，空气中水分在翅片管换热器5的翅片表面结成霜，喷淋的溶液在翅片管换热器5的翅片表面与霜进行接触（因溶液具有较低冰点，喷淋至霜表面时，霜将融化），霜被融化后与溶液一道流入集液槽12，此时第二电磁阀9关闭，第一电磁阀8打开，溶液从集液槽12流出后经过第一电磁阀8流入集液池13，集液池13中温度升高后的溶液从集液池输出端13a经热源塔的溶液出口端流出，进入热泵机组的蒸发器中。环境中的空气在风机1的抽吸作用下，经导流板11进入翅片管换热器5，在其中与溶液进行换热，此时空气中水分将在翅片管换热器5的翅片表面结成霜，空气温度降低，空气从翅片管换热器5中流出后进入填料4，在填料4中与溶液进行传热传质，空气放出热量，其温度进一步降低，同时空气中水分尚有部分进入溶液，空气从填料4的上部流出后进入收液器2，空气中所携带的液滴被收液器2所除去，空气流出收液器2后被风机1吸入加压后排出热源塔。

冬季的下雨和大雾天气一般出现在环境温度相对较高时（此时热源塔运行不结霜模式），当热源塔在雨天或大雾环境运行时，由于风机1的抽吸作用，热源塔进风口处将呈负压，进风口侧空气中的雨滴或雾滴将会被直接以液态的形式吸入塔内，而这部分对热源塔换热不产生贡献的同时，反而因其以液态形式直接进入溶液，使得溶液浓度降低，造成再生负荷升高。而本发明一种可全工况运行的预凝式热源塔装置在此运行环境下，因翅片管换热器5的存在，可有效阻挡空气中的液滴进入填料，并将液滴收集于集液槽12，经第二电磁阀9从热源塔的排水口排出。

夏季制冷运行：夏季热源塔热泵工作时相当于水冷冷水机组，即此时热源塔功能相当于冷却塔，此时热源塔中的工作介质为冷却水，而不是溶液。热泵机组冷凝器中出来的高温冷却水由热源塔的溶液入口端进入，经过第一电动三通阀6时分为两路，一路冷却水由第一电动三通阀第一出口6b流出，进入布液器3，冷却水由布液器3布撒于填料4之上，冷却水在填料4表面形成液膜，在重力的作用下，由填料4上部流到填料4下部，在这过程中与空气进行传热传质，部分冷却水蒸发变成水蒸气进入空气，其余冷却水温度降低，最终冷却水由填料4下部流入集液池13中；另一路冷却水由第一电动三通阀第二出口6c流出，进入第二电动三通阀7，此时冷却水全部从第二电动三通阀第一出口7b流出，进入翅片管换热器5，冷却水在翅片管换热器5中与空气进行换热，冷却水温度降低后，从翅片管换热器溶液出口5b流出，由集液池第一输入端13b流入集液池13，集液池13中温度降低后的冷却水从集液池输出端13a经热源塔的溶液出口端流出，进入热泵机组的冷凝器中，同时因进入第二电动三通阀7中的全部冷却水都从第二电动三通阀第一出口7b流出，则喷淋装置10不工作，第一电磁阀8、第二电磁阀9都关闭。环境中的空气在风机1的抽吸作用下，经导流板11进入翅片管换热器5，在其中与冷却水进行换热，空气温度升高，空气从翅片管换热器5中流出后进入填料4，在填料4中冷却水进行传热传质，空气温度进一步升高，同时部分冷却水蒸发所变成的水蒸气进入空气，空气从填料4的上部流出后进入收液器2，空气中所携带的液滴将被收液器2所除去，空气流出收液器2后被风机1吸入加压后排出热源塔。

热源塔在夏季制冷工况运行时，因进入热源塔的空气首先与翅片管换热器5中冷却水进行换热，此部分冷却水温度降低后，直接进入集液池13，承担了热源塔散热的部分热负荷，相当于减少了冷却水在填料4中通过以水分蒸发形式而散发的热量（即降低填料4的热负荷），从而减小热源塔的冷却水蒸发损失，实现了节水的同时提高了系统效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本装置也同样适用于横流型热源塔 ，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种全工况运行的预凝式热源塔装置，其特征在于：该装置包括热源塔塔体和设置在塔体中的主溶液回路、预凝与喷淋抑霜回路和空气回路；

所述主溶液回路包括从上至下依次设置的布液器（3）、填料（4）、集液池（13）、第一电动三通阀（6）及其连接管道；所述热源塔的溶液入口端连接第一电动三通阀入口（6a），第一电动三通阀第一出口（6b）连接布液器（3）的入口，所述填料（4）位于布液器（3）的正下方，所述集液池（13）位于填料（4）的正下方且在塔身最底部，集液池输出端（13a）接热源塔的溶液出口端；所述第一电动三通阀（6）和集液池（13）同时是预凝与喷淋抑霜回路的组成部分，所述填料（4）同时是空气回路的组成部分；

所述预凝与喷淋抑霜回路包括第一电动三通阀（6）、第二电动三通阀（7）、喷淋装置（10）、翅片管换热器（5）、集液槽（12）、第一电磁阀（8）、第二电磁阀（9）、集液池（13）及其连接管道；第一电动三通阀第二出口（6c）连接第二电动三通阀入口（7a），第二电动三通阀第一出口（7b）连接位于热源塔下部侧面进风位置的翅片管换热器溶液入口（5a），翅片管换热器溶液出口（5b）与集液池第一输入端（13b）相连，第二电动三通阀第二出口（7c）连接喷淋装置（10）的入口，所述喷淋装置（10）位于翅片管换热器（5）的正上方，所述集液槽（12）位于翅片管换热器（5）的正下方，集液槽（12）的出口分成两路，一路通过第一电磁阀（8）接集液池第二输入端（13c），另外一路通过第二电磁阀（9）接热源塔的排水口；所述翅片管换热器（5）同时是空气回路的组成部分；

所述空气回路包括导流板（11）、翅片管换热器（5）、填料（4）、收液器（2）、风机（1）及其连接通道，所述导流板（11）位于热源塔下部侧面且在翅片管换热器（5）的外侧，所述填料（4）位于热源塔的中部，所述收液器（2）位于布液器（3）的上方，所述风机（1）位于收液器（2）的上方。

2.根据权利要求1所述的一种全工况运行的预凝式热源塔装置，其特征在于：所述主溶液回路与预凝与喷淋抑霜回路为并列连接，溶液或冷却水从热源塔的溶液入口端进入后，经第一电动三通阀（6）后以并联形式分为两股，分别进入主溶液回路与预凝与喷淋抑霜回路，并在集液池（13）汇集。

3.根据权利要求1所述的一种全工况运行的预凝式热源塔装置，其特征在于，所述翅片管换热器（5）对进入热源塔的空气中的水分进行预凝，并在雨天或大雾天气时，防止热源塔进风口负压导致的雨滴或雾滴吸入热源塔内部。

4.根据权利要求1所述的一种全工况运行的预凝式热源塔装置，其特征在于，所述喷淋装置（10）能将低冰点的溶液喷淋于其正下方的翅片管换热器（5），位于翅片管换热器（5）正下方的集液槽（12）收集所喷淋溶液，当第一电磁阀（8）开启，第二电磁阀（9）关闭时上述收集的溶液汇入集液池（13），保证翅片管换热器（5）稳定运行，充分利用其换热面积。

5.根据权利要求1所述的一种全工况运行的预凝式热源塔装置，其特征在于，所述热源塔为逆流热源塔或横流热源塔。