CN105091409A - 直通式热泵 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种直通式热泵，它的主要结构包括：蒸发器、冷凝器和蒸汽增压通道，蒸发器和冷凝器呈左右设置，蒸发器与冷凝器间有蒸汽增压通道。中高温废水在蒸发器里蒸发产生蒸汽，蒸发器蒸汽通过蒸汽增压通道进入冷凝器凝结放热，其特征在于：所说的冷凝器，它是由三个间壁式换热器上下串联构成。所述蒸汽增压通道，它的结构包括筒体和筒体上的压缩机；筒体是一个圆形的蒸汽管道，通过法兰盘连接在蒸发器蒸发室的蒸汽出口和冷凝器冷凝室的蒸汽进口之间；筒体上的压缩机包括：电机、传送带、传动轴和叶轮，电机通过传送带和传动轴，带动叶轮在筒体内旋转，压缩并推动蒸汽流动，从蒸发器流向冷凝器。

Description

直通式热泵

技术领域

本发明涉及热工技术，特别是涉及一种直通式热泵。

背景技术

我国已经是钢铁和化工生产的大国。

钢铁的年产量占世界总产量的40％。无论是炼钢还是炼铁，都要产生大量的炉渣。炉渣是和钢铁相伴随生成，它是钢铁冶炼的副产品，又是一系列重要冶金反应的基本条件，它直接参与钢铁冶炼过程的物理化学反应和传质传热过程，它不仅影响到钢铁产量、质量，而且与原材料、能量的消耗都有密切的关系。

钢铁冶金炉内，产生1400-2000℃的高温炉渣，经渣口流出后，再经渣沟进入冲渣流槽时，以一定的水量、水压及流槽坡度，使水与熔渣流成一定的交角，熔渣受冷冲击，炸裂成一定粒度的合格的水渣。渣水分离后，炉渣用作建筑材料；与高温炉渣进行热交换的冲渣水，进入冲渣水池。冲渣水池通常占地几千平方米，冲渣水池上方热汽腾空，这样的冲渣水，是温度常年保持在60-70℃的中温废水，是一个巨大的潜在的热能能源，如果能有效地加以利用，比如说利用冲渣水的热能，冬天为居民区供暖，不仅可以为国家节约大量燃料，而且减少了碳排放，保护了环境。

冲渣水的热能回收利用问题，至今还没有得到很好的解决。

由于冲渣水反复使用，冲渣水中溶进了炉渣中含有的多种无机盐和氧化物，形成了几乎是饱和的盐碱水溶液。当炉渣受冷冲击炸裂成水渣过程中，还有一部分细小的炉渣进入水中悬浮。经实际检测，冲渣水浊度为60-80mg/1。

某供暖企业，通过间壁式换热器，将冲渣水的热量传递给循环水，利用循环水向居民区供暖。仅仅一个冬天，不到4个月的供暖时间，间壁式换热器的冲渣水侧，结垢达3-5厘米，垢层坚硬，风化后变松散。经分析后认为，冲渣水在换热器内结垢的成份为多种含结晶水的无机盐，例如含结晶水的硅酸盐。冲渣水坚硬的结晶水垢，使间壁式换热器几乎完全报废。

有人试图有过滤器过滤冲渣水，以解决冲渣水在换热器上结水垢问题。冲渣水是多种成分的盐碱水，对于盐碱水，过滤器完全没有用。盐碱水可以顺利通过任何过滤器，而到了换热器内部，遇到冷的换热器壁面，盐碱水降温，过饱和，立刻在冷壁面上结晶。

化工化肥生产企业，分布在很多县市中，在其生产过程中，产生大量中低温废水。例如，利用半水煤气方法生产氨气和氮肥的化工厂，在高温水煤气通过喷淋塔清洗过程中，产生大量40-70℃很脏的中低温废水，利用普通换热器回收废水热量时，换热器受污染，降低传热能力，还经常堵塞，不能工作。尤其是，当水温低于50℃，利用换热器换热，对于供暖已经没有价值。

如上所述，在工农业和人民生活中，排放各种各样的中低温废水，由于这些中低温废水中含有的杂质成分复杂，若利用通常的间壁式换热器回收热能，换热器间壁很快就被结垢污染而不能正常工作；而当废水温度较低时，利用换热器回收热量，不能满足用户对于供热温度的要求。

上述有关污水热能回收的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、余建祖编著，换热器原理与设计，北京：北京航空航天大学出版社，2010。

2、陈东主编，热泵技术，北京：化学工业出版社，2012。

发明内容

为了解决中低温废水热能的回收问题，本发明给出一种直通式热泵。

一种直通式热泵，它的主要结构包括：蒸发器、冷凝器和蒸汽增压通道。

蒸发器和冷凝器呈左右设置，蒸发器与冷凝器间有蒸汽增压通道，中低温废水在蒸发器里蒸发产生的蒸汽，通过蒸汽增压通道进入冷凝器凝结放热，其特征在于：所说的冷凝器，它是由三个间壁式换热器上下串联构成。

蒸发器是立式压力容器，它是由三个蒸发室上下串联构成，它的结构包括：进水管、上封头、筒体、第一筛板、第一蒸发室、第一蒸汽出口、第二筛板、第二蒸发室、第二蒸汽出口、第三筛板、第三蒸发室、第三蒸汽出口、下封头和排水管。

中低温废水通过进水管进入蒸发器，通过第一筛板，进入蒸发器第一蒸发室，部分蒸发产生蒸汽，通过第一蒸汽出口流出；第一蒸发室蒸发剩余废水，进入第二蒸发室，第二蒸发室蒸发产生的蒸汽通过第二蒸汽出口流出；第二蒸发室蒸发剩余废水，进入第三蒸发室，第三蒸发室蒸发产生的蒸汽通过第三蒸汽出口流出；第三蒸发室内最终剩余废水，从下部的排水管流出。

冷凝器是立式压力容器，它的结构包括：上封头、筒体、第一蒸汽进口、第一冷凝室、第一间壁式换热器、第一底板、第一疏水孔、第一连接水管、第二蒸汽进口、第二冷凝室、第二间壁式换热器、第二底板、第二疏水孔、第二连接水管、第三蒸汽进口、第三冷凝室、第三间壁式换热器、进水管、出水管、下封头、真空抽气管和凝结水管。

供暖循环水回水，从下部进水管进入冷凝器，进入第三间壁式换热器，通过间壁与蒸汽换热，蒸汽凝结向下流淌，供暖循环水再通过第二连接水管，向上进入第二间壁式换热器，继续通过间壁与蒸汽换热，再通过第一连接水管，向上进入第一间壁式换热器，通过间壁与蒸汽换热，最后，被蒸汽加热了的供暖循环水，通过出水管流出。

通过第一蒸汽进口，进入冷凝器的第一冷凝室的蒸汽，向下竖直流入第一间壁式换热器的上下通透的蒸汽流道，通过间壁向供暖循环水传热，蒸汽放热后凝结，沿着换热壁面向下流淌，流到第一底板，通过第一疏水孔，向下流到第二间壁式换热器的蒸汽侧；通过第二和第三蒸汽进口，进入冷凝器第二和第三冷凝室的蒸汽，通过第二和第三间壁式换热器向供暖循环水传热，蒸汽放热凝结；全部蒸汽凝结产生的凝结水，通过下封头底部的凝结水管排出。

在冷凝器底部的侧壁上，接出真空抽气管，抽出冷凝器内的不凝气体。

蒸汽增压通道，它的结构包括筒体和筒体上的压缩机。

筒体是一个圆形的蒸汽管道，通过法兰盘连接在蒸发器蒸发室的蒸汽出口和冷凝器冷凝室的蒸汽进口之间；筒体上的压缩机包括：电机、传动带、传动轴和叶轮，电机通过传动带和传动轴，带动叶轮在筒体内旋转，压缩并推动蒸汽流动，从蒸发器流向冷凝器。压缩机通常为多级压缩机，对蒸汽进行压缩升温。

所述蒸汽增压通道共有三条：第一条蒸汽增压通道连接蒸发器的第一蒸汽出口和冷凝器的第一蒸汽进口，第二条蒸汽增压通道连接蒸发器的第二蒸汽出口和冷凝器的第二蒸汽进口，第三条蒸汽增压通道连接蒸发器的第三蒸汽出口和冷凝器的第三蒸汽进口。

附图说明

图1是本发明直通式热泵实施例的总体结构图；

图2是本发明直通式热泵实施例的蒸发器结构图；

图3是本发明直通式热泵实施例的冷凝器结构图；

图4是本发明直通式热泵实施例的蒸汽增压通道结构图。

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给出了本发明直通式热泵实施例的总体结构图。

本发明直通式热泵实施例的总体结构，在外形上分为左右两大块：左方是立式的蒸发器100，右方是立式的冷凝器300，中间有蒸汽增压通道200。

中低温废水通过进水管110进入蒸发器100，通过第一筛板130进入蒸发器100内的第一蒸发室135，蒸发室135内的压力低于进口中低温废水温度对应的饱和压力，所以，中低温废水进入蒸发室135后立刻部分蒸发，也称作是闪蒸或扩容。蒸发产生的蒸汽，通过第一蒸汽增压通道200，压缩升温后，进入冷凝器300的第一冷凝室305。

蒸发器100第二、第三蒸发室蒸发产生的蒸汽，依次通过第二、第三蒸汽增压通道，压缩升温后，进入冷凝器300的第二、第三冷凝室。

蒸发器100第一、第二和第三蒸发室闪蒸剩余的饱和废水，通过各级筛板，依次向下流淌。最终闪蒸剩余的饱和废水，从下部的排水管170向下流出。由于下降高度差产生静压，废水压力升高，变成不饱和水，再经抽水泵排出。

供暖循环水的回水，通过给水泵，从冷凝器300下部的进水管345进入立式壳管式冷凝器300，从下向上，依次通过三个间壁式换热器。通过三个间壁式换热器后，在冷凝器300内被加热了的供暖循环水，通过冷凝器300上部出水管325，向外给出供暖热水。

蒸发器100第一蒸发室135内产生的蒸汽，从第一蒸汽增压通道200水平进入冷凝器300的第一冷凝室305后，向下流入第一间壁式换热器320，通过间壁与循环水换热，蒸汽放热并凝结，向下流淌。

同样，蒸发器100第二、第三蒸发室内产生的蒸汽，从第二、第三蒸汽增压通道水平进入冷凝器300的第二、第三冷凝室后，向下流入第二、第三间壁式换热器，通过间壁与循环水换热，蒸汽放热并凝结，向下流淌。

最后，流到冷凝器300底部的积聚的凝结水，通过凝结水管365，经冷凝水泵排出。

在冷凝器300的下部侧壁上，有一个真空抽气管355。真空泵通过真空抽气管355不断地抽出冷凝器内的不凝气体，主要就是中低温废水析出的溶解气体，以及系统内漏入的空气，从而可以保证系统内的真空度。

本发明直通式热泵实施例中蒸发器和冷凝器均为上下三级，也可以上下均为两级，或四、五级。

直通式热泵工作流程简述如下：

1，中低温废水通过进水管道从上部进入蒸发器100；

2，蒸发器100内的压力低，中低温废水进入蒸发器后立刻部分蒸发；

3，蒸发器100内产生的蒸汽，通过蒸汽增压通道200，进入冷凝器300；

4，蒸发器100内剩余的饱和废水，从下部的排水管170向下流出；

5，供暖循环水通过冷凝器300进水管345上的给水泵，进入冷凝器300；

6，冷凝器300为间壁式换热器，间壁的一侧是蒸发器蒸汽，另一侧是供暖循环水；

7，在冷凝器300内被加热了的供暖循环水，通过出水管325流出；

8，在冷凝器300的下方，有真空抽气管355，通过真空泵抽出冷凝器中的不凝气体；

9，在冷凝器300内的蒸汽凝结水，通过凝结水管365和凝结水泵流出。

图2给出了本发明直通式热泵实施例的蒸发器结构图。

本发明直通式热泵实施例的蒸发器，它的外形是一个立式的压力容器，它的结构包括：进水管110、上封头120、筒体150、第一筛板130、第一蒸发室135、第一蒸汽出口140、第二筛板、第二蒸发室、第二蒸汽出口、第三筛板、第三蒸发室、第三蒸汽出口、下封头160和排水管170。

中低温废水通过进水管110进入蒸发器，再通过第一筛板130进入蒸发器内的第一蒸发室135，蒸发室135内的压力低于进口中低温废水温度对应的饱和压力，所以，中低温废水进入蒸发室135后立刻部分蒸发，也称作是闪蒸或扩容。

蒸发器第一蒸发室蒸发产生的蒸汽，通过第一蒸汽出口140，再通过第一蒸汽增压通道，进入冷凝器的第一冷凝室。

蒸发器第一蒸发室蒸发剩余的饱和废水，向下通过各级筛板，依次向下流淌。

蒸发器第二蒸发室蒸发产生的蒸汽，通过第二蒸汽出口，再通过第二蒸汽增压通道，进入冷凝器的第二冷凝室。

蒸发器第二蒸发室蒸发剩余的饱和废水，向下通过各级筛板，依次向下流淌。

蒸发器第三蒸发室蒸发产生的蒸汽，通过第三蒸汽出口，再通过第三蒸汽增压通道，进入冷凝器的第三冷凝室。

蒸发器第三蒸发室蒸发剩余的饱和废水，向下流淌。

最终，三级蒸发剩余的饱和废水，从下部的排水管170向下流出。由于下降高度差产生静压，废水压力升高，变成不饱和水，再经抽水泵排出。

筛板是多孔板，它的作用是：

1，对于给定的水流量，筛板上的水层应为2～5厘米厚，以保证上下蒸发室的汽相空间不相通；

2，筛板流下的水流表面，应有足够的面积，以保证蒸汽和水之间的换热需要；

3，筛板的流水孔的直径，通常为6～8毫米，不能小6毫米，以防止堵塞。

图3给出了本发明直通式热泵实施例的冷凝器结构图。

本发明直通式热泵实施例的冷凝器，它是一个立式的三段串联式间壁式换热器，它的外形是一个压力容器，它的结构包括：上封头310、筒体315、蒸汽进口350、第一冷凝室305、第一间壁式换热器320、第一底板330、第一疏水孔335、第一连接水管340、第二冷凝室、第二间壁式换热器、第二底板、第二疏水孔、第二连接水管342、第三冷凝室、第三间壁式换热器、进水管345、出水管325、下封头360、真空抽气管355和凝结水管365。

供暖循环水的低温回水，通过给水泵，从下部进水管345进入冷凝器，进入上下三段串联式间壁式换热器的最下边的第三段间壁式换热器。在第三段间壁式换热器内，供暖循环水通过间壁与蒸汽换热，蒸汽凝结放热，蒸汽的热量提高了循环水温度，蒸汽凝结水通过间壁式换热器内竖直通道向下流淌。流经第三段间壁式换热器后，被初步加热的供暖循环水，通过第二连接水管342，向上进入第二段间壁式换热器，继续通过间壁与蒸汽换热。流经第二段间壁式换热器，被进一步加热了的供暖循环水，通过第一连接水管340，向上进入第一段间壁式换热器，继续通过间壁与蒸汽换热。最后，被充分加热了的供暖循环水，通过出水管325流出，向热用户供热。

蒸发器的第一蒸发室蒸发产生的蒸汽，通过第一蒸汽增压通道，进入冷凝器的第一冷凝室305后，向下竖直流入第一段间壁式换热器320的上下通透的蒸汽流道，通过间壁向供暖循环水传热，蒸汽放热后凝结，沿着换热壁面向下流淌，流到第一底板330，通过第一疏水孔335，向下流到第二间壁式换热器的蒸汽侧。

同样，蒸发器的第二、第三蒸发室蒸发产生的蒸汽，通过第二、第三蒸汽增压通道，进入冷凝器的第二、第三冷凝室后，向下竖直流入第二、第三段间壁式换热器的上下通透的蒸汽流道，通过间壁向供暖循环水传热，蒸汽放热后凝结，沿着换热壁面向下流淌。

最后，全部三级间壁式换热器的蒸汽侧凝结产生的凝结水，一起流到下封头360内的蓄水室，再通过凝结水管365和凝结水泵排出。

在下封头360内的蓄水室的上部空间的侧壁上，接出真空抽气管355。真空泵通过真空抽气管355不断地抽出冷凝器内的不凝气体，主要就是蒸汽中夹带的不凝气体，以及系统内漏入的空气，从而可以保证系统内的真空度，保证蒸发器闪蒸温度，保证冷凝间壁式换热器高效传热。

所说间壁式换热器，可以是板式换热器、螺旋板式换热器或管壳式换热器。

图4是本发明直通式热泵实施例的蒸汽增压通道结构图。

本发明直通式热泵实施例的蒸汽增压通道的结构包括筒体250和压缩机。

筒体250是一个圆形的水平蒸汽管道，通过法兰盘连接在蒸发器100的蒸发室和冷凝器300的冷凝室之间。

压缩机包括：电机210、传动带220、传动轴230、叶轮240。在电机210带动下，通过传动带220和传动轴230，叶轮240在筒体250内旋转，压缩并推动蒸汽流动，从蒸发器流向冷凝器。压缩机通常为多级压缩机，对蒸汽进行压缩升温。

Claims (4)

1.一种直通式热泵，它的主要结构包括：蒸发器、冷凝器和蒸汽增压通道；蒸发器和冷凝器呈左右设置，蒸发器与冷凝器间有蒸汽增压通道，中低温废水在蒸发器里蒸发产生的蒸汽，通过蒸汽增压通道压缩升温后，进入冷凝器凝结放热，其特征在于：所说的冷凝器，它是由三个间壁式换热器上下串联构成。

2.按照权利要求1所述的直通式热泵，其特征在于：所述蒸发器是立式压力容器，它是由三个蒸发室上下串联构成，它的结构包括：进水管、上封头、筒体、第一筛板、第一蒸发室、第一蒸汽出口、第二筛板、第二蒸发室、第二蒸汽出口、第三筛板、第三蒸发室、第三蒸汽出口、下封头和排水管；中低温废水通过进水管进入蒸发器，通过第一筛板，进入蒸发器第一蒸发室，部分蒸发产生蒸汽，通过第一蒸汽出口流出；第一蒸发室蒸发剩余废水，进入第二蒸发室，第二蒸发室蒸发产生的蒸汽通过第二蒸汽出口流出；第二蒸发室蒸发剩余废水，进入第三蒸发室，第三蒸发室蒸发产生的蒸汽通过第三蒸汽出口流出；第三蒸发室内最终剩余废水，从下部的排水管流出。

3.按照权利要求1所述的直通式热泵，其特征在于：所述冷凝器是立式压力容器，它的结构包括：上封头、筒体、第一蒸汽进口、第一冷凝室、第一间壁式换热器、第一底板、第一疏水孔、第一连接水管、第二蒸汽进口、第二冷凝室、第二间壁式换热器、第二底板、第二疏水孔、第二连接水管、第三蒸汽进口、第三冷凝室、第三间壁式换热器、进水管、出水管、下封头、真空抽气管和凝结水管；供暖循环水回水，从下部进水管进入冷凝器，进入第三间壁式换热器，通过间壁与蒸汽换热，蒸汽凝结向下流淌，供暖循环水再通过第二连接水管，向上进入第二间壁式换热器，继续通过间壁与蒸汽换热，再通过第一连接水管，向上进入第一间壁式换热器，通过间壁与蒸汽换热，最后，被蒸汽加热了的供暖循环水，通过出水管流出；通过第一蒸汽进口，进入冷凝器的第一冷凝室的蒸汽，向下竖直流入第一间壁式换热器的上下通透的蒸汽流道，通过间壁向供暖循环水传热，蒸汽放热后凝结，沿着换热壁面向下流淌，流到第一底板，通过第一疏水孔，向下流到第二间壁式换热器的蒸汽侧；通过第二和第三蒸汽进口，进入冷凝器第二和第三冷凝室的蒸汽，通过第二和第三间壁式换热器向供暖循环水传热，蒸汽放热凝结；全部蒸汽凝结产生的凝结水，通过下封头底部的凝结水管排出；在冷凝器底部的侧壁上，接出真空抽气管，抽出冷凝器内的不凝气体。

4.按照权利要求1所述的直通式热泵，其特征在于：所述蒸汽增压通道，它的结构包括筒体和筒体上的压缩机；筒体是一个圆形的蒸汽管道，通过法兰盘连接在蒸发器蒸发室的蒸汽出口和冷凝器冷凝室的蒸汽进口之间；筒体上的压缩机包括：电机、传动带、传动轴和叶轮，电机通过传动带和传动轴，带动叶轮在筒体内旋转，压缩并推动蒸汽流动，从蒸发器流向冷凝器，压缩机通常为多级压缩机，对蒸汽进行压缩升温；所述蒸汽增压通道共有三条：第一条蒸汽增压通道连接蒸发器的第一蒸汽出口和冷凝器的第一蒸汽进口，第二条蒸汽增压通道连接蒸发器的第二蒸汽出口和冷凝器的第二蒸汽进口，第三条蒸汽增压通道连接蒸发器的第三蒸汽出口和冷凝器的第三蒸汽进口。