CN106546035A - 一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，包含：包含依次连通的污水池、压力泵、循环热水箱、热交换室、反冲洗压力泵、污水净化装置和污水处理池；二氧化碳换热循环模块，包含相连通的压缩机组、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器，形成二氧化碳换热循环回路；所述压缩机组为若干台压缩机并联组成；所述回热器连接有回热器第一回路和回热器第二回路；供水系统，包含相连通的供水水箱、工艺水泵、冷却设备和冷水箱。该回收系统有效地利用了污水余热的热量来供热泵系统使用，具有结构简单、工作稳定及经济性价比高的优点，同时也实现了环保绿色的生产要求。

Description

一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统

技术领域

本发明涉及污水余热利用技术领域，尤其涉及一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统。

背景技术

能源危机的临近迫使人们急切开发新型能源，而目前能够缓解能源危机的一个有效途径就是提高能源的利用效率。因此开发余热利用技术，研发新型多重余热利用装置将具有广大的发展前景。许多实践证明，在我们的生活中有许多没有加以利用的能源资源就如此白白浪费了，如高温锅炉烟气、高温汽车尾气、具有中等温度的大众浴室废水等等，尤其是洗浴废水的余热利用，通常从洗浴水龙头中出来的水为40℃左右，洗浴过程一般只消耗了10℃的温差，洗浴废水还在30℃左右，这部分热量就白白浪费了，而且加热洗澡水使之升高30℃还需消耗能源资源。这样一来，能源的利用率非常低，有2/3的能量被白白浪费了，而在能源紧缺、传统能源使用费用持续走高的情势下，如何提高效率利用污水的余热已成为摆在人类社会面前的一个重要课题，一旦合理利用起来就相当于提高了经济收益，同时还降低了大气的温室效应符合环保的理念。

本发明二氧化碳热泵系统对污水余热的热量进行回收，但当今的余热回收系统大多功率太小，不适用于一些大功率大规模的地热厂，而且很少有热水系统集成创新。鉴于此，本发明使用多台压缩机并联的方式使得其热泵功率达到兆瓦级，同时压缩机的工作台数也可根据工业的功率需求进行数量上的把控避免能源浪费。该发明利用了污水里的热量，同时使用压缩机对二氧化碳进行压缩升温，结合气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器实现二氧化碳的循环利用和热量回收，最后形成一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统。

发明内容

为解决上述污水余热回收系统的集成性及余热回收系统大多功率太小，不适用于一些大功率大规模的污水厂的技术问题，本发明采用了以下技术措施：

一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于，包含：

污水余热回收循环模块，包含相连通的污水池、压力泵、循环热水箱、热交换室、反冲洗压力泵、污水净化装置和污水处理池，所述的热交换时连接有热交换室第一回路和热交换室第二回路，所述热交换室第一回路的输入端与污水池相连通，输出端与污水净化装置相连通，所述热交换室第二回路的输入端和输出端均和循环热水箱相连通；

二氧化碳换热循环模块，包含相连通的压缩机组、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器，形成二氧化碳换热循环回路；所述压缩机组为若干台压缩机并联组成；所述回热器连接有回热器第一回路和回热器第二回路，所述回热器第一回路的输入端与气体冷却器相连通，输出端与蒸发器相连通；所述回热器第二回路的输入端与气液分离器相连通，输出端与压缩机相连通；

供水系统，包含相连通的供水水箱、工艺水泵、冷却设备和冷水箱。

作为进一步改进，每间隔一定时间，压力泵关闭，反冲洗压力泵开启，所述的反冲洗压力泵将污水处理池中的用水回抽冲洗热交换室最后输入至污水池，冲洗完毕后，反冲洗压力泵关闭，压力泵重新开启。

作为进一步改进，所述循环热水箱上连接有循环热水箱第一回路和循环热水箱第二回路；所述循环热水箱第一回路的输入端与所述供水水箱相连通用于给循环热水箱提供用水，所述循环热水箱第一回路的输出端与热交换室、循环泵依次连通，形成循环热水箱第二回路的输入端，所述热交换室实现输出用水与废气的热交换；所述循环热水箱第二回路的输出回路经过一带有温度计的热水泵后分为两路，一路直接与一热水储存装置连接进而提供家庭第一阶段用水，另一路与所述气体冷却器相连通。

作为进一步改进，所述压缩机组由一干燥二氧化碳气体充注装置提供二氧化碳气体，所述压缩机组的输入和输出回路上均设有压力表和温度计，二氧化碳通过所述压缩机组压缩升温后进入气体冷却器中进行热交换。

作为进一步改进，所述气体冷却器上连接有气体冷却器第一回路和气体冷却器第二回路；所述气体冷却器第二回路的输入端与所述循环热水箱相连通，所述气体冷却器第一回路的输入端与压缩机相连通；所述气体冷却器实现循环热水箱第二回路输出的用水与高温二氧化碳的热交换；所述气体冷却器第二回路的输出端与一热水储存装置相连通以供给热交换后的家庭第二阶段高温用水，所述气体冷却器第一回路的输出端与回热器相连通输出冷却后冷凝的二氧化碳冷凝水；所述气体冷却器与所述生产设备之间设有一温度计。

作为进一步改进，所述回热器与所述气体冷却器之间设有一温度计；所述回热器与所述蒸发器之间依次设有一温度计、一节流阀、一温度计和一压力表；所述回热器将二氧化碳冷凝水过冷处理防止其在节流前汽化。

作为进一步改进，所述的蒸发器上连接有蒸发器第一回路和蒸发器第二回路；所述蒸发器第一回路的输入端与所述回热器相连通，所述蒸发器第一回路的输出端与气液分离器相连通；所述蒸发器第二回路的输入端与供水水箱相连通，所述蒸发器第二回路的输出端与冷水箱相连通且输出回路上设有一温度计；所述蒸发器加热二氧化碳冷凝水使其沸腾气化，并对所述供水水箱的供应用水进行降温，最终输出冷却后的用水至冷水箱内。

作为进一步改进，所述气液分离器输入端与蒸发器相连通，所述气液分离器输出端与回热器第二回路的输入端相连通；所述回热器第二回路的输出端与压缩机相连通；所述回热器将二氧化碳气体进行过热处理提高气体温度使其符合压缩机工作要求。

作为进一步改进，定义所述二氧化碳换热循环模块中二氧化碳通过的线路为二氧化碳循环回路，所述二氧化碳循环回路的管道外径为89mm，厚度为6mm，其选用材料为304不锈钢。

作为进一步改进，所述冷水箱向所述冷却设备供应生产需要的冷水；所述供水水箱回收冷却设备使用后的用水；所述工艺水泵设置于供水水箱的输出端。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统中的压缩机组采用多台压缩机并联的结构，加大了压缩机的使用功率，使其系统适用于大功率工业生产中。

2、本发明一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统使用压缩机组、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器组成的循环系统来对污水和二氧化碳实现循环利用。

3、本发明一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统设置了二氧化碳回收利用和热量循环回收装置，将污水中的热能进行利用以及将热交换及净化后的污水抽回冲洗热交换室进行二次利用和循环使用，并分别将余热回收用于不同温度下的生产需求中，提高经济效益的同时减少污水厂导致的能源浪费问题。

附图说明

附图1是本发明一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统的系统示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“相连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，包含：污水余热回收循环模块10，包含相连通的污水池11、压力泵12、循环热水箱13、热交换室14、反冲洗压力泵18、污水净化装置19和污水处理池，所述的热交换室14连接有热交换室第一回路和热交换室第二回路，所述热交换室第一回路的输入端与污水池11相连通，输出端与污水净化装置19相连通，所述热交换室第二回路的输入端和输出端均和循环热水箱13相连通；二氧化碳换热循环模块20，包含相连通的压缩机组21、气体冷却器22、回热器23、蒸发器25和气液分离器26，形成二氧化碳换热循环回路；所述压缩机组21为若干台压缩机并联组成；所述回热器23连接有回热器第一回路和回热器第二回路，所述回热器23第一回路的输入端与气体冷却器22相连通，输出端与蒸发器25相连通；所述回热器23第二回路的输入端与气液分离器26相连通，输出端与压缩机21相连通；供水系统30，包含相连通的供水水箱31、工艺水泵32、冷却设备33和冷水箱34。

请参考图1，所述供水系统30中的供水水箱31用于向整个系统提供用水，所述供水水箱31后设有工艺水泵32用于对源头用水进行升压处理便于后续使用，所述供水水箱31还连接有冷却设备33和冷水箱34，冷水箱34中输出冷水以供冷却设备33使用，最后将使用过的用水输入到供水水箱31中供系统循环使用。所述的冷却设备33可为家庭中使用的制冷设备如空调、冰箱等电器。与所述供水水箱31相连接的线路使用外径108mm，厚度4mm，材质为20不锈钢的钢管。对冷水进行收集利用的话可以使用在家庭制冷设备当中，节省了大多能源。同时利用这样的结构可对系统中的用水进行循环利用最后重新由供水水箱供给整个系统使用，同时对供水系统的路线采用大口径的管路可保证供水稳定。

请参考图1，实施例中，所述热交换器第一回路上依次连接污水池11、压力泵12、热交换器14、反冲洗压力泵18、污水净化装置19和污水处理池。所述压力泵12将污水池11中的污水抽至热交换室14中与循环热水箱13中的用水进行热交换使得循环热水箱13中用水温度升高，热交换后污水通过污水净化装置19进行过滤净化最后输送到污水处理池中。但由于污水在热交换过程中会在热交换室14中的管道上沾附杂质，鉴于此，加入反冲洗压力泵18，每间隔一定时间，压力泵12关闭，反冲洗压力泵18开启，所述的反冲洗压力泵18将污水处理池中的用水回抽清洗热交换室14最后输入回污水池11，冲洗完毕后，反冲洗压力泵18关闭，压力泵12重新开启。所述循环热水箱13上连接有循环热水箱第一回路和循环热水箱第二回路；所述循环热水箱第一回路的输入端与所述供水水箱31相连通用于给循环热水箱提供用水，所述循环热水箱第一回路的输出端与热交换室14、循环泵依次连通实现用水在热交换室中的循环流动，最后形成循环热水箱第二回路的输入端；所述循环热水箱第二回路的输出回路经过一带有温度计的热水泵15后，温度计测量水温合格后，一路直接与一热水储存装置16连接进而对家庭热水器17提供第一阶段家庭用水，另一路与所述气体冷却器22相连通提供用水。对污水进行余热回收以及对利用处理后的污水回抽清洗热交换室不仅提高了经济效益，也保护了环境；所述循环热水箱采用两进两出的回路设置同时实现了水源的供给、污水与用水的热交换。

请参考图1，实施例中，所述压缩机组21由若干台德国博客设计制造的HGX46/345-4SCO2T型跨临界CO₂压缩机并联组成，其中所述每台压缩机的最大工作电流为90.9A，最大功率消耗为53.4kW，定义其压缩机的台数数量为n，其中n的范围为4～6，优选的，因本发明所述的系统要求的功率为兆瓦级，而实现兆瓦级的压缩机最低标配为4台故选用n为4。所述压缩机组21由一干燥二氧化碳气体充注装置28提供二氧化碳气体，所述压缩机组21的输入和输出回路上均设有压力表和温度计用于测量二氧化碳的气温和气压，二氧化碳通过所述压缩机组21压缩升温后进入气体冷却器中进行热交换。所述压缩机组采用多台并联的形式不仅实现了兆瓦级功率的需求，同时压缩机组的并联台数可根据功率需求自行决定并联的压缩机是否全开和是否增加并联压缩机的台数，可选的功率范围不仅节约了能源，而且能够适用于很多大功率的工业生产。

请参考图1，实施例中，所述气体冷却器22上连接有气体冷却器第一回路和气体冷却器第二回路；所述气体冷却器第二回路的输入端与所述循环热水箱13相连通以提供用水，所述气体冷却器第一回路的输入端与压缩机组21相连通用于输入升温升压后的二氧化碳；所述气体冷却器22实现循环热水箱第二回路输出的第一阶段家庭用水与高温二氧化碳的热交换；所述气体冷却器第二回路的输出端与一热水储存装置29相连通从而向家庭热水器27以供给热交换后的第二阶段家庭高温用水，此高温用水相比于上述循环热水箱供给热水储存装置17的热水温度更高，所述气体冷却器第一回路的输出端与回热器相连通输出冷却后冷凝的二氧化碳冷凝水；所述气体冷却器22与所述生产设备27的之间设有一温度计用于测量二氧化碳冷凝水的温度是否符合要求。采用气体冷却器能够将实现液体和气体之间的热交换从而使工艺用水达到更高温度以投入到家庭用水当中，保证每个温度区间的热水都能得到合理的使用，同时可供温度选择的高温热水更能适用于不同场所不同条件下的家庭用水。

请参考图1，实施例中，所述回热器23连接有回热器第一回路和回热器第二回路，所述回热器第一回路的输入端与气体冷却器第一回路的输出端相连通用于传输二氧化碳冷凝水，输出端与蒸发器25相连通用于将过冷后的冷凝水传输至蒸发器中；所述回热器第二回路的输入端与气液分离器的输出端相连通用于传输气液分离后的二氧化碳气体，输出端与压缩机21的输入端相连通；所述回热器23与所述蒸发器25之间依次设有一温度计、一节流阀24、一温度计和一压力表，第一个温度计用于测量通过回热器后二氧化碳冷凝水的温度以满足后方的节流阀24工作要求、后方的温度计和压力表用于测量节流后的二氧化碳冷凝水的温度和水压以满足蒸发器25工作要求；所述回热器在第一回路上用于将二氧化碳冷凝水过冷处理防止其在节流前汽化，所述回热器23在第二回路上用于将二氧化碳气体过热处理以便满足压缩机21工作要求。采用回热器装置作为气体冷却器-蒸发器，气液分离器-压缩机之间的连接对二氧化碳可以起到过冷过热的作用并使整个循环过程顺利进行。

请参考图1，实施例中，所述的蒸发器25上连接有蒸发器第一回路和蒸发器第二回路；所述蒸发器第一回路的输入端与所述回热器第一回路的输出端相连通，所述蒸发器第一回路的输出端与气液分离器的输入端相连通；所述蒸发器第二回路的输入端与供水水箱31相连通，所述蒸发器第二回路的输出端与冷水箱34相连通且输出回路上设有一温度计；所述蒸发器25加热从回热器23传输过来的二氧化碳冷凝水，使其沸腾气化，二氧化碳在气化的同时吸热并对所述供水水箱31提供的供应用水进行降温，最终向气液分离器26输出二氧化碳气体、向冷水箱34输出冷却后的用水。但由于蒸发器25在蒸发过程中容易产生水气并与二氧化碳气体一并输出故在蒸发器25后方设有一气液分离器26。所述气液分离器26输入端与蒸发器25相连通，所述气液分离器26输出端与回热器第二回路的输入端相连通；所述回热器第二回路的输出端与压缩机21的输入端相连通；所述气液分离器26将输送过来的气液混合体进行气液分离器并输出二氧化碳气体至回热器进行过热处理，提高二氧化碳气体温度使其符合压缩机工作要求。

请参考图1，实施例中，定义所述二氧化碳换热循环模块20中二氧化碳通过的线路为二氧化碳循环回路，所述二氧化碳循环回路的管道外径为89mm，厚度为6mm，其选用材料为304不锈钢。所述二氧化碳循环回路连接压缩机、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器并使其形成一个二氧化碳的循环回路，二氧化碳在这个回路中实现了气态-液态-气态的转化以满足各个设备的工作要求和冷热交换，最终输出热水和冷水以供生产使用。

请参考图1，上述实施例中，所述热交换室14、供水水箱31、工艺水泵32、冷却设备33、热水储存装置和冷水箱34均为旧设备重复使用，设备的利旧使用不仅可以节省和节约工业机械成本，同时也避开了场地受限等影响。本发明一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统中的地热蒸汽热量回收和水资源循环使用、大气资源循环使用以及各个设备的利旧使用都本着节能环保的绿色理念进行设计，顺应当今工业发展的趋势，同时贯彻国家对工业化建设的愿景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于，包含：

污水余热回收循环模块，包含依次连通的污水池、压力泵、循环热水箱、热交换室、反冲洗压力泵、污水净化装置和污水处理池，所述的热交换时连接有热交换室第一回路和热交换室第二回路，所述热交换室第一回路的输入端与污水池相连通，输出端与污水净化装置相连通，所述热交换室第二回路的输入端和输出端均和循环热水箱相连通；

二氧化碳换热循环模块，包含相连通的压缩机组、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器，形成二氧化碳换热循环回路；所述压缩机组为若干台压缩机并联组成；所述回热器连接有回热器第一回路和回热器第二回路，所述回热器第一回路的输入端与气体冷却器相连通，输出端与蒸发器相连通；所述回热器第二回路的输入端与气液分离器相连通，输出端与压缩机相连通；

供水系统，包含相连通的供水水箱、工艺水泵、冷却设备和冷水箱。

2.根据权利要求1所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：每间隔一定时间，压力泵关闭，反冲洗压力泵开启，所述的反冲洗压力泵将污水处理池中的用水回抽冲洗热交换室最后输入至污水池，冲洗完毕后，反冲洗压力泵关闭，压力泵重新开启。

3.根据权利要求2所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述循环热水箱上连接有循环热水箱第一回路和循环热水箱第二回路；所述循环热水箱第一回路的输入端与所述供水水箱相连通用于给循环热水箱提供用水，所述循环热水箱第一回路的输出端与热交换室、循环泵依次连通，形成循环热水箱第二回路的输入端，所述热交换室实现输出用水与废气的热交换；所述循环热水箱第二回路的输出回路经过一带有温度计的热水泵后分为两路，一路直接与一热水储存装置连接进而提供家庭第一阶段用水，另一路与所述气体冷却器相连通。

4.根据权利要求1所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述压缩机组由干燥二氧化碳气体充注装置提供二氧化碳气体，所述压缩机组的输入和输出回路上均设有压力表和温度计，二氧化碳通过所述压缩机组压缩升温后进入气体冷却器中进行热交换。

5.根据权利要求4所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述气体冷却器上连接有气体冷却器第一回路和气体冷却器第二回路；所述气体冷却器第二回路的输入端与所述循环热水箱相连通，所述气体冷却器第一回路的输入端与压缩机相连通；所述气体冷却器实现循环热水箱第二回路输出的用水与高温二氧化碳的热交换；所述气体冷却器第二回路的输出端与一热水储存装置相连通以供给热交换后的家庭第二阶段高温用水，所述气体冷却器第一回路的输出端与回热器相连通输出冷却后冷凝的二氧化碳冷凝水；所述气体冷却器与所述生产设备之间设有一温度计。

6.根据权利要求5所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述回热器与所述气体冷却器之间设有一温度计；所述回热器与所述蒸发器之间依次设有一温度计、一节流阀、一温度计和一压力表；所述回热器将二氧化碳冷凝水过冷处理防止其在节流前汽化。

7.根据权利要求6所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述的蒸发器上连接有蒸发器第一回路和蒸发器第二回路；所述蒸发器第一回路的输入端与所述回热器相连通，所述蒸发器第一回路的输出端与气液分离器相连通；所述蒸发器第二回路的输入端与供水水箱相连通，所述蒸发器第二回路的输出端与冷水箱相连通且输出回路上设有一温度计；所述蒸发器加热二氧化碳冷凝水使其沸腾气化，并对所述供水水箱的供应用水进行降温，最终输出冷却后的用水至冷水箱内。

8.根据权利要求7所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述气液分离器输入端与蒸发器相连通，所述气液分离器输出端与回热器第二回路的输入端相连通；所述回热器第二回路的输出端与压缩机相连通；所述回热器将二氧化碳气体进行过热处理提高气体温度使其符合压缩机工作要求。

9.根据权利要求4～8所述的任一一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：定义所述二氧化碳换热循环模块中二氧化碳通过的线路为二氧化碳循环回路，所述二氧化碳循环回路的管道外径为89mm，厚度为6mm，其选用材料为304不锈钢。

10.根据权利要求1所述的一种应用在污水余热回收领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述冷水箱向所述冷却设备供应生产需要的冷水；所述供水水箱回收冷却设备使用后的用水；所述工艺水泵设置于供水水箱的输出端。