CN106568235A - 一种应用在工业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工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，包含：工业废气余热循环模块，包含相连通的收集装置、除尘室和循环热水箱；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工厂废气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

一种应用在工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统

技术领域

本发明涉及工业余热利用技术领域，尤其涉及一种应用在工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统。

背景技术

随着国民经济的发展，节能减排已成为人类社会生存和发展的基础。各种工厂、互联网数据中心、云计算数据中心等各种大型集群建设也得到了快速发展。现有工业生产和大型服务器集群面临着能耗极高的问题，这是由于工业生产和大型服务器集群在工作时会产生大量的热，据统计一个数据中心消耗的电力中只有约15-20％被用来进行计算和数据传输，其余80-85％的电力都被各种设备消耗并转化成了热能。而为了维持大型服务器集群的正常工作，还需要大量电力来进行散热。现有技术中而为了保证服务器正常的运行温度不得不以强制冷却的方式对数据机房进行降温，而携带这些多余热量的介质(空气、水等)直接将热量排放到大气中。而上述问题和工业中的大量带有热气的废气目前都是以水冷却或空气冷却的方式将这些多余热量排放于大气中，从而造成了能源的浪费和环境的污染。在能源紧缺、传统能源使用费用持续走高的情势下，如何利用工业废气的余热已成为摆在人类社会面前的一个重要课题，一旦将工业废气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工业废气的热量进行回收，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工业厂，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。该发明利用了废气里的热量，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工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统。

发明内容

为解决上述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工业厂的技术问题，本发明采用了以下技术措施：

一种应用在工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统于，包含：

工业余热循环模块，包含相连通的收集装置、除尘室和循环热水箱，所述除尘室上连接设有一蛇形管，所述蛇形管经过一二氧化碳分离装置后分为两路，一路与除尘室相连接，另一路与干燥二氧化碳充注装置相连接；

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，所述收集装置中设有过滤装置；所述的除尘室设有一排气管。

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除尘室、循环泵依次连通，形成循环热水箱第二回路的输入端，所述除尘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第一阶段工业用水，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生产设备相连通以供给热交换后的第二阶段工业高温用水，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、本发明一种应用在工业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、本发明一种应用在工业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工业废气和二氧化碳实现循环利用。

3、本发明一种应用在工业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，将工业厂的废气余热和废气中的二氧化碳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工业厂废气排放导致的环境污染问题。

附图说明

附图1是本发明一种应用在工业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。

本发明一种应用在工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，包含：工业余热循环模块10，包含相连通的收集装置11、除尘室12和循环热水箱13；所述除尘室12的烟气排放口上连接设有一蛇形管121，所述蛇形管121经过一二氧化碳分离装置122后分为两路，一路与除尘室12相连接，另一路与干燥二氧化碳充注装置28相连接；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，冷却设备33具体可为工厂中的冷却器，也可以是机房、配电房等工业场所当中的降热器。冷却设备33将使用过的用水输入到供水水箱31中供系统循环使用。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。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节约了水资源，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，所述收集装置中设有过滤装置111，所述的收集装置10收集在工业厂发电过程中产生的废气或者机房中产生的热气后，先经过过滤装置111将废气中产生的飞灰和飞渣过滤，过滤后的热气进入所述除尘室12中，所述除尘室12中设有热水通过的循环回路，所述废气中的热量用于与循环热水箱13中的水进行热交换，所述除尘室12上还设有排气蛇形管121，所述蛇形管121经过一二氧化碳分离装置122后分为两路，一路与除尘室12相连接用于废气中热量的循环回收和多次热交换，另一路与干燥二氧化碳充注装置28相连接用于将燃煤产生的二氧化碳输送到干燥二氧化碳充注装置28以供压缩机组21使用，热气失去热量后通过所述除尘室12除尘排放。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除尘室12、循环泵14、节流阀15依次连通，形成循环热水箱第二回路的输入端，所述除尘室12实现输出用水与废气的热交换从而使得水温上升最终输入到循环热水箱13中；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后分为两路，温度计测量水温合格后，一路直接与一热水储存装置16连接进而对生产设备17提供第一阶段工业热水，另一路与所述气体冷却器22相连通。对废气进行热量回收以及对废气进行除尘处理再排放不仅提高了经济效益，也保护了大气环境；所述循环废气换热循环模块中的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、废气与用水的热交换。

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生产设备27相连通以供给热交换后的第二阶段工业高温用水，所述第二阶段工业高温用水相比于上述循环热水箱供给生产设备的第一阶段工业热水温度更高，所述气体冷却器第一回路的输出端与回热器23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业用水达到更高温度以投入更高要求的生产设备的加工工艺当中，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工业场所不同条件下的生产工艺，方便了工业生产化上的应用。

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，二氧化碳循环回路使用同种规格的管道也保证了二氧化碳在输送过程中的稳定性，同时二氧化碳在这个回路中实现了气态-液态-气态的转化和热量的交换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工业生产中的各种使用。

请参考图1，上述实施例中，所述除尘室12、供水水箱31、工艺水泵32、冷却设备33、热水储存装置16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。本发明一种应用在工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统中的工业废气热量回收和除尘处理、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)

1.一种应用在工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于，包含：

工业余热循环模块，包含相连通的收集装置、除尘室和循环热水箱，所述除尘室上连接设有一蛇形管，所述蛇形管经过一二氧化碳分离装置后分为两路，一路与除尘室相连接，另一路与干燥二氧化碳充注装置相连接；

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所述的一种应用在工业领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述收集装置中设有过滤装置；所述的除尘室设有一排气管。

3.根据权利要求2所述的一种应用在工业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除尘室、循环泵依次连通，形成循环热水箱第二回路的输入端，所述除尘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第一阶段工业用水，另一路与所述气体冷却器相连通。

4.根据权利要求1所述的一种应用在工业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所述的一种应用在工业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生产设备相连通以供给热交换后的第二阶段工业高温用水，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所述的一种应用在工业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所述的一种应用在工业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所述的一种应用在工业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工业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所述的一种应用在工业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。