CN107101412B - 一种污水作为直接冷热源的热泵机组 - Google Patents

一种污水作为直接冷热源的热泵机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种污水作为直接冷热源的热泵机组，它解决了现有技术中换热效率低、制冷剂存储存在问题，具有可实现制冷剂流向的切换，从而达到了机组冬季供热和夏季制冷的平稳过度运行的有益效果，其方案如下：热泵机组包括清水/制冷剂换热器和污水/制冷剂换热器，污水/制冷剂换热器为满液壳管式换热器，污水在管内流动，制冷剂在管外蒸发或冷凝；回热交换器，所述回热交换器通过单向阀与清水/制冷剂换热器、污水/制冷剂换热器分别进行连接；压缩机，压缩机通过一四通换向阀组与两个换热器、回热交换器进行分别连接；气液分离器，气液分离器设于四通换向阀组与回热交换器之间，且气液分离器与两个换热器分别进行连接。

Description

一种污水作为直接冷热源的热泵机组
技术领域
本发明涉及水源热泵技术领域，特别是涉及一种污水作为直接冷热源的热泵机组。
背景技术
传统的热泵空调机组对水质有严格的要求。因此目前在利用城市原生污水的热泵系统中多为避免污水直接进入到热泵机组的蒸发器或冷凝器而设置一个中间换热的措施，即所谓的“间接式系统”，这种间接式系统不仅要增加中间换热设备而且要增加系统的(火用)损失；同时间接式系统占地面积大，系统水泵能耗过高，都将限制污水源热泵技术的推广和应用。另外，当热源侧水质较差，直接与热泵机组换热，在冬夏季水系统管路切换时会污染室内空调末端，给用户的使用带来不便。同时，由于两个换热器分别在冬夏季有不同的作用，尤其是室外侧换热器的换热介质是城市污水等非清洁水源时，势必会造成两换热器体积大小的不同，这就产生了管路内多余制冷剂的存储问题。
因此，需要对一种污水作为直接冷热源的热泵机组进行新的研究设计。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种污水作为直接冷热源的热泵机组，该热泵机组直接使用城市污水等非清洁水源作为热泵冷热源，通过制冷剂管路的切换，来达到制冷和制热的目的。
一种污水作为直接冷热源的热泵机组的具体方案如下：
一种污水作为直接冷热源的热泵机组，包括：
清水/制冷剂换热器和污水/制冷剂换热器，污水/制冷剂换热器为水源侧污水/制冷剂换热器，通过进、出水管道连接至城市污水、地下水或者江河湖海水水源；污水/制冷剂换热器为满液壳管式换热器，污水在管内流动，制冷剂在管外蒸发或冷凝；
回热交换器，所述回热交换器通过单向阀与清水/制冷剂换热器、污水/制冷剂换热器分别进行连接；
压缩机，压缩机通过一四通换向阀组与两个换热器、回热交换器进行分别连接；
气液分离器，气液分离器设于四通换向阀组与回热交换器之间，且气液分离器与两个换热器分别进行连接。
本发明中热泵机组，通过采用四通换向阀组等组成的管路切换装置来实现制冷剂流向的切换，且污水/制冷剂换热器中污水走管内，制冷剂走管外，换热器两侧设置封头，方便打开清洗换热器，有利于提高换热效率。
所述污水/制冷剂换热器中的换热管成等边三角形排列，管程数为4流程，管排上下布置；最上层换热管中心高度为3/4倍的壳体内径，最下层换热管中心高度为1/5的壳体内径。
所述污水/制冷剂换热器换热管内采用光滑内壁，这样结垢少，避免换热管被堵塞，确保污水在管内流动顺畅，管外采用三维低肋管，可同时强化蒸发和冷凝效果。
所述清水/制冷剂换热器为室内侧清水/制冷剂换热器，通过进、出水管道连接至用户侧；清水/制冷剂换热器为满液壳管式换热器，清水在管内流动，制冷剂在管外蒸发或冷凝。
所述清水/制冷剂换热器换热管成等边三角形排列，管程数为2流程，管排上下布置；最上层换热管中心高度为3/4倍的壳体内径，最下层换热管中心高度为1/5的壳体内径，此外，两个换热器的两侧封头可打开，方便清洗换热器内管内污垢。
所述清水/制冷剂换热器换热管内采用加肋或内螺纹以强化换热，管外采用三维低肋管，同时强化蒸发/冷凝效果。
所述回热交换器与所述的气液分离器之间设置有膨胀阀和干燥过滤器，膨胀阀为浮球膨胀阀。
所述四通换向阀组包括阀门A、阀门B、阀门C和阀门D，当阀门A、阀门D开启，阀门B、阀门C关闭，系统处于制热状态；当阀门B、阀门C开启，阀门A、阀门D关闭，系统处于制冷状态，冬夏季一年只切换一次，可避免四通换向阀卡死或泄露等问题，且成本低，安全可靠，易于操作。
上述的热泵机组还包括贮液罐，贮液罐设于气液分离器与两个换热器之间，冬夏季机组制冷剂侧切换时，为保证换热器E1、E2正常工作，多余的制冷剂液体由贮液罐暂时存储。
所述贮液罐通过电磁阀V1、电磁阀V2分别与清水/制冷剂换热器E1、污水/制冷剂换热器E2相连，电磁阀V1开启，电磁阀V2关闭，热泵机组处于制冷状态；电磁阀V1关闭，电磁阀V2开启，热泵机组处于制热状态；该方案中通过采用四通换向阀组、电磁阀、单向阀等组成的管路切换装置来实现制冷剂流向的切换，从而达到了机组冬季供热和夏季制冷的平稳过度运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明充分利用城市原生污水等非清洁水源作为热泵机组的冷热源，采用四通换向阀组、电磁阀、单向阀等组成的管路切换装置来实现制冷剂流向的切换，从而达到了机组冬季供热和夏季制冷的平稳过度运行；
2)本发明采用制冷剂管路切换代替了水系统管路切换，城市污水等非清洁水源只对室外侧的换热器造成污染，避免了室内空调水系统的污染；
3)本发明换热器采用满液壳管式换热器，管排居中布置，换热管外采用三维低肋强化换热，兼顾蒸发冷凝双重效果，机组换热效率高；
4)本发明采用回热交换器，提高了机组的性能系数。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例的系统原理图；
图2是本发明实施例的四通换向阀组结构原理图；
图3是本发明实施例的清水/制冷剂换热器结构原理图；
图4是本发明实施例的污水/制冷剂换热器结构原理图；
图5是本发明实施例的制冷工况系统原理图。
图6是本发明实施例的制热工况系统原理图。
图中，1、压缩机，2、四通换向阀组，3、气液分离器，4、回热交换器，5、干燥过滤器，6、浮球膨胀阀，7、储液器，E1、室内侧清水/制冷剂换热器，E2、室外侧污水/制冷剂换热器，V1/V2、电磁阀，P1/P2、单向阀，8、清水/制冷剂换热器换热管，9、清水/制冷剂换热器支座，10、污水/制冷剂换热器换热管，11、隔板，12、污水/制冷剂换热器支座。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种污水作为直接冷热源的热泵机组。
本申请的一种典型的实施方式中，图1给出了本发明一种以城市原生污水为直接冷热源的热泵机组的系统原理图，包括依次连接并形成循环回路的压缩机1、四通换向阀组2、气液分离器3、回热交换器4、干燥过滤器5、浮球膨胀阀6、贮液罐7、两个换热器E1、E2、两个单向阀P1、P2、两个电磁阀V1、V2。其中，压缩机1的出口经四通换向阀组2与换热器E1的一端相连，换热器E1的另一端经单向阀P1与回热交换器4相连，回热交换器4一端经干燥过滤器5、浮球膨胀阀6与气液分离器3相连，气液分离器3的一端与贮液罐7相连，贮液罐7的另一端通过电磁阀V1、V2分别与换热器E1和换热器E2相连，换热器E2的一端经单向阀P2与回热交换器的一端相连，换热器E2另一端通过四通换向阀2、气液分离器3与回热交换器4的一端相连，回热交换器4的另一端与压缩机1的入口相连。
图2给出了本发明实施例的四通换向阀组，它是有四个普通截止阀组成，当阀门A、D开启，阀门B、C关闭，系统处于制热状态；当阀门B、C开启，阀门A、D关闭，系统处于制冷状态，冬夏季一年只切换一次，可避免四通换向阀卡死或泄露等问题，且成本低，安全可靠，易于操作。
图3给出了本发明实施例的清水/制冷剂换热器结构原理图。
换热器E1为室内侧清水/制冷剂换热器，该换热器由清水/制冷剂换热器支座9进行支撑，清水/制冷剂换热器换热管8成等边三角形排列，管程数为2流程，管排上下布置；最上层换热管中心高度为3/4倍的壳体内径，最下层换热管中心高度为1/5的壳体内径，此外，两个换热器的两侧封头可打开，方便清洗换热器内管内污垢。
如图4所示，换热器E2为室外侧污水/制冷剂换热器，两换热器均为满液壳管式换热器，污水/制冷剂换热器为水源侧污水/制冷剂换热器，通过进、出水管道连接至城市污水、地下水或者江河湖海水水源；污水/制冷剂换热器为满液壳管式换热器，污水在管内流动，制冷剂在管外蒸发或冷凝污水/制冷剂换热器中换热管10成等边三角形排列，管程数为4流程，管排上下布置，中部设置隔板11；最上层换热管中心高度为3/4倍的壳体内径，最下层换热管中心高度为1/5的壳体内径，换热器由污水/制冷剂换热器支座12进行支撑。
换热器E1通过进、出水管道连接至用户侧；换热器E2为污水直接式换热器，通过进出水管道连接至城市污水、地下水、江河湖海水等水源。
当四通换向阀组阀门A、D开启，阀门B、C关闭，系统处于制热状态，电磁阀V1关闭，电磁阀V2开启；当阀门B、C开启，阀门A、D关闭，系统处于制冷状态，电磁阀V1开启，电磁阀V2关闭。
设置贮液罐7，冬夏季机组制冷剂侧切换时，为保证换热器E1、E2正常工作，多余的制冷剂液体由贮液罐7暂时存储。
本发明有以下两种工作工况：
1、制冷工况
如图5所示：当四通换向阀组2中阀门B、C开启，阀门A、D关闭，电磁阀V1开启，电磁阀V2关闭，系统处于制冷状态。从压缩机1出来的高温高压的制冷剂蒸气，经四通换向阀组2中阀门B进入到换热器E2中，制冷剂蒸气与城市污水等非清洁水进行热交换，制冷剂从高温高压蒸汽冷凝为中温高压的液体，经单向阀P2进入到回热交换器4，与来自气液分离器3的制冷剂气体进行热交换，然后通过干燥过滤器5，由浮球膨胀阀6节流降压为低温低压的制冷剂液体，依次经过气液分离器3、贮液罐7、电磁阀V1，在换热器E1中吸收载冷剂的热量，并将冷却后的载冷剂送至各用户端进行供冷；液态制冷剂吸收载冷剂热量后变成气态，经四通换向阀组2中的阀门C，再次进入到液体分离器3，然后经回热交换器4与来自换热器E2的中温高压的制冷剂液体进行热交换，变成中温低压的气体，重新回到压缩机1，形成一个制冷回路并如此循环。当制冷温度达到设定温度时，机组即卸载停机。
2、制热工况
如图6所示：当四通换向阀组2中阀门A、D开启，阀门B、C关闭，电磁阀V1关闭，电磁阀V2开启，系统处于制热状态。从压缩机(1)出来的高温高压的制冷剂蒸气，经四通换向阀组2中阀门A进入到换热器E1中，与来自末端的采暖循环水进行热交换，采暖循环水吸热提高温度后送至各用户端进行供暖；经换热器E1后，高温高压的制冷剂蒸气变为中温高压的制冷剂液体，再经单向阀P1进入到回热交换器4，与来自气液分离器3的制冷剂气体进行热交换，然后通过干燥过滤器5，由浮球膨胀阀6节流降压为低温低压的制冷剂液体，依次经过气液分离器3、贮液罐7、电磁阀V2，在换热器E2内与城市污水等非清洁水进行热交换，吸收其中的热量后蒸发变为低温低压的制冷剂气体，经过四通换向阀组2中阀门D，再次进入到气液分离器3，然后经回热交换器4与来自换热器E2的中温高压的制冷剂液体进行热交换，变为中温低压的制冷剂气体，重新回到压缩机1，形成一个制热回路并如此循环。当供暖温度达到设定温度时，机组即卸载停机。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，包括：
清水/制冷剂换热器和污水/制冷剂换热器，污水/制冷剂换热器为水源侧污水/制冷剂换热器，通过进、出水管道连接至城市污水、地下水或者江河湖海水水源；污水/制冷剂换热器为满液壳管式换热器，污水在管内流动，制冷剂在管外蒸发或冷凝；
回热交换器，所述回热交换器通过单向阀与清水/制冷剂换热器、污水/制冷剂换热器分别进行连接；
压缩机，压缩机通过一四通换向阀组与两个换热器、回热交换器进行分别连接；
气液分离器，气液分离器设于四通换向阀组与回热交换器之间，且气液分离器与两个换热器分别进行连接；
所述污水/制冷剂换热器中的换热管成等边三角形排列，管程数为4流程，管排上下布置；最上层换热管中心高度为3/4倍的壳体内径，最下层换热管中心高度为1/5的壳体内径；
所述污水/制冷剂换热器换热管内采用光滑内壁，管外采用三维低肋管。
2.根据权利要求1所述的一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，所述清水/制冷剂换热器为室内侧清水/制冷剂换热器，通过进、出水管道连接至用户侧；清水/制冷剂换热器为满液壳管式换热器，清水在管内流动，制冷剂在管外蒸发或冷凝。
3.根据权利要求1或2所述的一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，所述清水/制冷剂换热器换热管成等边三角形排列，管程数为2流程，管排上下布置；最上层换热管中心高度为3/4倍的壳体内径，最下层换热管中心高度为1/5的壳体内径。
4.根据权利要求3所述的一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，所述清水/制冷剂换热器换热管内采用加肋或内螺纹，管外采用三维低肋管。
5.根据权利要求1所述的一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，所述回热交换器与所述的气液分离器之间设置有膨胀阀和干燥过滤器。
6.根据权利要求1所述的一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，所述四通换向阀组包括阀门A、阀门B、阀门C和阀门D，当阀门A、阀门D开启，阀门B、阀门C关闭，系统处于制热状态；当阀门B、阀门C开启，阀门A、阀门D关闭，系统处于制冷状态。
7.根据权利要求1所述的一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，还包括贮液罐，贮液罐设于气液分离器与两个换热器之间。
8.根据权利要求7所述的一种污水作为直接冷热源的热泵机组，其特征在于，所述贮液罐通过电磁阀V1、电磁阀V2分别与清水/制冷剂换热器E1、污水/制冷剂换热器E2相连，电磁阀V1开启，电磁阀V2关闭，热泵机组处于制冷状态；电磁阀V1关闭，电磁阀V2开启，热泵机组处于制热状态。
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