CN108120337A - 一种热交换系统及热交换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为了解决某些液体物料需要加热再降温,加热和降温过程分开造成能源浪费的问题,提供一种热交换系统及热交换方法。本发明提供一种结构的热交换系统,包括罐体一、罐体二,所述罐体一中的流体经过换热器一的通路一后回到罐体一,所述罐体二的流体经过换热器一的通路二后回到罐体二,所述罐体一中的流体还与热泵机组中的换热器四换热后回到罐体一,所述罐体二中流体还与热泵机组中的换热器五换热后回到罐体二;所述换热器一的通路一和通路二进行热交换。本发明节约能源,耗电量仅为现有技术的18%。
Description
技术领域
本发明属于热交换领域,具体涉及一种热交换系统及热交换方法。
背景技术
液体肥料在成为成品之前需要加热至100℃-120℃,然后再冷却至20℃,然后才可作为成品肥料使用。原始方法为使用电加热等方式将液体肥料加热至100℃,采用自然冷却或者制冷机组再降温至20℃,自然冷却效率低下,时间长,影响产量,若利用制冷机组降温需要消耗大量电能。
发明内容
本发明为了解决背景技术某些液体物料需要加热再降温,加热和降温过程分开造成能源浪费的问题,提供一种热交换系统及热交换方法。
本发明的技术解决方案:
本发明提供一种结构的热交换系统,其特征在于:包括罐体一1、罐体二2,所述罐体一1中的流体经过换热器一5的通路一51后回到罐体1一,所述罐体二2的流体经过换热器一5的通路二52后回到罐体二2,所述罐体一1中的流体还与热泵机组10中的换热器四换热后回到罐体一1,所述罐体二2中流体还与热泵机组10中的换热器五换热后回到罐体二2;所述换热器一的通路一51和通路二52进行热交换。
优选的,上述热泵机组10为冷媒单向流动或者冷媒可双向流动的热泵机组10。
优选的,上述罐体一1中的流体还与热泵机组10中的换热器五交换热量后回到罐体一1;所述罐体二2中的流体还与热泵机组10的换热器四交换热量后回到罐体二2。
本发明还提供另外一种结构的热交换系统,其特征在于:包括罐体一1、罐体二2,所述罐体一1中的流体经过换热器一5的通路一51后回到罐体1一,所述罐体二2的流体经过换热器一5的通路二52后回到罐体二2,所述罐体一1中的流体还经过换热器二6的通路三61回到罐体一1,所述罐体二2中流体还经过换热器三7的通路五71后回到罐体二;所述换热器一的通路一51和通路二52进行热交换,所述换热器二的通路三61和所述换热器二的通路四62进行热交换,所述换热器三的通路五71和换热器三的通路六72进行热交换,所述换热器二6的通路四62串联于液体回路一11中,液体回路一11与热泵机组10中的换热器四进行热交换,所述换热器三7的通路六72串联于液体回路二12中,液体回路二12与热泵机组10中的换热器五进行热交换。
优选的,所述罐体一1通过水泵一3后分为两路,一路与换热器一5的通路一51联通,另一路与换热器二6的通路三61联通;和/或所述罐体二2通过水泵二4后分为两路,一路与换热器一5的通路二52联通,另一路与换热器三7的通路五71联通。
优选的,所述水泵一3与换热器一5的通路一51之间串联有1#阀体,所述水泵一3与换热器二6的通路三61之间串联有2#阀体;和/或所述水泵二4与换热器一5的通路二52之间串联有3#阀体,所述水泵二4与换热器三7的通路五71之间串联有4#阀体。
优选的,所述换热器一5和/或换热器二6和/或换热器三7采用石墨换热器;和/或所述罐体一1采用防腐蚀的玻璃钢罐;和/或罐体二2采用防腐蚀的玻璃钢罐;和/或所述液体回路一11中串联有水泵三8;和/或所述液体回路二12中串联有水泵四9。
优选的,所述热泵机组10包括压缩机、四通阀、换热器五、换热器四、桥式液压块,压缩机的输出端口与四通阀的一号端口21连接,四通阀的二号端口22依次与换热器五的制冷剂通道、桥式单向阀组的节点e联通,桥式单向阀组的节点h与桥式单向阀组的节点f连接,桥式单向阀组的节点g依次与换热器四的制冷剂通道、四通阀的4号端口24连接,四通阀的3号端口23与压缩机的输入口连接;桥式单向阀组包括四个单向阀,单向阀一的尾端和单向阀二的首端串接在节点g,单向阀三的尾端和单向阀四的首端串接在节点e,单向阀一的首端和单向阀三的首端并接在节点f;单向阀二尾端和单向阀四的尾端并接在节点h,节点h和节点f之间还串联有节流装置。
优选的,罐体一1中的流体还有一路与换热器三7的通路五71交换热量后回到罐体一1;罐体二2中的流体还有一路与换热器二6的通路三61交换热量后回到罐体二2。
本发明还提供一种热交换方法,其特征在于:包括以下步骤:
1】将高温流体与低温流体先进行热交换,高温流体降温为次高温流体,低温流体升温为次低温流体;
2】将上一步中的次高温流体与热泵机组中的蒸发器进行热交换,降温至目标低温流体,将目标低温流体排出;将步骤1】中的次低温流体与热泵机组中的冷凝器进行热交换,升温至目标高温流体;
3】将上一步得到的目标高温流体与新的低温流体进行热交换,目标高温流体降温为次高温流体,新的低温流体升温为新的次低温流体;
4】重复步骤2】和3】。
本发明的优点是:(1)节约能源,耗电量仅为现有技术的18%。
(2)本发明不仅适用于液体肥料的生产,还可以适用于其他需要加热再降温的液体物料。
(3)较原始方法提高效率,缩短出料时间,提高产量。
附图说明
图1为本发明实施例一中的热交换系统原理示意图;
图2为本发明实施例二中的热交换系统原理示意图;
图3为本发明实施例四中的热泵机组的一种连接示意图。
图4为本发明实施例五的局部连接示意图。
具体实施方式
以下以液体肥料为例,液体肥料包括但不限于液体有机肥。本发明还可以适用于其他需要加热再降温的液体物料。液体肥料在生产过程中需要先后完成加热与冷却两个过程。
实施例一
本实施例提供一种热交换方法,包括以下步骤:
1】将高温流体与低温流体先进行热交换,高温流体降温为次高温流体,低温流体升温为次低温流体;
2】将上一步中的次高温流体与热泵机组中的蒸发器进行热交换,降温至目标低温流体,将目标低温流体排出;将步骤1】中的次低温流体与热泵机组中的冷凝器进行热交换,升温至目标高温流体;
3】将上一步得到的目标高温流体与新的低温流体进行热交换,目标高温流体降温为次高温流体,新的低温流体升温为新的次低温流体;
4】重复步骤2】和3】。
本实施例还提供一种实现上述方法的热交换系统,如图1所示,包括罐体一1、罐体二2,所述罐体一1中的流体经过换热器一5的通路一51后回到罐体一1,所述罐体二2的流体经过换热器一5的通路二52后回到罐体二2,所述罐体一1中的流体还与热泵机组中的换热器四换热后回到罐体一1,所述罐体二2中流体还与热泵机组中的换热器五换热后回到罐体二2;所述换热器一的通路一51和通路二52进行热交换。
热泵机组采用现有技术中最基本的结构,即包括压缩机以及与压缩机出口依次连接的冷凝器(作为换热器五放热)、节流装置、蒸发器(作为换热器四吸热),蒸发器出口与压缩机入口连接。
优选的,所述罐体一1通过水泵一3后分为两路,一路与换热器一5的通路一51联通,另一路与换热器二6的通路三61联通,每一路上设置有相应的阀体(1#阀体和2#阀体)。相应的,所述罐体二2通过水泵二4后分为两路,一路与换热器一5的通路二52联通,另一路与换热器三7的通路五71联通,每一路上设置有相应的阀体(3#阀体和4#阀体),用于控制流路的切换。一方面可以共用部分管路,节约管路数量和减少体积,另一方面,可以节约水泵的使用数量。
初始状态时,罐体一1中容纳有液体肥5吨,温度100℃,罐体二2中容纳有液体肥5吨,温度20℃。两个罐体的热量先通过水泵1、水泵2在换热器一5中进行交换,可将罐体一1的温度从100℃降至60℃,罐体二2的温度从20℃升至60℃,此过程完成后,关闭换热器一5,启动70P的热泵机组,罐体1通过与热泵机组中的换热器四交换热量,可将罐体一1温度从60℃降至20℃,罐体二2中流体还与热泵机组中的换热器五换热,可将罐体二2温度从60℃降至100℃,此为完成了一个生产过程。
至此,罐体一1中的液体肥料完成了从100℃降温至20℃的过程,可以作为成品排出罐体一1,罐体二2中的液体肥料完成了从20℃升温至100℃的过程,还需要再经过降温的过程,才可以作为成品输出,这时,可以将罐体二2中100℃的肥料导入罐体一1,罐体二2中重新导入20℃的肥料,此时变回到初始状态,可以重复上一段的过程,即打开换热器一5进行热交换,关闭换热器一5,启动热泵机组。
节能分析:5T液体肥料,若使用电加热将液体加热至100℃,则需耗电436KWh,并且加热后还需给液体肥料进行降温,降温还需使用制冷机组,机组运行还需耗电200KWh,则共需耗电为436+200=636KWh。
若使用本发明的热交换系统完成加热与冷却,假设使用3台热泵机组组成一套系统,3台热泵机组共同作用完成加热与冷却,完成后将成品液体肥送入成品罐中,则整个过程共耗电为120KWh,因此使用热泵机组每台可以节电约为500KWh,每套设备24h内可以完成7次工作,则每台机组节电为3500KWh,若3台机组同时运行,则可节电为10500KWh,经济效益非常可观。
实施例二
由于液体肥料在高温时具有较强腐蚀性,为了避免液体肥料对热泵机组的伤害,本实施例增加换热器二6、换热器三7、液体回路一11和液体回路二12,使热量交换不损伤热泵机组。热泵机组的结构同实施例一。
具体的,如图2所示,热交换系统,包括罐体一1、罐体二2,所述罐体一1中的流体经过换热器一5的通路一51后回到罐体一1,所述罐体二2的流体经过换热器一5的通路二52后回到罐体二2,所述罐体一1中的流体还经过换热器二6的通路三61回到罐体一1,所述罐体二2中流体还经过换热器三7的通路五71后回到罐体二;所述换热器一的通路一51和通路二52进行热交换,所述换热器二的通路三61和换热器二的通路四62进行热交换,所述换热器三的通路五71和换热器三的通路六72进行热交换,所述换热器二6的通路四62串联于液体回路一11中,液体回路一11与热泵机组10进行热交换,所述换热器三7的通路六72串联于液体回路二12中,液体回路二12与热泵机组10进行热交换。
为了使液体在管路中能够流动,在每个回路中串联有水泵。例如,在换热器一5的通路一51所在的液体回路中串联有水泵一3,和/或在换热器一5的通路二52所在的液体回路中串联有水泵二4,和/或在换热器二6的通路三61所在的液体回路中串联有水泵一3,和/或在换热器三的通路五71所在的液体回路中串联有水泵二4,和/或在所述液体回路一11中串联有水泵三8,和/或在所述液体回路二12中串联有水泵四9。
优选的,所述罐体一1通过水泵一3后分为两路,一路与换热器一5的通路一51联通,另一路与换热器二6的通路三61联通。相应的,所述罐体二2通过水泵二4后分为两路,一路与换热器一5的通路二52联通,另一路与换热器三7的通路五71联通。一方面可以共用部分管路,节约管路数量和减少体积,另一方面,可以节约水泵的使用数量。
优选的,所述水泵一3与换热器一5的通路一51之间串联有1#阀体,所述水泵一3与换热器二6的通路三61之间串联有2#阀体。相应的,所述水泵二4与换热器一5的通路二之间串联有3#阀体,所述水泵二4与换热器三7的通路五71之间串联有4#阀体。可以通过PLC控制各个阀体的开闭,实现液体流路的自动切换。
工作原理:初始状态时,罐体一1中容纳有液体肥5吨,温度100℃,罐体二2中容纳有液体肥5吨,温度20℃。两个罐体的热量先通过水泵1、水泵2在换热器一5中进行交换,可将罐体一1的温度从100℃降至60℃,罐体二2的温度从20℃升至60℃,此过程约1小时完成。然后,关闭换热器一5,启动70P的热泵机组,液体回路一11通过与热泵机组中的换热器四交换热量,被换热器四吸收热量而降温,再与换热器二6交换热量从而使流经换热器二6的通路三61的液体肥料进一步降温,最终可将罐体一1温度从60℃降至20℃;液体回路二12通过与热泵机组中的换热器五交换热量,吸收换热器五散发的热量从而使液体回路二中的液体升温,液体回路二中的液体又与换热器三7的通路五71进行热交换,从而使罐体二2温度从60℃升至100℃,此过程约2小时完成。
至此,罐体一1中的液体肥料完成了从100℃降温至20℃的过程,可以作为成品输出罐体一1,罐体二2中的液体肥料完成了从20℃升温至100℃的过程,还需要再经过降温的过程,才可以作为成品输出,这时,可以将罐体二2中100℃的肥料导入罐体一1,罐体二2中重新导入20℃的肥料,此时变回到初始状态,可以重复上一段的过程,即打开换热器一5进行热交换,关闭换热器一5,启动热泵机组。
实施例三
本实施例在实施例一或者实施例二的基础上,替换热泵机组的结构。
本实施例的热泵机组采用冷暖两用空调所用的机组,兼具加热和制冷两种转换功能。热泵机组的基本结构包括压缩机、冷凝器(作为换热器五)、蒸发器(作为换热器四)、节流装置、四通阀等,通过切换四通阀,使制冷剂在冷凝器与蒸发器的流动方向发生变化,实现制冷和制热功能的切换,从而省略了实施例一中将罐体二2中100℃的肥料导入罐体一1的过程,节约了生产时间。
罐体一1中容纳有液体肥5吨,温度100℃,罐体二2中容纳有液体肥5吨,温度20℃,两个罐体的热量先通过水泵1、水泵2在换热器一5进行交换,可将罐体一1的温度从100℃降至60℃,罐体二2的温度从20℃升至60℃,此过程约1小时完成。然后,关闭换热器一5,启动70P的热泵机组,罐体1通过与热泵机组中的换热器四交换热量,可将罐体一1温度从60℃降至20℃,罐体二2中流体还与热泵机组中的换热器五换热,可将罐体二2温度从60℃降至100℃,此过程约2小时完成。将罐体一1中的液体肥作为成品排出,重新注入20℃的待加工的液体肥,切换四通阀,使热泵机组中的换热器四散发热量,换热器五吸收热量,再次经过一番热交换,罐体一1中的20℃的液体肥升温至100℃,罐体二2中100℃的液体肥降温至20℃,将罐体二2中的液体肥作为成品排出。以此循环。
实施例四
本实施例与实施例三的不同之处在于:热泵机组的结构不同。本实施例的热泵机组也兼具加热和制冷两种功能,其原理也是通过切换四通阀,使制冷剂在冷凝器与蒸发器的流动方向发生变化。
本实施例的热泵机组采用如图3所示的结构,具体的,压缩机的输出端口与四通阀的一号端口21连接,四通阀的二号端口22依次与换热器五的制冷剂通道、桥式单向阀组的节点e联通,桥式单向阀组的节点h与桥式单向阀组的节点f连接,桥式单向阀组的节点g依次与换热器四的制冷剂通道、四通阀的4号端口24连接,四通阀的3号端口23与压缩机的输入口连接。桥式单向阀组包括四个单向阀,单向阀一41的尾端和单向阀二42的首端串接在节点g,单向阀三43的尾端和单向阀四44的首端串接在节点e,单向阀一41的首端和单向阀三43的首端并接在节点f;单向阀二42尾端和单向阀四44的尾端并接在节点h。节点h和节点f之间还串联有电子膨胀阀或者热力膨胀阀。优选的,节点h和节点f之间还可以根据需要串联有电磁阀、视液镜、过滤器等器件。
换热原理是:
(1)切换四通阀,启动压缩机,压缩机中的制冷剂从制冷剂出口依次经过四通阀的一号端口21、四通阀的二号端口22、换热器五(相当于冷凝器)、桥式单向阀组的节点e、单向阀四44、膨胀阀、桥式单向阀组的节点f、单向阀一41、桥式单向阀组的节点g、换热器四(相当于蒸发器)、四通阀的四号端口24、四通阀的三号端口23回到压缩机的制冷剂入口。此时,换热器五放热,换热器四吸热。
(2)切换四通阀,启动压缩机,使压缩机中的制冷剂从制冷剂出口依次经过四通阀的一号端口21、四通阀的四号端口24、换热器四(相当于冷凝器)、桥式单向阀组的节点g、单向阀二42、桥式单向阀组的节点h、膨胀阀、桥式单向阀组的节点f、单向阀三43、桥式单向阀组的节点e、换热器五(相当于蒸发器)、四通阀的二号端口22、四通阀的三号端口23回到压缩机的制冷剂入口,此时,换热器五吸热,换热器四放热。
实施例五
本实施例与实施例一的不同之处在于:本实施例是通过布置液体肥料的管路实现加热和制冷的切换。即罐体一1中的流体分三路,一路经过换热器一5的通路一51后回到罐体一1,一路与热泵机组的换热器四交换热量后回到罐体一1,第三路与热泵机组中的换热器五交换热量回到罐体一1;罐体二2中的流体分三路,一路经过换热器一5的通路二52后回到罐体二2,一路与热泵机组的换热器四交换热量后回到罐体二2,第三路与热泵机组中的换热器五交换热量后回到罐体二2。从而省略了实施例一中将罐体二2中100℃的肥料导入罐体一1的过程,节约了生产时间。
如图4,本实施例中的热泵机组采用现有技术中最基本的结构,即包括压缩机以及与压缩机出口依次连接的冷凝器(作为换热器五,始终放出热量)、节流装置、蒸发器(作为换热器四,始终吸收热量),蒸发器出口与压缩机入口连接。
罐体一1中的流体与热泵机组的换热器五交换热量的前后两个节点分别为P和Q,罐体二2中流体与热泵机组中的换热器四换热的前后两个节点分别为M和N;节点M经过水阀二132、换热器四、水阀一131回到节点N,完成罐体二升温过程,或者节点M经过水阀七137、水阀六136、水阀五135、换热器五、水阀四134、水阀三133回到节点N,完成罐体二的降温过程;节点P经过水阀五135、换热器五、水阀八138回到节点Q,完成罐体一降温过程,或者节点P经过水阀六136、水阀七137、水阀二132、换热器四、水阀十1310、水阀九139后与节点Q连接,完成罐体一降温过程。
材料选取:由于液体肥料在高温时具有较高的腐蚀性,所以选取材料时应该选用耐腐蚀、耐高温的材料,具体情况如下:
(1)罐体:采用玻璃钢罐体,玻璃钢具有耐高温、耐腐蚀的特性,选取玻璃钢罐体作为容器,储存液体肥料,并且在水箱内完成加热与冷却的过程。
(2)换热器:所述换热器一5和/或换热器二6和/或换热器三7采用石墨换热器。石墨换热器有耐高温、耐腐蚀的特性并且换热器系数较高,可以达到设计要求。
(3)管路:由于液体肥料在高温时具有较强腐蚀性,所以管路不能采用普通镀锌管和不锈钢管,通过比较后,选取玻璃钢管作为管路使用。保证使用寿命。
(4)阀体、水阀:通过各方面因素分析,阀体、水阀采用UPVC。
Claims (10)
1.热交换系统,其特征在于:包括罐体一(1)、罐体二(2),所述罐体一(1)中的流体经过换热器一(5)的通路一(51)后回到罐体(1)一,所述罐体二(2)的流体经过换热器一(5)的通路二(52)后回到罐体二(2),所述罐体一(1)中的流体还与热泵机组(10)中的换热器四换热后回到罐体一(1),所述罐体二(2)中流体还与热泵机组(10)中的换热器五换热后回到罐体二(2);所述换热器一的通路一(51)和通路二(52)进行热交换。
2.根据权利要求1所述的热交换系统,其特征在于:所述热泵机组(10)为冷媒单向流动或者冷媒可双向流动的热泵机组(10)。
3.根据权利要求1所述的热交换系统,其特征在于:所述罐体一(1)中的流体还与热泵机组(10)中的换热器五交换热量后回到罐体一(1);所述罐体二(2)中的流体还与热泵机组(10)的换热器四交换热量后回到罐体二(2)。
4.热交换系统,其特征在于:包括罐体一(1)、罐体二(2),所述罐体一(1)中的流体经过换热器一(5)的通路一(51)后回到罐体(1)一,所述罐体二(2)的流体经过换热器一(5)的通路二(52)后回到罐体二(2),所述罐体一(1)中的流体还经过换热器二(6)的通路三(61)回到罐体一(1),所述罐体二(2)中流体还经过换热器三(7)的通路五(71)后回到罐体二;所述换热器一的通路一(51)和通路二(52)进行热交换,所述换热器二的通路三(61)和所述换热器二的通路四(62)进行热交换,所述换热器三的通路五(71)和换热器三的通路六(72)进行热交换,所述换热器二(6)的通路四(62)串联于液体回路一(11)中,液体回路一(11)与热泵机组(10)中的换热器四进行热交换,所述换热器三(7)的通路六(72)串联于液体回路二(12)中,液体回路二(12)与热泵机组(10)中的换热器五进行热交换。
5.根据权利要求4所述的热交换系统,其特征在于:所述罐体一(1)通过水泵一(3)后分为两路,一路与换热器一(5)的通路一(51)联通,另一路与换热器二(6)的通路三(61)联通;和/或所述罐体二(2)通过水泵二(4)后分为两路,一路与换热器一(5)的通路二(52)联通,另一路与换热器三(7)的通路五(71)联通。
6.根据权利要求5所述的热交换系统,其特征在于:所述水泵一(3)与换热器一(5)的通路一(51)之间串联有1#阀体,所述水泵一(3)与换热器二(6)的通路三(61)之间串联有2#阀体;和/或所述水泵二(4)与换热器一(5)的通路二(52)之间串联有3#阀体,所述水泵二(4)与换热器三(7)的通路五(71)之间串联有4#阀体。
7.根据权利要求6所述的热交换系统,其特征在于:所述换热器一(5)和/或换热器二(6)和/或换热器三(7)采用石墨换热器;和/或所述罐体一(1)采用防腐蚀的玻璃钢罐;和/或罐体二(2)采用防腐蚀的玻璃钢罐;和/或所述液体回路一(11)中串联有水泵三(8);和/或所述液体回路二(12)中串联有水泵四(9)。
8.根据权利要求4-7任一所述的热交换系统,其特征在于:所述热泵机组(10)包括压缩机、四通阀、换热器五、换热器四、桥式液压块,压缩机的输出端口与四通阀的一号端口(21)连接,四通阀的二号端口(22)依次与换热器五的制冷剂通道、桥式单向阀组的节点e联通,桥式单向阀组的节点h与桥式单向阀组的节点f连接,桥式单向阀组的节点g依次与换热器四的制冷剂通道、四通阀的4号端口(24)连接,四通阀的3号端口(23)与压缩机的输入口连接;桥式单向阀组包括四个单向阀,单向阀一的尾端和单向阀二的首端串接在节点g,单向阀三的尾端和单向阀四的首端串接在节点e,单向阀一的首端和单向阀三的首端并接在节点f;单向阀二尾端和单向阀四的尾端并接在节点h,节点h和节点f之间还串联有节流装置。
9.根据权利要求4所述的热交换系统,其特征在于:罐体一(1)中的流体还有一路与换热器三(7)的通路五(71)交换热量后回到罐体一(1);罐体二(2)中的流体还有一路与换热器二(6)的通路三(61)交换热量后回到罐体二(2)。
10.一种热交换方法,其特征在于:包括以下步骤:
1】将高温流体与低温流体先进行热交换,高温流体降温为次高温流体,低温流体升温为次低温流体;
2】将上一步中的次高温流体与热泵机组中的蒸发器进行热交换,降温至目标低温流体,将目标低温流体排出;将步骤1】中的次低温流体与热泵机组中的冷凝器进行热交换,升温至目标高温流体;
3】将上一步得到的目标高温流体与新的低温流体进行热交换,目标高温流体降温为次高温流体,新的低温流体升温为新的次低温流体;
4】重复步骤2】和3】。
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