CN109631129A - 一种工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统，包括至少一级零上取热热力单元、至少一级零下取热热力单元、设置在所述零下取热热力单元上的融霜分路单元以及水路单元。本发明采用排风梯级取热与时空分割原理相结合的综合性技术路线，提出排风取热后低于0℃工况下轮动式融霜技术思路，一方面将空气取热器设置为两级或多级，每个空气取热器设置两个或两个以上蒸发器，以构成两级或多级取热系统；另一方面，对低于0℃工况下取热器设置为多个可独立运行的分路取热与融霜系统，逐一轮动地对每个分路排风蒸发器进行融霜操作，从而实现两级或多级取热、轮动精准融霜和连续供热。
Description
技术领域
本发明涉及工业余热回收利用领域，特别是涉及一种工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统。
背景技术
随着国内外对节能减排的日益重视，工业余热综合利用技术近几年在国内得到迅速发展。工业排风不仅工况稳定、排风量持续恒定，排风的焓值也很高，是一种可利用的低温热源，如矿井排风、设备机房散热排风等。同时，周边的用热需求较多，如冬季矿井口防冻，职工热水洗浴等。因此，提取排风中的余热供给热需求将起到节能减排的作用。主要提取方式为利用空气源热泵制冷剂经过蒸发器吸收工业排风的低位余热，经压缩机转化为高位热能从而满足热负荷需求。
但是，用热需求大和工业排风余热量(0℃以上)回收不足，是工业余热利用项目的实际运行中出现的主要问题。而对工业排风余热进行进一步回收(当排风温度低于0℃时)，又会出现结霜结冰现象，严重影响其回收效果。目前应对方式有自然融霜法、逆循环融霜法、电融霜法等。而在实际效果来看，这些常规的方法都存在着不足和缺陷，无法实现连续供热，余热利用效率低，影响供热效果等。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统，采用排风梯级取热与时空分割原理相结合的综合性技术路线，提出排风取热后低于0℃工况下轮动式融霜技术思路，一方面将空气取热器设置为两级或多级，每个空气取热器设置两个或两个以上蒸发器，以构成两级或多级取热系统；另一方面，对二级(或低于0℃工况)取热器设置为多个可独立运行的分路取热与融霜系统。对每一路独立的排风取热系统均单独分别设置一个取热回路和融霜回路，通过电磁阀和膨胀阀的开闭、单向阀等管路和管件实现融霜工况和制热工况的切换。其中一路排风蒸发器进行融霜的同时不影响其他分路排风蒸发器分路制热工况的运行，逐一轮动地对每个分路排风蒸发器进行融霜操作，从而实现两级或多级取热、轮动精准融霜和连续供热。
为实现上述目的，本发明提供了一种工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统，包括至少一级零上取热热力单元、至少一级零下取热热力单元、设置在所述零下取热热力单元上的融霜分路单元以及水路单元；
所述零上取热热力单元包括依次连接的一级压缩机、一级经济器、至少两组并联设置的一级排风蒸发器，每一组一级排风蒸发器与一级经济器之间均设有一级膨胀阀，所述一级经济器上还并联设有一级补气膨胀阀与一级补气电磁阀；
所述零下取热热力单元包括依次连接的二级压缩机、二级经济器、至少两组并联设置的二级排风蒸发器，每一组二级排风蒸发器与二级经济器之间均设有二级电磁阀与二级膨胀阀，所述二级经济器上还并联设有二级补气膨胀阀与二级补气电磁阀；
所述融霜分路单元包括与所述二级压缩机、二级排风蒸发器、二级经济器依次相连形成的融霜通路，所述融霜通路包括设置在所述二级压缩机与二级排风蒸发器之间管路上的融霜电磁阀以及设置在所述二级排风蒸发器与二级经济器之间的单向阀；
所述水路单元包括设置在一级压缩机与一级经济器之间的一级冷凝器、所述二级压缩机与二级经济器之间的二级冷凝器，所述一级冷凝器与二级冷凝器串联或并联设置在进水口与出水口之间；
当所述热泵系统在融霜时，每次仅对其中一组二级排风蒸发器进行融霜，其余二级排风蒸发器仍进行蒸发取热。
优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为4～8组并联设置，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器数量相同，且排风依次经过一级排风蒸发器、二级排风蒸发器进行热交换。
优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器一一对应设置在同一外壳内，并且每一外壳内仅设有一组一级排风蒸发器与一组二级排风蒸发器，且外壳内的一级排风蒸发器与二级排风蒸发器共用排风风机。
优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为6组并联设置，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器数量相同，且排风依次经过一级排风蒸发器、二级排风蒸发器进行热交换。
优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器一一对应设置在同一外壳内，并且每一外壳内仅设有一组一级排风蒸发器与一组二级排风蒸发器，且外壳内的一级排风蒸发器与二级排风蒸发器共用排风风机。
优选地，所述热泵系统在融霜时，每次对其中一组二级排风蒸发器进行融霜，逐一轮动地对每一组二级排风蒸发器进行融霜操作。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统采用梯级排风取热、补气增焓与分路轮动融霜技术的结合，至少具有以下优势：
1、采用分路轮动融霜方式，可使此系统在执行融霜操作时，不影响系统供热效果，实现连续供热；
2、采用串联式风路两级或多级排风余热回收装置，最大限度地全面回收工业排风中的余热，余热利用效率增加，提高机组的运行稳定性和能效；
3、随热用户的需求可以选择采用并联式或串联式两级水路换热装置，提高机组运行随热负荷需求变化的灵活性，实现按需供热；
4、采用相互独立的氟路循环系统，有效保障机组在不同工况下的制热量和稳定性；
5、融霜工况时，补气增焓系统与分路轮动融霜系统相耦合，有助于平滑压缩机吸排气量的波动，可避免因吸气压力过低而出现的保护性停机，进一步保障排风余热利用机组的运行稳定性；
6、排风取热部分增设的融霜换热回路使系统的换热面积增大，排风余热利用机组制热的能效比高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统示意图。
图2为工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统局部详图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统，如图1、图2所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。本发明热泵系统分为四个部分，分别为0℃以上(一级或多级)取热热力系统部分、0℃以下(二级或多级)取热及其融霜热力系统部分和水路部分。例如，0℃以上取热热力系统为一级，0℃以下取热热力系统为二级。
具体地，所述热泵系统包括至少一级零上取热热力单元、至少一级零下取热热力单元、设置在所述零下取热热力单元上的融霜分路单元以及水路单元。优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为6组并联设置。
本发明中的0℃以上取热热力系统部分可采用一级设置，但当取热量较大时，一级取热导致蒸发温度过高，影响取热效率，此时可采用多级零上取热热力单元进行取热，以提高系统效率。同理，零下取热热力单元亦可采用一级或多级，以保证较高的系统效率。
所述零上取热热力单元包括依次连接的一级压缩机1-1、一级经济器2-1、至少两组并联设置的一级排风蒸发器，每一组一级排风蒸发器与一级经济器2-1之间均设有一级膨胀阀，所述一级经济器2-1上还并联设有一级补气膨胀阀5-1与一级补气电磁阀4-1。
具体地，所述零上取热热力单元包括压缩机1-1、一级经济器2-1、一级补气膨胀阀5-1、一级补气电磁阀4-1、多个独立的一级排风蒸发器、一级膨胀阀。例如:第一分路一级排风蒸发器6-1、第一分路一级膨胀阀5-3；第二分路一级排风蒸发器6-2，第二分路一级膨胀阀5-4；第三分路一级排风蒸发器6-3、第三分路一级膨胀阀5-5；第四分路一级排风蒸发器6-4、第四分路一级膨胀阀5-6；第五分路一级排风蒸发器6-5、第五分路一级膨胀阀5-7；第六分路一级排风蒸发器6-6、第六分路一级膨胀阀5-8。
所述零下取热热力单元包括依次连接的二级压缩机1-2、二级经济器2-2、至少两组并联设置的二级排风蒸发器，每一组二级排风蒸发器与二级经济器2-2之间均设有二级电磁阀与二级膨胀阀，所述二级经济器2-2上还并联设有二级补气膨胀阀5-2与二级补气电磁阀4-2。
具体地，所述零下取热热力单元包括二级压缩机1-2、二级经济器2-2、二级补气膨胀阀5-2、二级补气电磁阀4-2，多个独立的排风蒸发器、膨胀阀和电磁阀。排风蒸发器、膨胀阀和电磁阀分路设置，例如:第一分路二级排风蒸发器6-7、第一分路二级膨胀阀5-9、第一分路二级电磁阀4-3；第二分路二级排风蒸发器6-8、第二分路二级膨胀阀5-10、第二分路二级电磁阀4-5；第三分路二级排风蒸发器6-9、第三回路二级膨胀阀5-11、第三分路二级电磁阀4-7；第四分路二级排风蒸发器6-10、第四回路二级膨胀阀5-12、第四分路二级电磁阀4-9；第五分路二级排风蒸发器6-11、第五分路二级膨胀阀5-13、第五分路二级电磁阀4-11；第六分路二级排风蒸发器6-12、第六回路二级膨胀阀5-14、第六分路二级电磁阀4-13。
如图2所示，所述融霜分路单元包括与所述二级压缩机1-2、二级排风蒸发器、二级经济器2-2依次相连形成的融霜通路，所述融霜通路包括设置在所述二级压缩机1-2与二级排风蒸发器之间管路上的融霜电磁阀以及设置在所述二级排风蒸发器与二级经济器2-2之间的单向阀。
具体地，所述融霜分路单元包括各个回路融霜电磁阀和单向阀。所述融霜通路分路设置，例如：第一分路二级融霜电磁阀4-4、第一分路单向阀8-1；第二分路二级融霜电磁阀4-6、第二分路单向阀8-2；第三分路二级融霜电磁阀4-8、第三分路单向阀8-3；第四分路二级融霜电磁阀4-10、第四分路单向阀8-4；第五分路二级融霜电磁阀4-12、第五分路单向阀8-5；第六分路二级融霜电磁阀4-14、第六分路单向阀8-6。当所述热泵系统在融霜时，每次仅对其中一组二级排风蒸发器进行融霜，其余二级排风蒸发器仍进行蒸发取热，进行轮动融霜，以此实现连续供热。
水路单元包括一级冷凝器3-1，二级冷凝器3-2。具体地，所述水路单元包括设置在一级压缩机1-1与一级经济器2-1之间的一级冷凝器3-1、所述二级压缩机1-2与二级经济器2-2之间的二级冷凝器3-2，所述一级冷凝器3-1与二级冷凝器3-2串联或并联设置在进水口9与出水口10之间。
优选地，所述零上取热热力单元与零下取热热力单元均仅采用一级。
优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为4～8组并联设置，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器数量相同，且排风依次经过一级排风蒸发器、二级排风蒸发器进行热交换。所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器一一对应设置在同一外壳内，并且每一外壳内仅设有一组一级排风蒸发器与一组二级排风蒸发器，且外壳内的一级排风蒸发器与二级排风蒸发器共用排风风机。
进一步优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为6组并联设置，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器数量相同，且排风依次经过一级排风蒸发器、二级排风蒸发器进行热交换。优选地，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器一一对应设置在同一外壳内，并且每一外壳内仅设有一组一级排风蒸发器与一组二级排风蒸发器，且外壳内的一级排风蒸发器与二级排风蒸发器共用排风风机。
优选地，所述热泵系统在融霜时，每次对其中一组二级排风蒸发器进行融霜，逐一轮动地对每一组二级排风蒸发器进行融霜操作。本发明采用分路轮动融霜方式，可使此系统在执行融霜操作时，不影响系统供热效果，实现连续供热。
为进一步说明本发明的工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统的工作过程，以所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为6组并联设置且一级冷凝器3-1与二级冷凝器3-2并联设置为例进行说明：
零上取热热力单元的风路取热过程：
工业排风同时进入6组一级排风蒸发器，与蒸发器中的制冷剂进行热交换。例如工业排风进入第一分路一级路排风蒸发器6-1，第二分路一级路排风蒸发器6-2、第三分路一级路排风蒸发器6-3、第四分路一级路排风蒸发器6-4、第五分路一级路排风蒸发器6-5、第六分路一级路排风蒸发器6-6同理，排风与制冷剂进行热交换，完成风路一级取热过程。
零上取热热力单元的氟路循环过程：
在冬季制热工况下，零上取热热力单元的各个分路的膨胀阀和电磁阀打开。具体地，第一分路一级膨胀阀5-3、第二分路一级膨胀阀5-4、第三分路一级膨胀阀5-5、第四分路一级膨胀阀5-6、一级第五分路膨胀阀5-7、第六分路一级膨胀阀5-8打开；一级补气膨胀阀5-1和一级补气电磁阀4-1打开。
在零上取热热力单元中，从一级压缩机1-1出来的高温高压制冷剂气体进入一级冷凝器3-1中进行放热，冷凝成液体，制冷剂分为两路：主路为制热回路，辅路为补气回路。主路的制冷剂液体直接进入一级经济器2-1；辅路的制冷剂液体经一级补气电磁阀4-1和一级补气膨胀阀5-1节流降压后也进入一级经济器2-1。这两部分制冷剂在一级经济器2-1中产生热交换后，辅路的制冷剂变为气体后被一级压缩机1-1的辅助进气口吸入，主路的制冷剂变为过冷液体分别进入6个一级路排风蒸发器。在第一分路中，通过第一分路膨胀阀5-3节流降压，进入第一分路一级排风蒸发器6-1进行吸热。第二、三、四、五、六分路的制热工况过程以此类推，运行工况相同，在此不在赘述。六个回路的制冷剂汽化吸热后，汇合被一级压缩机1-1吸入，主路和辅路的制冷剂在一级压缩机1-1工作腔内混合，再进一步压缩后排出一级压缩机1-1外，完成零上取热热力单元的氟路循环。
零上取热热力单元关联的水路单元放热过程：
热用户的回水经由进水口9进入机组后，分为两路，其中一路进入一级冷凝器3-1，与制冷剂进行热交换后，和二级冷凝器3-2流出的热水汇合后，经由出水口10，流向热用户，完成供热。
零下取热热力单元的风路取热过程：
经一级排风蒸发器换热后的工业排风再次进入二级排风蒸发器，与蒸发器中的制冷剂进行热交换。具体地，经第一分路一级排风蒸发器6-1换热后的工业排风再次进入第一分路二级排风蒸发器6-7，第二、三、四、五、六分路同理，排风与制冷剂进行热交换，完成零下取热热力单元的风路取热过程。
零下取热热力单元的制热循环过程：
在冬季制热工况下，零下取热热力单元的各个分路的膨胀阀和电磁阀打开。具体地，第一分路二级电磁阀4-3、第一分路二级膨胀阀5-9、第二分路二级电磁阀4-5、二级第二分路膨胀阀5-10、二级第三分路电磁阀4-7、二级第三分路膨胀阀5-11、第四分路二级电磁阀4-9、第四分路二级膨胀阀5-12、第五分路二级电磁阀4-11、第五分路二级膨胀阀5-13、第六分路二级电磁阀4-13、第六分路二级膨胀阀5-14打开；二级补气膨胀阀5-2和二级补气电磁阀4-2打开。融霜分路单元的各个分路的电磁阀关闭，具体地，第一分路二级融霜电磁阀4-4、第二分路二级融霜电磁阀4-6、第三分路二级融霜电磁阀4-8、第四分路二级融霜电磁阀4-10、第五分路二级融霜电磁阀4-12、第六分路二级融霜电磁阀4-14关闭。
在零下取热热力单元中，从二级压缩机1-2出来的高温高压制冷剂气体进入二级冷凝器3-2中进行放热，冷凝成液体，分为2路：主路为制热回路，辅路为补气回路。主路的制冷剂液体直接进入二级经济器2-2；辅路的制冷剂液体经二级补气电磁阀4-2和二级补气膨胀阀5-2节流降压后也进入二级经济器2-2。这两部分制冷剂在二级经济器2-2中产生热交换后，辅路的制冷剂变为气体后被二级压缩机1-2的辅助进气口吸入，主路的制冷剂变为过冷液体分别进入六个分路。在第一回路中，通过二级第一分路膨胀阀5-9节流降压，进入第一分路二级排风蒸发器6-7进行吸热；第二、三、四、五、六分路的制热工况过程以此类推，在此不再赘述。六个分路的制冷剂汽化吸热后，汇合被二级压缩机1-2吸入，主路和辅路的制冷剂在二级压缩机1-2工作腔内混合，再进一步压缩后排出二级压缩机1-2外，完成零下取热热力单元的制热循环。
零下取热热力单元的融霜过程：
在冬季融霜工况时，融霜分路单元上的电磁阀开启，依次对零下取热热力单元的六个分路进行融霜。其中一个分路进行融霜时，其他分路仍按照制热工况运行。例如，当第一分路开始融霜时，第一分路二级电磁阀4-4打开，同时第一分路二级膨胀阀5-9、第一分路二级电磁阀4-3关闭，实现制热工况与融霜工况的切换。高温制冷剂通过第一分路二级融霜电磁阀4-4，进入第一分路二级排风蒸发器6-7，放出热量将霜层融化，然后经过单向阀8-1，与另外未参与融霜的制冷剂进行汇流后，进入剩余五个分路继续完成制热工况循环。然后依次对第二、三、四、五、六分路进行轮动融霜，融霜过程同上，在此不再赘述。
零下取热热力单元关联的水路单元放热过程：
热用户的回水经由进水口9进入机组后，分为两路，其中一路进入二级冷凝器3-2，与制冷剂进行热交换后，与一级冷凝器3-1换热出的热水汇合后，经由出水口10，流向热用户，实现供热。
本发明的工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统采用梯级排风取热、补气增焓与分路轮动融霜技术的结合，至少具有以下优势：
1、采用分路轮动融霜方式，可使此系统在执行融霜操作时，不影响系统供热效果，实现连续供热；
2、采用串联式风路两级或多级排风余热回收装置，最大限度地全面回收工业排风中的余热，余热利用效率增加，提高机组的运行稳定性和能效；
3、随热用户的需求可以选择采用并联式或串联式两级水路换热装置，提高机组运行随热负荷需求变化的灵活性，实现按需供热；
4、采用相互独立的氟路循环系统，有效保障机组在不同工况下的制热量和稳定性；
5、融霜工况时，补气增焓系统与分路轮动融霜系统相耦合，有助于平滑压缩机吸排气量的波动，可避免因吸气压力过低而出现的保护性停机，进一步保障排风余热利用机组的运行稳定性；
6、排风取热部分增设的融霜换热回路使系统的换热面积增大，排风余热利用机组制热的能效比高。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种工业排风梯级取热式连续供热的热泵系统，其特征在于：包括至少一级零上取热热力单元、至少一级零下取热热力单元、设置在所述零下取热热力单元上的融霜分路单元以及水路单元；
所述零上取热热力单元包括依次连接的一级压缩机1-1、一级经济器2-1、至少两组并联设置的一级排风蒸发器，每一组一级排风蒸发器与一级经济器2-1之间均设有一级膨胀阀，所述一级经济器2-1上还并联设有一级补气膨胀阀5-1与一级补气电磁阀4-1；
所述零下取热热力单元包括依次连接的二级压缩机1-2、二级经济器2-2、至少两组并联设置的二级排风蒸发器，每一组二级排风蒸发器与二级经济器2-2之间均设有二级电磁阀与二级膨胀阀，所述二级经济器2-2上还并联设有二级补气膨胀阀5-2与二级补气电磁阀4-2；
所述融霜分路单元包括与所述二级压缩机1-2、二级排风蒸发器、二级经济器2-2依次相连形成的融霜通路，所述融霜通路包括设置在所述二级压缩机1-2与二级排风蒸发器之间管路上的融霜电磁阀以及设置在所述二级排风蒸发器与二级经济器2-2之间的单向阀；
所述水路单元包括设置在一级压缩机1-1与一级经济器2-1之间的一级冷凝器3-1、所述二级压缩机1-2与二级经济器2-2之间的二级冷凝器3-2，所述一级冷凝器3-1与二级冷凝器3-2串联或并联设置在进水口9与出水口10之间；
当所述热泵系统在融霜时，每次仅对其中一组二级排风蒸发器进行融霜，其余二级排风蒸发器仍进行蒸发取热。
2.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于：所述零上取热热力单元与零下取热热力单元均仅采用一级。
3.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于：所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为4～8组并联设置，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器数量相同，且排风依次经过一级排风蒸发器、二级排风蒸发器进行热交换。
4.根据权利要求3所述的热泵系统，其特征在于：所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器一一对应设置在同一外壳内，并且每一外壳内仅设有一组一级排风蒸发器与一组二级排风蒸发器，且外壳内的一级排风蒸发器与二级排风蒸发器共用排风风机。
5.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于：所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器均为6组并联设置，所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器数量相同，且排风依次经过一级排风蒸发器、二级排风蒸发器进行热交换。
6.根据权利要求5所述的热泵系统，其特征在于：所述一级排风蒸发器与二级排风蒸发器一一对应设置在同一外壳内，并且每一外壳内仅设有一组一级排风蒸发器与一组二级排风蒸发器，且外壳内的一级排风蒸发器与二级排风蒸发器共用排风风机。
7.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于：所述热泵系统在融霜时，每次对其中一组二级排风蒸发器进行融霜，逐一轮动地对每一组二级排风蒸发器进行融霜操作。
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