CN111578354A - 一种矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统，包括一级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、二级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、一级回油单元、二级回油单元、用户侧供热水单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元。本发明利用梯级取热与并联压缩的方式，将矿井乏风的热量通过工质直蒸换热分级转移到系统内部的工质循环系统，然后通过高温冷凝换热方式，把热量传递给热用户回水，从而实现对热用户提供高温水，同时通过在主液路配置变频工质配液泵，由储液罐的液位来控制其运行情况，降低了输液损失，提高系统的取热效率；同时系统设置一次油分离器、二次油分离器、引射器及油路平衡阀，保证了整个系统的平稳运行。

Description

一种矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统
技术领域
本发明涉及一种热泵供热系统，特别是涉及一种矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统。
背景技术
煤矿在建设生产过程中存在大量的矿井排风，乏风温度一年四季约在18℃，相对湿度接近100％，其中蕴含大量低温余热资源，回收价值很高。煤矿还存在冬季井口防冻、洗浴热水和建筑采暖等用热需求，因此，通过对乏风余热有效利用，可进一步实现煤矿的节能减排。
目前矿井乏风余热利用方法主要有喷淋取热法、分体直蒸取热法、间壁式防冻液取热法和热管取热法等。从实际效果看，这些的方法有着各自的不足和缺陷。例如，喷淋换热法和间接防冻液法中需与水源热泵相结合，回收装置体积大，效率低、易腐蚀；分体直蒸法中连接管线多，安装工程量大；热管法中热管存在传热极限，工程复杂和应用场合限制大等问题，而且回收的余热用途单一等。
发明内容
本发明的目的是针对上述乏风余热回收中存在的问题，在充分研究和掌握矿井乏风物性参数变化机理与规律的基础上，利用梯级取热原理，采用并联压缩的方式，提出一种新型的带融霜和自清洗功能的矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统，将矿井乏风的热量通过工质直蒸换热方式分级转移到系统内部的工质循环系统，然后通过高温冷凝换热方式，把热量传递给热用户回水，从而实现对热用户提供高温水的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统，包括一级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、二级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、一级回油单元、二级回油单元、用户侧供热水单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元；
所述一级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的一级压缩机、一级一次油分离器以及一级单向阀、一级二次油分离器、至少两组并联设置的一级冷凝器、一级储液器、一级变频工质配液泵、至少两组并联设置的一级热力膨胀阀与一级乏风取热器、一级气液分离器；
所述二级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的二级压缩机、二级一次油分离器以及二级单向阀、二级二次油分离器、至少两组并联设置的二级冷凝器、二级储液器、二级变频工质配液泵、至少两组并联设置的电磁阀、二级热力膨胀阀与二级乏风取热器、二级气液分离器；
所述一级回油单元包括设置在所述一级气液分离器与一级压缩机之间的一级引射器、设置在所述二级二次油分离器与一级压缩机之间的一级油路平衡阀以及设置在所述一级一次油分离器与一级引射器之间的一级电磁阀；
所述二级回油单元包括设置在所述二级气液分离器与二级压缩机之间的二级引射器、设置在所述二级二次油分离器与二级压缩机之间的二级油路平衡阀以及设置在所述二级一次油分离器与二级引射器之间的二级电磁阀；
所述用户侧供热水单元包括依次管路连接的集水器、供热循环泵、单向阀以及依次与所述一级冷凝器和二级冷凝器相连接的分水器；
所述二级取热融霜单元包括与所述分水器和集水器相连通的融霜管路，所述融霜管路中并联设有融霜支管路，所述融霜支管路设置在每组二级乏风取热器内，所述融霜支管路上设有融霜电磁阀；
所述自清洗单元包括依次管路连接的水箱、清洗循环泵、清洗单向阀、喷淋头以及设置在所述喷淋头进水侧上的清洗电磁阀，所述喷淋头并联设置在每组一级乏风取热器的进风侧。
优选地，矿井乏风依次经过一级乏风取热器、二级乏风取热器。
优选地，所述用户侧供热水系统单元还包括设置在所述供热循环泵进水侧上的补水单元，所述补水单元包括与补水源依次相连的补水箱、补水循环泵、补水单向阀。
优选地，所述一级变频工质配液泵的运行状态根据一级储液器的液位进行控制；所述二级变频工质配液泵的运行状态根据二级储液器的液位进行控制。
优选地，当所述一级储液罐的液位到达高位H1时，所述一级变频工质循环泵进行高频运行；当所述一级储液罐的液位到达低位H2时，所述一级变频工质循环泵进行低频运行；当所述二级储液罐的液位到达高位H1时，所述二级变频工质循环泵进行高频运行；当所述二级储液罐的液位到达低位H2时，所述二级变频工质循环泵进行低频运行。
优选地，在融霜工况时，所述二级取热融霜单元轮流对一组或多组二级乏风取热器进行轮动融霜。
优选地，所述二级取热融霜单元通过控制每一融霜支管路上融霜电磁阀的开闭进行轮动融霜。
优选地，在自清洗时，所述自清洗单元依次对一组或多组一级乏风取热器进行轮动清洗。
优选地，所述自清洗单元通过控制每一清洗电磁阀的开闭进行轮动清洗。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
1、对矿井乏风采用梯级并联取热方式，能源回收利用率进一步提升，可实现余热资源的最大有效利用；
2、本系统采用分级并联蒸发、并联压缩及并联冷凝方式，通过控制压缩机开启台数来调节冷凝温度，大大提高供热系统的能效与适用性；
3、单独配置二级乏风取热器融霜管路，通过对乏风取热器进行分组轮动融霜，进一步提升系统蒸发侧的换热效率；
4、冷凝换热水系统采用两级串联方式，可增大用户侧供回水的温差和降低管道施工量，此外可提升供热系统整体能效；
5、本系统主液路配置变频工质配液泵，其运行情况由储液罐的液位来控制，可降低输液损失，使蒸发温度更均匀，提高系统的取热效率；
6、为保证整个系统的回油量，首先每台压缩机均配置一次油分离器，其次两级压缩系统各配置二次油分离器，其中二次油分离器的标高大于压缩机的标高，而且增设引射器和油路平衡阀，进一步保证系统的回油顺畅和平衡，以保证整个系统的平稳运行；
7、增设翅片自清洗系统，以适应矿井乏风高粉尘的恶劣工况。
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为矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统示意图。
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。
本发明提供了一种矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统，如图1所示，其中示出了本发明的优选实施方式。所述矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统包括一级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、二级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、一级回油单元、二级回油单元、用户侧供热水单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元。
具体地，所述一级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的一级压缩机1-1、一级一次油分离器2-1以及一级单向阀15-1、一级二次油分离器3-1、至少两组并联设置的一级冷凝器4-1、一级储液器6-1、一级变频工质配液泵7-1、至少两组并联设置的一级热力膨胀阀8-1与一级乏风取热器9-1、一级气液分离器12-1。所述二级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的二级压缩机1-2、二级一次油分离器2-2以及二级单向阀15-2、二级二次油分离器3-2、至少两组并联设置的二级冷凝器4-2、二级储液器6-2、二级变频工质配液泵7-2、至少两组并联设置的电磁阀11-1、二级热力膨胀阀8-2与二级乏风取热器9-2、二级气液分离器12-2。
如图1所示，所述一级回油单元包括设置在所述一级气液分离器12-1与一级压缩机1-1之间的一级引射器13-1、设置在所述一级二次油分离器3-1与一级压缩机1-1之间的一级油路平衡阀14-1以及设置在所述一级一次油分离器2-1与一级引射器13-1之间的一级电磁阀11-3。所述二级回油单元包括设置在所述二级气液分离器12-2与二级压缩机1-2之间的二级引射器13-2、设置在所述二级二次油分离器3-2与二级压缩机1-2之间的二级油路平衡阀14-2以及设置在所述二级一次油分离器2-2与二级引射器13-2之间的二级电磁阀11-2。
优选地，所述一级变频工质配液泵7-1的运行状态根据一级储液器6-1的液位进行控制；所述二级变频工质配液泵7-2的运行状态根据二级储液器6-2的液位进行控制。更优选地，当所述一级储液罐6-1的液位到达高位H1时，所述一级变频工质循环泵7-1进行高频运行；当所述一级储液罐6-1的液位到达低位H2时，所述一级变频工质循环泵7-1进行低频运行；当所述二级储液罐6-2的液位到达高位H1时，所述二级变频工质循环泵7-2进行高频运行；当所述二级储液罐6-2的液位到达低位H2时，所述二级变频工质循环泵7-2进行低频运行。
进一步，所述用户侧供热水单元包括依次管路连接的集水器5-2、供热循环泵7-3、单向阀以及依次与所述一级冷凝器4-1和二级冷凝器4-2相连接的分水器5-1。优选地，所述用户侧供热水系统单元还包括设置在所述供热循环泵7-3进水侧上的补水单元，所述补水单元包括与补水源依次相连的补水箱、补水循环泵、补水单向阀。
所述二级取热融霜单元包括与所述分水器5-1和集水器5-2相连通的融霜管路，所述融霜管路中并联设有融霜支管路，所述融霜支管路设置在每组二级乏风取热器9-2内，所述融霜支管路上设有融霜电磁阀11-4。
优选地，在融霜工况时，所述二级取热融霜单元轮流对一组或多组二级乏风取热器9-2进行轮动融霜。优选地，所述二级取热融霜单元通过控制每一融霜支管路上融霜电磁阀11-4的开闭进行轮动融霜。
进一步，所述自清洗单元包括依次管路连接的水箱16、清洗循环泵7-4、清洗单向阀15-3、喷淋头10以及设置在所述喷淋头10进水侧上的清洗电磁阀11-5，所述喷淋头10并联设置在每组一级乏风取热器9-1的进风侧。在自清洗时，所述自清洗单元依次对一组或多组一级乏风取热器9-1进行轮动清洗。优选地，所述自清洗单元通过控制每一清洗电磁阀11-5的开闭进行轮动清洗。
优选地，矿井乏风依次经过一级乏风取热器9-1、二级乏风取热器9-2，以保证乏风中的尘土在一级乏风取热器9-1上进行富集清洗，同时还使得一级乏风取热器9-1上不产生结霜。
为进一步说明本发明的矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统的工作原理，以下阐述本发明的工作过程：
1)一级直蒸取热并联压缩冷凝循环过程
在此过程中，工质液体分别从一级压缩机1-1流经一次油分离器2-1、一级单向阀15-1汇合至二次油分离器3-1后，分别进入一级冷凝器4-1，高温工质在此发生冷凝过程后汇总进入一级储液罐6-1中，流经一级变频工质配液泵7-1和单向阀后，分别经过一级热力膨胀阀8-1进入一级乏风取热器9-1中，工质发生吸热蒸发过程后，汇合进入一级气液分离器12-1，然后再次分别进入一级压缩机1-1，以此完成一级直蒸取热并联压缩冷凝循环过程。
其中，一级变频工质循环泵7-1的运行状态由一级储液罐6-1的液位控制。例如，一级储液罐6-1的液位到达高位H1时，一级变频工质循环泵7-1进行高频运行，加大工质循环量；一级储液罐6-1的液位到达低位H2时，一级变频工质循环泵7-1进行低频运行，降低工质循环量。
2)二级直蒸取热并联压缩冷凝循环过程
在此过程中，工质液体分别从二级压缩机1-2流经一次油分离器2-2、二级单向阀15-2汇合至二次油分离器3-2后，分别进入二级冷凝器4-2，高温工质在此发生冷凝过程后汇总进入二级储液罐6-2中，流经二级变频工质配液泵7-2和单向阀后，分别经过电磁阀11-1和二级热力膨胀阀8-2后，进入二级乏风取热器9-2，工质发生吸热蒸发过程后，汇合进入气液分离器12-2，然后再次分别进入二级压缩机1-2，以此完成二级直蒸取热并联压缩冷凝循环过程。
其中，二级变频工质循环泵7-2的运行状态由二级储液罐6-2的液位控制。例如，二级储液罐6-2的液位到达高位H1时，二级变频工质循环泵7-2进行高频运行，加大工质循环量；二级储液罐6-2的液位到达低位H2时，二级变频工质循环泵7-2进行低频运行，降低工质循环量。
3)一级回油过程
在此过程中，通过一级引射器13-1用来促进系统回油。例如，当回油量过少时，所述一级电磁阀11-3开启，来自一次油分离器2-1汇合后的部分高压气态工质通过所述一级电磁阀11-3进入引射器13-1，与来自一级气液分离器12-1的回油汇合后分别进入一级压缩机1-1，来自二次油分离器3-1的回油经过一级油路平衡阀14-1分别进入一级压缩机1-1，以此完成一级回油过程。
4)二级回油过程
在此过程中，通过二级引射器13-2用来促进系统回油。例如，当回油量过少时，二级电磁阀11-2开启，来自二级一次油分离器2-2的汇合后的部分高压气态工质，通过二级电磁阀11-2进入二级引射器13-2，与来自二级气液分离器12-2的回油汇合后，分别进入二级压缩机1-2。另一方面，来自二级二次油分离器3-2的回油，经过二级油路平衡阀14-2分别进入二级压缩机1-2，以此完成二级回油过程。
5)用户侧供热过程
在此过程中，热用户的回水进入集水器5-2后，经由供热循环泵7-3、单向阀后，分别进入二级冷凝器4-2进行吸热过程，汇合后再分别进入一级冷凝器4-1再次进行吸热过程，汇总后经由分水器5-1流向热用户，以此完成用户侧供热过程。
其中，补水单元视水位而启动。例如，当系统水位低于设定值，补水泵开启，自来水经由球阀进入补水箱后，经由球阀、补水泵、补水单向阀和球阀进入集水器5-2；当系统水位大于等于设定值，补水泵关闭。
6)二级取热融霜过程
在融霜工况时，依次对每组二级乏风取热器9-2进行轮动融霜。例如，当对第一组二级乏风取热器9-2进行融霜时，第一组融霜支管路上的融霜电磁阀11-4开启，其它融霜支管路上的融霜电磁阀11-4关闭。分水器5-1中的部分高温水经由融霜电磁阀11-4进入二级乏风取热器9-2中，进行放热融霜后进入集水器5-2，与热用户回水混合，以此完成第一组二级乏风取热器的融霜过程，然后依次对第二、三、四组二级乏风取热器9-2进行轮动融霜，融霜过程同上。当然也可以同时对多组二级乏风取热器9-2进行轮动融霜，只需同时开启多路融霜电磁阀11-4，其它融霜电磁阀11-4关闭即可。
7)自清洗过程
在此过程中，依次对每组一级乏风取热器9-1进行轮动清洗。例如，对第一组一级乏风取热器9-1进行清洗时，清洗循环泵7-4开启，第一组清洗电磁阀11-5开启，其它组清洗电磁阀11-5关闭。自来水经由球阀进入水箱16，再经过清洗循环泵7-4、清洗单向阀15-3、球阀、清洗电磁阀11-5进入喷淋头10，对乏风取热器表面进行喷淋清洗，以此完成第一组一级乏风取热器9-1的自清洗过程，然后依次对第二、三、四组一级乏风取热器9-1行轮动自清洗，自清洗过程同上。
本发明的矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统对矿井乏风采用梯级并联取热方式，能源回收利用率进一步提升，可实现余热资源的最大有效利用；本系统采用分级并联蒸发、并联压缩及并联冷凝方式，通过控制压缩机开启台数来调节冷凝温度，大大提高供热系统的能效与适用性；本系统单独配置二级乏风取热器融霜管路，通过对乏风取热器进行分组轮动融霜，进一步提升系统蒸发侧的换热效率；本系统冷凝换热水系统采用两级串联方式，可增大用户侧供回水的温差和降低管道施工量，此外可提升供热系统整体能效；本系统还通过增设翅片自清洗系统，以适应矿井乏风高粉尘的恶劣工况。
进一步，本发明的矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统主液路配置变频工质配液泵，其运行情况由储液罐的液位来控制，可降低输液损失，使蒸发温度更均匀，提高系统的取热效率；同时为保证整个系统的回油量，首先每台压缩机均配置一次油分离器，其次两级压缩系统各配置二次油分离器，其中二次油分离器的标高大于压缩机的标高，而且增设引射器和油路平衡阀，进一步保证系统的回油顺畅和平衡，以保证整个系统的平稳运行。
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 (9)

1.一种矿用并联压缩式梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：包括一级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、二级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元、一级回油单元、二级回油单元、用户侧供热水单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元；
所述一级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的一级压缩机(1-1)、一级一次油分离器(2-1)以及一级单向阀(15-1)、一级二次油分离器(3-1)、至少两组并联设置的一级冷凝器(4-1)、一级储液器(6-1)、一级变频工质配液泵(7-1)、至少两组并联设置的一级热力膨胀阀(8-1)与一级乏风取热器(9-1)、一级气液分离器(12-1)；
所述二级直蒸取热并联压缩冷凝循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的二级压缩机(1-2)、二级一次油分离器(2-2)以及二级单向阀(15-2)、二级二次油分离器(3-2)、至少两组并联设置的二级冷凝器(4-2)、二级储液器(6-2)、二级变频工质配液泵(7-2)、至少两组并联设置的电磁阀(11-1)、二级热力膨胀阀(8-2)与二级乏风取热器(9-2)、二级气液分离器(12-2)；
所述一级回油单元包括设置在所述一级气液分离器(12-1)与一级压缩机(1-1)之间的一级引射器(13-1)、设置在所述一级二次油分离器(3-1)与一级压缩机(1-1)之间的一级油路平衡阀(14-1)以及设置在所述一级一次油分离器(2-1)与一级引射器(13-1)之间的一级电磁阀(11-3)；
所述二级回油单元包括设置在所述二级气液分离器(12-2)与二级压缩机(1-2)之间的二级引射器(13-2)、设置在所述二级二次油分离器(3-2)与二级压缩机(1-2)之间的二级油路平衡阀(14-2)以及设置在所述二级一次油分离器(2-2)与二级引射器(13-2)之间的二级电磁阀(11-2)；
所述用户侧供热水单元包括依次管路连接的集水器(5-2)、供热循环泵(7-3)、单向阀以及依次与所述一级冷凝器(4-1)和二级冷凝器(4-2)相连接的分水器(5-1)；
所述二级取热融霜单元包括与所述分水器(5-1)和集水器(5-2)相连通的融霜管路，所述融霜管路中并联设有融霜支管路，所述融霜支管路设置在每组二级乏风取热器(9-2)内，所述融霜支管路上设有融霜电磁阀(11-4)；
所述自清洗单元包括依次管路连接的水箱(16)、清洗循环泵(7-4)、清洗单向阀(15-3)、喷淋头(10)以及设置在所述喷淋头(10)进水侧上的清洗电磁阀(11-5)，所述喷淋头(10)并联设置在每组一级乏风取热器(9-1)的进风侧。
2.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：矿井乏风依次经过一级乏风取热器(9-1)、二级乏风取热器(9-2)。
3.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：所述用户侧供热水系统单元还包括设置在所述供热循环泵(7-3)进水侧上的补水单元，所述补水单元包括与补水源依次相连的补水箱、补水循环泵、补水单向阀。
4.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：所述一级变频工质配液泵(7-1)的运行状态根据一级储液器(6-1)的液位进行控制；所述二级变频工质配液泵(7-2)的运行状态根据二级储液器(6-2)的液位进行控制。
5.根据权利要求4所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：当所述一级储液罐(6-1)的液位到达高位H1时，所述一级变频工质循环泵(7-1)进行高频运行；当所述一级储液罐(6-1)的液位到达低位H2时，所述一级变频工质循环泵(7-1)进行低频运行；当所述二级储液罐(6-2)的液位到达高位H1时，所述二级变频工质循环泵(7-2)进行高频运行；当所述二级储液罐(6-2)的液位到达低位H2时，所述二级变频工质循环泵(7-2)进行低频运行。
6.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：在融霜工况时，所述二级取热融霜单元轮流对一组或多组二级乏风取热器(9-2)进行轮动融霜。
7.根据权利要求6所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：所述二级取热融霜单元通过控制每一融霜支管路上融霜电磁阀(11-4)的开闭进行轮动融霜。
8.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：在自清洗时，所述自清洗单元依次对一组或多组一级乏风取热器(9-1)进行轮动清洗。
9.根据权利要求8所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：所述自清洗单元通过控制每一清洗电磁阀(11-5)的开闭进行轮动清洗。
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