CN111678356A - 一种能源塔及其热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热设备领域，尤其涉及一种能源塔及其热泵系统，所述塔体内部设有用于封闭输送制冷剂的换热组件，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热组件上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器，以及设置在换热组件下方用于承接相变介质的储液池；所述换热组件包括集气管、集液管以及若干个设置在两者之间并等距离间隔阵列布置的换热板，所述储液池与喷淋器通过管路相通，所述管路上至少设置一位于塔体内的预冷换热器，喷淋器喷出的相变介质在换热板表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热板内部的制冷剂进行热交换；提升换热效果。

Description

一种能源塔及其热泵系统

技术领域

本发明涉及换热设备领域，尤其涉及一种能源塔及其热泵系统。

背景技术

当前我国建筑用能量十分巨大，目前建筑能耗占我国全社会终端能耗的比例约为27.5％。且随着城镇化的发展，建筑能耗将快速增加，城市化的发展给我国建筑用能的能源供应造成了较大压力。空调耗能占建筑能耗的30％左右，提高空调系统的效率对于节能减排具有重大意义。

在我国夏热冬冷地区，由于冬季该区域没有集中供暖，建筑大多采用电或带辅热的空气源热泵以及燃油、燃气锅炉等方式供暖，存在高品位能源消耗较大、一次能源利用率低、存在污染等问题。同时，由于夏热冬冷地区冬季室外空气“低温高湿”的特点，使得目前在此区域内使用较多的空气源热泵系统室外换热器难以维持在干工况运行，空气里的水蒸气凝结在翅片表面，发生结霜后系统各项性能系数大大降低，甚至不能工作。针对此地区气候特点，结合空气源热泵及水冷机组用冷却塔的优点，为解决室外换热器结霜问题，同时利用冬季湿空气显热及水蒸气相变潜热，开发发展出了一种热源塔热泵的新型热泵系统。热源塔在夏季用作冷却塔向环境排放热量，冬季用作热源塔利用低温防冻溶液吸取空气中的热量。该设备具有冬夏季双高效的特点，一塔两用提高了设备利用率，既节能又环保。

热源塔热泵解决了传统水冷冷水机组加锅炉系统中冷却塔冬季闲置和锅炉污染的缺点，也避免了像空气源热泵的结霜问题，其造价及维护费用远低于水地源热泵系统。但是由于冬夏季运行工况的不同，夏季热源塔的散热主要靠潜热，而冬季热源塔换热量中显热占比很大，潜热占比很小，冬季热源塔的换热效率低于夏季，所以一般都按照冬季工况来设计热源塔，导致设计出的热源塔体积较大。热源塔较大的体积会增加热源塔的造价，而且容易出现场地受限的问题。同时，在不同的室外条件下建筑负荷不同，目前热源塔热泵主要用于长江中下游地区，在冬季气温更低的地区，热源塔的优势并不明显。这是因为建筑负荷和热源塔取热量是相互矛盾的，室外气温低的时建筑热负荷很大，但此时热源塔从室外空气中取热已经变得很困难。在这种工况下要从室外环境中取得更多的热量就必须要降低热源塔中循环溶液的温度，增大温差以吸取更多热量。随着溶液温度的降低，将会导致蒸发温度下降和系统能效的降低。因此热源塔对冬季室外环境温度有一定的限制，环境温度过低时同样体积的热源塔取热量将会衰减，很有可能满足不了建筑所需热量。所以目前热源塔的适用地区主要为长江中下游地区，在较为寒冷的地区热源塔使用受限。

因此，如何提高热源塔在低环境温度下的取热量和降低热源塔的体积，提高热源塔的适用范围和效率，解决热源塔的占地面积大问题成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

如申请人之前申请的公开号为“CN110360852A”的中国发明专利中记载一种相变能源塔及其换热方法，包括塔体；所述塔体内部设有用于封闭输送制冷剂的换热管，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热管上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器，以及设置在换热管下方用于承接相变介质的储液池；所述储液池与喷淋器通过管路相通，喷淋器喷出的相变介质在换气管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换气管内部的制冷剂进行热交换。该相变能源塔在封闭式能源塔中采用相变热换方案，提升换热效果，降低系统运行成本；在实践中确实起到一定的效果，但没用完全将换热效果达到最大化，因此，在该申请方案中的基础上，如何进一步提升能源塔的换热效率是值得考虑的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种进一步提升换热效率的高效能源塔及其换热方法。

为达上述目的，本发明的主要技术解决手段是一种能源塔，包括塔体，所述塔体内部设有用于输送制冷剂的换热组件，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热组件上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器，以及设置在换热组件下方用于承接相变介质的储液池；所述换热组件包括集气管、集液管以及若干个设置在两者之间的换热板,所述换热板包括至少两块换热板板体，相邻两块换热板板体之间形成换热腔，换热板设有进口和出口并分别与集气管、集液管相连接，所述储液池与喷淋器通过管路相通，所述管路上至少设置一位于塔体内的预冷换热器，喷淋器喷出的相变介质在换热板表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热板内部的制冷剂进行热交换。

采用上述方案，其换热板采用板片结构，与盘管结构对比而言，其与相变介质的接触面积增大，喷淋器喷出的相变介质喷射到换热板上时，在换热板上的停留时间会更长，形成的水膜或薄冰面积更大，进而提出换热的效率。

在一些实例中，每个所述换热板朝向喷淋器的一端上设置有一用于承接相变介质并将相变介质均匀渗透到换热板两面的集液槽；所述集液槽的底部设有孔。

在一些实例中，所述两个换热板之间的间隙中设置有一用于增大换热面积的第一填料。

在一些实例中，所述塔体的下端部上设有进风口，塔体的顶部设有出风口，塔体内设有促进气流由进风口至出风口的风机，该技术方案中，换热管内部的制冷剂能够与塔体内部的空气进行热交换(可单独使用空气换热，此时不开启喷淋系统)，而上述进风口、出风口和风机的设置能够促进内部空气流通，提升换热效率。

在一些实例中，所述换热组件下方与进风口之间的塔体内部设有第二填料，所述填料能够使空气与相变介质二次换热，所述预冷换热器位于第二填料与进风口之间；所述风机处于塔体的进风口上，风机与换热板组件之间的塔体内部设有除沫器，在上述方案的基础上，第二填料处于换热管下方，有利于促进空气与溶液二次换热，热交换充分。

在一些实例中，所述塔体内至少设有用于测量盘管表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口空气温度的第三温度传感器。

在一些实例中，所述储液池内设有辅热装置，用以在环境温度特别低时辅助加热。

还提供了一种具有能源塔的热泵系统，包括能源塔以及制冷剂循环封闭回路，所述换热组件连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器，制冷剂在所述换热器内与所述能源塔的换热管内的换热方向相反。

在一些实例中，所述集液管为进出液端，集气管为进出气端；制冷剂循环封闭回路还包括压缩机、节流装置和油分离器，所述压缩机、油分离器、集气管、集液管、节流装置、换热器的进液端、换热器的进出气端、压缩机之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机、油分离器、换热器的进出气端、换热器的出液端、节流装置、集液管、集气管、压缩机之间依次连接构成第二换热回路。

本发明由于采用了以上的技术方案，该能源塔存在如下优点：

1.采用板片式，通道内结构增加制冷剂扰动，换热效率高，减少制冷剂充注量。

2.填料位于板间和进风腔，既增加了换热面积，同时不增加蒸发冷高度，整体尺寸更紧凑。

3.每个换热板顶部增加集水槽，通过集水槽分配上部喷淋水，保证换热板两面都能均匀布满水膜，没有干点。

4.填料位于换热板组件下方，空气与水溶液二次换热，热交换充分。

5.采用闭式逆流结构，换热效率更高。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图，

图2是图1实施例的夏季热泵系统流向的结构示意图，

图3是图1实施例的冬季热泵系统流向的结构示意图，

图4是图1实施例的换热板的结构示意图，

图中：塔体1、换热板2、第一填料3、集液槽4、集气管5、集液管6、预冷换热器7、进风格栅8、第二填料9、液位计10、辅热装置11、储液池12、溶液泵13、补液通道14、除沫器16、喷淋器17、风机18、出风口19、换热器21、压缩机22、节流装置23、油分离器 24、四通阀25、储液罐26、单向阀27、流道28、隔筋29、进口30、出口31。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

实施例一：

如图1所示的一种能源塔，该技术方案的设计思路和结构与之前申请的公开号为CN110360852A的中国发明专利所阐述的一种相变能源塔及其换热方法实施方案大体一致，具体可参考该专利申请文件的内容，不同的地方在于，将之前的能源塔中的换热管进行改变，从而进一步提升其换热的效率，具体如下：

所述能源塔包括塔体1，所述塔体1内部设有用于封闭输送制冷剂的换热组件，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热组件上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器17，以及设置在换热组件下方用于承接相变介质的储液池12；所述储液池12与喷淋器17通过管路相通，管路上设有溶液泵13对相变介质由储液池12输送至喷淋器17提供动力，所述管路上至少设置一位于塔体1内的预冷换热器7，储液池12上设有液位计10和补液通道14，在液位计10监测到储液池12内的相变介质低于设定高度时，通过补液通道14补入相变介质，喷淋器17喷出的相变介质在换热板2表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热板2内部的制冷剂进行热交换。另外所述储液池12内设有辅热装置11，用以在环境温度特别低时辅助加热，防止相变介质在储液池12内凝固，储液池12上设有液位计10，液位计16监测到储液池12内的相变介质是否低于设定高度。

值得一提地是，所述换热组件包括集气管5、集液管6以及若干个设置在两者之间的换热板2，所述换热板2包括至少两块换热板2板体组成，相邻两块换热板2板体之间形成换热腔，换热板2设有进口30和出口31并分别与集气管5、集液管6相连接，所述换热板 2相对于之间申请文件提到换热管而言，其换热板2采用板片结构，与盘管结构对比而言，其与相变介质的接触面积增大，喷淋器17喷出的相变介质喷射到换热板2上时，在换热板 2上的停留时间会更长，形成的水膜或薄冰面积更大，进而提出换热的效率，具体而言，在本实施例中，如图4所示，所述换热板2设置有进口30以及出口31，其板体内设置有多个隔筋29，增设隔筋29使得原本只有一个板体空间分隔呈多个板体空间，进而形成一条供气体或液体流动的流道28，为了减缓制冷剂气体的流动速率，以实现更好进行换热效果，本实施例中，隔筋29交错设置再板体内，进而形成一条S型的流道，在其他一些实施例中，其流道也可以为其他形状。

此外，为了能让喷出的相变介质与换热板2的表面停留和接触的时间更长久，每个所述换热板2朝向喷淋器17的一端上设置有一用于承接相变介质并将相变介质均匀渗透到换热板2两面的集液槽4，集液槽4的底部设置有多个连续的或者不连续的均匀分布的孔，该集液槽4的作用是先承接喷淋器17喷出的相变介质，然后通过集液槽4的底部孔均匀的流向换热板2的两面，并在换热板2的两面形成水膜或薄冰，保证其换热板2无干点，做到做大化的换热效果，这样的设置相比喷淋器17直接喷到换热板2上而言，更好利用相变介质与换热板2的接触面积，换热效果更优化，在本实施例中，所述集液槽4的截面形状呈漏斗结构，在一些实施例中可以为Y型、U型、V型等。

在本技术方案中，由于两两换热板2之间存在均等的间隔空隙，为了更好的利用该空隙，在本实施例中，两两换热板2之间的空隙增设第一填料(3)，既增加了换热面积，同时不增加蒸发冷高度，整体尺寸更紧凑。

所述塔体1的下端部上设有进风口，进风口上设有进风格栅8，塔体1的顶部设有出风口19，塔体1内设有促进气流由进风口至出风口19的风机18。该技术方案中，换热管内部的制冷剂能够与塔体1内部的空气进行热交换，而上述进风口、出风口19和风机18的设置能够促进内部空气流通，提升换热效率。在进一步的优选方案中，所述换热组件下方与进风口之间的塔体1内部设有第二填料9，所述第二填料9能够使空气与相变介质二次换热。所述风机18处于塔体1的进风口上，风机18与换热组件之间的塔体1内部设有除沫器16。在上述方案的基础上，填料处于换热管下方，有利于促进空气与溶液二次换热，热交换充分，所述预冷换热器7位于第二填料9与进风格栅8之间。

上述方案中，所述塔体1内至少设有用于测量换热板2表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池12内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口空气温度的第三温度传感器。上述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器所提供的检测数据是对于本方案的热源塔运行监控，即通过检测相变介质温度，换热器21盘管温度和进风温度，判断环境温度作及使用负荷。换热管内部的制冷剂与塔体1内部空气换热，以及喷淋器17的相变介质换热可根据环境温度作及使用负荷做出不同模式的调整，具体模式细节可参照申请人在公开号为CN110360852A的中国发明专利名称为一种相变能源塔实施方案的阐述，在这就不再过多赘述。

上述方案中，所述喷淋器17喷出的相变介质在换气管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换气管内部的制冷剂进行热交换。本方案所采用的相变介质可以是醇类溶液如乙二醇或丙二醇或盐类溶液如氯化钠混合溶液，该溶液的浓度可根据最低运行环境温度进行调配以改变冰点，从而适用于能源塔所在地区的自然环境。

综合上述所有结构，该能源塔存在如下优点：

1.采用板片式，通道内结构增加制冷剂扰动，换热效率高，减少制冷剂充注量。

2.填料位于板间和进风腔，既增加了换热面积，同时不增加蒸发冷高度，整体尺寸更紧凑。

3.每个换热板2顶部增加集水槽，通过集水槽分配上部喷淋水，保证换热板2两面都能均匀布满水膜，没有干点。

4.填料位于换热板2组件下方，空气与水溶液二次换热，热交换充分。

5.采用闭式逆流结构，换热效率更高。

此外，该能源塔具体换热过程如下：

储液池12中的水被溶液泵13打到喷淋器17，并经过预冷换热器7，喷淋器17将水均匀喷洒到换热板2组件上部的集液槽4和第一填料3上，集液槽4中的水会均匀地分配到换热板 2上形成水膜，与空气传热传质后，水会落到进第二填料9中再次与空气换热后，最后落入储液池12，完成一个水路循环；

空气经过进风格栅8，与预冷换热器7中的水换热后进入第二填料9中与水进行传热传质换热后，进入换热板2组件和第一填料3，并与换热板2组件和第一填料3中的水再次进行传热传质换热，然后通过除沫器16，最后被风机18排出蒸发冷，完成一个空气侧循环；

气态制冷剂通过集气管5进入换热板2组件内的通道与板外的水和空气换热，变成液态制冷剂然后通过集液管6排出。

实施例2

本实施例是基于实施例1中的能源塔而采用的热泵系统，因此本实施例采用上述实施例1中的具体能源塔予以实施。具体而言，所述热泵系统包括实施例1所述的能源塔以及制冷剂循环封闭回路，所述换热组件连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器21，制冷剂在所述换热器21内与所述能源塔的换热管内的换热方向相反。

所述集液管6为进出液端，集气管5为进出气端；制冷剂循环封闭回路还包括压缩机22、节流装置23和油分离器24，所述压缩机22、油分离器24、集气管5、集液管6、节流装置23、换热器21的进液端、换热器21的进出气端、压缩机22之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机22、油分离器24、换热器21的进出气端、换热器21的出液端、节流装置23、集液管6、集气管5、压缩机22之间依次连接构成第二换热回路。其具体细节参考申请人之前申请的公开号为CN110360769A的中国发明专利，名称为一种具有相变能源塔的热泵系统及其换热方法。

实施例3

本实施例是基于实施例2中的具有能源塔的热泵系统而采用的换热方法，因此本实施例采用上述实施例2中的热泵系统予以实施。具体细节可参照申请人在公开号为CN110360852A的中国发明专利名称为一种相变能源塔及其换热方法实施方案的阐述，在这就不再过多赘述。

夏季模式(如图2所示)：制冷剂气体经压缩机22压缩后进入油分离器24进行油分，流过四通阀25，然后制冷剂气体进入集气管5；喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器17 喷洒到换热板2表面，相变介质在换热板2表面形成水膜，并通过部分蒸发的方法吸收热量，换集气管5内部的制冷剂释放热量而液化；液化的制冷剂经节流装置节流后进入换热器21 蒸发成气体，然后流向压缩机22，完成第一回路循环；

冬季模式(如图3所示)：制冷剂气体经压缩机22压缩后进入油分离器24进行油分，然后进入换热板2内冷凝呈液体，制冷剂液体经节流装置23被节流后，流经单向阀27以及储液罐26，进入集液管6，制冷剂液体温度低于相变介质的凝固温度；所述喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器17喷洒到换热板2表面，相变介质在所述换热板2表面形成薄冰，并通过部分冷凝的方式释放热量，换气板2内部的制冷剂吸收热量而气化，最后经由集气管5排出；制冷剂气体排出后流向压缩机22，完成第二回路循环。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。

本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种能源塔，包括塔体（1），其特征在于，所述塔体（1）内部设有用于输送制冷剂的换热组件，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热组件上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器（17），以及设置在换热组件下方用于承接相变介质的储液池（12）；所述换热组件包括集气管（5）、集液管（6）以及若干个设置在两者之间的换热板（2）,所述换热板包括至少两块换热板（2）板体，相邻两块换热板（2）板体之间形成换热腔，换热板（2）设有进口（30）和出口（31）并分别与集气管（5）、集液管（6）相连接；所述储液池（12）与喷淋器（17）通过管路相通，喷淋器（17）喷出的相变介质在换热板（2）表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热板（2）内部的制冷剂进行热交换。

2.根据权利要求1所述的能源塔，其特征在于，每个所述换热板（2）朝向喷淋器（17）的一端上设置有一用于承接相变介质并将相变介质均匀渗透到换热板（2）两面的集液槽（4）；所述集液槽（4）的底部设有孔。

3.根据权利要求1所述的能源塔，其特征在于，所述换热板之间空隙设置有一用于增大换热面积的第一填料（3）。

4.根据权利要求1所述的能源塔，其特征在于，所述塔体（1）的下端部上设有进风口，塔体（1）的顶部设有出风口（19），塔体（1）内设有促进气流由进风口至出风口（19）的风机（18）。

5.根据权利要求4所述的能源塔，其特征在于，所述管路上至少设置一位于塔体（1）内的预冷换热器（7），所述预冷换热器（7）位于进风口处。

6.根据权利要求4所述的能源塔，其特征在于，所述换热板（2）组件下方与进风口之间的塔体（1）内部设有第二填料（9），所述第二填料（9）能够使空气与相变介质二次换热，所述风机（18）处于塔体（1）的进风口上，风机（18）与换热板（2）组件之间的塔体（1）内部设有除沫器（16）。

7.根据权利要求1所述的能源塔，其特征在于，所述塔体（1）内至少设有用于测量盘管表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池（12）内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口空气温度的第三温度传感器。

8.根据权利要求1所述的能源塔，其特征在于，所述储液池（12）内设有辅热装置（11），用以在环境温度特别低时辅助加热。

9.一种具有能源塔的热泵系统，其特征在于，包括权利要求1至权利要求8任一一项的能源塔以及制冷剂循环封闭回路，所述换热组件连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器（21），制冷剂在所述换热器（21）内与所述能源塔的换热管内的换热方向相反。

10.根据权利要求9所述的具有能源塔的热泵系统，其特征在于，所述集液管（6）为进出液端，集气管（5）为进出气端；制冷剂循环封闭回路还包括压缩机（22）、节流装置（23）和油分离器（24），所述压缩机（22）、油分离器（24）、集气管（5）、集液管（6）、节流装置（23）、换热器（21）的进液端、换热器（21）的进出气端、压缩机（22）之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机（22）、油分离器（24）、换热器（21）的进出气端、换热器（21）的出液端、节流装置（23）、集液管（6）、集气管（5）、压缩机（22）之间依次连接构成第二换热回路。

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