CN112094031A - 一种热回收型高效率热泵系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热回收型高效率热泵系统及其控制方法，包括加热干化单元和冷凝除湿单元；加热干化单元包括热泵机组、步进电机、双螺旋推进器、夹套式搅拌干燥罐及热水循环泵；冷凝除湿单元包括热泵机组、冷水循环泵、壳管式冷凝器、排水泵及水箱；热泵机组、夹套式搅拌干燥罐及热水循环泵通过热水管路依次连接形成热水循环回路；热泵机组、冷水循环泵及壳管式冷凝器通过冷水管路依次连接形成冷水循环回路；夹套式搅拌干燥罐通过管路分别与真空泵、壳管式冷凝器相连接。本发明既可解决污泥真空干化过程有限接触面积引起的传热性能不佳问题，又可有效提高热泵系统运行效率及运行安全性。
Description
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，具体涉及一种热回收型高效率热泵系统及其控制方法。
背景技术
污泥干化作为污泥处理的最终环节，其在污泥的处理处置过程中具有至关重要的作用。目前常规的污泥干化手段有蒸汽干化、热泵热风式污泥干化。与传统蒸汽干化相比，热泵热风式污泥干化具有能耗低、干燥效果好的优势，其通过热对流方式实现污泥的干化减量，在近年来得到越来越广泛的应用。但常规热泵热风式干化的温度较高，挥发的可燃性有机气体与在污泥干化过程中产生的粉尘及作为对流换热介质的空气混合后，极易形成危险性极高的易燃易爆粉尘气体，存在严重的安全隐患。
相对于热泵热风式污泥干化，真空干化温度大幅度降低，挥发性气体挥发量大幅减少，同时干化过程中无助燃剂空气，安全隐患显著降低。然而，基于真空干化原理对污泥进行干燥时，随着污泥的干化失水，污泥内部呈现多孔特性，加热面与污泥表面的接触面积逐渐减小，接触传热热阻逐渐增大，传热性能恶化，导致干燥效果不佳。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种热回收型高效率热泵系统及其控制方法，该系统采用由步进电机驱动的双螺旋推进器进行污泥搅拌，解决了污泥真空干化过程有限接触面积引起的传热性能不佳问题，同时通过蒸汽真空高效冷凝及水蒸气潜热回收利用，实现了热量双向循环利用，有效提高了系统运行效率及运行安全性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种热回收型高效率热泵系统，包括加热干化单元和冷凝除湿单元；加热干化单元包括热泵机组、步进电机、双螺旋推进器、夹套式搅拌干燥罐和热水循环泵；冷凝除湿单元包括热泵机组、冷水循环泵、壳管式冷凝器、排水泵和水箱；
双螺旋推进器设置在夹套式搅拌干燥罐内部，并由通过设置在夹套式搅拌干燥罐外部的步进电机驱动；
热泵机组高压侧、夹套式搅拌干燥罐的夹套、热水循环泵通过热水管路依次连接形成热水循环回路；热泵机组低压侧、冷水循环泵、壳管式冷凝器的管体通过冷水管路依次连接形成冷水循环回路；
夹套式搅拌干燥罐的蒸汽出口分为两路，一路通过第一阀门与真空泵相连接，另一路依次通过第二阀门、壳管式冷凝器的壳体、第三阀门、排水泵后与排水箱连接。
优选的，所述夹套式搅拌干燥罐的夹套内放置热水，夹套底面设置热水进口，夹套顶面设置热水出口；所述夹套式搅拌干燥罐内的上部区域设置所述蒸汽出口；所述壳管式冷凝器的壳体上表面设置蒸汽进口，所述壳管式冷凝器的壳体下表面设置冷凝水出口。
优选的，所述双螺旋推进器的两套螺旋采用不等距设计。
优选的，所述热泵系统通过切换阀门、循环泵、真空泵、排水泵、步进电机及热泵机组可获取加料模式、真空抽气模式、干化模式三种运行模式。
一种热回收型高效率热泵系统的控制方法，基于上述的热回收型高效率热泵系统实现，包括加料模式、真空抽气模式、干化模式三种运行模式；
加料模式：关闭热泵机组、步进电机、热水循环泵、真空泵、冷水循环泵、排水泵、第一阀门、第二阀门及第三阀门，往夹套式搅拌干燥罐内加入湿污泥，完成系统的加料；
真空抽气模式：开启步进电机、真空泵及第一阀门，关闭热泵机组、热水循环泵、冷水循环泵、排水泵、第二阀门及第三阀门，当夹套式搅拌干燥罐内达到一定的真空度时，关闭步进电机、真空泵及第一阀门，完成系统的真空抽气；
干化模式：开启热泵机组、步进电机、热水循环泵、冷水循环泵、排水泵、第二阀门及第三阀门，关闭真空泵及第一阀门；热泵机组制取的热水在热水循环泵的作用下进入夹套式搅拌干燥罐的夹套内，与夹套式搅拌干燥罐内的湿污泥进行热交换形成低温热水，经热水循环泵进入热泵机组进行升温；热泵机组制取的冷水流经冷水循环泵，进入壳管式冷凝器，与夹套式搅拌干燥罐内产生的蒸汽进行热交换形成高温冷水，高温冷水在冷水循环泵的作用下进入热泵机组进行降温；夹套式搅拌干燥罐内的湿污泥在双螺旋推进器的搅拌作用下与热水进行热交换，湿污泥吸收热量形成干污泥，湿污泥干化过程当中形成的蒸汽流经第二阀门进入壳管式冷凝器，蒸汽与热泵机组制取的冷水进行热交换冷凝成水，形成的冷凝水在排水泵的作用下进入排水箱，完成污泥的干化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用由步进电机驱动的双螺旋推进器进行污泥搅拌，两套螺旋采用不等距设计，有效避免了污泥在夹套式搅拌干燥罐内的粘结现象，解决了污泥真空干化过程有限接触面积引起的传热性能不佳问题。
2、本发明污泥干化过程产生的蒸汽在排水泵的作用下与热泵机组制取的冷水进行热交换，通过相变冷凝形成冷凝水，无需运行真空泵，实现了蒸汽高效真空冷凝，同时大幅度降低了夹套式搅拌干燥罐内的加热温度及热泵机组高压侧的冷凝温度，热泵机组低冷凝压力运行，有效提高了热泵系统运行效率及运行安全性。
3、本发明热泵机组低压侧回收利用水蒸气潜热，大幅度升高热泵机组低压侧的蒸发温度，有效提高了热泵机组运行效率，热泵系统能耗得到显著降低。
附图说明
图1为本发明的热回收型高效率热泵系统的示意图；
图2为本发明的热回收型高效率热泵系统在不同模式下热泵机组、步进电机、热水循环泵、真空泵、冷水循环泵、排水泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门的运行状态图。
附图标记说明：1-热泵机组；2-步进电机；3-双螺旋推进器；4-夹套式搅拌干燥罐；5-热水循环泵；6-第一阀门；7-真空泵；8-冷水循环泵；9-壳管式冷凝器；10-第二阀门；11-第三阀门；12-排水泵；13-水箱；A-热水管路；B-蒸汽管路；C-冷水管路；D-抽气管路；E-排水管路；a-热水进口；b-热水出口；c-蒸汽出口；d-蒸汽进口；e-冷凝水出口。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含包括一个或者更多个该特征。
如图1所示，本实施例的一种热回收型高效率热泵系统，主要由加热干化单元和冷凝除湿单元组成。
加热干化单元主要由热泵机组1、步进电机2、双螺旋推进器3、夹套式搅拌干燥罐4及热水循环泵5组成。冷凝除湿单元主要由热泵机组1、冷水循环泵8、壳管式冷凝器9、排水泵12及水箱13组成。
夹套式搅拌干燥罐4的夹套内放置热水，夹套底面设置热水进口a，夹套顶面设置热水出口b，夹套式搅拌干燥罐4内的上部区域设置蒸汽出口c。壳管式冷凝器9的壳体上表面设置蒸汽进口d，壳管式冷凝器9的壳体下表面设置冷凝水出口e。
热泵机组1高压侧、夹套式搅拌干燥罐4的夹套、热水循环泵5通过热水管路A依次连接形成热水循环回路。热泵机组1低压侧、冷水循环泵8、壳管式冷凝器9的管体通过冷水管路C依次连接形成冷水循环回路。
夹套式搅拌干燥罐4蒸汽出口c的管路分为两条支路，一条支路通过管路与真空泵7相连接，支路上设置第一阀门6；另一条支路通过管路与壳管式冷凝器9壳体上表面的蒸汽进口d相连接，支路上设置第二阀门10。
壳管式冷凝器9壳体下表面的冷凝水出口e通过排水管路E与第三阀门11相连接，第三阀门11通过排水管路E与排水泵12连接，排水泵12通过排水管路E与排水箱13连接。
双螺旋推进器3设置在夹套式搅拌干燥罐4，并由设置在夹套式搅拌干燥罐4外部的步进电机2驱动，优选的，双螺旋推进器3的两套螺旋采用不等距设计。
如图2所示，本发明的热回收型高效率热泵系统，通过切换热泵机组1、步进电机2、热水循环泵5、真空泵7、冷水循环泵8、排水泵12、第一阀门6、第二阀门10及第三阀门11可获取加料模式、真空抽气模式、干化模式三种运行模式。
加料模式：关闭热泵机组1、步进电机2、热水循环泵5、真空泵7、冷水循环泵8、排水泵12、第一阀门6、第二阀门10及第三阀门11，往夹套式搅拌干燥罐4内加入湿污泥，如此完成系统的加料。
真空抽气模式：开启步进电机2、真空泵7及第一阀门6，关闭热泵机组1、热水循环泵5、冷水循环泵8、排水泵12、第二阀门10及第三阀门11，当夹套式搅拌干燥罐4内达到一定的真空度时，关闭步进电机2、真空泵7及第一阀门6，如此完成系统的真空抽气。
干化模式：开启热泵机组1、步进电机2、热水循环泵5、冷水循环泵8、排水泵12、第二阀门10及第三阀门11，关闭真空泵7及第一阀门6。热泵机组1制取的热水在热水循环泵5的作用下于热水进口a进入夹套式搅拌干燥罐4的夹套，与罐内的湿污泥进行热交换形成低温热水，低温热水于热水出口b流出，流经热水循环泵5进入热泵机组1进行升温。热泵机组1制取的冷水流经冷水循环泵8，进入壳管式冷凝器9，与夹套式搅拌干燥罐4内产生的蒸汽进行热交换形成高温冷水，高温冷水在冷水循环泵8的作用下进入热泵机组1进行降温。夹套式搅拌干燥罐4内的湿污泥在双螺旋推进器3的搅拌作用下与热水进行热交换，湿污泥吸收热量形成干污泥，湿污泥干化过程当中形成的蒸汽于蒸汽出口c流出，通过管路流经第二阀门10，从蒸汽进口d进入壳管式冷凝器9，蒸汽与热泵机组1制取的冷水进行热交换冷凝成水，形成的冷凝水在排水泵12的作用下通过排水管路E进入排水箱13，如此完成污泥的干化。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种热回收型高效率热泵系统，其特征在于：包括加热干化单元和冷凝除湿单元；加热干化单元包括热泵机组、步进电机、双螺旋推进器、夹套式搅拌干燥罐和热水循环泵；冷凝除湿单元包括热泵机组、冷水循环泵、壳管式冷凝器、排水泵和水箱；
双螺旋推进器设置在夹套式搅拌干燥罐内部，并由通过设置在夹套式搅拌干燥罐外部的步进电机驱动；
热泵机组高压侧、夹套式搅拌干燥罐的夹套、热水循环泵通过热水管路依次连接形成热水循环回路；热泵机组低压侧、冷水循环泵、壳管式冷凝器的管体通过冷水管路依次连接形成冷水循环回路；
夹套式搅拌干燥罐的蒸汽出口分为两路，一路通过第一阀门与真空泵相连接，另一路依次通过第二阀门、壳管式冷凝器的壳体、第三阀门、排水泵后与排水箱连接。
2.根据权利要求1所述的一种热回收型高效率热泵系统，其特征在于：所述夹套式搅拌干燥罐的夹套内放置热水，夹套底面设置热水进口，夹套顶面设置热水出口；所述夹套式搅拌干燥罐内的上部区域设置所述蒸汽出口；所述壳管式冷凝器的壳体上表面设置蒸汽进口，所述壳管式冷凝器的壳体下表面设置冷凝水出口。
3.根据权利要求1所述的一种热回收型高效率热泵系统，其特征在于：所述双螺旋推进器的两套螺旋采用不等距设计。
4.根据权利要求3所述的一种热回收型高效率热泵系统，其特征在于：所述热泵系统通过切换阀门、循环泵、真空泵、排水泵、步进电机及热泵机组可获取加料模式、真空抽气模式、干化模式三种运行模式。
5.一种热回收型高效率热泵系统的控制方法，基于权利要求1-4任一所述的热回收型高效率热泵系统实现，其特征在于：包括加料模式、真空抽气模式、干化模式三种运行模式；
加料模式：关闭热泵机组、步进电机、热水循环泵、真空泵、冷水循环泵、排水泵、第一阀门、第二阀门及第三阀门，往夹套式搅拌干燥罐内加入湿污泥，完成系统的加料；
真空抽气模式：开启步进电机、真空泵及第一阀门，关闭热泵机组、热水循环泵、冷水循环泵、排水泵、第二阀门及第三阀门，当夹套式搅拌干燥罐内达到一定的真空度时，关闭步进电机、真空泵及第一阀门，完成系统的真空抽气；
干化模式：开启热泵机组、步进电机、热水循环泵、冷水循环泵、排水泵、第二阀门及第三阀门，关闭真空泵及第一阀门；
热泵机组制取的热水在热水循环泵的作用下进入夹套式搅拌干燥罐的夹套内，与夹套式搅拌干燥罐内的湿污泥进行热交换形成低温热水，经热水循环泵进入热泵机组进行升温；热泵机组制取的冷水流经冷水循环泵，进入壳管式冷凝器，与夹套式搅拌干燥罐内产生的蒸汽进行热交换形成高温冷水，高温冷水在冷水循环泵的作用下进入热泵机组进行降温；夹套式搅拌干燥罐内的湿污泥在双螺旋推进器的搅拌作用下与热水进行热交换，湿污泥吸收热量形成干污泥，湿污泥干化过程当中形成的蒸汽流经第二阀门进入壳管式冷凝器，蒸汽与热泵机组制取的冷水进行热交换冷凝成水，形成的冷凝水在排水泵的作用下进入排水箱，完成污泥的干化。
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