CN112240645B - 一种污水余热回收系统及其控制方法 - Google Patents

一种污水余热回收系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种污水余热回收系统及其控制方法。所述污水余热回收系统，包括：控制器、变频压缩机、冷凝器和蒸发器；蒸发器的第一入口与污水干渠的出口连通；蒸发器的第一出口与污水干渠的入口连通；蒸发器的第二出口与变频压缩机的入口连通；变频压缩机的出口与冷凝器的第一入口连通；蒸发器的第二入口与冷凝器的第一出口连通；冷凝器的第二出口与生活用水水箱的入口连通；所述控制器与所述变频压缩机连接；生活用水水箱的出口与冷凝器的第二入口连通。本发明通过设定变频压缩机、冷凝器和蒸发器之间的关系，通过控制变频压缩机的频率实现对水箱温度的节能控制，提高系统效率。

Description

一种污水余热回收系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及污水余热回收技术领域，特别是涉及一种污水余热回收系统及其控制方法。
背景技术
污水余热回收系统已是一种大众化的通过回收废水余热达到节能的控制设备，但现有关于污水余热回收系统的控制方法多数是改变蒸发器侧污水泵的频率或改变电子膨胀阀开度，导致控制效率比较低，而且在现有污水余热回收系统中，由于冷凝器、蒸发器和变频压缩机之间耦合作用，影响了系统的工作性能，增加了系统的成本、体积和控制复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供一种污水余热回收系统及其控制方法，以通过控制变频压缩机的频率实现对水箱温度的节能控制，提高系统效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种污水余热回收系统，包括：控制器、变频压缩机、冷凝器和蒸发器；
所述蒸发器的第一入口与污水干渠的出口连通；所述蒸发器的第一出口与所述污水干渠的入口连通；所述蒸发器的第二出口与所述变频压缩机的入口连通；所述变频压缩机的出口与所述冷凝器的第一入口连通；所述蒸发器的第二入口与所述冷凝器的第一出口连通；所述冷凝器的第二出口与生活用水水箱的入口连通；所述生活用水水箱的出口与所述冷凝器的第二入口连通；所述控制器与所述变频压缩机连接；所述蒸发器用于将污水的能量传递给所述蒸发器中的冷凝剂，使所述蒸发器中的冷凝剂温度升高得到高能量冷凝剂，所述控制器用于调节所述变频压缩机的频率以控制所述蒸发器向所述冷凝器传输的高能量冷凝剂的流量，所述冷凝器用于将接收到的高能量冷凝剂的热量传递给所述生活用水水箱以改变生活用水的温度。
可选的，所述控制器包括：温度流量模型确定模块，所述温度流量模型确定模块用于确定温度流量模型，所述温度流量模型具体为：
Figure BDA0002739534660000021
可选的，所述污水余热回收系统还包括：污水水箱，所述污水水箱的进水口与所述污水干渠的出口连通，所述污水水箱的出水口与所述蒸发器的第一入口连通。
一种污水余热回收系统控制方法，应用于上述污水余热回收系统，所述控制方法包括：
获取生活用水水箱的实际温度；
计算所述实际温度与所述生活用水水箱的设定温度的温度误差；
根据所述温度误差计算单位时间内的温度误差变化率；
根据所述温度误差变化率和所述温度误差计算变频压缩机的频率，以控制蒸发器向冷凝器传输的高能量冷凝剂的流量。
可选的，所述根据所述温度误差变化率和所述温度误差计算变频压缩机的频率，具体包括：
采用模糊集将所述温度误差变化率和所述温度误差分别转换为语言变量；
依据if-then规则定义的系统行为进行模糊推理，得到所述语言变量的语言值；
通过解模糊化将所述语言值转变为变频压缩机的频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过控制变频压缩机的频率，实现控制蒸发器向冷凝器传输的高能量冷凝剂的流量，控制高能量冷凝剂向生活用水水箱传递的温度，实现对水箱温度的控制，提高系统效率，减少能源损耗，达到节能效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的污水余热回收系统的结构组成示意图；
图2为本发明的实施例提供的污水余热回收系统控制方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的污水余热回收系统的模糊控制器的控制过程示意图。
符号说明：1-热交换回路2-冷凝器3-膨胀阀4-蒸发器5-变频压缩机6-循环水泵7-生活用水水箱8-污水泵9-污水水箱10-防堵塞设备11-污水干渠的入口12-污水干渠的出口。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供了一种污水余热回收系统，如图1所示，所述污水余热回收系统，包括：控制器和构成了热交换回路1的冷凝器2、蒸发器4和变频压缩机5。
所述蒸发器4的第一入口与污水干渠的出口12连通；所述蒸发器4的第一出口与所述污水干渠的入口11连通；所述蒸发器4的第二出口与所述变频压缩机5的入口连通；所述变频压缩机5的出口与所述冷凝器2的第一入口连通；所述蒸发器4的第二入口与所述冷凝器2的第一出口连通；所述冷凝器2的第二出口与生活用水水箱7的入口连通；所述生活用水水箱7的出口与所述冷凝器2的第二入口连通；所述控制器与所述变频压缩机5连接；所述蒸发器4用于将污水的能量传递给所述蒸发器4中的冷凝剂，使所述蒸发器4中的冷凝剂温度升高得到高能量冷凝剂，所述控制器用于调节所述变频压缩机5的频率以控制所述蒸发器4向所述冷凝器2传输的高能量冷凝剂的流量，所述冷凝器2用于将接收到的高能量冷凝剂的热量传递给所述生活用水水箱7以改变生活用水的温度，所述制冷剂可以为R134a制冷剂。
实际应用中，所述控制器包括：温度流量模型确定模块，所述温度流量模型确定模块用于确定温度流量模型，所述温度流量模型具体为：
Figure BDA0002739534660000051
其中，hlro为冷凝器出口制冷剂比焓，hlri为冷凝器入口制冷剂比焓，Tlwi为生活用水出口温度，Tlwo为生活用水进口温度，Qc为冷凝器换热量，cr为制冷剂比热容，mlr为制冷剂质量流量，Mlr为制冷剂总质量，Tc为冷凝温度，Kc为冷凝器传热系数，Fc为冷凝器换热面积，Ke为蒸发器传热系数，Fe为蒸发器换热面积，hzro为蒸发器出口制冷剂比焓，hzri为蒸发器入口制冷剂比焓，Tzwi为污水出口温度，Tzwo为污水进口温度，mzw为污水质量流量，Mzw为污水总质量，Qe为蒸发器换热量，czw为污水比热容，Te为蒸发温度，Mlr为制冷剂总质量，λ为压缩机输气系数，fy为变频压缩机频率，s为转差率，P为极对数，Vcom为变频压缩机的每转容积排量。
所述温度流量模型确定模块包括：冷凝器模型确定单元、蒸发器模型确定单元和压缩机模型确定单元。
所述冷凝器模型确定单元用于确定冷凝器模型，所述冷凝器模型具体为：
Figure BDA0002739534660000052
Figure BDA0002739534660000061
Figure BDA0002739534660000062
其中，hlro为冷凝器出口制冷剂比焓，hlri为冷凝器入口制冷剂比焓，Tlwi为生活用水出口温度，Tlwo为生活用水进口温度，cr为制冷剂比热容，mlr为制冷剂质量流量，Mlr为制冷剂总质量，Qc为冷凝器换热量，Tc为冷凝温度，Kc为冷凝器传热系数，Fc为冷凝器换热面积。
所述蒸发器模型确定单元用于确定蒸发器模型，所述蒸发器模型具体为
Figure BDA0002739534660000063
Figure BDA0002739534660000064
Figure BDA0002739534660000065
其中：hzro为蒸发器出口制冷剂比焓，Qe为蒸发器换热量，mlr为制冷剂质量流量，hzri为蒸发器入口制冷剂比焓，cr为制冷剂比热容，M lr 为制冷剂总质量，Tzwi为污水出口温度，Tzwo为污水进口温度，mzw为污水质量流量，Mzw为污水总质量，Te为蒸发温度，czw为污水比热容，Ke为蒸发器传热系数，Fe为蒸发器换热面积。
所述压缩机模型确定单元用于确定压缩机模型，所述压缩机模型具体为
Figure BDA0002739534660000066
其中：mlr为制冷剂质量流量；λ为压缩机输气系数；fy为变频压缩机5频率；cr为制冷剂比热容；s为转差率；P为极对数；Vcom为变频压缩机5的每转容积排量。
Vcom的计算公式为：
Figure BDA0002739534660000071
其中，i为压缩机气缸数，D为气缸半径，S为活塞行程。
实际应用中，所述污水余热回收系统还包括：膨胀阀3，所述冷凝器2的第一出口与所述蒸发器4的第一入口通过所述膨胀阀3连通。
实际应用中，所述污水余热回收系统还包括：污水泵8，所述蒸发器4的第二入口通过所述污水水泵与所述污水干渠的出口12连通。
实际应用中，所述污水余热回收系统还包括：循环水泵6，所述冷凝器2的第二入口通过所述循环水泵6与所述生活用水水箱7的出口连通。
实际应用中，所述污水余热回收系统还包括：防堵塞设备10，所述蒸发器4的第二入口通过防堵塞设备10与所述污水干渠的出口12连通。
实际应用中，所述污水余热回收系统还包括：污水水箱9，所述污水水箱9的进水口与所述污水干渠的出口12连通，所述污水水箱9的出水口与所述蒸发器4的第一入口连通。
如图2所示，本实施例还提供了所述污水余热回收系统的控制方法，所述控制方法包括：
步骤101：获取生活用水水箱的实际温度。
步骤102：计算所述实际温度与所述生活用水水箱的设定温度的温度误差。
步骤103：根据所述温度误差计算单位时间内的温度误差变化率。
步骤104：根据所述温度误差变化率和所述温度误差计算变频压缩机的频率，以控制蒸发器向冷凝器传输的高能量冷凝剂的流量。
其中，所述根据所述温度误差变化率和所述温度误差计算变频压缩机的频率，具体包括：
采用模糊集将所述温度误差变化率和所述温度误差分别转换为语言变量。
依据if-then规则定义的系统行为进行模糊推理，得到所述语言变量的语言值。
通过解模糊化将所述语言值转变为变频压缩机的频率。
图3为所述模糊控制器的控制过程示意图，参见图3，所述模糊控制器的具体控制过程为：
步骤一：选用水箱设定温度值Ts和实际温度值T的误差e＝Ts-T，同时选用其单位时间内的温度误差变化率ec，二者同时作为该系统模糊控制器的输入变量，分别通过模糊化，使用模糊集将输入信号转换为语言变量。所述模糊化具体体现为为分配模糊输入和输出的值。温度控制器的输入一为水箱期望温度值Ts和实际温度值T的温度误差e，采用七个语言变量来定义温度误差e，从最小到最大分别为：负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，在该系统运行过程中，温度要求保持在设定值[-5,+5]之间，则温度误差e的基本变化范围为[-5,+5]，取量化论域为[-6,+6]，量化因子Ke＝1.2；温度控制器的输入二为温度误差误差变化率ec，通过温度误差e可计算出此值，采用七个语言变量来定义温度误差误差变化率ec，从最小到最大分别为：负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，温度误差变化率ec的基本变化范围为[-2,+2]，取量化论域为[-6,+6]，量化因子Kec＝3；温度控制器的输出为变频压缩机的频率u，采用七个语言变量来定义变频压缩机的频率u，从最小到最大分别为：负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，频率u的基本变化范围为[-50,+50]，取量化论域为[-6,+6]，量化因子Ku＝0.12。
步骤二：当所有输入的温度误差及温度误差变化率信号都被转换为单个的语言变量时，再通过模糊推理依据if-then规则定义的系统行为进行推理，得到输出语言变量的语言值。所述模糊推理具体体现为归纳控制规则进行模糊推理。对该温度控制器输入输出的隶属度函数采用高斯型函数模糊化变量，高斯型隶属度函数表达式为：
Figure BDA0002739534660000081
式中，c决定函数的中心位置，σ决定函数曲线的宽度。在以温度误差及温度误差变化率为输入，以变频压缩机的频率为输出的二输入一输出模糊控制系统中，选取控制量的变化U的基本原则是，当误差较大时，选择控制量以快速消除误差为主，当误差较小时，选择控制量应防止超调，以控制稳定性为主。该控制器选用“ifE and Ec then U”的形式，根据温度误差及温度误差变化率得到驱动变频压缩机的电机频率u，共产生符合逻辑的49条模糊规则。模糊规则表如下表1所示。
表1模糊规则表
Figure BDA0002739534660000091
步骤三：将模糊控制器的参数调整量即变频压缩机的频率u＝fy作为输出变量，通过解模糊化将输出语言变量的语言值转变为变频压缩机的频率u，即可得到双输入单输出结构的模糊控制器。
该模糊温度控制器作用于被控对象即污水余热回收系统中的变频压缩机，使其通过改变频率以改变制冷剂流量，通过制冷剂流量的变化从而使水箱温度实现动态调整。
实际生活中，基于MATLAB/Simulink仿真平台，根据所述温度流量模型搭建了污水余热回收系统各部件的动态仿真模型，其动态仿真模型主要包括蒸发器、冷凝器、变频压缩机、水箱及污水箱模块，在该污水余热回收系统仿真模型中，给定夏季污水的初始温度35℃，通过污水泵，与热交换回路中的制冷剂在蒸发器中进行热量交换，获得热量后的制冷剂经过变频压缩机做功升温后，进入冷凝器与生活用水进行热量交换，从而使水箱温度上升。通过控制变频压缩机的频率改变制冷剂流量，根据所述温度流量模型改变系统中水箱的温度。当水箱的实际温度高于设定温度时，需要通过模糊温度控制器降低变频压缩机频率以便达到恒温目的，反之，当水箱的实际温度低于设定温度时，则需要通过模糊温度控制器升高变频压缩机频率；设计模糊温度控制器，利用模糊温度控制器对期望温度值和实际温度值的误差、误差变化率进行控制得到模糊温度控制器的输出，该输出连接至变频压缩机，通过控制变频压缩机的频率对制冷剂流量进行调整，根据所述温度流量模型动态调整水箱温度。
本发明的有益效果是：提供了一种污水余热回收系统，该系统很好的解决了由于冷凝器、蒸发器和变频压缩机之间耦合作用而限制系统温度控制性能的问题，基于三者之间的能量流动方式，回避了三者物理模型之间的耦合中存在的问题，相对于传统机理模型能更好的解决现有问题，从而达到简化模型目的，实现在污水余热回收系统中使生活用水温度更快达到所设定温度值，且有效简化污水余热回收系统控制方法的设计，有效简化了系统控制方法的设计。
该系统的控制方法，采用温度模糊控制器，相对于传统的控制方法可实现效果更佳的节能降耗问题，从而通过控制压缩机频率实现对水箱温度的节能控制，提高系统效率减少能源损耗达到节能的效果，解决了污水余热回收系统中生活用水的温度控制、系统的自动控制和稳定运行的问题，有效加强了系统的鲁棒性，提高了系统的动态性能。污水中的余热传递给制冷剂后经过压缩机做功升温更快，减少压缩机做功时间，体现出节省能耗的优点，该系统充分利用生活污水的热能及热量交换的高效率，提升污水余热回收系统的工作效率和节能水平，减少达到稳态的时间，产生约30％的节能效果，具有资源循环利用，节能效果显著等优点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种污水余热回收系统，其特征在于，包括：控制器、变频压缩机、冷凝器和蒸发器；
所述蒸发器的第一入口与污水干渠的出口连通；所述蒸发器的第一出口与所述污水干渠的入口连通；所述蒸发器的第二出口与所述变频压缩机的入口连通；所述变频压缩机的出口与所述冷凝器的第一入口连通；所述蒸发器的第二入口与所述冷凝器的第一出口连通；所述冷凝器的第二出口与生活用水水箱的入口连通；所述生活用水水箱的出口与所述冷凝器的第二入口连通；所述控制器与所述变频压缩机连接；所述蒸发器用于将污水的能量传递给所述蒸发器中的冷凝剂，使所述蒸发器中的冷凝剂温度升高得到高能量冷凝剂，所述控制器用于调节所述变频压缩机的频率以控制所述蒸发器向所述冷凝器传输的高能量冷凝剂的流量，所述冷凝器用于将接收到的高能量冷凝剂的热量传递给所述生活用水水箱以改变生活用水的温度；所述控制器包括：温度流量模型确定模块，所述温度流量模型确定模块包括：冷凝器模型确定单元、蒸发器模型确定单元和压缩机模型确定单元；
所述冷凝器模型确定单元用于确定冷凝器模型，所述冷凝器模型具体为：
Figure FDA0003238548610000011
Figure FDA0003238548610000012
Figure FDA0003238548610000013
所述蒸发器模型确定单元用于确定蒸发器模型，所述蒸发器模型具体为
Figure FDA0003238548610000021
Figure FDA0003238548610000022
Figure FDA0003238548610000023
所述压缩机模型确定单元用于确定压缩机模型，所述压缩机模型具体为：
Figure FDA0003238548610000024
其中，hlro为冷凝器出口制冷剂比焓，hlri为冷凝器入口制冷剂比焓，Tlwi为生活用水出口温度，Tlwo为生活用水进口温度，Qc为冷凝器换热量，cr为制冷剂比热容，mlr为制冷剂质量流量，Mlr为制冷剂总质量，Tc为冷凝温度，Kc为冷凝器传热系数，Fc为冷凝器换热面积，Ke为蒸发器传热系数，Fe为蒸发器换热面积，hzro为蒸发器出口制冷剂比焓，hzri为蒸发器入口制冷剂比焓，Tzwi为污水出口温度，Tzwo为污水进口温度，mzw为污水质量流量，Mzw为污水总质量，Qe为蒸发器换热量，czw为污水比热容，Te为蒸发温度，λ为压缩机输气系数，fy为变频压缩机频率，s为转差率，P为极对数，Vcom为变频压缩机的每转容积排量。
2.如权利要求1所述的污水余热回收系统，其特征在于，还包括：膨胀阀，所述冷凝器的第一出口与所述蒸发器的第二入口通过所述膨胀阀连通。
3.如权利要求1所述的污水余热回收系统，其特征在于，还包括：污水泵，所述蒸发器的第一入口通过所述污水泵与所述污水干渠的出口连通。
4.如权利要求1所述的污水余热回收系统，其特征在于，还包括：循环水泵，所述冷凝器的第二入口通过所述循环水泵与所述生活用水水箱的出口连通。
5.如权利要求1所述的污水余热回收系统，其特征在于，还包括：防堵塞设备，所述蒸发器的第一入口通过防堵塞设备与所述污水干渠的出口连通。
6.如权利要求1所述的污水余热回收系统，其特征在于，还包括：污水水箱，所述污水水箱的进水口与所述污水干渠的出口连通，所述污水水箱的出水口与所述蒸发器的第一入口连通。
7.一种污水余热回收系统控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于上述权利要求1-6中任意一项所述的污水余热回收系统，所述控制方法包括：
获取生活用水水箱的实际温度；
计算所述实际温度与所述生活用水水箱的设定温度的温度误差；
根据所述温度误差计算单位时间内的温度误差变化率；
根据所述温度误差变化率和所述温度误差计算变频压缩机的频率，以控制蒸发器向冷凝器传输的高能量冷凝剂的流量；
所述根据所述温度误差变化率和所述温度误差计算变频压缩机的频率，具体包括：
采用模糊集将所述温度误差变化率和所述温度误差分别转换为语言变量；
依据if-then规则定义的系统行为进行模糊推理，得到所述语言变量的语言值；
通过解模糊化将所述语言值转变为变频压缩机的频率。
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