CN112556239A - 基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统及工作方法，适用于煤矿井下制冷技术领域中使用。包括热泵蒸发器、高效换热器、相变热交换装置和吸收空气潜热装置；吸收高温高湿空气，进行除湿溶液的喷淋，热泵工作介质通过热泵蒸发器吸收空气中的热量，进入制冷压缩机继续升压升温，吸湿稀溶液和循环冷却水使其温度降低，最后低温低压的热泵工作介质进入热泵蒸发器，形成热泵系统循环；低温的循环冷却水吸收吸湿稀溶液及热泵高温工作介质在高效换热装置内放热螺旋盘管中的热量，然后升温后的循环冷却水进入相变热交换装置中的螺旋盘管；其结构简单，热效率高，具有广泛的实用性。

Description

基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统及工作方法

技术领域

本发明涉及高效节水热泵系统及工作方法，尤其适用于煤矿井下制冷技术领域中使用的基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统及工作方法。

背景技术

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。热泵系统从空气（空气源热泵）提取热量，使热量从低温物体流向高温物体，经系统升温达到一定要求后供给用户使用。目前市场上选用的热泵系统提取的是空气的显热，热量大小受限，效率不高，同时也没有很好利用空气中潜热的设备和方法。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，供热量明显增加，有效提高供热效率的基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统及工作方法。

为实现上述技术目的，本发明的基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统，包括热泵蒸发器、高效换热器、相变热交换装置和吸收空气潜热装置；

其中热泵蒸发器为横向设置的管道结构，管道结构内设有贯通的螺纹结构的高压工作介质螺旋管，所述高效换热器为一种罐式结构，包括高效换热器外壳，高效换热器外壳上设有入液口和出液口，高效换热器外壳内并排设有两组螺旋盘管，其一为高压工作介质螺旋盘管，内部流入高压制冷工作介质，另一个为循环冷却水螺旋盘管，高压工作介质螺旋盘管和循环冷却水螺旋盘管全部没入氯化钙稀溶液中，高效换热器外壳侧面设置吸收空气潜热的氯化钙稀溶液接口，下部设置氯化钙浓溶液接口，所述相变热交换装置包括相变热交换装置壳体，相变热交换装置壳体内设有螺旋管，相变热交换装置壳体下方设有凝结液排放管，凝结液排放管上设有凝结液排放阀，所述吸收空气潜热装置包括柱状外壳，柱状外壳的侧面上方设有湿空气出口，柱状外壳的侧面下方设有高温高湿空气进口，柱状外壳内的中部设有溶液喷淋装置，溶液喷淋装置的下方在螺旋喷嘴以下20cm位置处设有PVC波纹板填料，波纹板垂直安装，与吸收空气潜热装置纵轴线平行，氯化钙浓溶液通过喷嘴流过此部分时，有助于增加湿空气和喷淋液体间的接触，提高湿空气处理能力和除湿效率；

热泵蒸发器中的蛇形盘管两端分别与热泵压缩机入口和电子膨胀阀出口连接，压缩机出口和电子膨胀阀入口与与高效热交换器中的一组高压工作介质螺旋盘管两端相互连接，高效热交换器中注入吸湿稀溶液，热泵蒸发器中的蛇形盘管通过管路与热泵压缩机的热泵压缩机入口和电子膨胀阀出口形成回路，高效热交换器中的另一组循环冷却水螺旋管两端通过管路与相变热交换装置中的螺旋管两端相连接，其中一侧的管路上与热用户连接，相变热交换装置壳体顶部与高效换热器外壳的顶部之间设有相互连通的蒸汽管路，高效热交换器中的循环冷却水在吸收热量后升温然后进入相变热交换装置再次吸收高效热交换器通过蒸汽管路传输来的蒸汽相变热量供给热用户；

高效换热器外壳的入液口通过管路与吸收空气潜热装置的柱状外壳底部相连接，管路上设有溶液循环泵，溶液循环泵两侧分别设有第三阀门和第四阀门，高效换热器外壳的出液口通过管路与吸收空气潜热装置相连接，管路上设有喷淋溶液泵，喷淋溶液泵的入口处设有过滤器，喷淋溶液泵的入口管路上设有第一阀门，喷淋溶液泵的出口管路上设有第二阀门，综合热交换器利用溶液喷淋装置的螺旋喷嘴喷洒氯化钙溶液，吸收空气潜热后的氯化钙溶液温度升高，浓度降低，通过溶液循环泵将稀溶液加压排入高效换热装置，

工作时顺序打开第一阀门，启动喷淋溶液泵，打开第二阀门，打开第三阀门、启动溶液循环泵，打开第四阀门，建立吸收空气潜热溶液循环系统，使吸收空气潜热系统工作，吸湿溶液可以选用浓度为30%左右的氯化钙溶液。

高压制冷工作介质为R134a。

所述波纹板上的波纹走向与波纹板板片长度方向成30°-60°，相邻两板的波纹成交叉状。

一种基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统的工作方法，其步骤为：

将吸收空气潜热装置设置在室外的热环境中，吸收空气潜热装置内通入高温高湿空气，将吸湿浓溶液补入吸收空气潜热装置，开启第三阀门，启动溶液循环泵，开启第四阀门，然后开启第一阀门，启动喷淋溶液本，打开第二阀门，吸湿浓溶液被泵入吸湿空气潜热装置，利用溶液喷淋装置进行除湿溶液的喷淋，使除湿溶液形成循环回路工作；

启动热泵压缩机，热泵系统工作，热泵工作介质通过热泵蒸发器吸收空气中的热量，进入制冷压缩机继续升压升温，然后高压工作介质进入高效换热装置内的高压工作介质螺旋盘管，吸湿稀溶液和循环冷却水在高效换热装置内通过对流换热吸收螺旋盘管中高压工作介质的热量使其温度降低，高压的热泵工作介质进入电子膨胀阀进行膨胀压力降低温度进一步下降，最后低温低压的热泵工作介质进入热泵蒸发器，形成热泵系统循环；

循环冷却水与高效换热装置内设置的吸热螺旋盘管一端连接，螺旋盘管的另一端与相变热交换装置内设置的螺旋管连接，低温的循环冷却水吸收吸湿稀溶液及热泵高温工作介质在高效换热装置内放热螺旋盘管中的热量，然后升温后的循环冷却水进入相变热交换装置中的螺旋盘管；高效换热装置中吸湿稀溶液被加热产生水蒸汽，水蒸汽通过蒸汽管道进入相变热交换装置，在相变热交换装置内水蒸汽继续加热高温的循环冷却水使其温度进一步升高，最后高温循环冷却水进入热用户进行使用，蒸汽释放出热量变成凝结水，凝结水通过凝结液排放阀排出相变热交换装置。

所述使用的热泵工作介质、高压工作介质、高压的热泵工作介质均为R134a。

有益效果：

本发明利用具有吸湿性能的氯化钙浓溶液在吸收空气潜热系统中通过喷淋系统与湿空气直接接触，溶液吸收空气中水蒸气，水蒸汽凝结变成凝结水释放出热量，喷淋溶液得到湿空气潜热温度升高，同时使其浓度降低变为高温稀氯化钙溶液，稀溶液在综合热交换系统中被高压的工作介质加热，使稀氯化钙溶液蒸发，产生水蒸汽，水蒸汽加热循环冷却水释放出潜热，同时还原为浓溶液进入吸收空气潜热系统，可以实现氯化钙溶液循环利用；

循环冷却水系统在高效换热器中与工作介质和吸湿稀溶液进行热交换，吸收热量温度升高，然后再进入相变热交换装置进行再次加热，温度进一步提高，单位质量冷却水温升增加，减少循环冷却水耗量，节约水资源；

该系统供热量由蒸发系统显热、吸收潜热系统空气中水蒸气潜热及电机功率组成，供热量明显增加，有效提高热泵系统供热效率。

附图说明

图1是本发明基于吸收空气潜热的高效热泵系统的结构示意图。

图中：1-热泵压缩机；2-热泵蒸发器；3-空气；4-电子膨胀阀；5-高效换热器；6-循环冷却水；7-第一阀门；8-过滤器；9-喷淋溶液泵；10-第二阀门；11-蒸汽管路；12-相变热交换装置；13-热用户；14-凝结液排放阀；15-吸湿浓溶液；16-湿空气出口；17-吸收空气潜热装置；18-溶液喷淋装置；19-PVC波纹板填料；20-高温高湿空气进口；21-吸湿稀溶液；22-第三阀门；23-溶液循环泵；24-第四阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，本发明基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统，包括热泵蒸发器2、高效换热器5、相变热交换装置12和吸收空气潜热装置17；

其中热泵蒸发器2为横向设置的管道结构，管道结构内设有贯通的螺纹结构的高压工作介质螺旋管，所述高效换热器5为一种罐式结构，包括高效换热器外壳，高效换热器外壳上设有入液口和出液口，高效换热器外壳内并排设有两组螺旋盘管，其一为高压工作介质螺旋盘管，内部流入高压制冷工作介质，另一个为循环冷却水螺旋盘管，高压工作介质螺旋盘管和循环冷却水螺旋盘管全部没入氯化钙稀溶液中，高效换热器5外壳侧面设置吸收空气潜热的氯化钙稀溶液接口，下部设置氯化钙浓溶液接口，所述相变热交换装置12包括相变热交换装置壳体，相变热交换装置壳体内设有螺旋管，相变热交换装置壳体下方设有凝结液排放管，凝结液排放管上设有凝结液排放阀14，所述吸收空气潜热装置17包括柱状外壳，柱状外壳的侧面上方设有湿空气出口16，柱状外壳的侧面下方设有高温高湿空气进口20，柱状外壳内的中部设有溶液喷淋装置18，溶液喷淋装置18的下方在螺旋喷嘴以下20cm位置处设有PVC波纹板填料19，波纹板垂直安装，与吸收空气潜热装置17纵轴线平行，氯化钙浓溶液通过喷嘴流过此部分时，有助于增加湿空气和喷淋液体间的接触，提高湿空气处理能力和除湿效率；所述波纹板上的波纹走向与波纹板板片长度方向成30°-60°，相邻两板的波纹成交叉状。

热泵蒸发器2中的蛇形盘管两端分别与热泵压缩机入口和电子膨胀阀出口连接，压缩机出口和电子膨胀阀入口与与高效热交换器5中的一组高压工作介质螺旋盘管两端相互连接，高效热交换器5中注入吸湿稀溶液21，热泵蒸发器2中的蛇形盘管通过管路与热泵压缩机1的热泵压缩机入口和电子膨胀阀出口形成回路，高效热交换器5中的另一组循环冷却水螺旋管两端通过管路与相变热交换装置12中的螺旋管两端相连接，其中一侧的管路上与热用户13连接，相变热交换装置12壳体顶部与高效换热器5外壳的顶部之间设有相互连通的蒸汽管路11，高效热交换器5中的循环冷却水6在吸收热量后升温然后进入相变热交换装置12再次吸收高效热交换器5通过蒸汽管路11传输来的蒸汽相变热量供给热用户13；

高效换热器5外壳的入液口通过管路与吸收空气潜热装置17的柱状外壳底部相连接，管路上设有溶液循环泵23，溶液循环泵23两侧分别设有第三阀门22和第四阀门24，高效换热器5外壳的出液口通过管路与吸收空气潜热装置17相连接，管路上设有喷淋溶液泵9，喷淋溶液泵9的入口处设有过滤器8，喷淋溶液泵9的入口管路上设有第一阀门7，喷淋溶液泵9的出口管路上设有第二阀门10，综合热交换器5利用溶液喷淋装置18的螺旋喷嘴喷洒氯化钙溶液，吸收空气潜热后的氯化钙溶液温度升高，浓度降低，通过溶液循环泵将稀溶液加压排入高效换热装置5，

工作时顺序打开第一阀门7，启动喷淋溶液泵9，打开第二阀门10，打开第三阀门22、启动溶液循环泵23，打开第四阀门24，建立吸收空气潜热溶液循环系统，使吸收空气潜热系统工作，吸湿溶液可以选用浓度为30%左右的氯化钙溶液。

一种基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统的工作方法，其步骤为：

将吸收空气潜热装置17设置在室外的热环境中，吸收空气潜热装置17内通入高温高湿空气20，将吸湿浓溶液15补入吸收空气潜热装置17，开启第三阀门22，启动溶液循环泵23，开启第四阀门24，然后开启第一阀门7，启动喷淋溶液本9，打开第二阀门10，吸湿浓溶液15被泵入吸湿空气潜热装置17，利用溶液喷淋装置18进行除湿溶液的喷淋，使除湿溶液形成循环回路工作；

启动热泵压缩机1，热泵系统工作，热泵工作介质通过热泵蒸发器2吸收空气3中的热量，进入制冷压缩机1继续升压升温，然后高压工作介质进入高效换热装置5内的高压工作介质螺旋盘管，吸湿稀溶液21和循环冷却水6在高效换热装置5内通过对流换热吸收螺旋盘管中高压工作介质的热量使其温度降低，高压的热泵工作介质进入电子膨胀阀4进行膨胀压力降低温度进一步下降，最后低温低压的热泵工作介质进入热泵蒸发器2，形成热泵系统循环；

循环冷却水6与高效换热装置5内设置的吸热螺旋盘管一端连接，螺旋盘管的另一端与相变热交换装置12内设置的螺旋管连接，低温的循环冷却水6吸收吸湿稀溶液21及热泵高温工作介质在高效换热装置5内放热螺旋盘管中的热量，然后升温后的循环冷却水6进入相变热交换装置12中的螺旋盘管；高效换热装置5中吸湿稀溶液21被加热产生水蒸汽，水蒸汽通过蒸汽管道11进入相变热交换装置12，在相变热交换装置12内水蒸汽继续加热高温的循环冷却水6使其温度进一步升高，最后高温循环冷却水进入热用户13进行使用，蒸汽释放出热量变成凝结水，凝结水通过凝结液排放阀14排出相变热交换装置12。所述使用的热泵工作介质、高压工作介质、高压的热泵工作介质和高压制冷工作介质均为R134a。

本发明提供的吸收空气潜热热泵系统，在充分利用水或空气显热的同时，有效的利用空气的潜热，可实现热泵系统的高效运行，降低热泵运行费用，实现节能减排的目的。且本发明采用新颖的结构和合理的设备，提高了热泵系统的供热量，具有较好的使用前景，可广泛地应用于热泵供热系统。

Claims (5)

1.一种基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统，其特征在于：它包括热泵蒸发器（2）、高效换热器（5）、相变热交换装置（12）和吸收空气潜热装置（17）；

其中热泵蒸发器（2）为横向设置的管道结构，管道结构内设有贯通的螺纹结构的高压工作介质螺旋管，所述高效换热器（5）为一种罐式结构，包括高效换热器外壳，高效换热器外壳上设有入液口和出液口，高效换热器外壳内并排设有两组螺旋盘管，其一为高压工作介质螺旋盘管，内部流入高压制冷工作介质，另一个为循环冷却水螺旋盘管，高压工作介质螺旋盘管和循环冷却水螺旋盘管全部没入氯化钙稀溶液中，高效换热器（5）外壳侧面设置吸收空气潜热的氯化钙稀溶液接口，下部设置氯化钙浓溶液接口，所述相变热交换装置（12）包括相变热交换装置壳体，相变热交换装置壳体内设有螺旋管，相变热交换装置壳体下方设有凝结液排放管，凝结液排放管上设有凝结液排放阀（14），所述吸收空气潜热装置（17）包括柱状外壳，柱状外壳的侧面上方设有湿空气出口（16），柱状外壳的侧面下方设有高温高湿空气进口（20），柱状外壳内的中部设有溶液喷淋装置（18），溶液喷淋装置（18）的下方在螺旋喷嘴以下20cm位置处设有PVC波纹板填料（19），波纹板垂直安装，与吸收空气潜热装置（17）纵轴线平行，氯化钙浓溶液通过喷嘴流过此部分时，有助于增加湿空气和喷淋液体间的接触，提高湿空气处理能力和除湿效率；

热泵蒸发器（2）中的蛇形盘管两端分别与热泵压缩机入口和电子膨胀阀出口连接，压缩机出口和电子膨胀阀入口与与高效热交换器（5）中的一组高压工作介质螺旋盘管两端相互连接，高效热交换器（5）中注入吸湿稀溶液（21），热泵蒸发器（2）中的蛇形盘管通过管路与热泵压缩机（1）的热泵压缩机入口和电子膨胀阀出口形成回路，高效热交换器（5）中的另一组循环冷却水螺旋管两端通过管路与相变热交换装置（12）中的螺旋管两端相连接，其中一侧的管路上与热用户（13）连接，相变热交换装置（12）壳体顶部与高效换热器（5）外壳的顶部之间设有相互连通的蒸汽管路（11），高效热交换器（5）中的循环冷却水（6）在吸收热量后升温然后进入相变热交换装置（12）再次吸收高效热交换器（5）通过蒸汽管路（11）传输来的蒸汽相变热量供给热用户（13）；

高效换热器（5）外壳的入液口通过管路与吸收空气潜热装置（17）的柱状外壳底部相连接，管路上设有溶液循环泵（23），溶液循环泵（23）两侧分别设有第三阀门（22）和第四阀门（24），高效换热器（5）外壳的出液口通过管路与吸收空气潜热装置（17）相连接，管路上设有喷淋溶液泵（9），喷淋溶液泵（9）的入口处设有过滤器（8），喷淋溶液泵（9）的入口管路上设有第一阀门（7），喷淋溶液泵（9）的出口管路上设有第二阀门（10），综合热交换器（5）利用溶液喷淋装置（18）的螺旋喷嘴喷洒氯化钙溶液，吸收空气潜热后的氯化钙溶液温度升高，浓度降低，通过溶液循环泵将稀溶液加压排入高效换热装置（5），

工作时顺序打开第一阀门（7），启动喷淋溶液泵（9），打开第二阀门（10），打开第三阀门（22）、启动溶液循环泵（23），打开第四阀门（24），建立吸收空气潜热溶液循环系统，使吸收空气潜热系统工作，吸湿溶液可以选用浓度为30%左右的氯化钙溶液。

2.根据权利要求1所述的基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统，其特征在于：高压制冷工作介质为R134a。

3.根据权利要求1所述的基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统，其特征在于：所述波纹板上的波纹走向与波纹板板片长度方向成30°-60°，相邻两板的波纹成交叉状。

4.一种使用权利要求1所述基于吸收空气潜热的高效节水热泵系统的工作方法，其特征在于步骤为：

将吸收空气潜热装置（17）设置在室外的热环境中，吸收空气潜热装置（17）内通入高温高湿空气（20），将吸湿浓溶液（15）补入吸收空气潜热装置（17），开启第三阀门（22），启动溶液循环泵（23），开启第四阀门（24），然后开启第一阀门（7），启动喷淋溶液本（9），打开第二阀门（10），吸湿浓溶液（15）被泵入吸湿空气潜热装置（17），利用溶液喷淋装置（18）进行除湿溶液的喷淋，使除湿溶液形成循环回路工作；

启动热泵压缩机（1），热泵系统工作，热泵工作介质通过热泵蒸发器（2）吸收空气（3）中的热量，进入制冷压缩机（1）继续升压升温，然后高压工作介质进入高效换热装置（5）内的高压工作介质螺旋盘管，吸湿稀溶液（21）和循环冷却水（6）在高效换热装置（5）内通过对流换热吸收螺旋盘管中高压工作介质的热量使其温度降低，高压的热泵工作介质进入电子膨胀阀（4）进行膨胀压力降低温度进一步下降，最后低温低压的热泵工作介质进入热泵蒸发器（2），形成热泵系统循环；

循环冷却水（6）与高效换热装置（5）内设置的吸热螺旋盘管一端连接，螺旋盘管的另一端与相变热交换装置（12）内设置的螺旋管连接，低温的循环冷却水（6）吸收吸湿稀溶液（21）及热泵高温工作介质在高效换热装置（5）内放热螺旋盘管中的热量，然后升温后的循环冷却水（6）进入相变热交换装置（12）中的螺旋盘管；高效换热装置（5）中吸湿稀溶液（21）被加热产生水蒸汽，水蒸汽通过蒸汽管道（11）进入相变热交换装置（12），在相变热交换装置（12）内水蒸汽继续加热高温的循环冷却水（6）使其温度进一步升高，最后高温循环冷却水进入热用户（13）进行使用，蒸汽释放出热量变成凝结水，凝结水通过凝结液排放阀（14）排出相变热交换装置（12）。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：所述使用的热泵工作介质、高压工作介质、高压的热泵工作介质均为R134a。

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