CN113251470B - 一种高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，包括制氧模块和供暖模块，制氧模块包括空气压缩机、多级高压过滤器、三项换热器、稳压罐、两个吸附塔、氧气储气罐和湿化瓶；空气压缩机后依次连接多级高压过滤器、三项换热器和稳压罐；在稳压罐与并联的吸附塔之间依次设有截止阀和电磁阀；两个吸附塔与储气罐之间依次并联有均压阀、两个节流阀；节流阀和储气罐之间设有单向阀，储气罐和湿化瓶之间设有限压阀和流量计；供暖模块与制氧模块连接。本发明将制氧系统与热泵系统充分结合，可同时供氧、加湿、供暖，能够减少在高海拔地区因低压缺氧、寒冷干燥等带来的不良反应，并减少了能量耗散实现热量的回收和利用，满足了高海拔地区的实际需求。

Description

一种高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组

技术领域

本发明涉及属于供暖制氧机组，尤其涉及一种高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组。

背景技术

高海拔地区由于海拔升高，大气压力降低，形成了缺氧、低温、大风、干燥等为显著特点的高原气候。针对高海拔地区的室内环境，需要在保证人员热舒适的同时，提高室内环境的相对湿度，并满足人员对于氧气的需求。传统的供氧机组通过变压吸附、膜分离等方法只能实现对高海拔室内环境的供氧，但是无法实现向室内供暖、加湿，解决室内干燥的问题，因此无法满足人员对于室内环境的舒适需求。

此外，制氧机组模块在空压机部分的余热未被充分利用，被压缩后的高温高压空气的热量，在经过冷却除湿过程中，也可以进行热量的回收利用。综上所述，进行制氧机组的余热回收、提高机组的cop、满足高海拔地区人员对于室内环境的需求都是目前需要解决的问题。

发明内容

针对现有的制氧机组无法实现向室内供暖、加湿，以及空压机部分余热未被充分利用的问题，本发明的目的是，提供一种高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，包括制氧模块和供暖模块，其中：

所述制氧模块用于提供氧气，包括空气压缩机、多级高压过滤器、三项换热器、稳压罐、两个吸附塔、氧气储气罐和湿化瓶；其中，所述空气压缩机后依次连接多级高压过滤器、三项换热器和稳压罐，在所述三项换热器与所述稳压罐之间管路上依次设置第二压力表、温度计和止回阀；在稳压罐与并联的两个所述吸附塔之间的管路上依次设有截止阀和电磁阀，出电磁阀后分别连接两个吸附塔和消声器；并联的两个吸附塔与所述氧气储气罐之间依次并联有均压阀、两个节流阀；所述节流阀和储气罐之间设有单向阀，所述储气罐和湿化瓶之间设有限压阀和流量计；

所述供暖模块与制氧模块中的空气压缩机、三项换热器、湿化瓶分别连接，用于吸收制氧模块中产生的多余热量并用于供暖。

进一步的，所述供暖模块采用如下串并联式结构：包括空气压缩机换热器、第一压力表、制冷剂压缩机、室内换热器、节流阀、第一阀门、第二阀门和第三阀门，其中，当第一阀门和第三阀门关闭，第二阀门开启，供暖模块为串联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接室内换热器、节流阀、三项换热器和空气压缩机换热器，最后接入制冷剂压缩机的入口端；当第一阀门和第三阀门开启，第二阀门关闭，供暖模块为并联式结构，制冷剂压缩机的出口端连接室内换热器和节流阀，在节流阀后的三通实现三项换热器和空气压缩机换热器并联，制冷剂汇和后接入制冷剂压缩机的入口端；第一压力表设置在空气压缩机换热器与制冷剂压缩机进口之间。

进一步的，所述空气压缩机换热器安装在空气压缩机的外壳上；流量计出口通入室内换热器后连接湿化瓶的入口。

进一步的，所述空气压缩机中高温高压气体的气体压力为0.15Mpa-0.5Mpa，出气温度高于环境温度20℃-30℃。

进一步的，所述三项换热器包括上下设置的两组换热翅片且串联，每组所述换热翅片侧面分别固定有一个箱体，所述箱体内设置有轴流风扇。

进一步的，每组所述换热翅片采用2列10排铜管，铜管采用纵向连接。

进一步的，所述铜管管径10mm，管间距离10mm，上、下铜管中心间距为20mm，第一列铜管与所述换热翅片边缘间距10mm，第一列与第二列铜管间距10mm，第二列与所述换热翅片边缘间距10mm。

进一步的，每组所述换热翅片宽度为200mm、高度为200mm，箱体为200mm×260mm×200mm，两个所述箱体之间的间距为100mm。

进一步的，所述轴流风扇的风量是155m³/h。

进一步的，所述吸附塔采用变压吸附塔。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的制氧模块从空气中提取出氧气并加湿，从而提高室内的氧浓度和湿度，既能实现制氧，又能实现供暖，同时满足房间内的氧负荷和热负荷。供暖模块中，室内换热器充当冷凝器放置在室内进行放热以达到供暖效果，其热量分别来自于制冷剂在其中的放热，空气压缩机换热器对空气压缩机所产生热能的吸收、三项换热器对高温高压空气热量的吸收、以及对制氧模块余热的回收。综上，该机组将制氧系统与热泵系统充分结合，可同时供氧、加湿、供暖，能够减少在高海拔地区因低压缺氧、寒冷干燥等给人员带来的不良反应，并减少了能量耗散实现热量的回收和利用，满足了高海拔地区的实际需求。

2、本发明中，吸附塔16排出的废气(主要是氮气及其他气体)具有一定的动能及热量，将这部分气体依次通过电磁阀14和消声器15后通至三项换热器4中。一方面充分利用经消声器15排出的剩余气体的热量，另外一方面利用这部分气体的动能对三项换热器4喷吹，强化换热其中的换热。从气体的品质角度讲，供氧模块对进入吸附塔16气体的水蒸气含量要求较高，因此必须将空气中的水蒸气提前除掉，所以从吸附塔16出来的气体其水蒸气含量非常低。将这部分剩余气体通入三项换热器4中，可在很大程度上减少三项换热器4的结霜问题，不仅减少了能量耗散并且能够零能耗除霜。

3、本发明可通过供热模块的单系统串并联结构切换，满足了不同工况下的热量需求，提高了系统的换热效率，并且能够调节系统运行的阻力大小，使系统运行更加稳定。本发明中，把三项换热器4和空气压缩机换热器2当作蒸发器，它们分别吸收高温高压的空气热量和压缩机1产生的热量，由于产生的热量不同，在串联形式中以三项换热器4为主，空气压缩机换热器2为辅，因此三项换热器4和空气压缩机换热器2的排列顺序上，制冷剂首先经过三项换热器4，再经过空气压缩机换热器2。采用这种排列方式有非常大的好处，众所周知，制冷剂压缩机中制冷剂是气体状态，在压缩机入口前，将制冷剂与空气压缩机1进行换热，实现制冷剂的再热，这样保证了制冷剂在进入压缩机1前是气体状态，防止液击对制冷剂压缩机6造成损坏。在并联形式中，三项换热器4和空气压缩机换热器2分别在两个支路管路中，双蒸发器不分主辅，同时进行换热，这样的并联结构能够保证系统阻力小、运行更加稳定。同时，可根据三项换热器4和空气压缩机换热器2的热量不同，调节阀门的开度，并调节两个支路管路中的制冷剂流量，这样的并联结构能够保证系统运行更加稳定，也可以控制三项换热器4中空气侧出口的温度。

4、本发明的氧气的获取过程中，必须要将空气中的水蒸气除去，提高制氧效率。因此，制得的氧气中的水蒸气含量极低，但是空气的相对湿度是影响人体热舒适的重要因素，并且在寒冷的高海拔地区，空气中的相对湿度是无法直接满足人体的热舒适要求的。本发明在送氧末端有空气加湿装置(即湿化瓶)，这样，在实际的使用环境中，就可以保证人体对空气的相对湿度的要求。

5、本发明通过对部件结构的合理设置，满足房间内部空气品质要求改变时机组调节手段能精准符合标准，二次改造工程简易，成本较低。

附图说明

图1是本发明的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组的工作原理图；

图2是制氧模块的结构示意图；

图3是供暖模块的串并联式的结构示意图；

图4是三项换热器的轴测图；

图5是三项换热器的左视图；

图6是三项换热器的主视图；

图7是三项换热器的后视图；

图8是三项换热器的右视图；

图9是三项换热器的俯视图；

图10是空气压缩机壁温变化图；

图11是空气压缩机出口与吸附塔入口空气温度变化图；

图12是制氧浓度示意图。

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明兼具供氧和供暖的功能，针对即有热负荷又缺氧的区域进行设计，特别是高海拔寒冷地区创造舒适环境。本发明工作原理示意图如图1，在本发明中使用的方位词语、顺序号，均按照图1为基准，相应部件均以附图示意为准。

如图1，本发明的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，包括制氧模块和供暖模块，其中：

制氧模块用于从空气中提取出氧气并加湿，为室内区域提供足够的氧气和湿度，并储存多余的氧气。制氧模块包括空气压缩机1、多级高压过滤器3、三项换热器4、稳压罐12、两个吸附塔16、氧气储气罐20和湿化瓶23；其中，空气压缩机1后依次连接多级高压过滤器3、三项换热器4和稳压罐12，在三项换热器4与稳压罐12之间管路上依次设置第二压力表9、温度计10和止回阀11；在稳压罐12与并联的两个吸附塔16之间的管路上依次设有截止阀13和电磁阀14，出电磁阀14后分别连接两个吸附塔16和消声器15，废气从消声器15处排出；并联的两个吸附塔16与氧气储气罐20之间依次并联有均压阀17、两个节流阀18；均压阀17用于平衡两个吸附塔16的压力，吸附塔16制得的氧气由上部经节流阀18排出；节流阀18和储气罐20之间设有单向阀19，储气罐20和湿化瓶23之间设有限压阀21、流量计22。

供暖模块用于消除室内热负荷。供暖模块与制氧模块中的空气压缩机1、三项换热器4、湿化瓶23分别连接，用于吸收制氧模块中产生的多余热量并用于供暖。供暖模块通过第一阀门24、第二阀门25和第三阀门26的开启与关闭，实现串并联的转换，具体采用如下的串并联式结构：包括空气压缩机换热器2、第一压力表5、制冷剂压缩机6、室内换热器7、节流阀8、第一阀门24、第二阀门25和第三阀门26，其中，当第一阀门24和第三阀门26关闭，第二阀门25开启，供暖模块为串联式结构，制冷剂压缩机6的出口端依次连接室内换热器7、节流阀8、三项换热器4和空气压缩机换热器2，最后接入制冷剂压缩机6的入口端；当第一阀门24和第三阀门26开启，第二阀门25关闭，供暖模块为并联式结构，制冷剂压缩机6的出口端连接室内换热器7和节流阀8，在节流阀8后的三通实现三项换热器4和空气压缩机换热器2并联，制冷剂汇和后接入制冷剂压缩机6的入口端。在并联式结构中，三项换热器4和空气压缩机换热器2分别在两个支路管路中，能够保证系统阻力小、系统运行更加稳定。第一压力表5设置在空气压缩机换热器2与制冷剂压缩机6进口之间。

空气压缩机换热器2安装在空气压缩机1的外壳上；流量计22出口通入室内换热器7后连接湿化瓶23的入口。

本发明可以通过供热模块的单系统串并联结构切换，满足了不同工况下的热量需求，提高了系统的换热效率，并且能够调节系统运行的阻力大小，使系统运行更加稳定。

上述技术方案的工作原理如下：

制氧模块，本模块制氧技术采用变压吸附法制取氧气，室外空气通过空气压缩机1，空气压缩机1由于往复式活塞式运动压缩空气，消耗电能并产生热能，将空气压缩为高温高压气体，控制气体压力在0.15Mpa-0.5Mpa，出气温度高于环境温度20℃-30℃；高温高压的空气经由过滤器3，将高温高压中的灰尘及水蒸气除掉。在变压吸附式制氧方式中，需将压缩空气冷却至常温，才能实现高效的制氧率，因此，由高压过滤器3出来的压缩空气通过三项换热器4，压缩空气被冷却至常温状态，空气压力表9和空气温度计10测量冷却后的压缩空气压力及温度，经过止回阀11进入稳压罐12中，稳压后的压缩空气经过截止阀13和电磁阀14进入到两座并联的吸附塔16当中，吸附塔中的沸石分子筛将氧气和氮气及其他气体分离出来。此处采用的是双吸附塔并联模式，当吸附塔16中的一个工作时，另一个吸附塔处于再生过程，两个吸附塔相互配合，氧气由吸附塔16上部排出，氮气及其他气体将由吸附塔16下部排出。吸附塔16上部的均压阀17可平衡两座吸附塔的压力，排除的氧气经由节流阀18，调节流量后，通过单向阀19进入到储气罐20，将制得的氧气储存起来。流量计22测量并监测通入室内的氧气流量，由于制氧系统制得的氧气是不含水蒸汽的，为保证人体呼吸舒适的要求，需将氧气湿化，氧气从流量计22出来后进入室内换热器7，同时将室内空气通入室内换热器7与氧气混合后进行加热，再将混合后的富氧气体通入湿化瓶23，进行加湿处理后再通入室内，经湿化后的富氧气体既满足了人体的氧需求又满足了人体的舒适需求。

供暖模块，供暖模块采用空调热泵系统，其中室内换热器7释放热量，三项换热器4与空气压缩机换热器2吸收热量，此处采用双蒸发器(即三项换热器4和空气压缩机换热器2)，并且通过阀门调节，实现双蒸发器的串联与并联的转化。制冷剂首先由制冷剂压缩机6压缩成高温高压的制冷剂气体，然后通过室内换热器7，制冷剂由高温高压气体变成高压液体，放出的热量由室内换热器7加热室内空气，满足房间的热负荷。制冷剂从室内换热器7出来后经过节流阀8，制冷剂压力降低，若关闭第一截止阀24和第二截止阀26，打开第三截止阀25，双蒸发器处于串联工作状态，制冷剂先从三相换热器4经过，再经过空气压缩机换热器2，在三项换热器4和空气压缩机换热器2中吸收热量，逐渐由液态变成气态，然后经由制冷剂压力表5回到制冷剂压缩机6当中。若开启第一截止阀24和第二截止阀26，关闭第三截止阀25，双蒸发器处于并联工作状态，制冷剂分别从三相换热器4和空气压缩机换热器2经过，制冷剂在三项换热器4和空气压缩机换热器2中吸收热量，逐渐由液态变成气态，然后在压缩机1入口处汇合，最终经由制冷剂压力表5回到制冷剂压缩机6中，往复循环，为房间提供热量。并联方式制冷剂分别吸收三项换热器4和空气压缩机换热器2中的热量更加灵活和稳定，并且可以调节阀门的开度，调节两个支路的制冷剂流量，进一步控制三项换热器4的换热量，控制进入三项换热器4的高温高压空气的出口温度。

上述过程中，高温高压空气从多级高压过滤器3出来，通过三项换热器4中的一个盘管后流向第二压力表9；制冷剂进入三项换热器4的另一个盘管，制冷剂与空气分别从三项换热器4的两个盘管内流过并进行换热。

优选的，三项换热器4是一种采用翅片式结构的换热设备，如图5所示，三项换热器4包括上下设置的两组换热翅片且串联，每组换热翅片侧面分别固定有一个箱体，箱体内设置有轴流风扇，风扇中心位于箱体中心。

优选的，如图6和图7，每组换热翅片采用2列10排铜管，铜管采用纵向连接。铜管管径10mm，管间距离10mm，上下铜管中心间距为20mm，第一列铜管与换热翅片边缘间距10mm，第一列与第二列铜管间距10mm，第二列与换热翅片边缘间距10mm。

如图6所示，三项换热器4在使用中，从空气压缩机1中出来的高温高压空气，经过翅片的第一排管，节流后的制冷剂经过换热翅片的第二排管，分别从上侧进，从下侧出，形成顺流换热，制冷剂冷却高温高压空气，使之变成高压常温状态。另外，将吸附塔16分离后的剩余气体由电磁阀14经消声器15引入到三项换热器4当中，利用剩余气体的动能及温度实现对三项换热器4的喷吹与换热。

优选的，每组换热翅片宽度为200mm、高度为200mm，箱体为200mm×260mm×200mm，两个箱体之间的间距为100mm，因此三项换热器总高度500mm。

优选的，如图8，轴流风扇的风量是155m³/h。

优选的，吸附塔16为变压吸附塔。

优选的，多级高压过滤器3采用深圳市汇杰机电设备有限公司生成的型号为015P的多级高压过滤器。空气压缩机换热器2采用达州市九工机电设备有限公司生成的型号为JG1202-02的空气压缩机换热器。

为了说明本发明的效果，给出试验研究的相关数据：

由于本发明的主要特点是利用蒸发器吸收制氧机制氧过程产生的热量，其中主要的吸收热量的部件是三项换热器4和空气压缩机换热器2，因此通过对比空压机的壁温的变化和空气压缩机出口到吸附塔入口的温度变化看出本发明热回收的效果。由图10看出，空压机的壁温也有明显下降，由图11看出，与无供热模块的制氧机对比，有供热模块的机组从空气压缩机出口到吸附塔入口，空气温度有明显的降低。这两部分的热量分别被三项换热器和空气压缩机换热器吸收。

由图11可见，从空气压缩机出口到吸附塔入口，空气温度均降低，因此需要考虑热回收对制氧效果的影响，接下来做了制氧浓度的对比试验。经过试验，排除无效数据，分析有效数据，得到制氧的平均浓度为87.37/％vol，尾气平均氧浓度为14.44％。因此经试验数据分析，供热模块吸收了制氧机的产生的热量，并没有对制氧浓度产生影响，见图12。

综上所述，试验证明本发明具有良好的制氧效果，并且充分利用热量，保证室内供热和供氧浓度的同时，满足室内人员的热舒适要求。

为了进一步说明本发明的效果，给出以下工程实际案例：

以西藏日喀则城区为例，西藏日喀则温带地区全年平均温度在14℃到16℃，昼夜温差较大，夏季白天室外温度可达25℃到26℃，但夜晚温度会降到10℃以下。冬季白天室外最低温度可达零下20多度，夜晚会更加寒冷，因此日喀则地区冬季非常需要供暖设施，以保证人体在室内的正常生活。另外，西藏大部分地区空气含氧量只有内地的50％-60％，日喀则城区，其海拔高度约3830米，含氧量63％左右，此处的氧气含量63％并不是氧气在空气中的含量，而是日喀则地区与平原地区相比，日喀则地区的含氧量相当于平原地区的63％左右，在这种缺氧的条件下人体会表现出胸闷气短，头疼腿软等症状，平原地区的人上高原由于缺氧，均会出现高原缺氧的症状，其地区对于氧气的需求量是非常大的，特别是一些特殊场所，医院、养老院、幼儿园等。本发明的制氧效率在85％以上，制氧量最高可达20L/min，可保证5到6人的氧气呼吸需求。同时供暖模块方面，本发明可相当于1匹空调，制热量在2800W左右，可满足约20m²平方米的供暖需求。供氧和供暖满足人体需求后，也考虑了空气相对湿度对人体的舒适度的影响，西藏日喀则城区的相对湿度在20％左右，但是人体的舒适标准是在45％-65％,本发明兼具湿化功能，可同时湿化氧气与空气达到45％-65％，满足了人体对湿度的要求。本发明真正的实现既供暖又同时供氧加湿，满足高海拔地区的人员热舒适、呼吸舒适的需求，并且保证老年人、幼儿、病人等用热用氧需求。综上，西藏日喀则城区建筑对于氧气和热量的需求是非常大的，本发明供暖的同时又能供氧，供氧量和供暖量均能满足人体的热舒适和呼吸舒适的要求，具有非常大的现实意义和实际应用价值。

Claims (8)

1.一种高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，包括制氧模块和供暖模块，其中：

所述制氧模块包括空气压缩机、多级高压过滤器、三项换热器、稳压罐、两个吸附塔、氧气储气罐和湿化瓶；其中，所述空气压缩机后依次连接多级高压过滤器、三项换热器和稳压罐，在所述三项换热器与所述稳压罐之间管路上依次设置第二压力表、温度计和止回阀；在稳压罐与并联的两个所述吸附塔之间的管路上依次设有截止阀和电磁阀，出电磁阀后分别连接两个吸附塔和消声器；并联的两个吸附塔与所述氧气储气罐之间依次并联有均压阀、两个节流阀；所述节流阀和储气罐之间设有单向阀，所述储气罐和湿化瓶之间设有限压阀和流量计；

所述三项换热器包括上下设置的两组换热翅片且串联，每组换热翅片侧面分别固定有一个箱体，箱体内设置有轴流风扇，风扇中心位于箱体中心；三项换热器在使用中，从空气压缩机中出来的高温高压空气，经过翅片的第一排管，节流后的制冷剂经过换热翅片的第二排管，将吸附塔分离后的剩余气体由电磁阀经消声器引入到三项换热器当中，利用剩余气体的动能及温度实现对三项换热器的喷吹与换热；

所述供暖模块与制氧模块中的空气压缩机、三项换热器、湿化瓶分别连接；

所述供暖模块采用如下串并联式结构：包括空气压缩机换热器、第一压力表、制冷剂压缩机、室内换热器、节流阀、第一阀门、第二阀门和第三阀门，其中，当所述第一阀门和第三阀门关闭，第二阀门开启，供暖模块为串联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接室内换热器、节流阀、三项换热器和空气压缩机换热器，最后接入制冷剂压缩机的入口端；当第一阀门和第三阀门开启，第二阀门关闭，供暖模块为并联式结构，制冷剂压缩机的出口端连接室内换热器和节流阀，在节流阀后的三通实现三项换热器和空气压缩机换热器并联，制冷剂汇和后接入制冷剂压缩机的入口端；第一压力表设置在空气压缩机换热器与制冷剂压缩机进口之间。

2.如权利要求1所述的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，所述空气压缩机换热器安装在空气压缩机的外壳上；流量计出口通入室内换热器后连接湿化瓶的入口。

3.如权利要求1所述的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，所述空气压缩机中高温高压气体的气体压力为0.15Mpa-0.5Mpa，出气温度高于环境温度20℃-30℃。

4.如权利要求1所述的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，每组所述换热翅片采用2列10排铜管，所述铜管采用纵向连接。

5.如权利要求4所述的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，所述铜管管径10mm，管间距离10mm，上、下铜管中心间距为20mm，第一列铜管与所述换热翅片边缘间距10mm，第一列与第二列铜管间距10mm，第二列与所述换热翅片边缘间距10mm。

6.如权利要求1所述的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，每组所述换热翅片宽度为200mm、高度为200mm，箱体为200mm×260mm×200mm，两个所述箱体之间的间距为100mm。

7.如权利要求1所述的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，所述轴流风扇的风量是155m³/h。

8.如权利要求1~3任一所述的高寒缺氧环境用热回收供热制氧机组，其特征在于，所述吸附塔采用变压吸附塔。