CN118066737A - 间壁式取热热泵系统以及取热箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及间壁式取热热泵系统以及取热箱，用于对矿井回风进行取热，间壁式取热热泵系统包括：热泵机组，其包括蒸发器、冷凝器，在热泵机组中流通制冷剂；以及取热箱，其设置于矿井回风取热室内，并且包括换热器，换热器与蒸发器通过闭式循环管路相连，取热工质在闭式循环管路中循环流通，在换热器中取热工质与矿井回风进行热交换，在蒸发器中取热工质与制冷剂进行热交换，其中，在取热箱中设置至少两个、彼此独立的换热器。

Description

间壁式取热热泵系统以及取热箱

本申请是申请日为2017年12月25日、申请号为201711422521.6、发明名称为“直冷式深焓取热乏风热泵系统”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及间壁式取热热泵系统，特别是涉及用于回收煤矿乏风(回风)余热的间壁式取热热泵系统。

背景技术

矿井乏风(回风)具有风量大，风温稳定、相对湿度大，连续性好的特点，是良好的低温余热资源，通过乏风热泵技术，将乏风中余热提取出来，可以满足矿井建筑采暖、洗浴热水制备和井口防冻用热的需要。同时夏季可以利用乏风热泵制冷用于建筑空调或井下降温。

对煤矿乏风余热利用目前以两种技术路线为主：其一是“淋水式乏风热泵”技术路线，另一条是“直蒸式乏风热泵”技术路线。

淋水式乏风热泵技术路线原理如图1所示，通过在回风扩散塔口设置喷淋装置，实现循环水“喷淋”，使水与乏风直接接触进行传热传质，将乏风中热量置换入水中，再利用水源热泵技术从水中提取热量，用于供热。该技术包括汇水池1’、集水池2’、全自动水处理器3’和涡旋型风源热泵机组4’等主要设备。

直蒸式乏风热泵技术，其原理如图2所示，在回风扩散塔口建一座乏风取热室5’，取热室侧面布置乏风取热箱(蒸发器)6’，利用低温低压制冷剂液体在乏风取热箱换热器中

蒸发吸热，直接将乏风中热量提取出来，制冷剂蒸发吸热后变为气态，气态制冷剂进入压缩机7’中进一步压缩变为高温高压气态制冷剂，气态制冷剂在冷凝器9’中将热量置换给水用于供热，气态制冷剂放热后变为液态，液态制冷剂经膨胀阀8’降压后再次进入乏风取热箱换热器，从而完成整个循环。

淋水式乏风热泵技术存在以下缺点：(1)回风利用率低，水气带走大量余热；(2)系统复杂，包括喷淋系统，循环系统、集水池、过滤器、热泵系统等；(3)由于采用喷淋换热，乏风中脏物全部进入水中，导致过滤器和机组经常堵塞，效率低下，维护难度大，费用高，可靠性低；(4)循环水泵采用开式循环，功耗较高，运行费用高；(5)乏风取热量有限，乏风取热后不低于7℃；(6)取热侧采用开式循环，乏风带走大量水气，系统补水量较大。

直蒸式乏风热泵技术存在以下缺点：(1)直蒸式乏风热泵技术属于大型分体热泵，没有标准机组，需要设备厂家专业设计，技术难度大；(2)直蒸式乏风热泵与乏风取热箱之间连接采用是制冷剂管道，受压缩机能力及压缩机回油限制，机组与乏风取热箱之间距离不能太远，通常不超过200m，距离过远，压缩机回油困难，乏风热泵能效低下，且乏风热泵可靠性变差；(3)乏风取热箱与乏风热泵机组之间高差不易太大，否将导致压缩机能效低下；(4)机组台数多时，每台乏风热泵机组均与各自取热箱通过各自制冷剂管道连接，导致制冷剂管道非常多，系统复杂且投资大；(5)乏风取至霜点以下除霜问题难以解决，实现双级取热难度较大。

发明内容

发明所要解决的问题

本发明要解决的技术问题是提供能够解决上述现有技术缺点的间壁式取热热泵系统以及取热箱。

本发明涉及一种间壁式取热热泵系统，用于对矿井回风进行取热，具备：热泵机组，其包括蒸发器、冷凝器，在所述热泵机组中流通制冷剂；以及取热箱，其设置于矿井回风取热室内，并且包括换热器，所述换热器与所述蒸发器通过闭式循环管路相连，所述取热工质在所述闭式循环管路中循环流通，在所述换热器中所述取热工质与矿井回风进行热交换，在所述蒸发器中所述取热工质与所述制冷剂进行热交换。由此，热泵机组对于矿井回风不是进行直接取热，而是经由取热箱来进行间接取热，也就是间壁式取热。

本发明的间壁式取热热泵系统中，在所述取热箱中设置至少两个、彼此独立的所述换热器。由此，能够提高热交换的效率。

本发明的间壁式取热热泵系统中，至少两个所述换热器以彼此平行的方式沿着所述矿井回风的流通方向排列配置。由此，实现均匀风场取热，能够提高热交换的效率。

在本发明的间壁式取热热泵系统中，至少两个所述换热器以各自沿铅垂方向延伸的方式配置，所述矿井回风沿水平方向流通，穿过所述换热器。由此，进一步实现均匀风场取热，能够提高热交换的效率。

在本发明的间壁式取热热泵系统中，还具备用于调节所述矿井回风的流量的可调风阀。由此，进一步实现均匀风场取热，能够提高热交换的效率。

在本发明的间壁式取热热泵系统中，还具备用于清洗所述换热器的喷淋部件，所述喷淋部件包括喷头和喷淋管，所述喷淋管以与所述换热器平行的方式排列配置，所述喷头能够沿所述矿井回风的流通方向对所述换热器进行喷淋清洗。由此，喷淋方向与矿井回风的流通方向一致，进一步实现均匀风场取热，能够提高热交换的效率。

在本发明的间壁式取热热泵系统中，至少两个所述换热器中沿着所述矿井回风的流通方向配置于上游侧的换热器为高温侧换热器，配置于下游侧的换热器为低温侧换热器，所述高温侧换热器的闭式循环管路与所述低温侧换热器的闭式循环管路彼此独立，所述间壁式取热热泵系统包括至少两级、彼此独立的所述热泵机组，与流过所述高温侧换热器的取热工质进行热交换的热泵机组为高温侧热泵机组，与流过所述低温侧换热器的取热工质进行热交换的热泵机组为低温侧热泵机组，用户使用的热介质先与所述低温侧热泵机组中的制冷剂进行热交换，之后与所述高温侧热泵机组中的制冷剂进行热交换。由此，实现多级取热，能够进一步提高热交换的效率。

本发明涉及取热箱，设置于间壁式取热热泵系统，用于对矿井回风进行取热，所述间壁式取热热泵系统具备：热泵机组，其包括蒸发器、冷凝器，在所述热泵机组中流通制冷剂；以及所述取热箱，其设置于矿井回风取热室内，并且包括换热器，所述换热器与所述蒸发器通过闭式循环管路相连，所述取热工质在所述闭式循环管路中循环流通，在所述换热器中所述取热工质与矿井回风进行热交换，在所述蒸发器中所述取热工质与所述制冷剂进行热交换，所述取热箱的特征在于，在所述取热箱中设置至少两个、彼此独立的所述换热器。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，包括乏风取热室，所述乏风取热室上设有至少一个乏风取热箱，所述乏风取热箱通过防冻液管路与热泵机组的蒸发器连通，所述防冻液管路用于流经防冻液(取热工质)，所述防冻液管路上安装有循环泵，所述防冻液流经乏风取热箱时吸收乏风中的热量，所述防冻液流经所述蒸发器时将吸收的乏风中的热量转换给热泵机组中的制冷剂，所述热泵机组中的冷凝器用于与用户热水进行换热。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述乏风取热箱包括第一底座以及固定在所述第一底座上的外框架，所述外框架内安装有至少一级沿乏风流经方向布置的取热换热器，每级取热换热器的下部和上部分别设有取热工质进口和取热工质出口，所述取热工质进口和所述取热工质出口分别连接所述防冻液管路，所述热泵机组设置为至少一级，所述热泵机组与所述取热换热器一一对应布置，每级所述热泵机组中冷凝器的冷却水管路之间通过连通管串联连接。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中每级所述取热换热器的换热管之间均设有除霜加热管，所述除霜加热管用于流通热液。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述外框架上设有用于调节乏风流量的可调风阀。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述取热换热器还包括翅片，所述换热管设置在所述翅片上，所述除霜加热管也设置在所述翅片上。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述外框架上设有用于喷淋所述取热换热器外表面的喷淋系统，所述喷淋系统包括喷头以及与所述喷头连接的喷淋管，所述喷淋管用来与供水源相连接。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述防冻液为乙二醇。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中还包括第二底座，所述第二底座上设置有所述热泵机组。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中每级所述热泵机组中的冷凝器固定设置在所述第二底座上，所述冷凝器的上方设有所述蒸发器，所述冷凝器与所述蒸发器之间连通的管路上设有膨胀阀，所述蒸发器的上方设有压缩机。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述冷凝器并排设置在所述第二底座上。

发明的效果

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统与现有技术不同之处在于本发明设置乏风取热室，乏风取热室上设有至少一个乏风取热箱，乏风取热箱通过防冻液管路与热泵机组的蒸发器连通，防冻液流经乏风取热箱时吸收乏风中的热量，防冻液流经所述蒸发器时将吸收的乏风中的热量转换给热泵机组中的制冷剂，热泵机组中的冷凝器用于与用户热水进行换热。整个系统简单，乏风余热回收热效率高；采用闭式防冻液循环，耗水量小，同时防冻液没有混入脏物，对机组寿命影响较小，同时不存在堵塞问题，可靠性高，维护量小；防冻液循环采用循环泵，热泵机房与乏风取热室之间相对位置更加灵活，不受取热箱与乏风热泵机组间距和高差限制问题；取热箱与热泵机组之间连接管道可以共用，与直蒸式乏风热泵相比，减少了管道数量，系统更加简单，降低了投资。

说明书中的记载仅是示例性和解释性的，并不限制本申请的保护范围。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本申请。

附图说明

图1为现有技术中的淋水式乏风热泵系统原理图；

图2为现有技术中的直蒸式乏风热泵系统原理图；

图3为本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统原理图一；

图4为本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统原理图二；

图5为本发明中的乏风取热箱的主视图；

图6为本发明中的乏风取热箱的左视图；

图7为本发明中的热泵机组的原理图；

图8为本发明中的热泵机组的主视图；

图9为本发明中的热泵机组的俯视图；

图10为本发明中的热泵机组的左视图。

具体实施方式

如图3所示，本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，包括乏风取热室25，所述乏风取热室25上设有至少一个乏风取热箱1，所述乏风取热箱1通过防冻液管路2与热泵机组28的蒸发器连通，所述防冻液管路2用于流经防冻液，所述防冻液管路2上安装有循环泵27，所述防冻液流经乏风取热箱1时吸收乏风中的热量，所述防冻液流经所述蒸发器时将吸收的乏风中的热量转换给热泵机组28中的制冷剂，所述热泵机组28中的冷凝器用于与用户热水进行换热。

所述乏风取热室25设置在煤矿回风扩散塔口，矿道内设置有风扇，将乏风吹向乏风取热室25，所述乏风取热箱1设置在乏风取热室25的一侧，乏风取热室25的另一侧设置有反向自动风门26，乏风经乏风取热箱1流出。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述乏风取热箱1包括第一底座15以及固定在所述第一底座15上的外框架16，所述外框架16内安装有至少一级沿乏风流经方向布置的取热换热器17，每级取热换热器17的下部和上部分别设有取热工质进口23和取热工质出口24，所述取热工质进口23和所述取热工质出口24分别连接所述防冻液管路2，所述热泵机组28设置为至少一级，所述热泵机组28与所述取热换热器17一一对应布置，每级所述热泵机组28中冷凝器的冷却水管路之间通过连通管14串联连接。

图3中设置有一个乏风取热箱1，并且该乏风取热箱1内仅设有一级取热换热器17，与此相对应，所述热泵机组28也仅设置为一级。

图4中设置有一个乏风取热箱1，并且该乏风取热箱1内设有两级取热换热器17，与此相对应，所述热泵机组28也设置为两级。

在实际应用中，乏风取热箱1根据实际工况可以设置两个或两个以上，乏风取热箱1内的取热换热器17也可以根据实际工况设为两级以上。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述防冻液为乙二醇。

如图5所示，并结合图6所示，本发明中的乏风取热箱包括第一底座15以及固定在所述第一底座15上的外框架16，所述外框架16内安装有至少一级沿乏风流经方向布置的取热换热器17，每级取热换热器17的下部和上部分别设有取热工质进口23和取热工质出口24，每级取热换热器17的换热管之间均设有除霜加热管22，所述除霜加热管22用于流通热液，所述取热换热器17的下方设有集水盘18，所述集水盘18内置有防冻盘管19，所述防冻盘管19用于流通热液。

上述的外框架16以及第一底座15为整个取热箱的保护装置，使取热箱的结构更加牢固，安装取热箱时可以直接将两个取热箱摞在一起，方便安装。

上述的取热换热器17为本发明中的取热系统，所述取热换热器17可以根据实际工况来设置具体的级数，在本具体实施方式中，取热换热器17设为两级，分别为一级取热换热器和二级取热换热器，一级取热换热器位于乏风流经方向的上游，二级取热换热器位于乏风流经方向的下游。取热系统通过乏风热泵机组每级制备的低温取热工质(乙二醇等防冻液)分别进入一级取热换热器和二级取热换热器的换热管，乏风通过每级取热换热器17的换热管时，将乏风中的热量置换入取热工质中。

上述的除霜加热管22为本发明中的除霜系统，除霜时，关闭取热箱一、二级取热换热器17的阀门，实现停止取热，同时打开除霜加热管22的热液阀门，使除霜加热管22内通入热液，从而将取热换热器17表面的霜除去。

上述的防冻盘管为本发明中的防冻系统，为了防止除霜以后霜变成的水流入集水盘18后结冰，集水盘18内置了防冻盘管19。通过不停地往防冻盘管19内通入热液以防止集水盘18结冰冻坏和除霜水无法排出。

所述外框架16上设有用于调节乏风流量的可调风阀20。上述的可调风阀20为本发明中的调风系统，所述可调风阀20安装在取热箱的出风口处。当多个取热箱进行布置时，由于距离风口的距离远近不同，导致通过每个取热箱的风量也不相同，通过在每个取热箱上设置进行风量调节的可调风阀20以达到均匀风场(均风)的目的，即多个取热箱通过的风量大致相同。

必要时，还可以关闭可调风阀20，以阻止乏风通过取热箱。

所述取热换热器还包括翅片，所述换热管设置在所述翅片上，所述除霜加热管22也设置在所述翅片上。

所述外框架16上设有用于喷淋所述取热换热器17外表面的喷淋系统，所述喷淋系统包括喷头21以及与所述喷头21连接的喷淋管，所述喷淋管用来与供水源相连接。

喷淋系统能够防止乏风中的脏物集结在取热换热器17的表面，通过检测取热箱进风侧与出风侧的压差，当压差高于设定值时，启动喷淋系统进行喷淋，从而除去取热换热器17表面的脏物，保持取热箱表面干净。

本发明中的单台取热箱即可实现双级甚至多级取热，乏风取热量大，实现了深焓取热；取热箱换热器内置了除霜加热管22，达到了取热箱除霜的目的；取热箱集水盘设置了防冻系统，解决了集水盘的防冻问题。

本发明中的乏风取热箱具有以下特点：(1)取热箱能够实现双级甚至多级取热，使乏风取热后的温度逐级降低，降至零度以下；(2)乏风取热箱能够实现自动除霜；(3)除霜以后，霜变成水，流入集水盘，集水盘自身设有防冻装置，不会冻坏。

如图7所示，本发明中的热泵机组至少设置为一级，每级所述热泵机组均包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，每个所述冷凝器的冷却水管路之间通过连通管14串联连接，所述蒸发器用于与流经取热箱1后的防冻液进行换热，所述冷凝器用于与用户热水进行换热。取热箱和蒸发器之间通过防冻液管2连通，防冻液通过所述防冻液管2在取热箱和蒸发器之间往复循环。

本具体实施方式中，设置两级热泵机组，分别为一级热泵机组和二级热泵机组，所述一级热泵机组包括一级蒸发器3、一级压缩机4、一级冷凝器5和一级膨胀阀6，所述二级热泵机组包括二级蒸发器7、二级压缩机9、二级冷凝器10和二级膨胀阀8，蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀阀之间的连接方式为现有技术，在此不予赘述。

一级冷凝器5与二级冷凝器10串联的方式为：一、二级冷凝器5、10内均设有冷却水管路，二级冷凝器10冷却水管路的出口与一级冷凝器5冷却水管路的入口通过连通管14连接。用户热水从二级冷凝器10冷却水管的入口12进入，经二级冷凝器10、连通管14、一级冷凝器5后从一级冷凝器5冷却水管的出口13流出，流出的热水返回用户。

流经一级蒸发器3的防冻液在流经取热箱1时，位于乏风流向的上游；流经二级蒸发器7的防冻液在流经取热箱1时，位于乏风流向的下游，完成梯级取热。用户所使用的热水先经过二级冷凝器10进行换热，水温由40℃升至45℃，接着45℃的热水再经过一级冷凝器5，水温由45℃升至50℃，完成用户热水的梯级加热。

如图8所示，并结合图9和图10所示，本发明还包括第二底座11，所述第二底座11上设置有所述热泵机组。

每级所述热泵机组中的冷凝器固定设置在所述第二底座11上，所述冷凝器的上方设有所述蒸发器，所述冷凝器与蒸发器之间连通的管路上设有所述膨胀阀，所述蒸发器的上方设有所述压缩机。所述冷凝器并排设置在所述第二底座11上。

本发明设置至少一级热泵机组，每级热泵机组中的冷凝器的冷却水管路通过连通管14串联连接，以设置两级热泵机组为例进行说明，A、B两台热泵机组组合在一起，做成一台机组，同时A、B两台热泵机组中的冷凝器实现串联，即经热泵机组B冷凝器加热后的热水再进入热泵机组A冷凝器再次加热，实现梯级加热，假设热泵机组B冷凝器水温由40℃升温至45℃，再进入热泵机组A冷凝器中实现水温由45℃升温至50℃，这样热泵机组B的冷凝温度可以设计为48℃，热泵机组A的冷凝温度可以设计为53℃，这样，

理论COP_A＝(273+53)/[(273+53)-(273-13)]＝4.94；

理论COP_B＝(273+48)/[(273+48)-(273-20)]＝4.72；

两个热泵机组平均COP＝(COPA+COPB)/2＝4.83。

可见，本发明能够提高整个系统的综合COP值，即提高了系统的能效。同时这样也降低了热泵机组B的冷凝温度，优化了机组的运行工况，提高了机组的稳定性。

如图3所示，并结合图4所示，在煤矿回风扩散塔口建一座乏风取热室，乏风取热室侧面布置乏风取热箱，循环介质采用乙二醇等防冻液。低温防冻液进入乏风取热箱换热管内，乏风流过乏风取热箱换热器管外，通过换热将乏风中热量置换入防冻液，防冻液温度升高，通过循环泵进入(水源)热泵机组，热泵机组提取防冻液中热量后，防冻液温度降低，变为低温防冻液，低温防冻再次进入乏风取热箱，完成整个循环。

本发明的优点如下：

1、乏风取热焓差大，可以实现双级取热，乏风取热后温度达-10℃，甚至更低；

2、系统简单，乏风余热回收热效率高；

3、采用闭式防冻液循环，耗水量小，同时防冻液没有混入脏物，对机组寿命影响较小，同时不存在堵塞问题，可靠性高，维护量小；

4、防冻液循环采用循环泵，热泵机房与乏风取热室之间相对位置更加灵活，不受取热箱与乏风热泵机组间距和高差限制问题；

5、机组可以采用水源热泵机组，技术成熟，稳定可靠；

6、取热箱与乏风热泵之间连接管道可以共用，与直蒸式乏风热泵相比，减少了管道数量，系统更加简单，降低了投资。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种间壁式取热热泵系统，用于对矿井回风进行取热，具备：

热泵机组，其包括蒸发器、冷凝器，在所述热泵机组中流通制冷剂；以及

取热箱，其设置于矿井回风取热室内，并且包括换热器，

所述换热器与所述蒸发器通过闭式循环管路相连，所述取热工质在所述闭式循环管路中循环流通，在所述换热器中所述取热工质与矿井回风进行热交换，在所述蒸发器中所述取热工质与所述制冷剂进行热交换，

所述间壁式取热热泵系统的特征在于，

在所述取热箱中设置至少两个、彼此独立的所述换热器。

2.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

至少两个所述换热器以彼此平行的方式沿着所述矿井回风的流通方向排列配置。

3.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

至少两个所述换热器以各自沿铅垂方向延伸的方式配置，

所述矿井回风沿水平方向流通，穿过所述换热器。

4.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

还具备用于调节所述矿井回风的流量的可调风阀。

5.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

还具备用于清洗所述换热器的喷淋部件，

所述喷淋部件包括喷头和喷淋管，所述喷淋管以与所述换热器平行的方式排列配置，所述喷头能够沿所述矿井回风的流通方向对所述换热器进行喷淋清洗。

6.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

所述换热器具有除霜加热管，所述除霜加热管中流通用于对换热器进行除霜加热的热液。

7.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

至少两个所述换热器中沿着所述矿井回风的流通方向配置于上游侧的换热器为高温侧换热器，配置于下游侧的换热器为低温侧换热器，所述高温侧换热器的闭式循环管路与所述低温侧换热器的闭式循环管路彼此独立，

所述间壁式取热热泵系统包括至少两级、彼此独立的所述热泵机组，与流过所述高温侧换热器的取热工质进行热交换的热泵机组为高温侧热泵机组，与流过所述低温侧换热器的取热工质进行热交换的热泵机组为低温侧热泵机组，

用户使用的热介质先与所述低温侧热泵机组中的制冷剂进行热交换，之后与所述高温侧热泵机组中的制冷剂进行热交换。

8.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

在所述闭式循环管路中设置有循环泵。

9.根据权利要求1所述的间壁式取热热泵系统，其特征在于，

所述取热工质为乙二醇。

10.一种取热箱，设置于间壁式取热热泵系统，用于对矿井回风进行取热，所述间壁式取热热泵系统具备：

热泵机组，其包括蒸发器、冷凝器，在所述热泵机组中流通制冷剂；以及

所述取热箱，其设置于矿井回风取热室内，并且包括换热器，

所述换热器与所述蒸发器通过闭式循环管路相连，所述取热工质在所述闭式循环管路中循环流通，在所述换热器中所述取热工质与矿井回风进行热交换，在所述蒸发器中所述取热工质与所述制冷剂进行热交换，

所述取热箱的特征在于，

在所述取热箱中设置至少两个、彼此独立的所述换热器。