CN201081401Y - 一种低品位余热回收热泵热水装置 - Google Patents

Abstract

一种低品位余热回收热泵热水装置，用于回收30～50℃废水中的热量以制取55℃以上的清洁热水。装置主要包括一个预热器、一个蒸发器、两个冷凝器、两台独立的压缩机、两个制冷剂膨胀元件、两台水泵、及其他附属部件。通过制冷剂管路和水管路将上述部件连接成一个系统，形成废水、清水、制冷剂三个封闭回路。废水在预热器中与清洁冷水换热后进入蒸发器，被制冷剂进一步吸热后排放，经预热器初步升温的清水再先后流经低温冷凝器和高温冷凝器而逐步被加温至要求的温度。制冷回路充注有常规的HCFC制冷剂，由压缩机抽吸在制冷回路中形成两个蒸气压缩式制冷循环。两台水泵的作用是分别给废水和清水加压，以克服换热器和管路压力损失。

Description

一种低品位余热回收热泵热水装置

一、技术领域

本实用新型涉及一种利用蒸汽压缩式制冷原理，能高效地回收40℃以下废水中低品位余热，即时制取55℃以上热水的热泵热回收装置，该装置结构简单、易于实现、成本低廉、高效可靠。产品主要适用于食品、医药、轻纺、化工等工业过程的低品位余热回收，提供用于产品预热或包装洗涤等的热水；以及宾馆、酒店、健身房、营业性洗浴场所等生活和洗浴废水的余热回收，生产和供应生活热水。

二、背景技术

在食品、医药、轻纺、化工等工业生产过程中会产生大量30～50℃的工业废水，在宾馆、酒店、健身房、营业性洗浴场所等人口密集生活区会产生大量25～35℃的生活卫生废水，这些废水中含有巨大的热量，但因热能的品位较低，无法通过直接换热的方式进行回收利用，因而基本都被白白排放掉。此外，这些工业生产和生活过程又需要消耗大量的能源制取55℃左右的生产和生活用热水。这一方面导致废热排放造成环境污染，另一方面又导致能源的巨大浪费，因而回收废水中的余热用于制取新的热水成为环境、经济、技术的多重需求。

目前的工业余热回收利用装置和技术基本都是针对60～90℃较高品位的余热进行的，无法回收利用50℃以下余热，因而无法直接用于本实用新型所针对的使用场合。此外，简单的直接换热手段对余热的回收利用率很低，且达不到热水55℃以上的出口温度要求。

现有的一些技术手段采用直接换热加单级热泵并用的手段，即温度较低的清水与温度较高的废水首先在热交换器中进行换热，废水初步降温而清水初步升温；降温后的废水进入蒸发器被制冷剂吸热后进一步降温，然后被排放；升温后的清水进入冷凝器被制冷剂加热后升温到要求的数值供用户使用。这种系统制冷剂的冷凝温度必须高于装置的热水出水温度，因而蒸发和冷凝的压差很大，系统制冷循环的能效比，即COP较低，一般只有4.5左右，达不到高效回收余热的目的。

三、发明内容

为解决工业和生活中50℃以下废水中低品位余热难以回收利用，且回收效率不高的问题，本实用新型提供了一种能高效回收25～50℃废水中的低品位余热，以制取55℃以上生产和生活热水的热泵装置。本实用新型的技术解决方案是：

一种低品位余热回收热泵热水装置，主要包括一个预热器、一个蒸发器、两个冷凝器、两台独立的压缩机、两个制冷剂膨胀元件、两台水泵、一套制冷剂管路、一套清水管路、一套废水管路、适量制冷剂、一套电控装置，上述部件共同安装于一个带有钣金外壳或金属网罩的底座上，构成一个整体装置，其特征是：

低压压缩机[4]的吸入口[41]和排出口[42]通过制冷剂管路分别与蒸发器[1]的制冷剂出口[12]和低温冷凝器[2]的制冷剂进口[21]相连，低压制冷剂膨胀元件[6]的进口[61]和出口[62]通过制冷剂管路分别与低温冷凝器[2]的制冷剂出口[22]和蒸发器[1]的冷剂进口[11]相连，形成第一制冷剂回路；

高压压缩机[5]的吸入口[51]和排出口[52]通过制冷剂管路分别与低压压缩机[4]的排出口[42]和高温冷凝器[3]的制冷剂进口[31]相连，高压制冷剂膨胀元件[7]的进口[71]和出口[72]通过制冷剂管路分别与高温冷凝器[3]的制冷剂出口[32]和蒸发器[1]的冷剂进口[11]相连，形成第二制冷剂回路；

预热器[8]的清水进口[83]和清水出口[84]通过水管路分别与清水泵[9]的出口[92]和低温冷凝器[2]的清水进口[23]相连，低温冷凝器[2]的清水出口[24]与高温冷凝器[3]的清水进口[33]通过水管路相连，高温冷凝器[3]的清水出口[34]通过水管路与整个装置的清水出口接头相连，清水泵[9]的清水进口[91]通过水管路与整个装置的清水进口接头相连，形成清水回路；

预热器[8]的废水进口[81]和废水出口[82]通过水管路分别与废水泵[10]的出口[102]和蒸发器[1]的废水进口[13]相连，蒸发器[1]的废水出口[14]通过水管路与整个装置的废水出口接头相连，废水泵[10]的废水进口[101]通过水管路与整个装置的废水进口接头相连，形成废水回路；

第一和第二制冷剂封闭回路中充注有HCFC制冷剂。

清水与废水分别经“清水泵”和“废水泵”加压后，在“预热器”中进行热量交换，然后废水进入“蒸发器”，在其中被制冷剂的蒸发过程进一步吸热降温，然后排放出整个热回收装置。被废水预热的清水首先进入一个温度和制冷剂压力都较低的“低温冷凝器”中，在其中吸收制冷剂冷凝所放出的热量而进一步升温。进一步升温后的清水再进入一个温度和制冷剂压力都较高的“高温冷凝器”中，在其中吸收制冷剂冷凝所放出的热量而升至终了温度，并排出装置供给用户。蒸发器中制冷剂蒸气因吸收废水中的热量而气化，气化后的制冷剂蒸气被一台“低压压缩机”吸入并压缩至中等压力，中等压力的制冷剂气体一部分进入“低温冷凝器”进行冷凝并把热量释放给经“预热器”初步升温的清水，另一部分则被“高压压缩机”吸入并压缩至较高压力后进入“高温冷凝器”进行冷凝并把热量释放给经“低温冷凝器”再次加热的清水。在两个冷凝器中冷凝成液态的制冷剂分别经两个“制冷剂膨胀元件”降压膨胀后同时进入蒸发器。这一技术方案的最大特点就是相比于简单换热加单级热泵的系统而言，将制冷剂的冷凝过程分成两级，因而只需要将一半的制冷剂压缩到超过出水温度的冷凝温度，而另一半制冷剂则只要压缩到“预热器”出口水温与“装置”出口水温平均值以上的冷凝温度即可，因而较多地节省了制冷剂的压缩功消耗，提高了整个装置的热回收效率。

本实用新型的有益效果是：相比于简单换热加单级热泵的热回收系统而言，装置的能效比大约提高了40％～75％，具有显著的节能意义；此外，该装置的构造无需使用价格昂贵的两级压缩机，只需使用两个规格匹配的全封闭或半封闭或开启式单级压缩机即可，大大简化了系统构成，并降低了制造成本，也简化了系统的开支，并提高零部件可靠性。

四、附图说明

图1是本实用新型的装置主要构成部件及系统连接关系流程图。

图2是本系统与传统的单级热泵系统的热力学对比(单一制冷剂)。

图3是本系统与传统的单级热泵系统的热力学对比(非共沸混合)。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是本实用新型的装置主要构成部件及系统连接关系流程图。图中：1-蒸发器，2-低温冷凝器，3-高温冷凝器，4-低压压缩机，5-高压压缩机，6-低压制冷剂膨胀元件，7-高压制冷剂膨胀元件，8-预热器，9-清水泵，10-废水泵。图2是本系统与传统简单换热加单级热泵系统在制冷循环方面的功耗对比情况。

图1所示的具体实施方式中，装置主要包括一个预热器、一个蒸发器、两个冷凝器、两台独立的压缩机、两个制冷剂膨胀元件、两台水泵，各部件通过水管路和制冷剂管路连接构成完整系统，形成废水、清水、制冷剂三个相互隔绝的独立回路，配以一定的电控装置，制冷回路充注HCFC制冷剂，这些部件和电控装置共同安装于一个带有钣金外壳或金属网罩的底座上，构成一个整体热泵热回收装置：

低压压缩机[4]的吸入口[41]和排出口[42]通过制冷剂管路分别与蒸发器[1]的制冷剂出口[12]和低温冷凝器[2]的制冷剂进口[21]相连，低压制冷剂膨胀元件[6]的进口[61]和出口[62]通过制冷剂管路分别与低温冷凝器[2]的制冷剂出口[22]和蒸发器[1]的冷剂进口[11]相连，形成第一制冷剂回路。

高压压缩机[5]的吸入口[51]和排出口[52]通过制冷剂管路分别与低压压缩机[4]的排出口[42]和高温冷凝器[3]的制冷剂进口[31]相连，高压制冷剂膨胀元件[7]的进口[71]和出口[72]通过制冷剂管路分别与高温冷凝器[3]的制冷剂出口[32]和蒸发器[1]的冷剂进口[11]相连，形成第二制冷剂回路。

预热器[8]的清水进口[83]和清水出口[84]通过水管路分别与清水泵[9]的出口[92]和低温冷凝器[2]的清水进口[23]相连，低温冷凝器[2]的清水出口[24]与高温冷凝器[3]的清水进口[33]通过水管路相连，高温冷凝器[3]的清水出口[34]通过水管路与整个装置的清水出口接头相连，清水泵[9]的清水进口[91]通过水管路与整个装置的清水进口接头相连，形成清水回路。

预热器[8]的废水进口[81]和废水出口[82]通过水管路分别与废水泵[10]的出口[102]和蒸发器[1]的废水进口[13]相连，蒸发器[1]的废水出口[14]通过水管路与整个装置的废水出口接头相连，废水泵[10]的废水进口[101]通过水管路与整个装置的废水进口接头相连，形成废水回路。

制冷剂封闭回路中充注有HCFC制冷剂，低压压缩机[4]从蒸发器[1]中吸入低压制冷剂蒸气后压缩成中压状态，一部分中压制冷剂蒸气被排入低温冷凝器[2]中向清水放热并在其中冷凝成液态，另一部分中压制冷剂蒸气被高压压缩机[5]吸入继续压缩至高压状态后被排入高压冷凝器[3]中向清水放热并在其中冷凝成液态，低温冷凝器[2]和高温冷凝器[3]排出的液态制冷剂分别经低压制冷剂膨胀元件[6]和高压制冷剂膨胀元件[7]膨胀降压后共同排入蒸发器[1]内，在其中吸收废水的热量而气化，形成两个独立的蒸气压缩式制冷循环。

废水经废水泵[10]增压后逐级流经预热器[8]和蒸发器[1]，分别在其中将热量逐步传递给清水和蒸发的制冷剂，降温后被排放出整个热回收装置。清水经清水泵[9]增压后逐级流经预热器[8]、低温冷凝器[2]、高温冷凝器[3]，被废水和制冷剂的冷凝过程逐步加热后送出整个热回收装置，供给用户使用。

图2和图3是按两级冷凝方式工作的本系统与传统的采用单级热泵系统的冷凝过程热力学对比，图中左上角阴影部分的面积即为一个制冷循环中本系统较已有技术单级循环方案所节省的功耗，图2所示的系统采用单一制冷剂或共沸及近共沸混合制冷剂，图3所示的系统采用非共沸混合制冷剂。后者的热回收效率更高，系统的热力学完善程度也更高。

图1所示的实施例中，在两个制冷回路中的压缩机吸入口前增设制冷剂气液分离器，在两个冷凝器制冷剂出口后增设制冷剂储液器，在制冷剂液体管路上增设视液镜，在两个压缩机排出口后增设油气分离器，以及在制冷回路中增设压缩机曲轴箱稳压阀、蒸发压力调节阀、压力控制器等制冷自控和调节用辅助元件，这些辅助元件同时或有选择装设，以改善系统性能，提高系统可靠性。压缩机[4]和[5]可以使用全封闭式、半封闭式、开启式压缩机，或不同压缩机的组合。制冷剂膨胀元件[6]和[7]可以使用毛细管、节流短管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等节流降压元件。整体装置中的清水泵[9]和废水泵[10]也可省去，而由外部供水装置提供必要的清水和废水压力，以克服换热器和管路元件压力损失。水路系统中可增设电磁阀、截止阀、单向阀等元件，以提高系统的综合可靠性。系统中的水路和制冷剂管路可使用铜管、钢管、塑料管、复合管等任何管材。整个系统可采用手动，单片机、PLC、计算机自动等任何控制手段。

图1所示的具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求书内容和范围的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术范畴。

Claims (4)

1.一种低品位余热回收热泵热水装置，主要包括一个预热器、一个蒸发器、两个冷凝器、两台独立的压缩机、两个制冷剂膨胀元件、两台水泵、一套制冷剂管路、一套清水管路、一套废水管路、适量制冷剂、一套电控装置，上述部件共同安装于一个带有钣金外壳或金属网罩的底座上，构成一个整体装置，其特征是：

低压压缩机[4]的吸入口[41]和排出口[42]通过制冷剂管路分别与蒸发器[1]的制冷剂出口[12]和低温冷凝器[2]的制冷剂进口[21]相连，低压制冷剂膨胀元件[6]的进口[61]和出口[62]通过制冷剂管路分别与低温冷凝器[2]的制冷剂出口[22]和蒸发器[1]的冷剂进口[11]相连，形成第一制冷剂回路；

高压压缩机[5]的吸入口[51]和排出口[52]通过制冷剂管路分别与低压压缩机[4]的排出口[42]和高温冷凝器[3]的制冷剂进口[31]相连，高压制冷剂膨胀元件[7]的进口[71]和出口[72]通过制冷剂管路分别与高温冷凝器[3]的制冷剂出口[32]和蒸发器[1]的冷剂进口[11]相连，形成第二制冷剂回路；

预热器[8]的清水进口[83]和清水出口[84]通过水管路分别与清水泵[9]的出口[92]和低温冷凝器[2]的清水进口[23]相连，低温冷凝器[2]的清水出口[24]与高温冷凝器[3]的清水进口[33]通过水管路相连，高温冷凝器[3]的清水出口[34]通过水管路与整个装置的清水出口接头相连，清水泵[9]的清水进口[91]通过水管路与整个装置的清水进口接头相连，形成清水回路；

预热器[8]的废水进口[81]和废水出口[82]通过水管路分别与废水泵[10]的出口[102]和蒸发器[1]的废水进口[13]相连，蒸发器[1]的废水出口[14]通过水管路与整个装置的废水出口接头相连，废水泵[10]的废水进口[101]通过水管路与整个装置的废水进口接头相连，形成废水回路；

第一和第二制冷剂封闭回路中充注有HCFC制冷剂。

2.根据权利要求1所述的低品位余热回收热泵热水装置，其特征是：在两个制冷回路中的压缩机吸入口前增设制冷剂气液分离器，在两个冷凝器制冷剂出口后增设制冷剂储液器，在制冷剂液体管路上增设视液镜，在两个压缩机排出口后增设油气分离器，在制冷回路中增设压缩机曲轴箱稳压阀、蒸发压力调节阀、制冷自控和调节辅助元件。

3.根据权利要求1所述的低品位余热回收热泵热水装置，其特征是：系统中使用全封闭式、半封闭式、开启式压缩机，或不同压缩机的组合。

4.根据权利要求1所述的低品位余热回收热泵热水装置，其特征是：系统中使用毛细管、节流短管、热力膨胀阀、电子膨胀阀作为制冷剂膨胀元件[6]和[7]。

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