CN213178516U - 一种矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统，包括一级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、二级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、用户侧供热水系统单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元。本实用新型利用梯级取热原理，采用并联压缩冷凝技术，将矿井乏风的热量通过工质直蒸换热方式分级转移到系统内部的工质循环系统，然后通过高温冷凝换热方式，把热量传递给热用户回水，从而实现对热用户提供高温水。本实用新型的冷凝换热侧采用两级串联方式，增大了用户侧供回水的温差，降低了管道施工量，可提升供热系统整体能效。

Description

一种矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统

技术领域

本实用新型涉及矿井乏风余热利用技术领域，特别是涉及一种矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统。

背景技术

煤矿在建设生产过程中存在大量的矿井排风，乏风温度一年四季约在18℃，相对湿度接近100％，其中蕴含大量低温余热资源，回收价值很高。煤矿还存在冬季井口防冻、洗浴热水和建筑采暖等用热需求，因此，通过对乏风余热有效利用，可进一步实现煤矿的节能减排。

目前矿井乏风余热利用方法主要有喷淋取热法、分体直蒸取热法、间壁式防冻液取热法和热管取热法等。从实际效果看，这些的方法有着各自的不足和缺陷。例如，喷淋换热法和间接防冻液法中需与水源热泵相结合，回收装置体积大，效率低、易腐蚀；分体直蒸法中连接管线多，安装工程量大；热管法中热管存在传热极限，工程复杂和应用场合限制大等问题，而且回收的余热用途单一等。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述乏风余热回收中存在的问题，充分研究和掌握矿井乏风物性参数变化机理与规律的基础上，利用梯级取热原理，采用并联压缩冷凝技术，提出一种带融霜和自清洗功能的矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统，将矿井乏风的热量通过工质直蒸换热方式分级转移到系统内部的工质循环系统，然后通过高温冷凝换热方式，把热量传递给热用户回水，从而实现对热用户提供高温水的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统，包括一级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、二级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、用户侧供热水系统单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元；

所述一级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的一级压缩冷凝机组、一级储液器、一级工质配液泵、一级单向阀、至少两组并联设置的一级热力膨胀阀与一级乏风取热器、一级气液分离器，所述一级储液器与一级气液分离器之间设有一级压差平衡阀；

所述二级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的二级压缩冷凝机组、二级储液器、二级工质配液泵、二级单向阀、至少两组并联设置的二级电磁阀、至少两组并联设置的二级热力膨胀阀与二级乏风取热器、二级气液分离器，所述二级储液器与二级气液分离器之间设有二级压差平衡阀；

所述用户侧供热水系统单元包括依次管路连接的集水器、供热循环泵、供热单向阀、设置在所述二级压缩冷凝机组内的二级冷凝换热器、设置在所述一级压缩冷凝机组内的一级冷凝换热器、分水器；

所述二级取热融霜单元包括与所述分水器和集水器相连通的融霜管路，所述融霜管路中并联设有融霜支管路，所述融霜支管路设置在每组二级乏风取热器内，所述融霜支管路上设有融霜电磁阀；

所述自清洗单元包括依次管路连接的水箱、清洗循环泵、清洗单向阀、喷淋头以及设置在所述喷淋头进水侧上的清洗电磁阀，所述喷淋头并联设置在每组一级乏风取热器的进风侧。

优选地，矿井乏风依次经过一级乏风取热器、二级乏风取热器。

优选地，所述用户侧供热水系统单元还包括设置在所述供热循环泵进水侧上的补水单元，所述补水单元包括与补水源依次相连的补水箱、补水循环泵、补水单向阀。

优选地，当吸排气压差大于设定值时，所述一级压差平衡阀开启，工质从一级储液器经一级压差平衡阀与来自一级乏风取热器的工质相混合后进入一级气液分离器；当吸排气压差小于或等于设定值时，所述一级压差平衡阀关闭。

优选地，当吸排气压差大于设定值时，所述二级压差平衡阀开启，工质从二级储液器经二级压差平衡阀与来自二级乏风取热器的工质相混合后进入二级气液分离器；当吸排气压差小于或等于设定值时，所述二级压差平衡阀关闭。

优选地，在融霜工况时，所述二级取热融霜单元轮流对一组或多组二级乏风取热器进行轮动融霜。

优选地，所述二级取热融霜单元通过控制每一融霜支管路上融霜电磁阀的开闭进行轮动融霜。

优选地，在自清洗时，所述自清洗单元依次对一组或多组一级乏风取热器进行轮动清洗。

优选地，所述自清洗单元通过控制每一清洗电磁阀的开闭进行轮动清洗。

基于上述技术方案，本实用新型的优点是：

1、对矿井乏风采用梯级取热方式，能源回收利用率进一步提升，可实现余热资源的最大有效利用；

2、本系统采用并联压缩冷凝方式，大大减少连接管道的安装工程量，有效降低工程成本和提高供热系统的能效与可靠性；

3、单独配置二级乏风取热器融霜管路，通过对乏风取热器进行分组轮动融霜，进一步提升系统蒸发侧的换热效率；

4、冷凝换热侧采用两级串联方式，可增大用户侧供回水的温差和降低管道施工量，此外可提升供热系统整体能效；

5、本系统通过压差平衡阀进一步调节吸气压力和排气压力，以保证压缩冷凝机组的运行稳定性；

6、本系统主液路配置工质配液泵，可降低输液损失，使蒸发温度更均匀，提高系统的取热效率；

7、设有翅片自清洗系统，以适应矿井乏风高粉尘的恶劣工况。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型的矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统分为五个部分，包括一级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、二级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、用户侧供热水系统单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元。如图1所示，其中示出了本实用新型的一种优选实施方式。

具体地，所述一级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的一级压缩冷凝机组1-1、一级储液器2-1、一级工质配液泵4-1、一级单向阀8-1、至少两组并联设置的一级热力膨胀阀6-1与一级乏风取热器5-1、一级气液分离器3-1，所述一级储液器2-1与一级气液分离器3-1之间设有一级压差平衡阀9-1。

其中，一级压差平衡阀9-1用于调节排气压力和吸气压力。优选地，当吸排气压差大于设定值时，所述一级压差平衡阀9-1开启，工质从一级储液器2-1经一级压差平衡阀9-1与来自一级乏风取热器5-1 的工质相混合后进入一级气液分离器3-1；当吸排气压差小于或等于设定值时，所述一级压差平衡阀9-1关闭。

所述二级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的二级压缩冷凝机组1-2、二级储液器2-2、二级工质配液泵4-2、二级单向阀8-2、至少两组并联设置的二级电磁阀7-2、至少两组并联设置的二级热力膨胀阀6-2与二级乏风取热器5-2、二级气液分离器3-2，所述二级储液器2-2与二级气液分离器3-2之间设有二级压差平衡阀9-2。

其中，二级压差平衡阀9-2用于调节排气压力和吸气压力。优选地，当吸排气压差大于设定值时，所述二级压差平衡阀9-2开启，工质从二级储液器2-2经二级压差平衡阀9-2与来自二级乏风取热器5-2 的工质相混合后进入二级气液分离器3-2；当吸排气压差小于或等于设定值时，所述二级压差平衡阀9-2关闭。

进一步，所述用户侧供热水系统单元包括依次管路连接的集水器 13-2、供热循环泵12-3、供热单向阀8-4、设置在所述二级压缩冷凝机组1-2内的二级冷凝换热器、设置在所述一级压缩冷凝机组1-1内的一级冷凝换热器、分水器13-1。优选地，所述用户侧供热水系统单元还包括设置在所述供热循环泵12-3进水侧上的补水单元，所述补水单元包括与补水源依次相连的补水箱11-2、补水循环泵12-2、补水单向阀8-5。

所述二级取热融霜单元包括与所述分水器13-1和集水器13-2相连通的融霜管路，所述融霜管路中并联设有融霜支管路，所述融霜支管路设置在每组二级乏风取热器5-2内，所述融霜支管路上设有融霜电磁阀7-3。

如图1所示，所述自清洗单元包括依次管路连接的水箱11-1、清洗循环泵12-1、清洗单向阀8-3、喷淋头10以及设置在所述喷淋头10 进水侧上的清洗电磁阀7-1，所述喷淋头10并联设置在每组一级乏风取热器5-1的进风侧。

优选地，矿井乏风依次经过一级乏风取热器5-1、二级乏风取热器5-2，以保证乏风中的尘土在一级乏风取热器5-1上进行富集清洗，同时保证一级乏风取热器5-1上不产生结霜。

优选地，在融霜工况时，所述二级取热融霜单元轮流对一组或多组二级乏风取热器5-2进行轮动融霜。优选地，所述二级取热融霜单元通过控制每一融霜支管路上融霜电磁阀7-3的开闭进行轮动融霜。

进一步，在自清洗时，所述自清洗单元依次对一组或多组一级乏风取热器5-1进行轮动清洗。优选地，所述自清洗单元通过控制每一清洗电磁阀7-1的开闭进行轮动清洗。

为进一步说明本实用新型的矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统的工作原理，以下阐述本实用新型的工作过程：

1)一级直蒸取热压缩冷凝并联循环过程

在此过程中，工质液体分别从一级压缩冷凝机组1-1汇合至一级储液器2-1中，流经一级工质配液泵4-1和一级单向阀8-1后，分别经过一级热力膨胀阀6-1进入一级乏风取热器5-1中，工质发生吸热蒸发过程后，汇合进入一级气液分离器3-1，然后再次分别进入一级压缩冷凝机组1-1，以此完成一级直蒸取热压缩冷凝并联循环过程。

2)二级直蒸取热压缩冷凝并联循环过程

在此过程中，在二级工质取热循环过程中，二级电磁阀7-2开启。液体工质分别从二级压缩冷凝机组1-2汇合至二级储液器2-2中，流经二级工质配液泵4-2和二级单向阀8-2后，分别经过二级电磁阀7-2 和二级热力膨胀阀6-2进入二级乏风取热器5-2中，工质发生吸热蒸发过程后，汇合后进入二级气液分离器3-2，然后再次分别进入二级压缩冷凝机组1-2，以此完成二级直蒸取热压缩冷凝并联循环过程。

3)用户侧供热过程

在此过程中，热用户的回水经由球阀进入集水器13-2后，经由供热循环泵12-3、供热单向阀8-4、球阀后，分别经球阀进入二级压缩冷凝机组1-2，进行吸热过程，汇合后再分别经各个球阀进入一级压缩冷凝机组1-1中再次进行吸热过程，汇总后经由球阀和分水器13-1 流向热用户，以此完成用户侧供热过程。

其中，补水单元视水位而启动。例如，当系统水位低于设定值，补水泵12-2开启，自来水经由球阀进入补水箱11-2后，经由球阀、补水泵12-2、补水单向阀8-5和球阀进入集水器13-2；当系统水位大于等于设定值，补水泵12-2关闭。

4)二级取热融霜过程

在融霜工况时，依次对每组或多组二级乏风取热器5-2进行轮动融霜。例如，当对第一组二级乏风取热器5-2进行融霜时，一路融霜电磁阀7-3开启，其余融霜电磁阀7-3关闭，分水器13-1中的部分高温水经由球阀、融霜电磁阀7-3进入一组二级乏风取热器5-2，进行放热融霜后经过球阀进入集水器13-2，与热用户回水混合，以此完成第一组二级乏风取热器5-2的融霜过程，然后依次对其余二级乏风取热器5-2进行轮动融霜，融霜过程同上。

5)自清洗过程

在此过程中，依次对每一组或多组一级乏风取热器5-1进行轮动清洗。例如，对一级乏风取热器5-1进行清洗时，循环泵12-1开启，其中一路清洗电磁阀7-1开启，其余清洗电磁阀7-1关闭。自来水经由球阀进入水箱11-1，再经过清洗循环泵12-1、清洗单向阀8-3、球阀、清洗电磁阀7-1进入喷淋头10，对一级乏风取热器5-1表面进行喷淋清洗，以此完成第一组一级乏风取热器5-1的自清洗过程，然后依次对其余一级乏风取热器5-1进行轮动自清洗，自清洗过程同上。

本实用新型的矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统对矿井乏风采用梯级取热方式，能源回收利用率进一步提升，可实现余热资源的最大有效利用；其采用并联压缩冷凝方式，大大减少连接管道的安装工程量，有效降低工程成本和提高供热系统的能效与可靠性；通过单独配置二级乏风取热器融霜管路，通过对乏风取热器进行分组轮动融霜，进一步提升系统蒸发侧的换热效率；冷凝换热侧采用两级串联方式，可增大用户侧供回水的温差和降低管道施工量，此外可提升供热系统整体能效；通过压差平衡阀进一步调节吸气压力和排气压力，以保证压缩冷凝机组的运行稳定性；主液路配置工质配液泵，可降低输液损失，使蒸发温度更均匀，提高系统的取热效率；设有翅片自清洗系统，以适应矿井乏风高粉尘的恶劣工况。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种矿用并联压缩冷凝式梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：包括一级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、二级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元、用户侧供热水系统单元、二级取热融霜单元以及自清洗单元；

所述一级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的一级压缩冷凝机组(1-1)、一级储液器(2-1)、一级工质配液泵(4-1)、一级单向阀(8-1)、至少两组并联设置的一级热力膨胀阀(6-1)与一级乏风取热器(5-1)、一级气液分离器(3-1)，所述一级储液器(2-1)与一级气液分离器(3-1)之间设有一级压差平衡阀(9-1)；

所述二级直蒸取热压缩冷凝并联循环单元包括依次循环连接的至少两组并联设置的二级压缩冷凝机组(1-2)、二级储液器(2-2)、二级工质配液泵(4-2)、二级单向阀(8-2)、至少两组并联设置的二级电磁阀(7-2)、至少两组并联设置的二级热力膨胀阀(6-2)与二级乏风取热器(5-2)、二级气液分离器(3-2)，所述二级储液器(2-2)与二级气液分离器(3-2)之间设有二级压差平衡阀(9-2)；

所述用户侧供热水系统单元包括依次管路连接的集水器(13-2)、供热循环泵(12-3)、供热单向阀(8-4)、设置在所述二级压缩冷凝机组(1-2)内的二级冷凝换热器、设置在所述一级压缩冷凝机组(1-1)内的一级冷凝换热器、分水器(13-1)；

所述二级取热融霜单元包括与所述分水器(13-1)和集水器(13-2)相连通的融霜管路，所述融霜管路中并联设有融霜支管路，所述融霜支管路设置在每组二级乏风取热器(5-2)内，所述融霜支管路上设有融霜电磁阀(7-3)；

所述自清洗单元包括依次管路连接的水箱(11-1)、清洗循环泵(12-1)、清洗单向阀(8-3)、喷淋头(10)以及设置在所述喷淋头(10)进水侧上的清洗电磁阀(7-1)，所述喷淋头(10)并联设置在每组一级乏风取热器(5-1)的进风侧。

2.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：矿井乏风依次经过一级乏风取热器(5-1)、二级乏风取热器(5-2)。

3.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：所述用户侧供热水系统单元还包括设置在所述供热循环泵(12-3)进水侧上的补水单元，所述补水单元包括与补水源依次相连的补水箱(11-2)、补水循环泵(12-2)、补水单向阀(8-5)。

4.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：当吸排气压差大于设定值时，所述一级压差平衡阀(9-1)开启，工质从一级储液器(2-1)经一级压差平衡阀(9-1)与来自一级乏风取热器(5-1)的工质相混合后进入一级气液分离器(3-1)；当吸排气压差小于或等于设定值时，所述一级压差平衡阀(9-1)关闭。

5.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：当吸排气压差大于设定值时，所述二级压差平衡阀(9-2)开启，工质从二级储液器(2-2)经二级压差平衡阀(9-2)与来自二级乏风取热器(5-2)的工质相混合后进入二级气液分离器(3-2)；当吸排气压差小于或等于设定值时，所述二级压差平衡阀(9-2)关闭。

6.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：在融霜工况时，所述二级取热融霜单元轮流对一组或多组二级乏风取热器(5-2)进行轮动融霜。

7.根据权利要求6所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：所述二级取热融霜单元通过控制每一融霜支管路上融霜电磁阀(7-3)的开闭进行轮动融霜。

8.根据权利要求1所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：在自清洗时，所述自清洗单元依次对一组或多组一级乏风取热器(5-1)进行轮动清洗。

9.根据权利要求8所述的梯级乏风热泵供热系统，其特征在于：所述自清洗单元通过控制每一清洗电磁阀(7-1)的开闭进行轮动清洗。

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