CN214502104U - 新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统，包括梯级耦合热泵子系统和梯级耦合污水源子系统，所述梯级耦合热泵子系统包括低压压缩机、高压压缩机、第一截止阀、第二截止阀、第一节流阀、第二节流阀、四通阀、第一冷凝器、第二冷凝器、复合式蒸发器和气液分离器，所述梯级耦合热泵污水源子系统包括沉淀池、水泵、自动排污过滤器和离子棒水处理器、压缩机、第三冷凝器、复合式蒸发器、蒸发器、第三节流阀、散热器和循环水泵。本实用新型不仅可以充分回收工厂废水余热，同时还可以提高整个空气源热泵热水系统能效。

Description

新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统

技术领域

本实用新型涉及梯级耦合热泵技术领域，尤其是余热回收梯级耦合热泵。

背景技术

随着科学技术高速的发展，各行各业发展理念不断转变，节能和环保已经成为最重要的两大议题。根据国家能源局相关数据可知，2017年全年总能耗消费总量为48.6亿tce，其中工业生产总能耗为29.5亿tce，占全国总能耗的60％，而我国制取工业热水消耗的能量高达4615.4万tce。且在工业生产中，热能的转换过程会产生大量的余热，据相关资料显示，我国燃料消耗总量的17％左右会成为余热资源，其可回收率达60％。因此，设计出一种新型低耗能、效率高的热水系统和提高余热利用率是工业节能的关键。

我国目前传统的热水系统多为电加热、燃气加热以及太阳能加热等，前两者均为利用高品质的电能、化学能换取低品质的热能，耗能高且污染环境。而太阳能热水器虽然以太阳能作为能源，运行成本低，但由于其安装复杂，受气候影响，损坏后较难维修，不适合企业大规模使用。为了应对这种危机，空气源热泵热水器应运而生。空气源热泵热水器虽然高效节能，但由于其适用环境范围不够广。在环境温度较低时，空气源热泵热水器压缩机吸气量太低，会导致效率快速下降，而且还会出现压缩机结霜而无法运行，这将无法满足工业用水的需求。

当前的污水余热回收系统多为空气源——污水源复合热泵余热回收系统，此系统虽然在保证工业热水供应的基础上,回收了在工业生产中，热能的转换过程产生的大量余热,但由于系统结构复杂且污水源系统存在处理成本高、清洗难度大、容易被堵塞等缺点。这势必将无法大范围推广。

发明内容

为了克服传统的空气源热泵热水系统适用环境范围不够广，效率下降快以及空气源——污水源复合热泵余热回收系统结构复杂等不足，本实用新型提供了不仅可以充分回收工厂废水余热，同时还可以提高整个空气源热泵热水系统能效的新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统，包括梯级耦合热泵子系统和梯级耦合污水源子系统，

所述梯级耦合热泵子系统包括低压压缩机、高压压缩机、第一截止阀、第二截止阀、第一节流阀、第二节流阀、四通阀、第一冷凝器、第二冷凝器、复合式蒸发器和气液分离器，低压压缩机的出口与四通阀的第一进口连接，四通阀的第一出口分别与第一截止阀的进口和第二截止阀的进口连接，第一截止阀的出口与第一冷凝器的第一进口连接，第一节流阀的进口与第三截止阀的进口和第一冷凝器的第一出口连接，第一节流阀的出口与第三截止阀的出口和复合式蒸发器的第一进口连接，复合式蒸发器的第一出口与四通阀的第二进口连接，四通阀的第二出口与低压压缩机的进口连接，第二截止阀的出口与高压压缩机的进口连接，高压压缩机的出口与第二冷凝器的第一进口连接，第二冷凝器的第一出口通过第二节流阀与气液分离器的进口连接，气液分离器的第一出口与高压压缩机的进口连接，气液分离器的第二出口与第一冷凝器的第一出口连接，自来水通过水泵与第一冷凝器的第二进口连接，第一冷凝器的第二出口与第二冷凝器的第二进口连接；

所述梯级耦合热泵污水源子系统包括沉淀池、水泵、自动排污过滤器和离子棒水处理器、压缩机、第三冷凝器、复合式蒸发器、蒸发器、第三节流阀、散热器和循环水泵，污水管道依次通过沉淀池、水泵、自动排污过滤器、离子棒水处理器等一系列去污装置后，分别与第四截止阀的进口和第五截止阀的进口连接，第四截止阀的出口与蒸发器的第一进口连接；蒸发器的第一出口和第五截止阀的出口连接与复合式蒸发器的第二进口连接，经过余热回收后的废水从复合式蒸发器的第二出口排出；压缩机的出口与第三冷凝器的第一进口连接，第三冷凝器的第一出口通过第三节流阀与蒸发器的第二进口连接，蒸发器的第二出口与压缩机的进口连接，第三冷凝器的第二出口通过循环水泵与散热器的进口连接，散热器的出口与第三冷凝器的第二进口连接。

进一步，低压压缩机的出口与低压油分离器的入口连接，所述低压油分离器的出口与低压压缩机的入口连接；高压压缩机的出口与高压油分离器的入口连接，所述高压油分离器的出口与高压压缩机的入口连接。

本实用新型的技术构思为：新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统包括梯级耦合热泵子系统和梯级耦合污水源子系统，前者用于污水较少的场合，用以制取热水；后者用于拥有大量污水的场合，利用复合式蒸发器吸收经处理后污水中的余热，同时提供室内供暖。

本实用新型的有益效果主要表现在：不仅可以充分回收工厂废水余热，同时还可以提高整个空气源热泵热水系统能效。

附图说明

图1是新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统的示意图。

其中，1低压压缩机，2低压油分离器，3四通阀，4第一冷凝器，5第一节流阀，6复合式蒸发器，7气液分离器，8高压压缩机，9高压油分离器，10第二冷凝器，11第二节流阀，12沉淀池，13水泵，14自动排污过滤器，15离子棒处理器，16蒸发器，17第三节流阀，18第三冷凝器，19压缩机，20循环水泵，21散热器，a第一截止阀，b第二截止阀，c第四截止阀，d第五截止阀，e第三截止阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1，一种新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统，包括梯级耦合热泵子系统和梯级耦合污水源子系统，

所述梯级耦合热泵子系统包括低压压缩机1、高压压缩机8、第一截止阀a、第二截止阀b、第一节流阀5、第二节流阀11、四通阀3、第一冷凝器4、第二冷凝器10、复合式蒸发器6和气液分离器7，低压压缩机的出口与四通阀的第一进口连接，四通阀的第一出口分别与第一截止阀的进口和第二截止阀的进口连接，第一截止阀的出口与第一冷凝器的第一进口连接，第一节流阀的进口与第三截止阀的进口和第一冷凝器的第一出口连接，第一节流阀的出口与第三截止阀的出口和复合式蒸发器的第一进口连接，复合式蒸发器的第一出口与四通阀的第二进口连接，四通阀的第二出口与低压压缩机的进口连接，第二截止阀的出口与高压压缩机的进口连接，高压压缩机的出口与第二冷凝器的第一进口连接，第二冷凝器的第一出口通过第二节流阀与气液分离器的进口连接，气液分离器的第一出口与高压压缩机的进口连接，气液分离器的第二出口与第一冷凝器的第一出口连接，自来水通过水泵与第一冷凝器的第二进口连接，第一冷凝器的第二出口与第二冷凝器的第二进口连接；

所述梯级耦合热泵污水源子系统包括沉淀池12、水泵13、自动排污过滤器14和离子棒水处理器15、压缩机19、第三冷凝器18、复合式蒸发器6、蒸发器16、第三节流阀17、散热器21和循环水泵20，污水管道依次通过沉淀池、水泵、自动排污过滤器、离子棒水处理器等一系列去污装置后，分别与第四截止阀的进口和第五截止阀的进口连接，第四截止阀的出口与蒸发器的第一进口连接；蒸发器的第一出口和第五截止阀的出口连接与复合式蒸发器的第二进口连接，经过余热回收后的废水从复合式蒸发器的第二出口排出；压缩机的出口与第三冷凝器的第一进口连接，第三冷凝器的第一出口通过第三节流阀与蒸发器的第二进口连接，蒸发器的第二出口与压缩机的进口连接，第三冷凝器的第二出口通过循环水泵与散热器的进口连接，散热器的出口与第三冷凝器的第二进口连接。

低压压缩机1的出口与低压油分离器2的入口连接，所述低压油分离器2的出口与低压压缩机1的入口连接；高压压缩机8的出口与高压油分离器9的入口连接，所述高压油分离器9的出口与高压压缩机8的入口连接。

此系统可通过控制截止阀的开关使其在两个子系统的协调运作下自由切换不同的运行模式，梯级耦合热泵污水源子系统随着截止阀的闭合将自由切换至采暖模式和标准模式，无论其处于采暖模式或标准模式，梯级耦合热泵子系统都将随着截止阀的闭合自由切换梯级加热、双压缩单温升加热、单级热泵等不同模式。除此之外，此系统还可通过控制四通阀的转向切换逆循环化霜的模式。因此此系统不仅在标准工况下具有显著的节能优势，而且还能良好地适应各种复杂工况，使其在春夏秋冬全季节自动选择最节能的运行模式，保持最佳状态。

本发明的梯级耦合热泵污水源子系统有如下两种模式：

1、采暖模式：当系统处于冬季工况时，由于冬季需要采暖，因此可先将污水的部分热量用于室内供暖，随后通入复合式蒸发器的内管，进行梯级耦合加热循环。此时进入复合式蒸发器内管的污水与套管和内管间隙的制冷剂(套管间隙的制冷剂)温差不大，若想要得到更好的换热效果，则需要开启风机使得空气的热量也与制冷剂进行换热。

具体的流程如下：开启第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀，第五截止阀处于关闭状态。从沉淀池抽出的污水先经过自动排污过滤器滤除物理颗粒，后通过离子棒水处理器进行杀菌、灭藻、防垢处理，被除污系统处理后的污水通过第四截止阀流入采暖系统的蒸发器内，与制冷剂R134a进行换热，换完热的污水随后流入复合式蒸发器的内管与套管间隙内的制冷剂再次换热。由于复合式蒸发器内管的污水与套管间隙的制冷剂温差不大，因此需要开启风机将空气的热量吹到套管外的翅片上，进而与套管间隙的制冷剂也发生换热，此时梯级耦合加热系统在不用并联污水源热泵的基础上也实现了空气源-污水源双热源热泵热水系统的性能。从采暖系统的蒸发器流出的低温低压的制冷剂气体流入压缩机，被压缩成高温高压的气体，高温高压的气体经过冷凝器放热变成低温高压的液体，低温高压的液体经过节流阀进行节流降压，被降压到蒸发压力的饱和液体随后继续流向蒸发器进行下一次循环。此时采暖系统的冷凝器放出的热量被室内供暖系统的循环水吸收，进而通过水泵进入到散热器内，完成室内供暖过程。

2、标准模式：当系统处于夏季工况时有两种余热利用方式，一种是直接将除污系统处理后的污水通入复合式蒸发器的内管，进行梯级耦合加热循环。此时进入复合式蒸发器内管的污水温度足够高，不需要吸收空气中的热量。

具体的流程如下：开启第一截止阀、第二截止阀、第五截止阀打开，第四截止阀关闭。被除污系统处理后的污水通过第五截止阀直接流入到复合式蒸发器的内管与其套管间隙的制冷剂进行换热，不需要开启风机获得空气中的热量。此时梯级耦合加热系统实现的是污水源热泵热水系统的性能。另一种是用除污系统处理后的污水直接加热进入梯级耦合系统的初始水温，从而降低系统的负荷，提升整个系统的效率。

本发明的梯级耦合热泵子系统有如下四个模式：

1、梯级加热模式：

开启第一截止阀、第二截止阀，第三截止阀处于关闭状态。从复合式蒸发器中流出的低温低压气体经过四通阀流向低压压缩机，压缩成中温中压的气体，中温中压的气体经低压的油分离器后，润滑油回到低压压缩机中，油分离器分离出的气体再次经过四通阀后，一部分经第二截止阀与气液分离器分离后的饱和蒸汽混合，混合过后的过热蒸汽进入高压压缩机压缩成高温高压的气体。高温高压的气体经高压的油分离器后，润滑油回到高压压缩机中，油分离器分离出的气体经过第二冷凝器放热变成中温高压的液体，中温高压的液体流经第二节流阀进行节流降压，节流后产生的中温中压气液混合物在气液分离器中进行气液分离，分离成饱和气体和饱和液体。经低压的油分离器分离出的气体另一部分经第一截止阀流入第一冷凝器中冷凝放热，成为饱和液体，从第一冷凝器流出的饱和液体与气液分离器分离出的饱和液体混合后经第一节流阀继续节流到蒸发压力，随后进入复合蒸发器去吸收低温热源的低品位热量。同时，用水泵将冷水依次输送到两个冷凝器中梯级耦合加热，冷水经过第一冷凝器被加热为中温水，继续送入第二冷凝器吸热成为高温水，储存在储水箱中。两个冷凝器梯级放热，可以大大减小制冷剂与冷水之间的换热温差，减少热损失，提高效率，满足了用户对不同温度热水的需求。

2、双压缩单温升加热模式：

开启第二截止阀，第一截止阀、第三截止阀处于关闭状态，从复合式蒸发器中流出的低温低压气体经过四通阀流向低压压缩机，压缩成中温中压的气体，中温中压的气体经低压的油分离器后，润滑油回到低压压缩机中，油分离器分离出的气体再次经过四通阀后，经第二截止阀与气液分离器分离后的饱和蒸汽混合，混合过后的过热蒸汽进入高压压缩机压缩成高温高压的气体。高温高压的气体经高压的油分离器后，润滑油回到高压压缩机中，油分离器分离出的气体经过第二冷凝器放热变成中温高压的液体，中温高压的液体流经第二节流阀进行节流降压，节流后产生的中温中压气液混合物在气液分离器中进行气液分离，分离成饱和气体和饱和液体。气液分离器分离出的饱和液体经第一节流阀节流到蒸发压力，随后进入复合式蒸发器去吸收低温热源的低品位热量。此时第一冷凝器不运行，冷水只有一次加热过程。

3、单级热泵模式：

开启第一截止阀，第二截止阀、第三截止阀处于关闭状态。从复合式蒸发器中流出的低温低压气体经过四通阀流向低压压缩机，压缩成中温中压的气体，中温中压的气体经低压的油分离器后，润滑油回到低压压缩机中，油分离器分离出的气体再次经过四通阀后，通过第一截止阀流入第一冷凝器中放热成饱和液体，从第一冷凝器流出的饱和液体经第一节流阀节流到蒸发压力，随后进入复合式蒸发器去吸收低温热源的低品位热量。此时第一冷凝器运行，第二冷凝器不运行，冷水也只有一次加热过程。

4、逆向除霜模式：

开启第一截止阀、第三截止阀，第二截止阀处于关闭状态，低压压缩机经四通阀排气，四通阀此时换向，从低压压缩机流出的高温高压气体直接进入复合式蒸发器释放热量实现融霜，后经第三截止阀回到低压压缩机吸气侧，实现制冷剂循环流动。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本实用新型构思所能想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统，其特征在于，包括梯级耦合热泵子系统和梯级耦合污水源子系统，

所述梯级耦合热泵子系统包括低压压缩机、高压压缩机、第一截止阀、第二截止阀、第一节流阀、第二节流阀、四通阀、第一冷凝器、第二冷凝器、复合式蒸发器和气液分离器，低压压缩机的出口与四通阀的第一进口连接，四通阀的第一出口分别与第一截止阀的进口和第二截止阀的进口连接，第一截止阀的出口与第一冷凝器的第一进口连接，第一节流阀的进口与第三截止阀的进口和第一冷凝器的第一出口连接，第一节流阀的出口与第三截止阀的出口和复合式蒸发器的第一进口连接，复合式蒸发器的第一出口与四通阀的第二进口连接，四通阀的第二出口与低压压缩机的进口连接，第二截止阀的出口与高压压缩机的进口连接，高压压缩机的出口与第二冷凝器的第一进口连接，第二冷凝器的第一出口通过第二节流阀与气液分离器的进口连接，气液分离器的第一出口与高压压缩机的进口连接，气液分离器的第二出口与第一冷凝器的第一出口连接，自来水通过水泵与第一冷凝器的第二进口连接，第一冷凝器的第二出口与第二冷凝器的第二进口连接；

所述梯级耦合热泵污水源子系统包括沉淀池、水泵、自动排污过滤器和离子棒水处理器、压缩机、第三冷凝器、复合式蒸发器、蒸发器、第三节流阀、散热器和循环水泵，污水管道依次通过沉淀池、水泵、自动排污过滤器、离子棒水处理器等一系列去污装置后，分别与第四截止阀的进口和第五截止阀的进口连接，第四截止阀的出口与蒸发器的第一进口连接；蒸发器的第一出口和第五截止阀的出口连接与复合式蒸发器的第二进口连接，经过余热回收后的废水从复合式蒸发器的第二出口排出；压缩机的出口与第三冷凝器的第一进口连接，第三冷凝器的第一出口通过第三节流阀与蒸发器的第二进口连接，蒸发器的第二出口与压缩机的进口连接，第三冷凝器的第二出口通过循环水泵与散热器的进口连接，散热器的出口与第三冷凝器的第二进口连接。

2.如权利要求1所述的新型工业污水余热回收梯级耦合热泵系统，其特征在于：低压压缩机的出口与低压油分离器的入口连接，所述低压油分离器的出口与低压压缩机的入口连接；高压压缩机的出口与高压油分离器的入口连接，所述高压油分离器的出口与高压压缩机的入口连接。

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