申请日2011.11.07
公开(公告)日2013.05.08
IPC分类号F25B30/06; F24F5/00
摘要
本发明给出一种直接式污水源热泵装置，它包括：几个热泵主机、一个在线污水/氟利昂换热器、节流阀、单向阀和污水池;供热运行时，污水是热源，置于污水池中的在线污水/氟利昂换热器是蒸发器，从热泵主机流出的液态氟利昂，经过单向阀和节流阀，进入蒸发器，从蒸发器获得热量，蒸发成蒸汽，再进入热泵主机，将热量传递给循环水，循环水向用户供热;制冷运行时，污水是冷源，在线污水/氟利昂换热器是冷凝器，从热泵主机流出的氟利昂蒸汽，进入冷凝器凝结，将热量传递给污水，液态氟利昂流出冷凝器，经过单向阀，再进入热泵主机，将冷量传递给循环水，循环水向用户供冷;一个在线污水/氟利昂换热器，同时作为几个热泵主机的蒸发器或冷凝器。
权利要求书
1.一种直接式污水源热泵装置，它的结构包括：几个热泵主机、一个在线污水/氟利昂 换热器、节流阀、单向阀和污水池;
当按着供热方式运行时，污水是热源，置于污水池中的在线污水/氟利昂换热器是蒸发 器，从热泵主机流出的液态氟利昂，经过单向阀和节流阀，进入蒸发器，从蒸发器获得热量， 蒸发成蒸汽，再进入热泵主机，将热量传递给循环水，循环水向用户供热;
当按着制冷方式运行时，污水是冷源，置于污水池中的在线污水/氟利昂换热器是冷凝 器，从热泵主机流出的氟利昂蒸汽，进入冷凝器凝结，将热量传递给污水，液态氟利昂流出 冷凝器，经过单向阀，再进入热泵主机，将冷量传递给循环水，循环水向用户供冷;
其特征在于：所述置于污水池中的一个在线污水/氟利昂换热器，同时作为几个热泵主 机的蒸发器或冷凝器。
2.按照权利要求1所述的一种直接式污水源热泵装置，其特征在于：
所述几个热泵主机，它们的结构相同，都包括：四通阀、压缩机、氟利昂/水换热器、 节流阀和单向阀;热泵主机可以用于供热，也可以用于制冷;当用于供热时，氟利昂蒸汽进 入热泵主机，经过四通阀和压缩机，进入氟利昂/水换热器，氟利昂向循环水传热，循环水 向外供热，氟利昂蒸汽凝结后流出，通过单向阀，从热泵主机流出;当用于制冷时，液态的 氟利昂进入主机，通过节流阀，进入氟利昂/水换热器，循环水向氟利昂传热，循环水向外 供冷，氟利昂蒸发成蒸汽，再经过四通阀和压缩机，流出热泵主机。
3.按照权利要求1所述的一种直接式污水源热泵装置，其特征在于：
所述在线污水/氟利昂换热器，它包括：用于氟利昂进出的两个氟利昂接口管、多个氟 利昂传热管、一接二联箱管，二接三联箱管，汇合管和垫脚;在线污水/氟利昂换热器是浸 没在污水池内的排管换热器，呈长条状，横截面为多根传热管，顺排成矩形，可用作蒸发器， 也可用作冷凝器;当用作蒸发器时，液态氟利昂通过氟利昂接口管，进入换热器最下边一排 的各个氟利昂传热管，再经过一接二联箱管，进入上面两排各个氟利昂传热管，再经过二接 三联箱管，进入最上面三排的各个氟利昂传热管，氟利昂液体全部变成蒸汽，进入汇合管， 通过氟利昂接口管输出;垫脚支撑传热管排，保持管间距离。
4.按照权利要求2所述的一种直接式污水源热泵装置，其特征在于：
所述四通阀，它是含有四个截止阀、四个接出管的环形的流通氟利昂的管路结构，它包 括：左上截止阀、右上截止阀、右下截止阀、左下截止阀、上接出管、右接出管、下接出管 和左接出管;
四个截止阀的进出口，用管路依次首尾相连，在每一个连接点上，再接出一个短管，作 为接出管;在上接出管和右接出管之间，是右上截止阀，在右接出管和下接出管之间，是右 下截止阀，在下接出管和左接出管之间，是左下截止阀，在左接出管和上接出管之间，是左 上截止阀。
5.按照权利要求2所述的一种直接式污水源热泵装置，其特征在于：
所述压缩机，它是螺杆式压缩机，是一种回转式容积式压缩机，它包括：进气口、汽缸、 转子、轴、油压活塞、滑阀和排气口;
在汽缸内，装有一对转子，两根转子相互啮合，齿槽与吸汽口相通时吸汽，随着螺杆的 旋转，齿槽容积变小，位置向排汽端移动，对蒸汽压缩和输送，当齿槽空间与排汽口相通时， 压缩终了，蒸汽被排出，有一个以滑阀为主体的能量调节机构，移动油压活塞，带动连杆移 动滑阀，改变吸气容积，改变输出量。
6.按照权利要求1或2所述的一种直接式污水源热泵装置，其特征在于：
所述节流阀，它的结构包括：感温包、毛细管、膜片、顶杆、阀座、阀芯、调整弹簧、 调整螺杆、调整螺母、阀体、氟利昂进口和制冷出口;
感温包设置在蒸发器出口处，当感温包中的氟利昂感受到蒸发器出口温度后，氟利昂蒸 汽通过毛细管的传导，使整个感应系统处于对应的饱和压力Pb，该压力将通过膜片传给顶杆 直到阀芯，在压力腔上部的膜片仅有Pb存在，膜片的下方有调整弹簧的弹簧力Pt和蒸发压 力P0，三者处于平衡时有Pb=Pt+Po，当蒸发器热负荷增大时，出口过热度偏高，Pb增大， Pb>Pt+Po，合力使顶杆、阀芯下移，热力膨胀阀开启增大，氟利昂流量按比例增加，反之， 热力膨胀阀开启变小，氟利昂流量按比例减小。
7.按照权利要求2所述的一种直接式污水源热泵装置，其特征在于：
所述氟利昂/水换热器，它是卧式壳管式换热器，它的结构包括：筒体、管板、传热管、 折流板、冷水进口、冷水出口、氟利昂液体口、氟利昂蒸汽口、前端盖、后端盖和支座;
氟利昂在传热管内流动，水在管外，在筒体内装有多块折流板;当它作为蒸发器时，氟 利昂从氟利昂液体口进入换热器，从冷水吸热，冷水被降温，氟利昂蒸发，氟利昂蒸汽从氟 利昂蒸汽口输出;当它作为冷凝器时，氟利昂蒸汽从氟利昂蒸汽口进入换热器，氟利昂向冷 水传热，冷水被加温，氟利昂凝结，液态的氟利昂从氟利昂液体口输出。
8.按照权利要求1所述的一种直接式污水源热泵装置，其特征在于：
所述污水池，它是污水旁通渠道，与污水主渠道平行，而且贴近，污水池的进水口，有 进水阀与污水主渠道相通，污水池的出水口，有出水阀与污水主渠道相通;在线污水/氟利 昂换热器，水平地置于污水池污水中;通过污水池的前端壁，向外接有换热器的氟利昂接口 管，通过污水池的后端壁，也向外接有氟利昂接口管;污水池的左侧壁与右侧壁，它们的内 壁面上，均有一半突出，另一半凹陷，形成水平的阶梯状，两者将在线污水/氟利昂换热器 夹在中间，形成曲折的污水池;在线污水/氟利昂换热器放置于两个底座上，在线污水/氟 利昂换热器下方，与污水池的底面之间，形成集污空间，用于积聚泥沙，并定期清除。
说明书
直接式污水源热泵装置
技术领域
本发明涉及热泵技术，特别是涉及直接式污水源热泵装置。
背景技术
污水源热泵是依靠热泵机组内部制冷剂的物态循环变化，冬季从污水中吸收热量，经热 泵机组升温后对建筑供热;夏季通过热泵机组，把建筑物中的热量传递给污水，从而实现供 冷，污水替代了冷却塔。
利用城市污水作为冷热源对建筑进行采暖空调，可以减少能源的消耗。污水源热泵实现 了城市废热的回收利用，变废为宝，是资源再生利用、发展循环经济、建设节约型社会、友 好环境的重要措施。它是新型的可再生清洁能源利用技术，符合可持续发展、建设资源节约 型、环境友好型社会的要求。将水源热泵系统技术与城市污水结合，在扩大城市污水利用范 围、拓展城市污水治理效益方面具有深远意义。
污水源热泵优势：
1，污水源热泵机组一机两用，冬季利用污水源热泵采暖，夏季进行制冷;
2，生活采暖需要消耗能源，采用污水源热泵供热和加温，能更有效的利用电能;
3，使用污水源热泵技术供热采暖，对大气及环境无任何污染;
4，热泵装置不需要燃料;
5，污水源热泵只有两个部件运动，磨损少;
6，管理人员与劳动强度均可减少;
7，运行电费比燃煤锅炉少。
目前，污水源热泵系统已在我国的大部分城市得到了推广与应用。
随着整个社会节约能源、环保意识的提高，污水源热泵的应用领域也在不断的扩展。除 了在城市供暖制冷、制取生活热水应用外，还在食品、生化、制药工业、种植养殖及农副产 品加工储藏领域均得到应用。
污水源热泵可分为直接式污水源热泵与间接式污水源热泵两类。直接式系统与污水换热 的介质为制冷剂，间接式系统与污水换热的介质为中介水或防冻液。前者污水与制冷剂之间， 经换热器壁面直接换热;后者则存在中介媒质，从而传热热阻增加，导致热泵系统效率随之 下降。直接式系统是目前污水源热泵研究的前沿领域和发展方向。
直接式系统与间接式系统相比有很大的优点，主要是：
1，在同样的水源条件下供出同样多的热量，蒸发温度可提高5℃左右，热泵机组效率得 以很大提高，系统总的耗电量可降低15%以上。
2，省去了污水换热器及相应的中介水循环水泵，机房占地面积减少，不仅大大降低了 土建和设备初投资，而且也减少水泵能耗。
3，获取同样多的热量，所需的污水量可减小一半左右。间接式系统需要考虑中间换热 的温差损失，这就限制了污水的降温幅度。
当采用原生污水为热源时，在直接式污水源热泵的污水泵前，一般都采用滤网、格栅等 过滤装置，对污水进行处理，但过滤网或污水泵还是经常堵塞，直接式污水源热泵一般都不 能长时间稳定运行，所以，当前我国以原生污水作热源的直接式污水源热泵还不多见，文献 所报道的几乎均为间接式污水源热泵。
间接式污水源热泵由于污水换热器等中间系统的影响，污水资源利用成本比直接式污水 源热泵的大，初投资及运行费用也较大。
虽然直接式污水源热泵简单，节省了污水换热器，制热系数与运行费用均优于间接式污 水源热泵，但当前直接式污水源热泵的发展不充分，原因在于：
1，直接污水源热泵系统要求热泵机组的蒸发器/冷凝器能够“一器两用”，对蒸发器/冷 凝器提出了特殊要求。
2，直接式污水源热泵机组需经过特殊处理，技术难度较大。虽然人们有很多设想和试验， 但都存在不足。
3，直接式系统要求对热泵机组的蒸发器/冷凝器做较大的改造，而相应的机组厂家较少。 间接式污水源热泵，污水不直接进机组，所需机组前的污水换热器已研制成功，并投入生产。
到目前为止，还没有广泛地普及直接式污水源热泵系统;污水源热泵技术诞生以来，基 本采用间接式系统，这是从可靠性角度考虑而采取的保守措施。
实现无堵塞连续换热，是利用污水作为热泵冷热源的技术关键，尤其是对于直接式污水 源热泵。解决恶劣水质对换热设备及管路的堵塞与污染，实现防腐与无污染换热，是一个世 界性技术难题。城市污水水质对热泵的影响主要有腐蚀、结垢及堵塞。通常的做法是在城市 污水和热泵之间，设置污水过滤装置和污水换热器，热泵从污水中吸收热量，或向污水中释 放热量。交换能量后的污水，从回水管，返回到城市污水的排放系统中。
由于污水粘度大、换热系数低，污水换热器必须做得很庞大;当用污水作为热泵的冷热 源，污水必须净化，并经过一个在机组前的额外增设的污水/水换热器，将污水的热量或冷 量传递到热泵中介水，这一过程将导致能量损失，降低热泵的能效比。如果污水不经过严格 净化，不经过污水/水换热器，直接进入热泵，污水与制冷剂直接进行热交换，热泵中的污 水流通管路，通常很快就被堵塞，以至于热泵完全不能工作。
上述有关污水源热泵的背景技术，在以下专著中有详细描述：
1、赵军，戴传山，地源热泵技术与建筑节能应用，北京：中国建筑工业出版社，2009。
2、张旭，热泵技术，北京：化学工业出版社，2007。
3、陈东，谢继红，热泵热水装置，北京：化学工业出版社，2009。
发明内容
本发明的目的是给出一种直接式污水源热泵装置，它的结构包括：几个热泵主机、一个 在线污水/氟利昂换热器、节流阀、单向阀和污水池。
当按着供热方式运行时，污水是热源，置于污水池中的在线污水/氟利昂换热器是蒸发 器，从热泵主机流出的液态氟利昂，经过单向阀和节流阀，进入蒸发器，从蒸发器获得热量， 蒸发成蒸汽，再进入热泵主机，将热量传递给循环水，循环水向用户供热。
当按着制冷方式运行时，污水是冷源，置于污水池中的在线污水/氟利昂换热器是冷凝 器，从热泵主机流出的氟利昂蒸汽，进入冷凝器凝结，将热量传递给污水，液态氟利昂流出 冷凝器，经过单向阀，再进入热泵主机，将冷量传递给循环水，循环水向用户供冷。
所述置于污水池中的一个在线污水/氟利昂换热器，同时作为几个热泵主机的蒸发器或 冷凝器。
所述几个热泵主机，它们的结构相同，都包括：四通阀、压缩机、氟利昂/水换热器、 节流阀和单向阀。热泵主机可以用于供热，也可以用于制冷。当用于供热时，氟利昂蒸汽进 入热泵主机，经过四通阀和压缩机，进入氟利昂/水换热器，氟利昂向循环水传热，循环水 向外供热，氟利昂蒸汽凝结后流出，通过单向阀，从热泵主机流出。当用于制冷时，液态的 氟利昂进入主机，通过节流阀，进入氟利昂/水换热器，循环水向氟利昂传热，循环水向外 供冷，氟利昂蒸发成蒸汽，再经过四通阀和压缩机，流出热泵主机。
所述在线污水/氟利昂换热器，它包括：用于氟利昂进出的两个氟利昂接口管、多个氟 利昂传热管、一接二联箱管，二接三联箱管，汇合管和垫脚。在线污水/氟利昂换热器是浸 没在污水池内的排管换热器，呈长条状，横截面为多根传热管，顺排成矩形，可用作蒸发器， 也可用作冷凝器。当用作蒸发器时，液态氟利昂通过氟利昂接口管，进入换热器最下边一排 的各个氟利昂传热管，再经过一接二联箱管，进入上面两排各个氟利昂传热管，再经过二接 三联箱管，进入最上面三排的各个氟利昂传热管，氟利昂液体全部变成蒸汽，进入汇合管， 通过氟利昂接口管输出。垫脚支撑传热管排，保持管间距离。
所述四通阀，它是含有四个截止阀、四个接出管的环形的流通氟利昂的管路结构，它包 括：左上截止阀、右上截止阀、右下截止阀、左下截止阀、上接出管、右接出管、下接出管 和左接出管。
四个截止阀的进出口，用管路依次首尾相连，在每一个连接点上，再接出一个短管，作 为接出管。在上接出管和右接出管之间，是右上截止阀，在右接出管和下接出管之间，是右 下截止阀，在下接出管和左接出管之间，是左下截止阀，在左接出管和上接出管之间，是左 上截止阀。
所述压缩机，它是螺杆式压缩机，是一种回转式容积式压缩机，它包括：进气口、汽缸、 转子、轴、油压活塞、滑阀和排气口。
在汽缸内，装有一对转子，两根转子相互啮合，齿槽与吸汽口相通时吸汽，随着螺杆的 旋转，齿槽容积变小，位置向排汽端移动，对蒸汽压缩和输送，当齿槽空间与排汽口相通时， 压缩终了，蒸汽被排出，有一个以滑阀为主体的能量调节机构，移动油压活塞，带动连杆移 动滑阀，改变吸气容积，改变输出量。
所述节流阀，它的结构包括：感温包、毛细管、膜片、顶杆、阀座、阀芯、调整弹簧、调 整螺杆、调整螺母、阀体、氟利昂进口和制冷出口。
感温包设置在蒸发器出口处，当感温包中的氟利昂感受到蒸发器出口温度后，氟利昂蒸 汽通过毛细管的传导，使整个感应系统处于对应的饱和压力Pb，该压力将通过膜片传给顶杆 直到阀芯，在压力腔上部的膜片仅有Pb存在，膜片的下方有调整弹簧的弹簧力Pt和蒸发压 力P0，三者处于平衡时有Pb=Pt+Po，当蒸发器热负荷增大时，出口过热度偏高，Pb增大， Pb>Pt+Po，合力使顶杆、阀芯下移，热力膨胀阀开启增大，氟利昂流量按比例增加，反之， 热力膨胀阀开启变小，氟利昂流量按比例减小。
所述氟利昂/水换热器，它是卧式壳管式换热器，它的结构包括：筒体、管板、传热管、 折流板、冷水进口、冷水出口、氟利昂液体口、氟利昂蒸汽口、前端盖、后端盖和支座。
氟利昂在传热管内流动，水在管外，在筒体内装有多块折流板。当它作为蒸发器时，氟 利昂从氟利昂液体口进入换热器，从冷水吸热，冷水被降温，氟利昂蒸发，氟利昂蒸汽从氟 利昂蒸汽口输出。当它作为冷凝器时，氟利昂蒸汽从氟利昂蒸汽口进入换热器，氟利昂向冷 水传热，冷水被加温，氟利昂凝结，液态的氟利昂从氟利昂液体口输出。
所述污水池，它是污水旁通渠道，与污水主渠道平行，而且贴近，污水池的进水口，有 进水阀与污水主渠道相通，污水池的出水口，有出水阀与污水主渠道相通。在线污水/氟利 昂换热器，水平地置于污水池污水中。通过污水池的前端壁，向外接有换热器的氟利昂接口 管，通过污水池的后端壁，也向外接有氟利昂接口管。污水池的左侧壁与右侧壁，它们的内 壁面上，均有一半突出，另一半凹陷，形成水平的阶梯状，两者将在线污水/氟利昂换热器 夹在中间，形成曲折的污水池。在线污水/氟利昂换热器放置于两个底座上，在线污水/氟 利昂换热器下方，与污水池的底面之间，形成集污空间，用于积聚泥沙，并定期清除。
直接式污水源热泵装置的冷热源都来自污水。当按着供热方式运行时，污水是热源，在 线污水/氟利昂换热器是蒸发器，氟利昂/水换热器是冷凝器，水在冷凝器中被氟利昂加热后， 向用户供给热水;当按着制冷方式运行时，污水是冷源，在线污水/氟利昂换热器是冷凝器， 氟利昂/水换热器是蒸发器，水在蒸发器中被氟利昂冷却后，向用户供给冷水。
本发明的优点是：
1，本发明的直接式污水源热泵装置，不仅不需要污水/水换热器，甚至也不需要管壳式 的污水/氟利昂换热器，将氟利昂传热管直接放到污水池，即放到污水旁通渠道中，污水与 氟利昂在污水旁通渠道中进行换热。在污水旁通渠道中，污水平衡均匀地流动，没有动力抽 吸，污水流通管路不易被堵塞，能够长时间稳定工作。
2，在污水/氟利昂换热器中，污水直接与氟利昂进行热量交换，无论氟利昂是得到热量， 还是失去热量，相对于有中介水换热的情况，氟利昂在其中都可以实现较大的温差，从污水 得到或向污水放出较多的热量，热泵机组效率得以很大提高。
3，省去污水/水换热器和管壳式污水/氟利昂换热器，中介水循环水泵和污水泵，机房 占地面积减少，降低了土建和设备投资，也减少了能耗。
4，从机房的热泵机组到户外的污水池，来回输送氟利昂管线的地沟，可以很浅，氟利昂 不用考虑天冷冻结的问题。
