專利名稱：一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱泵系統(tǒng)及其運(yùn)行方法，特別是關(guān)于一種用于回收利用煤礦礦井回風(fēng)源中低溫?zé)崃炕蚶淞康闹苯优蛎浭降V井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)大部分煤礦工業(yè)場所需要的建筑采暖、井筒防凍以及如職工洗浴的生活熱水的熱能均是由燃煤鍋爐提供。這種傳統(tǒng)的供熱方式不僅消耗了大量的不可再生能源，同時還會排放大量的溫室氣體等不利于環(huán)境保護(hù)的污染物，不符合我國改善能源結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的政策，以及使用清潔優(yōu)質(zhì)能源的發(fā)展趨勢。一般情況下，礦井回風(fēng)量充足，礦井回風(fēng)源的溫度、濕度一年四季基本保持恒定， 因此，如何充分回收利用煤礦礦井回風(fēng)源中低溫?zé)崃炕蚶淞渴莻€重要的課題。目前，相關(guān)技術(shù)中已經(jīng)研發(fā)了專為煤礦生活生產(chǎn)提供所需熱能或冷量的礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)。但這些現(xiàn)有的礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)都存在一些不足之處，如當(dāng)原礦井總回風(fēng)擴(kuò)散塔與礦井回風(fēng)源熱泵要求不符時，需要改造擴(kuò)散塔的結(jié)構(gòu)，并要重新設(shè)計與之配套的回風(fēng)換熱地下集水池、導(dǎo)流槽等設(shè)施，工藝相對比較復(fù)雜。另一方面，現(xiàn)有的礦井回風(fēng)源熱泵大都采用間接膨脹式， 礦井回風(fēng)換熱器與熱泵蒸發(fā)器分開設(shè)立，通過水或載冷劑連接礦井回風(fēng)換熱器與熱泵蒸發(fā)器，然后在蒸發(fā)器中與制冷工質(zhì)進(jìn)行二次換熱，這會在礦井回風(fēng)-水-制冷工質(zhì)能量傳遞過程中產(chǎn)生能量損失。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單且能夠有效降低能量損失的直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于它包括一設(shè)置在礦井回風(fēng)源出口處的擴(kuò)散塔、一外置氣-液熱交換器、一熱泵機(jī)組單元和一用戶設(shè)備單元；擴(kuò)散塔的頂部設(shè)置有一出風(fēng)口，出風(fēng)口的上部設(shè)置外置氣-液熱交換器，外置氣-液熱交換器內(nèi)填充有制冷工質(zhì)；根據(jù)外置氣-液熱交換器的換熱量，熱泵機(jī)組單元設(shè)置若干熱泵機(jī)組，每一熱泵機(jī)組內(nèi)均包括一內(nèi)置熱交換器、一具有換向閥的壓縮機(jī)和一膨脹閥；外置氣-液熱交換器通過壓縮機(jī)和膨脹閥與內(nèi)置熱交換器的殼體管道連接，構(gòu)成制冷工質(zhì)換熱循環(huán)管路；內(nèi)置熱交換器內(nèi)的換熱管道兩端分別連接用戶設(shè)備單元的進(jìn)水口與出水口，構(gòu)成用戶換熱循環(huán)管路。上述外置氣-液熱交換器為熱管型換熱器。上述外置氣-液熱交換器為蜂窩板式換熱器。上述外置氣-液熱交換器為板式金屬換熱器。上述壓縮機(jī)為渦旋式壓縮機(jī)。上述壓縮機(jī)為螺桿式壓縮機(jī)。上述用戶設(shè)備單元為具有制冷和制熱功能的空調(diào)設(shè)備。
上述一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行方法，包括以下兩種模式1)制熱運(yùn)行模式系統(tǒng)運(yùn)行在制熱運(yùn)行模式時，外置氣-液熱交換器作為蒸發(fā)器工作，熱泵機(jī)組內(nèi)的內(nèi)置熱交換器作為冷凝器工作；礦井回風(fēng)源經(jīng)擴(kuò)散塔的出風(fēng)口排出，排出過程與外置氣-液熱交換器的制冷工質(zhì)進(jìn)行熱交換；制冷工質(zhì)吸收礦井回風(fēng)源的熱量， 蒸發(fā)膨脹，然后通過熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)變成高溫高壓氣體，進(jìn)入內(nèi)置熱交換器的殼體內(nèi)； 進(jìn)入殼體內(nèi)的制冷工質(zhì)向換熱管道內(nèi)需要加熱的用水源釋放熱量，然后再經(jīng)膨脹閥變成低溫低壓的液體，返回外置氣-液熱交換器，繼續(xù)和進(jìn)入外置氣-液熱交換器的礦井回風(fēng)源不斷循環(huán)換熱；而內(nèi)置熱交換器的換熱管道內(nèi)的水源獲得熱量后，為用戶設(shè)備單元提供熱量；2)制冷運(yùn)行模式系統(tǒng)運(yùn)行在制冷運(yùn)行模式時，外置氣-液熱交換器作為冷凝器工作，熱泵機(jī)組內(nèi)的內(nèi)置熱交換器作為蒸發(fā)器工作；礦井回風(fēng)源經(jīng)擴(kuò)散塔的出風(fēng)口排出，排出過程與外置氣-液熱交換器的制冷工質(zhì)進(jìn)行熱交換；制冷工質(zhì)向礦井回風(fēng)源釋放熱量， 冷凝，然后通過熱泵機(jī)組內(nèi)的膨脹閥變成低溫低壓液體，進(jìn)入內(nèi)置熱交換器的殼體內(nèi)；進(jìn)入殼體內(nèi)的制冷工質(zhì)向換熱管道內(nèi)需要制冷的用水源吸收熱量，然后再經(jīng)過壓縮機(jī)變成高溫高壓的氣體，返回外置氣-液熱交換器，繼續(xù)和進(jìn)入外置氣-液熱交換器的礦井回風(fēng)源不斷循環(huán)換熱；而內(nèi)置熱交換器的換熱管道內(nèi)的水源釋放熱量后溫度降低，為用戶設(shè)備單元提供冷量；上述兩種模式的轉(zhuǎn)變是通過切換系統(tǒng)的壓縮機(jī)上的換向閥，改變制冷工質(zhì)的流動方向而實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明采用外置氣-液熱交換器中的制冷工質(zhì)直接膨脹的方式，與礦井回風(fēng)源直接進(jìn)行熱交換，提取礦井回風(fēng)源中的低溫?zé)崃炕蚶淞浚儆蔁岜脵C(jī)組將熱量或冷量供給用戶設(shè)備，不需要利用水或其他載冷劑二次換熱，有效地降低了能量傳遞過程中的能量損失，提高能量的利用率?；帽景l(fā)明可以根據(jù)熱、冷量需求，通過切換壓縮機(jī)上的換向閥，改變外置氣-液熱交換器和熱泵機(jī)組的運(yùn)行模式。如冬季運(yùn)行時，外置的氣-液熱交換器作為蒸發(fā)器，提取礦井回風(fēng)中的低溫?zé)崮?，由熱泵機(jī)組將低溫?zé)崮芄┙o熱用戶；夏季運(yùn)行時，外置的氣-液熱交換器作為冷凝器，提取礦井回風(fēng)中的低溫冷量，由熱泵機(jī)組將低溫冷量供給空調(diào)用戶，從而冬、夏兩季均能有效地回收利用煤礦礦井回風(fēng)廢。3)本發(fā)明采用的外置氣-液熱交換器無電動設(shè)備，無需防爆，不影響礦井反風(fēng)運(yùn)行，安全性能穩(wěn)定。4)本發(fā)明采用的熱泵機(jī)組里僅含有內(nèi)置熱交換器、壓縮機(jī)和膨脹閥，與常規(guī)的熱泵機(jī)組相比，有效地減小了熱泵機(jī)組的體積、占地面積，從而進(jìn)一步減小了熱泵機(jī)房的面積。本發(fā)明可以廣泛地用于煤礦生活生產(chǎn)，替代燃煤鍋爐和中央空調(diào)， 為煤礦建筑冬季采暖、生活熱水和井口防凍提供熱量，為夏季空調(diào)提供冷量，具有節(jié)能減排的效果。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)制熱運(yùn)行模式示意2是本發(fā)明的系統(tǒng)制冷運(yùn)行模式示意圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括一設(shè)置在礦井回風(fēng)源出口 1處的擴(kuò)散塔2、一外置氣-液熱交換器3、一熱泵機(jī)組單元4和一用戶設(shè)備單元5。擴(kuò)散塔2的頂部設(shè)置有一出風(fēng)口 21，出風(fēng)口 21的上部設(shè)置外置氣-液熱交換器3，外置氣-液熱交換器3內(nèi)填充有制冷工質(zhì)。根據(jù)外置氣-液熱交換器3的換熱量，熱泵機(jī)組單元4可以由一組或多組并聯(lián)的熱泵機(jī)組6組成，圖中以一組為例。每一熱泵機(jī)組6內(nèi)均包括一內(nèi)置熱交換器7、一具有換向閥的壓縮機(jī)8和一膨脹閥9。外置氣-液熱交換器3通過壓縮機(jī)8和膨脹閥9與內(nèi)置熱交換器7的殼體71管道連接，構(gòu)成制冷工質(zhì)換熱循環(huán)管路。內(nèi)置熱交換器7內(nèi)的換熱管道72 兩端分別連接用戶設(shè)備單元5的進(jìn)水口與出水口，構(gòu)成用戶換熱循環(huán)管路。 上述實(shí)施例中，外置氣-液熱交換器3可以為熱管型換熱器，或蜂窩板式換熱器， 或板式金屬換熱器。上述實(shí)施例中，熱泵機(jī)組6內(nèi)的壓縮機(jī)8可以采用渦旋式壓縮機(jī)，或螺桿式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)8由電能驅(qū)動，進(jìn)而使熱泵機(jī)組6啟動運(yùn)行。上述實(shí)施例中，用戶設(shè)備單元5可以設(shè)置為具有制冷和制熱功能的空調(diào)設(shè)備。本發(fā)明系統(tǒng)的運(yùn)行方法，包括以下兩種模式1)制熱運(yùn)行模式如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在制熱運(yùn)行模式時，系統(tǒng)的外置氣-液熱交換器3作為蒸發(fā)器工作，熱泵機(jī)組6的內(nèi)置熱交換器7作為冷凝器工作。礦井回風(fēng)源首先進(jìn)入擴(kuò)散塔2， 然后從擴(kuò)散塔2的出風(fēng)口 21排出，排出過程與外置氣-液熱交換器3內(nèi)的制冷工質(zhì)進(jìn)行熱交換。制冷工質(zhì)吸收礦井回風(fēng)源的熱量，蒸發(fā)膨脹，然后通過熱泵機(jī)組6內(nèi)的壓縮機(jī)8變成高溫高壓氣體，進(jìn)入內(nèi)置熱交換器7的殼體71內(nèi)。進(jìn)入殼體71內(nèi)的制冷工質(zhì)向換熱管道 72內(nèi)需要加熱的用水源釋放熱量，然后再經(jīng)膨脹閥9變成低溫低壓的液體，返回外置氣-液熱交換器3，繼續(xù)和進(jìn)入外置氣-液熱交換器3的礦井回風(fēng)源不斷循環(huán)換熱。而內(nèi)置熱交換器7的換熱管道72內(nèi)的水源獲得熱量后，可以為用戶設(shè)備單元5提供熱量，滿足如煤礦建筑采暖、生活熱水以及井口防凍等的熱量需求。2)制冷運(yùn)行模式如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在制冷運(yùn)行模式時，系統(tǒng)的外置氣-液熱交換器3作為冷凝器工作，熱泵機(jī)組6內(nèi)的內(nèi)置熱交換器7作為蒸發(fā)器工作。礦井回風(fēng)源首先進(jìn)入擴(kuò)散塔 2，然后從擴(kuò)散塔2的出風(fēng)口 21排出，排出過程與外置氣-液熱交換器3內(nèi)的制冷工質(zhì)進(jìn)行熱交換。制冷工質(zhì)向礦井回風(fēng)源釋放熱量，冷凝，然后通過熱泵機(jī)組6內(nèi)的膨脹閥9變成低溫低壓液體，進(jìn)入內(nèi)置熱交換器7的殼體71內(nèi)。進(jìn)入殼體71內(nèi)的制冷工質(zhì)向換熱管道72 內(nèi)需要制冷的用水源吸收熱量，然后再經(jīng)過壓縮機(jī)8變成高溫高壓的氣體，返回外置氣-液熱交換器3，繼續(xù)和進(jìn)入外置氣-液熱交換器3的礦井回風(fēng)源不斷循環(huán)換熱。而內(nèi)置熱交換器7的換熱管道72內(nèi)的水源釋放熱量后溫度降低，從而可以為用戶設(shè)備單元5，如煤礦建筑空調(diào)提供冷量。上述兩種模式的轉(zhuǎn)變是通過切換壓縮機(jī)8上的換向閥，改變制冷工質(zhì)的流動方向而實(shí)現(xiàn)。上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于它包括一設(shè)置在礦井回風(fēng)源出口處的擴(kuò)散塔、一外置氣-液熱交換器、一熱泵機(jī)組單元和一用戶設(shè)備單元；所述擴(kuò)散塔的頂部設(shè)置有一出風(fēng)口，所述出風(fēng)口的上部設(shè)置所述外置氣-液熱交換器，所述外置氣-液熱交換器內(nèi)填充有制冷工質(zhì)；根據(jù)所述外置氣-液熱交換器的換熱量，所述熱泵機(jī)組單元設(shè)置若干熱泵機(jī)組，每一所述熱泵機(jī)組內(nèi)均包括一內(nèi)置熱交換器、一具有換向閥的壓縮機(jī)和一膨脹閥；所述外置氣-液熱交換器通過所述壓縮機(jī)和所述膨脹閥與所述內(nèi)置熱交換器的殼體管道連接，構(gòu)成制冷工質(zhì)換熱循環(huán)管路；所述內(nèi)置熱交換器內(nèi)的換熱管道兩端分別連接所述用戶設(shè)備單元的進(jìn)水口與出水口，構(gòu)成用戶換熱循環(huán)管路。
2.如權(quán)利要求1所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述外置氣-液熱交換器為熱管型換熱器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述外置氣-液熱交換器為蜂窩板式換熱器。
4.如權(quán)利要求1所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述外置氣-液熱交換器為板式金屬換熱器。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述壓縮機(jī)為渦旋式壓縮機(jī)。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述壓縮機(jī)為螺桿式壓縮機(jī)。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述用戶設(shè)備單元為具有制冷和制熱功能的空調(diào)設(shè)備。
8.如權(quán)利要求5所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述用戶設(shè)備單元設(shè)置為具有制冷和制熱功能的空調(diào)設(shè)備。
9.如權(quán)利要求6所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述用戶設(shè)備單元設(shè)置為具有制冷和制熱功能的空調(diào)設(shè)備。
10.如權(quán)利要求1 9任一項所述的一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行方法， 包括以下兩種模式1)制熱運(yùn)行模式系統(tǒng)運(yùn)行在制熱運(yùn)行模式時，外置氣-液熱交換器作為蒸發(fā)器工作， 熱泵機(jī)組內(nèi)的內(nèi)置熱交換器作為冷凝器工作；礦井回風(fēng)源經(jīng)擴(kuò)散塔的出風(fēng)口排出，排出過程與外置氣-液熱交換器的制冷工質(zhì)進(jìn)行熱交換；制冷工質(zhì)吸收礦井回風(fēng)源的熱量，蒸發(fā)膨脹，然后通過熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)變成高溫高壓氣體，進(jìn)入內(nèi)置熱交換器的殼體內(nèi)；進(jìn)入殼體內(nèi)的制冷工質(zhì)向換熱管道內(nèi)需要加熱的用水源釋放熱量，然后再經(jīng)膨脹閥變成低溫低壓的液體，返回外置氣-液熱交換器，繼續(xù)和進(jìn)入外置氣-液熱交換器的礦井回風(fēng)源不斷循環(huán)換熱；而內(nèi)置熱交換器的換熱管道內(nèi)的水源獲得熱量后，為用戶設(shè)備單元提供熱量；2)制冷運(yùn)行模式系統(tǒng)運(yùn)行在制冷運(yùn)行模式時，外置氣-液熱交換器作為冷凝器工作， 熱泵機(jī)組內(nèi)的內(nèi)置熱交換器作為蒸發(fā)器工作；礦井回風(fēng)源經(jīng)擴(kuò)散塔的出風(fēng)口排出，排出過程與外置氣-液熱交換器的制冷工質(zhì)進(jìn)行熱交換；制冷工質(zhì)向礦井回風(fēng)源釋放熱量，冷凝， 然后通過熱泵機(jī)組內(nèi)的膨脹閥變成低溫低壓液體，進(jìn)入內(nèi)置熱交換器的殼體內(nèi)；進(jìn)入殼體內(nèi)的制冷工質(zhì)向換熱管道內(nèi)需要制冷的用水源吸收熱量，然后再經(jīng)過壓縮機(jī)變成高溫高壓的氣體，返回外置氣-液熱交換器，繼續(xù)和進(jìn)入外置氣-液熱交換器的礦井回風(fēng)源不斷循環(huán)換熱；而內(nèi)置熱交換器的換熱管道內(nèi)的水源釋放熱量后溫度降低，為用戶設(shè)備單元提供冷量；上述兩種模式的轉(zhuǎn)變是通過切換系統(tǒng)中壓縮機(jī)上的換向閥，改變制冷工質(zhì)的流動方向而實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接膨脹式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)及其運(yùn)行方法，它包括一設(shè)置在礦井回風(fēng)源出口處的擴(kuò)散塔，擴(kuò)散塔的頂部設(shè)置有一出風(fēng)口，出風(fēng)口的上部設(shè)置外置氣-液熱交換器，外置氣-液熱交換器內(nèi)填充有制冷工質(zhì)。熱泵機(jī)組單元內(nèi)設(shè)置若干熱泵機(jī)組，每一熱泵機(jī)組內(nèi)均包括一內(nèi)置熱交換器、一具有換向閥的壓縮機(jī)和一膨脹閥。外置氣-液熱交換器通過壓縮機(jī)和膨脹閥與內(nèi)置熱交換器的殼體管道連接，構(gòu)成制冷工質(zhì)換熱循環(huán)管路；內(nèi)置熱交換器內(nèi)的換熱管道兩端分別連接用戶設(shè)備單元的進(jìn)水口與出水口，構(gòu)成用戶換熱循環(huán)管路。通過切換系統(tǒng)中壓縮機(jī)上的換向閥，系統(tǒng)運(yùn)行在制熱或制冷模式。本發(fā)明可以為煤礦建筑冬季采暖、生活熱水和井口防凍提供熱量，為夏季空調(diào)提供冷量，具有節(jié)能減排的效果。
文檔編號F25B30/06GK102494442SQ20111040576
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者張學(xué)玲, 牛永勝, 王建學(xué), 索金莉, 榮金利, 裴偉, 趙光明 申請人:北京礦大節(jié)能科技有限公司