一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統及其運行方式的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統及其運行方式，包括一擴散塔，一礦井回風換熱器、一循環水池、一加料設備、一溶液濃縮設備、一熱泵機組單元、一用戶設備，其特征在于：擴散塔底部設置的匯水池管道連接循環水池，循環水池內設置一噴淋泵和供水泵；噴淋泵通過兩并聯管道連接擴散塔頂部設置的礦井回風換熱器的噴淋管道，其中一并聯管道上設置一溶液濃縮設備；供水泵通過管道連接熱泵機組單元的一側，同時熱泵機組單元的另一側還通過管道連接用戶設備；循環水池連接加料設備以實現防凍液的投加。本發明可以廣泛應用于高寒地區低風溫工況條件下礦井回風熱能或冷能的回收利用。
【專利說明】一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統及其運行方式
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱泵系統及其運行方式，特別是關于一種用于回收高寒地區煤礦礦井回風源中低溫熱量或冷量的熱泵系統及其運行方式。
【背景技術】
[0002]目前現有的礦井回風源熱泵技術主要應用于回風溫度>10°C的礦井，對于回風溫度10°C以下的低風溫工況礦井回風低溫廢熱的回收還處于空白。而具有回風溫度≤10°C的礦井主要分布在山西、內蒙、陜西等高寒地區，而這些地區可回收的礦井回風廢熱非常豐富。與此同時，這些地區冬季室外最低平均溫度多在-25°C，山西北部、內蒙、陜西北部冬季室外最低平均氣溫則達到了-30°C，導致礦井井筒防凍等用熱負荷加大，這對于礦井采用新的供熱方式替代燃煤鍋爐提出了嚴峻的考驗。
[0003]因此，開發一種低風溫工況礦井回風熱能回收技術，解決高寒地區井筒防凍用熱問題，對促進這些地區礦井推廣應用供熱新技術，努力實現節能減排、減少霧霾等環境污染具有重要的戰略意義。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的是克服現有技術中的缺陷，提供一種用于回收低風溫工況礦井回風中低溫熱量或冷量，為煤礦生活生產提供所需熱能或冷量的熱泵系統及其運行方式。
[0005]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，包括一擴散塔，一礦井回風換熱器、一循環水池、一加料設備、一溶液濃縮設備、一熱泵機組單元、一用戶設備，其特征在于:
[0006]所述擴散塔底部設置一匯水池，所述匯水池通過管道連接所述循環水池；
[0007]所述循環水池內設置一噴淋泵和供水泵，所述噴淋泵通過一回風換熱主管道和一噴淋循環管道連接所述擴散塔頂部設置的所述礦井回風換熱器的噴淋管道，從而在循環水池與礦井回風換熱器之間組成一水霧循環管路；
[0008]所述噴淋泵還通過所述回風換熱主管道和一溶液濃縮管道連接所述礦井回風換熱器的噴淋管道，所述溶液濃縮管道上設置所述溶液濃縮設備，從而在循環水池與礦井回風換熱器之間組成一溶液濃縮循環管路；
[0009]所述循環水池中設置的供水泵通過一在線水處理設備連接所述熱泵機組單元，所述熱泵機組單元再通過管道連接所述循環水池，同時所述熱泵機組單元還通過一循環管路連接所述用戶設備；
[0010]所述循環水池的一側通過一加料閥連接所述加料設備；
[0011]所述噴淋循環管道和所述溶液濃縮管道上均設置一調節閥；
[0012] 所述礦井回風換熱器的噴淋管道處設置一溫度傳感器和一濃度傳感器。
[0013]所述循環水池封閉設置。[0014]所述加料設備配備攪拌器。
[0015]所述熱泵機組單元可以是I臺或I臺以上并聯的熱泵機組。
[0016]所述溶液濃縮設備為膜濃縮設備。
[0017]所述加料設備中填充的防凍液可以由鹵素鹽溶液和緩蝕劑組成。
[0018]所述防凍液為氯化鈣溶液時，當管路水溫< 2°C時，氯化鈣溶液控制濃度范圍:5% -10%。
[0019]一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統的運行方式，包括以下兩種模式:
[0020]I)夏季制冷運行模式，包括以下步驟:
[0021]①關閉加料設備及加料閥，關閉溶液濃縮管道上的調節閥和溶液濃縮設備，最后關閉溫度傳感器和濃度傳感器，并且打開噴淋循環管道上的調節閥；
[0022]②其他設備開啟運行，礦井回風換熱器噴淋霧化水滴，霧化水滴與礦井主通風機從井下抽出的礦井總回風在擴散塔中進行換熱，換熱后霧化水滴經匯水池收集進入循環水池，供水泵泵送循環水通過在線水處理設備過濾并進入熱泵機組吸收熱量后，流回循環水池，再通過噴淋循環管道返回礦井回風換熱器繼續換熱；
[0023]③熱泵機組將從循環水中提取的冷量傳遞給用戶設備，完成用戶端循環制冷過程，滿足用戶設備的用冷需求；
[0024]2)冬季制熱運行模式，包括以下步驟:
[0025]①關閉加料設備及加料閥，關閉溶液濃縮管道上的調節閥和溶液濃縮設備，開啟溫度傳感器和濃度傳感器；
[0026]②啟動其他設備后，通過溫度傳感器監測管路水溫:
[0027]a)當溫度傳感器監測到管路水溫高于2°C時，保持通過噴淋循環管道使循環水池與礦井回風換熱器相連通；
[0028]b)當溫度傳感器監測到管路水溫低于2°C時，開啟加料閥及加料設備，并通過加料設備向循環水池中投入防凍液，通過噴淋循環管道向礦井回風換熱器泵送防凍液，并通過濃度傳感器監測管路內的溶液濃度；
[0029]當防凍劑濃度達到管路防凍需求時，關閉加料閥停止加料，同時開啟調節閥和溶液濃縮設備，通過控制調節閥的大小，調節進入噴淋循環管道和溶液濃縮管道的防凍液的流量，使防凍液濃度穩定在有效的工作范圍內；
[0030]運行過程中，如果監測到防凍液濃度仍無法滿足需求，則打開加料閥和加料設備，通過加料設備往循環水池追加投入防凍液；
[0031]③礦井回風換熱器噴淋霧化水滴，霧化水滴與礦井主通風機從井下抽出的礦井回風在擴散塔內進行換熱，換熱后的霧化水經匯水池收集進入循環水池，通過供水泵將水經過在線水處理設備過濾進入熱泵機組釋放熱量后，再回流到循環水池，然后通過噴淋循環管道或溶液濃縮管道返回礦井回風換熱器繼續換熱；
[0032]④熱泵機組通過循環管路將水霧循環中提取的熱量傳遞給用戶設備，完成用戶端循環供熱過程，滿足用戶設備的用熱需求。
[0033]本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明中循環水池配備有加料設備，在冬季低溫工況下，通過加入防凍液使管路中的載熱流體即使在低溫工況下也不會凍結，并且通過配備攪拌器的加料設備能使防凍液濃度均勻，不會產生局部防凍劑濃度過高產生結晶使管路堵塞的情況。2、本發明載熱流體輸送管路上設置有溶液濃縮設備，能穩定管路中的溶液濃度，能夠有效地避免因為“飄水”等損耗使防凍液濃度下降而導致管路凍結的情況，并且能夠減少防凍液的持續投入，能有效地節約成本。3、本發明由于在噴淋管路處設置溫度傳感器和濃度傳感器，在冬季低溫工況下，通過監測進入礦井回風換熱器之前的管內流體的溫度和濃度，調控防凍液的投加量，適應冬季環境氣溫變化，保障系統安全穩定運行。本發明可以廣泛應用于高寒地區低風溫工況條件下礦井回風熱能或冷能的回收利用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是本發明的系統結構示意圖【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例，對本發明進行詳細的描述。
[0036]如圖1所不,本發明包括一與礦井主通風機I相連的擴散塔2,—礦井回風換熱器
3、一循環水池4、一加料設備5、一溶液濃縮設備6、一熱泵機組單兀7、一用戶設備8。
[0037]擴散塔2頂部設置礦井回風換熱器3，礦井回風換熱器3采用噴淋換熱方式，擴散塔2底部設置一匯水池21，匯水池21通過一管道連接循環水池4的頂部。
[0038]循環水池4內設置一噴淋泵41和一供水泵42。噴淋泵41連接一回風換熱主管道9，回風換熱主管道9分為兩分支管道；其中一分支管道為噴淋循環管道91，噴淋循環管道91通過一調節閥93連接礦井回風換熱器3的噴淋管道31，從而在循環水池4與礦井回風換熱器3之間組成一水霧循環管路；回風換熱主管道9的另一分支管道為溶液濃縮管道92，溶液濃縮管道92通過一調節閥94和一溶液濃縮設備6連接礦井回風換熱器3的噴淋管道31，從而在循環水池4與礦井回風換熱器3之間組成一溶液濃縮循環管路。礦井回風換熱器3的噴淋管道31處設置一溫度傳感器32和一濃度傳感器33，監測進入礦井回風換熱器之前的管道內流體的溫度和濃度。
[0039]循環水池4中設置的供水泵42通過一在線水處理設備43連接熱泵機組單元7 —側的進水端，熱泵機組單元7同側的回水端通過一管路連接回循環水池4。
[0040]同時，在循環水池4的一側通過一加料閥51連接加料設備5，并且通過控制加料閥51的開啟實現由加料設備5向循環水池4中加入防凍液。
[0041 ] 熱泵機組單元7另一側通過一循環管道連接用戶設備8，用戶設備8可以是采暖空調設備、洗浴設備、煤礦井口防凍設備等。
[0042]本發明工作時分為兩種運行模式，一種是在夏季提取礦井回風中的冷量滿足用戶供冷需求的制冷運行模式；另一種則是在冬季提取礦井回風中的熱能滿足用戶供熱需求的制熱運行模式。
[0043]當處于夏季制冷運行模式時，包括以下步驟:
[0044]I)關閉加料設備5及加料閥51，關閉溶液濃縮管道92上的調節閥94和溶液濃縮設備6，最后關閉溫度傳感器32和濃度傳感器33，并且打開調節閥93，確保僅通過噴淋循環管道91使循環水池4與礦井回風換熱器3相連通；
[0045]2)其他設備開啟運行，礦井回風換熱器3噴淋霧化水滴，霧化水滴與礦井主通風機I從井下抽出的礦井總回風在擴散塔2中進行換熱，換熱后霧化水滴經匯水池21收集進入循環水池4，供水泵42泵送循環水通過在線水處理設備43過濾并進入熱泵機組7吸收熱量后，流回循環水池4，再通過噴淋循環管道91返回礦井回風換熱器3繼續換熱，循環往復；
[0046]3)熱泵機組7將從循環水中提取的冷量傳遞給用戶設備8，完成用戶端循環制冷過程，滿足用戶設備8的用冷需求。
[0047]當處于冬季制熱運行模式時，包括以下步驟:
[0048]I)首先，關閉加料設備5及加料閥51，關閉溶液濃縮管道92上的調節閥94和溶液濃縮設備6，開啟溫度傳感器32和濃度傳感器33，通過噴淋循環管道91使循環水池4與礦井回風換熱器3相連通。
[0049]2)啟動其他設備后，通過溫度傳感器32監測管路水溫:
[0050]①當溫度傳感器32監測到管路水溫高于2°C時，管路系統正常運轉，保持通過噴淋循環管道91使循環水池4與礦井回風換熱器3相連通。礦井回風換熱器3噴淋霧化水滴，霧化水滴與礦井主通風機I從井下抽出的礦井回風在擴散塔2內進行換熱，換熱后的霧化水經匯水池21收集進入循環水池4，通過供水泵42將水經過在線水處理設備43過濾進入熱泵機組7釋放熱量后，再回流到循環水池4，然后通過噴淋循環管道91返回礦井回風換熱器3繼續換熱，循環往復；
[0051]②當溫度傳感器32監測到管路水溫低于2°C時，管路系統有凍結危險。此時開啟加料閥51及加料設備5，并通過加料設備5向循環水池4中投入防凍液，通過噴淋循環管道91向礦井回風換熱器3泵送防凍液，并通過濃度傳感器33監測管路內的溶液濃度；
[0052]當防凍劑濃度達到管路防凍需求時，關閉加料閥51停止加料，同時開啟調節閥94和溶液濃縮設備6，通過控制調節閥93和調節閥94的大小，調節進入噴淋循環管道91和溶液濃縮管道92的防凍液的流量，從而使防凍液濃度穩定在有效的工作范圍內；
[0053]運行過程中，如果監測到防凍液濃度仍無法滿足需求，則打開加料閥51和加料設備5，通過加料設備5往循環水池追加投入防凍液；
[0054]礦井回風換熱器3噴淋霧化水滴，霧化水滴與礦井主通風機I從井下抽出的礦井回風在擴散塔2內進行換熱，換熱后的霧化水經匯水池21收集進入循環水池4，通過供水泵42將水經過在線水處理設備43過濾進入熱泵機組7釋放熱量后，再回流到循環水池4，然后通過噴淋循環管道91和溶液濃縮管道92返回礦井回風換熱器3繼續換熱，循環往復；
[0055]3)熱泵機組7通過循環管路將水霧循環中提取的熱量傳遞給用戶設備8，完成用戶端循環供熱過程，滿足用戶設備8的用熱需求。
[0056]上述實施例中，循環水池4密封設置，防止熱能散失以及投加防凍液后溶質的揮發損失。
[0057]上述實施例中，加料設備5配備攪拌器，使防凍液濃度均勻。
[0058]上述實施例中，加料設備5中填充的防凍液可以由鹵素鹽溶液和緩蝕劑組成。防凍液為氯化鈣溶液時，當管路水溫< 2°C時，氯化鈣溶液控制濃度范圍:5% -10%。
[0059]上述實施例中，熱泵機組單元7可以為I臺或I臺以上并聯的熱泵機組。
[0060]上述實施例中，溶液濃縮設備6可以為膜濃縮設備。
[0061]上述實施例中，可以通過PLC控制模塊，監控溫度傳感器和濃度傳感器，并根據信號反饋控制設備啟停和閥門開關、大小，實現自動或半自動控制。
[0062]上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
【權利要求】
1.一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，包括一擴散塔，一礦井回風換熱器、一循環水池、一加料設備、一溶液濃縮設備、一熱泵機組單兀、一用戶設備，其特征在于: 所述擴散塔底部設置一匯水池，所述匯水池通過管道連接所述循環水池； 所述循環水池內設置一噴淋泵和供水泵，所述噴淋泵通過一回風換熱主管道和一噴淋循環管道連接所述擴散塔頂部設置的所述礦井回風換熱器的噴淋管道，從而在循環水池與礦井回風換熱器之間組成一水霧循環管路； 所述噴淋泵還通過所述回風換熱主管道和一溶液濃縮管道連接所述礦井回風換熱器的噴淋管道，所述溶液濃縮管道上設置所述溶液濃縮設備，從而在循環水池與礦井回風換熱器之間組成一溶液濃縮循環管路； 所述循環水池中設置的供水泵通過一在線水處理設備連接所述熱泵機組單元，所述熱泵機組單元再通過管道連接所述循環水池，同時所述熱泵機組單元還通過一循環管路連接所述用戶設備； 所述循環水池的一側通過一加料閥連接所述加料設備； 所述噴淋循環管道和所述溶液濃縮管道上均設置一調節閥； 所述礦井回風換熱器的噴淋管道處設置一溫度傳感器和一濃度傳感器。
2.如權利要求1所述的一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，其特征在于:所述循環水池封閉設置。
3.如權利要求1所述的一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，其特征在于:所述加料設備配備攪拌器。
4.如權利要求1所述的一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，其特征在于:所述熱泵機組單元可以是I臺或I臺以上并聯的熱泵機組。
5.如權利要求1所述的一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，其特征在于:所述溶液濃縮設備為膜濃縮設備。
6.如權利要求1所述的一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，其特征在于:所述加料設備中填充的防凍液可以由鹵素鹽溶液和緩蝕劑組成。
7.如權利要求6所述的一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，其特征在于:所述防凍液為氯化鈣溶液時，當管路水溫< 2°C時，氯化鈣溶液控制濃度范圍:5% -10%。
8.一種低風溫工況礦井回風源熱泵系統的運行方式，包括以下兩種模式: 1)夏季制冷運行模式，包括以下步驟: ①關閉加料設備及加料閥，關閉溶液濃縮管道上的調節閥和溶液濃縮設備，最后關閉溫度傳感器和濃度傳感器，并且打開噴淋循環管道上的調節閥； ②其他設備開啟運行，礦井回風換熱器噴淋霧化水滴，霧化水滴與礦井主通風機從井下抽出的礦井總回風在擴散塔中進行換熱，換熱后霧化水滴經匯水池收集進入循環水池，供水泵泵送循環水通過在線水處理設備過濾并進入熱泵機組吸收熱量后，流回循環水池，再通過噴淋循環管道返回礦井回風換熱器繼續換熱； ③熱泵機組將從循環水中提取的冷量傳遞給用戶設備，完成用戶端循環制冷過程，滿足用戶設備的用冷需求； 2)冬季制熱運行模式，包括以下步驟: ①關閉加料設備及加料閥，關閉溶液濃縮管道上的調節閥和溶液濃縮設備，開啟溫度傳感器和濃度傳感器； ②啟動其他設備后，通過溫度傳感器監測管路水溫: a)當溫度傳感器監測到管路水溫高于2°C時，保持通過噴淋循環管道使循環水池與礦井回風換熱器相連通； b)當溫度傳感器監測到管路水溫低于2°C時，開啟加料閥及加料設備，并通過加料設備向循環水池中投入防凍液，通過噴淋循環管道向礦井回風換熱器泵送防凍液，并通過濃度傳感器監測管路內的溶液濃度； 當防凍劑濃度達到管路防凍需求時，關閉加料閥停止加料，同時開啟調節閥和溶液濃縮設備，通過控制調節閥的大小，調節進入噴淋循環管道和溶液濃縮管道的防凍液的流量，使防凍液濃度穩定在有效的工作范圍內； 運行過程中，如果監測到防凍液濃度仍無法滿足需求，則打開加料閥和加料設備，通過加料設備往循環水池追加投入防凍液； ③礦井回風換熱器噴淋霧化水滴，霧化水滴與礦井主通風機從井下抽出的礦井回風在擴散塔內進行換熱，換熱后的霧化水經匯水池收集進入循環水池，通過供水泵將水經過在線水處理設備過濾進入熱泵機組釋放熱量后，再回流到循環水池，然后通過噴淋循環管道或溶液濃縮管道返回礦井回風換熱器繼續換熱； ④熱泵機組通過循環管路將水霧循環中提取的熱量傳遞給用戶設備，完成用戶端循環供熱過程，滿足用戶設 備的用熱需求。
【文檔編號】F25B49/00GK104019580SQ201410198662
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】王建學, 牛永勝, 孟杰 申請人:北京礦大節能科技有限公司