一种热泵水处理系统及工作方法与流程

1.本发明属于水处理和热泵技术领域，具体涉及一种热泵水处理系统及工作方法。


背景技术：

2.我国人均水资源拥有量只及世界平均水平的1/4，全国600多个城市中有2/3供水不足，其中1/6的城市严重缺水。在环保要求越来越严格以及能源危机的背景下，为了达到污水排放标准，需消耗大量的能量来处理城市生活废水，所以迫切需要一种既能用于高效节能处理废水以得到可供生活使用的淡水，同时还能用于沿海地区的海水淡化的技术。
3.蒸馏浓缩是一种公认的高效水处理技术，废水或海水吸热蒸发成为浓溶液和水蒸汽，水蒸汽再凝结得到洁净的蒸馏水。机械蒸汽再压缩和热泵蒸馏是两种节能的蒸馏浓缩技术，前者是利用蒸汽压缩机回收低温蒸汽的潜热：压缩低温蒸汽变为高温蒸汽再将冷凝热用于被处理溶液的水蒸发，后者是利用压缩式热泵原理：由热泵的冷凝器提供水蒸发的热，再由蒸发器凝结水蒸汽。
4.因为水蒸汽比容大，机械蒸汽再压缩水处理装置的占地面积和设备初投资都很大，很难在民用方面做推广，而热泵式水处理技术更为便捷，特别适宜民用小型水处理装置。但现有热泵水处理装置其能效较低，冷凝器放热用于水蒸发的利用率低，为了平衡冷凝器与蒸发器的热量差，在冷凝器出口还设置了辅助冷凝器，而辅助冷凝器的换热量较难控制，系统稳定性差。
5.所以迫切需要开发一种更为高效节能且能稳定工作的，适宜民用的小型热泵蒸馏式生活废水处理或海水淡化技术，有效解决民众尤其是缺水地区人民的用水问题，改善生活质量。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于解决民众的用水以及传统热泵水处理能效低的问题，提出一种节能高效的热泵水处理系统及工作方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种热泵水处理系统，包括冷凝蒸发器1、节流阀2、蒸发冷凝器3、压缩机4、第一水冷换热器5、真空泵6、原料水泵7、第二水冷换热器8；所述冷凝蒸发器1为套装式内外罐结构体，内外罐之间设置有安置换热盘管1d的间隙，内罐中自上而下依次设置有滤网1e、旋转喷水装置1a、与旋转喷水装置1a连通的喷管1b及刮板1c；所述压缩机4出口通过管道连接贴附于冷凝蒸发器1间隙中的换热盘管1d入口a1，所述换热盘管1d出口a2通过节流阀2与蒸发冷凝器3内换热管入口b1相连接，蒸发冷凝器3顶部换热管出口b2通过管道接至压缩机4入口；所述冷凝蒸发器1顶端出口分两路，一路经过第一阀门12通过真空泵6与大气相通，另一路经第三阀门14与第一水冷换热器5上部入口c1相连接,所述第一水冷换热器5上部出口c2与蒸发冷凝器3蒸汽入口相连接；所述蒸发冷凝器3顶部出口b3经第二阀门13连接真空泵6入口；原料水分两路，一路通过管道连接至电磁三通阀19下部入口，所述电磁三通阀19顶部出
口连接至第一水冷换热器5下部入口d1，另一路经第一原料水阀18接入第二水冷换热器8上部入口e1；所述电磁三通阀19中部出口通过管道连接至第一水冷换热器5下部出口d2的管路上；所述冷凝蒸发器1底部出口分两路，一路通过排污阀22和第二水冷换热器8下部入口f1相连接，第二水冷换热器8下部出口f2与外界相连通，另一路通过第三原料水阀21后分两路，一路通过原料水泵7经过第二原料水阀20与旋转喷水装置1a入口相连接，另一路接至第一水冷换热器5下部出口d2与第二水冷换热器8上部出口e2汇合后的管路上。
9.进一步优选，所述蒸发冷凝器3底部出口还通过第四阀门15连接引射器11中部入口g2；所述引射器11上部出口g3连接储水箱9顶部入口h1，所述储水箱9底部出口依次通过回水泵10和回水阀16连接引射器11下部入口g1；所述储水箱9上部出口h2通过排气阀17与大气相连接。
10.进一步优选，所述换热盘管1d设置在所述冷凝蒸发器1的底部和身部下段间隙中，其中设置在身部下段间隙中的换热盘管1d呈螺旋状，设置在底部间隙中的换热盘管1d为双管顺时针或逆时针由内向外旋转，呈“蚊香”状。
11.进一步优选，所述换热盘管1d的断截面形状为“d”字形，其平整的一侧贴紧冷凝蒸发器1内罐外壁。
12.进一步优选，所述间隙中还填充有保温材料。
13.进一步优选，所述旋转喷水装置1a通过支架固定在冷凝蒸发器1的内罐上部，所述旋转喷水装置1a下部出口与喷管1b相连通，所述旋转喷水装置1a上部入口与设置在罐外的第二原料水阀20出口相连接。
14.进一步优选，所述喷管1b由主管和与主管相连通的的多层，每层多根支管构成，其中所述主管与旋转喷水装置1a下部出口为旋转活动连接，
15.所述主管与各支管相垂直连通，支管与支管之间间距相等；支管的末端设置有喷嘴，喷嘴出口朝向内罐壁周向方向，喷嘴的形状为圆形渐缩喷口。
16.进一步优选，所述刮板1c为带孔隙或不带孔隙的四边形或圆形板状体，采用螺纹固定连接在相邻两层支管之间的主管上，且呈错位布置。
17.一种热泵水处理系统的工作方法，具体内容和步骤如下：
18.在系统运行前先打开第一阀门12、第二阀门13和启动真空泵6，对系统进行抽真空，其余阀门关闭，真空度达到设定要求后关闭真空泵6及第一阀门12和第二阀门13；系统开始运行时先打开第一原料水阀18、电磁三通阀19和第二原料水阀20，并启动原料水泵7，使冷凝蒸发器1中储有浸没喷管1b最低的支管的原料水量；然后启动压缩机4，制冷剂气体被压缩机4压缩后变成高压高温的气态制冷剂送入冷凝蒸发器1的换热盘管1d内，制冷剂在换热盘管1d内放热冷凝后进入节流阀2被节流降压变成低温低压制冷剂，制冷剂在蒸发冷凝器3中的换热盘管内吸热蒸发后再回到压缩机4被压缩，以此往复循环；
19.系统运行过程中，原料水经电磁三通阀19流入第一水冷换热器5吸收蒸汽热量升温，从第一水冷换热器5出来后被原料水泵7泵入冷凝蒸发器1内，电磁三通阀19的开度根据压缩机4吸气温度来调节以控制进入第一水冷换热器5的原料水量；冷凝蒸发器1内的原料水吸收制冷剂放热的热量产生蒸汽，蒸汽通过滤网1e过滤，经第三阀门14进入第一水冷换热器5预热经电磁三通阀19流入的原料水，然后再进入蒸发冷凝器3内放热冷凝，释放热量用于制冷剂的蒸发；原料水蒸发部分水分后变成浓原料水储于冷凝蒸发器1内罐内，蒸汽被
冷凝产生的冷凝液储于蒸发冷凝器3底部；
20.当制冷剂循环一段时间后，进行排污处理，打开排污阀22、第一原料水阀18，原料水此时分两部分，一部分通过第二水冷换热器8吸收浓原料水的余热，另一部分通过第一水冷换热器5吸收蒸汽余热，两路原料水在原料水泵7的入口前汇合一起被泵入冷凝蒸发器1内，第一原料水阀18和排污阀22根据冷凝蒸发器1内浓原料水浓度及液位高度进行启停控制；针对冷凝液部分，当系统运行稳定且蒸发冷凝器3内储有一定的冷凝液时，打开第四阀门15、回水阀16和排气阀17，开启回水泵10，引射器11将冷凝液引射排出至储水箱9，其中回水泵10的启停根据蒸发冷凝器3内冷凝液的液位高度进行控制。
21.进一步优选，所述电磁三通阀19连接第一水冷换热器5入口d1方向的开度与蒸发冷凝器3出口b2温度成正比例调节关系；所述回水泵10的启停根据蒸发冷凝器3内部冷凝水的液位高度进行控制；冷凝液处于下液位时，关闭回水泵10，冷凝液处于上液位时，开启回水泵10。
22.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下技术效果：
23.本发明利用第一水冷换热器5、第二水冷换热器8代替传统热泵水处理系统的辅助冷凝器，通过蒸发冷凝器3上部出口b2的温度来调节电磁三通阀19的开度，解决辅助冷凝器的换热量较难控制的问题，同时利用第一水冷换热器5、第二水冷换热器8回收蒸汽和浓原料水的余热对原料水进行预热，优化了热泵系统控制，提高系统产水量，降低单位产水能耗。并在冷凝蒸发器内设置了喷水搅拌机构，增强了原料水扰动，强化了换热，相对于外置电机驱动的搅拌方式，更有利于维持罐内负压；同时设置贴附冷凝蒸发器1內罐外壁的d型换热盘管1d，增加换热面积，进一步优化系统性能。
附图说明
24.图1是本发明实施例的热泵水处理系统构造及原理示意图。
25.图中附图标记说明：1.冷凝蒸发器、1a.旋转喷水装置、1b.喷管、1c.刮板、1d.换热盘管、1e.滤网、2.节流阀、3.蒸发冷凝器、4.压缩机、5.第一水冷换热器、6.真空泵、7.原料水泵、8.第二水冷换热器、9.储水箱、10.回水泵、11.引射器、12.第一阀门、13.第二阀门、14.第三阀门、15.第四阀门、16.回水阀、17.排气阀、18.第一原料水阀、19.电磁三通阀、20.第二原料水阀、21.第三原料水阀、22.排污阀。
26.图2是喷水搅拌机构三维结构示意图。
27.图3是喷水搅拌机构俯视图。
28.图4是换热盘管三维结构示意图。
29.图5是换热盘管管道截面图。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明做出进一步的详细说明。
31.如图1所示，热泵水处理系统包括：冷凝蒸发器1、节流阀2、蒸发冷凝器3、压缩机4、第一水冷换热器5、真空泵6、原料水泵7、第二水冷换热器8；所述冷凝蒸发器1为套装式内外罐结构体，内外罐之间设置有安置换热盘管1d的间隙，内罐中自上而下依次设置有滤网1e、
旋转喷水装置1a、与旋转喷水装置1a连通的喷管1b及刮板1c；所述压缩机4出口通过管道连接贴附于冷凝蒸发器1间隙中的换热盘管1d入口a1，所述换热盘管1d出口a2通过节流阀2与蒸发冷凝器3内换热管入口b1相连接，蒸发冷凝器3顶部换热管出口b2通过管道接至压缩机4入口；所述冷凝蒸发器1顶端出口分两路，一路经过第一阀门12通过真空泵6与大气相通，另一路经第三阀门14与第一水冷换热器5上部入口c1相连接,所述第一水冷换热器5上部出口c2与蒸发冷凝器3蒸汽入口相连接；所述蒸发冷凝器3顶部出口b3经第二阀门13连接真空泵6入口。真空泵6、第一阀门12、第二阀门13只在系统抽真空以维持系统负压的时候开启，系统运行期间均关闭。
32.原料水分两路，一路通过管道连接至电磁三通阀19下部入口，所述电磁三通阀19顶部出口连接至第一水冷换热器5下部入口d1，另一路经第一原料水阀18接入第二水冷换热器8上部入口e1；所述电磁三通阀19中部出口通过管道连接至第一水冷换热器5下部出口d2的管路上；所述冷凝蒸发器1底部出口分两路，一路通过排污阀22和第二水冷换热器8下部入口f1相连接，第二水冷换热器8下部出口f2与外界相连通，另一路通过第三原料水阀21后分两路，一路通过原料水泵7经过第二原料水阀20与旋转喷水装置1a入口相连接，另一路接至第一水冷换热器5下部出口d2与第二水冷换热器8上部出口e2汇合后的管路上。第一水冷换热器5和第二水冷换热器8用以代替传统热泵水处理系统的辅助冷凝器，解决辅助冷凝器换热量难控制的问题，同时对原料水进行预热。
33.所述蒸发冷凝器3底部出口还通过第四阀门15连接引射器11中部入口g2；所述引射器11上部出口g3连接储水箱9顶部入口h1，所述储水箱9底部出口依次通过回水泵10和回水阀16连接引射器11下部入口g1；所述储水箱9上部出口h2通过排气阀17与大气相连接，便于及时排出不凝性气体。
34.如图2所示，所述喷管1b由主管和与主管相连通的多层，每层多根支管构成，其中所述主管与旋转喷水装置1a下部出口为旋转活动连接，主管与各支管相垂直连通由螺纹固定，使得装置可根据不同的使用场景来灵活安装支管的数量以及安排不停的间距大小，形成配套，也可方便维修与更换；支管的末端设置有喷嘴，喷嘴出口朝向内罐壁周向方向，以此产生向心力使纵向主管产生旋转所需的推力，喷嘴的形状为圆形减缩喷口，这有利于保持周向力的稳定性，使主管稳定旋转；所述刮板1c为带孔隙或不带孔隙的四边形或圆形板状体，采用螺纹固定连接在相邻两层支管之间的主管上，且呈错位布置，所述刮板1c以喷管1b中横向支管的数量而定，刮板1c可以增强原料水在冷凝蒸发器1中的扰动，使换热效率提高。
35.所述滤网1e设于喷水装置1a上方，用以过滤蒸汽中的杂质，使得蒸汽被吸热冷凝后产生的冷凝液较为纯净，保证水质。
36.所述旋转喷水装置1a通过支架支撑焊接固定在冷凝蒸发器1的内罐上部，如图3喷水搅拌机构俯视图所示，所述旋转喷水装置1a下部出口与喷管1b的纵向主管为旋转活动连接，喷管1b的支管与支管之间间距相等，支管的数量依设定的水位高度而定；所述旋转喷水装置1a上部入口与设置在罐外的第二原料水阀20出口相连接。
37.所述换热盘管1d设置在所述冷凝蒸发器1的底部和身部下段间隙中，其中设置在身部下段间隙中的换热盘管1d呈螺旋状，如图4所示，设置在底部间隙中的换热盘管1d为双管顺时针或逆时针由内向外旋转，呈“蚊香”状，换热盘管1d整体为底部密集、两侧稀疏，当
底部盘管较密集时，容易造成原料水中底部温度较上部高的情况，容易造成原料水的翻滚以提高换热效率；如图5所示，所述换热盘管1d的断截面形状为“d”字形，其平整的一侧贴紧冷凝蒸发器1内罐外壁，相较于截面为圆形的管道，本发明使用的换热盘管1d管道截面增大了换热面积，有利于加快换热的速率；所述间隙中还填充有保温材料，避免热量损失。
38.一种热泵水处理系统的工作方法，具体内容和步骤如下：
39.在系统运行前先打开第一阀门12、第二阀门13和启动真空泵6，对系统进行抽真空，其余阀门关闭，真空度达到设定要求后关闭真空泵6及第一阀门12和第二阀门13；系统开始运行时先打开第一原料水阀18、电磁三通阀19和第二原料水阀20，并启动原料水泵7，使冷凝蒸发器1中储有浸没喷管1b最低的支管的原料水量，所处理的原料水可以是海水或者生活污水等；然后启动压缩机4，制冷剂气体被压缩机4压缩后变成高压高温的气态制冷剂送入冷凝蒸发器1的换热盘管1d内，制冷剂在换热盘管1d内放热冷凝后进入节流阀2被节流降压变成低温低压制冷剂，制冷剂在蒸发冷凝器3中的换热盘管内吸热蒸发后再回到压缩机4被压缩，以此往复循环；
40.系统运行过程中，原料水经电磁三通阀19流入第一水冷换热器5吸收蒸汽热量升温，从第一水冷换热器5出来后被原料水泵7泵入冷凝蒸发器1内，电磁三通阀19的开度根据压缩机4吸气温度来调节以控制进入第一水冷换热器5的原料水量；冷凝蒸发器1内的原料水吸收制冷剂放热的热量产生蒸汽，蒸汽通过滤网1e过滤，经第三阀门14进入第一水冷换热器5预热经电磁三通阀19流入的原料水，然后再进入蒸发冷凝器3内放热冷凝，释放热量用于制冷剂的蒸发；原料水蒸发部分水分后变成浓原料水储于冷凝蒸发器1内罐内，蒸汽被冷凝产生的冷凝液储于蒸发冷凝器3底部；
41.当制冷剂循环一段时间后，进行排污处理，打开排污阀22、第一原料水阀18，原料水此时分两部分，一部分通过第二水冷换热器8吸收浓原料水的余热，另一部分通过第一水冷换热器5吸收蒸汽余热，两路原料水在原料水泵7的入口前汇合一起被泵入冷凝蒸发器1内，第一原料水阀18和排污阀22根据冷凝蒸发器1内浓原料水浓度及液位高度进行启停控制；针对冷凝液部分，当系统运行稳定且蒸发冷凝器3内储有一定的冷凝液时，打开第四阀门15、回水阀16和排气阀17，开启回水泵10，引射器11将冷凝液引射排出至储水箱9，其中回水泵10的启停根据蒸发冷凝器3内冷凝液的液位高度进行控制。
42.进一步优选，所述电磁三通阀19连接第一水冷换热器5入口d1方向的开度与蒸发冷凝器3出口b2温度成正比例调节关系；所述回水泵10的启停根据蒸发冷凝器3内部冷凝水的液位高度进行控制；冷凝液处于下液位时，关闭回水泵10，冷凝液处于上液位时，开启回水泵10。
43.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种变更与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。