CN103827602B - 供水加温*** - Google Patents

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Abstract

在使用有热泵的供水加温***中，提高热泵的COP。经由供水路(8)的向供水槽(3)的供水依次通过废热回收换热器(12)、过冷却器(17)及冷凝器(14)。热源水等热源流体依次通过蒸发器(16)及废热回收换热器(12)。废热回收换热器(12)是经由供水路(8)的向供水槽(3)的供水与通过蒸发器(16)后的热源流体之间的间接换热器。过冷却器(17)是经由供水路(8)的向供水槽(3)的供水与从冷凝器(14)向膨胀阀(15)的制冷剂之间的间接换热器。优选在经由供水路(8)的向供水槽(3)的供水期间，使热泵(4)运转，并且以使热泵(4)的冷凝器(14)的出口侧水温维持为设定温度的方式调整向冷凝器(14)的通水量。

Description

供水加温***
技术领域
本发明涉及一种使用有热泵的供水加温***。本申请基于在2012年3月30日向日本提出申请的日本特愿2012-079191号而主张优先权，并在此援引其内容。
背景技术
一直以来，如下述专利文献1所公开的那样，已知有能够使用热泵(12)对向锅炉(24)的供水槽(23)的供水进行加温的***。另外，如下述专利文献2所公开的那样，还已知有在使用热泵(10)而产生蒸汽的***(S1)中分为加温直至水接近沸点的加温部(21(第一换热器40))和使水蒸发的蒸发部(22(第二换热器41))的***。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-25431号公报(图2、图3)
专利文献2：日本特开2007-120914号公报(图1、段落编号0024-0027、0032)
发明要解决的课题
上述专利文献所记载的发明均在通过热泵的蒸发器后的热源流体中残留尚可利用的热量，而无法将其利用。并且，在由热泵负担所有供水的加温的情况下，***大型化，压缩机的消耗电力也变多，热泵的效率(性能系数COP)差。
另外，上述专利文献所记载的发明均是想要利用热泵进行加温的水的流量为恒定，因此无法与供水源的水温、通向热泵的蒸发器的热源流体的温度变化相应地将来自热泵的热水涌出温度(在专利文献2所记载的发明中，由于蒸发部22成为规定压力下的饱和温度，因此与由加温部21加温后的水温相当)维持为所期望的温度。
发明内容
对此，本发明要解决的课题在于，在使用有热泵的供水加温***中，提高热泵的效率。另外，优选地将热水涌出温度维持为所期望的温度。
解决方案
本发明是为了解决所述课题而完成的，技术方案1所记载的发明是一种供水加温***，其特征在于，所述供水加温***具备：热泵，其由压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器依次呈环状地连接而成，使制冷剂循环，从通向所述蒸发器的热源流体中汲取热量，并对通向所述冷凝器的水进行加温；供水槽，能够利用供水路依次通过废热回收换热器、过冷却器及所述冷凝器而向该供水槽进行供水，所述废热回收换热器是经由所述供水路的向所述供水槽的供水与通过所述蒸发器后的热源流体之间的间接换热器，所述过冷却器是经由所述供水路的向所述供水槽的供水与从所述冷凝器向所述膨胀阀的制冷剂之间的间接换热器。
根据技术方案1所记载的发明，向供水槽的供水依次通过废热回收换热器、过冷却器及冷凝器，另一方面，热泵的热源流体依次通过蒸发器及废热回收换热器。使用通过蒸发器后的热源流体的废热、通过冷凝器后的制冷剂的热量，对向冷凝器的供水进行预热，由此能够提高热泵的效率。
技术方案2所记载的发明是技术方案1所记载的供水加温***，其特征在于，在经由所述供水路的向所述供水槽的供水期间，使所述热泵运转，并且以将所述热泵的冷凝器的出口侧水温维持为设定温度的方式调整向所述冷凝器的通水量。
根据技术方案2所记载的发明，在经由供水路的向供水槽的供水期间，以使冷凝器的出口侧水温维持为设定温度的方式调整向冷凝器的通水量(经由供水路的向供水槽的供水流量)，由此与供水源的水温、热源流体的温度无关而能够获得所期望温度的温水。此外，为了将冷凝器的出口侧水温维持为设定温度，不控制热泵而控制向冷凝器的通水量，因此能够使热泵以高效率的高负载运转、或与供水槽的水位等相应而进行负载调整。
技术方案3所记载的发明是技术方案1或技术方案2所记载的供水加温***，其特征在于，在所述冷凝器中，实现所述热泵的制冷剂的冷凝，由此向所述供水槽的供水被所述热泵的制冷剂的潜热及显热加热，在所述过冷却器中，实现来自所述冷凝器的液态制冷剂的冷却，由此向所述供水槽的供水被所述热泵的制冷剂的显热加热。
根据技术方案3所记载的发明，关于热泵的制冷剂，由冷凝器来进行从气相向液相的冷凝，并由过冷却器来进行冷凝后的液态制冷剂的进一步的冷却。通过将换热器分为制冷剂的冷凝用和过冷却用，换热器的设计变得容易，能够以简易的构造使换热器小型化，能够实现成本降低。另外，还能够实现通用的换热器的利用。
技术方案4所记载的发明是技术方案1至3中任一项所记载的供水加温***，其特征在于，能够对是否使通过所述蒸发器后的热源流体通向所述废热回收换热器进行切换，当所述废热回收换热器的入口侧处的所述供水的温度比所述蒸发器的出口侧处的所述热源流体的温度高时，不使通过所述蒸发器后的热源流体通向所述废热回收换热器。
根据技术方案4所记载的发明，万一废热回收换热器的入口侧处的供水的温度比蒸发器的出口侧处的热源流体的温度高，则不使通过蒸发器后的热源流体通向废热回收换热器，由此能够防止温度比较低的热源流体所导致的供水的意外冷却。
技术方案5所记载的发明是技术方案1至4中任一项所记载的供水加温***，其特征在于，根据通向所述热泵的蒸发器的热源流体的温度来调整所述热泵的输出。
根据技术方案5所记载的发明，考虑热源流体的温度而调整热泵的输出，由此与热源流体的温度变化无关地，能够使经由供水路的向供水槽的供水流量稳定。
此外，技术方案6所记载的发明是技术方案1至5中任一项所记载的供水加温***，其特征在于，当通向所述热泵的蒸发器的热源流体的量低于设定、或通过所述供水路的供水的量低于设定时，停止所述热泵的运转，并且停止热源流体向所述蒸发器的供给。
根据技术方案6所记载的发明，当热泵的热源流体比假定量少、或通过供水路的供水比假定量少时，能够停止热泵的运转。
发明效果
根据本发明，在使用有热泵的供水加温***中，能够提高热泵的效率。另外，能够基于实施方式而将热水涌出温度维持为所期望的温度。
附图说明
图1是表示本发明的供水加温***的一实施例的简要图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
图1是表示本发明的供水加温***1的一实施例的简要图。
本实施例的供水加温***1是能够利用热泵4对向锅炉2的供水槽3的供水进行加温的***，其具备：存积向锅炉2的供水的供水槽3；存积向该供水槽3的供水的补给水槽5；对从该补给水槽5向供水槽3的供水进行加温的热泵4；存积作为该热泵4的热源的热源水(例如废温水)的热源水槽6。
锅炉2是蒸汽锅炉，对来自供水槽3的供水进行加热而使其成为蒸汽。锅炉2典型而言，是以使蒸汽的压力维持为所期望的压力的方式来调整燃烧量的锅炉。另外，锅炉2以使锅炉筒内的水位维持为所期望的水位的方式控制在从供水槽3向锅炉2的供水路或锅炉2的内部设置的泵7。来自锅炉2的蒸汽向各种蒸汽使用设备(省略图示)输送，也可以使来自蒸汽使用设备的排水(蒸汽的冷凝水)向供水槽3返回。
供水槽3能够从补给水槽5经由热泵4而利用供水路8被进行供水，并且能够不经由热泵4而利用补给水路9被进行供水。通过控制设于供水路8的供水泵10和设于补给水路9的补给水泵11的动作，能够经由供水路8与补给水路9中的任一方或双方而从补给水槽5向供水槽3供水。在供水路8的比供水泵10靠下游的位置依次设有废热回收换热器12和热泵4。
供水泵10在本实施例中能够利用变频器来控制转速。通过变更供水泵10的转速，能够调整经由供水路8的向供水槽3的供水流量。另一方面，补给水泵11在本实施例中为开闭控制。
补给水槽5存积向供水槽3的供水。作为向补给水槽5的供水，在本实施例中使用软水。即，利用软水器(省略图示)除去水中的硬度成分后的软水向补给水槽5供给并被存积。基于补给水槽5的水位而控制来自软水器的供水，由此补给水槽5的水位被维持为所期望的水位。
热泵4是蒸汽压缩式的热泵，通过压缩机13、冷凝器14、膨胀阀15及蒸发器16依次呈环状地连接而构成。而且，压缩机13压缩气态制冷剂而使其成为高温高压的状态。另外，冷凝器14使来自压缩机13的气态制冷剂冷凝液化。此外，膨胀阀15使来自冷凝器14的液态制冷剂通过，由此降低制冷剂的压力和温度。而且，蒸发器16实现来自膨胀阀15的制冷剂的蒸发。
因此，热泵4在蒸发器16处使制冷剂从外部夺取热量而气化，另一方面，在冷凝器14处使制冷剂向外部散热而冷凝。利用热泵4，在本实施例中，热泵4在蒸发器16处从作为热源的热源水汲取热量，在冷凝器14处对供水路8的水进行加温。
需要说明的是，在本实施例中，热泵4的制冷剂与热源水之间的换热由构成蒸发器16的一个换热器来进行，由于热泵4的制冷剂与热源水之间的换热不夹有第三流体，因此能够缩小通过热泵4的蒸发器16的制冷剂与热源水之间的温度差，能够实现热泵4的性能系数(COP)的提高。并且，能够成为简易的结构，并实现成本降低。
热泵4还在冷凝器14与膨胀阀15之间具备过冷却器17。过冷却器17是从冷凝器14向膨胀阀15的制冷剂与向冷凝器14的供水之间的间接换热器。根据过冷却器17，能够利用向冷凝器14的供水来对从冷凝器14向膨胀阀15的制冷剂进行过冷却，并且能够利用从冷凝器14向膨胀阀15的制冷剂对向冷凝器14的供水进行加温。热泵4的制冷剂在冷凝器14处释放出潜热，并在过冷却器17处释放出显热。
换句话说，在冷凝器14中，气态制冷剂冷凝而成为液态制冷剂，该液态制冷剂向过冷却器17供给，在过冷却器17中，液态制冷剂被进一步冷却(过冷却)。通过将换热器分为制冷剂的冷凝用和过冷却用，换热器的设计变得容易，能够以简易的构造使换热器小型化，能够实现成本降低。另外，还能够实现通用的换热器的利用。
此外，热泵4在压缩机13的入口侧设置储压器、或在压缩机13的出口侧设置油分离器、或在冷凝器14的出口侧(冷凝器14与过冷却器17之间)设置贮液器。
然而，热泵4也可以设为能够变更其输出(压缩机的容量)。例如，利用变频器来变更压缩机13的马达的转速，由此能够变更热泵4的输出。
热源水槽6存积作为热泵4的热源的热源水。热源水是例如废温水(从工厂等排出的温水)。需要说明的是，在热源水槽6设有热源水的供给路18，并且设有使规定以上的水溢出的溢出路19。
热源水槽6的水经由热源供给路20而通过热泵4的蒸发器16后，通过废热回收换热器12。在热源供给路20的比蒸发器16靠上游侧的位置设有热源供给泵21，通过使该热源供给泵21动作，能够使来自热源水槽6的热源水依次通向蒸发器16和废热回收换热器12。
在使热源水先通过蒸发器16之后通向废热回收换热器12，由此与在使热源水先通过废热回收换热器12之后通向蒸发器16的情况相比，能够提高蒸发器16中的制冷剂的蒸发温度(换句话说蒸发压力)，能够减小压缩机13的压力比，能够实现节能。
需要说明的是，废热回收换热器12是从补给水槽5向过冷却器17的供水与来自蒸发器16的热源水之间的间接换热器。在本实施例的情况下，从补给水槽5经由供水路8的向供水槽3的供水在从补给水槽5依次通过废热回收换热器12、过冷却器17及冷凝器14之后向供水槽3供给。
在供水路8的、冷凝器14的出口侧设有水温传感器22。该水温传感器22对通过冷凝器14后的水温进行检测。基于水温传感器22的检测温度而控制供水泵10。在此，供水泵10以将水温传感器22的检测温度维持为设定温度T(例如75℃)的方式被变频控制。换句话说，经由供水路8的向供水槽3的供水以将水温传感器22的检测温度维持为设定温度T的方式调整流量。其中，也可以根据情况而省略基于上述的水温传感器22的流量调整控制。
为了确认作为热泵4的热源的热源水的有无，在热源水槽6设有水位检测器23。水位检测器23的结构并没有特别地限制，在本实施例中为电极式水位检测器。换句话说，向热源水槽6***有低水位检测电极棒24，以监视热源水的水位是否低于设定。另外，也可以在热源水槽6设有用于检测热源水的温度的热源温度传感器25。
接下来，对本实施例的供水加温***1的控制(运转方法)进行说明。以下说明的一系列的控制使用未图示的控制器而自动完成。
供水槽3能够经由供水路8被进行供水，并且还能够经由补给水路9被进行供水，但优选以经由供水路8的供水优先的方式进行控制。例如，虽然以将供水槽3内的水位维持在设定范围内的方式控制经由供水路8的供水，但如果是那样的话，在供水槽3内的水位低于设定范围的情况下，优选也经由补给水路9向供水槽3供水。
在经由供水路8的向供水槽3的供水期间，使热泵4运转。换言之，供水泵10与热泵4联动，在供水泵10的动作期间，热泵4也运转，在供水泵10的停止期间，热泵4也停止。其中，如上所述，供水泵10在动作期间以将水温传感器22的检测温度维持为所期望的温度的方式对转速进行变频控制。需要说明的是，也可以在热源水槽6内的水温高的情况下，在停止了热泵4的状态下使供水泵10运转并回收废热。另外，热泵4根据其压缩机13的动作的有无而在运转与停止之间切换。
当使热泵4运转而从补给水槽5经由供水路8向供水槽3供水时，来自补给水槽5的供水被废热回收换热器12、过冷却器17及冷凝器14逐渐加温，以规定温度向供水槽3供给。与在供水槽3和热泵4(冷凝器14)之间使水循环的情况相比，由于利用从补给水槽5向供水槽3的一次通过(单次通过)来对供水进行加温，因此能够确保通过热泵4的前后的供水的温度差，从而实现热泵4的性能系数(COP)的提高。另外，还能够紧凑地构成各换热器。
根据本实施例的结构，与现有的***1(没有废热回收换热器12、过冷却器17，在供水槽3与热泵4之间使水循环的***)相比，能够使***效率为8～9以上，从而能够对节能及二氧化碳排出量减少做出较大贡献。
然而，由于来自补给水槽5的水温、来自蒸发器16的热源水的温度的不同，在废热回收换热器12中，可能无法对供水进行加温，反而对其进行冷却。对此，在上述情况下，如在图1中由双点划线示出那样，通过在热源供给路20中由旁通路26来连接废热回收换热器12的前后，在热源供给路20与旁通路26的向废热回收换热器12的分支部设置三通阀27等，能够在使来自蒸发器16的热源水通向废热回收换热器12、与不通向废热回收换热器12而经由旁通路26排出之间切换。而且，还能够监视废热回收换热器12的入口侧处的供水的温度T1和蒸发器16的出口侧处的热源水的温度T2，若供水的温度T1比热源水的温度T2低(T1＜T2)，则使通过蒸发器16后的热源水通向废热回收换热器12，若供水的温度T1比热源水的温度T2高(T1≥T2)，则使通过蒸发器16后的热源水不通向废热回收换热器12而通过旁通路26。
另外，也可以在热泵4的运转期间，换句话说在经由供水路8的向供水槽3的供水期间，利用热源温度传感器25来监视热源水槽6内的水温，基于其温度而调整热泵4的输出。作为热泵4的热源的热源水的温度越高、越能够降低热泵4的输出。考虑热源水的温度而调整热泵4的输出，由此与热源水的温度变化无关地，能够使经由供水路8的向供水槽3的供水流量稳定。
此外，在热泵4的运转期间，当热源水槽6内的水位下降、低水位检测电极棒24无法检测水位时，也可以停止热泵4的运转，并且停止热源供给泵21以停止热源水向蒸发器16的供给。由此，防止热泵4不必要地运转。另外，同样地，在热泵4的运转期间(换句话说，在经由供水路8的向供水槽3的供水控制期间)，万一当通过供水路8的供水的量低于设定时，也可以停止热泵4的运转，并且停止热源供给泵21以停止热源水向蒸发器16的供给。
本发明的供水加温***1并不局限于所述实施例的结构，能够适当地加以变更。尤其是只要经由供水路8的向供水槽3的供水依次通过废热回收换热器12、过冷却器17及冷凝器14，另一方面，热泵4的热源流体依次通过蒸发器16及废热回收换热器12，并且优选地，在经由供水路8的向供水槽3的供水期间，使热泵4运转，并且以将冷凝器14的出口侧水温维持为设定温度的方式调整向冷凝器14的通水量(经由供水路8的向供水槽3的供水量)即可，其他结构及控制能够适当地变更。
另外，在所述实施例中，为了调整经由供水路8的向供水槽3的供水流量，对供水泵10进行了变频控制，但也可以对供水泵10进行开闭控制且调整设于供水路8的阀门的开度。换句话说，只要基于水温传感器22的检测温度而能够调整经由供水路8的供水的流量即可，该流量调整方法能够适当地加以变更。
另外，热泵4并不局限于单段，也可以设为多段。在热泵4为多段的情况下，邻接的段的热泵彼此可以使用间接换热器而被连接，也可以使用直接换热器(中间冷却器)而被连接。在后者的情况下，具备接受来自下段热泵的压缩机的制冷剂和来自上段热泵的膨胀阀的制冷剂而使两制冷剂直接接触以进行换热的中间冷却器，该中间冷却器为下段热泵的冷凝器且为上段热泵的蒸发器。如此，多段(多个段)的热泵4除了包括一元多段的热泵以外，还包括多元(多个元)的热泵或它们的组合的热泵。
另外，只要能够经由冷凝器14而借助供水路8向供水槽3供水，并且不经由冷凝器14而借助补给水路9供水即可，供水路8、补给水路9的具体结构并不局限于所述实施例的结构，能够适当地加以变更。例如，在所述实施例中，供水路8与补给水路9分别以将补给水槽5与供水槽3连接的方式并列设置，但也可以是供水路8和补给水路9的一端部(补给水槽5侧的端部)与另一端部(供水槽3侧的端部)的一方或双方作为共用的管路。换言之，补给水路9的一端部也可以不与补给水槽5连接而以从供水路8分支的方式设置，补给水路9的另一端部也可以不与供水槽3连接而以在供水槽3的跟前处与供水路8合流的方式设置。在将补给水路9的一端部不与补给水槽5连接而以从供水路8分支的方式设置的情况下，在比该分支部靠下游的位置处，在供水路8上设置供水泵10，另一方面，在补给水路9上设置补给水泵11即可，但也可以仅在比分支部靠上游侧的共用管路上设置泵，通过调整在比分支部靠下游的供水路8及/或补给水路9设置的阀门的开度来调整通过供水路8、补给水路9的流量。
另外，在所述实施例中，虽然为了存积向供水槽3的供水而设置了补给水槽5，但也可以根据情况而省略补给水槽5的设置，也可以使水从供水源直接通向供水路8及补给水路9。
另外，在所述实施例中，虽然能够经由供水路8及/或补给水路9而从补给水槽5向供水槽3供水，但这些供水也可以从软水器直接进行。例如，在图1中，将供水路8及补给水路9的基端部汇集而与软水器连接，代替省略供水泵10的设置而调整设于供水路8的电动阀(马动阀门)的开度，代替省略补给水泵11的设置而控制设于补给水路9的电磁阀的开闭即可。
另外，在所述实施例中，虽然对能够用热泵4对向锅炉2的供水槽3的供水进行加温的***进行了说明，但供水槽3的存积水的利用目的并不局限于锅炉2而能够适当地变更。而且，也能够根据情况而省略补给水槽5、补给水路9。
此外，在所述实施例中，虽然对使用热源水作为热泵4的热源的例子进行了说明，但作为热泵4的热源流体并不局限于热源水，也可以使用空气、废气等各种流体。其中，热源流体优选为在蒸发器16处向热泵4的制冷剂赋予热量(显热)且自身伴有温度降低、之后在废热回收换热器12处向供水赋予热量(显热)且自身伴有温度降低的流体。
附图标记说明如下：
1供水加温***
2锅炉
3供水槽
4热泵
5补给水槽
6热源水槽
7泵
8供水路
9补给水路
10供水泵
11补给水泵
12废热回收换热器
13压缩机
14冷凝器
15膨胀阀
16蒸发器
17过冷却器
18供给路
19溢出路
20热源供给路
21热源供给泵
22水温传感器
23水位检测器
24低水位检测电极棒
25热源温度传感器
26旁通路
27三通阀

Claims (6)

1.一种供水加温***，其特征在于，
所述供水加温***具备：
热泵，其由压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器依次呈环状连接而成，使制冷剂循环，从通向所述蒸发器的热源流体中汲取热量，并对通向所述冷凝器的水进行加温；
供水槽，其能够利用供水路依次通过废热回收换热器、过冷却器及所述冷凝器而被供水，
所述废热回收换热器是用于同经由所述供水路的向所述供水槽的供水与通过所述蒸发器后的热源流体进行热交换的间接换热器，
所述过冷却器是用于同经由所述供水路的向所述供水槽的供水与从所述冷凝器向所述膨胀阀的制冷剂进行热交换的间接换热器。
2.根据权利要求1所述的供水加温***，其特征在于，
在经由所述供水路的向所述供水槽的供水期间，使所述热泵运转，并且以使所述热泵的冷凝器的出口侧水温维持为设定温度的方式调整向所述冷凝器的通水量。
3.根据权利要求1或2所述的供水加温***，其特征在于，
在所述冷凝器中，实现所述热泵的制冷剂的冷凝，由此向所述供水槽的供水被所述热泵的制冷剂的潜热及显热加热，
在所述过冷却器中，实现来自所述冷凝器的液态制冷剂的冷却，由此向所述供水槽的供水被所述热泵的制冷剂的显热加热。
4.根据权利要求1或2所述的供水加温***，其特征在于，
能够对是否使通过所述蒸发器后的热源流体通向所述废热回收换热器进行切换，
当所述废热回收换热器的入口侧处的所述供水的温度比所述蒸发器的出口侧处的所述热源流体的温度高时，不使通过所述蒸发器后的热源流体通向所述废热回收换热器。
5.根据权利要求1或2所述的供水加温***，其特征在于，
根据通向所述热泵的蒸发器的热源流体的温度来调整所述热泵的输出。
6.根据权利要求1或2所述的供水加温***，其特征在于，
当通向所述热泵的蒸发器的热源流体的量低于设定、或通过所述供水路的供水的量低于设定时，停止所述热泵的运转，并且停止热源流体向所述蒸发器的供给。
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