直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法与流程

本发明涉及一种控制方法，特别是涉及一种用于回收煤矿乏风(回风)余热系统的控制方法。

背景技术：

直冷式深焓取热乏风热泵系统包括乏风取热箱，通过乏风取热箱提取乏风中的热量，由于取热以后乏风温度极低，通常达到﹣10℃甚至更低，又由于乏风中含有水蒸汽，水蒸汽在乏风取热箱的表面将结霜，如果不将霜及时除去，将影响取热过程，同时增加乏风取热箱风阻，对煤矿通风安全造成威胁。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够将乏风取热箱表面的结霜顺利去除的直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，所述直冷式深焓取热乏风热泵系统包括乏风取热室，所述乏风取热室上设有至少一个乏风取热箱，所述乏风取热箱通过防冻液管路与热泵机组的蒸发器连通，所述防冻液管路用于流经防冻液，所述防冻液管路上安装有循环泵，所述防冻液流经乏风取热箱时吸收乏风中的热量，所述防冻液流经所述蒸发器时将吸收的乏风中的热量转换给热泵机组中的制冷剂，所述热泵机组中的冷凝器用于与用户热水进行换热，

所述乏风取热箱包括第一底座以及固定在所述第一底座上的外框架，所述外框架内安装有至少一级沿乏风流经方向布置的取热换热器，每级取热换热器的下部和上部分别设有取热工质进口和取热工质出口，所述取热工质进口和所述取热工质出口分别连接所述防冻液管路，所述热泵机组设置为至少一级，所述热泵机组与所述取热换热器一一对应布置，每级所述热泵机组中冷凝器的冷却水管路之间通过连通管串联连接，

每级所述取热换热器的换热管之间均设有除霜加热管，所述除霜加热管用于流通热液，

所述外框架上设有用于喷淋所述取热换热器外表面的喷淋系统，所述喷淋系统包括喷头以及与所述喷头连接的喷淋管，所述喷淋管用来与供水源相连接，

所述除霜群控方法包括以下步骤：

关闭所述取热换热器上的取热阀门F取热，停止取热；

打开所述除霜加热管上的除霜阀门F除霜，经过一段设定的时间除霜后再关闭所述除霜阀门F除霜，停止除霜；

测量并计算所述乏风取热箱进风端与出风端之间的乏风压力差值；

当所述乏风压力差值大于某一设定值时，打开所述喷淋管上的喷淋阀门F喷淋，清洗所述取热换热器的外表面，否则，打开所述取热阀门F取热进行取热。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中所述乏风取热箱设为n个，每个所述乏风取热箱内的取热换热器设为n级，n个所述乏风取热箱从第1个到第n个，依次完成除霜过程：

关闭第1个乏风取热箱内的取热换热器上的取热阀门F取热，停止取热；

打开第1个乏风取热箱内的除霜加热管上的除霜阀门F除霜，经过一段设定的时间除霜后再关闭所述除霜阀门F除霜，停止除霜；

测量并计算第1个乏风取热箱进风端与出风端之间的乏风压力差值；

当所述乏风压力差值大于某一设定值时，打开第1个乏风取热箱内的喷淋管上的喷淋阀门F喷淋，清洗所述取热换热器的外表面，否则，打开取热阀门F取热进行取热；

然后用相同的方法对第2个乏风取热箱进行除霜，依次类推，直至完成对第n个乏风取热箱的除霜。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中所述乏风取热箱设为n个，每个所述乏风取热箱内的取热换热器设为n级，将n个所述乏风取热箱分为至少两组，所述至少两组乏风取热箱从第1组到最后一组依次完成除霜过程：

关闭第1组所有乏风取热箱内的取热换热器上的取热阀门F取热，停止取热；

打开第1组所有乏风取热箱内的除霜加热管上的除霜阀门F除霜，经过一段设定的时间除霜后再关闭所述除霜阀门F除霜，停止除霜；

测量并计算第1组所有乏风取热箱进风端与出风端之间的乏风压力差值；

当第1组中至少一个乏风取热箱的乏风压力差值大于某一设定值时，打开第1组所有乏风取热箱内的喷淋管上的喷淋阀门F喷淋，清洗所述取热换热器的外表面，否则，打开取热阀门F取热进行取热；

然后用相同的方法对第2组的乏风取热箱进行除霜，依次类推，直至完成对最后一组乏风取热箱的除霜。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中将n个所述乏风取热箱均分为n/2组，每组包含有2个乏风取热箱。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中将n个所述乏风取热箱均分为n/3组，每组包含有3个乏风取热箱。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中将n个所述乏风取热箱均分为n/4组，每组包含有4个乏风取热箱。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中所述外框架上设有用于调节乏风流量的可调风阀。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中所述取热换热器还包括翅片，所述换热管设置在所述翅片上，所述除霜加热管也设置在所述翅片上。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中所述防冻液为乙二醇。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中所述取热阀门F取热、除霜阀门F除霜和喷淋阀门F喷淋均为电磁阀或气动阀。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统与现有技术不同之处在于本发明通过各个阀门切换，实现了直冷式深焓取热乏风热泵系统的连续取热、连续除霜，连续运行。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统原理图一；

图2为本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统原理图二；

图3为本发明中的乏风取热箱的主视图；

图4为本发明中的乏风取热箱的左视图；

图5为本发明中的热泵机组的原理图；

图6为本发明中的热泵机组的主视图；

图7为本发明中的热泵机组的俯视图；

图8为本发明中的热泵机组的左视图；

图9为本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统包括乏风取热室25，所述乏风取热室25上设有至少一个乏风取热箱1，所述乏风取热箱1通过防冻液管路2与热泵机组28的蒸发器连通，所述防冻液管路2用于流经防冻液，所述防冻液管路2上安装有循环泵27，所述防冻液流经乏风取热箱1时吸收乏风中的热量，所述防冻液流经所述蒸发器时将吸收的乏风中的热量转换给热泵机组28中的制冷剂，所述热泵机组28中的冷凝器用于与用户热水进行换热。

所述乏风取热室25设置在煤矿回风扩散塔口，矿道内设置有风扇，将乏风吹向乏风取热室25，所述乏风取热箱1设置在乏风取热室25的一侧，乏风取热室25的另一侧设置有反向自动风门26，乏风经乏风取热箱1流出。

本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述乏风取热箱1包括第一底座15以及固定在所述第一底座15上的外框架16，所述外框架16内安装有至少一级沿乏风流经方向布置的取热换热器17，每级取热换热器17的下部和上部分别设有取热工质进口23和取热工质出口24，所述取热工质进口23和所述取热工质出口24分别连接所述防冻液管路2，所述热泵机组28设置为至少一级，所述热泵机组28与所述取热换热器17一一对应布置，每级所述热泵机组28中冷凝器的冷却水管路之间通过连通管14串联连接。

图1中设置有一个乏风取热箱1，并且该乏风取热箱1内仅设有一级取热换热器17，与此相对应，所述热泵机组28也仅设置为一级。

图2中设置有一个乏风取热箱1，并且该乏风取热箱1内设有两级取热换热器17，与此相对应，所述热泵机组28也设置为两级。

在实际应用中，乏风取热箱1根据实际工况可以设置两个或两个以上，乏风取热箱1内的取热换热器17也可以根据实际工况设为两级以上。

本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统，其中所述防冻液为乙二醇。

如图3所示，并结合图4所示，本发明中的乏风取热箱包括第一底座15以及固定在所述第一底座15上的外框架16，所述外框架16内安装有至少一级沿乏风流经方向布置的取热换热器17，每级取热换热器17的下部和上部分别设有取热工质进口23和取热工质出口24，每级取热换热器17的换热管之间均设有除霜加热管22，所述除霜加热管22用于流通热液，所述取热换热器17的下方设有集水盘18，所述集水盘18内置有防冻盘管19，所述防冻盘管19用于流通热液。

上述的外框架16以及第一底座15为整个取热箱的保护装置，使取热箱的结构更加牢固，安装取热箱时可以直接将两个取热箱摞在一起，方便安装。

上述的取热换热器17为本发明中的取热系统，所述取热换热器17可以根据实际工况来设置具体的级数，在本具体实施方式中，取热换热器17设为两级，分别为一级取热换热器和二级取热换热器，一级取热换热器位于乏风流经方向的上游，二级取热换热器位于乏风流经方向的下游。取热系统通过乏风热泵机组每级制备的低温取热工质(乙二醇等防冻液)分别进入一级取热换热器和二级取热换热器的换热管，乏风通过每级取热换热器17的换热管时，将乏风中的热量置换入取热工质中。

上述的除霜加热管22为本发明中的除霜系统，除霜时，关闭取热箱一、二级取热换热器17的阀门，实现停止取热，同时打开除霜加热管22的热液阀门，使除霜加热管22内通入热液，从而将取热换热器17表面的霜除去。

上述的防冻盘管为本发明中的防冻系统，为了防止除霜以后霜变成的水流入集水盘18后结冰，集水盘18内置了防冻盘管19。通过不停地往防冻盘管19内通入热液以防止集水盘18结冰冻坏和除霜水无法排出。

所述外框架16上设有用于调节乏风流量的可调风阀20。上述的可调风阀20为本发明中的调风系统，所述可调风阀20安装在取热箱的出风口处。当多个取热箱进行布置时，由于距离风口的距离远近不同，导致通过每个取热箱的风量也不相同，通过在每个取热箱上设置进行风量调节的可调风阀20以达到均风的目的，即多个取热箱通过的风量大致相同。必要时，还可以关闭可调风阀20，以阻止乏风通过取热箱。

所述取热换热器还包括翅片，所述换热管设置在所述翅片上，所述除霜加热管22也设置在所述翅片上。

所述外框架16上设有用于喷淋所述取热换热器17外表面的喷淋系统，所述喷淋系统包括喷头21以及与所述喷头21连接的喷淋管，所述喷淋管用来与供水源相连接。

喷淋系统能够防止乏风中的赃物集结在取热换热器17的表面，通过检测取热箱进风侧与出风侧的压差，当压差高于设定值时，启动喷淋系统进行喷淋，从而除去取热换热器17表面的赃物，保持取热箱表面干净。

本发明中的单台取热箱即可实现双级甚至多级取热，乏风取热量大，实现了深焓取热；取热箱换热器内置了除霜加热管22，达到了取热箱除霜的目的；取热箱集水盘设置了防冻系统，解决了集水盘的防冻问题。

本发明中的乏风取热箱具有以下特点：(1)取热箱能够实现双级甚至多级取热，使乏风取热后的温度逐级降低，降至零度以下；(2)乏风取热箱能够实现自动除霜；(3)除霜以后，霜变成水，流入集水盘，集水盘自身设有防冻装置，不会冻坏。

如图5所示，本发明中的热泵机组至少设置为一级，每级所述热泵机组均包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，每个所述冷凝器的冷却水管路之间通过连通管14串联连接，所述蒸发器用于与流经取热箱1后的防冻液进行换热，所述冷凝器用于与用户热水进行换热。取热箱和蒸发器之间通过防冻液管2连通，防冻液通过所述防冻液管2在取热箱和蒸发器之间往复循环。

本具体实施方式中，设置两级热泵机组，分别为一级热泵机组和二级热泵机组，所述一级热泵机组包括一级蒸发器3、一级压缩机4、一级冷凝器5和一级膨胀阀6，所述二级热泵机组包括二级蒸发器7、二级压缩机9、二级冷凝器10和二级膨胀阀8，蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀阀之间的连接方式为现有技术，在此不予赘述。

一级冷凝器5与二级冷凝器10串联的方式为：一、二级冷凝器5、10内均设有冷却水管路，二级冷凝器10冷却水管路的出口与一级冷凝器5冷却水管路的入口通过连通管14连接。用户热水从二级冷凝器10冷却水管的入口12进入，经二级冷凝器10、连通管14、一级冷凝器5后从一级冷凝器5冷却水管的出口13流出，流出的热水返回用户。

流经一级蒸发器3的防冻液在流经取热箱1时，位于乏风流向的上游；流经二级蒸发器7的防冻液在流经取热箱1时，位于乏风流向的下游，完成梯级取热。用户所使用的热水先经过二级冷凝器10进行换热，水温由40℃升至45℃，接着45℃的热水再经过一级冷凝器5，水温由45℃升至50℃，完成用户热水的梯级加热。

如图6所示，并结合图7和图8所示，本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统还包括第二底座11，所述第二底座11上设置有所述热泵机组。

每级所述热泵机组中的冷凝器固定设置在所述第二底座11上，所述冷凝器的上方设有所述蒸发器，所述冷凝器与蒸发器之间连通的管路上设有所述膨胀阀，所述蒸发器的上方设有所述压缩机。所述冷凝器并排设置在所述第二底座11上。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法包括以下步骤：

关闭所述取热换热器上的取热阀门F取热，停止取热；

打开所述除霜加热管上的除霜阀门F除霜，经过一段设定的时间除霜后再关闭所述除霜阀门F除霜，停止除霜；

测量并计算所述乏风取热箱进风端与出风端之间的乏风压力差值；

当所述乏风压力差值大于某一设定值时，打开所述喷淋管上的喷淋阀门F喷淋，清洗所述取热换热器的外表面，否则，打开所述取热阀门F取热进行取热。

上述的一段设定的时间如1分钟，可以根据实际情况来设定时间多少。使用压力传感器来测量乏风取热箱1进风端与出风端的乏风压力差值，当所述的乏风压力差值大于某一设定值如200帕时，可以断定取热箱1的取热换热器17的外表面需要清洗，因此打开喷淋阀门F喷淋。所述设定值可以根据实际情况来确定，不仅仅限于上述的200帕。

进一步地，所述乏风取热箱1设为n个，每个所述乏风取热箱1内的取热换热器17设为n级，n个所述乏风取热箱从第1个到第n个，依次完成除霜过程：

关闭第1个乏风取热箱内的取热换热器上的取热阀门F取热，停止取热；

打开第1个乏风取热箱内的除霜加热管上的除霜阀门F除霜，经过一段设定的时间除霜后再关闭所述除霜阀门F除霜，停止除霜；

测量并计算第1个乏风取热箱进风端与出风端之间的乏风压力差值；

当所述乏风压力差值大于某一设定值时，打开第1个乏风取热箱内的喷淋管上的喷淋阀门F喷淋，清洗所述取热换热器的外表面，否则，打开取热阀门F取热进行取热；

然后用相同的方法对第2个乏风取热箱进行除霜，依次类推，直至完成对第n个乏风取热箱的除霜。

进一步地，所述乏风取热箱设为n个，每个所述乏风取热箱内的取热换热器设为n级，将n个所述乏风取热箱分为至少两组，所述至少两组乏风取热箱从第1组到最后一组依次完成除霜过程：

关闭第1组所有乏风取热箱内的取热换热器上的取热阀门F取热，停止取热；

打开第1组所有乏风取热箱内的除霜加热管上的除霜阀门F除霜，经过一段设定的时间除霜后再关闭所述除霜阀门F除霜，停止除霜；

测量并计算第1组所有乏风取热箱进风端与出风端之间的乏风压力差值；

当第1组中至少一个乏风取热箱的乏风压力差值大于某一设定值时，打开第1组所有乏风取热箱内的喷淋管上的喷淋阀门F喷淋，清洗所述取热换热器的外表面，否则，打开取热阀门F取热进行取热；

然后用相同的方法对第2组的乏风取热箱进行除霜，依次类推，直至完成对最后一组乏风取热箱的除霜。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中将n个所述乏风取热箱均分为n/2组，每组包含有2个乏风取热箱；也可以将n个所述乏风取热箱均分为n/3组，每组包含有3个乏风取热箱；还可以将n个所述乏风取热箱均分为n/4组，每组包含有4个乏风取热箱。当然，还可以根据实际情况将n个乏风取热箱进行其他分组，并不限于上述列举，如将5或6个乏风取热箱分为一组。

本发明直冷式深焓取热乏风热泵系统除霜群控方法，其中所述取热阀门F取热、除霜阀门F除霜和喷淋阀门F喷淋均为电磁阀或气动阀，当然也可以选用其他阀门。如图9所示，乏风取热箱1的左侧连接有喷淋管，喷淋管上设有喷淋阀门F喷淋，乏风取热箱1的右侧连接有除霜加热管、一级取热换热器供热管和二级取热换热器供热管，除霜加热管上设有除霜阀门F除霜，一级取热换热器供热管和二级取热换热器供热管上各自设有一个取热阀门F取热。

假设某项目直冷深焓取热乏风热泵系统具有n个双级乏风取热箱(即乏风取热箱内设有两级取热换热器，但在实际生产中不限于双级，可能多级)，每个乏风取热箱配备四个阀门(阀门可以是电动阀或气动阀等)，其中Fa阀门代表一级取热换热器上的供热管阀门，Fb阀门代表二级取热换热器上的供液管阀门，Fc阀门代表除霜加热管阀门，Fd代表喷淋管阀门。

如某一个乏风取热箱进行除霜过程时，阀门动作顺序如下：Fa，Fb阀门关闭，停止取热箱取热过程，打开Fc阀门进行除霜，经历设定的时间，如1min后，关闭Fc阀门，停止除霜，如果此时需要对取热箱进行清洗，则打开Fd阀门冲洗取热箱，如果取热箱不需要冲洗，则同时打开Fa，Fb两阀门，恢复取热过程。Fd阀门打开的条件之一是Fa、Fb阀门处于关闭状态，以保证清洗水到了取热箱表面后不结冰。

n个乏风取热箱同时工作时，为保证除霜过程的连续，有以下几种实现方式：

(一)n个取热箱从第1个到第n个取热箱，依次完成除霜过程；F1a，F1b阀门关闭，停止取热箱取热过程，打开F1c阀门进行除霜，经历设定的时间，如1min后，关闭F1c阀门，停止除霜，如果此时需要对取热箱进行清洗，则打开F1d阀门冲洗取热箱，如果取热箱不需要冲洗，则同时打开F1a，F1b两阀门，恢复取热过程。然后进入第2个取热箱除霜，依次类推。

(二)每2个取热箱为一组，即是第1个与第2个取热一组，称为第一组；第3个与第4个取热箱一组，称为第二组，依次类推。以第一组取热箱为例：此时工作过程为：F1a、F1b与F2a、F2b同时关闭，停止取热过程，然后打开F1c与F2c，两台取热箱同时进行除霜，除霜时间持续一段时间，如1min，然后同时关闭F1c与F2c，停止除霜过程，此时如果取热箱需要清洗，再打开F1d与F2d，同时对2台取热箱进行清洗，清洗结束后，再同时打开F1a、F1b与F2a、F2b，恢复取热过程。然后进入第二组取热箱除霜，依次类推至n/2组取热箱除霜。

(三)同理：每3个取热箱为一组，即是第1、2、3个取热一组，称为第一组；第4、5、6个取热箱一组，称为第二组，依次类推。以第一组取热箱为例：此时工作过程为：F1a，F1b、F2a，F2b、F3a，F3b同时关闭，停止取热过程，然后打开F1c、F2c、F3c，三台取热箱同时进行除霜，除霜时间持续一段时间，如1min，然后同时关闭F1c、F2c、F3c，停止除霜过程，此时如果取热箱需要清洗，再打开F1d、F2d、F3d，同时对3台取热箱进行清洗，清洗结束后，再同时打开F1a，F1b、F2a，F2b、F3a，F3b恢复取热过程。然后进入第二组取热箱除霜，依次类推至n/3组取热箱除霜。

(四)同理，可以每4个取热箱1组，每5个取热箱1组，依次类推。

本发明的有益效果如下：

(1)通过各个阀门切换，实现了直冷式深焓取热乏风热泵系统的连续取热、连续除霜，连续运行；

(2)通过对取热箱分组群控，有效实现了不同项目地点、不同乏风参数和不同取热过程，采用某一种分组形式均可以实现除霜过程与取热过程时间上的无缝衔接，确保系统实现连续运行。

本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统设置至少一级热泵机组，每级热泵机组中的冷凝器的冷却水管路通过连通管14串联连接，以设置两级热泵机组为例进行说明，A、B两台热泵机组组合在一起，做成一台机组，同时A、B两台热泵机组中的冷凝器实现串联，即经热泵机组B冷凝器加热后的热水再进入热泵机组A冷凝器再次加热，实现梯级加热，假设热泵机组B冷凝器水温由40℃升温至45℃，再进入热泵机组A冷凝器中实现水温由45℃升温至50℃，这样热泵机组B的冷凝温度可以设计为48℃，热泵机组A的冷凝温度可以设计为53℃，这样，

理论COPA＝(273+53)/[(273+53)-(273-13)]＝4.94

理论COPB＝(273+48)/[(273+48)-(273-20)]＝4.72

两个热泵机组平均COP＝(COPA+COPB)/2＝4.83

可见，本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统能够提高整个系统的综合COP值，即提高了系统的能效。同时这样也降低了热泵机组B的冷凝温度，优化了机组的运行工况，提高了机组的稳定性。

如图1所示，并结合图2所示，在煤矿回风扩散塔口建一座乏风取热室，乏风取热室侧面布置乏风取热箱，循环介质采用乙二醇等防冻液。低温防冻液进入乏风取热箱换热管内，乏风流过乏风取热箱换热器管外，通过换热将乏风中热量置换入防冻液，防冻液温度升高，通过循环泵进入(水源)热泵机组，热泵机组提取防冻液中热量后，防冻液温度降低，变为低温防冻液，低温防冻再次进入乏风取热箱，完成整个循环。

本发明中的直冷式深焓取热乏风热泵系统具有如下优点：

1、乏风取热焓差大，可以实现双级取热，乏风取热后温度达-10℃，甚至更低；

2、系统简单，乏风余热回收热效率高；

3、采用闭式防冻液循环，耗水量小，同时防冻液没有混入脏物，对机组寿命影响较小，同时不存在堵塞问题，可靠性高，维护量小；

4、防冻液循环采用循环泵，热泵机房与乏风取热室之间相对位置更加灵活，不受取热箱与乏风热泵机组间距和高差限制问题；

5、机组可以采用水源热泵机组，技术成熟，稳定可靠；

6、取热箱与乏风热泵之间连接管道可以共用，与直蒸式乏风热泵相比，减少了管道数量，系统更加简单，降低了投资。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。