CN101226013B - 分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，属于余热利用与热泵/制冷技术领域。针对诸如分级压缩、级间冷却型等单一冷凝放热机组存在的不足，它提供了由两个及以上压缩机、两个及以上冷凝器、蒸发器、节流阀等部件组成的，由各压缩-取热流程分别对外冷凝放热的蒸汽压缩式机组；低压力的压缩机与冷凝器、节流阀、蒸发器等构成低温段压缩-取热流程，高压力的压缩机与冷凝器、节流阀等部件并借助于低温段压缩-取热流程部分结构组成高温段压缩-取热流程；余热介质流经蒸发器放热，被加热介质流经各压缩-取热流程吸热。本发明减小了传热温差，提高了机组性能指数高；用作热泵特别适合于供热温度高、范围宽的场合，用于制冷可降低功耗等。

Description

分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵

技术领域

属于余热利用与热泵/制冷技术领域。

背景技术

蒸汽压缩式热泵是余热应用中的一种主要设备之一，可带来节能、环保和经济等多方面的效益。蒸汽压缩式热泵主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等基本部件组成，其供热主要依靠工质在冷凝器中的凝结放热来完成对冷流体的加热，冷凝器内工质的冷凝温度要满足用户的最高温度需求。在余热温度确定的情况下，用户用热的需求温度越高，压缩机的压缩比越高，机组的性能指数下降显著且较低；为了提高机组的性能指数，一般采取分级压缩、级间冷却的技术措施以解决或减轻压缩比过高带来的机组耗功增大、容积效率低和压缩终温过高的问题。

当用户的热需求——被加热介质需要由较低的温度加热到较高的温度时，无论是采用单级压缩的机组，还是采用分级压缩、级间冷却的机组，存在着这样的缺陷：机组的工作介质在压缩终了时的压力所对应的冷凝温度必须要超过被加热介质的最高温度即被加热的终了温度，这样，被加热介质的低温段取热也要由机组的最高供热来完成，这必然导致了机组传热温差大，带来了机组性能指数的降低。

对用于制冷的机组来说，其向环境的放热由冷却介质(被加热介质)带走，若把制冷机耗功和制冷负荷构成的热量全部提升到冷却介质的最高温度之上、然后传递到冷却介质，这同样是不合理的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种可减小机组冷却冷凝过程的传热温差，具有供热范围宽、供热温度高和较高的性能指数的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式机组，它主要由两个或两个以上的压缩机与相对应的两个或两个以上的冷凝器、以及蒸发器、节流阀等基本部件所组成，分为相关联的逐级压缩式和无关联的分别压缩式两种基本类型；在相关联的逐级压缩式的基本类型中，一级压缩机、一级冷凝器、蒸发器、第一节流阀等组成性能指数高、供热温度低的第一段一级压缩-取热的热泵流程与结构，二级压缩机、二级冷凝器、第二节流阀，并借助于一级压缩-取热热泵流程，组成性能指数低、供热温度高的第二段二级压缩-取热的热泵流程与结构，以此类推，得到三级或三级以上的分段压缩-取热型蒸汽压缩式热泵系统，低级数的压缩-取热热泵流程用于满足用户的低温段供热需求和向较高级数的上一级压缩-取热热泵流程提供冷剂蒸汽，较高级数的压缩-取热热泵流程完成用户的高温段用热需求；在无关联的分别压缩式基本类型中，低压压缩机、低压冷凝器、第一节流阀、蒸发器等基本部件组成性能指数高、供热温度低的低压压缩-取热热泵流程与结构，高压压缩机、高压冷凝器、第二节流阀、蒸发器等基本部件组成性能指数低、供热温度高的高压压缩-取热热泵流程与结构，低压压缩-取热热泵流程用于满足用户的低温段供热需求，高压压缩-取热热泵流程完成用户的高温段用热需求；在两种基本结构形式基础上可得到其它具体结构形式的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵。

比较常规分级压缩、级间冷却蒸汽压缩式热泵/制冷机，本发明的分段压缩-取热蒸汽压缩式热泵/制冷机在保留了其降低耗功、提高容积效率和降低压缩终温的特点前提下，较大程度地降低了工质传热过程中的温差，因此可以提高机组的性能指数；同时，与常规分级压缩、级间冷却蒸汽压缩式热泵/制冷机相比，本发明主要增加了冷凝器，且增加的冷凝器还起到了级间冷却器的作用，因此机组在结构上和造价上的改变并不大。

如图1所示，以采用两级压缩-两段取热方案的机组为例，相关联的逐级压缩式分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵机组的发明目的是这样实现的：

①在结构上，一级压缩机、一级冷凝器、蒸发器和第一节流阀等基本部件组成低温段压缩-取热热泵流程与结构——一级压缩机与一级冷凝器之间通过工作蒸汽通道相连，一级冷凝器再经第一节流阀连通蒸发器，蒸发器还有工作蒸汽通道连通一级压缩机，蒸发器还有管道连通余热介质，一级冷凝器还有管道连通被加热介质；二级压缩机、二级冷凝器和第二节流阀等基本部件，并借助于低温段压缩-取热部分组成高温段压缩-取热热泵流程与结构——二级压缩机与二级冷凝器之间通过工作蒸汽通道相连，二级冷凝器再经第二节流阀连通一级冷凝器，一级冷凝器还有工作蒸汽通道连通二级压缩机，二级冷凝器还有管道连通被加热介质；一级冷凝器与二级冷凝器之间还有被加热介质通道相连，低温段压缩-取热热泵流程和高温段压缩-取热热泵流程依次或分别完成对被加热介质的低温段与高温段加热。

②在流程上，来自一级冷凝器的冷凝液经第一节流阀节流降压、降温后进入蒸发器、得到余热介质传给的热蒸发成冷剂蒸汽进入一级压缩机、在外部输入功的压缩下升压、升温后进入一级冷凝器，进入一级冷凝器的过热工作蒸汽一部分放热于流经其内的被加热介质后冷却、冷凝成液体；进入一级冷凝器的另一部分过热工作蒸汽被冷却成饱和蒸汽或过热度较小的过热蒸汽、进入二级压缩机并在外部输入功的作用下升压、升温后进入二级冷凝器，进入二级冷凝器的工作蒸汽放热于流经其内的被加热介质后成为液体、再经第二节流阀节流降压、降温后进入一级冷凝器，与另一部分冷凝液一起经第一节流阀进入蒸发器。

本发明的特征在于：低温段压缩-取热流程向被加热介质提供低温段供热，高温段压缩-取热流程向被加热介质提供高温段供热；同时低温段压缩-取热流程是高温段压缩-取热流程的组成部分，即进入高温段冷凝器的工作介质是由一级压缩机和二级压缩机逐级串联压缩完成的。

如图4所示，以采用不同压缩比的两个单级压缩-分段取热的机组为例，无关联的分别压缩式分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵机组的发明目的是这样实现的：

①在结构上，低压压缩机、低压冷凝器、蒸发器和第一节流阀等基本部件组成低温段压缩-取热热泵流程与结构——低压压缩机与低压冷凝器之间通过工作蒸汽通道相连，低压冷凝器再经第一节流阀连通蒸发器，蒸发器还有工作蒸汽通道连通低压压缩机，蒸发器还有管道连通余热介质，低压冷凝器还有管道连通被加热介质；高压压缩机、高压冷凝器、低压冷凝器、第二节流阀、第一节流阀和蒸发器等基本部件组成高温段压缩-取热热泵流程与结构——高压压缩机与高压冷凝器之间通过工作蒸汽通道相连，高压冷凝器再经第二节流阀连通低压冷凝器，低压冷凝器再经第一节流阀连通蒸发器，蒸发器还有工作蒸汽通道连通高压压缩机，高压冷凝器还有管道连通被加热介质；低压冷凝器与高压冷凝器之间还有被加热介质通道相连并依次或分别完成对被加热介质的低温段与高温段加热。

②在流程上，来自低压冷凝器的冷凝液经第一节流阀节流降压、降温后进入蒸发器、得到余热介质传给的热蒸发成工作蒸汽后分别进入低压压缩机和高压压缩机；进入低压压缩机的工作蒸汽在外部输入功的压缩下升压、升温后进入低压冷凝器并放热于流经其内的被加热介质后冷却、冷凝成液体；进入高压压缩机的工作蒸汽在外部输入功的压缩下升压、升温后进入高压冷凝器并放热于流经其内的被加热介质后冷却、冷凝成液体，然后再经第二节流阀节流降压、降温后进入低压冷凝器。

本发明的特征在于：低温段压缩-取热流程向被加热介质提供低温段供热，高温段压缩-取热流程向被加热介质提供高温段供热；低温段压缩-取热流程和高温段压缩-取热流程的两个压缩过程是各自独立的。

附图说明

图1是依据本发明所提供的，两级压缩-两段取热的蒸汽压缩式热泵结构和流程示意图。

图2是依据本发明所提供的，两级压缩-两段取热的蒸汽压缩式热泵结构和流程示意图；图2与图1所示不同的地方在于，图2中一级压缩机产生的一部分过热蒸汽向二级压缩机提供，而图1中进入二级压缩机的工质是来自于一级冷凝器的饱和蒸汽。

图3是依据本发明所提供的，三级压缩-三段取热的蒸汽压缩式热泵结构和流程示意图。

图4是依据本发明所提供的，由两个单级蒸汽压缩式热泵复合而成的分级压缩-分段取热蒸汽压缩式热泵结构和流程示意图；它与图1～图4所示的分级压缩、分级取热有一定的区别，但与它们在实质上基本是相同的——即对被加热介质低温段的加热是由性能指数较高的低压压缩系统来完成。

图1～图3中，高温段压缩-取热流程的工质是由低温段压缩-取热流程的压缩机和高温段压缩-取热流程的压缩机逐级串联压缩完成的，属于或可称之为相关联的逐级压缩式结构；而图4中，高温段压缩-取热流程和低温段压缩-取热流程的工质压缩过程是由低压压缩机和高压压缩机分别独立压缩完成，属于或可称之为独立分别压缩式结构。这是本发明的两种基本结构形式。

图5是依据本发明所提供的，两级压缩-两段取热的蒸汽压缩式热泵结构和流程示意图；它与图1所示的没有实质性的差别，所不同的地方在于图6中的压缩机为同轴式。

图6是依据本发明所提供的，三级压缩-三段取热的蒸汽压缩式热泵结构和流程示意图；它与图3所示的有区别，二者不同之处在于：图3中工质的整个压缩过程是由三个级别的压缩机逐级压缩来完成的，而图6中一级压缩-一段取热流程中工质的压缩和二级压缩-二段取热、三级压缩-三段取热流程中工质的压缩是分开的，其中二级压缩-二段取热、三级压缩-三段取热流程中工质的压缩又是相关联的二级和三级压缩来完成。

图3和图6是多级压缩与多段取热的两个代表。

图中，1-一级压缩机，1A-低压压缩机，1B-压缩机低压压缩段，2-二级压缩机，2A-高压压缩机，2B-压缩机高压压缩段，3-二级冷凝器，3A-高压冷凝器，4-一级冷凝器，4A-低压冷凝器，5-蒸发器，6-第二节流阀，7-第一节流阀，10-第三节流阀，8-三级压缩机，9-三级冷凝器。

具体实施方式

下面结合附图和实例来详细描述本发明。

图1是依据本发明所提供的，采用两级压缩-两段取热的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，它是这样实现本发明的：

一级压缩机(1)、一级冷凝器(4)、蒸发器(5)和第一节流阀(7)等基本部件组成低温段压缩-取热热泵流程与结构——一级压缩机(1)通过工作蒸汽通道连通一级冷凝器(4)，一级冷凝器(4)再经第一节流阀(7)连通蒸发器(5)，蒸发器(5)还有工作蒸汽通道连通一级压缩机(1)，蒸发器(5)还有管道连通余热介质，一级冷凝器(4)还有管道连通被加热介质；二级压缩机(2)、二级冷凝器(3)、第二节流阀(6)等基本部件，并借助于低温段压缩-取热部分组成高温段压缩-取热热泵流程与结构——二级压缩机(2)与二级冷凝器(3)之间通过工作蒸汽通道相连，二级冷凝器(3)再经第二节流阀(6)连通一级冷凝器(4)，一级冷凝器(4)还有工作蒸汽通道连通二级压缩机(2)，二级冷凝器(3)还有管道连通被加热介质；一级冷凝器(4)与二级冷凝器(3)之间还有被加热介质通道相连；来自一级冷凝器(4)的冷凝液经第一节流阀(7)节流降压、降温后进入蒸发器(5)、得到余热介质传给的热蒸发成冷剂蒸汽进入一级压缩机(1)、在外部输入功的压缩下升压、升温后进入一级冷凝器(4)，进入一级冷凝器(4)的过热工作蒸汽一部分放热于流经其内的被加热介质后冷却、冷凝成液体，进入一级冷凝器(4)的另一部分过热工作蒸汽被冷却成饱和蒸汽或过热度较小的过热蒸汽、进入二级压缩机(2)并在外部输入功的作用下升压、升温后进入二级冷凝器(3)，进入二级冷凝器(3)的工作蒸汽放热于流经其内的被加热介质后成为液体、再经第二节流阀(6)节流降压、降温后进入一级冷凝器(4)，与另一部分冷凝液一起经第一节流阀(7)进入蒸发器(5)，余热介质流经蒸发器(5)放热，低温段压缩-取热流程和高温段压缩-取热流程依次或分别完成对被加热介质的低温段与高温段加热。

图2是依据本发明所提供的，采用两级压缩-两段取热的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，它与图1所示的唯一不同之处在于：工作介质自一级压缩机(1)升压、升温后一部分进入一级冷凝器(4)，而另一部分直接以过热蒸汽状态进入二级压缩机(2)。

图3是依据本发明所提供的，采用三级压缩-三段取热的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，它可以看作是在图2所示的采用两级压缩-两段取热的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵的基础上增加了第三个压缩-取热段的结果——三级压缩机(8)、三级冷凝器(9)、第三节流阀(10)，并借助于两级压缩-两段取热结构组成了三级压缩-三段取热热泵流程与结构，三个压缩-取热流程分别对外提供不同温度段的供热。

图4是依据本发明所提供的，采用两个单级蒸汽压缩式热泵复合而成的分级压缩-分段取热蒸汽压缩式热泵，其“分级”不同于前述发明中的分级，可理解为“低压级”和“高压级”，它是这样实现本发明的：

低压压缩机(1A)、低压冷凝器(4A)、蒸发器(5)和第一节流阀(7)等基本部件组成低温段压缩-取热热泵流程与结构——低压压缩机(1A)与低压冷凝器(4A)之间通过工作蒸汽通道相连，低压冷凝器(4A)再经第一节流阀(7)连通蒸发器(5)，蒸发器(5)还有工作蒸汽通道连通低压压缩机(1A)，蒸发器(5)还有管道连通余热介质，低压冷凝器(4A)还有管道连通被加热介质；高压压缩机(2A)、高压冷凝器(3A)和第二节流阀(6)等基本部件并借助于低温段压缩-取热部分结构组成高温段压缩-取热热泵流程与结构——高压压缩机(2A)与高压冷凝器(3A)之间通过工作蒸汽通道相连，高压冷凝器(3A)再经第二节流阀(6)连通低压冷凝器(4A)，低压冷凝器(4A)还有工作介质通道经第一节流阀(7)连通蒸发器(5)，蒸发器(5)还有工作蒸汽通道连通高压压缩机(2A)，高压冷凝器(3A)还有管道连通被加热介质；来自低压冷凝器(4A)的冷凝液经第一节流阀(7)节流降压、降温后进入蒸发器(5)、得到余热介质传给的热蒸发成工作蒸汽后分别进入低压压缩机(1A)和高压压缩机(2A)，进入低压压缩机(1A)的工作蒸汽在外部输入功的压缩下升压、升温后进入低压冷凝器(4A)并放热于流经其内的被加热介质后冷却、冷凝成液体，进入高压压缩机(2A)的工作蒸汽在外部输入功的压缩下升压、升温后进入高压冷凝器(3A)并放热于流经其内的被加热介质后冷却、冷凝成液体、再经第二节流阀(6)节流降压、降温后进入低压冷凝器(4A)；低压冷凝器(4A)与高压冷凝器(3A)之间还有被加热介质通道相连并依次或分别完成对被加热介质的低温段与高温段加热。

图5是依据本发明所提供的，采用两级压缩-两段取热的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，它与图1所示的不同之处在于——图5中的压缩机为低压压缩段与高压压缩段构成的同轴式结构。

图6是依据本发明所提供的，三级压缩-三段取热的蒸汽压缩式热泵结构和流程示意图，比较图3所示，其区别在于图6所示的机组进入二级压缩机(2)的工作介质来自于蒸发器(5)，而图3所示的机组进入二级压缩机(2)的工作介质来自于一级冷凝器(4)。

本发明所提出的分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，具有如下效果或优势：

①减小了工质与被加热介质之间的冷却、冷凝传热温差，从而降低了机组的不可逆因素，提高了机组的性能指数。

②作为热泵，机组在供热温度区间宽、供热温度高的场合具有较高的性能指数，可以实现余热的深度利用；作为制冷机，可以在保持较高制冷系数的同时降低对冷却介质参数的要求，或在同样的工作条件下减少功耗。

③机组保持了常规的分级压缩、级间冷却热泵/制冷机系统所具有的耗功低、容积效率高和压缩终温低的优点。

④比较相同工作温度范围内的机组，本发明主要增加了一个或一个以上的冷凝器，且增加的冷凝器还起到了级间冷却器的作用，因此机组在结构上和造价上的改变并不大。

⑤在应用于负荷、供热温度变化范围较大的场合，有利于发挥低压压缩-取热段性能指数高的优势，使制热或制冷的综合性能指数更高。

Claims (2)

1.相关联逐级压缩式分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，包括两个以上压缩机或压缩段、两个以上冷凝器、蒸发器和若干节流阀，蒸发器(5)有冷剂蒸汽管道连通一级压缩机(1)，一级压缩机(1)或有冷剂蒸汽管道连通一级冷凝器(4)、一级冷凝器(4)再经冷剂蒸汽管道连通二级压缩机(2)或有冷剂蒸汽管道分别连通一级冷凝器(4)和二级压缩机(2)，二级压缩机(2)还有冷剂蒸汽通道与二级冷凝器(3)相连，二级冷凝器(3)有管道经第二节流阀(6)连通一级冷凝器(4)，一级冷凝器(4)还有管道经第一节流阀(7)与蒸发器(5)相连，蒸发器(5)还有管道连通余热介质，一级冷凝器(4)和二级冷凝器(3)还分别有管道连通被加热介质，一级压缩机(1)、一级冷凝器(4)、蒸发器(5)和第一节流阀(7)组成一级压缩-取热流程，二级压缩机(2)、二级冷凝器(3)、第二节流阀(6)和一级压缩-取热流程的一级压缩机(1)、一级冷凝器(4)、蒸发器(5)、第一节流阀(7)组成二级压缩-取热热泵流程，从而得到两段取热的相关联逐级压缩式分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵。

2.无关联分别压缩式分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵，包括两个以上压缩机、两个以上冷凝器、蒸发器和若干节流阀，蒸发器(5)有冷剂蒸汽管道分别连通低压压缩机(1A)和高压压缩机(2A)，低压压缩机(1A)有冷剂蒸汽管道连通低压冷凝器(4A)，低压冷凝器(4A)有管道经第一节流阀(7)与蒸发器(5)相连，高压压缩机(2A)还有冷剂蒸汽通道与高压冷凝器(3A)相连，高压冷凝器(3A)还有管道经第二节流阀(6)连通低压冷凝器(4A)，蒸发器(5)还有管道连通余热介质，低压冷凝器(4A)和高压冷凝器(3A)还分别有管道连通被加热介质，低压压缩机(1A)、低压冷凝器(4A)、蒸发器(5)和第一节流阀(7)组成低温段压缩-取热流程，高压压缩机(2A)、高压冷凝器(3A)、第二节流阀(6)和低温段压缩-取热流程的低压冷凝器(4A)、第一节流阀(7)和蒸发器(5)组成高温段压缩-取热流程，从而得到两段取热的无关联分别压缩式分级压缩-分段取热型蒸汽压缩式热泵。

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