CN102230687A - 一种利用低品位热源的加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用低品位热源的加热装置。该装置包括热源采集器、气体储存器、涡流管、第一换热器、第二换热器、冷凝器、溶液泵；热源采集器的气体出口与气体储存器的气体进口相连，气体储存器的顶部气体出口与涡流管的进口相连，气体储存器的底部液体出口与热源采集器的液体回收口相连，涡流管的热端出口与第一换热器的第一进口相连，涡流管的冷端出口与第一换热器的第一出口分别连接于第二换热器的第一进口，第二换热器的第一出口与冷凝器的进口相连，冷凝器的出口与溶液泵的进口相连，溶液泵的出口与第二换热器的第二进口相连，第二换热器的第二出口与热源采集器的底部进口相连。本装置可直接利用低品位热源，结构简单、节能。

Description

一种利用低品位热源的加热装置
技术领域
本发明涉及能源利用装置，尤其涉及一种利用低品位热源的加热装置。
背景技术
能源是社会生活的物质基础，是自然界中为人们日常生活提供动力的物质资源。例如煤炭、石油、天然气这些化石能源为钢铁、纺织、化工、医疗等行业提供了生产物质来源和生产动力。能源是国民经济的命脉，对国家工业发展起着重要推动作用。但是，世界能源供应日益紧张，各国纷纷出台新的策略来应对能源的减少。在诸如煤炭、石油、天然气这些化石能源燃烧过程中会放出大量的热，利用这一特性，建立了许多大型的发电站、炼钢厂等大型设备，并将这些燃烧放出的热量中的较高比例未充分利用的高品位热能用于废热锅炉等设备中再次利用，提高利用效率。这些热能在利用次数增加的同时，其品位也在逐渐降低，从而成为低品位能源。低品位能源由于其品位较低，难以回收利用，使其在各种行业中的使用受到限制。例如，在溴化锂吸收式制冷系统中，由于溴化锂溶液自身物性的影响，当发生温度在80℃制取较低温度的冷媒水时，制冷系数较小，并且伴随着发生温度的降低，其制冷系数显著下降。
低品位能源处于整个能源品位的下级，其总量比较大，但是因为其往往可再次利用性比较低，经常被作为废热排至大气环境之中，造成低品位能源的浪费，不利于能源梯级利用的进行。目前，为了回收这些低品位的热量，人们作了很多努力，例如中国实用新型专利号ZL 200520051879.9就公开了一种利用中央空调废热制取热水的装置。
对于使用涡流管的系统，现有技术中在涡流管前基本上都设有压缩机，利用压缩机使气体达到高压状态。例如中国专利申请号200710018736.1，“一种带有涡流管的高温热泵系统”公开了一种带有压缩机以及与压缩机的排气管相连接的涡流管的高温热泵系统，虽然该系统利用涡流管提高气流的温度，在水的二次加热后，可以达到更高的温度。但该系统使用压缩机将低温低压的制冷剂变为高温高压的气体，在加压加热的同时也已经消耗了大量电能来驱动系统的运行。
发明内容
本发明提供了一种利用低品位热源的加热装置，该装置不仅对低品位热源进行再次利用，而且省去压缩机，达到节能的效果。
一种利用低品位热源的加热装置，包括热源采集器、气体储存器、涡流管、第一换热器、第二换热器、冷凝器、溶液泵；所述的热源采集器的气体出口与所述的气体储存器的气体进口相连，所述的气体储存器的顶部气体出口与所述的涡流管的进口相连，所述的气体储存器的底部液体出口与所述的热源采集器的液体回收口相连，所述的涡流管的热端出口与所述的第一换热器的第一进口相连，所述的涡流管的冷端出口与所述的第一换热器的第一出口分别连接于所述的第二换热器的第一进口，所述的第二换热器的第一出口与所述的冷凝器的进口相连，所述的冷凝器的出口与所述的溶液泵的进口相连，所述的溶液泵的出口与所述的第二换热器的第二进口相连，所述的第二换热器的第二出口与所述的热源采集器的底部进口相连。
优选的，在所述的第一换热器与所述的第二换热器间设置用于高温换热的第三换热器，所述的第三换热器的第一进口与所述的第一换热器的第一出口相连，所述的第三换热器的第一出口与所述的第二换热器的第一进口相连，所述的第三换热器的第二进口与所述的第二换热器的第二出口相连，所述的第三换热器的第二出口与所述的热源采集器的底部进口相连。所述的第三换热器的加入可降低冷凝器的热负荷。
所述的热源采集器是用于将流体工质加热至高压气体状态。
所述的加热装置内填充的流体工质在工作温度范围内能产生气液相变，优选为水、氨、卤代烃或醇类。
所述的低品位热源一般为300℃以下的热源，优选为50-200℃的热源。
所述的气体储存器可用于稳定气体压力、进行气液分离。
优选的，所述的加热装置与需要热量的装置连成一体式结构，该一体式结构运行简便，热能损失小。
优选的，所述的需要热量的装置是热水热泵系统，利用本发明直接加热热泵循环水，可提高热能利用率、减少热能的浪费。
优选的，所述的需要热量的装置是单效溴化锂吸收式制冷系统，该系统与本发明装置连成一体式结构后可直接从本发明流体工质中获得热量，使该系统实现制冷，利于节能。
因此，藉由本发明的利用低品位热源的加热装置可实现低品位热源的再次利用，故对能源梯级利用具有重大意义。另外，本发明采用热源采集器对传热流体工质加热，相对于压缩机系统而言，具有可直接利用诸如锅炉废热、冷却废热等低品位热源并节省电能的明显优势。在实际应用中，本发明加热装置产生的高温气态流体工质不仅可以作为吸收式制冷系统发生器中的热源气体，也可用于热泵、小型锅炉等场合。此外，本发明可与一些需要热量的装置，诸如热泵、吸收式制冷系统连成一体式结构，便于热量的传输及减少热能的损耗。故本发明加热装置在低品位热源的利用上及在节能方面有出色的改进，不仅如此，该装置还具有结构简单、运行可靠、持续性强、适应范围广的优点。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的流程示意图；
图2是本发明装置用于热水热泵系统的流程示意图；
图3是本发明装置用于单效溴化锂吸收式制冷系统的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参见图1，图1是本发明的一种实施方式的流程示意图。所述的加热装置包括热源采集器1、气体储存器2、涡流管3、第一换热器4、冷凝器5、溶液泵6、第二换热器7；热源采集器1的气体出口与气体储存器2的气体进口相连，气体储存器2的顶部气体出口与涡流管3的进口相连，气体储存器2的底部液体出口与热源采集器1的液体回收口相连，涡流管3的热端出口与第一换热器4的第一进口相连，涡流管3的冷端出口与第一换热器4的第一出口分别连接于第二换热器7的第一进口，第二换热器7的第一出口与冷凝器5的进口相连，冷凝器5的出口与溶液泵6的进口相连，溶液泵6的出口与第二换热器7的第二进口相连，第二换热器7的第二出口与热源采集器1的底部进口相连。
在本实施例中，流体工质采用R245ca，低品位热源为化工厂冷却塔产生的50-60℃的低品位冷却废热。液态R245ca流体工质经热源采集器1加热后达到45-55℃下的高压气体状态，然后进入气体储存器2中。在管路和气体储存器2中由于漏热冷凝的R245ca液态流体工质与气体储存器2中的气态工质在气体存储器2中进行气液分离，同时气体储存器2具有稳定气体压力的作用。气液分离出的液体自气体储存器2的底部液体出口流至热源采集器1的液体回收口，回流入热源采集器1中。经气体储存器2稳压后的流体工质从气体储存器2的顶部气体出口流出，以高压状态进入涡流管3，涡流管3的热端出口流出高温低压气态流体工质。高温低压气态流体工质继在第一换热器4中与低温流体工质换热放出大量热量后，与从涡流管3的冷端出口流出的低温低压流体工质混合，进入第二换热器7中进行换热，然后经冷凝器5冷凝成液态后由溶液泵6增压，增压后的高压液体流过第二换热器7后进入热源采集器1，完成循环。在本实施例中，第一换热器4中通有低温流体工质，涡流管3热端出来的高温低压气态流体工质加热第一换热器4中的低温流体工质。
通过对本实施例进行模拟计算，得到表1。
表1不同低品位热源温度及温升条件下本装置达到的温度
Figure BDA0000057877620000051
其中，进入涡流管的R245ca体积流量为2000Nm3/h，冷凝温度为25℃。从表1中可以得到不同低品位热源温度条件下，本装置所能达到的温度以及可产生热量。通过本实施例，可实现对50-60℃的热源的再次利用。而且整个过程运行可靠、持续性强及废热回收效果好。
实施例2
在大型化工设备中有60-70℃的废热，需由凉水塔中的循环水来冷却这部分热量，循环水回流入凉水塔后，将热量排入大气。而藉由本发明可利用此60-70℃的低品位废热，在本实施例中，以此60-70℃热水为本发明装置需要采集的低品位热源。
另外，热泵是一个以消耗部分低品位热源为补偿，将热进行传递的装置。传统热泵利用自然资源，例如室外空气、土壤、海洋等中储备的能量，但是往往由于这些物质其本身能量较低，使热泵能够达到的温度并不是很高。而将本发明的第一换热器与热泵系统连成一体式结构，这样可使热泵能够获得较高温度的循环水来供给用户，而且可实现上述低品位热源的再次利用。
参见图2，图2是本发明装置用于热水热泵系统的流程示意图。所述的加热装置包括热源采集器1、气体储存器2、涡流管3、第一换热器4、冷凝器5、溶液泵6、第二换热器7、第三换热器8；热源采集器1的气体出口与气体储存器2的气体进口相连，气体储存器2的顶部气体出口与涡流管3的进口相连，气体储存器2的底部液体出口与热源采集器1的液体回收口相连，涡流管3的热端出口与第一换热器4的第一进口相连，第一换热器4的第一出口与第三换热器8的第一进口相连，涡流管3的冷端出口与第三换热器8的第一出口分别连接于第二换热器7的第一进口，第二换热器7的第一出口与冷凝器5的进口相连，冷凝器5的出口与溶液泵6的进口相连，溶液泵6的出口与第二换热器7的第二进口相连，第二换热器7的第二出口与第三换热器8的第二进口相连，第三换热器8的第二出口与热源采集器1的底部进口相连。
在本实施例中，流体工质采用R245ca，第二换热器为低温换热器，第三换热器为高温换热器，低品位热源为上述提及的60-70℃的热源，第一换热器4与热泵系统相连，热泵循环水通过第一换热器4。R245ca液态流体工质经热源采集器1加热后达到55-65℃下的高压气体状态，然后进入气体储存器2中。在管路和气体储存器2中由于漏热冷凝的R245ca液态流体工质与气体储存器2中的气态工质在气体存储器2中进行气液分离，同时气体储存器2具有稳定气体压力的作用。气液分离出的液体自气体储存器2的底部液体出口流至热源采集器1的液体回收口，回流入热源采集器1中。经气体储存器2稳压后的流体工质从气体储存器2的顶部气体出口流出，以高压状态进入涡流管3，涡流管3的热端出口流出高温低压气态流体工质。高温低压气态流体工质继在第一换热器4中与热泵循环水换热放出大量热量后，进入第三换热器8，并在其中与经第二换热器7换热的返流液体换热，再与从涡流管3的冷端出口流出的低温低压流体工质混合，进入第二换热器7中进行换热，然后经冷凝器5冷凝成液态后由溶液泵6增压，增压后的高压液体依次流经第二换热器7、第三换热器8后进入热源采集器1，完成循环。由于流体工质R245ca在该热源温度下被加热后温度较高，所以本实施例中增加第三换热器，本实施例中设置的第三换热器可降低冷凝器的热负荷，提高回流入热源采集器的流体工质的温度，提高系统的废热回收率。
通过对本实施例进行模拟计算，可以得到表2。
表2不同低品位热源温度和温升条件下产生的热量及热泵循环水达到的温度
Figure BDA0000057877620000071
其中，R245ca体积流量为1500Nm3/h，冷凝温度为32℃。由表2可知，热泵循环水达到的温度越高，其能够获得的热量越少，这主要是由于随着温度的升高，热流量减少的缘故。在第一换热器4中，低温热泵循环水被加热达到80-95℃左右，然后将此经加热的热水供给用户，从而实现了利用此60-70℃的热源将热泵循环水加热到较高温度的目的。另外，因本实施例利用了该60-70℃左右的废热后还可减少凉水塔的热负荷。
实施例3
由于溴化锂吸收式制冷系统因其溴化锂溶液自身物性，在发生温度为80℃及以下温度制取较低温度的冷媒水时，效率比较低。锅炉中存在65-80℃的未利用废热。在本实施例中，将本发明与溴化锂制冷系统连成一体式结构，并利用上述提及的65-80℃废热作为热源采集器将采集的低品位热源。
参见图3，图3是本发明装置用于单效溴化锂吸收式制冷系统的流程示意图。所述的加热装置包括热源采集器1、气体储存器2、涡流管3、第一换热器4、第一冷凝器15、第一溶液泵16、第二换热器7、第三换热器8、第二冷凝器9、蒸发器10、第二溶液泵11、吸收器12、第三溶液泵13、第四换热器14；热源采集器1的气体出口与气体储存器2的气体进口相连，气体储存器2的顶部气体出口与涡流管3的进口相连，气体储存器2的底部液体出口与热源采集器1的液体回收口相连，涡流管3的热端出口与第一换热器4的第一进口相连，第一换热器4的第一出口与第三换热器8的第一进口相连，涡流管3的冷端出口与第三换热器8的第一出口分别连接于第二换热器7的第一进口，第二换热器7的第一出口与第一冷凝器15的进口相连，第一冷凝器15的出口与第一溶液泵16的进口相连，第一溶液泵16的出口与第二换热器7的第二进口相连，第二换热器7的第二出口与第三换热器8的第二进口相连，第三换热器8的第二出口与热源采集器1的底部进口相连，第一换热器4的第二出口与第二冷凝器9、蒸发器10、吸收器12、第三溶液泵13依次相连通(第二冷凝器9的出口与蒸发器10的第一进口相连，蒸发器10的第一出口与吸收器12的第一进口相连)，第三溶液泵13的出口与第四换热器14的第一进口相连，第四换热器14的第一出口与第一换热器4的第二进口相连，第一换热器4的第三出口与第四换热器14的第二进口相连，第四换热器14的第二出口与吸收器12的第二进口相连，蒸发器10的第二出口与第二溶液泵11的进口相连，第二溶液泵11的出口与蒸发器10的第二进口相连。
在本实施例中，第一换热器为单效溴化锂吸收式制冷系统发生器，第二换热器为低温换热器，第三换热器为高温换热器，低品位热源为锅炉产生的65-80℃的废热，流体工质为R245ca。将体积流量为1000NM3/h的流体工质R245ca通入热源采集器1，R245ca在经过热源采集器1加热后达到60-75℃温度下的高压状态后进入气体储存器2中。在管路和气体储存器2中由于漏热冷凝的R245ca液态流体工质与气体储存器2中的气态工质在气体存储器2中进行气液分离，同时气体储存器2具有稳定气体压力的作用。气液分离出的液体自气体储存器2的底部液体出口流至热源采集器1的液体回收口，回流入热源采集器1中。经气体储存器2稳压后的流体工质从气体储存器2的顶部气体出口流出，以高压状态进入涡流管3，涡流管3的热端出口流出温度为100-120℃左右的高温低压流体工质，然后该高温低压流体工质流入第一换热器4放出大量热量，随后进入第三换热器8与从第二换热器7返流的液体换热，然后与从涡流管3的冷端出口流出的低温低压流体工质混合，进入第二换热器7放热，再经第一冷凝器15冷凝成液态后由第一溶液泵16增压，高压液体依次流经第二换热器7、第三换热器8进入热源采集器1，完成循环。第一换热器4从涡流管热端出来的高温R245ca中获得大量热量，供以该制冷系统实现制冷。由于流体工质R245ca在该热源温度下被加热后温度较高，所以本实施例中增加第三换热器，本实施例中设置的第三换热器可降低冷凝器的热负荷，提高回流入热源采集器的流体工质的温度，提高系统的废热回收率。
通过对本实施例进行模拟计算，可以得到下表3。
表3不同低品位热源温度与温升条件下得到的制冷量
Figure BDA0000057877620000091
Figure BDA0000057877620000101
其中，第二冷凝器7中的冷凝温度为32℃，第一冷凝器15中的冷凝温度为35℃，蒸发器10中的冷媒水出口温度为7℃，R245ca体积流量为1000NM3/h。通过表3可以看出，可将65-80℃的废热经本装置加热后，达到100-120℃左右以驱动溴化锂制冷机制冷。通过表3亦可得出在该设定条件下，在将热源温度加热到110℃时，本溴化锂吸收式制冷系统可获得最大制冷量，从而最大限度地利用了低品位热源。
综上所述，利用锅炉产生的65-80℃左右的废热将流体工质经本实施例装置加热后，温度可达100-120℃，然后将其供给吸收式制冷系统，由此使溴化锂制冷系统可以利用该65-80℃的热源。

Claims (5)

1.一种利用低品位热源的加热装置，其特征在于：该装置包括热源采集器、气体储存器、涡流管、第一换热器、第二换热器、冷凝器、溶液泵；所述的热源采集器的气体出口与所述的气体储存器的气体进口相连，所述的气体储存器的顶部气体出口与所述的涡流管的进口相连，所述的气体储存器的底部液体出口与所述的热源采集器的液体回收口相连，所述的涡流管的热端出口与所述的第一换热器的第一进口相连，所述的涡流管的冷端出口与所述的第一换热器的第一出口分别连接于所述的第二换热器的第一进口，所述的第二换热器的第一出口与所述的冷凝器的进口相连，所述的冷凝器的出口与所述的溶液泵的进口相连，所述的溶液泵的出口与所述的第二换热器的第二进口相连，所述的第二换热器的第二出口与所述的热源采集器的底部进口相连。
2.根据权利要求1所述的利用低品位热源的加热装置，其特征在于：在所述的第一换热器与所述的第二换热器间设置第三换热器，所述的第三换热器的第一进口与所述的第一换热器的第一出口相连，所述的第三换热器的第一出口与所述的第二换热器的第一进口相连，所述的第三换热器的第二进口与所述的第二换热器的第二出口相连，所述的第三换热器的第二出口与所述的热源采集器的底部进口相连。
3.根据权利要求1所述的利用低品位热源的加热装置，其特征在于：所述的加热装置与热水热泵系统连成一体式结构。
4.根据权利要求1所述的利用低品位热源的加热装置，其特征在于：所述的加热装置与单效溴化锂吸收式制冷系统连成一体式结构。
5.根据权利要求1所述的利用低品位热源的加热装置，其特征在于：所述的加热装置内填充的流体工质优选为水、氨、卤代烃或醇类。
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