CN102261740A - 一种高温热泵真空锅炉制热方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种高温热泵真空锅炉制热方法及装置，它属于新能源领域低温及余热利用的新技术，更具体地说它是制冷热泵与真空热泵锅炉的联合制热方法和装置。余热或者制冷热泵系统的低温热能传递给真空热泵锅炉，在低温端锅炉液体介质吸热并且蒸发变为气体、经锅炉压缩机、终端换热器冷凝放热变为液体，液体再一次进行蒸发的真空热泵锅炉循环；35℃～60℃余热源的真空热泵锅炉循环、能源利用率从1
4～6，其能效比大于4，使用纯净水作为工质。有益的结果是：能效比大于4的余热高温利用；开拓联合制热循环内热能梯级利用与匹配，85℃～180℃的高温热泵；开发新的大型高温热泵技术和产品。
Description
技术领域
本发明的技术是一种高温热泵真空锅炉制热方法及装置，它属于新能源领域中低温热能或者余热利用、能源利用率从
的节能减排新技术，更具体地说是制冷热泵循环与真空热泵锅炉在热能生产领域的结合，开创新能源的制冷热泵真空锅炉技术、实现真空锅炉核心技术升级、制冷热泵和真空锅炉产品更新换代；在联合循环制热过程实现热能的梯级利用、梯级匹配；开拓新能源大功率供热、高温高效率的热能生产与余热的温度35℃～60℃升温85℃～180℃、能效比大于4的技术及装置。
背景技术
热能生产与利用，是推动人类文明、生活、科学技术的基本能源动力和必需品；有史以来生产热能的资源是矿物性或者植物性及部分的水力动力资源，过渡开发和利用矿物性资源的能源带来污染环境和能源危机、能源安全；深刻影响世界的能源利用模式、各国经济发展和国际之间的关系。客观的事实使我们认识到低碳经济、发展新能源的能源革命是多么重要。我们人类一直重视节约能源并且发展许多的余热利用技术，发展新能源，能源利用的基本规律是从能量利用效率从
的；2008年欧洲议会依法律的形式确定热泵技术是新能源技术，全面开拓从低温到高温、能源利用率从的能源利用规律、开拓能源革命的新纪元。在能源革命和提高能源利用效率方面，世界各国积极开发研制热能梯级利用技术。现在已经有的热泵技术，是单一的制冷热泵循环或者两个热泵循环的符合循环，它们不能充分使用热能的梯级利用理论和技术的优势，能效比符合要求的热泵技术，其最高温度是55℃～65℃，若继续提高温度则能效比降低非常大，甚至失去热泵工作的意义；科学家开发CO2热泵技术，它可以达到120℃其能效比3.2，但是由于先天性的限制，它的最大制热功率约65KW/H，不能满足工农业生产、生活、医疗卫生和办公事业单位使用热能的需要；开发、生产大功率高温热泵技术和产品是能源革命及热能技术发展的需要。矿物性资源渐渐减少并且变成稀缺资源，不断地涨价，影响工农业的生产成本和价格并且还要付出沉重的污染环境的代价；2006年我国锅炉网统计资料一吨/小时的燃煤锅炉有60万台、还有小型锅炉不计其数；2010年春天的全国市长会议指出：村镇、小城市化和内需经济发展都极大的扩大热能的需求。。。；目前，制冷热泵与真空锅炉需要核心技术升级、产品更新换代；热泵和锅炉行业还没有大功率高温的能效比大于4的、温度在85℃～180℃的新能源技术与产品。能源革命中热能资源的革命是不用或者少用矿物性资源生产热能，最有效的方法是发展热能领域的新能源技术和装置；一般的高温热泵技术在生产高温水(60℃～85℃)都是采用循环氺箱的工艺路线-它造成蓄氺箱体积大、特别是大功率的热泵更为严重并且降低系统的能效比，目前，还没有减小氺箱发展大功率的直热式高温热泵的技术与产品；工农业生产中产生大量的35℃～60℃余热，特别是55℃～60℃的余热利用中困难更大，还要花费大量资金去冷却处理、在能效比EER＞2的条件下还没有开发利用。更没有把50℃～65℃的低温热能再一次提升到高温85℃的技术和产品、也没有把15℃冷水提升到85℃～180℃的技术和产品。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、节能减排、绿色循环新能源的可再生能源的方法与装置--高温热泵真空锅炉制热方法及装置。开发大功率、高温高效率的新能源热能生产及余热升温的再一次利用的技术和装置，改变只有消耗矿物性资源才能利用热能的历史；发展清洁、方便、经济、能源利用效率大于4的新能源技术。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现的：一种高温热泵真空锅炉制热方法及装置。下面分别说明制热方法与制热装置：
一种高温热泵真空锅炉制热方法：包括制冷热泵循环的制冷剂进入蒸发器吸热变为气体、气体经压缩机、冷凝器，在冷凝器放热变为液体，液体经储液器、节流装置再次进入蒸发器的热能传递热泵循环；热泵的冷凝器热能传递给真空锅炉，真空锅炉再一次制热并且供应终端热能用户；上面所述的高温热泵真空锅炉制热方法是制冷热泵循环、中间工质传热循环、真空热泵锅炉组成的联合循环制热方法；上面所述的高温是终端供应热能温度85℃～180℃；上面所述的蒸发器吸热是吸取低温热源的热能，低温热源是空气源或者水源或者地热源或者工艺过程需要冷却的工质；上面所述的冷凝器的热能传递是冷凝器的热能经中间工质传热循环传递给真空热泵锅炉的低温端；上面所述的真空热泵锅炉制热是中间工质的热能传递给锅炉液体介质，其液体介质吸热并且蒸发变为气体，气体经锅炉压缩机、终端换热器冷凝放热变为液体，液体锅炉介质再一次进入低温端吸热蒸发，锅炉介质完成真空热泵锅炉循环制热；上面所述的终端热能用户是气体或者液体或者工艺过程的介质，介质经换热器把高温热能传递；上面所述的中间工质传热循环是在热泵冷凝器中的中间工质经管道、泵、管道连接真空锅炉、管道回到冷凝器的中间工质传热循环；上面所述的中间工质是水或者载热工质；上面所述的锅炉低温端热能是制冷热泵循环中冷凝器里的热能由中间工质携带热能或者其他35℃～60℃的低温热源；上面所述的35℃～60℃的低温热源是它在低温端与液体锅炉介质换热，液体变为气体的真空热泵锅炉循环；上面所述的35℃～60℃低温热源是气体或者液体或者工艺过程的介质；上面所述的联合循环制热方法是联合循环制热过程中热能梯级利用与匹配，梯级利用与匹配是在15℃升温到85℃～180℃之间的制热过程实现的。
一种高温热泵真空锅炉制热装置，包括制冷热泵制冷剂进入蒸发器吸热变为气体、气体经压缩机、冷凝器，在冷凝器放热变为液体，液体经储液器、节流装置再次进入蒸发器的热能传递热泵循环、冷凝器的热能传递给真空锅炉，真空锅炉再一次升温并且供应终端热能用户，上面所述的制冷热泵是制冷剂进入蒸发器(1)吸热变为气体、气体经压缩机(2)、冷凝器(3)，在冷凝器(3)放热变为液体，液体经储液器(4)、节流装置(5)再次进入蒸发器(1)的热能传递制冷热泵循环；上面所述的冷凝器的热能传递给真空锅炉是中间工质(12)经冷凝器(3)的出口(6)连接管道(7)、泵(8)、管道(7)连接真空热泵锅炉的低温端换热器(14)入口(10)，从锅炉低温端换热器(14)的出口(11)、管道(7)及冷凝器(3)的入口(9)，中间工质(12)再一次进入冷凝器(3)完成中间工质传热循环；上面所述的真空锅炉再一次升温是中间工质把热能传递给真空热泵锅炉的液体介质(13)并且吸热蒸发变为气体，气体经低温端气体出口(20)、管道(15)、锅炉压缩机(16)、管道(15)进入终端换热器(17)，在终端换热器(17)放热变为液体，液体经终端换热器的出口(18)、管道(15)再一次进入低温端换热器的锅炉液体介质入口(19)进入低温端换热器(14)上方的喷淋器(25)，液体介质蒸发，未蒸发的锅炉液体介质(13)经管道(23)、锅炉液体介质泵(24)及管道(23)使液体介质进入终端换热器的液体汇合，汇合后的液体再一次进入喷淋器(25)，均匀分布低温端换热器(14)上，未蒸发的液体介质在锅炉内不断循环；上面所述的终端热能用户是终端传热介质(20)从入口(21)进入终端换热器(17)、升温后从出口(22)流出；上面所述的热能传递给真空热泵锅炉是由冷凝器中的中间工质或者35℃～60℃的低温热能工质传递给真空热泵锅炉；上面所述的35℃～60℃低温热源是热能在锅炉低温端换热器(14)传热给锅炉液体介质(13)，液体介质吸热蒸发变为气体，气体经低温端气体出口(20)、管道(15)、锅炉压缩机(16)、管道(15)进入终端换热器(17)，在终端换热器(17)放热变为液体，液体经终端换热器的出口(18)、管道(15)再一次经低温端换热器的锅炉液体介质入口(19)、进入低温端换热器(14)上方的喷淋器(25)，未蒸发的锅炉液体介质(13)经管道(23)、锅炉液体介质泵(24)及管道(23)使液体介质进入终端换热器的液体汇合，汇合后的液体再一次进入喷淋器(25)均匀分布低温端换热器(14)上；上面所述的低温端锅炉液体介质吸热蒸发变为气体是35℃～60℃的低温热源工质把热能传递给锅炉液体介质，液体吸热变为气体；上面所述的终端热能用户是终端传热介质(20)从入口(21)进入终端换热器(17)、升温后从出口(22)流出；
本发明的有益结果是：1，提高热泵新能源的应用范围，从35℃～65℃余热或者15℃的冷水提升到85℃～180℃生产热能；2，为富集65℃以下的低温余热能源再一次的高温利用，提供新的技术和装置；3，提高热泵新能源的能效比；4，使用纯净水为高温热泵中的工质，为发展绿色安全、节能减排的高温热泵提供新的方法；
附图说明
图1，(1)蒸发器，(2)压缩机，(3)冷凝器，(4)储液器，(5)节流装置，(6)冷凝器的出口，(7)管道，(8)泵，(9)冷凝器的入口，(10)低温端换热器入口，(11)低温端换热器的出口，(12)中间工质，(13)锅炉的液体介质，(14)低温端换热器，(15)管道，(16)锅炉压缩机，(17)终端换热器，(18)终端换热器的锅炉液体介质出口，(19)锅炉液体介质低温端入口，(20)低温端气体出口，(21)终端传热介质入口，(22)终端换热器介质出口，(23)管道，(24)锅炉液体介质泵，(25)喷淋器，(26)终端传热介质，
图2，(8)泵，(10)低温端换热器入口，(11)低温端换热器的出口，(12)中间工质，(13)锅炉的液体介质，(14)低温端换热器，(15)管道，(16)锅炉压缩机，(17)终端换热器，(18)终端换热器的锅炉液体介质出口，(19)锅炉液体介质低温端入口，(20)低温端气体出口，(21)终端传热介质入口，(22)终端换热器介质出口，(23)管道，(24)锅炉液体介质泵，(25)喷淋器，(26)终端传热介质，
具体实施方式
下面结合实施例对对本发明做进一步的描述，按照本发明的高温热泵真空锅炉制热方法设计的高温热泵真空锅炉制热装置，它包括一般的热泵循环制热、中间工质传热循环、真空热泵锅炉循环再一次制热的联合循环装置，把真空锅炉改造成真空热泵锅炉。为了进一步说明，采用一个对比例与两个实施例；实施例1是制冷热泵循环制热与真空热泵锅炉循环联合制热，从15℃提升到85℃；实施例2是余热利用，余热的温度是55℃热水升温到95℃，设计实施方案是余热直接进入真空热泵锅炉，真空热泵锅炉独立完成制热的全部过程。在实施例的方案设计，采用热能的梯级利用及循环之间的梯级匹配，有效的提高总能系统的能源效率，即提高总能系统的能效比。
对比例：热泵工况：空气源的温度+7℃，供热水温度+85℃，制冷剂是R134a，螺杆式制冷压缩机组，两级压缩，制热量是10000KW/H，能效比EER＝2～1.5，压缩机的消耗功率是5000KW，进水温度是15℃，热水温度是85℃，单位时间供应热水量是123.15m3/h，
实施例1，高温热泵真空锅炉制热装置是制冷剂进入蒸发器(1)吸热变为气体、气体经压缩机(2)、冷凝器(3)，在冷凝器(3)放热变为液体，液体经储液器(4)、节流装置(5)再次进入蒸发器(1)的热能传递制冷热泵循环；冷凝器的热能传递给真空锅炉是中间工质(12)经冷凝器(3)的出口(6)连接管道(7)、泵(8)、管道(7)连接真空热泵锅炉的低温端换热器(14)入口(10)，从锅炉低温端换热器(14)的出口(11)管道(7)及冷凝器(3)的入口(9)，中间工质(12)再一次进入冷凝器(3)的中间工质传热循环；真空锅炉再一次升温是真空热泵锅炉的液体介质(13)经低温端锅炉液体介质入口(19)在锅炉低温端换热器(14)吸热蒸发变为气体，气体经低温端气体出口(20)、管道(15)、锅炉压缩机(16)、管道(15)进入终端换热器(17)，在终端换热器(17)放热变为液体，液体经终端换热器的出口(18)、管道(15)再一次进入低温端蒸发换热器的锅炉液体介质入口(19)进入低温端换热器(14)上方的喷淋器(25)，未蒸发的锅炉液体介质(13)经管道(23)、锅炉液体介质泵(24)及管道(23)使液体介质进入终端换热器的液体汇合，汇合后的液体再一次进入喷淋器(25)均匀分布低温端换热器(14)上，未蒸发的液体介质在锅炉内不断循环；终端热能用户是终端传热介质(20)从入口(21)进入终端换热器(17)、升温后从出口(22)流出；
设计思想：按照热能梯级利用与梯级匹配的原则，确定制冷热泵循环与真空热泵锅炉的热能范围，然后，分别设计制热状态循环。首先，采用空气源制冷热泵循环完成一级制热，制冷剂是R134a，螺杆式制冷压缩机组，得到的热水温度是55℃，热泵工况是，+7℃，冷凝温度是55℃，进水温度是15℃；其次，采用真空热泵锅炉把55℃的热水再一次升温到85℃，要求是：制冷热泵循环供应55℃的热水，要求继续升温，实现供应85℃热水，其系统总的制热量是10000KW，每小时的热水量是123.15T/H；
实施方案：1)，热泵的出水温度是65℃，蒸发温度是+7℃，热水量是123.15m3/h，制热功率是8224.4KW，消耗电能是2056KW；生产的补水温度是15℃经过换热器温度是26℃，压缩机冷凝器的实际进水温度是26℃；2)，中间工质循环水量185.15m3/h，水泵型号IS125-100-200，二台，电机功率是10KW＊2＝20KW；3)，真空热泵锅炉的工况是：热源的进水温度65℃/出水温度50℃；真空热泵锅炉的设计进水温度是65℃、设计供水温度85℃，单位时间供应的热水量是123.15m3/h，采用离心式压缩机的制热量是2857.08KW；真空锅炉压缩机循环的电能功率是1台＊410＝410KW，锅炉介质是纯净水，介质循环泵5KW＊1＝5KW；4)，高温热泵真空锅炉总的消耗电能量是：热泵2056KW+水泵20KW+锅炉压缩机410＊KW+锅炉介质泵5KW；5)，总的系统消耗电能是：2056+20+410+5＝2491KW，总的能效比EER＝10000KW/2491KW＝4.0144。
对比例1说明，本发明技术比目前所有的大型热泵技术先进，目前的热泵在85℃时的供应热水其能效比EER＜2～1.5。从实施例1与对比例进行比较，其能效比EER提高4.0144/2＝200.6％。目前供应85℃热水的热泵的能效比EER＜2，实施例1的能效比与现有的大型热泵热水器的能效比进行比较，它提高2.00倍即200％。
实施例2：本发明技术在35℃～60℃的低温热能利用方面，把它升温到95℃时具有更大的优势。采用的设计方案：当低温热源的温度是35℃～60℃时，直接进入高温热泵真空锅炉，锅炉的液体介质(13)在锅炉低温端换热器(14)吸热蒸发变为气体，气体经低温端气体出口(20)、管道(15)、锅炉压缩机(16)、管道(15)进入终端换热器(17)，在终端换热器(17)放热变为液体，液体经终端换热器的出口(18)、管道(15)再一次进入低温端换热器的锅炉液体介质入口(19)进入低温端换热器(14)上方的喷淋器(25)，未蒸发的锅炉液体介质(13)经管道(23)、锅炉液体介质泵(24)及管道(23)使液体介质进入终端换热器的液体汇合，汇合后的液体再一次进入喷淋器(25)均匀分布低温端换热器(14)上，未蒸发的液体介质在锅炉内不断循环；低温端锅炉液体介质在锅炉低温端换热器(14)吸热蒸发变为气体是35℃～60℃的低温热源工质直接进入锅炉的低温端并且把热能传递给锅炉液体介质，液体吸热变为气体：终端热能用户是终端传热介质(20)从入口(21)进入终端换热器(17)、升温后从出口(22)流出；
设计实施方案：制热工况：设低温热源是55℃供热，换热后的温度45℃、低温热源热水供应量862T/H；要求补水是15℃、生产的热水温度95℃，制热量是10000KW，高温热水量是107.75T/H；真空热泵锅炉独立直接完成制热的全过程，真空热泵锅炉的介质是纯净水；1)，补水的温度是15℃、真空热泵锅炉的进水是30℃，要求生产供应的热水是95℃，热水供应量107.75T/H，低温热源水泵100KW；2)，介质泵一台消耗电能10KW、锅炉热泵压缩机是4台＊410KW的离心式压缩机，循环电能是1640KW，制热量是8124.35KW，真空热泵锅炉的能效比EER＝4.642；3)，系统总能效比：总计真空热泵锅炉制热10000KW所需要的电能是1750KW，其能效比EER＝10000/1750＝5.7142；
实施例2说明：科学合理的利用类似55℃的热能余热，要有一个方设计方法与总能系统内的梯级利用与匹配；普通的制冷热泵技术是在55℃余热利用方面有先天性的限制、不能很好的提高温度及再一次利用。然而，制冷热泵锅炉恰恰是这一段低温热能提高温度这一次利用并且能效比非常高，其制热规律有特殊的效果。目前，目前供应95℃热水的热泵的能效比EER＜1.5～2，实施例2的能效比与现有的大型热泵热水器的能效比进行比较，它提高5.7142/2＝2.8571倍即285.71％。
通过实施例1和2，说明联合循环内部热泵循环与真空热泵锅炉循环的相互之间的工况科学的组合/配比/优化、根据工质的物理化学性能设计联合循环内的热能梯级利用与匹配，梯级利用与梯级匹配是在15℃热水升温到85℃～180℃韵逋程中制冷热泵循环与真空热泵锅炉循环之间的实现的，可以得到高温是85℃～180℃的高温热能，其能效比大于4，比现有的大型热泵技术节能200％～285.71％.实施例2是余热利用，余热的温度是55℃，经过真空热泵锅炉市场热水温度是95℃，设计实施方案中余热是真空热泵锅炉的低温热源，真空热泵锅炉独立完成制热的全部过程，生产高温95℃的热水。
Claims (6)
1.一种高温热泵真空锅炉制热方法，包括热泵制冷剂进入蒸发器吸热变为气体、气体经压缩机、冷凝器，在冷凝器放热变为液体，液体经储液器、节流装置再次进入蒸发器的热能传递循环、冷凝器的热能传递给真空锅炉，真空锅炉再一次升温并且供应终端热能用户，其特征是，所述的高温热泵真空锅炉制热方法是制冷热泵循环、中间工质传热循环、真空热泵锅炉组成的联合循环制热方法；其特征是，所述的高温热泵是终端供应热能温度85℃～180℃；其特征是，所述的蒸发器吸热是吸取低温热源的热能，低温热源是空气源或者水源或者地热源或者工艺过程需要冷却的工质；其特征是，所述的冷凝器的热能传递是热能经过中间工质传热循环、中间工质循环传递给锅炉的低温端；其特征是，所述的真空热泵锅炉制热是中间工质的热能传递给锅炉液体介质，其液体介质吸热并且蒸发变为气体，气体经锅炉压缩机、终端换热器冷凝放热变为液体，液体锅炉介质再一次进入蒸发的真空热泵锅炉循环；其特征是，所述的终端热能用户是气体或者液体或者工艺过程的介质；
2.根据权利要求1，所述的一种高温热泵真空锅炉制热方法，其特征是，所述的中间工质传热循环是中间工质从热泵的冷凝器经管道、泵、管道连接真空锅炉、管道与冷凝器的闭路循环；其特征是，所述的中间工质是水或者载热工质；
3.根据权利要求1或者2，所述的一种高温热泵真空锅炉制热方法，其特征是，所述的低温端热能是中间工质的热能或者35℃～60℃的低温热源；其特征是，所述的35℃～60℃的低温热源是它在真空热泵锅炉的低温端与液体锅炉介质换热；其特征是，所述的35℃～60℃低温热源是气体或者液体或者工艺过程的介质；
4.根据权利要求1或者2或者3，所述的一种高温热泵真空锅炉制热方法，其特征是，所述的联合循环制热方法是制冷热泵循环与真空热泵锅炉循环在制热过程中热能梯级利用与匹配，梯级利用与匹配是在15℃升温到85℃～180℃之间实现；
5.一种高温热泵真空锅炉制热装置，包括热泵制冷剂进入蒸发器吸热变为气体、气体经压缩机、冷凝器，在冷凝器放热变为液体，液体经储液器、节流装置再次进入蒸发器的热能传递热泵循环、冷凝器的热能传递给真空锅炉，真空锅炉再一次升温并且供应终端热能用户，其特征是，所述的高温热泵真空锅炉制热装置是包括：制冷剂进入蒸发器(1)吸热变为气体、气体经压缩机(2)、冷凝器(3)，在冷凝器(3)放热变为液体，液体经储液器(4)、节流装置(5)再次进入蒸发器(1)的制冷热泵循环，热泵循环冷凝器的热能传递给中间工质(12)经冷凝器(3)的出口(6)连接管道(7)、泵(8)、管道(7)连接真空热泵锅炉的低温端换热器(14)入口(10)，从锅炉低温端换热器(14)的出口(11)管道(7)及冷凝器(3)的入口(9)，中间工质(12)再一次进入冷凝器(3)完成中间传热循环，中间工质使锅炉的液体介质(13)在低温端换热器(14)吸热蒸发变为气体，气体经低温端气体出口(20)、管道(15)、锅炉压缩机(16)、管道(15)进入终端换热器(17)，在终端换热器(17)放热变为液体，液体经终端换热器的出口(18)、管道(15)、液体介质入口(19)再一次进入低温端换热器(14)上方的喷淋器(25)并且继续下一次的蒸发吸热，未蒸发的锅炉液体介质(13)经管道(23)、锅炉液体介质泵(24)及管道(23)使液体介质进入终端换热器的液体介质汇合，汇合的液体再一次进入低温端喷淋器(25)、均匀分布低温端换热器(14)上；其特征是，所述的终端热能用户是终端传热介质(26)从入口(21)进入终端换热器(17)、升温后从出口(22)流出；
6.根据权利要求5，所述的一种高温热泵真空锅炉制热装置，其特征是，所述的35℃～60℃的低温热传递是低温热传递给液体介质(13)，液体介质在锅炉低温端换热器(14)吸热蒸发变为气体，气体经低温端气体出口(20)、管道(15)、锅炉压缩机(16)、管道(15)进入终端换热器(17)，在终端换热器(17)放热变为液体，液体经终端换热器的出口(18)、管道(15)再一次进入低温端换热器的锅炉液体介质入口(19)进入低温端换热器(14)上方的喷淋器(25)，未蒸发的锅炉液体介质(13)经管道(23)、锅炉液体介质泵(24)及管道(23)使液体介质进入终端换热器的液体汇合，汇合后的液体再一次进入喷淋器(25)均匀分布低温端换热器(14)上，未蒸发的液体介质在锅炉内不断循环；
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