CN104567093A - 蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及节能领域，特别是一种蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法及装置。该装置包括小汽轮机、压缩式热泵和吸收式热泵，其结构特点是：压缩式热泵和吸收式热泵为并联结构，小汽轮机分别与压缩式热泵的压缩机和吸收式热泵相连，吸收式热泵设有第一低温水入口、第一冷却的低温水出口、第一高温水入口和第一加热的高温水出口，压缩式热泵设有第二低温水入口、第二冷却的低温水出口、第二高温水入口和第二加热的高温水出口。本发明利用驱动蒸汽由汽相变为液相过程中释放的冷凝热来依次驱动小汽轮机和吸收式热泵；又将压缩式热泵和吸收式热泵并联，同时进行热交换，具有更高的整体能效比。

Description

蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法及装置

技术领域

本发明涉及节能领域，特别是一种蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法及装置。

背景技术

工业企业在生产过程中往往存在大量低温冷却水或低压乏汽余热，如火力发电厂汽轮机凝汽器冷却循环水或汽轮机低压缸排汽，实践证明，蒸汽驱动型热泵是回收这些余热的有效装置。目前，蒸汽驱动型热泵主要有吸收式和压缩式两种，吸收式热泵是目前余热回收的主要技术方式，吸收式热泵主要由蒸发器(开式吸收式热泵无蒸发器)、吸收器、发生器、冷凝器组成，COP(能效比)一般为1.7左右；压缩式热泵系统主要由小汽轮机、压缩机、蒸发器、冷凝器、排汽换热器组成，压缩机COP可达到4.5左右，若将排汽换热器的换热量作为压缩式热泵系统中的一部分，则压缩式热泵系统的COP为1.5左右。

现有技术中，大多为单独使用吸收式热泵或压缩式热泵及其他辅助设备达到余热回收目的的，也有将吸收式热泵的吸收器、冷凝器和压缩式热泵的冷凝器串联，吸收式热泵的蒸发器和压缩式热泵的蒸发器串联使用，通过多次热交换以提高系统整体COP的。

虽然后一种方式确实能够在一定程度上提高热交换的“量”，但是在提高整体COP上却存在着严重缺陷：在使用同样热泵前提下，COP主要与驱动蒸汽参数、高温水参数、余热水参数相关，理论上，驱动蒸汽压力越小，余热水的温度越高、高温水的温度越低，其COP就越大，但是当驱动蒸汽压力一定时，在进行第一次热交换后，低温水温度降低，高温水温度提高，低温水能放出的热量急剧减小，再进行第二次、第三次甚至更多次的热交换时，除第一次外其单独每次的热交换率是相当低的，因此，进行多次的热交换在投入与产出比上是不经济的，甚至多次的热交换反而会降低整体的COP，而且若低温水温度过低，或高温水温度过高，这种方式基本是实现不了的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一，是提供一种能量梯级利用、具有高能效比的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法，包括以下步骤，

步骤1：驱动蒸汽通过小汽轮机，完成第一阶段做功，小汽轮机拖动压缩式热泵的压缩机；

步骤2：驱动蒸汽从小汽轮机中出来后全部进入吸收式热泵发生器内，完成第二阶段做功，驱动吸收式热泵进行余热回收；

步骤3：低温水分成两路，分别进入吸收式热泵和压缩式热泵，作为热源，进行热交换；

步骤4：高温水分成两路，分别进入吸收式热泵与压缩式热泵，进行热交换，吸收低温水和驱动蒸汽提供的热量；

步骤1、步骤2、步骤3和步骤4同时进行；或者步骤3和步骤4先同时进行，再依次进行步骤1和步骤2，然后4步骤同时进行。

首先，本发明遵循“能量梯级利用”原则，驱动蒸汽对小汽轮机完成第一阶段做功后，全部进入吸收式热泵，进行第二阶段做功，因此蒸汽驱动型压缩式热泵与吸收式热泵结合之后整体的COP较单独蒸汽驱动型压缩式热泵更高。其次，本发明将低温水和高温水各分为两路，分别在吸收式热泵和压缩式热泵中进行热交换，一方面使得热交换更加充分，另一方面在驱动力一定的情况下，较之单独一个热泵或者两个串联的热泵而言，整个过程的能效比更高。

作为优选，步骤2中，当驱动蒸汽压力偏低时，驱动蒸汽先进行加压，再进入吸收式热泵，其优点在于，弥补了驱动蒸汽初始压力不足或由于第一阶段做功而导致的压力不足的缺陷，同时保证了整个余热回收过程的稳定性和高效率。

作为优选，步骤3中，两路低温水分别进入吸收式热泵蒸发器和压缩式热泵蒸发器，作为热源，进行热交换，其优点在于，保证了吸收式热泵蒸发器和压缩式热泵蒸发器都运行在高效区，从而提高了整个过程的能效比。

作为优选，步骤4中，两路高温水，一路依次通过吸收式热泵吸收器、吸收式热泵发生器和吸收式热泵冷凝器，另一路通过压缩式热泵冷凝器，两路水流分别进行热交换，其优点在于，保证了吸收式热泵的吸收器、冷凝器和压缩式热泵的冷凝器都运行在高效区，从而提高了整个过程的能效比。

本发明所要解决的技术问题之二，是提供一种能量梯级利用、具有高能效比的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，包括小汽轮机、压缩式热泵和吸收式热泵，压缩式热泵和吸收式热泵为并联结构，小汽轮机分别与压缩式热泵的压缩机和吸收式热泵相连，吸收式热泵设有第一低温水入口、第一冷却的低温水出口、第一高温水入口和第一加热的高温水出口，压缩式热泵设有第二低温水入口、第二冷却的低温水出口、第二高温水入口和第二加热的高温水出口。

本发明将压缩式热泵系统中的排汽换热器替换为吸收式热泵，利用驱动蒸汽由汽相变为液相过程中释放的冷凝热来依次驱动小汽轮机和吸收式热泵；又将压缩式热泵和吸收式热泵并联，同时进行热交换，无论是较之单独一个热泵的系统还是串联两个热泵的系统而言，均具有更高的整体能效比。

作为优选，吸收式热泵包括吸收式热泵发生器、吸收式热泵吸收器、吸收式热泵蒸发器和吸收式热泵冷凝器，小汽轮机与吸收式热泵发生器连接，吸收式热泵吸收器与第一高温水入口连接，吸收式热泵吸收器与吸收式热泵发生器连接，吸收式热泵发生器与吸收式热泵冷凝器连接，吸收式热泵冷凝器连接第一加热的高温水出口。其优点在于，小汽轮机排汽进入吸收式热泵发生器用于驱动吸收式热泵工作，使得驱动蒸汽的能量被充分利用，提高整体能效比。

作为优选，压缩式热泵包括压缩机、压缩式热泵蒸发器和压缩式热泵冷凝器，压缩式热泵冷凝器分别与第二高温水入口和第二加热的高温水出口连接。其优点在于，一方面，压缩式热泵的结构简化，小汽轮机直接拖动压缩机实现对压缩式热泵的驱动，降低了成本和能耗；另一方面，在压缩式热泵内可以完成一个独立的低温水和高温水热交换的过程。

作为优选，小汽轮机与吸收式热泵发生器之间还设有压力匹配器，其优点在于，弥补了驱动蒸汽初始压力不足或者由于第一阶段做功而导致的驱动蒸汽压力不足的缺陷，同时保证了整个余热回收过程的稳定性和高效率。

作为优选，吸收式热泵蒸发器连接第一低温水入口和第一冷却的低温水出口。

作为优选，压缩式热泵蒸发器连接第二低温水入口和第二冷却的低温水出口。

本发明所述的低温水为低温水或低压水蒸汽。

本发明题目中所述的“串联式”指驱动蒸汽依次对压缩式热泵和吸收式热泵进行驱动，即从蒸汽驱动的层面上的串联；而本发明所述的“并联结构”是指在热交换过程中低温水和高温水各分为两路，分别在吸收式热泵和压缩式热泵中同时进行热交换，即从热交换的层面上的“并联”。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、一方面，由于本发明采用蒸汽驱动型的吸收式热泵和压缩式热泵，具有绿色、环保的优点；另一方面，由于利用“能量梯级利用”原则，将驱动蒸汽依次作为压缩式热泵和吸收式热泵的驱动能源，充分利用了驱动蒸汽由汽相变为液相所释放的能量，从而提高了本发明的整体能效比。

2、由于考虑压缩式热泵和吸收式热泵单体的制热能效，将两者进行并联，使得高温水和低温水各分为两路分别进入压缩式热泵和吸收式热泵，提高了热交换效率，在能耗一定的情况下，提高了整体能效比。

3、由于驱动蒸汽的参数具有一定的不稳定性，因此设置压力匹配器，当驱动蒸汽完成第一阶段做功后，对其进行加压，从而保证对吸收式热泵的驱动力，保证余热回收过程的稳定性和高效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例1的结构示意图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

图4为本发明实施例3的结构示意图。

标号说明：

1、小汽轮机                  2、压缩机

3、吸收式热泵                31、吸收式热泵蒸发器

32、吸收式热泵冷凝器         33、吸收式热泵发生器

34、吸收式热泵吸收器         4、压缩式热泵

41、压缩式热泵蒸发器         42、压缩式热泵冷凝器

5、压力匹配器                6、汽轮机

7、凝汽器                    101、驱动蒸汽入口

111、第一低温水入口          112、第二低温水入口

121、第一冷却的低温水出口    122、第二冷却的低温水出口

211、第一高温水入口          212、第二高温水入口

221、第一加热的高温水出口    222、第二加热的高温水出口

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法，包括以下步骤：

步骤1：驱动蒸汽通过小汽轮机1拖动压缩式热泵4的压缩机2，完成第一阶段做功。

步骤2：驱动蒸汽从小汽轮机1中出来后全部进入吸收式热泵发生器33内，完成第二阶段做功，驱动吸收式热泵3进行余热回收。所述的“全部进入”，即没有将驱动蒸汽分为两路或者更多，目的在于更高效地利用驱动蒸汽释放的能量，提高整个方法的能效比。

步骤3：低温水分成两路，分别进入吸收式热泵蒸发器31和压缩式热泵蒸发器41，作为热源，进行热交换。

步骤4：高温水分成两路，一路依次通过吸收式热泵吸收器34、吸收式热泵发生器33和吸收式热泵冷凝器32，另一路通过压缩式热泵冷凝器42，两路水流分别进行热交换，吸收低温水和驱动蒸汽提供的热量。

步骤1、步骤2、步骤3和步骤4同时进行；或者步骤3和步骤4先同时进行，再依次进行步骤1和步骤2，然后4步骤同时进行。

蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，如图1至2所示，由小汽轮机1、压缩式热泵4和吸收式热泵3组成，小汽轮机1与压缩式热泵4连接，小汽轮机1与吸收式热泵3通过输送驱动蒸汽的管道连接。

吸收式热泵3包括吸收式热泵发生器33、吸收式热泵吸收器34、吸收式热泵蒸发器31和吸收式热泵冷凝器32。小汽轮机1与吸收式热泵发生器33连接，吸收式热泵吸收器34连接有第一高温水入口211，吸收式热泵吸收器34通过吸收式热泵发生器33与吸收式热泵冷凝器32连接，吸收式热泵冷凝器32连接第一加热的高温水出口221，吸收式热泵蒸发器31连接第一低温水入口111和第一冷却的低温水出口121。因此，高温水可以吸收驱动蒸汽和低温水释放的热量。

压缩式热泵4包括压缩机2、压缩式热泵蒸发器41和压缩式热泵冷凝器42，压缩式热泵冷凝器42分别与第二高温水入口212和第二加热的高温水出口222连接。压缩式热泵蒸发器41连接第二低温水入口112和第二冷却的低温水出口122。压缩机2分别与压缩式热泵蒸发器41和压缩式热泵冷凝器42连接。

本实施例的工作流程如下：

驱动蒸汽从驱动蒸汽入口101进入，首先通过小汽轮机1，完成第一阶段做功，小汽轮机1拖动压缩机2工作，从而驱动压缩式热泵4进行余热回收；小汽轮机1将完成第一阶段做功的驱动蒸汽全部排入吸收式热泵3，完成第二阶段做功，该驱动蒸汽驱动吸收式热泵3进行余热回收。也就是说，驱动蒸汽依次对压缩式热泵4和吸收式热泵3进行驱动，形成一个串联式的驱动结构，具有提高能效比的效果。

低温水分为两路，一路通过第一低温水入口111进入吸收式热泵蒸发器31，进行放热后，通过第一冷却的低温水出口121离开。另一路通过第二低温水入口112进入压缩式热泵蒸发器41，放热降温后通过第二冷却的低温水出口122离开。

高温水也分为两路，一路通过第一高温水入口211进入吸收式热泵吸收器34，吸收热量，接着经过吸收式热泵发生器33，吸收热量，然后进入吸收式热泵冷凝器32，再次吸收热量，最后通过第一加热的高温水出口221离开。另一路通过第二高温水入口212进入压缩式热泵冷凝器42，吸收热量并升温后通过第二加热的高温水出口222离开。最后两路加热的高温水汇合后离开本装置。

至此，一个余热回收的过程结束，实际应用中，通常将此过程作为一个循环单元，不断重复进行连续的余热回收。

驱动蒸汽为电厂汽轮机抽汽、其他工业抽汽或锅炉蒸汽。低温水为电厂汽轮机凝汽器冷却循环水、其他工业冷却水、江河湖水、地下水或海水；低压水蒸汽为电厂汽轮机乏汽或其他工业乏汽。吸收式热泵3中的工作流体是溴化锂或氨水溶液；压缩式热泵4中的工作流体是氟里昂、烃类等环保型工质。

实施例2：

在本实施例中，由于驱动蒸汽需要进行两次驱动做功，但是驱动蒸汽的压力有可能会因为种种原因而达不到要求，因此在驱动蒸汽从小汽轮机1中出来后，需要先对其进行加压，再将其注入到吸收式热泵3内，即吸收式热泵发生器33内，从而满足吸收式热泵3对驱动力的需要。从而弥补了驱动蒸汽初始压力不足或由于第一阶段做功而导致的压力不足的缺陷，同时保证了整个余热回收过程的稳定性和高效率。

在装置上，如图3所示，本实施例采用在小汽轮机1和吸收式热泵发生器33之间设置压力匹配器5，压力匹配器5的高压汽源为驱动蒸汽或其他高压蒸汽。

本实施例中未说明的技术特征，参照实施例1。

实施例3：

本实施例为将本发明应用于电厂循环水余热回收，采用凝汽器7将低温水和冷却的低温水联系起来，形成一个低温水循环。即在本实施例中，低温水为电厂汽轮机6凝汽器7冷却循环水，如图4所示。

本实施例的工作流程如下：

汽轮机6产生的驱动蒸汽分成两路，一路排入凝汽器7，冷凝放热；另一路进入小汽轮机1。驱动蒸汽首先进入小汽轮机1拖动压缩机2工作，完成第一阶段做功，驱动压缩式热泵4进行余热回收；小汽轮机1将完成第一阶段做功的驱动蒸汽分为两路，一路排入吸收式热泵3，完成第二阶段做功，该驱动蒸汽驱动吸收式热泵3进行余热回收。

高温水分为两路，一路依次进入吸收式热泵吸收器34、吸收式热泵发生器33和吸收式热泵冷凝器32，吸热升温后离开。另一路进入压缩式热泵冷凝器42，吸热升温后离开。最后两路加热的高温水汇合后离开本装置。

低温水分为两路，一路进入吸收式热泵蒸发器31，放热降温；另一路进入压缩式热泵蒸发器41，放热降温。最后两路冷却的低温水汇合后进入凝汽器7，在凝汽器7中吸收汽轮机6产生的驱动蒸汽放出的热量，升温后分为两路分别进入吸收式热泵蒸发器31和压缩式热泵蒸发器41。从而形成一个低温水的循环利用过程。

本实施例中未说明的技术特征，参照实施例1和实施例2。

经测试，本发明中小汽机1拖动压缩机2的能效比在4.5左右，小汽机的排汽进入吸收式热泵继续回收余热，两者联合起来的能效比会提高到5.3以上，需要说明的是，由于能效比主要与驱动蒸汽参数、高温水参数、余热水参数相关，当各个参数情况较好时，理论上上述的能效比可以达到更高。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点及效果：

1、一方面，由于本发明采用蒸汽驱动型的吸收式热泵3和压缩式热泵4，具有绿色、环保的优点；另一方面，由于利用“能量梯级利用”原则，将驱动蒸汽依次作为压缩式热泵4和吸收式热泵3的驱动能源，充分利用了驱动蒸汽由汽相变为液相所释放的能量，从而提高了本发明的整体能效比。

2、由于考虑压缩式热泵4和吸收式热泵3单体的制热能效，将两者进行并联，使得高温水和低温水都分两路分别进入压缩式热泵4和吸收式热泵3，提高了热交换效率，在能耗一定的情况下，提高了整体能效比。

3、由于驱动蒸汽的参数具有一定的不稳定性，因此设置压力匹配器5，当驱动蒸汽完成第一阶段做功后，对其进行加压，从而保证对吸收式热泵3的驱动力，保证余热回收过程的稳定性和高效率。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法，其特征是：包括以下步骤，

步骤1：驱动蒸汽通过小汽轮机(1)，完成第一阶段做功，小汽轮机(1)拖动压缩式热泵(4)的压缩机(2)；

步骤2：所述驱动蒸汽从小汽轮机(1)中出来后全部进入吸收式热泵发生器(33)内，完成第二阶段做功，驱动吸收式热泵(3)进行余热回收；

步骤3：低温水分成两路，分别进入所述吸收式热泵(3)和压缩式热泵(4)，作为热源，进行热交换；

步骤4：高温水分成两路，分别进入所述吸收式热泵(3)与压缩式热泵(4)，进行热交换，吸收所述低温水和驱动蒸汽提供的热量；

所述的步骤1、步骤2、步骤3和步骤4同时进行；或者所述的步骤3和步骤4先同时进行，再依次进行所述的步骤1和步骤2，然后所述的4步骤同时进行。

2.根据权利要求1所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法，其特征是：所述的步骤2中，当所述的驱动蒸汽压力偏低时，所述的驱动蒸汽先进行加压，再进入所述的吸收式热泵(3)。

3.根据权利要求1所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法，其特征是：所述的步骤3中，所述的两路低温水分别进入所述吸收式热泵蒸发器(31)和压缩式热泵蒸发器(41)，作为热源，进行热交换。

4.根据权利要求1所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收方法，其特征是：所述的步骤4中，所述的两路高温水，一路依次通过所述的吸收式热泵吸收器(34)、吸收式热泵发生器(33)和吸收式热泵冷凝器(32)，另一路通过所述的压缩式热泵冷凝器(42)，所述的两路水流分别进行热交换。

5.用于实现权利要求1至4任一项所述方法的一种蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，包括小汽轮机(1)、压缩式热泵(4)和吸收式热泵(3)，其特征是：所述的压缩式热泵(4)和吸收式热泵(3)为并联结构，所述的小汽轮机(1)分别与所述的压缩式热泵(4)的压缩机(2)和所述吸收式热泵(3)相连，所述的吸收式热泵(3)设有第一低温水入口(111)、第一冷却的低温水出口(121)、第一高温水入口(211)和第一加热的高温水出口(221)，所述的压缩式热泵(4)设有第二低温水入口(112)、第二冷却的低温水出口(122)、第二高温水入口(212)和第二加热的高温水出口(222)。

6.根据权利要求5所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，其特征是：所述的吸收式热泵(3)包括吸收式热泵发生器(33)、吸收式热泵吸收器(34)、吸收式热泵蒸发器(31)和吸收式热泵冷凝器(32)，所述的小汽轮机(1)与所述吸收式热泵发生器(33)连接，所述的吸收式热泵吸收器(34)与所述第一高温水入口(211)连接，所述的吸收式热泵吸收器(34)与所述的吸收式热泵发生器(33)连接，所述的吸收式热泵发生器(33)与所述的吸收式热泵冷凝器(32)连接，所述的吸收式热泵冷凝器(32)连接所述第一加热的高温水出口(221)。

7.根据权利要求5所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，其特征是：所述的压缩式热泵(4)包括压缩机(2)、压缩式热泵蒸发器(41)和压缩式热泵冷凝器(42)，所述的压缩式热泵冷凝器(42)分别与所述第二高温水入口(212)和第二加热的高温水出口(222)连接。

8.根据权利要求6所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，其特征是：所述的吸收式热泵蒸发器(31)连接所述第一低温水入口(111)和第一冷却的低温水出口(121)。

9.根据权利要求7所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，其特征是：所述的压缩式热泵蒸发器(41)连接所述第二低温水入口(112)和第二冷却的低温水出口(122)。

10.根据权利要求6所述的蒸汽驱动型串联式热泵余热回收装置，其特征是：所述的小汽轮机(1)与所述的吸收式热泵发生器(33)之间还设有压力匹配器(5)。