CN105004095B - 一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，包括跨临界压缩子系统以及将跨临界压缩子系统作为热源的热泵子系统，所述热泵子系统包括与跨临界压缩子系统能量耦合的第一类吸收式热泵子系统和第二类吸收式热泵子系统；本发明还公开了一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产方法；本发明通过跨临界循环和两级吸收式循环合理的能量耦合，改变传统压缩循环的热能输出，充分利用跨临界循环的冷凝热和极低品位热源，两级吸收式热泵输出可用的常规热源，提高热泵系统的整体性能，经过分析，相比于传统跨临界热泵循环，本发明的热泵系统可提高制热性能系数40％以上，经济性良好且整体结构简单。

Description

一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，特别涉及一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统。

背景技术

跨临界循环因其使用工质环保(多用自然工质CO₂)应用于热泵空调领域得到越来越广泛的关注；而它的排气温度高，在出口压力为10MPa时即可达110℃，温度滑移大，具有大量的冷凝余热可供回收利用，早在1999年，M.Saikawa和K.Hashimoto研发的CO₂热泵热水器就可提供90℃的热水；同时，跨临界热泵循环具有很高的性能系数，CO₂热泵热水器的COP可达4.5以上。

例如公告号CN 102003833B的专利文献公开了一种利用冷凝余热的跨临界二氧化碳热泵型空调热水器。它包括压缩机、冷媒水套管式换热器、储液器、节流阀、室内翅片管换热器、套管式回热器、气液分离器和保温水箱；所述冷媒水套管式换热器的内外管之间的空腔的工质入口接压缩机的高压口，工质出口排出的二氧化碳依次经回热器内外管之间的空腔、储液器、节流阀、室内翅片管换热器、回热器内管、气液分离器进入压缩机低压口，冷媒水套管式换热器的内管的两端均通过水管与保温水箱连接，在水管上设置有管道泵。本发明采用冷媒水套管式换热器回收热泵空调系统的冷凝废热，并利用回收的热量制备生活热水，不仅提高了能源利用率，而且减轻了空调对环境的热污染。

为了进一不提高跨临界循环废热的利用率，采用压缩式循环和吸收式循环复合能够有效提高系统整体COP，吸收式热泵循环分为两类，第一类吸收式热泵利用少量高温热源产生大量的中温有用热能，性能系数一般为1.5～2.5，然而可利用的高温热源品位较高，单级循环发生热高达80℃以上；第二类吸收式热泵利用大量中温热源产生少量的高温有用热能，性能系数一般为0.4～0.5，然而可利用的热源品位较低，单级循环发生热可至50℃以下，使得一些无用的低品位热源得到有效利用。

例如申请号为201210147756.X的中国专利文献公开了利用低品位热的跨临界/吸收复合制冷装置，这是一个闭式的跨临界压缩吸收复合系统，系统高压级充分地利用跨临界循环的高温冷凝热，低压级则有效利用无用的低品位热能，能大幅提高跨临界制冷效率，然而仅限于制冷功能。

又例如申请号为200910098013.6的中国专利文献公开了低品位能驱动与机械功驱动复合热泵或制冷系统，则利用了压缩循环排气中的高品位热量，具有低品位能热泵、制冷系统，在品位能供给充分时，系统COP大幅提高，然而利用热能品位较高，存在一定的局限性。

发明内容

本发明提供了一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，通过跨临界循环和两级吸收式循环合理的能量耦合，充分利用了跨临界循环的冷凝热，提高热泵系统整体性能。

一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，包括跨临界压缩子系统以及将跨临界压缩子系统作为热源的热泵子系统，所述跨临界压缩子系统包括：通过工质循环连接的压缩单元、气冷单元、节流单元以及蒸发单元，所述气冷单元沿工质的流动方向分为逐级放热冷凝的第一加热管、第二加热管以及气冷器，所述热泵子系统包括第一类吸收式热泵子系统和第二类吸收式热泵子系统；

所述第一类吸收式热泵子系统包括：

第一发生器，装有第一工作流体，所述第一加热管安装在第一发生器内用于加热第一工作流体；

冷凝器，进口与第一发生器的蒸汽出口连接，设有与来自第一发生器的蒸汽换热的第一热量输出部件；

第一节流装置，进口与冷凝器的出口连接；

第一冷凝蒸发器，包括换热的第一通道和第二通道，所述第一通道的进口与第一节流装置的出口连接，所述第一通道的出口与第一吸收器的蒸汽入口连接，所述第二通道通入来自第二类吸收式热泵子系统的蒸汽；

第一吸收器，装有第一工作流体；

第一溶液泵，进口与第一吸收器的溶液出口连接；

第一溶液换热器，包括换热的第三通道和第四通道，所述第三通道的入口与第一溶液泵的出口连接，所述第三通道的出口与第一发生器的溶液入口连接，所述第四通道的入口与第一发生器的溶液出口连接，所述第四通道的出口与第一吸收器的溶液入口连接；

第二节流装置，进口与所述第四通道的出口连接，出口与第一吸收器的溶液入口连接；

所述第二类吸收式热泵子系统包括：

第二发生器，装有第二工作流体，内设有用于加热第二工作流体的第三加热管，蒸汽出口与第一冷凝蒸发器的第二通道的进口连接；

第二溶液泵，进口与第一冷凝蒸发器的第二通道的出口连接；

第二冷凝蒸发器，包括与所述第二加热管换热的第五通道，所述第五通道的进口与第二溶液泵的出口连接；

第二吸收器，内设有与第二工作流体换热的第二热量输出部件，蒸汽入口与第五通道的出口连接；

第二溶液换热器，包括换热的第六通道和第七通道，所述第六通道的入口与第二吸收器的溶液出口连接；

第三节流装置，进口与所述第六通道的出口连接，出口与第二发生器的溶液入口连接；

第三溶液泵，进口与第二发生器的溶液出口连接，出口与第二溶液换热器的第七通道的入口连接，第七通道的出口与第二吸收器的溶液入口连接。

为了提高效率，所述跨临界压缩子系统还包括回热单元，将来自气冷器的制冷剂与经压缩单元压缩的制冷剂进行换热；各节流装置都可以采用节流阀；所述第一加热管和第二加热管一般采用盘管结构。

本发明利用跨临界压缩子系统的压缩单元做功之后形成的过热制冷剂蒸汽，过热制冷剂蒸汽先通过第一加热管在第一类吸收式热泵子系统的第一发生器内中放热冷凝降温，接着通过第二加热管在第二类吸收式热泵子系统的第二冷凝蒸发器中进一步放热降温，最后再经过气冷器进一步降温，所述第一加热管既加热第一类吸收式热泵子系统的第一发生器中溶液产生制冷剂蒸汽，又冷却压缩单元的高温排气；所述第二冷凝蒸发器中的第二加热管既作为第二类吸收式热泵子系统的蒸发器，又进一步冷却压缩单元的高温排气，所述第一加热管、第二加热管和气冷器共同作为跨临界压缩子系统的气冷单元。

上述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统的工作过程如下：

(1)所述跨临界压缩子系统循环工作，所述第一加热管、第二加热管和气冷器制热；

(2)所述第一类吸收式热泵子系统内，第一加热管加热第一发生器内的第一工作流体，产生高温高压的制冷剂水蒸汽，高温高压的制冷剂水蒸汽进入冷凝器经过热交换降温成高压液态水，所述冷凝器作为热源输出；

所述高压液态水经第一节流装置降压成为低温低压液态水，通入第一冷凝蒸发器，与来自第二类吸收式热泵子系统的蒸汽换热蒸发成为低温低压制冷剂水蒸汽，最后被第一吸收器吸收；

同时第一发生器中高温高压的第一工作流体经第一溶液换热器的第四通道与第三通道中来自第一吸收器低温低压的第一工作流体换热后经第二节流装置冷却降压进入第一吸收器，第三通道中的第一工作流体换热后通过第一溶液泵回到第一发生器；

(3)所述第二类吸收式热泵子系统内，所述第三加热管加热第二发生器内的第二工作流体，产生低温低压的制冷剂水蒸汽，低温低压的制冷剂水蒸汽进入第一冷凝蒸发器被来自第一类吸收式热泵子系统的低温制冷剂水冷却降温，后经第二溶液泵增压成为低温高压液态水；

低温高压液态水在第二冷凝蒸发器中受到第二加热管的加热后成为制冷剂水蒸气进入第二吸收器被吸收；

同时第二发生器中低温低压的第二工作流体通过第三溶液泵增压经过第二溶液换热器的第七通道与第六通道中来自第二吸收器的高温高压的第二工作流体换热后进入第二吸收器，第六通道中的第二工作流体经第三节流装置冷却降压后回到第二发生器，所述第二吸收器内的第二工作流体作为热源输出。

本发明装置可以充分利用了跨临界循环的冷凝热，提高本发明的热泵系统整体性能。

为了减少能耗，优选的，所述第三加热管连接低品位热源。利用跨临界压缩子系统循环和低品位热源向两级吸收式热泵提供发生热，充分利用无用的低品位热源的能量，同时在两级吸收式热泵的冷凝器和第二吸收器进行热量输出，热能被充分利用，能源利用率高，具有良好的经济效益。

低品位热源是指相对于天然气、石油等燃烧产生的高品位热源而言的，是相同单位内包含能量较低，一般无法直接利用的排出热量；热源温度越低，利用难度越大，将其中低于约50℃的热源称为低品位热源。

优选的，所述低品位热源提供的发生温度为32～45℃，有望进一步利用跨临界排热的较低温位部分，可减少外界输入的低品位热源。

进一步优选的，所述低品位热源提供的发生温度为35～40℃，可以进一步利用跨临界排热的较低温位部分，减少甚至无需外界热源输入且发生器放气范围合理，提高热泵系统的效率。

优选的，所述低品位热源为所述的气冷器。完全利用跨临界排热向两级吸收式热泵供热，提供的发生温度为32～35℃。

优选的，所述气冷器和冷凝器的冷却介质采用水或空气。水和空气易于获取，且具有良好的冷却效果，且加热后还可以投入生活使用。

第一类和第二类吸收式热泵子系统所用工作流体为制冷剂和吸收剂的组合，优选的，所述第一工作流体为溴化锂水溶液或者氨水。

优选的，所述第二工作流体为溴化锂水溶液或者氨水。

工作流体为溴化锂水溶液时，其中溴化锂作为吸收剂，水作为制冷剂。

工作流体为氨水时，其中水作为吸收剂，氨作为制冷剂。

目前，大气层中的臭氧层遭到严重破坏，且温室效应日益严重，因此本发明中的跨临界循环采用自然工质二氧化碳或一氧化二氮。

CO₂，作为一种安全可靠的天然工质，近些年己引起广泛关注，在跨临界循环中的应用也发展迅速；N₂O作为另一种天然工质，其物理性质与CO₂相似，二者的分子量、临界温度、临界压力接近，N₂O的三相点温度为-90.82℃，远低于CO₂的-55.58℃，可以应用于更低温领域。优选的，所述跨临界压缩子系统的工质为二氧化碳或者一氧化二氮。

本发明的有益效果：

本发明的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统是一种新型的压缩/两级吸收热泵复合系统，通过跨临界循环和两级吸收式循环合理的能量耦合，改变传统压缩循环的热能输出，充分利用跨临界循环的冷凝热，同时还可以利用极低品位热源，两级吸收式热泵输出可用的常规热源，提高热泵系统的整体性能，经过分析，相比于传统跨临界热泵循环，本发明的热泵可提高制热性能系数40％以上，经济性良好且整体结构简单。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为压缩机、2为第一加热盘管、3为第二冷凝蒸发器、4为气冷器、5为回热器、6为第四节流阀、7为蒸发器、8为第二吸收器、9为第二溶液换热器、10为第三节流阀、11为第二发生器、12为第三溶液泵、13为第一冷凝蒸发器、14为第二溶液泵、15为第一吸收器、16为第一溶液泵、17为第一溶液换热器、18为第一发生器、19为第二节流阀、20为冷凝器、21为第一节流阀、22为第二加热盘管。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统包括：跨临界压缩子系统、第一类吸收式热泵子系统和第二类吸收式热泵子系统；

其中第一类吸收式热泵子系统包括：

第一发生器18、冷凝器20、第一节流阀21、第一冷凝蒸发器13、第一吸收器15、第一溶液泵16、第一溶液换热器17和第二节流阀19；第一发生器18的蒸汽出口与冷凝器20进口相连，冷凝器20出口与第一节流阀21进口相连，第一节流阀21出口与第一冷凝蒸发器13第一通道进口相连，第一冷凝蒸发器13第一通道出口与第一吸收器15蒸汽入口相连；第一吸收器15溶液出口第一溶液泵16进口相连，第一溶液泵16出口与第一溶液换热器17第三通道入口相连，第一溶液换热器17第三通道出口与第一发生器18溶液入口相连；第一发生器18溶液出口与第一溶液换热器17第四通道入口相连，第一溶液换热器17第四通道出口与第二节流阀19进口相连，第二节流阀19出口与吸收器溶液入口相连。

其中第二类吸收式热泵子系统包括：

第二发生器11、第二溶液泵14、第二冷凝蒸发器3、第二吸收器8，第二溶液换热器9、第三节流阀10和第三溶液泵12；第二发生器11蒸汽出口与第一冷凝蒸发器13第二通道进口相连，第一冷凝蒸发器13第二通道出口与第二溶液泵14进口相连，第二溶液泵14出口与第二冷凝蒸发器3第五通道进口相连，第二冷凝蒸发器3第五通道出口与第二吸收器8蒸汽入口相连；第二吸收器8溶液出口与第二溶液换热器9第六通道入口相连，第二溶液换热器9第六通道出口与第三节流阀10进口相连，第三节流阀10出口与第二发生器11溶液入口相连；第二发生器11溶液出口与第三溶液泵12进口相连，第三溶液泵12出口与第二溶液换热器9第七通道入口相连，第二溶液换热器9第七通道出口与第二吸收器8溶液入口相连。

其中跨临界压缩子系统包括：

压缩机1，接入第一发生器18供热的第一加热盘管2，安装在第二冷凝蒸发器3内进行换热的第二加热盘管22，气冷器4，回热器5，第四节流阀6和蒸发器7；压缩机1蒸汽出口与第一加热盘管2进口相连，第一加热盘管2出口与第二冷凝蒸发器3的第二加热盘管22入口相连，第二加热盘管22的出口与气冷器4入口相连，气冷器4出口与回热器5第一通道入口相连，回热器5第一通道出口与第四节流阀6进口相连，第四节流阀6出口与蒸发器7进口相连，蒸发器7出口与回热器5第二通道入口相连，回热器5第二通道出口与压缩机1进口相连。

第一类/第二类吸收式热泵子系统的工作流体采用溴化锂水溶液，跨临界压缩子系统的工质采用二氧化碳。

本实施例进行联产的临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统工作流程如下：

(1)跨临界压缩子系统中，二氧化碳经过压缩机1做功之后形成过热二氧化碳制冷剂蒸汽，先在第一发生器18内部设置的第一加热盘管2中放热冷凝降温，接着在第二冷凝蒸发器13的第二加热盘管22中进一步降温，再经过气冷器4进一步冷却成为二氧化碳液体，接着通过回热器5第一通道与第二通道中的二氧化碳制冷剂蒸汽交换热量，然后经第四节流阀6进入蒸发器7中吸热蒸发，加热源为外界空气或水，蒸发后的二氧化碳制冷剂蒸汽经回热器5第二通道交换热量后，回到压缩机1，开始新的循环。

(2)第一类吸收式热泵子系统内第一发生器18中溴化锂水溶液经第一加热盘管2加热产生高温高压的制冷剂水蒸汽，进入冷凝器20降温成为高压液态水，冷凝器20作为热源可向外输出热量，后经第一节流阀21降压成为低温低压液态水；

低温低压液态水在第一冷凝蒸发器13第一通道中与来自第二通道内的第二类吸收式热泵子系统的水蒸气加热蒸发成为低温低压制冷剂水蒸气，后进入第一吸收器15被吸收。

同时第一发生器18中高温高压的溴化锂水浓溶液经第一溶液换热器17第四通道与第三通道中来自第一吸收器低温低压的稀溴化锂水溶液换热后经第二节流阀19冷却降压进入第一吸收器15，第一通道中的稀溴化锂水溶液则回到第一发生器18。

(3)第二类吸收式热泵子系统内第二发生器11中溴化锂水溶液经极低品位热源加热产生低温低压的制冷剂水蒸汽，进入第一冷凝蒸发器13第二通道被来自第一通道内的第一类吸收式热泵子系统的低温制冷剂水冷却降温，后经第二溶液泵14增压成为低温高压液态水。

低温高压液态水在第二冷凝蒸发器3中通过第二加热盘管22受到来自跨临界压缩子系统压缩机1高温二氧化碳气体的加热后成为较高温度和压力的制冷剂水蒸气进入第二吸收器8被吸收；

同时第二发生器11中低温低压的溴化锂水浓溶液经第三溶液泵12增压经过第二溶液换热器9第七通道与第六通道中来自第二吸收器8高温高压的稀溴化锂水溶液换热后进入第二吸收器8，第六通道中的稀溶液经第三节流阀10冷却降压后回到第二发生器11，在第二吸收器11处的溴化锂水溶液作为热源可向外输出热量。

本实施例可以充分利用跨临界循环的冷凝热，同时还可以充分利用极低品位热源，两级吸收式热泵输出可用的常规热源，提高热泵系统的整体性能，为了进一步说明本发明的跨临界循环与两级吸收式热泵循环联产系统的优点，在以下工况进行测试：

跨临界压缩子系统的压缩机1排气压力为10MPa，蒸发器7的加热介质采用外界空气或水，蒸发温度为20℃，需要制备温度为50℃的热量输出时：

如果采用普通CO₂跨临界热泵制热性能系数为3.26；

而采用本实施例的热泵联产系统，其中跨临界压缩子系统的第一加热盘管2提供给第一类吸收式热泵发生热的温度为80℃，吸收温度30℃(采用外界空气或水冷却)，冷凝器20的冷凝温度50℃作为热源输出；第一冷凝蒸发器13还设有冷却通道，冷却温度为20℃(采用外界空气或水冷却)，第二类吸收式热泵发生器采取不可用的极低品位热源加热，发生温度40℃，第二吸收器8内溶液温度50℃作为另一热源输出，第二冷凝蒸发器3温度为40℃，则在此工况下根据合理的能量耦合所得的制热性能系数达到4.59，相比于现有技术性能提升40.8％，可见本实施例的热泵联产系统具有很好的经济性。

Claims (9)

1.一种跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，包括跨临界压缩子系统以及将跨临界压缩子系统作为热源的热泵子系统，所述跨临界压缩子系统包括：通过工质循环连接的压缩单元、气冷单元、节流单元以及蒸发单元，其特征在于，所述气冷单元沿工质的流动方向分为逐级放热冷凝的第一加热管、第二加热管以及气冷器，所述热泵子系统包括第一类吸收式热泵子系统和第二类吸收式热泵子系统；

所述第一类吸收式热泵子系统包括：

第一发生器，装有第一工作流体，所述第一加热管安装在第一发生器内用于加热第一工作流体；

冷凝器，进口与第一发生器的蒸汽出口连接，设有与来自第一发生器的蒸汽换热的第一热量输出部件；

第一节流装置，进口与冷凝器的出口连接；

第一冷凝蒸发器，包括换热的第一通道和第二通道，所述第一通道的进口与第一节流装置的出口连接，所述第一通道的出口与第一吸收器的蒸汽入口连接，所述第二通道通入来自第二类吸收式热泵子系统的蒸汽；

第一吸收器，装有第一工作流体；

第一溶液泵，进口与第一吸收器的溶液出口连接；

第一溶液换热器，包括换热的第三通道和第四通道，所述第三通道的入口与第一溶液泵的出口连接，所述第三通道的出口与第一发生器的溶液入口连接，所述第四通道的入口与第一发生器的溶液出口连接，所述第四通道的出口与第一吸收器的溶液入口连接；

第二节流装置，进口与所述第四通道的出口连接，出口与第一吸收器的溶液入口连接；

所述第二类吸收式热泵子系统包括：

第二发生器，装有第二工作流体，内设有用于加热第二工作流体的第三加热管，蒸汽出口与第一冷凝蒸发器的第二通道的进口连接；

第二溶液泵，进口与第一冷凝蒸发器的第二通道的出口连接；

第二冷凝蒸发器，包括与所述第二加热管换热的第五通道，所述第五通道的进口与第二溶液泵的出口连接；

第二吸收器，内设有与第二工作流体换热的第二热量输出部件，蒸汽入口与第五通道的出口连接；

第二溶液换热器，包括换热的第六通道和第七通道，所述第六通道的入口与第二吸收器的溶液出口连接；

第三节流装置，进口与所述第六通道的出口连接，出口与第二发生器的溶液入口连接；

第三溶液泵，进口与第二发生器的溶液出口连接，出口与第二溶液换热器的第七通道的入口连接，第七通道的出口与第二吸收器的溶液入口连接。

2.如权利要求1所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述第三加热管连接低品位热源。

3.如权利要求2所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述低品位热源提供的发生温度为32～45℃。

4.如权利要求3所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述低品位热源提供的发生温度为35～40℃。

5.如权利要求1～4任一权利要求所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述气冷器和冷凝器的冷却介质采用水或空气。

6.如权利要求1～4任一权利要求所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述第一工作流体为溴化锂水溶液或者氨水。

7.如权利要求1～4任一权利要求所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述第二工作流体为溴化锂水溶液或者氨水。

8.如权利要求1～4任一权利要求所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述跨临界压缩子系统的工质为二氧化碳或者一氧化二氮。

9.如权利要求2或3所述的跨临界循环与两级吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述低品位热源为所述的气冷器。