CN105042931A - 一种跨临界循环与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吸收式热泵联产的复合热泵系统，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：发生器、冷凝器、第一溶液泵、冷凝蒸发器、吸收器、溶液换热器、节流装置和第二溶液泵；本发明通过合理的能量耦合，使热泵系统的发生热全部来自于跨临界压缩子系统的冷凝热，仅需少量的电能输入即可在吸收器处制取100℃以上的高温热源，且具有多种能量联产的功能，利用电能制冷热都具有较高的性能系数，整体装置结构简单、制造成本，具有良好的经济性。

Description

一种跨临界循环与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，涉及一种跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统。

背景技术

第二类吸收式热泵，即热变换器，是一种能够回收中低温废热，从而获得高温有用热能的装置。第二类吸收式热泵的驱动热源多是工业生产中排放的60～100℃的废热，当冷却水温度在10～40℃时，输出热水或蒸汽的温度约为100～150℃，虽然性能系数较低(约0.4～0.5)，但因其不需要有高温的热量输入，有着显著的节能效果，有着广阔的应用前景。

随着节能减排的深入人心，利用自然工质的跨临界循环得到了广泛的关注。跨临界循环具有排气温度高、温度滑移大的特点，具有大量冷凝热可供回收利用，早在2001年，corona公司和Dens公司联合开发的第一个CO₂热泵热水器就可以在较高能效比下提供65℃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CN102003833B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，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，上述装置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。

为了进一部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，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，能充分地利用跨临界循环的高温冷凝热，且大幅提高跨临界制冷效率，然而仅限于制冷功能。

又要例如申请号为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，利用了压缩循环排气中的高品位热量与太阳能，具有低品位能热泵、制冷系统的一系列优点，在品味能供给充分时，系统COP进一步提高，然而仅限于常规热泵的功能，无法提供高温热源。

发明内容

本发明提供了一种跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统，能够同时具备生产高温热源、常规热源以及制冷的功能，能够利用单套装置在冷热量需求复杂地区尽可能地满足不同的需求。

一种跨临界循环与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，所述热泵子系统为第二类吸收式热泵子系统；

所述第二类吸收式热泵子系统包括：

发生器，装有工作流体，所述第二加热管安装在发生器内用于加热工作流体；

冷凝器，包括换热的蒸汽通道和冷凝通道，所述蒸汽通道的进口与发生器的连接；

第一溶液泵，进口与所述蒸汽通道的出口连接；

冷凝蒸发器，包括与所述第一加热管换热的蒸发通道，所述蒸发通道的进口与第一溶液泵的出口连接；

吸收器，内设有与工作流体换热的热量输出部件，蒸汽入口与所述蒸发通道的出口连接；

溶液换热器，包括换热的第一溶液通道和第二溶液通道，所述第一溶液通道的入口与吸收器的溶液出口连接；

节流装置，进口与所述第一溶液通道的出口连接，出口与发生器的溶液入口连接；

第二溶液泵，进口与发生器的溶液出口连接，出口与溶液换热器的第二溶液通道的入口连接，第二溶液通道的出口与吸收器的溶液入口连接。

为了提高换热效率，所述跨临界压缩子系统还包括回热单元，将来自气冷器的工质与经压缩单元压缩的工质进行换热；节流单元和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。

本发明装置通过跨临界压缩子系统与第二类吸收式热泵子系统间合理的能量耦合，使第二类吸收式热泵子系统发生器发生热全部来自于跨临界循环冷凝热，达到废热利用的目的；同时，利用中温冷凝热制取高温热源，在跨临界循环蒸发器输出冷量，在冷凝器端制取常规热源，实现多联产的功能。

对于跨临界压缩子系统，经过压缩单元做功之后的过热制冷剂蒸汽，先在冷凝蒸发器的第一加热管中冷凝降温，接着在发生器内部设置的第二加热管中放热进一步降温，再经过气冷器进一步冷却，接着通过回热单元交换热量，然后经节流阀进入蒸发单元中吸热蒸发，产生冷量；蒸发后的制冷剂蒸汽经回热器交换热量后，回到压缩单元，开始新的循环。

所述的冷凝蒸发器既作为第二类吸收式热泵子系统的蒸发器，又冷却压缩单元的高温排气；所述第二加热管既加热第二类吸收式热泵子系统的发生器中工作流体产生制冷剂蒸汽，又进一步冷却压缩单元的高温排气；所述的第一加热管、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。

对于第二类吸收式热泵子系统，发生器中溶液经第二加热管加热产生中温低压的制冷剂蒸汽，进入冷凝器冷却降温，后经第一溶液泵增压成为中温高压液体。中温高压液体在冷凝蒸发器中第一加热管的加热后成为较高温度和压力的制冷剂气体进入吸收器被吸收。

同时，发生器中温低压的浓溶液经第二溶液泵增压经过溶液换热器第二溶液通道与第一溶液通道中来自吸收器高温高压的稀溶液换热后进入吸收器；第一溶液通道中的稀溶液经节流阀冷却降压后回到发生器。同时在吸收器及冷凝器处输出热量。

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。

所述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。

为了使本发明具有较高的性能系数，优选的，所述冷凝蒸发器采用列管式换热器，所述第一加热管为管程，所述第一加热管与第二加热管的长度比例为0.7～1。所述第一加热管与第二加热管在此比例下，与第二类吸收式热泵子系统热耦合时，热量分配合理，提高制热的性能系数。

排气温度在气冷单元内逐步降低，压缩机的高温排气在第一加热管、第二加热管和气冷器中的能量分布将会影响复合的效果，为了提高制热的性能系数，第一加热管和第二加热管在管道的出口端的温度最低，优选的，所述第一加热管的出口端的排气温度高于85℃。使所述冷凝蒸发器利用压缩机的高温排气85℃以上的部分。

进一步优选的，所述第二加热管的出口端的排气温度高于50℃。所述发生器利用压缩机的高温排气为高于50℃且低于冷凝蒸发器的出口端排气温度的部分。

发生器的第二类吸收式热泵子系统的发生温度与能量利用率有关，影响制热的性能系数，优选的，所述发生器的发生温度高于45℃。

进一步优选的，所述冷凝蒸发器的蒸发温度高于70℃。

本发明的有益效果：

本发明的压缩/吸收式热泵复合系统，通过合理的能量耦合，使第二类吸收式热泵子系统的发生热全部来自于跨临界压缩子系统的冷凝热，仅需少量的电能输入即可在吸收器处制取100℃以上的高温热源，通过复合，改善了单一系统的缺点，即常规跨临界压缩系统无法大量制取100℃以上高温热源，常规热变换器制取高温热源的效率较低等问题；

本系统还可以在系统的冷凝器处输出40～50℃的常规热源，可在跨临界压缩子系统的蒸发器端输出7～9℃的常规冷能，具有多联产的功能；

本系统运行时利用电能制冷热都具有较高的性能系数，并且整体装置结构简单、制造成本，有着良好的经济性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为压缩机、2为冷凝蒸发器、3为第二加热盘管、4为气冷器、5为回热器、6为第二节流阀、7为蒸发器、8为吸收器、9为溶液换热器、10为第一节流阀、11为第二溶液泵、12为冷凝器、13为第一溶液泵，14为发生器，15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吸收式热泵联产的复合热泵系统，包括跨临界压缩子系统和第二类吸收式热泵子系统。

第二类吸收式热泵子系统的发生器14蒸汽出口与冷凝器12进口相连，冷凝器12出口与第一溶液泵13进口相连，第一溶液泵13出口与冷凝蒸发器2的蒸发通道进口相连，冷凝蒸发器2的蒸发通道的出口与吸收器8的蒸汽入口相连；吸收器8的溶液出口与溶液换热器9的第一溶液通道的入口相连，溶液换热器9的第一溶液通道出口与第一节流阀10的进口相连，第一节流阀10的出口与发生器14的溶液入口相连；发生器14的溶液出口与第二溶液泵11的进口相连，第二溶液泵11的出口与溶液换热器9的第二溶液通道入口相连，溶液换热器9的第二溶液通道出口与吸收器8的溶液入口相连。

发生器14内设有第二加热盘管3，冷凝蒸发器2内设有与蒸发通道换热的第一加热盘管15。

跨临界压缩子系统的压缩机1的蒸汽出口与冷凝蒸发器2内的第一加热盘管15的入口相连，冷凝蒸发器2的第一加热盘管15的出口与第二加热盘管3的进口相连，第二加热盘管3的出口与气冷器4的入口相连，气冷器4的出口与回热器5的第一换热通道入口相连，回热器5的第一换热通道出口与第二节流阀6的进口相连，第二节流阀6的出口与蒸发器7的进口相连，蒸发器7的出口与回热器5的第二换热通道入口相连，回热器5的第二换热通道出口与压缩机1的进口相连。

下面以溴化锂水溶液作为第二类吸收式热泵子系统的工作流体，溴化锂作为吸收剂，水作为制冷剂；以二氧化碳作为跨临界压缩子系统的工质说明系统的工作过程：

对于跨临界压缩子系统，经过压缩机1做功之后产生过热的二氧化碳蒸汽，过热的二氧化碳蒸汽先在冷凝蒸发器2的第一加热盘管15中冷凝降温，接着在发生器14内部设置的第二加热盘管3中放热进一步降温，再经过气冷器4进一步冷却，接着流经回热器5内的第一换热通道与第二换热通道内的二氧化碳蒸汽交换热量，后经第二节流阀6后变为低温低压的二氧化碳液体，之后进入蒸发器7中吸热蒸发，产生冷量。在此过程中在气冷器4中输出热量。

对于第二类吸收式热泵子系统，发生器14中溴化锂水溶液经加热盘管3加热产生中温低压的制冷剂水蒸汽，进入冷凝器12冷却降温，后经第一溶液泵13增压成为中温高压液态水。

中温高压液态水在冷凝蒸发器2中受到第一加热盘管15(来自跨临界压缩子系统的压缩机高温排气)的加热后成为较高温度和压力的制冷剂气体进入吸收器8中被吸收。

发生器14中温低压的溴化锂水浓溶液经第二溶液泵11增压经过溶液换热器9第二溶液通道与第一溶液通道中来自吸收器8高温高压的溴化锂水稀溶液换热后进入吸收器8；第一溶液通道中的溴化锂水稀溶液经第一节流阀10冷却降压后变为低温低压溴化锂水稀溶液回到发生器14。在此过程中，在吸收器8制取高温热源输出，以及在冷凝器12处输出中温热量。

本实施例中，跨临界压缩子系统的气冷单元包括：第一加热盘管15，第二加热盘管3和气冷器4，其中，第一加热盘管15的出口端的温度为85℃，第二加热盘管3的出口端的温度为50℃。

为了进一步说明本实施例的复合多联产系统的优点，就以下几种设备工况设定进行性能系数的测定：

工况一：同时制冷(7℃)、制取中温热源(45℃)及高温热源(100℃)；压缩机1的出口压力为9MPa，蒸发温度7℃作为冷源输出，气冷器4温度为45℃通过冷却介质带走热量，作为中温热源输出；

第二类吸收式热泵子系统的冷凝器12温度为45℃通过冷却介质带走热量，作为中温热源输出；吸收器8中溶液温度为100℃作为高温热源输出，发生器14的发生温度为70℃，冷凝蒸发器2的温度为80℃；

在此工况下，跨临界压缩系统压缩机排气温度103℃，现有技术中的常规跨临界压缩系统无法直接制取100℃的高温热源，现有技术的吸收式热泵系统相同工况下性能系数仅0.49，而本实施例改善了单一系统的缺点，利用电能制取高温热源性能系数达0.60，效率提升18.3％，另外制取中温热源性能系数达到较为理想的性能系数为2.0。

工况二：制取中温热源(45℃)及高温热源(100℃)；压缩机的出口压力为10MPa，蒸发器7由外界空气或水加热，冬季工况下蒸发温度视为20℃，气冷器4温度为45℃通过冷却介质带走热量，作为中温热源输出；第二类吸收式热泵子系统的冷凝器12温度为45℃通过冷却介质带走热量，作为中温热源输出，吸收器8中溶液温度为100℃作为高温热源输出，发生器14发生温度为70℃，冷凝蒸发器2温度为80℃。在此工况下，现有技术中的常规跨临界压缩系统无法直接制取100℃的高温热源，现有技术的吸收式热泵系统制取高温热源性能系数仅0.49，而本实施例利用电能制取高温热源性能系数达0.53，效率提升7.5％；另外制取中温热源性能系数达3.63。

工况三：制冷(7℃)及制取高温热源(100℃)；压缩机1的出口压力为10MPa，蒸发温度7℃作为冷源输出，气冷器4由外界空气或水冷却，为20℃；第二类吸收式热泵子系统的冷凝器12温度为20℃通过冷却介质带走热量，吸收器8中溶液温度为100℃作为高温热源输出，发生器14发生温度为60℃，冷凝蒸发器2温度为70℃。在此工况下，现有技术中的常规跨临界压缩系统无法直接制取100℃的高温热源，现有技术的吸收式热泵系统制取高温热源性能系数仅0.48，而本实施例利用电能制取高温热源性能系数达0.65，效率提升35.4％。

综上所述，本实施例所述系统在同时实现制冷热的一种或两种功能情况下，仅利用电能制冷性能系数可达3.0以上，制取高温热源的性能系数可达0.6以上，制取中温热源的性能系数高达3.5以上；同时实现所有制冷、制热功能时也具有较理想的性能系数，经济性良好，特别是在制取高温热源时相比单一系统性能提升可达35％。

Claims (9)

1.一种跨临界循环与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，所述热泵子系统为第二类吸收式热泵子系统；

所述第二类吸收式热泵子系统包括：

发生器，装有工作流体，所述第二加热管安装在发生器内用于加热工作流体；

冷凝器，包括换热的蒸汽通道和冷凝通道，所述蒸汽通道的进口与发生器的连接；

第一溶液泵，进口与所述蒸汽通道的出口连接；

冷凝蒸发器，包括与所述第一加热管换热的蒸发通道，所述蒸发通道的进口与第一溶液泵的出口连接；

吸收器，内设有与工作流体换热的热量输出部件，蒸汽入口与所述蒸发通道的出口连接；

溶液换热器，包括换热的第一溶液通道和第二溶液通道，所述第一溶液通道的入口与吸收器的溶液出口连接；

节流装置，进口与所述第一溶液通道的出口连接，出口与发生器的溶液入口连接；

第二溶液泵，进口与发生器的溶液出口连接，出口与溶液换热器的第二溶液通道的入口连接，第二溶液通道的出口与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。

3.如权利要求1所述的跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述工作流体为溴化锂水溶液或者氨水。

4.如权利要求1所述的跨临界循环与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。

5.如权利要求1～4任一权利要求所述的跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述第一加热管的出口端的排气温度高于85℃。

6.如权利要求5所述的跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述第二加热管的出口端的排气温度高于50℃。

7.如权利要求6所述的跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述发生器的发生温度高于45℃。

8.如权利要求7所述的跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述冷凝蒸发器的蒸发温度高于70℃。

9.如权利要求1～4任一权利要求所述的跨临界循环与吸收式热泵联产的复合热泵系统，其特征在于，所述冷凝蒸发器采用列管式换热器，所述第一加热管为管程，所述第一加热管与第二加热管的长度比例为0.7～1。