CN105066496A - 变容双级热泵锅炉集中供热替代机组 - Google Patents

变容双级热泵锅炉集中供热替代机组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及供暖技术，特别是一种变容双级热泵锅炉集中供热替代机组。它包括湿冷气候期一级超导热泵提升装置、寒冷气候期二级高温热泵提升装置。本装置在于湿冷气候期室外温度较高热泵性能提高，建筑供热所需热负荷相对减少，供热温度可相对降低，选择一级超导热泵提升装置供热有利于节约能源提高热泵性能，系统采用内置低温纳米超导液与闭式热源塔配合吸收雾霾湿冷热源提升为高位能直接用于供热输出；冬季寒冷气候期室外温度较低热泵性能衰减，以锅炉的供热系统改造后需要的供热温度相对较高，自动选择二级高温热泵提升装置，一级热泵无级调速稳定输出中温位能作为二级定容热泵的中温位热源，再经二级高温热泵提升达到锅炉65℃以上的热水供热温度。

Description

变容双级热泵锅炉集中供热替代机组
技术领域
本发明涉及供暖技术，特别是一种变容双级热泵锅炉集中供热替代机组。
背景技术
随着人们生活水平的提高，人们对建筑环境能源消耗的治理要求也越来越高。各种超低温热泵供热技术日益在建筑中得到推广使用，在当前节能低碳，减少雾霾天气，创建生态城市、绿色生态环境、绿色低碳建筑的大形式下，各类热源塔吸收低温位能与低热源热泵配合的低碳环保节能的供热方式，已经成为各大科研机构的重要课题，将要在我国寒冷气候区域替代燃煤锅炉供热改造发展中扮演着重要角色，实现热源塔热泵技术的升级。
已发明的热源塔热泵以宽带液导循环与单级低温热泵匹配可在空气-15℃，湿度90%以下的气候周期内，实现无霜运行输出45℃热水，供热性能达到2.5的COP值，满足现代空调地暖和供热强制循环的供热场所。而面对当前节能减碳净化雾霾空气取替燃煤锅炉高温供热要求场所，需要在寒冷-15℃以上气候期通过应用一种用“超低温双极热泵替代煤锅炉装置”吸收空气中的超低温位能，经双极热泵提升产生65℃以上热水的供热技术。而实际上在我国京津冀地区寒冷-11℃以下天气年平均2天左右；-11～-5℃年平均18天左右；-5～0℃年平均50天左右；0～9℃年平均60天左右；-5℃以上约占供暖期间85%的时间，因此简单双极热泵系统只适用于空气温度-5℃以下提升低温位能具有经济性，空气温度-5℃以上提升低温位能采用双极热泵失去了应有的经济性。
目前市场所应用的覆叠热泵技术，并进行1:1双级热泵匹配，一级热泵定频所热源温度下降热输出衰减严重，很难随气候温度变化与二级热泵匹配，技术只适用于稳定的地源热泵和余热回收系统输出高温热水应用。对于吸收变幅较大超低温空气能采用双级热泵压缩解决高温热水供热问题的经济性仍属于国际热泵供热领域研究的课题，因此双级热泵压缩很难与气候匹配经济运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变容双级热泵锅炉集中供热替代机组。
本发明的目的是通过如下途径实现的：一种变容双级热泵锅炉集中供热替代机组，它包括湿冷气候期一级超导热泵提升装置、寒冷气候期二级高温热泵提升装置；
所述的湿冷气候期一级超导热泵提升装置包括低温液导蒸发器、无级容调热泵、油气分离器、中能冷凝器、工质A经济器及液导蒸发节流阀；
其中的低温液导蒸发器的一号管程介质进口接自外管道热源侧超导溶液出口，低温液导蒸发器的二号管程介质出口接自外管道热源侧超导溶液进口，低温液导蒸发器的三号管程介质出口通过管路与液导蒸发节流阀出口连接，低温液导蒸发器的壳程工质出口通过管路与无级容调热泵的一号吸气口连接，低温液导蒸发器的五号管程介质出口通过管道经引射回组件连接壳程工质出口与一号吸气口之间的管道；
其中的无级容调热泵的一号吸气口分别通过管路与低温液导蒸发器的四号壳程工质出口及引射回组件连接，无级容调热泵的一号排气口通过管路与油气分离器的一号进气口连接，无级容调热泵的补气口通过管路与工质A经济器的一号出气口连接；
其中的油气分离器的二号出气口通过管路分别与中能冷凝器的六号壳程工质进口及冷凝干式蒸发器的五号壳程工质进气口连接，油气分离器的出油口通过管路与引射回组件连接；
其中的中能冷凝器的六号壳程工质进口通过管路分别与油气分离器的二号出气口及冷凝干式蒸发器的七号壳程工质进气口连接，中能冷凝器的八号壳程工质出口通过管路分别与冷凝干式蒸发器的九号壳程工质出口、工质过滤器进口连接；中能冷凝器的管程热水回口接自外管道负荷供热侧回水出口，中能冷凝器的管程热水出口接自外管道负荷供热侧供水进口；
其中的工质A经济器的两端分别经冷液进口、过冷蒸发进口通过管路与工质过滤器出口连接，工质A经济器的过冷蒸发出口通过管路与无级容调热泵的补气口连接，工质A经济器的过冷液出口通过管路与液导蒸发节流阀进口连接，液导蒸发节流阀出口通过管路与低温液导蒸发器的三号管程介质出口连接；
所述寒冷气候期二级高温热泵提升装置包括冷凝干式蒸发器、定级容调热泵、高能冷凝器、工质B经济器及干式蒸发节流阀；
其中的冷凝干式蒸发器的五号壳程工质进气口通过管路与油气分离器的二号出气口及中能冷凝器的六号壳程工质进口连接，冷凝干式蒸发器的九号壳程工质出口通过管路与工质过滤器进口及中能冷凝器的八号壳程工质出口连接，冷凝干式蒸发器的十号管程工质进口通过管路与干式蒸发节流阀出口连接，中能冷凝器的十一号管程工质进口通过管路分别与定级容调热泵的二号吸气口、冷凝干式蒸发器的十二号管程工质进口连接；所述定级容调热泵的二号吸气口通过管路分别与冷凝干式蒸发器的十一号管程工质进口、冷凝干式蒸发器的十二号管程工质进口连接，定级容调热泵的二号排气口通过管路与高能冷凝器的二号进气口连接，定级容调热泵的补气口通过管路与工质B经济器的过冷蒸发出口连接；所述高能冷凝器的二号进气口通过管路与定级容调热泵的二号排气口连接，高能冷凝器的壳程出液口通过管路与工质过滤器（H2.1）连接，高能冷凝器的管程热水回口接自外管道负荷供热侧回口，高能冷凝器的管程热水出口接自外管道负荷供热侧供水进口；
其中的工质B经济器两端的过冷液进口及过冷蒸发进口通过管路分别与工质过滤器（H2.1）出口连接，工质B经济器过冷蒸发出口通过管路与定级容调热泵的补气口连接，工质B经济器的过冷液出口通过管路与干式蒸发节流阀进口连接；
其中的干式蒸发节流阀的进口通过管路与工质B经济器的过冷液出口连接，干式蒸发节流阀的出口通过管路与冷凝干式蒸发器和十号管程工质进口3连接。
作为本方案的进一步优化，所述的低温液导蒸发器布置高于无级容调热泵的一号吸气口标高。
本发明变容双级热泵锅炉集中供热替代机组，与现有技术比较，具有如下优势：
一是本装置在于湿冷气候期室外温度较高热泵性能提高，建筑供热所需热负荷相对减少，供热温度可相对降低，选择一级超导热泵提升装置供热有利于节约能源提高热泵性能，系统采用内置低温纳米超导液与闭式热源塔配合吸收雾霾湿冷热源提升为高位能直接用于供热输出；冬季寒冷气候期室外温度较低热泵性能衰减，以锅炉的供热系统改造后需要的供热温度相对较高，自动选择二级高温热泵提升装置，一级热泵无级调速稳定输出中温位能作为二级定容热泵的中温位热源，再经二级高温热泵提升达到锅炉65℃以上的热水供热温度。
二是本装置可在我国北方京津冀雾霾地区全部高效地替代化石能源燃煤锅炉供热产生的粉尘污染和碳排放，在雾霾周期进行大气循环取热的同时，大量的人工冷源扰动大气循环引风驱霾。
三是本发明经济、合理高效地运行使用，能够彻底替代解决我国北方冬季寒冷气候期利用燃煤锅炉供暖方式。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中湿冷气候期一级超导热泵提升装置结构示意图；
图3为本发明中寒冷气候期二级高温热泵提升装置结构示意图。
具体实施方式
如图1，本发明变容双级热泵锅炉集中供热替代机组，它包括湿冷气候期一级超导热泵提升装置、寒冷气候期二级高温热泵提升装置；
所述的湿冷气候期一级超导热泵提升装置包括低温液导蒸发器1-1、无级容调热泵1-2、油气分离器1-3、中能冷凝器1-4、工质A经济器1-5及液导蒸发节流阀1-6；
其中的低温液导蒸发器1-1的一号管程介质进口L1接自外管道热源侧超导溶液出口，低温液导蒸发器1-1的二号管程介质出口L2接自外管道热源侧超导溶液进口，低温液导蒸发器1-1的三号管程介质出口L3通过管路与液导蒸发节流阀1-6出口连接，低温液导蒸发器1-1的壳程工质出口L4通过管路与无级容调热泵1-2的一号吸气口M1连接，低温液导蒸发器1-1的五号管程介质出口L5通过管道经引射回组件L5.1连接壳程工质出口L4与一号吸气口M1之间的管道；
其中的无级容调热泵1-2的一号吸气口M1分别通过管路与低温液导蒸发器1-1的四号壳程工质出口L4及引射回组件L5.1连接，无级容调热泵1-2的一号排气口M2通过管路与油气分离器1-3的一号进气口Y1连接，无级容调热泵1-2的补气口M3通过管路与工质A经济器1-5的一号出气口J2连接；
其中的油气分离器1-3的二号出气口Y2通过管路分别与中能冷凝器1-4的六号壳程工质进口R1及冷凝干式蒸发器2-1的五号壳程工质进气口Z1连接，油气分离器1-3的出油口Y3通过管路与引射回组件L5.1连接；
其中的中能冷凝器1-4的六号壳程工质进口R1通过管路分别与油气分离器1-3的二号出气口Y2及冷凝干式蒸发器2-1的七号壳程工质进气口Z1连接，中能冷凝器1-4的八号壳程工质出口R2通过管路分别与冷凝干式蒸发器2-1的九号壳程工质出口Z2、工质过滤器R2.1进口连接；中能冷凝器1-4的管程热水回口R3接自外管道负荷供热侧回水出口，中能冷凝器1-4的管程热水出口R4接自外管道负荷供热侧供水进口；
其中的工质A经济器1-5的两端分别经冷液进口J3、过冷蒸发进口J1通过管路与工质过滤器R2.1出口连接，工质A经济器1-5的过冷蒸发出口J2通过管路与无级容调热泵1-2的补气口M3连接，工质A经济器1-5的过冷液出口J4通过管路与液导蒸发节流阀1-6进口连接，液导蒸发节流阀1-6出口通过管路与低温液导蒸发器1-1的三号管程介质出口L3连接；
所述寒冷气候期二级高温热泵提升装置包括冷凝干式蒸发器2-1、定级容调热泵2-2、高能冷凝器2-3、工质B经济器2-4及干式蒸发节流阀2-5；
其中的冷凝干式蒸发器2-1的五号壳程工质进气口Z1通过管路与油气分离器1-3的二号出气口Y2及中能冷凝器1-4的六号壳程工质进口R1连接，冷凝干式蒸发器2-1的九号壳程工质出口Z2通过管路与工质过滤器R2.1进口及中能冷凝器1-4的八号壳程工质出口R2连接，冷凝干式蒸发器2-1的十号管程工质进口Z3通过管路与干式蒸发节流阀2-5出口连接，中能冷凝器1-4的十一号管程工质进口Z4通过管路分别与定级容调热泵2-2的二号吸气口W1、冷凝干式蒸发器2-1的十二号管程工质进口Z5连接；所述定级容调热泵2-2的二号吸气口W1通过管路分别与冷凝干式蒸发器2-1的十一号管程工质进口Z4、冷凝干式蒸发器2-1的十二号管程工质进口Z5连接，定级容调热泵2-2的二号排气口W2通过管路与高能冷凝器2-3的二号进气口H1连接，定级容调热泵2-2的补气口W3通过管路与工质B经济器2-4的过冷蒸发出口K2连接；所述高能冷凝器2-3的二号进气口H1通过管路与定级容调热泵2-2的二号排气口W2连接，高能冷凝器2-3的壳程出液口H2通过管路与工质过滤器H2.1连接，高能冷凝器2-3的管程热水回口H3接自外管道负荷供热侧回口，高能冷凝器2-3的管程热水出口H4接自外管道负荷供热侧供水进口；
其中的工质B经济器2-4两端的过冷液进口K3及过冷蒸发进口K1通过管路分别与工质过滤器H2.1出口连接，工质B经济器2-4过冷蒸发出口K2通过管路与定级容调热泵2-2的补气口W3连接，工质B经济器2-4的过冷液出口K4通过管路与干式蒸发节流阀2-5进口连接；
其中的干式蒸发节流阀2-5的进口通过管路与工质B经济器2-4的过冷液出口K4连接，干式蒸发节流阀2-5的出口通过管路与冷凝干式蒸发器2-1和十号管程工质进口Z33连接。
所述的低温液导蒸发器1-1布置高于无级容调热泵1-2的一号吸气口M1标高。
如图2所示，湿冷气候期室外温度较高热泵性能提高，建筑供热所需热负荷相对减少，供热温度可相对降低，采用一级热泵供热有利于节约能源提高热泵性能，进入单级热泵提升模式双级热泵热泵模式停止运行，其停止运行的设备有冷凝干式蒸发器2-1，定级容调热泵2-2，高能冷凝器2-3。
所述热源侧低温位能循环超导液由低温液导蒸发器1-1的一号管程介质进口L1进入低温液导蒸发器1-1管程，向低温液导蒸发器1-1壳程工质释放低温位能，循环超导液焓值下降，温度下降经低温液导蒸发器1-1的二中管程介质出口L2送入热源侧低温位能进口形成超导液换热循环；所述低温液导蒸发器1-1壳程工质吸收了管程介质释放的低温位能蒸发为湿饱和蒸汽经温液导蒸发器1-1的壳程工质出口L4进入无级容调热泵1-2的一号吸气口M1，经无级容调热泵1-2做功提升为中高温位能即高压工质过热气体由无级容调热泵1-2的一号排气口M2进入油气分离器1-3的一号进气口Y1分离掉油蒸汽成为冷冻油，经油气分离器1-3的出油口Y3至引射回组件L5.1进入无级容调热泵1-2的一号吸气口M1循环使用，高压工质过热气体分离掉油蒸汽经油气分离器1-3的二号出气口Y2进入中能冷凝器1-4的六号壳程工质进口R1进入中能冷凝器1-4壳程，高压工质过热气体在中能冷凝器1-4壳程向管程介质侧循环水释放冷凝潜热冷凝为高压工质液体，经中能冷凝器1-4和八号壳程工质出口R2、工质过滤器R2.1进入工质A经济器1-5的过冷液进口J3，高压工质经工质A经济器1-5过冷后，由过冷液出口J4进入液导蒸发节流阀1-6节流降压后为低压工质经低温液导蒸发器1-1的三号壳程工质进口L3进入低温液导蒸发器1-1壳程，完成工质侧一级逆卡诺循环过程；中能冷凝器1-4壳程高压工质蒸汽向管程介质侧循环水释放冷凝潜热，外管道负荷供热侧回水经中能冷凝器1-4的管程热水回口R3进入，在中能冷凝器1-4管程冷凝热加热后焓值上升温度，上升由中能冷凝器1-4的管程热水出口R4输出，进入外管道负荷供热侧供水进口完成湿冷气候期一级超导热泵供热循环。
如图3所示，寒冷气候期二级高温热泵提升装置2工作原理。所述寒冷气候期室外温度较低热泵性能衰减，建筑供热所需热负荷相对增加，以燃煤锅炉的供热系统改造后需要的供热温度相对较高，采用二级热泵供热有利于节约能源提高热泵综合性能，进入双级热泵热泵模式后其停止运行的设备为中能冷凝器1-4。
所述一级超导热泵（湿冷气候期一级超导热泵提升装置）油气分离器1-3出气口Y2中压工质气体经冷凝干式蒸发器2-1和五号壳程工质进气口Z1进入向冷凝干式蒸发器2-1，壳程工质侧释放中温冷凝热冷却为中压工质液体经出口Z2进入工质过滤器R2.1连接一级超导热泵完成逆卡诺循环超低温热源吸收提升至高温位能的释放过程；
所述二级高温热泵（寒冷气候期二级高温热泵提升装置）高压工质过冷液体经干式蒸发节流阀2-5节流为汽液两项流体，由冷凝干式蒸发器2-1的十号管程工质进口Z3进入凝干式蒸发器2-1管程，吸收来自五号壳程工质进气口Z1及九号壳程工质出口Z2的中温位潜热能蒸发为工质湿蒸汽，由冷凝干式蒸发器2-1的十一号管程工质进口Z4进入定级容调热泵2-2的二号吸气口W1，经定级容调热泵2-2做功提升为高压高温位能即高压工质过热气体，由定级容调热泵2-2的二号排气口W2排出进入高能冷凝器2-3的二号进气口H1，向管程介质负荷供热侧供水释放高温位能冷凝热，冷凝为高压工质液体经工质过滤器H2.1、工质B经济器2-4的过冷液进口K3，进入工质B经济器2-4过冷除去散发蒸汽经工质B经济器2-4的过冷液出口K4进入干式蒸发节流阀2-5节流为汽液两项流体，进入冷凝干式蒸发器2-1管程完成工质侧二级逆卡诺循环过程；高能冷凝器2-3壳程高压工质蒸汽向管程介质侧循环水释放冷凝潜热，外管道负荷供热侧回水经高能冷凝器2-3的管程热水回口H3进入，在高能冷凝器2-3管程冷凝热加热后焓值上升温度上升由高能冷凝器2-3的管程热水出口H4输出，进入外管道负荷供热侧供水进口完成寒冷气候期二级高温热泵供热循环。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种变容双级热泵锅炉集中供热替代机组，其特征在于：它包括湿冷气候期一级超导热泵提升装置、寒冷气候期二级高温热泵提升装置；
所述的湿冷气候期一级超导热泵提升装置包括低温液导蒸发器（1-1）、无级容调热泵（1-2）、油气分离器（1-3）、中能冷凝器（1-4）、工质A经济器（1-5）及液导蒸发节流阀（1-6）；
其中的低温液导蒸发器（1-1）的一号管程介质进口（L1）接自外管道热源侧超导溶液出口，低温液导蒸发器（1-1）的二号管程介质出口（L2）接自外管道热源侧超导溶液进口，低温液导蒸发器（1-1）的三号管程介质出口（L3）通过管路与液导蒸发节流阀（1-6）出口连接，低温液导蒸发器（1-1）的壳程工质出口（L4）通过管路与无级容调热泵（1-2）的一号吸气口（M1）连接，低温液导蒸发器（1-1）的五号管程介质出口（L5）通过管道经引射回组件（L5.1）连接壳程工质出口（L4）与一号吸气口（M1）之间的管道；
其中的无级容调热泵（1-2）的一号吸气口（M1）分别通过管路与低温液导蒸发器（1-1）的四号壳程工质出口（L4）及引射回组件（L5.1）连接，无级容调热泵（1-2）的一号排气口（M2）通过管路与油气分离器（1-3）的一号进气口（Y1）连接，无级容调热泵（1-2）的补气口（M3）通过管路与工质A经济器（1-5）的一号出气口（J2）连接；
其中的油气分离器（1-3）的二号出气口（Y2）通过管路分别与中能冷凝器（1-4）的六号壳程工质进口（R1）及冷凝干式蒸发器（2-1）的五号壳程工质进气口（Z1）连接，油气分离器（1-3）的出油口（Y3）通过管路与引射回组件（L5.1）连接；
其中的中能冷凝器（1-4）的六号壳程工质进口（R1）通过管路分别与油气分离器（1-3）的二号出气口（Y2）及冷凝干式蒸发器（2-1）的七号壳程工质进气口（Z1）连接，中能冷凝器（1-4）的八号壳程工质出口（R2）通过管路分别与冷凝干式蒸发器（2-1）的九号壳程工质出口（Z2）、工质过滤器（R2.1）进口连接；中能冷凝器（1-4）的管程热水回口（R3）接自外管道负荷供热侧回水出口，中能冷凝器（1-4）的管程热水出口（R4）接自外管道负荷供热侧供水进口；
其中的工质A经济器（1-5）的两端分别经冷液进口（J3）、过冷蒸发进口（J1）通过管路与工质过滤器（R2.1）出口连接，工质A经济器（1-5）的过冷蒸发出口（J2）通过管路与无级容调热泵（1-2）的补气口（M3）连接，工质A经济器（1-5）的过冷液出口（J4）通过管路与液导蒸发节流阀（1-6）进口连接，液导蒸发节流阀（1-6）出口通过管路与低温液导蒸发器（1-1）的三号管程介质出口（L3）连接；
所述寒冷气候期二级高温热泵提升装置包括冷凝干式蒸发器（2-1）、定级容调热泵（2-2）、高能冷凝器（2-3）、工质B经济器（2-4）及干式蒸发节流阀（2-5）；
其中的冷凝干式蒸发器（2-1）的五号壳程工质进气口（Z1）通过管路与油气分离器（1-3）的二号出气口（Y2）及中能冷凝器（1-4）的六号壳程工质进口（R1）连接，冷凝干式蒸发器（2-1）的九号壳程工质出口（Z2）通过管路与工质过滤器（R2.1）进口及中能冷凝器（1-4）的八号壳程工质出口（R2）连接，冷凝干式蒸发器（2-1）的十号管程工质进口（Z3）通过管路与干式蒸发节流阀（2-5）出口连接，中能冷凝器（1-4）的十一号管程工质进口（Z4）通过管路分别与定级容调热泵（2-2）的二号吸气口（W1）、冷凝干式蒸发器（2-1）的十二号管程工质进口（Z5）连接；所述定级容调热泵（2-2）的二号吸气口（W1）通过管路分别与冷凝干式蒸发器（2-1）的十一号管程工质进口（Z4）、冷凝干式蒸发器（2-1）的十二号管程工质进口（Z5）连接，定级容调热泵（2-2）的二号排气口（W2）通过管路与高能冷凝器（2-3）的二号进气口（H1）连接，定级容调热泵（2-2）的补气口（W3）通过管路与工质B经济器（2-4）的过冷蒸发出口（K2）连接；所述高能冷凝器（2-3）的二号进气口（H1）通过管路与定级容调热泵（2-2）的二号排气口（W2）连接，高能冷凝器（2-3）的壳程出液口（H2）通过管路与工质过滤器（H2.1）连接，高能冷凝器（2-3）的管程热水回口（H3）接自外管道负荷供热侧回口，高能冷凝器（2-3）的管程热水出口（H4）接自外管道负荷供热侧供水进口；
其中的工质B经济器（2-4）两端的过冷液进口（K3）及过冷蒸发进口（K1）通过管路分别与工质过滤器（H2.1）出口连接，工质B经济器（2-4）过冷蒸发出口（K2）通过管路与定级容调热泵（2-2）的补气口（W3）连接，工质B经济器（2-4）的过冷液出口（K4）通过管路与干式蒸发节流阀（2-5）进口连接；
其中的干式蒸发节流阀（2-5）的进口通过管路与工质B经济器（2-4）的过冷液出口（K4）连接，干式蒸发节流阀（2-5）的出口通过管路与冷凝干式蒸发器（2-1）和十号管程工质进口（Z3）3连接。
2.如权利要求1所述的变容双级热泵锅炉集中供热替代机组，其特征在于：所述的低温液导蒸发器（1-1）布置高于无级容调热泵（1-2）的一号吸气口（M1）标高。
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