CN106969337B - 一种热泵蒸汽机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵蒸汽机组，包括自来水进口、用于加热进水的热泵循环系统、热水循环闪蒸系统和蒸汽出口；所述热泵循环系统包括依次连通的压缩机、油分离器、四通阀、板式冷凝器、膨胀阀、蒸发器，所述蒸发器还经所述四通阀跟压缩机连通，形成一个冷媒循环回路，此外还包括油冷却器，油冷却器的下端加热侧入口跟油分离器的下端高温油出口连通，油冷却器的上端油侧出口跟压缩机连通，形成油路循环回路；解决了电辅助加热型热泵蒸汽机组中热泵加热量占比过低导致机组整体能效不高的问题；以及在高效换热的同时如何实现热泵加热提供蒸汽蒸发所需潜热值的问题。

Description

一种热泵蒸汽机组

技术领域：

本发明涉及一种热泵蒸汽机组。

背景技术：

目前全球都面临能源不足的问题，节约能源显得尤为重要。传统蒸汽发生装置一般采用电加热或燃煤或燃气的方式加热水产生蒸汽，随着热泵装置的普及和人们对节能意识的逐步提高，因此提出一种新型热泵蒸汽机组，在使用上可以大大降低能源的消耗，同时热泵作为一种常压装置，使用安全可靠性好，并且无废气、尾气产生，环保效益好，因此，人们加大了对热泵蒸汽机组的研究。

现有的热泵蒸汽机组采用电辅助加热的方式完成，其前期的显热加热由常规热泵完成，大都只加热到70℃左右，后期的高温阶段及相变蒸发需要的大量潜热由电辅助加热完成。还有开发者提出在冷凝器内完成蒸发过程，但沸腾过程大量气泡产生会在板片表面形成泡状膜，极大影响板式换热器性能。因此，现有的热泵蒸汽技术还有待改进和发展。

发明内容：

本发明的目的是提供一种热泵蒸汽机组，解决了电辅助加热型热泵蒸汽机组中热泵加热量占比过低导致机组整体能效不高的问题；以及在高效换热的同时如何实现热泵加热提供蒸汽蒸发所需潜热值的问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种热泵蒸汽机组，包括自来水进口、用于加热进水的热泵循环系统、热水循环闪蒸系统和蒸汽出口；所述热泵循环系统包括依次连通的压缩机、油分离器、四通阀、板式冷凝器、膨胀阀、蒸发器，所述蒸发器还经所述四通阀跟压缩机连通，形成一个冷媒循环回路，此外还包括油冷却器，油冷却器的下端加热侧入口跟油分离器的下端高温油出口连通，油冷却器的上端油侧出口跟压缩机连通，形成油路循环回路；所述油冷却器的上端水侧入口还经给水泵连通自来水进口，油冷却器的下端水侧出口连通板式冷凝器下端的水侧入口；所述热水循环闪蒸系统包括依次连通的板式冷凝器、闪蒸罐、蒸汽压缩机、热补偿器，所述热补偿器连通蒸汽出口，此外还包括强制循环泵；所述板式冷凝器受热测的右侧下端设有一个热水出口，上端设有一个气体出口，所述板式冷凝器分别经气体出口、热水出口与闪蒸罐上下管道双连通；所述闪蒸罐还设有上下两个接口：上方的蒸汽出口和下方的热水出口，所述蒸汽出口与蒸汽压缩机的入口连接，确保闪蒸罐处于负压状态下；所述热水出口经强制循环泵与板式冷凝器水侧入口连通，形成热水循环闪蒸回路。

所述板式冷凝器分别经气体出口、热水出口与闪蒸罐上下管道双连通，同时闪蒸罐下方的热水出口经强制循环泵与板式冷凝器水侧入口连通，形成双连通循环回路。

所述板式冷凝器板片分为受热侧和冷凝侧；受热侧为待加热热水吸热发生升温沸腾的一侧，冷凝侧为高温高压气态工质发生相变冷凝的一侧，所述板片冷凝侧上端设有高温高压气态工质入口，下端设有中温高压工质出口；所述高温高压气态工质入口与热泵循环系统的油分离器经四通阀连通，油分离器分离出的高温高压气态工质依次经四通阀、高温高压气态工质入口进入板式冷凝器板片冷凝侧，发生相变冷凝过程，释放出大量热量，由中温高压工质出口流出然后经膨胀阀减压后进入蒸发器内再次蒸发为气态工质，最后进入压缩机内完成循环过程；所述受热侧板片下侧设有水侧入口和热水出口，板片上侧设有气体出口，受热侧设有带气液分离功能的特定换热器置挡板，及时排出分离的水蒸气，防止出现大量气泡聚集在板片表面导致的换热器的换热效率下降的问题，完成气液的一次分离过程，受热侧设有一个气体出口和一个热水出口，当出现局部沸腾产生气泡或者出现不凝气体等，沸腾蒸发的气体经板式冷凝器的气体出口直接进入闪蒸罐，可以快速实现气液分离，有效防止气泡汇聚在板片表面，保证板式冷凝器的高效换热。

所述蒸汽压缩机一方面为热水循环闪蒸系统提供负压环境，保证热水在低温环境下沸腾蒸发，从而不断闪蒸出蒸汽，充分利用热泵循环系统能效比高的优点，提高热泵蒸汽机组中热泵加热热量所占比重；另一方面提高蒸汽的压力及对应饱和状态下温度，对从闪蒸罐出口出来的蒸汽进行加压升温，闪蒸罐出口的蒸汽经过蒸汽压缩机升温加压后，变成正压状态下饱和蒸汽，便于蒸汽的贮存和进一步加热利用。

所述闪蒸罐内为负压状态，其压力小于板式冷凝器受热侧出口温度对应的饱和蒸汽压力，罐内形成闪蒸环境，热水不断闪蒸变成蒸汽，同时热水温度降低至罐内压力对应的饱和水温，气液混合物向罐体上方输送的过程中利用重力作用完成气液的二次分离过程，保证进入压缩内蒸汽的水分含量。另一方面闪蒸罐还具备气液分离功能，从板式冷凝器出来的气液混合物，在不断闪蒸及往上输送的过程中，蒸汽与热水不断分离，蒸汽从罐体上方蒸汽出口排出，热水由罐体下方热水出口经循环泵继续循环闪蒸。所述蒸汽压缩机优选为升压能力较强的罗茨蒸汽压缩机，升压可达85Kpa。

所述的蒸汽压缩机的出口与所述热补偿器连通，通过开关调节是否继续加热正压饱和蒸汽，可以实现不同压力下的饱和蒸汽输出，满足多种用途的蒸汽需求。所述的四通阀通过改变压缩机出口冷媒流向，来实现低温工况下蒸发器除霜功能。

一种产生蒸汽的方法，利用上述热泵蒸汽机组，包括以下步骤：

a、自来水预加热：开启压缩机，冷媒经压缩机压缩成高温高压气态工质进入油分离器进行分离，分离出高温高压气态工质和液态高温油，分离出的液态高温油进入油冷却器与给水泵输入的自来水进行换热冷却后重新进入压缩机完成油路循环过程；同时常温自来水经油冷却器预加热到30±5℃然后进入板式冷凝器；

b、热水循环闪蒸、加压升温制备蒸汽：步骤a经油分离器分离出的高温高压气态工质经四通阀进入板式冷凝器发生相变冷凝过程，释放出大量热量，然后经膨胀阀减压后进入蒸发器内再次蒸发为气态工质，最后进入压缩机内完成循环过程；常温自来水经油冷却器预加热进入板式冷凝器，加热到70-75℃后的热水经板式冷凝器受热侧板片下侧热水出口进入闪蒸罐，沸腾蒸发的气体经板式冷凝器的气体出口直接进入闪蒸罐，控制闪蒸罐内液位高于板式冷凝器热水出口的位置，闪蒸罐内压力小于板式冷凝器热水出口温度对应下的饱和压力，形成闪蒸环境，分别从板式冷凝器热水出口和气体出口的进入闪蒸罐的热水和气体组成的气液混合物不断蒸发同时向上输送完成汽水分离过程，蒸汽从闪蒸罐罐体上方进入蒸汽压缩机内升温升压到100℃以上，而后进入热补偿器加热至所需温度110-180℃，得到所需温度的蒸汽；热水在闪蒸罐内降温后从闪蒸罐内下方热水出口的经强制循环泵与经油冷却器预加热后的进水混合打入板式冷凝器水侧入口进行循环加热闪蒸过程。

本发明的有益效果如下：

1、利用热泵加热自来水产生蒸汽替代燃煤、燃油蒸汽锅炉，能源利用率高，并且不产生尾气，环保效益好；本发明解决了电辅助加热型热泵蒸汽机组中热泵加热量占比过低导致机组整体能效不高的问题；

2、利用蒸汽压缩机循环闪蒸的方法实现热泵加热提供蒸汽蒸发所需潜热值及保证换热器高效换热。

3、本发明装置利用热泵加热自来水产生蒸汽，不属于压力容器范围，不需要专业特种设备人员即可操作，安全可靠性好，易操作。

4、本发明板式冷凝器低温差传热性好。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

其中，1、压缩机，2、油分离器，3、四通阀，4、板式冷凝器，5、膨胀阀，6、蒸发器，7、油冷却器，8、闪蒸罐，9、蒸汽压缩机，10、热补偿器，11、强制循环泵，12、给水泵，4a、高温高压气态工质入口，4b、中温高压工质出口，4c、水侧入口，4d、热水出口，4e、气体出口。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示的一种热泵蒸汽机组，包括自来水进口、用于加热进水的热泵循环系统、热水循环闪蒸系统和蒸汽出口；所述热泵循环系统包括依次连通的压缩机1、油分离器2、四通阀3、板式冷凝器4、膨胀阀5、蒸发器6，所述蒸发器6还经所述四通阀3跟压缩机1连通，形成一个冷媒循环回路，此外还包括油冷却器7，油冷却器7的下端加热侧入口跟油分离器2的下端高温油出口连通，油冷却器2的上端油侧出口跟压缩机1连通，形成油路循环回路；所述油冷却器7的上端水侧入口还经给水泵12连通自来水进口，油冷却器7的下端水侧出口连通板式冷凝器4下端的水侧入口4c；所述热水循环闪蒸系统包括依次连通的板式冷凝器4、闪蒸罐8、蒸汽压缩机9、热补偿器10，所述热补偿器10连通蒸汽出口，此外还包括强制循环泵11；所述板式冷凝器4右侧下端设有一个热水出口4d，上端设有一个气体出口4e，所述板式冷凝器4分别经气体出口4e、热水出口4d与闪蒸罐8上下管道双连通；所述闪蒸罐8还设有上下两个接口：上方的蒸汽出口和下方的热水出口，所述蒸汽出口与蒸汽压缩机9的入口连接，确保闪蒸罐8处于负压状态下；所述热水出口经强制循环泵11与板式冷凝器4水侧入口4c连通，形成热水循环闪蒸回路，通过热水不断循环加热闪蒸实现连续相变蒸发。

所述板式冷凝器4分别经气体出口4e、热水出口4d与闪蒸罐8上下管道双连通，同时闪蒸罐8下方的热水出口经强制循环泵11与板式冷凝器4水侧入口4c连通，形成双连通循环回路。

所述板式冷凝器4板片分为受热侧和冷凝侧；受热侧为待加热热水吸热发生升温沸腾的一侧，冷凝侧为高温高压气态工质发生相变冷凝的一侧，所述板片冷凝侧上端设有高温高压气态工质入口4a，下端设有中温高压工质出口4b；所述高温高压气态工质入口与热泵循环系统的油分离器2经四通阀3连通，油分离器2分离出的高温高压气态工质依次经四通阀3、高温高压气态工质入口4a进入板式冷凝器4板片冷凝侧，发生相变冷凝过程，释放出大量热量，由中温高压工质出口4b流出然后经膨胀阀5减压后进入蒸发器6内再次蒸发为气态工质，最后进入压缩机1内完成循环过程；所述受热侧板片下侧设有水侧入口4c和热水出口4d、板片上侧设有气体出口4e，受热侧设有带气液分离功能的特定换热器置挡板，及时排出分离的水蒸气，防止出现大量气泡聚集在板片表面导致的换热器的换热效率下降的问题，完成气液的一次分离过程，受热侧设有一个气体出口4e和一个热水出口4d，当出现局部沸腾产生气泡或者出现不凝气体等，沸腾蒸发的气体经板式冷凝器4的气体出口4e直接进入闪蒸罐8，可以快速实现气液分离的目的，保证板式冷凝器的高效换热。

板式冷凝器板4后设有闪蒸罐8，所述闪蒸罐8内为负压状态，其压力小于板式冷凝器4受热侧热水出口温度对应的饱和蒸汽压力，闪蒸罐8内形成闪蒸环境，热水不断闪蒸变成蒸汽，同时热水温度降低至罐内压力对应的饱和水温，气液混合物向罐体上方输送的过程中利用重力作用完成气液的二次分离过程，保证进入蒸汽压缩机9内蒸汽的水分含量。另一方面闪蒸罐8还具备气液分离功能，分别从板式冷凝器4热水出口4d和气体出口4e的进入闪蒸罐8的热水和气体组成的气液混合物，在不断闪蒸及往上输送的过程中，蒸汽与热水不断分离，蒸汽从罐体上方蒸汽出口排出，热水由罐体下方热水出口经强制循环泵11继续循环闪蒸。

所述蒸汽压缩机9一方面为热水循环闪蒸系统提供负压环境，保证热水在低温环境下沸腾蒸发，从而不断闪蒸出蒸汽，充分利用热泵循环系统能效比高的优点，提高热泵蒸汽机组中热泵加热热量所占比重；另一方面提高蒸汽的压力及对应饱和状态下温度，对从闪蒸罐8出口出来的蒸汽进行加压升温，闪蒸罐8出口的蒸汽经过蒸汽压缩机9升温加压后，变成正压状态下饱和蒸汽，便于蒸汽的贮存和进一步加热利用。

所述蒸汽压缩机9优选为升压能力较强的罗茨蒸汽压缩机，升压可达85Kpa。

所述的蒸汽压缩机9的出口与所述热补偿器10连通，通过开关调节是否继续加热正压饱和蒸汽，可以实现不同压力下的饱和蒸汽输出，满足多种用途的蒸汽需求。

所述的四通阀8通过改变压缩机1出口冷媒流向，来实现低温工况下蒸发器除霜功能。

工作时，包括以下步骤：

a、自来水预加热：开启压缩机1，冷媒经压缩机1压缩成高温高压气态工质进入油分离器2进行分离，分离出高温高压气态工质和液态高温油，分离出的液态高温油从加热侧入口进入油冷却器7与给水泵12输入的自来水进行换热冷却后经油侧出口流出重新进入压缩机1完成油路循环过程；同时常温自来水经油冷却器7预加热到30±5℃℃从水侧出口流出然后进入板式冷凝器4的水侧入口4c；

b、热水循环闪蒸、加压升温制备蒸汽：步骤a经油分离器2分离出的高温高压气态工质经四通阀3由高温高压气态工质入口4a进入板式冷凝器4发生相变冷凝过程，释放出大量热量，由中温高压工质出口4b流出然后经膨胀阀5减压后进入蒸发器6内再次蒸发为气态工质，最后进入压缩机1内完成循环过程；常温自来水经油冷却器7预加热进入板式冷凝器4，加热到80℃的热水经板式冷凝器4受热侧板片下侧热水出口进入闪蒸罐8，沸腾蒸发的气体经板式冷凝器4的气体出口4e直接进入闪蒸罐8，控制闪蒸罐8内液位高于板式冷凝器4热水出口4d的位置，闪蒸罐8内压力小于板式冷凝器4热水出口温度对应下的饱和压力，形成闪蒸环境，分别从板式冷凝器4热水出口4d和气体出口4e的进入闪蒸罐8的热水和气体组成的气液混合物不断蒸发同时向上输送完成汽水分离过程，蒸汽从闪蒸罐8罐体上方进入蒸汽压缩机9内升温升压到100℃以上，而后进入热补偿器10加热至所需温度110-180℃，得到所需温度的蒸汽；热水在闪蒸罐8内降温后从闪蒸罐8内下方热水出口的热水经强制循环泵11与经油冷却器7预加热后的进水混合打入板式冷凝器4水侧入口4c进行循环加热闪蒸过程。

常温自来水经油冷却器7预加热得到的热水与闪蒸罐8下方热水出口的热水经强制循环泵11打入的高温热水混合后从板式冷凝器4水侧入口4c进入板式冷凝器4进行加热沸腾过程。

Claims (4)

1.一种热泵蒸汽机组，其特征在于，包括自来水进口、用于加热进水的热泵循环系统、热水循环闪蒸系统和蒸汽出口；所述热泵循环系统包括依次连通的压缩机、油分离器、四通阀、板式冷凝器、膨胀阀、蒸发器，所述蒸发器还经所述四通阀跟压缩机连通，形成一个冷媒循环回路，此外还包括油冷却器，油冷却器的下端加热侧入口跟油分离器的下端高温油出口连通，油冷却器的上端油侧出口跟压缩机连通，形成油路循环回路；所述油冷却器的上端水侧入口还经给水泵连通自来水进口，油冷却器的下端水侧出口连通板式冷凝器下端的水侧入口；所述热水循环闪蒸系统包括依次连通的板式冷凝器、闪蒸罐、蒸汽压缩机、热补偿器，所述热补偿器连通蒸汽出口，此外还包括强制循环泵；所述板式冷凝器受热侧的右侧下端设有一个热水出口，上端设有一个气体出口，所述板式冷凝器分别经气体出口、热水出口与闪蒸罐上下管道双连通；所述闪蒸罐还设有上下两个接口：上方的蒸汽出口和下方的热水出口，所述蒸汽出口与蒸汽压缩机的入口连接，确保闪蒸罐处于负压状态下；所述热水出口经强制循环泵与板式冷凝器水侧入口连通，形成热水循环闪蒸回路。

2.根据权利要求1所述的热泵蒸汽机组，其特征在于，所述板式冷凝器板片分为受热侧和冷凝侧；受热侧为待加热热水吸热发生升温沸腾的一侧，冷凝侧为高温高压气态工质发生相变冷凝的一侧，所述板片冷凝侧上端设有高温高压气态工质入口，下端设有中温高压工质出口；所述高温高压气态工质入口与热泵循环系统的油分离器经四通阀连通，油分离器分离出的高温高压气态工质依次经四通阀、高温高压气态工质入口进入板式冷凝器板片冷凝侧，发生相变冷凝过程，释放出大量热量，由中温高压工质出口流出然后经膨胀阀减压后进入蒸发器内再次蒸发为气态工质，最后进入压缩机内完成循环过程；所述受热侧板片下侧设有水侧入口和热水出口，板片上侧设有气体出口， 受热侧设有带气液分离功能的特定换热器置挡板，受热侧设有一个气体出口和一个热水出口。

3.根据权利要求1所述的热泵蒸汽机组，其特征在于，所述蒸汽压缩机为罗茨蒸汽压缩机，升压达85kPa。

4.一种产生蒸汽的方法，其特征在于，利用权利要求1-3中任一权利要求所述热泵蒸汽机组，包括以下步骤：

a、自来水预加热：开启压缩机，冷媒经压缩机压缩成高温高压气态工质进入油分离器进行分离，分离出高温高压气态工质和液态高温油，分离出的液态高温油进入油冷却器与给水泵输入的自来水进行换热冷却后重新进入压缩机完成油路循环过程；同时常温自来水经油冷却器预加热到30±5℃，然后进入板式冷凝器；

b、热水循环闪蒸、加压升温制备蒸汽：步骤a经油分离器分离出的高温高压气态工质经四通阀进入板式冷凝器发生相变冷凝过程，释放出大量热量，然后经膨胀阀减压后进入蒸发器内再次蒸发为气态工质，最后进入压缩机内完成循环过程；常温自来水经油冷却器预加热进入板式冷凝器，加热到70-75℃的热水经板式冷凝器受热侧板片下侧热水出口进入闪蒸罐，沸腾蒸发的气体经板式冷凝器的气体出口直接进入闪蒸罐，控制闪蒸罐内液位高于板式冷凝器热水出口的位置，闪蒸罐内压力小于板式冷凝器热水出口温度对应下的饱和压力，形成闪蒸环境，分别从板式冷凝器热水出口和气体出口的进入闪蒸罐的热水和气体组成的气液混合物不断蒸发同时向上输送完成汽水分离过程，蒸汽从闪蒸罐罐体上方进入蒸汽压缩机内升温升压到100℃以上，而后进入热补偿器加热至所需温度110-180℃，得到所需温度的蒸汽；热水在闪蒸罐内降温后从闪蒸罐内下方热水出口的热水经强制循环泵与经油冷却器预加热后的进水混合打入板式冷凝器水侧入口进行循环加热闪蒸过程。

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