CN108826252B - 一种空气源co2热泵蒸汽机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气源CO2热泵蒸汽机组，包括第一级压缩机、第二级压缩机、气体冷却器、多流体换热器、膨胀机、喷射器、蒸发器、第一膨胀阀、气液分离器、闪蒸罐和热水循环泵。本发明多流体换热器和膨胀机有效降低气体冷却器出口的温度，从而降低蒸发器入口焓值，实现空气源CO2热泵直接制取蒸汽的目标，通过喷射器提升压缩机入口压力，从而有效降低压缩机功耗，提高热泵系统的热效率，解决了现有热泵蒸汽机组能效低下、可靠性低且无法使用低品位空气热源等缺陷。

Description

一种空气源CO2热泵蒸汽机组
技术领域
本发明涉及热泵制蒸汽技术领域，具体涉及一种空气源CO2热泵蒸汽机组。
背景技术
随着全球变暖和臭氧层破坏等环境问题的日益严峻，高效环保冷媒的研究日益受到了重视。CO2是一种低GWP、零ODP的自然工质，在CFC和HCFC工质替代中有着重要的地位。CO2工质优良的环保属性以及高效的热物性令其在制冷、热泵、太阳能和核能发电等领域皆有着重要的应用前景。
CO2工质的跨临界循环具有供热温度高、循环效率高等特点，特别适合用于提供高温热水。因此，现有的CO2热泵普遍采用工质的跨临界循环将低温水加热到高温用于提供生活热水或采暖。但同时，跨临界的CO2热泵循环性能对热水入口侧的温度非常敏感，常规的CO2热泵在入口水温升高时性能快速下降。
CO2热泵具有供热温度高、能量密度高和结构紧凑等优点，相比其他制冷剂工质更有潜力用于制取高温蒸汽。但CO2热泵制取蒸汽过程中水的入口温度接近100℃，传统CO2热泵循环在该工况下无法实现正常的供热。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气源CO2热泵蒸汽机组，可有效解决CO2热泵气体冷却器出口温度过高而导致的蒸发器无法实现吸热的问题。
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种空气源CO2热泵蒸汽机组，包括第一级压缩机、第二级压缩机、气体冷却器、多流体换热器、膨胀机、喷射器、蒸发器、第一膨胀阀、气液分离器、闪蒸罐和热水循环泵；第一级压缩机的出口与多流体换热器的冷侧工质入口相连，多流体换热器的冷侧工质出口与第二级压缩机的入口相连，第二级压缩机的出口与气体冷却器的工质入口相连，气体冷却器的工质出口与多流体换热器的热侧工质入口相连，多流体换热器的热侧工质出口与膨胀机的入口相连，膨胀机的出口与喷射器的工作流体入口相连，喷射器的引射流体入口与蒸发器的工质出口相连，喷射器的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的气体出口与第一级压缩机的入口相连，气液分离器的液体出口经第一膨胀阀与蒸发器的工质入口相连，闪蒸罐通过热水循环泵与气体冷却器相连。
进一步地，还包括补水箱和补水泵，补水箱经补水泵、多流体换热器与闪蒸罐相连。通过多流体换热器预热从补水泵出来的低温水。
进一步地，所述多流体换热器采用壳管式换热器，热CO2工质走外管，冷CO2工质走内管，补水走壳程。
进一步地，还包括第二膨胀阀，所述膨胀机的出口还经第二膨胀阀与第一级压缩机的出口相连。利用膨胀机出口的低温CO2工质进行补气。
进一步地，所述蒸发器为翅管式换热器，热源流体为空气，CO2工质走管内。
进一步地，所述气体冷却器工质出口的CO2工质为100℃左右的高温流体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过多流体换热器和膨胀机有效降低气体冷却器出口的温度，从而降低蒸发器入口焓值，实现空气源CO2热泵直接制取蒸汽的目标。通过喷射器提升压缩机入口压力，从而有效降低压缩机功耗，提高热泵系统的热效率。
附图说明
图1为本发明空气源CO2热泵蒸汽机组的结构示意图；
附图标记说明：1-第一级压缩机；2-第二级压缩机；3-气体冷却器；4-多流体换热器；5- 膨胀机；6-喷射器；7-空气入口；8-蒸发器；9-空气出口；10-第一膨胀阀；11-气液分离器； 12-第二膨胀阀；13-补水口；14-补水箱；15-补水泵；16-闪蒸罐；17-热水循环泵；18-蒸汽出口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：
如图1所示，一种空气源CO2热泵蒸汽机组，包括第一级压缩机1、第二级压缩机2、气体冷却器3、多流体换热器4、膨胀机5、喷射器6、蒸发器8、第一膨胀阀10、气液分离器 11、第二膨胀阀12、补水箱14、补水泵15、闪蒸罐16和热水循环泵17。
第一级压缩机1的出口与多流体换热器4的冷侧工质入口相连，多流体换热器4的冷侧工质出口与第二级压缩机2的入口相连，第二级压缩机2的出口与气体冷却器3的工质入口相连，气体冷却器3的工质出口与多流体换热器4的热侧工质入口相连，多流体换热器4的热侧工质出口与膨胀机5的入口相连，膨胀机5的出口分为两路，一路经第二膨胀阀12与第一级压缩机1的出口相连，另一路与喷射器6的工作流体入口相连，喷射器6的引射流体入口与蒸发器8的工质出口相连，喷射器6的出口与气液分离器11的入口相连，气液分离器 11的气体出口与第一级压缩机1的入口相连，气液分离器11的液体出口经第一膨胀阀10与蒸发器8的工质入口相连。
补水箱14上部设有补水口13，补水箱14底部的补水口经补水泵15与多流体换热器4 的进水口相连，多流体换热器4的出水口与闪蒸罐16底部的补水口相连，构成补水支路。闪蒸罐16下部的出水口经热水循环泵17与气体冷却器3的进水口相连，气体冷却器3的出水口与闪蒸罐16中部的进水口相连，构成加热水循环回路。闪蒸罐16顶部设有蒸汽出口18，闪蒸罐16内的高温蒸汽经蒸汽出口18向外供汽。
多流体换热器4采用壳管式换热器，且管程采用套管式设计，热CO2工质走外管、冷CO2工质体走内管，补水走壳程。蒸发器8为翅管式换热器，设有空气入口7和空气出口9，采用热空气作为热源流体，CO2工质走管内。
本发明装置的工作原理是：
CO2工质经过第一级压缩机1压缩后成为温度较高的超临界CO2流体，然后与第二膨胀阀12出口的低温CO2工质混合，变成温度较低的超临界CO2流体。温度较低的超临界CO2流体在多流体换热器4中被加热，成为中高温中压的超临界CO2流体，再经过第二级压缩机 2压缩后变成为高温高压的超临界CO2流体，最后进入气体冷却器3中放热。从气体冷却器3的工质出口出来后，变成温度在100℃左右的中高温高压的超临界CO2流体，首先进入多流体换热器4中，加热冷工质侧的温度较低的超临界CO2流体，并同时预热从补水泵15中出来的低温水，然后经膨胀机5进一步降温降压后，变成低温中压CO2流体，低温中压CO2流体的一部分经第二膨胀阀12向第一级压缩机1出口进行补气，可有效降低第一级压缩机1出口 CO2工质的温度；另一部分低温中压CO2流体作为喷射器6的工作流体，引射来自蒸发器8 的低压CO2蒸汽，然后在出口处形成比蒸发压力略高的气液两相流体，最后进入气液分离器 11中进行分离。喷射器6可有效提高第一级压缩机1的吸气压力，从而降低第一级压缩机1 的功耗，提高热泵系统能效。
综上，本发明综合应用膨胀机技术以及喷射技术，有效降低气体冷却器出口的温度，从而实现空气源CO2热泵直接制取蒸汽的目标，并且该热泵蒸汽机组具有较高的COP，从而解决了现有热泵蒸汽机组能效低下、可靠性低且无法使用低品位空气热源等缺陷。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种空气源CO2热泵蒸汽机组，其特征在于：包括第一级压缩机、第二级压缩机、气体冷却器、多流体换热器、膨胀机、喷射器、蒸发器、第一膨胀阀、气液分离器、闪蒸罐和热水循环泵；第一级压缩机的出口与多流体换热器的冷侧工质入口相连，多流体换热器的冷侧工质出口与第二级压缩机的入口相连，第二级压缩机的出口与气体冷却器的工质入口相连，气体冷却器的工质出口与多流体换热器的热侧工质入口相连，多流体换热器的热侧工质出口与膨胀机的入口相连，膨胀机的出口与喷射器的工作流体入口相连，喷射器的引射流体入口与蒸发器的工质出口相连，喷射器的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的气体出口与第一级压缩机的入口相连，气液分离器的液体出口经第一膨胀阀与蒸发器的工质入口相连，闪蒸罐通过热水循环泵与气体冷却器相连，还包括第二膨胀阀，所述膨胀机的出口还经第二膨胀阀与第一级压缩机的出口相连。
2.根据权利要求1所述的空气源CO2热泵蒸汽机组，其特征在于：还包括补水箱和补水泵，补水箱经补水泵、多流体换热器与闪蒸罐相连。
3.根据权利要求2所述的空气源CO2热泵蒸汽机组，其特征在于：所述多流体换热器采用壳管式换热器，热CO2工质走外管，冷CO2工质走内管，补水走壳程。
4.根据权利要求1-3任一所述的空气源CO2热泵蒸汽机组，其特征在于：所述蒸发器为翅管式换热器，热源流体为空气，CO2工质走管内。
5.根据权利要求4所述的空气源CO2热泵蒸汽机组，其特征在于：所述气体冷却器工质出口的CO2工质为100℃左右的高温流体。
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