CN109323234A - 空气能锅炉蒸汽供应系统 - Google Patents

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胡斌
闫鸿志
王如竹
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat

Abstract

本发明提供了一种空气能锅炉蒸汽供应系统，包括复叠式空气能热泵热水器系统与热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统，复叠式空气能热泵热水器系统包括低温级热泵机组、高温级热泵机组，其中，低温级热泵机组连接高温级热泵机组，高温级热泵机组连接热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统。复叠式空气能热泵热水器系统用于吸收空气中的空气能，吸收的空气能被热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统利用产生蒸汽。本发明将空气能用于自来水的加热，最终用来产生蒸汽，有效地利用了空气中大量存在的空气能，降低了高品质能源的消耗，有效地避免了燃煤锅炉的使用，消除了燃煤锅炉烟气的排放，达到了节约能源与保护环境的效果。

Description

空气能锅炉蒸汽供应系统
技术领域
本发明涉及供热锅炉节能减排技术领域，具体地涉及空气能锅炉蒸汽供应系统，尤其是一种新型的空气能锅炉蒸汽供应系统。
背景技术
目前我国冬季北方居民生活供热以及在干燥，精馏等生产过程中使用的高温蒸汽依旧以燃煤锅炉生产为主，这种燃煤锅炉的使用不仅浪费了大量的一次能源，而且产生含有大量空气污染物的锅炉废气，这些废气被直接排放到大气中，不仅污染了环境还浪费了能源。目前为了减轻我国北方冬季燃煤供热废气直接排放带来的严重环境污染，我国在大力推行冬季供热的“煤改电”、“煤改气”等清洁能源工程，力求通过使用以空气源热泵为代表的清洁电供热设备取代污染环境的燃煤锅炉。空气源热泵可以吸收空气中的空气能用于加热冷水，降低供热过程中高品质能源的消耗，是一种清洁高效的供热设备，在冬季供热的“煤改电”工程中被广泛应用。目前北京，天津，山东等省份均在大力的推广空气源热泵代替燃煤锅炉在冬季进行取暖。
相比于冬季北方生活供热的短时期使用，平时生活以及工业上所需的高温水蒸气则是全年不间断的需求，而且需求量更大，如果依旧使用燃煤锅炉来提供生活以及工业上的高温水蒸气，则仍旧会产生大量的环境污染废气以及浪费大量的高品质能源。所以日常生活所需的生活热水以及工业高温水蒸气的生产需要有新的节能技术来实现，从而降低生活以及工业中的污染和能源浪费问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空气能锅炉蒸汽供应系统。
根据本发明提供的一种空气能锅炉蒸汽供应系统，包括复叠式空气能热泵热水器系统与热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统，复叠式空气能热泵热水器系统包括低温级热泵机组、高温级热泵机组，其中，低温级热泵机组连接高温级热泵机组，高温级热泵机组连接热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统。
优选地，所述低温级热泵机组包括翅片管蒸发器、低温级压缩机、低温级冷凝器、第一节流阀；其中，低温级冷凝器的冷却出口通过节流管连接第一节流阀的进口，第一节流阀的出口通过蒸发管连接翅片管蒸发器的入口，翅片管蒸发器的出口通过低温管连接低温级压缩机的入口，低温级压缩机的出口通过高温管连接低温级冷凝器的冷却入口。
优选地，所述高温级热泵机组包括高温级蒸发器、高温级压缩机、第一高温级冷凝器、第二节流阀；其中，第一高温级冷凝器的冷却出口通过节流管连接第二节流阀的进口，第二节流阀的出口通过蒸发管连接高温级蒸发器的入口，高温级蒸发器的出口通过低温管连接高温级压缩机的入口，高温级压缩机的出口通过高温管连接第一高温级冷凝器的冷却入口；其中，高温级蒸发器是相对翅片管蒸发器而言的。
优选地，所述热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统包括第二高温级冷凝器、闪蒸罐、补水阀、蒸汽压缩机、补水调节阀；其中，补水管通过补水调节阀、补水阀连接闪蒸罐的补水口，闪蒸罐的热水出口通过循环管连接第二高温级冷凝器的入口，第二高温级冷凝器的加热出口通过高温水管连接闪蒸罐的热水入口，闪蒸罐的蒸汽出口通过低压蒸汽管连接蒸汽压缩机的蒸汽入口，蒸汽压缩机的蒸汽出口连接蒸汽管，补水管通过补水调节阀连接蒸汽压缩机的补水口，闪蒸罐的补水口通过补水阀连接蒸汽压缩机的补水口。
优选地，所述复叠式空气能热泵热水器系统中的工质包括低温级工质和高温级工质，通过低温级热泵机组与高温级热泵机组间工质的换热来提取低温热源热量，并用于热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统对应的高温段的温差换热。
优选地，低温级热泵机组的低温级冷凝器同时充当高温级热泵机组的高温级蒸发器，根据两个机组运行的工况选用相应的工质。
优选地，所述翅片管蒸发器从空气中提取吸收空气能。
优选地，所述闪蒸罐用于水汽两相分离，将流入闪蒸罐的高温热水闪蒸成饱和水、饱和蒸汽，并分离输出，饱和蒸汽通过低压蒸汽管输出到蒸汽压缩机，饱和水通过循环管进入高温级热泵机组继续加热，从而循坏产生饱和蒸汽。
优选地，所述蒸汽压缩机具有喷水降温功能，通过蒸汽压缩机与补水调节阀将闪蒸罐中输出的饱和蒸汽压缩升温升压成蒸汽。
优选地，第一高温级冷凝器、第二高温级冷凝器由同一个高温级冷凝器充当。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过使用空气能锅炉蒸汽供应系统中的翅片管蒸发器吸收空气中的空气能，并将空气能用于自来水的加热，用来产生蒸汽，有效地利用了空气中大量存在的空气能，降低了高品质能源的消耗，达到了节约能源的效果。
3、本发明通过使用复叠式热泵机组，在低温级热泵机组、高温级热泵机组分别采用合适性质的工质，即工质，可以有效从低温热源提取空气能，并用于高温段、大温差的热水加热。
4、本发明通过使用闪蒸罐作为水汽两相分离设备，使流入闪蒸罐的高温热水闪蒸成饱和水与饱和蒸汽，将高温热水进行水汽两相的分离输出，不仅可以满足工业用或生活用蒸汽需求，还可以循环利用水资源。
5、本发明通过使用蒸汽压缩机，使闪蒸罐出口蒸汽升压提温为蒸汽，蒸汽压缩机效率高，能效高，可以有效地节约能源，同时避免了燃煤锅炉的使用，达到节能减排的效果。
6、本发明通过使用补水管与补水流量调节阀向蒸汽压缩机中补水，可以有效地降低蒸汽压缩机的排气温度，使排气达到工业蒸汽状态，同时提高蒸汽压缩机的性能，达到产生工业蒸汽的效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
针对上述生产生活中存在的问题，本发明提供一种空气能锅炉蒸汽供应系统，可以实现从空气中提取热能，并利用吸收的空气能将自来水加热至90℃及以上的高温，最终产生生活及工业所需的高温水蒸气。该系统可以有效利用空气中大量储存的空气能，减少了高品质能源的消耗，避免了燃煤锅炉的使用减少了对环境可能产生的污染，同时采用空气能锅炉蒸汽供应系统可以使空气能锅炉系统的效率更高，经济性优势更明显。
根据本发明提供的空气能锅炉蒸汽供应系统，包括复叠式空气能热泵热水器系统与热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统，复叠式空气能热泵热水器系统包括低温级热泵机组、高温级热泵机组，其中，低温级热泵机组连接高温级热泵机组，高温级热泵机组连接热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统。复叠式空气能热泵热水器系统可以吸收空气中的空气能用于加热热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统中的自来水。复叠式空气能热泵系统用于吸收空气中的空气能，吸收的空气能被热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统利用产生蒸汽。
如图1所示，所述低温级热泵机组包括翅片管蒸发器1、低温级压缩机2、低温级冷凝器3、第一节流阀11；其中，低温级冷凝器3的冷却出口通过节流管连接第一节流阀11的进口，第一节流阀11的出口通过蒸发管连接翅片管蒸发器1的入口，翅片管蒸发器1的出口通过低温管连接低温级压缩机2的入口，低温级压缩机2的出口通过高温管连接低温级冷凝器3的冷却入口。
如图1所示，所述高温级热泵机组包括高温级蒸发器12、高温级压缩机4、第一高温级冷凝器、第二节流阀10；其中，第一高温级冷凝器的冷却出口通过节流管连接第二节流阀10的进口，第二节流阀10的出口通过蒸发管连接高温级蒸发器12的入口，高温级蒸发器12的出口通过低温管连接高温级压缩机4的入口，高温级压缩机4的出口通过高温管连接第一高温级冷凝器的冷却入口；其中，高温级蒸发器12是相对翅片管蒸发器1而言的。
如图1所示，所述热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统包括第二高温级冷凝器、闪蒸罐6、补水阀7、蒸汽压缩机8、补水调节阀9；其中，补水管通过补水调节阀9、补水阀7连接闪蒸罐6的补水口，闪蒸罐6的热水出口通过循环管连接第二高温级冷凝器的入口，第二高温级冷凝器的加热出口通过高温水管连接闪蒸罐6的热水入口，闪蒸罐6的蒸汽出口通过低压蒸汽管连接蒸汽压缩机8的蒸汽入口，蒸汽压缩机8的蒸汽出口连接蒸汽管，补水管通过补水调节阀9连接蒸汽压缩机8的补水口，闪蒸罐6的补水口通过补水阀7连接蒸汽压缩机8的补水口。第一高温级冷凝器、第二高温级冷凝器由同一个高温级冷凝器5充当。
优选地，所述复叠式空气能热泵热水器系统中的工质包括低温级工质和高温级工质，通过低温级热泵机组与高温级热泵机组间工质的换热来提取低温热源热量，并用于热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统对应的高温段的温差换热。优选地，低温级热泵机组选用相应的低温级工质，温级热泵机组则选用相应的高温级工质；低温级压缩机2通过压缩工质提高工质的温度，低温级冷凝器3通过换热将热量从低温级工质传递给高温级工质；高温级压缩机4通过压缩工质提高工质的温度，高温级冷凝器5通过换热将热量从高温级工质传递给80℃热水，最终用于产生后续蒸汽发生所需的90℃及以上温度的热水。
优选地，低温级热泵机组的低温级冷凝器3同时充当高温级热泵机组的高温级蒸发器12，根据两个机组运行的工况选用相应的工质。在优选例中，为了能够保证系统从空气中有效地吸收空气能，并供高温段热水升温，在20℃环境温度、80℃进水、90℃出水的工况下，本发明选用R410a和/或R448和/或R449a等作为低温级工质，选用R134a和/或R1234yf和/或R1234ze和/或R1233zd等作为高温级工质。根据机组运行工况选用相应工质，可优化系统总体性能，兼顾环保效益。
优选地，所述翅片管蒸发器1用于提高系统与空气的接触面积，并从空气中提取吸收空气能。翅片管蒸发器1有效地提高了系统与空气的接触面积，保证系统能高效稳定地从空气中提取吸收充足的空气能。
优选地，所述闪蒸罐6用于水汽两相分离，将流入闪蒸罐6的高温热水闪蒸成饱和水、饱和蒸汽，并分离输出，饱和蒸汽通过低压蒸汽管输出到蒸汽压缩机8，饱和水通过循环管进入高温级热泵机组继续加热，从而循坏产生饱和蒸汽。流入闪蒸罐6的高温热水可以通过闪蒸形成温度低一些的饱和蒸汽与饱和水，饱和蒸汽可用于生成标准蒸汽，饱和水继续回到复叠式热泵机组循环加热，最终产生蒸汽，同时该饱和水也可用作生活热水，或者用于调节蒸汽压缩机8补水侧工况。
优选地，所述蒸汽压缩机8具有喷水降温功能，通过蒸汽压缩机8与补水调节阀9将闪蒸罐6中输出的饱和蒸汽压缩升温升压成标准蒸汽。蒸汽压缩机8可以通过压缩提高流入的蒸汽的温度与压力，通过控制压缩比在排气端产生标准蒸汽；通过补水管往蒸汽压缩机8内补水，可以通过补水调节阀9控制补水的量，从而使蒸汽压缩机达到高效运行。
空气能锅炉蒸汽供应系统的工作原理如下：
复叠式热泵热水器系统首先工作，复叠式热泵热水器系统中的低温级工质通过蒸发管流入翅片管蒸发器1，在翅片管蒸发器1中吸收空气中的空气能蒸发形成低温级工质蒸汽，蒸汽通过低温管流入低温级压缩机2，低温级工质蒸汽在低温级压缩机2中被压缩形成高温高压的低温级工质蒸汽，高温高压的低温级工质蒸汽通过高温管流入低温级冷凝器3中，在低温级冷凝器3中高温高压的低温级工质蒸汽与流入低温级冷凝器3(或者说高温级蒸发器12)中的高温级工质相互换热，高温高压的低温级工质蒸汽被冷却温度降低，低温的高温级工质被加热温度升高，低温的低温级工质通过节流管流入第一节流阀11中节流膨胀形成低温低压的液态低温级工质蒸汽，液态低温级工质通过蒸发管流入翅片管蒸发器1形成一个循环。
同时，复叠式热泵热水器系统中的高温级工质通过蒸发管流入高温级蒸发器12(低温级冷凝器3)中，在高温级蒸发器12中高温级工质吸收低温级工质的热量而蒸发形成高温级工质蒸汽，蒸汽通过低温管流入高温级压缩机4，高温级工质蒸汽在低温级压缩机4被压缩形成高温高压的高温级工质蒸汽，高温高压的高温级工质蒸汽通过高温管流入高温级冷凝器5中，在高温级冷凝器5中高温高压的高温级工质蒸汽与流入高温级冷凝器5中的热水相互换热，高温高压的高温级工质蒸汽被冷却温度降低，热水被进一步加热温度升高，低温的高温级工质通过节流管流入第二节流阀10中节流膨胀形成低温低压的液态高温级工质蒸汽，液态高温级工质通过蒸发管流入高温级蒸发器12(低温级冷凝器3)形成一个循环。
热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统接着工作，自来水通过补水管和补水调节阀9流入到闪蒸罐6和蒸汽压缩机8中，分别用于补水和喷水降温。
系统刚开始运行时，闪蒸罐6内主要为中低温的自来水，此时闪蒸罐6中底部出口的自来水流入高温级冷凝器5中与高温高压的高温级工质相互换热被加热升温，升温水通过高温水管再次流入闪蒸罐6中，通过闪蒸罐6底部的循环管再次流入高温级冷凝器5被加热，如此循环，中低温的自来水逐渐被加热成高温水，高温水的温度可以达到90℃及以上，此时系统趋向稳定，开始产生蒸汽。
循环加热后，闪蒸罐6内主要为高温热水，在闪蒸罐6中高温水发生闪蒸形成温度稍低的饱和水与饱和蒸汽，饱和水聚集在闪蒸罐6的底部，温度稍低的饱和水通过闪蒸罐6底部的循环管再次流入高温级冷凝器5中，被加热形成高温热水，高温热水通过高温水管再次流入闪蒸罐6中。饱和蒸汽聚集在闪蒸罐6的顶部，通过闪蒸罐6顶部的低压蒸汽管流入到蒸汽压缩机8中，闪蒸罐6底部出口的饱和水通过补水阀7流入蒸汽压缩机8中，饱和蒸汽在蒸汽压缩机8中被压缩同时被从补水调节阀9流入蒸汽压缩机8的自来水冷却形成高温高压的标准蒸汽，标准蒸汽通过蒸汽管从蒸汽压缩机8中被排出流入到指定设备中作为工业蒸汽使用。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，包括复叠式空气能热泵热水器系统与热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统，复叠式空气能热泵热水器系统包括低温级热泵机组、高温级热泵机组，其中，低温级热泵机组连接高温级热泵机组，高温级热泵机组连接热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统。
2.根据权利要求1所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，所述低温级热泵机组包括翅片管蒸发器(1)、低温级压缩机(2)、低温级冷凝器(3)、第一节流阀(11)；其中，低温级冷凝器(3)的冷却出口通过节流管连接第一节流阀(11)的进口，第一节流阀(11)的出口通过蒸发管连接翅片管蒸发器(1)的入口，翅片管蒸发器(1)的出口通过低温管连接低温级压缩机(2)的入口，低温级压缩机(2)的出口通过高温管连接低温级冷凝器(3)的冷却入口。
3.根据权利要求1所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，所述高温级热泵机组包括高温级蒸发器(12)、高温级压缩机(4)、第一高温级冷凝器、第二节流阀(10)；其中，第一高温级冷凝器的冷却出口通过节流管连接第二节流阀(10)的进口，第二节流阀(10)的出口通过蒸发管连接高温级蒸发器(12)的入口，高温级蒸发器(12)的出口通过低温管连接高温级压缩机(4)的入口，高温级压缩机(4)的出口通过高温管连接第一高温级冷凝器的冷却入口；其中，高温级蒸发器(12)是相对翅片管蒸发器(1)而言的。
4.根据权利要求1所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，所述热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统包括第二高温级冷凝器、闪蒸罐(6)、补水阀(7)、蒸汽压缩机(8)、补水调节阀(9)；其中，补水管通过补水调节阀(9)、补水阀(7)连接闪蒸罐(6)的补水口，闪蒸罐(6)的热水出口通过循环管连接第二高温级冷凝器的入口，第二高温级冷凝器的加热出口通过高温水管连接闪蒸罐(6)的热水入口，闪蒸罐(6)的蒸汽出口通过低压蒸汽管连接蒸汽压缩机(8)的蒸汽入口，蒸汽压缩机(8)的蒸汽出口连接蒸汽管，补水管通过补水调节阀(9)连接蒸汽压缩机(8)的补水口，闪蒸罐(6)的补水口通过补水阀(7)连接蒸汽压缩机(8)的补水口。
5.根据权利要求1所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，所述复叠式空气能热泵热水器系统中的工质包括低温级工质和高温级工质，通过低温级热泵机组与高温级热泵机组间工质的换热来提取低温热源热量，并用于热水闪蒸再压缩蒸汽发生系统对应的高温段的温差换热。
6.根据权利要求1所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，低温级热泵机组的低温级冷凝器(3)同时充当高温级热泵机组的高温级蒸发器(12)，根据两个机组运行的工况选用相应的工质。
7.根据权利要求2所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，所述翅片管蒸发器(1)从空气中提取吸收空气能。
8.根据权利要求4所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，所述闪蒸罐(6)用于水汽两相分离，将流入闪蒸罐(6)的高温热水闪蒸成饱和水、饱和蒸汽，并分离输出，饱和蒸汽通过低压蒸汽管输出到蒸汽压缩机(8)，饱和水通过循环管进入高温级热泵机组继续加热，从而循坏产生饱和蒸汽。
9.根据权利要求4所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，所述蒸汽压缩机(8)具有喷水降温功能，通过蒸汽压缩机(8)与补水调节阀(9)将闪蒸罐(6)中输出的饱和蒸汽压缩升温升压成蒸汽。
10.根据权利要求1所述的空气能锅炉蒸汽供应系统，其特征在于，第一高温级冷凝器、第二高温级冷凝器由同一个高温级冷凝器(5)充当。
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