CN109631411A - 一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统及热泵加热方法 - Google Patents

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    • F25B41/40—Fluid line arrangements

Abstract

本发明涉及一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，包括：第一热泵循环；复合冷凝发生器：包括冷凝器(3)与发生器(4)，所述的冷凝器(3)用于接收第一热泵循环中的热量并将热量传递至发生器(4)，所述的发生器(4)从冷凝器(3)获取热量并加热制冷剂浓溶液，生成制冷剂气体和制冷剂稀溶液；吸收器(11)：包括吸收器第一换热通道和吸收器第二换热通道，所述的吸收器第一换热通道用于加热高温端，所述的吸收器第二换热通道用于实现制冷剂稀溶液对制冷剂气体的吸收，得到制冷剂浓溶液，制冷剂浓溶液通过高温回路回流发生器(4)。与现有技术相比，本发明结合了两种循环的加热优点，提升了对高温端的加热能力。

Description

一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统及热泵加热方法
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，尤其是涉及一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统及热泵加热方法。
背景技术
热泵技术对于工业应用、农业应用以及家庭供热都有重要意义。所谓热泵技术，就是通过消耗一定的高品位能源，如电能、机械能等，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。目前，在热泵领域中，比较成熟且常见的技术有两类，一类是蒸汽压缩式热泵，另一类是吸收式热泵。
图1为普通的蒸汽压缩循环。蒸汽压缩式热泵运行时，低温低压的液态制冷剂在蒸发器内吸热蒸发为低温低压的气体，经由压缩机压缩后变为高温高压气体，在冷凝器中放热冷凝，冷凝后的液体经由膨胀阀膨胀降压后回到蒸发器。对于蒸汽压缩式热泵来说，在中低温供热领域内性能较好，若要实现高温制热，则会受到压缩机的限制。过高的冷凝温度导致压缩机排气压力升高，压缩机的压比增大，从而使得压缩机排气温度大幅度增加，可能导致润滑油变质，还有烧毁电机的风险，同时压缩机自身的效率也会下降，导致热泵系统的制热量和效率急剧下滑。如天津大学刘昭云研究发现，制约压缩机高温化的主要原因就是压缩机润滑油的热稳定性以及压缩机排气温度的限制，并提出通过双级压缩可以降低压缩机排气温度并且改善系统性能。[刘昭云.蒸汽压缩式中高温热泵系统性能优化研究[D].天津大学,2013.]。但是对于双级蒸汽压缩热泵系统来说，尽管双级压缩降低了压比，但是对于高温制热，高冷凝温度所需的高排气压力依旧受到压缩机的限制。
图2为压缩吸收热泵循环。压缩吸收式热泵运行时，对于制冷剂循环，在发生器中，制冷剂浓溶液从中温流体中吸收热量，蒸发出低温低压的制冷剂气体，经由压缩机，压缩为高温高压的气体后到吸收器中被吸收，同时放出热量；对于溶液循环，在发生器中，蒸发出制冷剂的稀溶液经由泵升压后到达吸收器，而吸收了制冷剂的浓溶液则膨胀降压后回到发生器。压缩吸收循环最大的特点是使用了制冷剂和吸收剂工质对，相比纯工质，在相同温度下，溶液对应的压缩机排气压力较低，所以可适当降低压缩机排气温度，但是在大温升时或在高温情况下运行时，系统性能依然会受限于压缩机。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统及热泵加热方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，包括：复合冷凝发生器：包括冷凝器与发生器，所述的冷凝器与发生器分别为复合冷凝发生器的两个换热通道，，所述的发生器用于从冷凝器获取热量并加热制冷剂浓溶液，生成制冷剂气体和制冷剂稀溶液；第一热泵循环：用于将低温端的热量传递至冷凝器中；吸收器：包括吸收器第一换热通道和吸收器第二换热通道，所述的吸收器第一换热通道用于加热高温端，所述的吸收器第二换热通道用于制冷剂稀溶液对制冷剂气体的吸收，产生热量并传递至吸收器第二换热通道；高温回路：其中制冷剂浓溶液自吸收器第二换热通道流向发生器；低温回路：其中制冷剂稀溶液自发生器流向吸收器第二换热通道；压缩回路：其中制冷剂气体自发生器经过压缩后流向吸收器第二换热通道。
进一步地，所述的蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统中还包括中间换热器，所述的中间换热器包括中间换热器第一换热通道和中间换热器第二换热通道，所述的中间换热器第一换热通道和中间换热器第二换热通道分别设于高温回路和低温回路中。
进一步地，所述的高温回路中还设有第二膨胀阀，所述的第二膨胀阀一端与中间换热器第一换热通道连接，另一端与发生器连接，所述的第二膨胀阀用于对中间换热器第一换热通道流出的制冷剂浓溶液进行节流减压。
进一步地，所述的低温回路中还设有溶液泵，所述的溶液泵一端与发生器连接，另一端与中间换热器第二换热通道连接，所述的溶液泵用于对发生器中生成的制冷剂稀溶液进行加压。
进一步地，所述的压缩回路中包括第一冷却器、第二压缩机、第二冷却器和第三压缩机，发生器中生成的制冷剂气体依次通过第一冷却器、第二压缩机、第二冷却器和第三压缩机后流向吸收器第二换热通道。
进一步地，所述的第一热泵循环包括蒸发器，所述的蒸发器包括第一换热通道和蒸发器第二换热通道，所述的蒸发器第一换热通道用于从低温端吸收热量并传递至蒸发器第二换热通道，所述的蒸发器第二换热通道通过管路穿过发生器并返回至蒸发器第二换热通道，以此构成换热循环。
进一步地，所述的第一热泵循环中还设有第一膨胀阀，所述的第一膨胀阀一端与冷凝器连接，另一端与蒸发器第二换热通道连接。
进一步地，所述的第一热泵循环中还设有第一压缩机，所述的第一压缩机一端与蒸发器第二换热通道连接，另一端与冷凝器连接。
一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环的热泵加热方法，包括以下过程：
第一次循环换热：通过一次热泵循环从低温端吸收热量并将热量通过换热的方式传递至发生器中；发生过程：利用第一次循环换热过程获得的热量加热制冷剂浓溶液，生成制冷剂气体和制冷剂稀溶液；多级冷却压缩过程：将发生过程生成的制冷剂气体，进行多级冷却与压缩，得到冷却压缩后的制冷剂气体；吸收过程：通过制冷剂稀溶液吸收冷却压缩后的制冷剂气体，得到制冷剂浓溶液并释放热量，利用获得的热量加热高温端，所述的制冷剂稀溶液来自于发生器，所述的冷却压缩后的制冷剂气体来自多级冷却压缩过程。进一步地，发生过程中加热制冷剂浓溶液前先通过膨胀阀对制冷剂浓溶液进行节流减压。
本发明从换热循环方面来讲，可以包括以下几个循环：
蒸汽压缩循环：蒸发器与低温流体换热，蒸发出低温低压的制冷剂气体，经过第一压缩机压缩后成为高温高压的气体，之后在冷凝器中放热冷凝，冷凝后的制冷剂液体通过第一膨胀阀降压降温回到蒸发器中，蒸汽压缩循环完成。
蒸汽压缩循环和液体吸收循环通过一个冷凝发生器实现复叠。
液体吸收循环：包括制冷剂循环和溶液循环，对于制冷剂循环，发生器吸收冷凝器的热量，蒸发出制冷剂气体，此时的制冷剂气体具有较大的过热度，故先通过第一冷却器进行降温，再进入第二压缩机压缩，第二压缩机排出的制冷剂高温气体同样经过第二冷却器降温，最后进入第三压缩机压缩，压缩后的高温高压气体进入吸收器中，被吸收剂吸收，同时放出热量加热高温流体
溶液循环：蒸发出制冷剂气体的发生器稀溶液通过泵升压成为过冷液体，再通过中间换热器加热后进入吸收器，在吸收器中吸收制冷剂后成为浓溶液，之后经过中间换热器降温，最后通过第二膨胀阀降压后进入发生器中，液体吸收循环完成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明将蒸汽压缩循环和液体吸收循环相结合，提出了一种新型的复叠循环，同时在液体吸收循环中采用了两级压缩加两次冷却，不仅可以实现较大的温度提升，还可以在高温制热时大幅度降低压缩机的排气温度，全方位提升系统性能。
2.将蒸汽压缩循环和液体吸收循环复叠，结合了两种循环的优点，低温级采用蒸汽压缩循环，具有高效率、低成本等优势；高温级采用液体吸收循环，利用了溶液同温度下相比纯工质压力偏低的特性，降低了压缩机的排气压力，同时使用了两级压缩加两次冷却，有效降低了压缩机的排气温度，在高温制热工况下，如制取高温液体或蒸汽时，具有较高效率。
3.本发明中复叠循环使得系统有非常大的温度提升，即使没有中温热源，也能制取高温热量。
附图说明
图1为现有技术中的蒸汽压缩循环的结构示意图。
图2为现有技术中压缩吸收循环的结构示意图。
图3所示为本发明专利循环的原理示意图。
图中：1、蒸发器，2、第一膨胀阀，3、冷凝器，4、发生器，5、第二膨胀阀，6、第一冷却器，7、第二压缩机，8、第二冷却器，9、第三压缩机，10、泵，11、吸收器，12、中间换热器，13、第一压缩机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统的具体组成，参见图3：
复合冷凝发生器：包括冷凝器3与发生器4，所述的冷凝器3与发生器4分别为复合冷凝发生器的两个换热通道，两个换热通道间可以相互换热，所述的发生器4用于从冷凝器3获取热量并加热制冷剂浓溶液，生成制冷剂气体和制冷剂稀溶液。
第一热泵循环：用于将低温端的热量传递至冷凝器3中，第一热泵循环包括：蒸发器1：包括蒸发器1第一换热通道和蒸发器1第二换热通道，所述的蒸发器1第一换热通道用于从低温端吸收热量并传递至蒸发器1第二换热通道，所述的蒸发器1用于蒸发来自冷凝器3的制冷剂液体；所述的蒸发器1包括第一换热通道和蒸发器1第二换热通道，所述的蒸发器1第一换热通道用于从低温端吸收热量并传递至蒸发器1第二换热通道，所述的蒸发器1第二换热通道通过管路穿过发生器4并返回至蒸发器1第二换热通道，以此构成换热循环。
蒸发回路：其中的制冷剂液体自冷凝器3流向蒸发器1的第二换热通道；冷凝回路：其中的制冷剂气体自蒸发器1的第二换热通道流向冷凝器3。所述的蒸发回路中设有第一膨胀阀2，所述的第一膨胀阀2一端与冷凝器3连接，另一端与蒸发器1第二换热通道连接。所述的冷凝回路中设有第一压缩机13，所述的第一压缩机13一端与蒸发器1第二换热通道连接，另一端与冷凝器3连接。
吸收器11：包括吸收器第一换热通道和吸收器第二换热通道，所述的吸收器第一换热通道用于加热高温端，所述的吸收器第二换热通道用于制冷剂稀溶液对制冷剂气体的吸收，产生热量并传递至吸收器第二换热通道。
高温回路：其中制冷剂浓溶液自吸收器第二换热通道流向发生器4，其中设有第二膨胀阀5，所述的第二膨胀阀5一端与中间换热器第一换热通道连接，另一端与发生器4连接，所述的第二膨胀阀5用于对中间换热器第一换热通道流出的制冷剂浓溶液进行节流减压。
低温回路：其中制冷剂稀溶液自发生器4流向吸收器第二换热通道，其中低温回路中还设有溶液泵10，所述的溶液泵10一端与发生器4连接，另一端与中间换热器第二换热通道连接，所述的溶液泵10用于对发生器4中生成的制冷剂稀溶液进行加压。
压缩回路：其中制冷剂气体自发生器4经过压缩后流向吸收器第二换热通道，压缩回路中包括第一冷却器6、第二压缩机7、第二冷却器8和第三压缩机9，发生器4中生成的制冷剂气体依次通过第一冷却器6、第二压缩机7、第二冷却器8和第三压缩机9后流向吸收器第二换热通道。
中间换热器12：包括中间换热器第一换热通道和中间换热器第二换热通道，所述的中间换热器第一换热通道和中间换热器第二换热通道分别设于高温回路和低温回路中。
在具体运行过程中，主要分为以下几个阶段：
第一次循环换热阶段：低温流体从蒸发器1第一换热通道的一端流入，并从另一端流出，该过程从低温端换得热量，并将该热量传至蒸发器1第二换热通道，蒸发器1第二换热通道接入至蒸发循环中，在蒸发循环中，制冷剂气体，首先经过冷凝器3冷凝后，依次通过第一膨胀阀2，之后再通过蒸发器1第二换热通道并在其中蒸发，之后经过压缩机压缩后再次通回冷凝器3。
发生阶段：在发生器4中，通过加热制冷剂浓溶液获得制冷剂稀溶液和，制冷剂气体，其中制冷剂稀溶液，首先通过溶液泵10进行加压，之后通过中间换热器第二换热通道，最后进入吸收器1的第二换热通道，其中制冷剂气体依次通过第一冷却器6，第二压缩机7，第二冷却器8和第三压缩机9，之后进入吸收器11的第二换热通道。由吸收器第二换热通道产生成的制冷剂浓溶液首先通入中间换热器第一换热通道，之后经过第二膨胀阀5最后流入发生器4的第二换热通道，以此完成制冷剂浓溶液的循环供给。
中间换热阶段：制冷剂浓溶液自吸收器11去向第二膨胀阀5前先通入中间换热器第一换热通道，制冷剂稀溶液自溶液泵10去向吸收器11前先通入换热器12第二换热通道，与中间换热器第一换热通道中的制冷剂浓溶液进行换热。
吸收阶段：泵10将来自于发生器4的制冷剂稀溶液加压并去向吸收器11，在吸收器11中制冷剂稀溶液对制冷剂气体进行吸收并释放热量，其中制冷剂气体来自于第三压缩机9，并将获得的热量用于高温端的加热。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，包括：
第一热泵循环：用于通过换热循环从低温端吸收热量；
复合冷凝发生器：包括冷凝器(3)与发生器(4)，所述的冷凝器(3)用于接收第一热泵循环中的热量并将热量传递至发生器(4)，所述的发生器(4)从冷凝器(3)获取热量并加热制冷剂浓溶液，生成制冷剂气体和制冷剂稀溶液；
压缩回路：其中制冷剂气体自发生器(4)经过压缩后流向吸收器第二换热通道；
低温回路：其中制冷剂稀溶液自发生器(4)流向吸收器第二换热通道；
吸收器(11)：包括吸收器第一换热通道和吸收器第二换热通道，所述的吸收器第一换热通道用于加热高温端，所述的吸收器第二换热通道用于实现制冷剂稀溶液对制冷剂气体的吸收，得到制冷剂浓溶液，制冷剂浓溶液通过高温回路回流发生器(4)，所述的吸收器第二换热通道产生热量并传递至吸收器第一换热通道。
2.根据权利要求1所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，所述的蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统中还包括中间换热器(12)，所述的中间换热器包括中间换热器第一换热通道和中间换热器第二换热通道，所述的中间换热器第一换热通道和中间换热器第二换热通道分别设于高温回路和低温回路中。
3.根据权利要求2所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，所述的高温回路中设有第二膨胀阀(5)，所述的第二膨胀阀(5)依次与中间换热器第一换热通道和吸收器第二换热通道串联，所述的第二膨胀阀(5)用于对中间换热器第一换热通道流出的制冷剂浓溶液进行节流减压。
4.根据权利要求3所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，所述的低温回路中还设有溶液泵(10)，所述的溶液泵(10)一端与发生器(4)连接，另一端与中间换热器第二换热通道连接，所述的溶液泵(10)用于对发生器(4)中生成的制冷剂稀溶液进行加压。
5.根据权利要求4所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，所述的压缩回路中包括第一冷却器(6)、第二压缩机(7)、第二冷却器(8)和第三压缩机(9)，发生器(4)中生成的制冷剂气体依次通过第一冷却器(6)、第二压缩机(7)、第二冷却器(8)和第三压缩机(9)后流向吸收器第二换热通道。
6.根据权利要求1所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，所述的第一热泵循环包括蒸发器(1)，所述的蒸发器(1)包括第一换热通道和蒸发器(1)第二换热通道，所述的蒸发器(1)第一换热通道用于从低温端吸收热量并传递至蒸发器(1)第二换热通道，所述的蒸发器(1)第二换热通道通过管路穿过发生器(4)并返回至蒸发器(1)第二换热通道，以此构成换热循环。
7.根据权利要求6所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，所述的第一热泵循环中还设有第一膨胀阀(2)，所述的第一膨胀阀(2)一端与冷凝器(3)连接，另一端与蒸发器(1)第二换热通道连接。
8.根据权利要求7所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环系统，其特征在于，所述的第一热泵循环中还设有第一压缩机(13)，所述的第一压缩机(13)一端与蒸发器(1)第二换热通道连接，另一端与冷凝器(3)连接。
9.一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环的热泵加热方法，其特征在于，包括以下过程：
第一次循环换热：通过一次热泵循环从低温端吸收热量并将热量通过换热的方式传递至发生器(4)中；
发生过程：利用第一次循环换热过程获得的热量加热制冷剂浓溶液，生成制冷剂气体和制冷剂稀溶液；
多级冷却压缩过程：将发生过程生成的制冷剂气体，进行多级冷却与压缩，得到冷却压缩后的制冷剂气体；
吸收过程：通过制冷剂稀溶液吸收冷却压缩后的制冷剂气体，得到制冷剂浓溶液并释放热量，利用获得的热量加热高温端，所述的制冷剂稀溶液来自于发生器(4)，所述的冷却压缩后的制冷剂气体来自多级冷却压缩过程。
10.根据权利要求9所述的一种蒸汽压缩与液体吸收复叠循环的热泵加热方法，其特征在于，发生过程中加热制冷剂浓溶液前先通过膨胀阀对制冷剂浓溶液进行节流减压。
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