CN109882911B - 一种耦合热泵型热力站 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种耦合热泵型热力站，通过耦合热泵和热管换热器实现降低一次网热水回水温度之目的。耦合性热泵热力站可在运行过程中改变二次网冷水被加热的方式，并且配备运行调节装置，在并联模式下课在整个采暖季运行过程中可以根据一次网热水和二次网冷水入口温度自动改变二次网冷水的流量分配实现系统高效运行。
Description
技术领域
本发明属于暖通空调领域，特别是涉及一种集中供热一次网与二次网进行深度热量交换的热力站。
背景技术
我国北方的供热方式主要有集中供热和分散供热方式，集中供热方式通常以热电厂、锅炉或者工业余热废热为热源，相比分散供热方式具有更显著的节能减排效果，因此集中供热方式成为我国北方的主要供热方式。在集中供热系统中，热力站作为核心装置被广泛使用，来自热源的一次网热水与来自用户的二次网冷水进行换热，目前热力站通常使用板式换热器进行换热，而由于板式换热器需要必须的换热端差，因此一次网热水出口温度只能显著高于二次网冷水入口温度。如果需要在热力站显著的把一次网出口温度显著的降低到低于二次网入口温度的水平，则需要借助热泵等装置。
公开号CN105276653A公布了一种名为“一种集成吸收式热泵和电动热泵的换热机组及方法”，一次侧管(热水侧)依次经过吸收式热泵的发生器、水水换热器、吸收式热泵蒸发器和电动热泵蒸发器，二次侧管(冷水侧)采用并联或者串联方式进入电动热泵冷凝器、吸收式热泵吸收器和冷凝器以及水水换热器，该专利中吸收式热泵和电动热泵为两套独立的热泵系统，仅通过热泵外部的热水和冷水管路进行串联或者并联实现热水和冷水的换热过程。该专利虽然可以实现热水的出口温度低于冷水入口温度的目的，但是吸收式热泵与电动热泵内部没有换热过程，由于每次换热过程都存在换热的不可逆损失，所以系统的总损较大。本申请提出了一种新型基于吸收式循环和压缩式循环的耦合热泵型热力站系统，显著的减少了系统的总/>损和热力站耗电量。本申请所述系统与该对比文件的显著性区别在于吸收式循环的蒸发器与压缩式循环的冷凝器直接进行换热，而不是分别与一次水和二次水进行换热，因此电动热泵的冷凝温度大幅度下降，在相同的一次网出口温度时压缩式循环性能大幅度提升，进而显著的减少该系统的耗电量。此外，本申请所述系统可在运行过程中切换二次网冷水被加热的方式，并在整个采暖季可根据一次网热水和二次网冷水入口温度自动调节内部运行工况，进而实现不同时间下系统耗电量实时最低之目的。
实用新型内容
该发明提出了一种基于耦合热泵的热力站系统，采用创造性流程显著降低集中供热系统一次网热水出口温度。在该热力站中，吸收式热泵与电动热泵耦合为一个热泵，相比吸收式热泵与电动热泵独立方式显著的减少了一次网热水的降温过程不可逆损失，进而在相同的一次网和二次网供回水温度下显著的降低热力站的耗电量。同时，该系统可采用根据气温自调节运行方法，可以根据一次网和二次网入口水温自动调节运行工况实现系统性能最优。
一种耦合热泵型热力站包括发生器5、冷凝器6、吸收器7、蒸发冷凝器8、蒸发器10、电动压缩机11、热管换热器9、节流装置A12、节流装置B13、溶液换热器14、阀门A15、阀门B16、阀门C17、阀门D18、阀门E19、阀门F20、运行调节器21及连接管路组成。其内部循环工质由吸收剂、制冷剂A和制冷剂B组成，其中吸收剂与制冷剂A组成溶液工质对。
该系统流程由耦合热泵循环、一次网热水放热过程和二次网冷水吸热过程构成。
所述耦合热泵型热力站耦合热泵循环，发生器5与溶液换热器14和冷凝器6相连，一次网热水在发生器5中加热稀溶液，稀溶液沸腾变成浓溶液，同时产生制冷剂A蒸汽进入冷凝器6。
所述耦合热泵型热力站耦合热泵循环，吸收器7与溶液换热器14和蒸发冷凝器8相连，浓溶液吸收制冷剂A蒸汽过程释放的热量用于加热二次网冷水，同时浓溶液变成稀溶液后离开吸收器7。
所述耦合热泵型热力站耦合热泵循环，冷凝器6与发生器5和节流装置A12相连，来自发生器5的制冷剂A蒸汽被二次网冷水冷却后变成液态，然后离开冷凝器6进入节流装置A12，冷凝过程释放的热量用以加热二次网冷水。
所述耦合热泵型热力站耦合热泵循环，蒸发冷凝器8与吸收器7、电动压缩机11、节流装置A12和节流装置B13相连，制冷剂A经过节流装置A12后减温减压，然后经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面，同时经过电动压缩机11压缩的制冷剂B蒸汽在水平传热管管内流动，由于制冷剂B蒸汽温度高于制冷剂A，制冷剂B蒸汽冷凝和制冷剂A蒸汽蒸发过程同时进行，汽态制冷剂A离开蒸发冷凝器10后进入电动压缩机11，液态制冷剂B离开蒸发冷凝器10后进入节流装置B13。
所述耦合热泵型热力站耦合热泵循环，蒸发器10与电动压缩机11和节流装置B13相连，液态制冷剂B被一次网热水加热蒸发，汽态的制冷剂B进入电动压缩机11。
所述耦合热泵型热力站一次网热水放热过程由3次放热过程实现，一次网热水依次经过发生器5水平管内空间、热管换热器9和蒸发器10水平管内空间被逐级降温。
所述耦合热泵型热力站二次网冷水吸热过程由三种组合方式可以在运行过程中自由切换，通过阀门A15、阀门B16、阀门C17、阀门D18、阀门E19和阀门F20的开关组合可以切换二次网冷水被加热的方式。
所述耦合热泵型热力站运行调节器21，依据在整个采暖季不同的热力站一次网热水和二次网冷水入口温度下，依照预设的运行控制策略控制阀门A15和阀门B16的开度，改变二次网冷水在耦合热泵和热管换热器9的吸热量，并改变耦合热泵的运行工况，进而实现在采暖季不同时间该热力站系统耗电量最低的运行工况。
所述耦合热泵型热力站热管换热器9实现一次网热水与二次网冷水的换热过程，采用热管换热器9实现一次网热水出口与二次网冷水入口的小端差换热目的。
所述耦合热泵型热力站各组成部分原理如下：
(1)耦合热泵循环
耦合热泵循环包括发生器5、冷凝器6、吸收器7、蒸发冷凝器8、蒸发器10、电动压缩机11、节流装置A12、节流装置B13及连接管路组成。发生器5实现稀溶液被加热沸腾产生制冷剂A蒸汽并变成浓溶液的过程，来自吸收器7的稀溶液经过溶液换热器14后进入发生器5，稀溶液经过喷嘴喷淋在水平传热管的外部，自上而下的流动过程中被加热浓缩并产生制冷剂A蒸汽，浓溶液离开发生器5后经溶液换热器14后进入吸收器7。浓溶液在吸收器7中经过喷嘴喷淋在水平传热管的外壁面，自上而下的流动过程中吸收来自蒸发冷凝器8水平管外空间的制冷剂A蒸汽变成稀溶液后离开吸收器7。发生器5产生的制冷剂A蒸汽在冷凝器6的水平管外空间冷凝成为液态，液态制冷剂A离开冷凝器6后经过节流装置A12后进入蒸发冷凝器8经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面被加热变成制冷剂A蒸汽后离开蒸发冷凝器8再进入吸收器7；同时经过电动压缩机11被压缩后的制冷剂B蒸汽在蒸发冷凝器8的水平管内空间被冷却后变成液态，液态制冷剂B离开蒸发冷凝器8后经过节流装置B13后进入蒸发器10，液态制冷剂B经过喷嘴喷淋在水平管管外空间被加热变成汽态，汽态制冷剂B离开蒸发器10后进入电动压缩机11被压缩后进入蒸发冷凝器8。
(2)一次网热水放热过程
一次网热水依次经过发生器5水平管内空间、热管换热器9和蒸发器10水平管内空间被降温后离开。
(3)二次网冷水吸热过程
在该系统运行过程中，可以通过阀门A15、阀门B16、阀门C17、阀门D18、阀门E19和阀门F20的开关状态切换实现不同的换热过程。三种换热方式分别为：
①阀门A15、阀门D18和阀门E19开启，同时阀门B16、阀门C17和阀门F20关闭，二次网冷水依次串联经过吸收器7的水平管内空间、冷凝器6的水平管内空间和热管换热器9被逐级加热；
②阀门B16、阀门C17和阀门F20开启，同时阀门A15、阀门D18和阀门E19关闭，二次网冷水依次串联经过热管换热器9、吸收器7的水平管内空间、冷凝器6的水平管内空间被逐级加热；
③阀门A15、阀门B16、阀门E19、阀门F20开启，同时阀门C17和阀门D18关闭，二次网冷水同时并联进入耦合热泵和热管换热器9被分别加热后再汇合离开热力站。
在该运行模式下，可通过改变阀门A15和阀门B16各自的开度控制二次网冷水的流量分配。在整个采暖季运行过程中，一次网热水和二次网冷水的温度会产生显著变化，通过一次网热水和二次网冷水入口的温度通过运行调节器21可以调节阀门A15和阀门B16的各自开度控制并联两路的流量，实现该热力站系统的耗电量最低。
所前所述，耦合热泵循环的内部工作介质由吸收剂、制冷剂A和制冷剂B组成，其中制冷剂A与制冷剂B可以采用相同介质或采用不同介质。吸收剂与制冷剂A的组合可以选择无机盐-水、无机盐-醇类、氨类-水或者沸点不同的两种氟利昂。
附图说明
图1是一种耦合热泵型热力站。
附图标记：
1-一次网入口，2-一次网出口，3-二次网入口，4-二次网出口，5-发生器，6-冷凝器，7-吸收器，8-蒸发冷凝器，9-热管换热器，10-蒸发冷凝器，11-电动压缩机，12-节流装置A，13-节流装置B，14-溶液换热器，15-阀门A，16-阀门B，17-阀门C，18-阀门D，19-阀门E，20-阀门F，21-运行调节器。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以耦合热泵内部循环工质为：吸收剂为二甲醚四甘醇(DMETEG)，制冷剂A和制冷剂B均为三氟二氯乙烷(R123)。该系统运行原理及方式如下：
耦合热泵循环包括发生器5、冷凝器6、吸收器7、蒸发冷凝器8、蒸发器10、电动压缩机11、节流装置A12、节流装置B13及连接管路组成。发生器5实现稀溶液被加热沸腾产生三氟二氯乙烷蒸汽并变成浓溶液的过程，来自吸收器7的稀溶液经过溶液换热器14后进入发生器5，稀溶液经过喷嘴喷淋在水平传热管的外部，自上而下的流动过程中被加热浓缩并产生三氟二氯乙烷蒸汽，浓溶液离开发生器5后经溶液换热器14后进入吸收器7。浓溶液在吸收器7中经过喷嘴喷淋在水平传热管的外壁面，自上而下的流动过程中吸收来自蒸发冷凝器8水平管外空间的三氟二氯乙烷蒸汽变成稀溶液后离开吸收器7。发生器5产生的三氟二氯乙烷蒸汽在冷凝器6的水平管外空间冷凝成为液态，液态三氟二氯乙烷离开冷凝器6后经过节流装置A12后进入蒸发冷凝器8经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面被加热变成三氟二氯乙烷蒸汽后离开蒸发冷凝器8再进入吸收器7；同时经过电动压缩机11被压缩后的三氟二氯乙烷蒸汽在蒸发冷凝器8的水平管内空间被冷却后变成液态，液态三氟二氯乙烷离开蒸发冷凝器8后经过节流装置B13后进入蒸发器10，液态三氟二氯乙烷经过喷嘴喷淋在水平管管外空间被加热变成汽态，汽态三氟二氯乙烷离开蒸发器10后进入电动压缩机11被压缩后进入蒸发冷凝器8。
一次网热水依次经过发生器5水平管内空间、热管换热器9和蒸发器10水平管内空间被降温后离开。同时，二次网冷水可以通过阀门A15、阀门B16、阀门C17、阀门D18、阀门E19和阀门F20的开关状态切换实现不同的被加热的过程。三种换热方式分别为：
①阀门A15、阀门D18和阀门E19开启，同时阀门B16、阀门C17和阀门F20关闭，二次网冷水依次串联经过吸收器7的水平管内空间、冷凝器6的水平管内空间和热管换热器9被逐级加热；
②阀门B16、阀门C17和阀门F20开启，同时阀门A15、阀门D18和阀门E19关闭，二次网冷水依次串联经过热管换热器9、吸收器7的水平管内空间、冷凝器6的水平管内空间被逐级加热；
③阀门A15、阀门B16、阀门E19、阀门F20开启，同时阀门C17和阀门D18关闭，二次网冷水同时并联进入耦合热泵和热管换热器9被分别加热后再汇合离开热力站。在该运行模式下，可通过改变阀门A15和阀门B16各自的开度控制二次网冷水的流量分配。在整个采暖季运行过程中，一次网热水和二次网冷水的温度会产生显著变化，通过测量一次网热水和二次网冷水入口的温度通过运行调节器21中预设的运行控制策略可以调节阀门A15和阀门B16的各自开度控制并联两路的流量，实现该热力站系统的耗电量最低。一种运行控制策略为：相比设计工况而言，当一次网热水温度升高或二次网热水温度下降时，增加阀门A15开度，并降低阀门B16开度；当一次网热水温度降低或二次网热水温度升高时，降低阀门A15开度，并增加阀门B16开度。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种耦合热泵型热力站，其特征在于：该耦合热泵型热力站包括发生器(5)、冷凝器(6)、吸收器(7)、蒸发冷凝器(8)、蒸发器(10)、电动压缩机(11)、热管换热器(9)、节流装置A(12)、节流装置B(13)、溶液换热器(14)、阀门A(15)、阀门B(16)、阀门C(17)、阀门D(18)、阀门E(19)、阀门F(20)、运行调节器(21)及连接管路组成；该耦合热泵型热力站由耦合热泵循环、一次网热水放热过程和二次网冷水吸热过程构成；
所述耦合热泵循环，发生器(5)与溶液换热器(14)和冷凝器(6)相连，稀溶液被一次网热水加热产生制冷剂A蒸汽；
所述耦合热泵循环，吸收器(7)与溶液换热器(14)和蒸发冷凝器(8)相连，浓溶液吸收制冷剂A蒸汽过程释放的热量用于加热二次网冷水；
所述耦合热泵循环，冷凝器(6)与发生器(5)和节流装置A(12)相连，制冷剂A蒸汽被二次网冷水冷却后变成液态释放热量加热二次网冷水；
所述耦合热泵循环，蒸发冷凝器(8)与吸收器(7)、电动压缩机(11)、节流装置A(12)和节流装置B(13)相连，实现制冷剂A蒸发过程和制冷剂B冷凝过程具体为：
制冷剂A经过节流装置A(12)后减温减压，然后经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面，同时经过电动压缩机(11)压缩的制冷剂B蒸汽在水平传热管管内流动，由于制冷剂B蒸汽温度高于制冷剂A，制冷剂B蒸汽冷凝和制冷剂A蒸汽蒸发过程同时进行，汽态制冷剂A离开蒸发冷凝器(8)后进入电动压缩机(11)，液态制冷剂B离开蒸发冷凝器(8)后进入节流装置B(13)；
蒸发冷凝器(8)采用水平管内外双侧相变传热方式，制冷剂A经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面完成蒸发过程，同时制冷剂B蒸汽在水平传热管管内流动完成冷凝过程；
所述耦合热泵循环，蒸发器(10)与电动压缩机(11)和节流装置B(13)相连，液态制冷剂B被一次网热水加热实现蒸发过程；
所述耦合热泵型热力站一次网热水依次经过发生器(5)水平管内空间、热管换热器(9)和蒸发器(10)水平管内空间被逐级降温；
所述耦合热泵型热力站二次网冷水吸热过程由三种组合方式构成，可在运行过程中通过阀门A(15)、阀门B(16)、阀门C(17)、阀门D(18)、阀门E(19)和阀门F(20)的开关组合实现相互切换；三种运行方式为：
方式一：阀门A(15)、阀门D(18)和阀门E(19)开启，同时阀门B(16)、阀门C(17)和阀门F(20)关闭，二次网冷水依次串联经过吸收器(7)的水平管内空间、冷凝器(6)的水平管内空间和热管换热器(9)被逐级加热；
方式二：阀门B(16)、阀门C(17)和阀门F(20)开启，同时阀门A(15)、阀门D(18)和阀门E(19)关闭，二次网冷水依次串联经过热管换热器(9)、吸收器(7)的水平管内空间、冷凝器(6)的水平管内空间被逐级加热；
方式三：阀门A(15)、阀门B(16)、阀门E(19)、阀门F(20)开启，同时阀门C(17)和阀门D(18)关闭，二次网冷水同时并联进入耦合热泵和热管换热器(9)被分别加热后再汇合；
所述耦合热泵型热力站运行调节器(21)采集一次网和二次网入口温度信号，依照预设的运行控制策略调节阀门A(15)和阀门B(16)各自的开度，进而改变二次网冷水在耦合热泵和热管换热器(9)的吸热量，并改变耦合热泵的运行工况；
具体运行控制策略为：相比设计工况而言，当一次网热水温度升高或二次网热水温度下降时，增加阀门A(15)开度，并降低阀门B(16)开度；当一次网热水温度降低或二次网热水温度升高时，降低阀门A(15)开度，并增加阀门B(16)开度；
所述耦合热泵型热力站热管换热器(9)实现一次网热水与二次网冷水的换热过程。
2.根据权利要求1所述的一种耦合热泵型热力站，其特征在于：耦合热泵内部吸收剂和制冷剂A组成溶液对；吸收剂与制冷剂A的组合选择无机盐-水、无机盐-醇类、氨类-水或者沸点不同的两种氟利昂。
3.根据权利要求1所述的一种耦合热泵型热力站，其特征在于：采用热管换热器(9)实现一次网热水和二次网冷水的直接换热过程。
4.根据权利要求1所述的一种耦合热泵型热力站，其特征在于：耦合热泵内部循环工质由吸收剂、制冷剂A和制冷剂B组成，制冷剂B与制冷剂A相同。
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- 2019-04-16 CN CN201910301612.7A patent/CN109882911B/zh active Active
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|---|---|
| CN109882911A (zh) | 2019-06-14 |
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