CN110057129A - 一种耦合热泵换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高效的提取冷水的热量用于加热热水的高效换热器，将三级压缩过程、稀释‑再生过程以及热管换热器耦合实现该换热过程。该高效换热器可以根据换热的参数要求选择一种或者多种成分组成循环工质。同时，两级压缩机可以采用汽轮机或者电机驱动，相比现有换热方式而言，可实现在“热侧与冷侧温差大”和“热侧出口温度高”的极限工况下高效工作，具有显著的性能优势。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，特别是涉及冷水与热水进行热量交换的换热器。
背景技术
在能源利用领域广泛存在大量的热量交换过程，热量的传递过程可以归纳为从高温流体向低温流体传递或者从低温流体向高温流体传递。根据牛顿第二定律，热量可以自发的从高温物体传向低温物体，仅使用普通换热器即可实现；如果需要将热量从低温物体传向高温物体则需要消耗一定的代价，往往需要消耗一定量的高品位能源，比如电力、高温度的蒸汽或者热水等，需要使用热泵、引射装置等。在现有技术中，采用热泵技术由于其较高的效率和可靠性得到了市场的认可和应用。热泵技术中按原理分为吸收式热泵或者压缩式热泵方式，其中吸收式热泵又分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵，第一类吸收式热泵需要消耗高品位能量将低温物体的热量大量传输给高温物体，也称为增热型热泵，而第二类热泵不需要消耗高品位能量，而需要比低温物体更低温度的冷源，提取低温物体的少量热量将高温物体继续升温，也称为升温型热泵；压缩式热泵需要消耗机械功，通过逆卡诺循环实现热量从低温物体传向高温物体。吸收式热泵受热力循环以及工质物性的限制，只能将高温物体进行有限温度提升，而压缩式热泵受热力循环及工质物性限制，在对高温物体进行大幅度温升时循环效率急剧下降，需要进行大量做功。因此吸收式热泵与压缩式热泵只能工作在各自性能较为优越的工作范围，进而限制了热泵在低温物体向高温物体传热过程的应用，即在“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的工况下，现有的热泵技术无法满足需求。
为了解决上述的应用难题，该发明提出了一种采用稀释-再生过程、三级压缩过程和热管换热器实现热量从低温物体向高温物体的新型高效传递换热器。
发明内容
为了满足“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的换热需求，该发明将稀释-再生过程、蒸汽压缩机和热管换热器有机结合实现热量从低温物体向高温物体的高效传递。该换热器包括再生冷凝器1、冷凝器2、稀释蒸发器3、蒸发器4、蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6、蒸汽压缩机7、节流阀8、节流阀9、循环泵10、循环泵11、热管换热器12、热水管路13、冷水管路14、循环泵15和连接管路构成。其内部循环工质包括工质A、工质B和工质C，其中工质A和工质B组成工质对，工质A为固体或者液体工质，工质B为液体工质，工质A溶解于工质B中形成溶液。工质C为液体工质，可选用与工质B相同或者不同的成分。
各个组成单元的原理和运行方式为：
再生冷凝器1实现水平管内工质C冷凝放热和水平管外溶液吸热至沸腾产生工质B蒸汽的过程，稀溶液经喷嘴喷洒在传热管的外表面，受重力作用自上而下的流动过程中不断的沸腾变成浓溶液后离开，该过程在1(a)空间进行，同时在传热管内部的工质C蒸汽从水平管左侧进入，在流动过程中不断冷凝变成液态后从水平管右侧离开，该过程在1(b)空间进行。
冷凝器2实现在传热管外部工质B从汽态变为液态的冷凝过程，同时释放热量加热热水管路12内的热水。
稀释蒸发器3实现工质A和工质B组成的浓溶液吸收工质B蒸汽变成稀溶液的过程，浓溶液经液体分布器15后在垂直传热管外部自上而下流动过程中利用工质B蒸汽的冷凝热加热垂直管内的工质C由液态变为汽态，汽态的工质C从垂直传热管内部上方离开，未变成汽态的液态工质C经循环泵15继续返回垂直传热管上方进行蒸发过程。其中工质A和工质B组成的浓溶液吸收工质B蒸汽在空间3(b)完成，工质C的蒸发过程在蒸发空间3(a)完成。
蒸发器4实现液态工质B由液态变成汽态的蒸发过程，液态工质B经喷嘴喷洒在水平传热管外部，自上而下流动过程中被水平管内的冷水加热而蒸发，工质B变为汽态后离开。
蒸汽压缩机5实现对来自稀释蒸发器3的工质C蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。
蒸汽压缩机6实现对来自蒸发器4的工质B蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。
蒸汽压缩机7实现对来自再生冷凝器1的工质B蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。
节流阀8和节流阀9分别实现对液态的工质C和工质B减温减压的目的。
循环泵10实现在蒸发器4底部未蒸发的液态工质B再次循环返回蒸发器4顶部继续在水平管外蒸发的过程。
循环泵11实现将离开稀释蒸发器3的稀溶液加压送至热管换热器12后被升温后进入再生器1的目的。
热管换热器12实现稀溶液在进入再生器1之前被预热的目的，采用热管换热方式可以显著提升预热的效果，进而显著提升换热器效率。
热水经热水管路13内部被升温，冷水经冷水管路14内部被降温。
循环泵15实现将稀释蒸发器3垂直传热管内未蒸发的液态工质C输送至垂直传热管上方再次进行蒸发过程。
耦合热泵换热器内部组成单元的连接方式为：
蒸汽压缩机5与再生冷凝器1和稀释蒸发器3相连。
蒸汽压缩机6与稀释蒸发器3和蒸发器4相连。
蒸汽压缩机7与再生冷凝器1和冷凝器2相连。
再生冷凝器1与蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机7、热管换热器12和节流阀8相连。
冷凝器2与蒸汽压缩机7、节流阀9和热水管路13相连。
稀释蒸发器3与热管换热器12、蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6、循环泵11、和循环泵15相连。
蒸发器4与蒸汽压缩机6、节流阀9、循环泵10和冷水管路相连。
热管换热器12与再生冷凝器1、稀释蒸发器3和循环泵11相连。
耦合热泵的换热器的内部循环过程包含：工质B的蒸发冷凝循环以及工质C的蒸发冷凝循环。
工质B的蒸发冷凝循环原理：工质A和工质B组成的溶液在再生冷凝器1被工质C冷凝释放的热量加热沸腾产生汽态工质B，汽态工质B进入蒸汽压缩机7后被升温升压，汽态工质B进入冷凝器2后被冷却变为液态后离开，液态工质B经过节流阀9后被减温减压后进入蒸发器4被冷水管路14的冷水加热变成蒸汽，工质B蒸汽经蒸汽压缩机6压缩后在稀释蒸发器3中被溶液吸收完成冷凝过程，工质B冷凝后的稀溶液经循环泵11和热管换热器12进入再生冷凝器1后再次产生汽态工质B，如此往复循环。
工质C的蒸发冷凝循环原理：
液态的工质C在稀释蒸发器3内被工质B冷凝释放的热量加热变成汽态，汽态的工质C经过蒸汽压缩机5后压力被提升，汽态工质C在再生冷凝器1的垂直管内空间释放热量变成液态，液态的工质C经过节流阀8被减温减压后进入稀释蒸发器3的垂直管内空间后被加热变成汽态，如此往复循环。
如前所述，蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6和蒸汽压缩机7可以采用汽轮机或者电机驱动，通过消耗外部蒸汽或者电力完成内部循环工质的压缩过程。
对于工质A和工质B而言，工质A的成分需要在工质B中有良好的溶解性，以完成工质B的蒸发和冷凝过程，其中工质A可以由一种、两种或者多种成分组成。对于工质C而言，可以由一种、两种或者多种成分构成。
该发明所述换热器采用了三级蒸汽压缩机，可以显著的提升热水的升温幅度和冷水的降温幅度，同时提升换热器的效率。首先，蒸汽压缩机5实现对工质C蒸汽进行压缩，实现其温度和压力的大幅度提升，提升浓溶液浓度和降低稀溶液浓度；其次，蒸汽压缩机6实现对工质B蒸汽的压缩，降低了蒸发器4的需要冷水温度，可以利用更低温的冷水加热至蒸发；最后，蒸汽压缩机7对工质B蒸汽进行压缩，可以提升冷凝器2的冷凝温度，进而提升热水的出口温度。
该换热器满足了“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的换热需求。
附图说明
图1是一种耦合热泵换热器流程图。
图2是一种耦合热泵换热器实施例流程图。
附图标记：1-再生冷凝器，1(a)-再生空间，1(b)-冷凝空间，2-稀释蒸发器，3-蒸发器，3(a)-蒸发空间，3(b)-稀释空间，4-蒸发器，5-蒸汽压缩机，6-蒸汽压缩机，7-蒸汽压缩机，8-节流阀，9-节流阀，10-循环泵，11-循环泵，12-热管换热器，13-热水管路，14-冷水管路，15-循环泵，16-液体分布器，17-电机，18-电机，19-汽轮机。
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2，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2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。
以采用工质A为异氰酸正丁酯(NMP)，工质B和工质C均为四氟乙烷(R152a)为例，其中NMP与R152a组合形成溶液，通过溶液中NMP的浓度变化实现R152a的蒸发和冷凝过程。以图2为例，对该耦合热泵换热器的各个部件以及系统的运行原理进行描述：
再生冷凝器1实现水平管内R152a冷凝放热和水平管外溶液吸热至沸腾产生R152a蒸汽的过程，稀溶液经喷嘴喷洒在传热管的外表面，受重力作用自上而下的流动过程中不断的沸腾变成浓溶液后离开，该过程在1(a)空间进行，同时在传热管内部的R152a蒸汽从水平管左侧进入，在流动过程中不断冷凝变成液态后从水平管右侧离开，该过程在1(b)空间进行。
冷凝器2实现在传热管外部R152a从汽态变为液态的冷凝过程，同时释放热量加热热水管路12内的热水。
稀释蒸发器3实现NMP和R152a组成的浓溶液吸收R152a蒸汽变成稀溶液的过程，浓溶液经液体分布器15后在垂直传热管外部自上而下流动过程中利用R152a蒸汽的冷凝热加热垂直管内的R152a由液态变为汽态，汽态的R152a从垂直传热管内部上方离开，未变成汽态的液态R152a经循环泵15继续返回垂直传热管上方进行蒸发过程。其中NMP和R152a组成的浓溶液吸收R152a蒸汽在空间3(b)完成，R152a的蒸发过程在蒸发空间3(a)完成。
蒸发器4实现液态R152a由液态变成汽态的蒸发过程，液态R152a经喷嘴喷洒在水平传热管外部，自上而下流动过程中被水平管内的冷水加热而蒸发，R152a变为汽态后离开。蒸汽压缩机5实现对来自稀释蒸发器3的R152a蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。蒸汽压缩机6实现对来自蒸发器4的R152a蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。蒸汽压缩机7实现对来自再生冷凝器1的R152a蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。节流阀8和节流阀9分别实现对液态的R152a减温减压的目的。循环泵10实现在蒸发器4底部未蒸发的液态R152a再次循环返回蒸发器4顶部继续在水平管外蒸发的过程。循环泵11实现将离开稀释蒸发器3的稀溶液加压送至热管换热器12后被升温后进入再生器1的目的。热管换热器12实现稀溶液在进入再生器1之前被预热的目的，采用热管换热方式可以显著提升预热的效果，进而显著提升换热器效率。热水经热水管路13内部被升温，冷水经冷水管路14内部被降温。循环泵15实现将稀释蒸发器3垂直传热管内未蒸发的液态R152a输送至垂直传热管上方再次进行蒸发过程。
耦合热泵的换热器的内部循环过程两个R152a的蒸发冷凝循：一个是NMP和R152a组成的溶液在再生冷凝器1被水平管内R152a冷凝释放的热量加热沸腾产生汽态R152a后进入蒸汽压缩机7后被升温升压，其进入冷凝器2后被冷却变为液态后离开，液态R152a经过节流阀9后被减温减压后进入蒸发器4被冷水管路14的冷水加热变成蒸汽后经蒸汽压缩机6压缩后在稀释蒸发器3中被溶液吸收完成冷凝过程，冷凝后的稀溶液经循环泵11和热管换热器12进入再生冷凝器1后再次产生汽态R152a，如此往复循环。另一个是液态的R152a在稀释蒸发器3的垂直管内被垂直管外的R152a冷凝释放的热量加热变成汽态后经过蒸汽压缩机5后压力被提升，汽态R152a在再生冷凝器1的水平管内空间释放热量变成液态后经过节流阀8被减温减压后进入稀释蒸发器3的垂直管内空间后被加热变成汽态，如此往复循环。
在此实施例中采用电机17和电机18分别驱动蒸汽压缩机7和蒸汽压缩机6，采用汽轮机19驱动蒸汽压缩机5。
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 (6)
1.一种耦合热泵换热器，其特征在于：该换热器包括再生冷凝器1、冷凝器2、稀释蒸发器3、蒸发器4、蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6、蒸汽压缩机7、节流阀8、节流阀9、循环泵10、循环泵11、热管换热器12、热水管路13、冷水管路14、循环泵15和连接管路构成。
如前所述一种耦合热泵换热器，组成部件连接方式为：蒸汽压缩机5与再生冷凝器1和稀释蒸发器3相连。蒸汽压缩机6与稀释蒸发器3和蒸发器4相连。蒸汽压缩机7与再生冷凝器1和冷凝器2相连。再生冷凝器1与蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机7、热管换热器12和节流阀8相连。
冷凝器2与蒸汽压缩机7、节流阀9和热水管路13相连。稀释蒸发器3与热管换热器12、蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6、循环泵11、和循环泵15相连。蒸发器4与蒸汽压缩机6、节流阀9、循环泵10和冷水管路相连。热管换热器12与再生冷凝器1、稀释蒸发器3和循环泵11相连。
如前所述一种耦合热泵换热器，再生冷凝器1实现水平管内工质C冷凝放热和水平管外溶液吸热至沸腾产生工质B蒸汽的过程，稀溶液在传热管的外表面沸腾的再生过程在1(a)空间进行，工质C蒸汽在传热管内部的冷凝过程在1(b)空间进行。冷凝器2实现在传热管外部工质B冷凝加热热水的过程。稀释蒸发器3实现工质A和工质B组成的浓溶液吸收工质B蒸汽的过程，浓溶液经液体分布器15后在垂直传热管外部自上而下流动过程中利用工质B蒸汽的冷凝热加热垂直管内的工质C由液态变为汽态。其中浓溶液吸收工质B蒸汽在稀释空间3(b)完成，工质C的蒸发过程在蒸发空间3(a)完成。蒸发器4实现液态工质B的蒸发过程。蒸汽压缩机5对工质C蒸汽进行压缩，蒸汽压缩机6和蒸汽压缩机7对工质B蒸汽进行压缩。节流阀8和节流阀9分别实现对工质C和工质B减温减压的目的。循环泵10实现未蒸发的液态工质B再次循环蒸发的过程。循环泵11实现稀溶液加压送至热管换热器12被预热目的。热水经热水管路13内部被升温，冷水经冷水管路14内部被降温。循环泵15实现未蒸发的液态工质C再次循环蒸发过程。
如前所述一种耦合热泵换热器内部循环过程包含：工质B的蒸发冷凝循环以及工质C的蒸发冷凝循环：
①工质B的蒸发冷凝循环原理：工质A和工质B组成的溶液在再生冷凝器1被工质C冷凝释放的热量加热沸腾产生汽态工质B，汽态工质B进入蒸汽压缩机7后被升温升压后进入冷凝器2冷凝，液态工质B经过节流阀9后在蒸发器4被冷水加热汽化，工质B蒸汽经蒸汽压缩机6压缩后在稀释蒸发器3中被浓溶液吸收完成冷凝过程，如此往复循环。
②工质C的蒸发冷凝循环原理：液态的工质C在稀释蒸发器3内被工质B冷凝释放的热量加热变成汽态，之后经蒸汽压缩机5进入再生冷凝器1的垂直管内空间释放热量变成液态，然后经过节流阀8被减温减压后进入稀释蒸发器3的垂直管内空间后被加热变成汽态，如此往复循环。
如前所述一种耦合热泵换热器，蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6和蒸汽压缩机7可以分别采用汽轮机或者电机驱动。
如前所述一种耦合热泵换热器，其内部循环循环工质包括工质A、工质B和工质C，其中工质A和工质B组成工质对，工质A为固体或者液体工质，工质B为液体工质，工质A溶解于工质B中形成溶液。工质C为液体工质，可选用与工质B相同或者不同的物质。
2.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：耦合热泵换热器同时采用两级蒸汽压缩机，各级压缩机可以分别采用单级或者双级压缩。
3.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：工质A或工质C分别为纯质或者混合物。
4.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：采用内置的热管换热器对稀溶液进行预热，通过减小稀溶液和浓溶液的温差显著提升稀溶液的预热热量，进而显著的提升换热效率。
5.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：冷凝器2所释放的热量用于加热热水、蒸汽或化工流体介质；再生器1所提取的热量来自冷水、蒸汽或化工流体介质。
6.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：再生冷凝器1、冷凝器2、稀释蒸发器3和蒸发器4分别使用单级或者多级流程。
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