CN113272527A - 热泵设备和包括热泵设备的区域供热网 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热泵设备，其在实现用于冷却时包括兰金循环和卡诺循环部分。兰金循环包括蒸发器(7)，其被配置用于通过直接蒸发使从外部水源(1)接收的水蒸发。膨胀机(7)从蒸发器(21)接收蒸汽并且驱动压缩卡诺循环的流体的压缩机(9)。该流体此后在冷凝器(13b)中冷凝并在吸收器(18)中蒸发。

Description

热泵设备和包括热泵设备的区域供热网

技术领域

本发明总体上涉及热驱动热泵设备。该泵由兰金循环/蒸发器和膨胀机部分在低温下驱动。这是可能的，因为内部压力低，导致例如水在70℃下沸腾。引入到驱动循环中的热能可来自太阳能吸收面板、过剩的过程热或区域供热管网或组合。所生成的气体流体经过膨胀机涡轮，其将热能转换为机械能。机械能通过具有适当传动装置的轴被传递到设备的压缩机循环的压缩机/压缩机部分。机械功率可按各种比率从例如内燃机或电机进一步添加能量。

压缩机在前侧生成真空，从而允许感兴趣的流体蒸发。从进入气相的蒸发液体提取热能。气体被压缩以增加内部压力，从而允许在更高的温度下冷凝。由此将能量从一个地方泵送到另一地方。升高的温度允许在另一过程中使用能量。能量可用于预热兰金循环或简单地用作加热。蒸发过程从流体提取能量，从而使其成为理想的冷却介质。

另外，本发明涉及一种包括热泵设备的区域供热网。

背景技术

上述类型的热泵设备从公开了一种用于冷却和加热的设备的US 6581384 B1以及均公开了一种用于冷却的设备的WO 2007/038921 A1和WO 2011/100974 A1可知。在该已知设备中，流体在封闭循环中流动，即，在设备操作期间不对循环去除或添加流体。换言之，在设备操作期间，没有液体从外部液体源输送到设备的循环，并且没有液体从设备输送到外部液体源。另外，在进入膨胀机之前，通过经由间壁与外部热源热交换来对液体进行加热。

发明内容

本发明的目的在于提供一种满足冷却需要的热泵设备。

另一目的在于提供一种可用于改进区域供热站的性能的通用热泵设备。

另一目的在于提供一种成本有效且可靠的热泵设备。

本发明提供了一种热泵设备，包括：

-蒸发器(例如，蒸发罐)，其被配置为通过直接蒸发使通过液体入口管线和蒸发器入口从外部液体源接收到蒸发室的液体蒸发，蒸发室中的压力低于液体入口管线中的压力并且足够低以用于使进入蒸发室的液体蒸发，即，蒸发室中的压力使得与压力关联的液体的蒸发温度低于通过蒸发器入口进入蒸发室的液体的温度，并且允许生成通过蒸发器蒸气出口60离开蒸发器的加压蒸气，蒸发器另外包括蒸发器液体出口

-膨胀机，其具有膨胀机入口和膨胀机出口，膨胀机入口具有与蒸发器蒸气出口的流体连接以用于接收来自蒸发的加压蒸气以驱动膨胀机，

-压缩机，其具有压缩机入口和压缩机出口，该压缩机在操作上由膨胀机驱动以用于将气体从压缩机入口处的低压低温入口气体压缩为压缩机出口处的高压高温出口气体

-第一冷凝器，其具有第一冷凝器入口和第一冷凝器出口，第一冷凝器入口具有与膨胀机出口的流体连接并且被配置用于使从膨胀机接收的流体冷凝，并且第一冷凝器出口连接到第一液体出口管线。

通过从外部热源(例如，区域供热站的热源)接收的液体的直接蒸发，该热泵设备适合于增加这些站和其它站或系统(例如，工业冷却和加热系统和废液系统)的性能。

直接蒸发应被理解为由蒸发器(蒸发罐)中的真空或部分真空提供的蒸发。

与在热泵系统(例如，所提及的现有技术的热泵系统)内部循环的内部液体相反，外部液体源应被理解为部分被从热泵设备移除和供应到热泵设备的液体。

优选在系统中完全使用水作为介质，但是很容易想到其它介质，特别是天然介质。使用包含热能的相同介质(例如，区域供热水)并使水蒸发从而驱动膨胀机允许直接蒸发策略，从而不再使用热交换器。使例如区域供热水直接在蒸发单元内减压允许在比使用热交换器低大约5℃的温度下蒸发。与75℃相比，允许在70℃下蒸发的效率存在显著差异。通过在热系统和设备的兰金循环/蒸发器和膨胀机部分二者中使用相同的介质，直接冷凝也是可能的。可以想到一个示例，其中前向区域供热水(高温)用于直接蒸发，使蒸气进入膨胀机，并且使用回水(低温)直接向膨胀机的排气中喷雾，从而导致直接冷凝。同样，允许在与使用热交换器/冷凝器相比更高的温度下冷凝。在本发明的压缩侧，如果所实现的压力水平足够高以允许使用回水冷凝，则直接冷凝也是可能的。利用该设置，用于驱动系统的几乎所有能量被保持在区域供热管网内。其还允许转移本发明的冷却能力被输送至区域供热管网。对于使用区域供热或来自例如生产过程的余热的情况，本发明使用高温管线以两个方式驱动兰金循环。当执行蒸发时，进水温度例如从80℃降低到75℃。该水可返回到管网，从而降低前向串的总体温度。回水管线的温度增加较小，因为冷凝能量从前向管道转移到返回管线。对于太阳能驱动单元也可部署相同的策略。这将导致能量在系统中积聚，这在高效系统中是不期望的。对于区域供热的情况，在管网中通常将存在相当大的热损失，从而适当地平衡本发明的能量增加。在本发明中仅使用区域供热管网水将允许两个主要益处。首先，因为不再需要风冷冷凝。该单元可被部署在大型高层建筑的地下室中，不需要接触自由空气。顶层和屋顶然后可用于冷却塔以外的其它过程。其次，冷却范围不再取决于周围空气或外部温度。区域能源管网中的温差现在是限制因素，而不是向空气中的冷凝能力。如果管网中的温差为30K，则单个单元可冷却相同的30K。串联工作，很容易想到级联效应，每单元30K的冷却步长，与空气温度无关。

本发明将有助于优化区域能源网的使用。传统上，在一年的炎热时期许多供热管网的运行性能不佳。本发明允许在该时期的最优使用，因为其在炎热季节产生供热需求。在管道中需要更大流量也增加了管网的性能，因为例如锅炉可在最佳设置下运行。本发明通过压缩机循环来实现能量水平转移。蒸发过程需要能量才能发生。这通过从周围吸收能量来完成，从而导致温度降低可用于冷却。蒸发的气体被压缩，以便在更高的温度或压力下冷凝。蒸发所消耗的能量在冷凝时完全释放。因此，在60℃蒸发的水可在70℃冷凝。这使得热驱动热泵成为可能。例如，实现两级区域供热网，其中供热站输送60℃的前向供给。其可通过使兰金循环在40℃蒸发温度下运行来提升到70℃。在压缩期间，温度将上升足够高以便朝着兰金循环转移热能，以允许在膨胀机中完全膨胀而不会冷凝。

根据示例，该设备包括第二冷凝器，其具有第二冷凝器入口和第二冷凝器出口，第二冷凝器入口与高压高温出口气体通过其离开压缩机的压缩机出口具有流体连接。

第二冷凝器出口可与蒸发系统具有流体连接。

蒸发系统可包括吸收器，其具有吸收器入口和吸收器出口，吸收器入口与第二冷凝器出口具有流体连接，吸收器出口连接到低压低温气体通过其进入压缩机的压缩机入口。

另选地，蒸发系统可包括液气分离器，其将液体与气体分离并具有第一入口和第二入口、分离器气体出口和分离器液体出口，分离器气体出口与低压低温通过其进入压缩机的压缩机入口具有流体连接，分离器液体出口与具有吸收器出口的吸收器的吸收器入口具有流体连接，分离器的第一入口与第二冷凝器的出口具有流体连接，并且分离器的第二入口与吸收器的出口具有流体连接。

作为示例，第二冷凝器可以是喷雾冷凝器，其另外具有第二入口以用于具有第一温度的液体的液体供给，并且其中高压高温出口气体与具有第一温度的液体的喷雾冷凝提供了温度增加，以使得通过其出口离开第二冷凝器的液体具有高于第一温度的第二温度。

第一冷凝器可以是喷雾冷凝器，其另外具有第二入口(80)以用于具有第一温度的液体的液体供给，并且其中从膨胀机接收的流体与具有第一温度的液体的喷雾冷凝提供了温度增加，以使得通过其出口离开第一冷凝器的液体具有高于第一温度的第二温度。

第一外部液体源可以是单管线系统，并且第一液体入口管线和第一液体出口管线连接到第一外部液体源的同一个单管线。

作为示例，第一外部液体流体源的第一外部液体源可以是包括第一外部源供给管线和第一外部源返回管线的液体循环系统。

第一外部液体源的第一外部源供给管线中的液体可比第一外部液体源的第一外部源返回管线中的液体更热。

第一液体入口管线可连接到第一外部液体流体源的第一外部源供给管线。

第一液体入口管线可连接到第一外部液体流体源的第一外部源返回管线。

第一液体出口管线可连接到第一外部液体流体源的第一外部源供给管线。

第一液体出口管线可连接到第一外部液体流体源的第一外部源返回管线。

蒸发器液体出口可与第一外部液体源具有流体连接，并且第一冷凝器出口可与第一外部液体源具有流体连接。

根据示例，气液分离器与第二冷凝器具有流体连接，并且第二冷凝器出口连接到与第一外部液体源流体连接的第一液体出口管线。

作为另一示例，压缩机出口可经由布置在蒸发器的壁上或蒸发器的蒸发器室中的热交换器流体连接到第二冷凝器(可选地是喷雾冷凝器)，从而允许能量从压缩机转移到膨胀机。

压缩机出口可经由在气液分离器和压缩机之间在压缩机出口管线与压缩机入口管线之间交换热的热交换器流体连接到第二冷凝器(可选地是喷雾冷凝器)。

外部供热源可布置在冷凝器和膨胀机之间的流体连接(管线)中。

在示例中，两个或更多个膨胀机串联布置，第一膨胀机由来自蒸发器的排气流驱动，并且第二膨胀机由来自第一膨胀机的排气流驱动。

膨胀机可驱动地连接到并联或串联布置的各个压缩机。

在示例中，第一膨胀机驱动地连接到压缩机，并且第二膨胀机驱动地连接到发电机。

在另一示例中，热交换器布置在来自压缩机的流体出口管线与来自第一至第二膨胀机的排气管线之间。

在附加示例中，两个或更多个膨胀机并联布置，二者均由来自蒸发器的各个排气流直接驱动并且驱动地连接到串联布置的各个压缩机，来自第一压缩机的排气被输送至第二压缩机。

在另一示例中，辅助电机连接到膨胀机或压缩机以用于辅助启动程序或在连续操作程序期间辅助。

本发明另外提供了区域供热网，包括：

作为第一管网的第一外部液体源和作为第二管网的第二外部液体源，第一管网包括第一管网供给管线和第一管网返回管线，并且第二管网包括第二管网供给管线和第二管网返回管线，

第一管网供给管线比第二管网供给管线更冷，并且第一管网返回管线(54)比第二管网返回管线更冷，

第一和第二管网的管线连接到根据权利要求1和2所述的热泵设备，该热泵设备另外包括：

气液分离器，其将气体与液体分离并且具有液体入口和液体出口以及与压缩机入口具有流体连接的气体出口。

根据示例，通往蒸发器的第一液体入口管线与第二管网的返回管线具有液体连接。分离器的液体入口与第一管网的供给管线具有流体连接。第二冷凝器的入口与分离器的液体出口具有流体连接。蒸发器的液体出口与第二管网的返回管线具有流体连接。第二冷凝器的液体出口与第二管网的供给管线具有流体连接，并且来自第一冷凝器的液体出口管线与第一管网的返回管线具有流体连接。

根据另一示例，通往蒸发器的液体入口管线与第一管网的供给管线具有流体连接。通往分离器的液体入口与第二管网的返回管线具有流体连接。来自分离器的液体出口与第二管网的返回管线具有流体连接。蒸发器液体出口与第二冷凝器具有流体连接。第二冷凝器具有通往第二管网的供给管线的流体出口，并且来自第一冷凝器的液体出口管线与第一管网的返回管线具有流体连接。

来自第一或第二外部液体源的入口管线优选设置有诸如减压阀或节流阀的减压装置以便匹配设备的低内部压力(部分真空)。

从设备到第一和或第二外部液体源的出口管线优选设置有诸如泵的加压装置以使设备中的低压与第一和第二外部液体源的更高压力匹配。

代替在出口管线和入口管线中分别使用加压和减压装置，所谓自吸泵可用于对出口管线中的流体加压以及对入口管线中的流体减压。

简而言之，自吸泵(bootstrapping pump)是组合涡轮或反向泵以及具有相互连接的轴的泵。从液体源将高压(例如，6巴)输送到驱动泵的涡轮的入口。由此液体的压力在涡轮的出口处降低至例如0.5巴。0.5巴的液体可被输送至本发明的设备。根据本发明的设备中的低流体压力(部分真空)向泵的入口供应低压流体(例如，0.5巴)。泵将流体的压力增加至例如5.9巴。因为5.9巴不足以将液体泵回到具有例如6巴的压力的外部液体源，所以来自泵出口的液体被输送至小泵，其将压力增加例如0.2巴至6.1巴，从而允许将液体泵回到外部液体源。

对于使区域供热水进入系统并使其返回到区域能源管网的情况，自吸泵所需的功比压力阀与常规泵的组合小一个数量级。世界各地的区域供热网被设计为前向压力从4巴至28巴以上，回水压力较低。即使对于连接到太阳能面板的系统，使用这些泵也发现显著效率增加。

附图说明

下文中将关于附图描述本发明的实施方式。附图示出实现本发明的一个方式，不应被解释为对其它可能实施方式的限制。

图1示出根据本发明的热泵设备的第一示例。

图2示出第一示例稍作修改的示例，向第一示例添加了液气分离器。

图3示出热泵设备用于降低区域供热系统的返回管线中的水的温度的示例。

图4示出使用自吸泵的示例。

图5示出使用自吸泵的附加示例，其中连接管线设置在分离器和第二冷凝器之间。

图6示出允许直接生成过热蒸汽的示例。

图7示出利用热交换器增加通往压缩机的入口管线的温度的示例。

图8示出由发热源生成过热蒸汽的示例。

图9示出来自压缩机的压缩蒸汽用于加热蒸发器的示例。

图10示出多个并联膨胀机和串联压缩机用于更高的压力增加的示例。

图11示出多个串联膨胀机和压缩机在不同温度范围下工作的示例。

图12示出区域供热网的第一示例，其中热泵使用第二管网的返回管线来驱动膨胀机。

图13示出区域供热网的第二示例，其中热泵使用第一管网的供给/前向管线来驱动膨胀机。

图14示出区域供热网，其中热泵设备布置在第一管网和第二管网之间。

图15示出发电的示例。

图16示出发电的另一示例。

具体实施方式

图1示出用于通过热交换器13b从吸收表面18到周围的能量转移的设备的示例。由通过管线5连接到蒸发罐21的热源1提供热水。该管同时充当减压阀，导致蒸发器21中的压力降低，从而允许水直接蒸发。未蒸发的水在管线16b中返回并与来自16a的冷凝水混合并返回到热源1。泵4a增加液体的压力以匹配来自热源1的压力。与任何现有技术相反，水在蒸发器21中直接蒸发，从而允许从热源在最低可能温度水平下生成蒸汽并且不再使用现有技术所教导的热交换器2。来自蒸发器21的蒸汽驱动膨胀机7，然后在热交换器/冷凝器l3a中冷凝，冷凝水从那里通过管线16a返回到热源1。膨胀机7通过机械连接轴10驱动压缩机9。泵使液体制冷剂循环到吸收表面18，在那里从周围吸收热能。制冷剂在吸收器18中变为液体和气体的混合物。然而，在其顶部，气体与液体分离，由此基本上仅气体从吸收器的出口79流到压缩机的入口64。

图2示出图l的示例修改的示例。图2所示的热泵设备的示例提供用于通过热交换器13b从吸收表面18到周围的能量转移。由通过管线5连接到蒸发罐21的热源1提供热水。该管同时充当减压阀，导致21中的压力降低，从而允许水直接蒸发。未蒸发的水在管线16b中返回并与来自16a的冷凝水混合并返回到热源1。泵4a增加液体的压力以匹配来自热源1的压力。与任何现有技术相反，水在蒸发器21中直接蒸发，从而允许从热源在最低可能温度水平下生成蒸汽并且不再使用现有技术所教导的热交换器2。来自蒸发器21的蒸汽驱动膨胀机7，然后在热交换器/冷凝器l3a中冷凝，冷凝水从那里通过管线16a返回到热源1。膨胀机7通过机械连接轴10驱动压缩机9。泵使液体制冷剂循环到吸收表面18，在那里从周围吸收热能。制冷剂在吸收器18中变为液体和气体的混合物。两个相在分离罐98中分离，因为连接的压缩机通过施加真空而去除气相。剩余液体然后在该吸热循环中再循环。气相从压缩机被引导至热交换器或冷凝器13b以进行冷凝。来自该过程的热在第二冷凝器13b中被转移到周围环境。与现有技术相反，两个循环(兰金和卡诺)分离而没有材料交换。由此如果需要，容易地使用不同的驱动和制冷介质。

图3示出热泵设备用于降低区域供热系统的返回管线中的水的温度的示例。回水从区域供热站在返回管线54中流动。回水被减压并分成三个管线5a、5b、5c中的每一个中的流。管线5a中的流用于在喷雾冷凝器51中喷雾冷凝。管线5b中的流在蒸发器21中蒸发，蒸发的蒸汽驱动膨胀机7。第三管线5c中的流在液气分离器98中蒸发。蒸发的蒸汽通过其入口进入压缩机并且通过压缩机被泵送到喷雾冷凝器51中并冷凝。由此热水可被泵送到前向管线53中。结果，返回管线中的回流被冷却，并且站可由此获得改进的效率。

图4示出设备，其中热源1被描绘为具有前向/供给管线53和返回供给管线54的区域供热系统。通常，前向管线53中的流具有比返回管线54中的流更高的温度。通过自吸泵40将前向管线53引导到蒸发罐21中。在自吸泵40中吸收从减压过程获得的能量，以用于使流返回到热源。在蒸发器21中生成蒸汽，蒸汽经过膨胀机7，从而导致其旋转。蒸发器21中的剩余水通过自吸泵40返回到热源1。通过使用自吸泵，使液体返回的工作负荷最小化。通过自吸泵42引导来自回流54的水，以在膨胀机排出蒸汽的第一冷凝器51中直接冷凝。所得液体通过自吸泵40返回到热源54。此例示中的卡诺循环与图2类似。

图5示出连接到区域供热管网的冷却设备。通过前向管(53)将热水供应到自吸泵40中。减压的水进入蒸发罐21，从而允许生成蒸汽。通过膨胀机7馈送蒸汽，膨胀机7经由轴10驱动压缩机9。术语轴应广义地解释，包括能够提供机械连接的所有手段或装置。这包括针对膨胀机7和压缩机9的不同旋转速度使用齿轮装置。在此实施方式和以下的实施方式中，压缩机9可具有任何几何形状或技术，类似径向离心压缩机或轴向压缩机。压缩机级可串联或并联实现。假设生成足够的压力速率以符合冷凝和最终热交换的要求。来自膨胀机7的排气经由直接水喷雾冷凝在罐51中冷凝。通过区域供热回水54供应罐51中的液态水。水在自吸泵41中减压。通过自吸泵41将冷凝物泵回到区域供热管网54中。压缩机9在相分离罐98中生成连续真空并从水去除蒸汽。由吸热表面18提供冷却。通过生成水/蒸汽混合物来吸收热，该混合物在分离器98中相分离。来自压缩机9的压缩气体在罐52中在直接水喷雾冷凝中冷凝。通过来自返回管线54的区域供热回水供应第二冷凝器52中的液态水。水在自吸泵42中减压。通过自吸泵42将冷凝物泵回到区域供热管网54中。另选地，冷凝可经由13b向周围空气中进行。来自膨胀机7的排气可通过使用第一冷凝器13a的设置按相似的方式冷凝。通过自吸泵40将蒸发器21中未使用的水泵回到区域供热管网53中。分离器98和第二冷凝器52之间以虚线示出的流体连接管线68是可选的，因为如果热泵设备以液体再填充，则其可省略。然而，连接管线是有利的，因为它在热泵设备中维持足够的水而无需任何再填充。对于图6至图10所示的连接管线68同样如此。

图6示出另一实施方式，其中来自压缩机9的压缩蒸汽被引导到对蒸发器21中的液气混合物加热的热交换器55，从而允许直接生成过热蒸汽，其被引导到膨胀机7中。附接到膨胀机7、轴10或压缩机9的电机99将有助于启动程序或者还连续地允许设备的混合驱动或者用于管理膨胀机7、轴10和压缩机9的旋转速度。如果足够的热能可用，则电机99可用作发电机。

图7是图5的例示的另一实施方式。在从压缩机9的排气温度足够高的情况下，可在第二冷凝器52中使用来自蒸发器21的剩余水进行直接冷凝。这将导致泵回到供给管线53中的前向流中的水的温度增加。这将所吸收的冷却能量转移到供给管线53中的前向流，从而中和由设备的使用造成的热降低并使回流管线54上的温度增加最小化。热交换器56将增加通过蒸发去除进入压缩机中的微小液滴的可能性，从而增加压缩机9的效率。随着压缩机9的进入温度依次增加，热交换器55中的所得温度也增加，使得传热更高效。

图8示出另一优选实施方式，其中由影响流的微波或红外发生器56生成过热蒸汽。发生器56可由作为燃气喷灯、机械效应或电加热器的任何发热源代替。

图9示出另一实施方式，其中来自压缩机9的压缩蒸汽用于对蒸发罐21加热，其在连接57处进入并在连接58处离开。当罐被加热时，过热蒸汽被引入膨胀机7中。通过将吸收器18放置在冷凝器51或第二冷凝器52附近，从而允许更大的总冷却范围，该系统可用于一系列级联单元，其中一个单元辅助下一单元。自吸泵41和第一冷凝器51和/或自吸泵42和第二冷凝器52的冷凝过程可由如图3所示通过冷凝器13的风冷冷凝代替。98中的相分离和吸收器18中的能量吸收可被组合在单个单元中，例如通过压缩机9直接对吸收器18施加真空。

图10示出实施方式，其中通过使压缩机9'和9"由膨胀机7'和7"驱动而示出多级压缩。第一对膨胀机7'和压缩机9"经由第一旋转轴10'连接以用于同步驱动，第二对膨胀机7"和压缩机9'经由第二旋转轴10"连接以用于同步驱动。与现有技术相比，膨胀机被并联驱动。与按照使压力减小，导致轴的旋转速度减小，从而导致压缩机中积聚的压力较小的设置运行相比，使膨胀机并联的优点在于它们将在相同的压力下运行。然后具有相同的旋转速度表明压缩机流量需要增加，这通过增加压缩机尺寸来实现。在此实施方式中，由于压缩机9'和9"并联运行，所以两个冷却循环可在不同的蒸发压力下操作，因此可在两个不同的温度下同时执行冷却。此实施方式可扩展至提供由同一设备提供的多个冷却温度。可向9'或9"串联或并联添加更多压缩机。

图11示出使膨胀机7'、7"串联工作，但是使压缩机9'、9"并联工作的实施方式。与压缩机9'相比，压缩机9"对单独的卡诺循环施加真空。此实施方式允许同时使用两种不同的制冷剂。在此实施方式中，卡诺循环91、98'、9'、51水可以是一个循环中的制冷剂和循环18、98"、9"、91中的NH₃，其中热交换器91通过吸收一个制冷剂中的热来允许另一制冷剂的冷凝。这允许设备的真正级联使用，并且可进一步扩展至类似或不同制冷剂的多级压缩。由此操作温度范围急剧扩大，从而甚至允许低温冷却。在此实施方式中，对于膨胀机7'、7"和压缩机9'二者将直接冷凝过程组合。流体连接92允许兰金和卡诺循环之间的液体交换，从而降低对设备的液体填充的要求。如果来自热源1、53、54的液体适合于在蒸发器21中蒸发，则应该在热源和自吸泵(40,41,42)之间放置热交换器。由此在设备中仍可使用理想驱动介质。一些旧的区域供热系统使用皂基去垢剂，这将停止涡轮。然后应该使用热交换，其中自吸泵(40,41,42)仍调节液体压力，从而控制在哪里生成蒸汽。

图12示出用于发热的实施方式。区域供热网53'、54'和53"、54"是具有不同温度的管网，设定为一个管网53'、54'低于53"、54"。回水54"经由自吸泵40进入设备'蒸发罐21。通过从压缩机9在连接57处进入并在连接58处离开的蒸汽对罐进行加热，从而允许直接生成过热蒸汽。该蒸汽经由膨胀机7膨胀，膨胀机7使心轴10和连接的压缩机9旋转。排出蒸汽经由自吸泵42在51中冷凝，自吸泵42从回水供给54'供应更冷的水。水从冷的前向供给53'经由自吸泵41进入设备进入相分离罐98中。压缩机9向分离器98施加真空，从而使蒸汽蒸发并压缩它。压缩的气体加热蒸发罐21，然后通过直接喷雾冷凝在第二冷凝器52中冷凝。分离器98中未蒸发的水用于第二冷凝器52中的过程，从而得到更暖的液相。经由自吸泵41将热水泵送到暖的前向区域供热管网53"中。附接到膨胀机7、轴10或压缩机9的电机99将辅助启动过程或者还连续地允许设备的混合驱动或用于管理膨胀机7、轴10或压缩机9的旋转速度。

图13示出为由更冷的前向管网53'驱动的区域供热管网53"生成热水的另一实施方式。能量从热回水54"被泵送到前向53"管网中。膨胀的冷凝使用冷回水管网54'。从53'将水供应给自吸泵40和蒸发器罐21中。通过从压缩机9在连接57处进入并在连接58处离开的蒸汽对罐进行加热，从而允许直接生成过热蒸汽。该蒸汽经由膨胀机7膨胀，膨胀机7使轴10和连接的压缩机9旋转。排出蒸汽经由自吸泵42在第一冷凝器51中冷凝，自吸泵42从回水供给54'供应更冷的水。水从热回水供给54"经由自吸泵41进入设备进入相分离罐98中。压缩机9向分离器98施加真空，从而使水蒸汽蒸发并压缩它。压缩的气体加热蒸发罐21，然后通过直接喷雾冷凝在第二冷凝器52中冷凝。蒸发器21中未蒸发的水用于第二冷凝器52中的冷凝过程，从而得到更暖的液相。经由自吸泵40将热水泵送到暖的前向区域供热管网53"中。附接到膨胀机7、轴10或压缩机9的电机99将辅助启动过程或者还连续地允许设备的混合驱动或用于管理膨胀机7、轴10或压缩机9的旋转速度。另选地，返回管线54'可连接到自吸泵42并且返回管线54"连接到自吸泵41。

图14示出与热水供给系统连接的能量泵80的放置的示例，热水供给系统进一步连接到终端用户82，终端用户82是独栋住宅、公寓大楼、商业办公楼和或工业建筑。本发明完全可从独栋扩展至类似区域供热集群的整个管网。余热由区域供热站81、太阳能园区或具有过程余热的工业通过热水管提供。这里示出离开区域供热站81进入能量泵80时具有60℃。从例如回水40℃向前向流泵送能量导致70℃，并以30℃返回到区域供热站。在此实施方式中，管网在管网的前端提升。由此随着行进了大部分距离的前向流的温度降低，由于从管道到周围环境的热损失而造成的损失大大降低。另一实施方式将在区域供热站81的入口处放置能量泵80。对于一些区域供热站81，回温至关重要，特别是对于提供电力和热二者的热电共生厂，因为发电产量随回水上的高温而降低。通过安装使用回水作为输入的能量泵80，通过向输出管道转移能量来降低回水温度，从而确保工厂的最优温度水平。

图15示出发电的示例。从热源1通过通往蒸发室21中的流体连接5向设备转移热能，在蒸发室21中生成气相和液相。通过连接16b将液体残余物引导至回流泵4a并返回到热源。气相通过使压缩机9'旋转的膨胀机7'引导。来自膨胀机的排气在热交换器59中被重新加热。压缩机9'分离98中的气体和液相。蒸发能量在吸收器18中被吸收。压缩机增大气相的温度，由此可向兰金循环转移热交换器59中的能量。在重新加热来自膨胀机7'的排气之后，在膨胀机7"中发生另一膨胀。当膨胀机7"经由轴10"连接到发电机99时，生成电力。从膨胀机7"的兰金循环可通过第一冷凝器13a中的气相冷凝和返回到热源1的液体而完成。另选地，为了最高可能发电产量，通过从卡诺循环的热交换重新加热排气并稍后膨胀和发电的过程可被重复多次。从压缩的能量转移可来自单个压缩机或由依靠通过吸收器18吸收的方式从单独的热源引入能量的多个压缩机完成。

图16示出发电的示例。从热源1通过通往蒸发室21中的流体连接5向设备转移热能，在蒸发室21中生成气相和液相。通过连接16b将液体残余物引导至回流泵4a并返回到热源。气相通过使压缩机9'旋转的膨胀机7'引导。来自膨胀机的排气在热交换器59中被重新加热。压缩机9'分离98中的气体和液相。蒸发能量在18中被吸收。压缩机增大气相的温度，由此可向兰金循环转移热交换器59中的能量。在重新加热来自膨胀机7'的排气之后，在膨胀机7"中发生另一膨胀。当膨胀机7"经由轴10"连接到发电机99时，生成电力。从膨胀机7"的兰金循环可通过第一冷凝器13a中的气相冷凝和返回到热源1的液体而完成。另选地，为了最高可能发电产量，通过从卡诺循环的热交换重新加热排气并稍后膨胀和发电的过程可被重复多次。从压缩的能量转移可来自单个压缩机或由依靠通过吸收器18吸收的方式从单独的热源引入能量的多个压缩机完成。

标号列表

1.热源管线

4a.泵

4b.泵

5.液体入口管线

5a.第一管线

5b.第二管线

5c.第三管线

7.膨胀机

7'.膨胀机

7".膨胀机

9.压缩机

9'.压缩机

10.轴

13a.第一冷凝器

13b.第二冷凝器

16.出口管线

16a.第一出口管线

16b.第二出口管线

16c.第三出口管线

18.吸收器

21.蒸发器

22.蒸发器入口

23.蒸发器液体出口

24.蒸发器蒸气出口

25.膨胀机入口

26.膨胀机出口

31.第一冷凝器入口

32.第一冷凝器出口

33.第一液体出口管线

40.自吸泵

41.自吸泵

42.自吸泵

51.第一冷凝器(喷雾冷凝器)

52.第二冷凝器(喷雾冷凝器)

53.供给管线

53'.第一管网的供给管线

53".第二管网的供给管线

54.返回管线

54'.第一管网的返回管线

54".第二管网的返回管线

55.热交换器

56.热交换器

56.发热源

57.连接

58.连接

57-58.热交换器

59.热交换器

64.压缩机入口

65.压缩机出口

68.第二冷凝器52和分离器98之间的连接管线

69.第二冷凝器第二出口

70.第二冷凝器气体入口

71.第二冷凝器液体出口

73.到分离器的第一入口

74.第二入口

75.第二入口(从吸收器)

76.分离器气体出口

77.分离器液体出口

78.吸收器入口

79.吸收器出口

80.热泵设备

81.区域供热站

82.用户

85.到第二冷凝器的第二入口

91.冷凝器

92.分离器98'液体入口

93.分离器98液体入口

94.第二冷凝器液体入口

95.分离器98液体出口

98.分离器

99.电机，发电机

Claims (17)

1.一种热泵设备，该热泵设备包括：

-诸如蒸发罐(21)的蒸发器，该蒸发器被配置为通过直接蒸发使通过液体入口管线(5)和蒸发室的蒸发器入口(22)从外部液体源接收的液体蒸发，所述蒸发室中的压力低于所述液体入口管线(5)中的压力并且足够低以用于使进入所述蒸发室的所述液体蒸发，即，所述蒸发室中的压力使得与所述压力关联的所述液体的蒸发温度低于通过所述蒸发器入口(22)进入所述蒸发室的所述液体的温度并且允许生成通过蒸发器蒸气出口(24)离开所述蒸发器的加压蒸气，所述蒸发器另外包括蒸发器液体出口(23)，

-具有膨胀机入口(25)和膨胀机出口(26)的膨胀机(7)，所述膨胀机入口(25)与所述蒸发器蒸气出口(24)具有流体连接以用于接收来自所述蒸发的加压蒸气以驱动所述膨胀机(7)，

-具有压缩机入口(64)和压缩机出口(65)的压缩机(9)，该压缩机(9)在操作上由所述膨胀机(7)驱动以用于将气体从所述压缩机入口(64)处的低压低温入口气体压缩为所述压缩机出口(65)处的高压高温出口气体，

-具有第一冷凝器入口(31)和第一冷凝器出口(32)的第一冷凝器(13a,51)，所述第一冷凝器入口(31)与所述膨胀机出口(26)具有流体连接并且被配置用于使从所述膨胀机(7)和连接到第一液体出口管线(16a,33)的所述第一冷凝器出口(32)接收的流体冷凝。

2.根据权利要求1所述的设备，该设备包括具有第二冷凝器气体入口(70)和第二冷凝器蒸气出口(71)的第二冷凝器(13b,52)，所述第二冷凝器蒸气入口(71)与所述压缩机出口(65)具有流体连接，所述高压高温出口气体通过所述压缩机出口(65)离开所述压缩机(9)。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第二冷凝器出口(71)与蒸发系统具有流体连接。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述蒸发系统包括具有吸收器入口(78)和吸收器出口(79)的吸收器(18)，所述吸收器入口(78)与所述第二冷凝器出口(71)具有流体连接，所述吸收器出口(79)连接到所述压缩机入口(64)，低压低温气体通过所述压缩机入口(64)进入所述压缩机。

5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述蒸发系统包括液气分离器(98)，该液气分离器(98)将液体与气体分离并且具有第一入口(73)和第二入口(75)、分离器气体出口(76)和分离器液体出口(77)，

所述分离器气体出口(76)与低压低温通过其进入所述压缩机(9)的所述压缩机入口(64)具有流体连接，

所述分离器液体出口(77)与具有吸收器出口(79)的吸收器(18)的吸收器入口(78)具有流体连接，

所述分离器(98)的所述第一入口(73)与所述第二冷凝器(13b,52)的所述出口(71)具有流体连接，并且

所述分离器(98)的所述第二入口(75)与所述吸收器(18)的所述出口具有流体连接。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述第二冷凝器是喷雾冷凝器(52)，该喷雾冷凝器(52)另外具有用于具有第一温度的液体的液体供给的第二入口(74)，并且其中所述高压高温出口气体与具有所述第一温度的所述液体的喷雾冷凝提供温度增加，以使得通过所述第二冷凝器(52)的第二液体出口(69)离开所述第二冷凝器(52)的液体具有高于所述第一温度的第二温度。

7.根据前述权利要求所述的设备，其中，所述外部液体源是包括第一外部源供给管线(53)和第一外部源返回管线(54)的液体循环系统。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述气液分离器(98)与所述第二冷凝器(52)具有流体连接，并且所述第二冷凝器第二液体出口(69)连接到与所述外部液体源流体连接的所述第一液体出口管线(33)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述压缩机出口(65)经由布置在所述蒸发器(21)的壁上或所述蒸发器(21)的所述蒸发器室中的热交换器(55；57-58)流体连接到可选地为喷雾冷凝器(52)的所述第二冷凝器(13b,52)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，两个或更多个膨胀机(7',7")串联布置，第一膨胀机(7')由来自所述蒸发器(21)的排气流驱动，并且第二膨胀机(7")由来自所述第一膨胀机的排气流驱动。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一膨胀机(7')驱动地连接到压缩机(9')，并且所述第二膨胀机(7")驱动地连接到发电机(99)。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，热交换器(59)布置在来自所述压缩机(9)的流体出口管线与来自所述第一膨胀机(7')至所述第二膨胀机(7")的排气管线之间。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，一个或更多个膨胀机(7',7")并联布置，二者均由来自所述蒸发器(21)的相应排气流驱动并且驱动地连接到串联布置的相应压缩机(9',9")，来自第一压缩机的排气被输送至第二压缩机。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，辅助电机(99)连接到所述膨胀机或压缩机以用于在启动过程中或在连续操作过程期间进行辅助。

15.一种区域供热网，该区域供热网包括：

作为第一管网的第一外部液体源和作为第二管网的第二外部液体源，所述第一管网包括第一管网供给管线(53')和第一管网返回管线(54')，并且所述第二管网包括第二管网供给管线(53")和第二管网返回管线(54")，

所述第一管网供给管线(53')比所述第二管网供给管线(53")更冷，并且所述第一管网返回管线(54')比所述第二管网返回管线(54")更冷，

所述第一管网和所述第二管网的所述管线连接到根据权利要求1和2所述的热泵设备，该热泵设备另外包括：

气液分离器(98)，该气液分离器(98)将气体与液体分离并且具有液体入口(93)和液体出口(92)以及与所述压缩机入口(64)具有流体连接的气体出口(76)。

16.根据权利要求15所述的区域供热网，其中

通往所述蒸发器(21)的所述第一液体入口管线(5)与所述第二管网的所述返回管线(54")具有液体连接，

所述分离器(98)的所述液体入口(93)与所述第一管网的所述供给管线(53')具有流体连接，

所述第二冷凝器(52)的液体入口(94)与所述分离器(98)的所述液体出口(92)具有流体连接，

所述蒸发器(21)的所述液体出口(23)与所述第二管网的所述返回管线(54”)具有流体连接，

所述第二冷凝器(52)的所述第二液体出口(69)与所述第二管网的所述供给管线(53")具有流体连接，并且

来自所述第一冷凝器(51)的所述液体出口管线(33)与所述第一管网的所述返回管线(54')具有流体连接。

17.根据权利要求15所述的区域供热网，其中

通往所述蒸发器(21)的所述液体入口管线(5)与所述第一管网的所述供给管线(53')具有流体连接，

所述分离器(98)的所述液体入口(93)与所述第二管网的所述返回管线(54")具有流体连接，

来自所述分离器(98)的所述液体出口(92)与所述第二管网的所述返回管线(54")具有流体连接，

所述蒸发器液体出口(23)与所述第二冷凝器(52)具有流体连接，

所述第二冷凝器(52)具有到所述第二管网的所述供给管线(53")的流体出口，并且

来自所述第一冷凝器(51)的所述液体出口管线(33)与所述第一管网的所述返回管线(54')具有流体连接。

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