CN1144005C - 热泵流体加热系统 - Google Patents

Abstract

一种用于提升流体温度的热泵系统(6)，包括：一用于压缩工作流体的压缩机(7)；一过热降温器热交换器(8)，其具有用于加热流体的入口(9)和出口(10)，以及用于所述工作流体的入口(11)和出口(12)，工作流体入口(11)与压缩机(7)的出口(13)连通；一冷凝器热交换器(14)，其具有用于加热流体的入口(15)和出口(16)，以及用于工作流体的入口(17)和出口(18)，冷凝器热交换器的加热流体出口(16)与过热降温器热交换器的加热流体入口(17)直接连通，冷凝器热交换器的工作流体入口(17)与过热降温器热交换器工作流体出口(12)直接连通，以及一蒸发器(20)，其具有入口(21)和出口(24)，该入口(21)与冷凝器热交换器的工作流体出口(18)连通，该出口(24)与压缩机(7)的入口(25)连通。

Description

热泵流体加热系统

技术领域

本发明涉及热泵流体加热系统，用于产生至少与热泵系统的冷凝温度相同温度的热的流体。特别是，本发明涉及用于产生较高温度的热水的热泵流体加热系统，适于作为产生热源使用，例如在牛奶的巴氏法灭菌系统中。

背景技术

热泵流体加热系统可使用在各种场合中用来加热水，例如室内热水或游泳池。

这些系统通常利用的是热泵循环，其使用压缩机、冷凝器和蒸发器。在室内水加热的情况下，其通常需要较高的温度，水可以通过流出压缩机的被过度加热的工作流体的过热从而被加热到一个较高的温度。

Yarbrough等的美国专利No 5,901,563公开了一种热泵传热系统，其包括用于水热交换器的致冷剂，该热交换器如本领域内公知的过热降温器，用于将从压缩机内出来的压缩气体的过热传递到室内热水服务上来。这使得可以得到室内热水系统所需的更高的温度。然而，水仅仅是在过热降温器上得到加热，尽管可以得到较高的温度，但水流的速度很小。

然而在如作为加工热源使用的其他应用中，热泵几乎没有应用之处，因为其不能产生具有所需要的较高温度的流体的可用的流量，事实是，工作流体压缩所必需的要被加热的流体(以下称为加热流体)的流量比使同样的工作流体降温所需的要大得多，但是只有在后面的阶段才能将加热流体加热到较高的温度。这种不平衡的结果就是充足的加热的流体具有较低的温度，或者如Yarbrough的专利中那样，有较高的温度但是较小的流量。在这种情况下，较低温度的平衡没有什么价值或没有价值，除非较低温度的流体可以得到应用。

图1示出了用于热气体冷却的热泵系统的常规的热交换结构。通过该结构，热交换器设置成具有一个工作流体入口2和出口3，以及一冷却剂(加热流体)入口4和出口5。这样的结构提供了一种合理的输出流量，但仅仅是中等的温度，并不适合于大多数的高温液体的需求。

要得到较高温度且较大流量的流体的这一难题在Teagan的美国专利No.4,474,018中得到了一定的解决，该专利公开了一种用于产生室内热水的热泵系统，其使用一个提供多种压力的工作流体的压缩机部分。通过这样的设置，水被连续连接的热交换器加热，每个交换器提供分离的环状冷凝旋管。具有分离的环状冷凝旋管使得该设备被设计成最理想的表现，因为流量温度可以在分离的环中不同。通过该设计，每个热交换器/冷凝器部分结合了过热降温和冷凝两个功能，并且都如图1中所示那样的工作。虽然具有分离的环使得设计上有最理想的表现，但是也增加了系统的复杂性，因此增加了成本和体积。

而且，上述的两种专利都没有公开液体/气体热交换器的使用，从而通过在从冷凝器中输出的工作流体和流入压缩机的工作流体之间转移热量来提高系统的经济性。它们也没有公开可以使用热泵来同时提供冷水，例如在使用巴氏法灭菌的牛奶工厂中就需要。

发明内容

本发明的一个目的就是要解决上述的问题，并提供一种热泵流体加热系统，该系统为一紧凑的设计，可以得到充足流量的较高温度的流体，可使用在工厂中，例如消毒和巴氏法灭菌中。

进一步，本方面的另一目的是提供一种方法，该方法可确定所需加热流体的质量流量比，以及用于上述热泵流体加热系统的加热流体的流入温度。

根据本发明的一个方面是提供一种用于提升加热流体温度的热泵系统，包括：

一用于压缩工作流体的压缩机，

一过热降温器热交换器，其提供有用于加热流体的入口和出口、以及用于工作流体的入口和出口，工作流体的入口与压缩机的出口相连通，

一冷凝器热交换器，其提供有用于加热流体的入口和出口、以及用于工作流体的入口和出口，冷凝器热交换器的加热流体出口与过热降温器热交换器的加热流体入口直接连通，且冷凝器热交换器的工作流体入口与过热降温器热交换器的工作流体出口直接连通，以及

一蒸发器，其带有一个与冷凝器热交换器的工作流体出口连通的入口，和一个与压缩机入口连通的出口。

该压缩机可以是任何合适的设备，例如回转式压缩机、螺杆式压缩机、活塞式压缩机，单级和多级都可。而且，如有必要，可以提供两个或更多的压缩机。

该蒸发器可以是使用在热泵系统中的任何常规的蒸发器，例如空气冷却的或液体冷却的蒸发器。在需要冷却处理的情况下，蒸发器可以是液体冷却式热交换器，其适于与提供冷却的液体循环系统连通。

该过热降温器热交换器和冷凝器热交换器可以安排成任何合适的构造，只要其连续连接即可。例如该过热降温器热交换器可以设置在冷凝器的上方，从而使得从过热降温器流出的所有冷凝物会向下流入冷凝器热交换器中。

在优选实施例中，空间的紧凑是首要的，过热降温器热交换器可这样设置，即，其工作流体出口比冷凝器热交换器的入口要低，并提供有一个运送流入冷凝器热交换器入口的所有冷凝物的设备。

通过这样的设置，过热降温器热交换器和冷凝器热交换器可以并排设置，从而提供一个紧凑的结构。

运送冷凝物的设备可以包含任何合适的设备。例如可包括在热交换器之间的管道，该管道的大小和形状适于将任何从过热降温器中流出的冷凝物通过气态的工作流体运送进入冷凝器热交换器的入口。一种典型的设置主要包括标准的“P”形管(“P”trap)。

根据本发明的另一方面，上述的热泵系统进一步提供一种液体/气体热交换器，其安排和设置成可以将热量从冷凝器中流出的工作液体转移到流入压缩机的工作流体。

本发明也包括了一种确定在热泵系统中的加热流体的质量流量比和加热流体的输入温度的方法，该热泵系统包括连续连通的一过热降温器热交换器和一冷凝器热交换器，加热流体连续流经过热降温器热交换器和冷凝器热交换器，所述方法包括以下步骤：

指定所需的加热流体交换温度A，所需的工作流体压缩温度B，所需的过热降温器热交换器功率C，所需的冷凝器热交换器功率D，在冷凝器热交换器出口出的工作流体和加热流体之间的温差F，以及指定加热流体的热容量G；

按照以下公式确定加热流体的质量流量比H；

$H=\frac{C}{G[A-(B-F)]}$

然后按照以下公式确定加热流体的输入温度E；

$E=(B-F)-\left(\frac{D}{G\×H}\right)$

本发明还包括一种用于提升流体温度的热泵系统，包括连续连通的过热降温器热交换器和冷凝器热交换器，其中过热降温器热交换器和冷凝器热交换器所需的热交换功率是确定的，因此，当在指定的冷凝和蒸发温度下运行时，连续流经那些热交换器的流体被加热到至少是工作流体的冷凝温度的指定温度。

附图说明

本发明的其他方面将通过以下参考附图仅作为实施例的描述变得更明显，在附图中：

图1是常规的热交换器结构的示意图，其用于热气体冷却的热泵系统。

图2是根据本发明的第一实施例的热泵系统的示意图。

图3是本发明中工作流体循环中的工作流体的压力-热含量图。

图4是说明根据本发明确定参数的流程图。

图5是本发明的热量传递图。

图6是根据本发明的第二实施例的热泵系统的示意图。

具体实施方式

参阅图2，示出了根据本发明实施例的热泵系统，用箭头6表示。图2中的字母表示循环中的各个位置，这将结合图3在后面说明。

热泵系统装满了工作流体，如卤化的或是普通类型的工作流体。例如，这样的工作流体包括HFC组(氢-氟-碳)，HC组(氢-碳)，FC组(氟-碳)，或者是上述工作流体的混合。当然，氨水、水、二氧化碳和其他的无机物也可以作为工作流体来使用。在本实施例中使用的是HFC制冷剂R134a。

热泵系统6包括一用于压缩工作流体的压缩机7，一过热降温热交换器8，其具有一个用于加热流体的入口9和出口10，以及用于工作流体的入口11和出口12。压缩机7可以是任何合适的制冷压缩机。最好其是密封的或半密封型，且工作流体也可以冷却原动机。为了得到工作流体循环的更高压力，通常该压缩机是一个单级或多级的往复式压缩机，然而，其他的压缩机也是适合的。而且，驱动压缩机的电动机可以是恒速或变速的。进一步地，如果需要的话，可以提供两个或更多的压缩机。就经济和一般而言，在需要较大热容量的情况下，通过用多个连续设置的单级压缩机组代替一个单级压缩机7，可以减小在蒸发器20和过热降温器交换器8的压力梯度，多个单级压缩机组可以分担它们之间的压力梯度，其比例可以根据需要设置，或者还可以选择一个或多级压缩机来与输出功率(sought duty)匹配。

过热降温热交换器8的工作流体入口11与压缩机7的出口13连通。该系统还包括一冷凝器热交换器14，其具有一个用于工作流体的入口15和出口16，以及用于加热流体的入口17和出口18。冷凝器热交换器的工作流体入口17与过热器热交换器的工作流体出口12直接连通，冷凝器热交换器的加热流体出口16与过热器热交换器的加热流体出口9直接连通。而且，还提供有蒸发器20，其具有一入口21、一膨胀阀、一出口24，入口21通过液体/气体热交换器22的液体工作部分与冷凝器热交换器的工作流体出口18连通，出口24通过液体/气体热交换器22的气体工作部分与压缩机7的入口25连通。蒸发器20通过如空气或水的冷却剂冷却，其通过冷却剂入口26输入，通过冷却剂出口27排出。

通过把热量从冷凝器热交换器14中流出的工作流体传递到流入压缩机25的工作流体，液体/气体热交换器22可以提高该系统的总的效率。

图2中的热泵系统的设置的目的是满足在没有损耗的情况下得到较高温度和更大的流量的需求，而且使得能够得到紧凑的设计。在这一点上，虽然热交换器可以是任何常规类型的热交换器，但发现铜焊板型(brazedplate type)的热交换器一般具有更完好的性能规范，因此如果采用这种类型的热交换器，就可以更准确地预测循环的技术指标。

在图2中的热泵系统中，加热流体(要加热的流体)连续地流动，首先经过冷凝器热交换器14然后是过热降温器热交换器8，加热流体是没有分流，且与工作流体方向逆流。加热流体可以是任何可吸收热量的合适的媒质。在热交换器都与再循环系统连通的情况下，该媒质通常用水或是天然水。做为选择，在与非回路(non-return)的设备连通的情况下，该媒质可以是特殊的要加热的流体。

在设计这个系统时，关键的是，加热流体要完全满足工作流体过热降温和冷凝的热量传递的需要，以及加热流体温度要完全能应用于主要加工的输出功率(sought duties)，但这只是可以而不是必须用于巴氏法灭菌工艺中。

如同任何一个普通热泵系统形成一个工作流体的平衡回路那样，需要温度、热量传递的速率、工作流体和加热流体的种类来计算从开始点所必需的热量传递功率，并且还要结合从压缩机制造厂家公布与其产品相关的数据，如指定的冷凝温度、蒸发温度和吸入气体的温度。

图3示出了本发明中的工作流体循环的工作流体的压力-热含量图。Y轴表示绝对温度单位是bar，X轴表示热含量单位是kJ/kg字母K，L，M，N，O，P，Q表示图2循环中的不同的位置的情况。这里，K表示压缩机入口25处的情况，L表示压缩机出口13处的情况，M表示过热降温器热交换器处的情况，N表示冷凝器热交换器出口18处的情况，O表示液体/气体热交换器22出口的情况，P表示蒸发器入口21处的情况，Q表示蒸发器出口24处的情况。图3中的曲线表示饱和液体和饱和蒸气之间以及干蒸气和过热蒸气之间的分界面。在图中，可以看到，在N和O之间的冷凝物释放出来的热量通过日液体/气体热交换器传递到了Q和K之间工作流体蒸气，从而提高可加热循环的效率。

根据图4中的流程图，可以确定可以适于在特殊的主要工艺中使用的冷却剂的流量和温度。在步骤1中，指定所需的加热流体交换温度A，所需的工作流体冷凝温度B，所需的过热降温器热交换器功率C，所需的冷凝器热交换器功率D，在冷凝器出口处工作流体与加热流体的温差F，以及指定加热流体G的比热。

接着，在步骤2中，根据以下公式确定加热流体的质量流量比；

$H=\frac{C}{G[A-(B-F)]}$

随后，在步骤3中根据以下公式确定加热流体的输入温度E；

$E=(B-F)-\left(\frac{D}{G\×H}\right)$

不必说，为了是结果的冷却剂温度适合，允许对许多变量的做适当改变，从而得到适于主要工艺所需要的流量和温度(这超越了常规系统的能力)。

表1中给出了根据上述方法的典型计算的数据。在这些例子中，加热流体是水，工作流体是制冷剂R134a。

                                 表1

参数	例1	例2
			A-所需的加热流体的流出温度	850℃	92℃
B-所需的工作流体的冷凝温度	80℃	78℃
			C-所需的过热降温器交换器功率	30Kw	30Kw
D-所需的冷凝器交换器功率	70Kw	70Kw
			E-加热流体输入温度	℃	℃
F-在冷凝器出口处工作流体与加热流体的温差F	5K	3K
			G-加热流体的比热	4.18kJ/kcal	4.18kJ/kcal
H-加热流体的质量流量比	Kg/s	kg/s

在例1的情况下

加热流体的质量流量比 $H=\frac{30}{4.18[85-(80-5)]}$

$=0.718\mathrm{kg}/s$

加热流体输入温度 $E=(80-5)-\left(\frac{70}{4.18\×0.718}\right)$ 在冷凝器入口15处(图5中的a’)

在例2的情况下

加热流体质量流量比 $H=\frac{30}{5\×4.18[92-(78-3)]}$

$=0.422\mathrm{kg}/s$

加热流体输入温度 $E=(78-3)-\left(\frac{70}{4.18\×0.422}\right)$

在冷凝器入口15处(图5中的a”)

图5本发明中热量传递图，其中Y轴表示温度，单位是摄氏度，X轴表示全部的热量传递，单位是kW。字母L、M、N表示工作流体在图2中前述的位置L、M、N处的情况。直线a’，b，c’和a”，b，c”分别表示例1和例2中的加热流体的情况。点a’和a”对应于结果的加热流体的输入温度E，点c’和c”对应于所需的加热流体交换温度A。在例1和例2中点c’和c”都分别要高于所需的工作流体冷凝温度沿着实线和虚线M-N。

沿着X轴L到M和M到N的斜率表示在全部的热量传递过程中过热热量与潜热热量之比。

图6示出了根据本发明的热泵系统的第二实施例，用箭头30表示出。在图中，与图2中第一实施例中功能相同的元件用同样的标号表示。

热泵流体加热系统30是设计使用在加工厂中，例如用巴氏法灭菌的牛奶工厂中。同样地，加热流体通过循环泵34围绕着加热回路32循环，加热回路32结合有加工用的热负载热交换器33连接。而且，冷却流体通过循环泵37围绕着冷却回路35循环，冷却回路35结合有蒸发器29和加工用的冷负载热交换器36的。在用巴氏法灭菌的牛奶工厂中，加热负载是以大约72℃的巴氏法灭菌温度加热牛奶，冷负载是用于再次冷却牛奶。通过这样的设置，循环系统可设计成能满足巴氏法灭菌或热能工厂或类似的工厂的全部或部分需要。

第二实施例的另一特征是，过热降温器热交换器8是这样设置的，即，工作流体出口12比冷凝器热交换器入口17要低。在这样的情况下，为了将冷凝物运送到冷凝器热交换器出口17，在出口12和入口17之间的管道38的大小和形状设置成这样，即，冷凝物可以通过工作流体的气态流从过热降温器热交换器运送到冷凝器热交换器14的入口17。一种可以实现该功能的合适的设备就是适于制成管道的标准的“P”形管(“P”trap)。

从小规模的实验工厂得到的实验结果证实了设计的预想，可以持续可靠地产生78℃的热水，同时还提供了所需要的4℃的冷却水的至少37％。

在使用电作为原动力的情况下，实验的热泵得到了410％的全部热效率(4.10COP)。

尽管本发明的最初的目的是用于巴氏法灭菌，但可以预想见能应用于如热能化或一般的热水供给。

这是很容易理解的，在上述的回路中使用的所有元件都是常规的结构并能在市场上得到。本发明这里涉及不是元件本身，而这样的元件在回路中怎样设置，从而使得该回路可以得到适于在如消毒，巴氏法灭菌的加工厂中使用的充足的较高温度的流体。

工业应用性

本发明的工业实用性在于提供可一种热泵流体加热系统，可以得到适于在如消毒，巴氏法灭菌中使用的充足的较高温度的流体，且具有紧凑的设计。而且，本发明不需要热蒸气或热水锅炉、检验压力容器、安全测量、水质处理，并避免了向环境中散发碳，并且通过高的COP在能源花费中得到了相对大的节约。上面仅通过实施例已经描述了本发明的各方面，同时在不脱离如所附权利要求所限定的范围内可以对本发明进行修改和增加。

Claims (13)

1.一种用于提升加热流体温度的热泵系统，包括：

一用于压缩工作流体的压缩机，

一过热降温器热交换器，其具有用于所述加热流体的入口和出口，以及用于所述工作流体的入口和出口，所述工作流体入口与所述压缩机出口连通；

一冷凝器热交换器，其具有用于所述加热流体的入口和出口，以及用于所述工作流体的入口和出口，所述冷凝器热交换器的加热流体出口与所述过热降温器热交换器的加热流体入口直接连通，所述冷凝器热交换器的工作流体入口与所述过热降温器热交换器的工作流体出口直接连通；和，

一蒸发器，其具有入口和出口，该入口与所述冷凝器热交换器的工作流体出口连通，该出口与所述压缩机的入口连通。

2.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征是，所述过热降温器热交换器和冷凝器热交换器适于与非回路应用连接。

3.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征是，所述过热降温器热交换器和冷凝器热交换器适于与流体循环系统连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵系统，其特征是，所述蒸发器包括一适于与流体循环系统连接的液冷式的热交换器。

5.根据权利要求4所述的热泵系统，其特征是，所述循环系统能满足使用巴氏法灭菌的工厂和热能工厂的全部或部分的加热和冷却的需求。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵系统，其特征是，所述过热降温器热交换器是这样设置，即，工作流体出口比所述冷凝器热交换器的入口要低，并提供有用于将冷凝物运送入所述冷凝器热交换器入口的装置。

7.根据权利要求6所述的热泵系统，其特征是，所述冷凝物运送装置包括在所述热交换器之间的管道，该管道的大小和形状是合适的，从而任何从所述过热降温器交换器中流出的冷凝物都可以被气态的工作流体运送到所述冷凝器的入口中。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵系统，其特征是，所述过热降温器热交换器、所述冷凝器热交换器和所述蒸发器为铜焊板型热交换器。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵系统，其特征是，所述所述压缩机为往复式压缩机。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵系统，其特征是，还进一步提供有一液体/气体热交换器，其设置和结构适于将热量从所述冷凝器热交换器流出的工作流体传递到流入所述压缩机的工作流体。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵系统，其特征是，所述所述加热流体是水。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵系统，其特征是，其中所述过热降温器热交换器和冷凝器热交换器所需的热交换功率是确定的，因此，当在指定的冷凝和蒸发温度下运行时，连续流经那些热交换器的流体被加热到至少是工作流体的冷凝温度的指定温度。

13.一种确定在热泵系统中的加热流体质量流量比和加热流体的输入温度的方法，该热泵系统包括连续连通的一过热降温器热交换器和一冷凝器热交换器，加热流体连续流经过热降温器热交换器和冷凝器热交换器，该方法包括以下步骤：

指定所需的加热流体交换温度A，所需的工作流体压缩温度B，所需的过热降温器热交换器功率C，所需的冷凝器热交换器功率D，在冷凝器热交换器出口出的工作流体和加热流体之间的温差F，以及指定加热流体的热容量G；

按照以下公式确定加热流体的质量流量比H；

$H=\frac{C}{G[A-(B-F)]}$

然后按照以下公式确定加热流体的输入温度E；

$E=(B-F)-\left(\frac{D}{G\×H}\right).$

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