CN115493311A - 一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用作热泵系统冷凝侧取热的闪蒸和降膜蒸发复合换热运行方法。该方法利用了两种换热器形式各自的优点，减小了换热温差，增大了系统COP。具体来说，闪蒸取热中单相换热避免了大温差，水侧单相可以更好调节流量以保证出口温度，保证其不会发生相变，也避免了结垢问题，可以和单相过热工作工质进行良好的温度匹配，提高系统热效率；利用降膜换热器在工质两相段换热，也保证了良好的温度匹配，提高了系统热效率。
Description
技术领域
本发明涉及蒸汽发生技术领域，具体为一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统及其运行方法。
背景技术
在生产蒸汽的高温热泵系统中，工质冷凝段一般可以分为单相过热蒸汽冷却段(气相显热)和饱和蒸汽冷凝段(相变潜热)。考虑热泵冷凝器的选择，一般选用降膜蒸发换热器(也称喷淋蒸发换热器)，一般管内走高温工质，管外水通过布液器喷淋到管上形成水膜蒸发。这种换热器的优势是壳侧具有较高的换热系数且壳内能维持稳定的压力，稳定的压力则对应着稳定不变的蒸发温度，因而可以很好地维持与工质两相段之间的温差，但是工质单相过热段和壳侧水膜换热温差会较大，大温差则意味着大的熵增，更多的耗功，降低了热泵机组的制冷效率，同时大温差下管表面容易结垢。
选用闪蒸换热方案也是可行的，闪蒸一般是将水加压后通过换热器与工质进行换热，水吸热后高温高压饱和液态水，然后进行闪蒸，小部分水会变成较低压力饱和蒸汽，另一部分水变成低压饱和水，又经泵压缩循环，闪蒸所用换热器是单相和单相工质换热，选用比较自由，比如板式换热器、微通道换热器，亦或是毛细管换热器均可，闪蒸技术成熟，这里不再赘述。闪蒸的优势在于换热器水侧也是单相换热，与工质单相段可以逆流布置进行较好的温差匹配，高温高压的饱和水可以多级节流产生多种不同压力的饱和蒸汽，以减小耗功增大系统制冷效率，此外换热器体积也较小，并且水侧不会结垢。但是闪蒸取热的缺陷也是明显的，即闪蒸方案中换热器侧高压水的水流量、温差和工质两相冷凝段难以匹配，因为工质两相段冷凝时温度基本保持恒定，而水的显热相对于工质潜热小得多，这样在换热量大的情况下需要保证水入口温度应当足够低且流量足够大才能与工质两相段相匹配，但是流量大了后无法在工质单相段换热过程中升温到足够高，即与单相段无法匹配，总结来说，闪蒸技术并不适合用来与工质两相段进行换热。
可见，在高温蒸汽热泵中，降膜换热器与闪蒸取热方案都有各自的优势和无法解决的缺陷所在，即降膜取热方案擅长跟工质两相换热，而闪蒸取热方案擅长跟工质单相段换热，可见两种取热方式恰好是互补的，组合两种取热方案，刚好可以利用两种取热各自的优势而避免了各自的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统及其运行方法，以解决上述背景技术中提出在高温蒸汽热泵中，降膜换热器与闪蒸取热方案都有各自的优势和无法解决的缺陷所在，即降膜取热方案擅长跟工质两相换热，而闪蒸取热方案擅长跟工质单相段换热，可见两种取热方式恰好是互补的的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种闪蒸和降膜蒸发复合换热运行方法，包括冷凝器、热泵系统节流膨胀阀、蒸发器和压缩机，所述冷凝器的出口通过管道与蒸发器相连接，所述管道上安装有热泵系统节流膨胀阀，所述蒸发器与压缩机相连接，所述压缩机连接在冷凝器进口处。
优选的，一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，包括：冷凝器，所述冷凝器包括降膜换热器、闪蒸罐和闪蒸前单相换热器，所述降膜换热器顶部表面设置有水蒸气出口，所述降膜换热器的内设置有布液器和换热管；所述闪蒸前单相换热器有热泵工质换热通路和液态水换热回路，所述闪蒸前单相换热器可为板式、管壳式、微通道换热器或其他形式；
所述降膜换热器的底部连接有第一连通管，所述第一连通管远离降膜换热器的一端连接在第一水泵上，所述第一水泵的出口端连接有第二连通管，所述第二连通管的一端连接有闪蒸前单相换热器的水侧进口，所述闪蒸前单相换热器的水侧通路的出口端连接在第三连通管的一端，所述第三连通管的安装有闪蒸水回路第一节流阀门，所述闪蒸水回路第一节流阀门或可安装在闪蒸罐上端联通与闪蒸水回路第一节流阀门，且第三连通管的底部一端连接在闪蒸罐的内部，所述闪蒸罐的表面设置有水蒸汽出口，且闪蒸罐的底部安装在第四连通管的一端，所述第四连通管的出口端连接在软水器的一端，所述软水器远离第四连通管的一端安装有进口水路，所述第四连通管的表面连通有第五连通管，所述第五连通管的底部连接有布液器，且第五连通管的表面设有一旁通水路，所述旁通水路上设置有闪蒸水回路第二节流阀门。
优选的，降膜换热器和闪蒸前单相换热器上还连接有工质回路，所述工质回路包括热泵系统工质入口回路、闪蒸前单相换热器的工质侧通路、连接回路、降膜换热器换热管和热泵系统工质出口回路，所述热泵系统工质入口回路连接在闪蒸前单相换热器内部的工质侧通路的进口上，所述工质侧通路的出口处连接有连接回路，所述连接回路的出水口连接在降膜换热器的降膜换热器换热管的进液口，所述降膜换热器换热管的出液口与热泵系统工质出口回路相连接。
优选的，所述布液器上安装有节流喷射装置。
优选的，所述闪蒸前单相换热器可选用板式换热器、微通道换热器或毛细管式换热器。
优选的，所述进口水路、第一连通管、第二连通管、第三连通管、第四连通管、第五连通管和旁通水路构成液态水回路。
优选的，所述闪蒸罐的表面设置有水蒸汽出口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该闪蒸和降膜蒸发复合换热系统及其运行方法：
1.本发明利用两种换热器形式各自的优点，减小了换热温差，增大了系统COP。具体来说，闪蒸取热中单相换热避免了大温差，水侧单相可以更好调节流量以保证出口温度，保证其不会发生相变，也避免了结垢问题，可以和单相过热工质进行良好的温度匹配，提高系统热效率；利用降膜换热器在工质两相段换热，也保证了良好的温度匹配，提高了系统热效率。
2.本发明降膜换热器充当了第二级节流的闪蒸罐，使得系统更简单，减小了控制难度，也降低了成本。
附图说明
图1为本发明热泵循环温焓示意图；
图2为本发明热泵制冷循环运行示意图；
图3为本发明实施一换热系统示意图；
图4为本发明实施二换热系统示意图。
图中：1、冷凝器；101、降膜换热器；102、闪蒸罐；103、闪蒸前单相换热器；1031、热泵工质换热通路；1032、液态水换热回路；104、软水器；1011、水蒸气出口；1012、布液器；1013、降膜换热器换热管；1021、水蒸汽出口；1051、进口水路；1052、第一连通管；1053、第二连通管；1054、第三连通管；1055、第四连通管；1056、第五连通管；1057、旁通水路；1061、第一水泵；1062、第二水泵；1071、热泵系统工质入口回路；1072、连接回路；1073、热泵系统工质出口回路；1081、闪蒸水回路第一节流阀门；1082、闪蒸水回路第二节流阀门；2、热泵系统节流膨胀阀；3、蒸发器；4、压缩机。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1、2，本发明提供一种技术方案：一种闪蒸和降膜蒸发复合换热运行方法，包括冷凝器1、热泵系统节流膨胀阀2、蒸发器3和压缩机4，冷凝器1的出口通过管道与蒸发器3相连接，管道上安装有热泵系统节流膨胀阀2，蒸发器3与压缩机4相连接，压缩机4连接在冷凝器1进口处。
实施例一：如图3所示，本发明提供一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，包括：冷凝器1，冷凝器1包括降膜换热器101、闪蒸罐102和闪蒸前单相换热器103，降膜换热器101顶部表面设置有水蒸气出口1011，降膜换热器101的内设置有布液器1012和换热管1013；闪蒸前单相换热器103有热泵工质换热通路1031和液态水换热回路1032，闪蒸前单相换热器可为板式、管壳式、微通道换热器或其他形式；
降膜换热器101的底部连接有第一连通管1052，第一连通管1052远离降膜换热器101的一端连接在第一水泵1061上，第一水泵1061的出口端连接有第二连通管1053，第二连通管1053的一端连接有闪蒸前单相换热器103的水侧1032进口，闪蒸前单相换热器103的水侧通路1032的出口端连接在第三连通管1054的一端，第三连通管1054的安装有闪蒸水回路第一节流阀门1081，闪蒸水回路第一节流阀门1081或可安装在闪蒸罐102上端联通1054与闪蒸水回路第一节流阀门1081，且第三连通管1054的底部一端连接在闪蒸罐102的内部，闪蒸罐102的表面设置有水蒸汽出口1021，且闪蒸罐102的底部安装在第四连通管1055的一端，第四连通管1055的出口端连接在软水器104的一端，软水器104远离第四连通管1055的一端安装有进口水路1051，第四连通管1055的表面连通有第五连通管1056，第五连通管1056的底部连接有布液器1012，且第五连通管1056的表面设有一旁通水路1057，旁通水路1057上设置有闪蒸水回路第二节流阀门1082。
降膜换热器101和闪蒸前单相换热器103上还连接有工质回路，工质回路包括热泵系统工质入口回路1071、闪蒸前单相换热器103的工质侧通路1031、连接回路1072、降膜换热器换热管1013和热泵系统工质出口回路1073，热泵系统工质入口回路1071连接在闪蒸前单相换热器103内部的工质侧通路1031的进口上，工质侧通路1031的出口处连接有连接回路1072，连接回路1072的出口连接在降膜换热器101的降膜换热器换热管1013的进液口，降膜换热器换热管1013的出液口与热泵系统工质出口回路1073相连接，在单相换热器103中将热泵工质从过热态冷却到饱和态，在降膜换热器101中将工质从饱和态冷却到过冷态，形成一个完整的工质回路的冷凝放热的过程。
布液器1012上安装有节流喷射装置，可将高压水喷射而出。
闪蒸前单相换热器103可选用板式换热器、微通道换热器或毛细管式换热器，可进行水和过热工质进行热量的交换。
进口水路1051、第一连通管1052、第二连通管1053、第三连通管1054、第四连通管1055、第五连通管1056和旁通水路1057构成液态水回路105，通过液态水回路105将各组件连通在一起，形成一个完整的水回路流动系统。
闪蒸罐102的表面设置有水蒸汽出口1021，水蒸汽出口1021可将水蒸气喷射出去。
综上所述：如图3所示，在使用该闪蒸和降膜蒸发复合换热系统及其运行方法时，首先进口加压后的水从进口水路1051进入，经过软水器104软化后喷淋到降膜换热器101中，在管上吸热蒸发，降膜换热器101内的压力受蒸汽出口压力水蒸气出口1011调控，换热器底部会有积液，即饱和状态水，经过第一水泵1061压缩后变成高压非饱和水，进入闪蒸前单相换热器103中与过热工质逆流换热，从高压非饱和液态加热到高温高压饱和态，然后出来到第三连通管1054，经过闪蒸水回路第一节流阀门1081节流后到闪蒸罐102中，一部分变成饱和水蒸气，另一部分变成饱和态水，闪蒸罐102内的压力低于闪蒸前单相换热器103中高压水的压力，但高于降膜换热器101壳侧水蒸发压力，闪蒸罐102内的压力受水蒸汽出口1021调控，此处产生的蒸汽是高压蒸汽，闪蒸罐102内的压力高于降膜换热器101壳体内，闪蒸罐102底部水经第四连通管1055路与进口水路1051合并到一起进入降膜换热器101的布液器1012，布液器1012上的喷淋装置本身就有节流作用，喷出后会产生一部分水蒸汽，其他为饱和液体。由于降膜蒸发需要合适的水量，如果第四连通管1055水路上的所有水全从布液器1012喷出，水量过大会恶化降膜换热器101管外传热，所以在第五连通管1056水路上设一旁通水路1057，水路上设置闪蒸水回路第二节流阀门1082，节流后的水蒸气与降膜蒸发产生的水蒸气汇合，从水蒸气出口1011处出来，即为低压蒸汽相对于水蒸汽出口1021出口的高压水蒸气而言，闪蒸水回路第二节流阀门1082节流后的液体从降膜换热器101侧面直接进入闪蒸前单相换热器103底部，水路则完成一个完整循环，进口水路1051进口的水量，和水蒸气出口1011和水蒸汽出口1021出口的水蒸气等质量，质量守恒。工质回路从热泵系统工质入口回路1071进口进入闪蒸前单相换热器103，从过热态冷却到饱和态，此时干度为1，经连接回路1072管路进入降膜换热器101管程，在降膜换热器101管程从干度1冷却到干度0，进一步冷却到过冷状态，然后从热泵系统工质出口回路1073出去，即完成了冷凝放热过程。
实施例二：如图4所示，一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，包括：冷凝器1，冷凝器1包括降膜换热器101、闪蒸罐102和闪蒸前单相换热器103，降膜换热器101顶部表面设置有水蒸气出口1011，降膜换热器101的内设置有布液器1012；
降膜换热器101的顶部连接有第一连通管1052，第一连通管1052远离降膜换热器101的一端连接在第二连通管1053上，第二连通管1053的一端连接在第一水泵1061上，第一水泵1061出口端连接有第三连通管1054，第三连通管1054安装有闪蒸前单相换热器103；
降膜换热器101和闪蒸前单相换热器103上还连接有工质回路，工质回路包括热泵系统工质入口回路1071、闪蒸前单相换热器103、工质侧通路1031、连接回路1072、降膜换热器换热管1013和热泵系统工质出口回路1073，热泵系统工质入口回路1071连接在闪蒸前单相换热器103内部的工质侧通路1031的进口上，工质侧通路1031的出口处连接有连接回路1072，连接回路1072的出水口连接在降膜换热器101的降膜换热器换热管1013的进液口，降膜换热器换热管1013的出液口与热泵系统工质出口回路1073相连接；
第三连通管1054的出口端连接在闪蒸罐102上，闪蒸罐102设置有两级节流，分别产生不同压力的蒸汽，第一级节流后的蒸汽为高压蒸汽，第二级节流后为低压蒸汽，闪蒸罐102中有闪蒸水回路第一节流阀门1081和闪蒸水回路第二节流阀门1082，两个水蒸汽出口1021。
闪蒸罐102底部连接有第四连通管1055与第二连通管1053相连通，第二连通管1053的表面连通有旁通水路1057，旁通水路1057的另一端连接在降膜换热器101的底部，且旁通水路1057的中部安装有第二水泵1062。
本实施例二相比于实施例一来说对加压后的水从进口水路1051进入后，经过软水器104分成两路，一路从第一连通管1052直接进降膜换热器101，此处相对于实施例一来说不再需要旁通，通过第一水泵1061调节流量，降膜换热器101积液从旁通水路1057出来经过第二水泵1062压缩后，与进口水路1051汇合，此处回流的目的是为了调控降膜换热器101水流速度。另一路经过第二连通管1053与闪蒸罐102出口积液第四连通管1055上的水汇合后经过第一水泵1061压缩，经过闪蒸前单相换热器103换热，然后在闪蒸罐102中两级节流，分别产生不同压力的蒸汽。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和构思的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种闪蒸和降膜蒸发复合换热运行方法，其特征在于：包括冷凝器(1)、热泵系统节流膨胀阀(2)、蒸发器(3)和压缩机(4)，所述冷凝器(1)的出口通过管道与蒸发器(3)相连接，所述管道上安装有热泵系统节流膨胀阀(2)，所述蒸发器(3)与压缩机(4)相连接，所述压缩机(4)连接在冷凝器(1)进口处。
2.一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，包括：冷凝器(1)，所述冷凝器(1)包括降膜换热器(101)、闪蒸罐(102)和闪蒸前单相换热器(103)，其特征在于：所述降膜换热器(101)顶部表面设置有水蒸气出口(1011)，所述降膜换热器(101)的内设置有布液器(1012)和换热管(1013)；所述闪蒸前单相换热器(103)有热泵工质换热通路(1031)和液态水换热回路(1032)，所述闪蒸前单相换热器可为板式、管壳式、微通道换热器或其他形式；
所述降膜换热器(101)的底部连接有第一连通管(1052)，所述第一连通管(1052)远离降膜换热器(101)的一端连接在第一水泵(1061)上，所述第一水泵(1061)的出口端连接有第二连通管(1053)，所述第二连通管(1053)的一端连接有闪蒸前单相换热器(103)的水侧(1032)进口，所述闪蒸前单相换热器(103)的水侧通路(1032)的出口端连接在第三连通管(1054)的一端，所述第三连通管(1054)的安装有闪蒸水回路第一节流阀门(1081)，所述闪蒸水回路第一节流阀门(1081)或可安装在闪蒸罐(102)上端联通(1054)与闪蒸水回路第一节流阀门(1081)，且第三连通管(1054)的底部一端连接在闪蒸罐(102)的内部，所述闪蒸罐(102)的表面设置有水蒸汽出口(1021)，且闪蒸罐(102)的底部安装在第四连通管(1055)的一端，所述第四连通管(1055)的出口端连接在软水器(104)的一端，所述软水器(104)远离第四连通管(1055)的一端安装有进口水路(1051)，所述第四连通管(1055)的表面连通有第五连通管(1056)，所述第五连通管(1056)的底部连接有布液器(1012)，且第五连通管(1056)的表面设有一旁通水路(1057)，所述旁通水路(1057)上设置有闪蒸水回路第二节流阀门(1082)。
3.根据权利要求2所述的一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，其特征在于：所述降膜换热器(101)和闪蒸前单相换热器(103)上还连接有工质回路，所述工质回路包括热泵系统工质入口回路(1071)、闪蒸前单相换热器(103)的工质侧通路(1031)、连接回路(1072)、降膜换热器换热管(1013)和热泵系统工质出口回路(1073)，所述热泵系统工质入口回路(1071)连接在闪蒸前单相换热器(103)内部的工质侧通路(1031)的进口上，所述工质侧通路(1031)的出口处连接有连接回路(1072)，所述连接回路(1072)的出口连接在降膜换热器(101)的降膜换热器换热管(1013)的进液口，所述降膜换热器换热管(1013)的出液口与热泵系统工质出口回路(1073)相连接。
4.根据权利要求2所述的一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，其特征在于：所述布液器(1012)上安装有节流喷射装置。
5.根据权利要求2所述的一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，其特征在于：所述闪蒸前单相换热器(103)可选用板式换热器、微通道换热器或毛细管式换热器。
6.根据权利要求2所述的一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，其特征在于：所述进口水路(1051)、第一连通管(1052)、第二连通管(1053)、第三连通管(1054)、第四连通管(1055)、第五连通管(1056)和旁通水路(1057)构成液态水回路(105)。
7.根据权利要求2所述的一种闪蒸和降膜蒸发复合换热系统，其特征在于：所述闪蒸罐(102)的表面设置有水蒸汽出口(1021)。
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