CN115949984A - 一种用于大温差长距离供热的热源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大温差长距离供热的热源热泵系统，属于余热回收利用领域，包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器、一次热网流路、中温热源流路以及动力装置；所述的有机朗肯循环装置利用中温热源供水的中品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热一次热网来水；所述的动力装置补充蒸气压缩式热泵的驱动力；所述的中间换热器利用中温热源供水的中品位热量直接加热一次热网来水；所述的蒸气压缩式热泵吸收中温热源供水的中品位热量产生高品位的热量来加热一次热网来水至指定温度。本发明的热源热泵系统有效提高了余热回收转化率，避免了吸收式热泵性能不稳定的问题，更加适用于大温差长距离供热。

Description

一种用于大温差长距离供热的热源热泵系统

技术领域

本发明属于余热回收利用领域，具体涉及一种用于大温差长距离供热的热源热泵系统。

背景技术

区域集中供热系统由工厂、热网(一次热网、二次热网)、热源站和用户组成，工厂与热源站之间为一次热网，热源站与用户之间为二次热网。工厂供给一次热网中的高温流体至热源站与之换热，降温后低温流体回流至工厂。工业领域的中温余热富余，若直接加热低温回流到高温，则不能实现热量的梯度利用。公开号为CN114251709A的专利申请提出了一种由吸收式热泵与换热器构成的热源站解决方案，利用第二类吸收式热泵技术回收工业领域的中温余热制取蒸汽或高温热水，然而该方法的吸收式热泵内部处于负压环境易漏气，易产生不凝性气体，造成吸收式热泵性能的恶化，同时由于吸收式热泵内冷凝器和蒸发器中制冷剂相变温度一定，换热过程中换热温差均匀性差，换热效率低下，热源站解决方案仍需继续优化。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种用于大温差长距离供热的热源热泵系统，能够提高余热回收转化率，避免吸收式热泵的性能不稳定，同时改善换热温差的不均匀性，增大换热效率。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种用于大温差长距离供热的热源热泵系统，包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器、一次热网流路、中温热源流路以及动力装置；所述的有机朗肯循环装置利用中温热源供水的中品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热一次热网来水；所述的动力装置补充蒸气压缩式热泵的驱动力；所述的中间换热器利用中温热源供水的中品位热量直接加热一次热网来水；所述的蒸气压缩式热泵吸收中温热源供水的中品位热量产生高品位的热量来加热一次热网来水至指定温度。

作为一种优选的方案，所述的有机朗肯循环装置包括通过管道依次连接的膨胀机、冷凝换热器、工质泵、蒸发换热器以及在管道中流动的ORC工质；所述的蒸气压缩式热泵包括通过管道依次连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及在管道中流动的热泵工质；所述的中温热源供水分为三路并联通过蒸发换热器、中间换热器、蒸发器放热，所述的有机朗肯循环装置吸收来自中温热源供水的热量，产生过热气体状态的ORC工质，ORC工质进入膨胀机做功，为蒸气压缩式热泵的压缩机提供动力，同时一次热网来水吸收乏汽状态ORC工质的余热；所述的一次热网来水在中间换热器中与中温热源供水换热升温；蒸气压缩式热泵吸收中温热源供水的中品位热量产生高品位的热量来加热一次热网来水至指定温度；一次热网来水依次经过冷凝换热器、换热器、冷凝器，在由低到高的温度区间上依次吸热直至达到指定温度。

作为一种优选的方案，所述的动力装置连接在膨胀机与压缩机之间，动力装置包括电机、第一离合器、第二离合器和变速器；所述有机朗肯循环装置还包括膨胀机输出轴，蒸气压缩式热泵还包括压缩机驱动轴，膨胀机输出轴与膨胀机连接，压缩机驱动轴与压缩机连接；所述的膨胀机输出轴通过变速器、第一离合器与压缩机驱动轴连接，电机通过第二离合器与压缩机驱动轴连接，第一离合器、第二离合器均与压缩机驱动轴连接或断开，膨胀机与电机同时或单独将动力传递给压缩机。

作为一种优选的方案，所述的一次热网流路中设置有能够旁通冷凝换热器的三通阀，使一次热网来水不经过有机朗肯循环装置而只依次经过中间换热器、冷凝器；中温热源流路中设置有阀门，阀门用于控制中温热源供水是否经过蒸发换热器。

作为一种优选的方案，当中温热源供水温度大于75℃时，第一离合器连接膨胀机输出轴、压缩机驱动轴，第二离合器断开电机、压缩机驱动轴，电机不启动，压缩机完全由膨胀机驱动；

当中温热源供水温度在65℃～75℃之间时，第一离合器、第二离合器分别连接膨胀机输出轴、电机与压缩机驱动轴，电机启动，压缩机由膨胀机、电机共同驱动；

当一次热网供水温度低于65℃时，第一离合器断开膨胀机输出轴、压缩机驱动轴，第二离合器连接电机、压缩机驱动轴，电机启动，压缩机完全由电机驱动，三通阀旁通冷凝换热器，阀门禁止中温热源供水经过蒸发换热器。

作为一种优选的方案，所述有机朗肯循环装置的内部设置有回热换热器，在膨胀机、蒸发换热器连接的管路与冷凝换热器、工质泵连接的管路之间设置所述的回热换热器；所述的蒸气压缩式热泵内部设置有回热器，在压缩机、冷凝器连接的管路与膨胀阀、蒸发器连接的管路之间设置所述的回热器。

作为一种优选的方案，所述的ORC工质以及热泵工质均为非共沸混合工质；所述的ORC工质在标准压力下的泡点温度范围为225K～300K，露点温度范围为235K～310K；所述的热泵工质在标准压力下的泡点温度范围为245K～320K，露点温度范围为265K～340K。

作为一种优选的方案，所述膨胀机内置双缸，由缸内容积较大的第一膨胀机与缸内容积较小的第二膨胀机组成，所述的冷凝换热器由第一冷凝换热器与第二冷凝换热器两部分组成，一次热网来水依次通过第一冷凝换热器、第二冷凝换热器，第一冷凝换热器、第二冷凝换热器内的ORC工质分别来自于第一膨胀机、第二膨胀机，并分别由第一工质泵、第二工质泵泵送，第一冷凝换热器内部ORC工质的平均温度及压力低于第二冷凝换热器。

作为一种优选的方案，所述的压缩机内置双缸，由排气压力较低的第一压缩机与排气压力较高的第二压缩机组成，所述的冷凝器由第一冷凝器、第二冷凝器两部分组成，一次热网来水依次通过第一冷凝器、第二冷凝器，第一冷凝器、第二冷凝器内的热泵工质分别来自于第一压缩机、第二压缩机，第一冷凝器内部热泵工质的平均温度及压力低于第二冷凝器。

作为一种优选的方案，所述的一次热网来水出口设置有辅助加热装置，当有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵不足以加热一次热网来水至指定温度时，所述的辅助加热装置利用高品位热量补充加热。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

采用有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵的组合，避免了现有技术的吸收式热泵由于内部处于负压环境易造成性能恶化的问题，同时由于吸收式热泵内冷凝器和蒸发器中制冷剂相变温度一定，换热过程中换热温差均匀性差，换热效率低下。本发明热源热泵系统中的有机朗肯循环装置利用中温热源供水的中品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热一次热网来水，动力装置补充热泵内压缩机的驱动力，中间换热器利用中温热源供水的中品位热量直接加热一次热网来水，蒸气压缩式热泵吸收中温热源供水的中品位热量产生高品位的热量来加热一次热网来水至指定温度，有效提高了余热回收转化率，避免了吸收式热泵性能不稳定的问题，更加适用于大温差长距离供热。

更进一步的，本发明有机朗肯循环装置内部的ORC工质以及蒸气压缩式热泵内部的热泵工质均为非共沸混合工质，能够减少蒸发换热器及蒸发器、冷凝换热器及冷凝器与一次热网供水、二次热网水的换热温差的不均匀性。本发明热源热泵系统内所有的换热器均为逆流换热的流动布置，改善了换热温差的不均匀性，增强了换热效率。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作以简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1本发明实施例一用于大温差长距离供热的热源热泵系统结构示意图；

图2本发明实施例一用于大温差长距离供热的热源热泵系统内部换热的温度-换热量图；

图3本发明实施例二用于大温差长距离供热的热源热泵系统结构示意图；

图4本发明实施例二用于大温差长距离供热的热源热泵系统内部换热的温度-换热量图。

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还可以在没有做出创造性劳动的前提下获得其他实施例。

图1、图2描述了一个本发明的实施例一，如图1所示，本发明用于大温差长距离供热的热源热泵系统包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器300、一次热网流路400、中温热源流路500、动力装置以及辅助加热装置700，其中，有机朗肯循环装置包括通过管道依次连接的膨胀机101、冷凝换热器102、工质泵103、蒸发换热器104、在管道中流动的ORC工质，位于膨胀机101、蒸发换热器104与冷凝换热器102、工质泵103之间的回热换热器105，以及与膨胀机101连接的膨胀机输出轴107；蒸气压缩式热泵包括通过管道依次连接的压缩机201、冷凝器202、膨胀阀203、蒸发器204，在管道中流动的热泵工质，位于压缩机201、冷凝器202与膨胀阀203、蒸发器204之间的回热器205，以及与压缩机201连接的压缩机驱动轴207；一次热网流路400内设置有三通阀401，中温热源流路500内设置有阀门501；动力装置600包括电机601、第一离合器611、第二离合器612、变速器621。

在一次热网流路400中，来自用户的一次热网来水依次经过冷凝换热器102、换热器300、冷凝器202，在由低到高的温度区间上依次吸热直至达到指定温度；在中温热源流路500中，中温热源供水分三路并联通过蒸发换热器104、中间换热器300及蒸发器204放热。

在有机朗肯循环装置100中，ORC工质从蒸发换热器104吸热，温度升高至过热气体状态，随后进入膨胀机101膨胀做功，膨胀机101通过膨胀机输出轴107、变速器621、第一离合器611、压缩机驱动轴207将动力传递给压缩机201，做完功的乏汽ORC工质流经回热换热器105与液态ORC工质进行换热，乏汽ORC工质放热降温，液态ORC工质吸热升温；降温后的乏汽ORC工质流经冷凝换热器102与一次热网来水换热，乏汽ORC工质则冷凝为液态ORC工质；液态ORC工质被工质泵103驱动并加压，流经回热换热器105吸热升温后进入蒸发换热器104，此过程循环往复。

在蒸气压缩式热泵中，热泵工质从蒸发器204吸热，温度升高相变为气态或气液两相热泵工质；随后流经回热器205与液态热泵工质换热，气态或气液两相热泵工质吸热升温为过热气态热泵工质，液态热泵工质放热降温为过冷液态热泵工质；过热气态热泵工质进入压缩机201后被加压升温为高温高压热泵工质；高温高压热泵工质流经冷凝器202与一次热网来水换热，高温高压热泵工质放热冷凝为液态热泵工质；液态热泵工质流经回热器205过冷后进入蒸发器204，此过程循环往复。

当中温热源供水温度大于75℃时，第一离合器611连接膨胀机输出轴107、压缩机驱动轴207，第二离合器612断开电机601、压缩机驱动轴207，电机601不启动，压缩机201完全由膨胀机101驱动；

当中温热源供水温度在65℃～75℃之间时，第一离合器611、第二离合器612分别连接膨胀机输出轴107、电机601与压缩机驱动轴207，电机601启动，压缩机201由膨胀机101、电机601共同驱动；

当一次热网供水温度低于65℃时，电机601启动，第一离合器611断开膨胀机输出轴107、压缩机驱动轴207，第二离合器612连接电机601、压缩机驱动轴207，压缩机201完全由电机601驱动，三通阀401旁通冷凝换热器102，阀门501禁止中温热源供水经过蒸发换热器104。

当有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵不足以加热一次热网来水至指定温度时，辅助加热装置700利用高品位热量进行进一步的加热。

本发明热源热泵系统内部的ORC工质、热泵工质均为非共沸混合工质，以减少其在换热器中换热温差的不均匀性，系统内所有换热器均为逆流换热的流动布置，以增强换热效率。

如图2所示，温度-换热量图说明了本发明热源热泵系统内部的换热情况，可以看出，采用非共沸混合工质、逆流换热的流动布置后，换热曲线围成了多个近似“平行四边形”，而以吸收式热泵为主的热源站系统的换热曲线在蒸发器和冷凝器中的相变换热曲线是一个“三角形”，其工质侧相变温度不变，换热温差不均匀，本发明热源热泵系统的换热温差均匀性要好于以吸收式热泵为主的热源站系统。

一次热网来水经过换热器的温变显著大于中温热源供水，因此，非共沸混合工质不能同时匹配两侧换热温差。若选择温度滑移更大的工质，过高的冷凝温度滑移会影响ORC、热泵系统的运行效率。因此，可以对温变大的一次热网侧的换热器进行分区换热，以匹配换热温差，即实施例二。

图3、图4描述了另一个本发明的实施例二，如图3所示，本发明用于大温差长距离供热的热源热泵系统除膨胀机101、冷凝换热器102、工质泵103及其管道连接、压缩机201、冷凝器202及其管道连接外，均与实施例一保持一致。

膨胀机101内置双缸，可视为存在缸内容积更大的第一膨胀机101-1、缸内容积更小的第二膨胀机101-2，冷凝换热器102分为两部分，一次热网来水依次通过第一冷凝换热器102-1、第二冷凝换热器102-2，其内ORC工质分别来自于第一膨胀机101-1、第二膨胀机101-2，并分别由第一工质泵103-1、第二工质泵103-2泵送，第一冷凝换热器102-1内部ORC工质的平均温度及压力低于第二冷凝换热器102-2。

压缩机201内置双缸，可视为存在排气压力更低的第一压缩机201-1、排气压力更高的第二压缩机201-2，冷凝器202分为两部分，一次热网来水依次通过第一冷凝器202-1、第二冷凝器202-2，其内热泵工质分别来自于第一压缩机201-1、第二压缩机201-2，第一冷凝器202-1内部热泵工质的平均温度及压力低于第二冷凝器202-2。

如图4所示，由于换热器分区，每个蒸发换热器104、蒸发器204内的工质流量大于其对应的冷凝换热器102、冷凝器202的流量，因此，温度-换热量图中蒸发侧的斜率小于冷凝侧的斜率，相比实施例一，其换热温差可以做到更高的均匀性，提升了换热效率。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器(300)、一次热网流路(400)、中温热源流路(500)以及动力装置；所述的有机朗肯循环装置利用中温热源供水的中品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热一次热网来水；所述的动力装置补充蒸气压缩式热泵的驱动力；所述的中间换热器(300)利用中温热源供水的中品位热量直接加热一次热网来水；所述的蒸气压缩式热泵吸收中温热源供水的中品位热量产生高品位的热量来加热一次热网来水至指定温度。

2.根据权利要求1所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述的有机朗肯循环装置包括通过管道依次连接的膨胀机(101)、冷凝换热器(102)、工质泵(103)、蒸发换热器(104)以及在管道中流动的ORC工质；所述的蒸气压缩式热泵包括通过管道依次连接的压缩机(201)、冷凝器(202)、膨胀阀(203)、蒸发器(204)以及在管道中流动的热泵工质；所述的中温热源供水分为三路并联通过蒸发换热器(104)、中间换热器(300)、蒸发器(204)放热，所述的有机朗肯循环装置吸收来自中温热源供水的热量，产生过热气体状态的ORC工质，ORC工质进入膨胀机(101)做功，为蒸气压缩式热泵的压缩机(201)提供动力，同时一次热网来水吸收乏汽状态ORC工质的余热；所述的一次热网来水在中间换热器(300)中与中温热源供水换热升温；蒸气压缩式热泵吸收中温热源供水的中品位热量产生高品位的热量来加热一次热网来水至指定温度；一次热网来水依次经过冷凝换热器(102)、换热器(300)、冷凝器(202)，在由低到高的温度区间上依次吸热直至达到指定温度。

3.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述的动力装置连接在膨胀机(101)与压缩机(201)之间，动力装置包括电机(601)、第一离合器(611)、第二离合器(612)和变速器(621)；所述有机朗肯循环装置还包括膨胀机输出轴(107)，蒸气压缩式热泵(200)还包括压缩机驱动轴(207)，膨胀机输出轴(107)与膨胀机(101)连接，压缩机驱动轴(207)与压缩机(201)连接；所述的膨胀机输出轴(107)通过变速器(621)、第一离合器(611)与压缩机驱动轴(207)连接，电机(601)通过第二离合器(612)与压缩机驱动轴(207)连接，第一离合器(611)、第二离合器(612)均与压缩机驱动轴(207)连接或断开，膨胀机(101)与电机(601)同时或单独将动力传递给压缩机(201)。

4.根据权利要求3所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述的一次热网流路(400)中设置有能够旁通冷凝换热器(102)的三通阀(401)，使一次热网来水不经过有机朗肯循环装置而只依次经过中间换热器(300)、冷凝器(202)；中温热源流路(500)中设置有阀门(501)，阀门(501)用于控制中温热源供水是否经过蒸发换热器(104)。

5.根据权利要求4所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：

当中温热源供水温度大于75℃时，第一离合器(611)连接膨胀机输出轴(107)、压缩机驱动轴(207)，第二离合器(612)断开电机(601)、压缩机驱动轴(207)，电机(601)不启动，压缩机(201)完全由膨胀机(101)驱动；

当中温热源供水温度在65℃～75℃之间时，第一离合器(611)、第二离合器(612)分别连接膨胀机输出轴(107)、电机(601)与压缩机驱动轴(207)，电机(601)启动，压缩机(201)由膨胀机(101)、电机(601)共同驱动；

当一次热网供水温度低于65℃时，第一离合器(611)断开膨胀机输出轴(107)、压缩机驱动轴(207)，第二离合器(612)连接电机(601)、压缩机驱动轴(207)，电机(601)启动，压缩机(201)完全由电机(601)驱动，三通阀(401)旁通冷凝换热器(102)，阀门(501)禁止中温热源供水经过蒸发换热器(104)。

6.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述有机朗肯循环装置(100)的内部设置有回热换热器(105)，在膨胀机(101)、蒸发换热器(104)连接的管路与冷凝换热器(102)、工质泵(103)连接的管路之间设置所述的回热换热器(105)；所述的蒸气压缩式热泵内部设置有回热器(205)，在压缩机(201)、冷凝器(202)连接的管路与膨胀阀(203)、蒸发器(204)连接的管路之间设置所述的回热器(205)。

7.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述的ORC工质以及热泵工质均为非共沸混合工质；所述的ORC工质在标准压力下的泡点温度范围为225K～300K，露点温度范围为235K～310K；所述的热泵工质在标准压力下的泡点温度范围为245K～320K，露点温度范围为265K～340K。

8.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述膨胀机(101)内置双缸，由缸内容积较大的第一膨胀机(101-1)与缸内容积较小的第二膨胀机(101-2)组成，所述的冷凝换热器(102)由第一冷凝换热器(102-1)与第二冷凝换热器(102-2)两部分组成，一次热网来水依次通过第一冷凝换热器(102-1)、第二冷凝换热器(102-2)，第一冷凝换热器(102-1)、第二冷凝换热器(102-2)内的ORC工质分别来自于第一膨胀机(101-1)、第二膨胀机(101-2)，并分别由第一工质泵(103-1)、第二工质泵(103-2)泵送，第一冷凝换热器(102-1)内部ORC工质的平均温度及压力低于第二冷凝换热器(102-2)。

9.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述的压缩机(201)内置双缸，由排气压力较低的第一压缩机(201-1)与排气压力较高的第二压缩机(201-2)组成，所述的冷凝器(202)由第一冷凝器(202-1)、第二冷凝器(202-2)两部分组成，一次热网来水依次通过第一冷凝器(202-1)、第二冷凝器(202-2)，第一冷凝器(202-1)、第二冷凝器(202-2)内的热泵工质分别来自于第一压缩机(201-1)、第二压缩机(201-2)，第一冷凝器(202-1)内部热泵工质的平均温度及压力低于第二冷凝器(202-2)。

10.根据权利要求1所述用于大温差长距离供热的热源热泵系统，其特征在于：所述的一次热网来水出口设置有辅助加热装置(700)，当有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵不足以加热一次热网来水至指定温度时，所述的辅助加热装置(700)利用高品位热量补充加热。

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