CN116007229A - 一种两级取热高温热泵循环系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两级取热高温热泵循环系统及其控制方法，所述系统包括低压水蒸汽压缩机、换热器、高压水蒸汽压缩机、冷凝器、水力透平和蒸发器；低压水蒸汽压缩机的出口经换热器的第一通道与高压水蒸汽压缩机的进口相连通，所高压水蒸汽压缩机的出口经冷凝器的第一通道与水力透平的进口相连通，水力透平的出口经蒸发器的第一通道与低压水蒸汽压缩机的进口相连通，循环工质为水蒸汽；低压水蒸汽压缩机与高压水蒸汽压缩机采用同轴对头布置形式。本发明以水蒸汽作为循环工质，能够在较高的温度范围内满足用户的供热需求，且系统整体压力水平低，安全稳定，清洁高效，适用范围广，具有较高的性能系数。

Description

一种两级取热高温热泵循环系统及其控制方法

技术领域

本发明属于热泵技术领域，特别涉及一种两级取热高温热泵循环系统及其控制方法。

背景技术

热泵技术仅需消耗少量压缩功，就能提供较大的热量，实现低品位热的充分、高效利用，是一种备受关注的节能装置。

目前应用较为广泛的热泵循环工质包括R22、R134a等有机物以及二氧化碳、氨等无机物；其中，R22、R134a等工质会造成臭氧层破坏或温室效应，正在被逐渐淘汰；氨、二氧化碳等无机物虽然能够实现较高的制热温度，但是需要极高的压力，部件的设计难度很大；此外，氨具有一定的毒性，二氧化碳泄露也会对环境造成影响，对系统的安全性造成较大威胁。

综上所述，亟需一种采用新型工质的热泵循环系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两级取热高温热泵循环系统及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的热泵循环系统中，以水蒸汽作为循环工质，能够在较高的温度范围内满足用户的供热需求，且系统整体压力水平低，安全稳定，清洁高效，适用范围广，具有较高的性能系数(COP)。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种两级取热高温热泵循环系统，包括：低压水蒸汽压缩机、换热器、高压水蒸汽压缩机、冷凝器、水力透平和蒸发器；

所述低压水蒸汽压缩机的出口经所述换热器的第一通道与所述高压水蒸汽压缩机的进口相连通，所高压水蒸汽压缩机的出口经所述冷凝器的第一通道与所述水力透平的进口相连通，所述水力透平的出口经所述蒸发器的第一通道与所述低压水蒸汽压缩机的进口相连通，循环工质为水蒸汽；

所述低压水蒸汽压缩机与所述高压水蒸汽压缩机采用同轴对头布置形式。

本发明的进一步改进在于，还包括：

低温流体储罐，所述低温流体储罐的出口分别与所述换热器的第二通道进口以及所述冷凝器的第二通道进口相连通；

其中，在所述换热器和所述冷凝器中换热后的低温流体用于外部供热。

本发明的进一步改进在于，所述换热后的低温流体的温度为150℃～220℃。

本发明的进一步改进在于，所述低温流体为空气或水。

本发明的进一步改进在于，所述高压水蒸汽压缩机的出口处的水蒸汽的压力为8bar～23bar，所述水力透平的出口处的水蒸汽的压力为0.5bar～1.2bar。

本发明的进一步改进在于，还包括：

电机，所述电机用于驱动所述低压水蒸汽压缩机或所述高压水蒸汽压缩机进行水蒸汽压缩。

本发明的进一步改进在于，还包括：

发电机，所述发电机用于在所述水力透平的驱动下进行发电。

本发明的进一步改进在于，还包括：

热源，所述热源用于为所述蒸发器的换热提供热量。

本发明的进一步改进在于，所述热源为工业余热。

本发明提供的一种两级取热高温热泵循环系统的控制方法，包括以下步骤：

将处于循环最低压力的水蒸汽经低压水蒸汽压缩机压缩后输入换热器进行换热降温，降温后的水蒸汽经高压水蒸汽压缩机压缩后压力达到循环最高压力，获得高温高压的水蒸汽；

所述高温高压的水蒸汽输入冷凝器冷凝为液态后进入水力透平膨胀至循环最低压力，用于带动发电机发电；

膨胀至循环最低压力的水蒸汽输入蒸发器吸热蒸发后重新进入低压水蒸汽压缩机进行压缩。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的热泵循环系统中，能够在较高的温度范围内满足用户的供热需求，且系统整体压力水平低，安全稳定，清洁高效，适用范围广，具有较高的性能系数(COP)。具体解释性的，本发明设置有低压水蒸汽压缩机和高压水蒸汽压缩机，采用多级压缩级间冷却的方式对水蒸汽进行压缩，能够有效降低压缩机耗功，两级压缩机采用同轴对头布置，能够有效平衡轴向推力，提高系统的整体机械性能；换热器产生的热量温度同样较高，能够与冷凝器共同供热，增加循环供热量，有效提升系统COP；循环系统采用水蒸汽作为循环工质，安全无毒，且易获取，有效提升系统安全性，降低系统运行成本；将传统热泵循环的膨胀阀替换为水力透平，充分利用工质冷凝后剩余的温度、压力进行发电，用于补充压缩机耗功，降低了系统的整体功耗，提升了系统COP。

本发明中，系统能够在150℃～220℃稳定提供热量，同时系统整体压力水平极低，循环最高压力仅为8bar～23bar，有效提升了系统的安全性与稳定性，降低了压缩机的制造难度与成本。

本发明中，系统利用工业余热作为热源，有效避免蒸发器结冰的同时实现能量的充分利用，提高了能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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的附图。

图1是本发明实施例提供的一种利用水蒸汽作为循环工质的两级取热高温热泵循环系统的结构示意图；

图中，1、低压水蒸汽压缩机；2、换热器；3、高压水蒸汽压缩机；4、冷凝器；5、水力透平；6、蒸发器；7、电机；8、发电机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1，本发明实施例公开的一种利用水蒸汽作为循环工质的两级取热高温热泵循环系统，包括：低压水蒸汽压缩机1、换热器2、高压水蒸汽压缩机3、冷凝器4、水力透平5、蒸发器6、电机7和发电机8；

其中，低压水蒸汽压缩机1出口连接至换热器2第一进口，换热器2第一出口连接至高压水蒸汽压缩机3进口，高压水蒸汽压缩机3出口连接至冷凝器4第一进口，冷凝器4第一出口连接至水力透平5进口，水力透平5出口连接至蒸发器6第一进口，蒸发器6第一出口连接至低压水蒸汽压缩机1进口，完成循环。

本发明实施例提供的一种利用水蒸汽作为循环工质的两级取热高温热泵循环系统的控制方法，具体包括以下步骤：

处于循环最低压力的水蒸汽经低压水蒸汽压缩机1压缩后进入换热器2换热降温，降温后的水蒸汽经高压水蒸汽压缩机3进一步压缩后压力达到循环最高压力，高温高压的水蒸汽经冷凝器4冷凝为液态后进入水力透平5膨胀至循环最低压力，带动发电机8发电；膨胀后的水蒸汽经蒸发器6吸热蒸发后重新进入低压水蒸汽压缩机1压缩，至此完成热量供给；低温流体由换热器2第二进口进入换热器2、由冷凝器4第二进口进入冷凝器4，在其中吸收水蒸汽热量升温，为用户供热；低温热源由蒸发器6第二进口进入蒸发器6，为水蒸发提供热量；具体优选的，电机7用于驱动低压水蒸汽压缩机1与高压水蒸汽压缩机2，发电机8由水力透平5驱动发电。

本发明实施例中，设计条件下循环最低压力(水力透平的出口处的水蒸汽的压力)为0.5bar～1.2bar，循环最高压力(高压水蒸汽压缩机的出口处的水蒸汽的压力)为8bar～23bar，循环的制热温度为150℃～220℃(换热器和所述冷凝器中换热后的低温流体的温度可达150℃～220℃)。

本发明实施例优选的，低温热源可选择工业余热，实现热量的梯级、充分利用。

本发明实施例可选的，低温流体可选择空气或水，为工业生产提供热风或热水。

本发明的控制方法能够实现：在一定温度范围内灵活调控热量输出，满足用户的制热需求。

综上所述，本发明实施例提供了一种利用水蒸汽的两级取热高温热泵循环及其操作方法，能够在一定的温度范围内灵活满足用户的制热需求，具有较高的COP，有效降低供热成本。具体优点包括：

(1)系统能够在150℃～220℃稳定提供热量，同时系统整体压力水平极低，循环最高压力仅为8bar～23bar，有效提升了系统的安全性与稳定性，降低了压缩机的制造难度与成本；

(2)系统采用多级压缩级间冷却的方式对水蒸汽进行压缩，能够有效降低压缩机耗功。同时，换热器2产生的热量温度同样较高，能够与冷凝器4共同供热，增加循环供热量，有效提升系统COP；

(3)系统将传统热泵循环的膨胀阀替换为水力透平，充分利用工质冷凝后剩余的温度、压力进行发电，用于补充压缩机耗功，降低了系统的整体功耗，进一步提升系统COP；

(4)系统两级压缩机采用同轴对头布置，能够有效平衡轴向推力，降低辅助设备的需求，有效降低系统成本；

(5)循环采用水作为工质，安全无毒，且易获取，有效提升系统安全性，降低系统运行成本。

(6)系统利用工业余热作为热源，实现能量的充分利用，提高了能量利用率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，包括：低压水蒸汽压缩机(1)、换热器(2)、高压水蒸汽压缩机(3)、冷凝器(4)、水力透平(5)和蒸发器(6)；

所述低压水蒸汽压缩机(1)的出口经所述换热器(2)的第一通道与所述高压水蒸汽压缩机(3)的进口相连通，所高压水蒸汽压缩机(3)的出口经所述冷凝器(4)的第一通道与所述水力透平(5)的进口相连通，所述水力透平(5)的出口经所述蒸发器(6)的第一通道与所述低压水蒸汽压缩机(1)的进口相连通，循环工质为水蒸汽；

所述低压水蒸汽压缩机(1)与所述高压水蒸汽压缩机(3)采用同轴对头布置形式。

2.根据权利要求1所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，还包括：

低温流体储罐，所述低温流体储罐的出口分别与所述换热器(2)的第二通道进口以及所述冷凝器(4)的第二通道进口相连通；

其中，在所述换热器(2)和所述冷凝器(4)中换热后的低温流体用于外部供热。

3.根据权利要求2所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，所述换热后的低温流体的温度为150℃～220℃。

4.根据权利要求2所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，所述低温流体为空气或水。

5.根据权利要求1所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，所述高压水蒸汽压缩机(3)的出口处的水蒸汽的压力为8bar～23bar，所述水力透平(5)的出口处的水蒸汽的压力为0.5bar～1.2bar。

6.根据权利要求1所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，还包括：

电机(7)，所述电机(7)用于驱动所述低压水蒸汽压缩机(1)或所述高压水蒸汽压缩机(3)进行水蒸汽压缩。

7.根据权利要求1所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，还包括：

发电机(8)，所述发电机(8)用于在所述水力透平(5)的驱动下进行发电。

8.根据权利要求1所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，还包括：

热源，所述热源用于为所述蒸发器(6)的换热提供热量。

9.根据权利要求8所述的一种两级取热高温热泵循环系统，其特征在于，所述热源为工业余热。

10.一种权利要求1所述的两级取热高温热泵循环系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将处于循环最低压力的水蒸汽经低压水蒸汽压缩机(1)压缩后输入换热器(2)进行换热降温，降温后的水蒸汽经高压水蒸汽压缩机(3)压缩后压力达到循环最高压力，获得高温高压的水蒸汽；

所述高温高压的水蒸汽输入冷凝器(4)冷凝为液态后进入水力透平(5)膨胀至循环最低压力，用于带动发电机发电；

膨胀至循环最低压力的水蒸汽输入蒸发器(6)吸热蒸发后重新进入低压水蒸汽压缩机(1)进行压缩。

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