CN116007234A - 一种可相变蒸汽压缩式热泵及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种可相变蒸汽压缩式热泵及其工作方法，属于蒸汽压缩式热泵技术领域。包括过冷水入口泵和多级蒸汽压缩装置，通过多级蒸汽压缩装置及相应辅助设备和参数的设置，既能够将低参数过热蒸汽或饱和蒸汽升温升压输出高参数过热蒸汽，也可将低参数过冷水升温输出高参数饱和水，系统简单，便于布置。可根据需要增加热泵中蒸汽压缩装置级数，以获得更高参数的过热蒸汽。蒸汽压缩装置采用低参数过冷水代替活塞，不存在活塞的磨损问题，提高整个压缩机的使用寿命；且过冷水在压缩过程中温度不断升高，在输出过热蒸汽的运行方式下，过冷水为循环利用，过冷水温度提高能够使输出的过热蒸汽的温度提高，进而提高了系统效率，具有良好的应用前景。

Description

一种可相变蒸汽压缩式热泵及其工作方法

技术领域

本发明属于蒸汽压缩式热泵技术领域，具体涉及一种可相变蒸汽压缩式热泵及其工作方法。

背景技术

热泵蒸汽技术相比电锅炉及燃煤、燃气锅炉制取蒸汽，具有更高的一次能源利用效率，并且不产生CO₂和NOx，符合当前节能环保发展战略。蒸汽压缩式热泵是将低位热能通过机械做功变为高位热能循环利用，节能效果明显，主要耗能为电力，对环境保护效果极好。

压缩机作为蒸汽压缩式压缩机的核心部件，现有的活塞式蒸汽压缩机在使用时，内部活塞板使用效果差，且活塞板与缸体之间的摩擦力较大，长时间使用极易对活塞板造成损坏。同时，现有的热泵系统除压缩机外，还需要冷凝器、蒸发器、节流阀等，系统相对复杂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可相变蒸汽压缩式热泵及其工作方法，系统设计合理、构建简单，运行稳定性好、寿命长，能够根据实际需要切换工作模式，输出高参数的过热蒸汽或高参数饱和水。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种可相变蒸汽压缩式热泵，包括过冷水入口泵和多级蒸汽压缩装置，多级蒸汽压缩装置中的相邻蒸汽压缩装置通过高参数过热蒸汽输汽管连接，并且所有的高参数过热蒸汽输汽管均连接至高参数过热蒸汽出汽管，每条高参数过热蒸汽输汽管上均设有高参数过热蒸汽出口阀；过冷水入口泵的入口连接有低参数过冷水进水管，过冷水入口泵的出口通过过冷水输水管分别与每个蒸汽压缩装置的过冷水入口连接，每条过冷水输水管上均设有过冷水入口阀；蒸汽压缩装置的饱和水出口分别通过饱和水输水管连接至高参数饱和水出水管，每条饱和水输水管上均设有饱和水出口阀；蒸汽压缩装置的低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽口分别通过低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管连接至低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽管，每条低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管上均设有低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门；高参数饱和水出水管与低参数过冷水进水管之间连接有饱和水循环管路，饱和水循环管路上设有饱和水循环阀。

优选地，每条高参数过热蒸汽输汽管上均设有压力计。

优选地，每个蒸汽压缩装置上均设有安全阀。

优选地，高参数饱和水出水管上设有高参数饱和水出口阀。

优选地，高参数过热蒸汽出汽管上设有高参数过热蒸汽出汽阀。

优选地，多级蒸汽压缩装置为2～4级。

本发明公开的上述可相变蒸汽压缩式热泵的工作方法，包括以下工作模式：

工作模式一：蒸汽压缩过程不发生相变，将低参数过热蒸汽/饱和蒸汽压缩成高参数过热蒸汽，由多级蒸汽压缩装置顶部输出；

S1：各级蒸汽压缩装置中注满低参数的饱和蒸汽或过热蒸汽，低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门、高参数过热蒸汽出口阀和饱和水出口阀关闭，过冷水入口阀开启，启动过冷水入口泵，将过冷水不断注入蒸汽压缩装置中，蒸汽压缩装置中低参数的过热蒸汽和饱和蒸汽不断被压缩，温度和压力均升高，变成高参数的过热蒸汽；

S2：当压力达到预设值时，打开各级蒸汽压缩装置的高参数过热蒸汽出口阀，排出高参数过热蒸汽；随着高参数过热蒸汽的排出，蒸汽压缩装置不断被过冷水注满；

S3：关闭过冷水入口阀和高参数饱和水出水管，打开饱和水出口阀和低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门，低参数过热蒸汽/饱和蒸汽再次将各级蒸汽压缩装置充满，系统排出饱和水，经饱和水循环阀和过冷水入口泵再次进入到各级蒸汽压缩装置中，执行S1，开始下一次压缩；

工作模式二：蒸汽压缩过程发生相变，由蒸汽压缩装置底部输出高参数饱和水；

S1：各级蒸汽压缩装置中注满低参数的饱和蒸汽或过热蒸汽，此时低参数过热蒸汽/饱和蒸汽入口阀门、高参数过热蒸汽出口阀和饱和水出口阀关闭，开启过冷水入口阀，启动过冷水入口泵，将过冷水不断注入蒸汽压缩装置中，对蒸汽压缩装置中低参数的过热蒸汽和饱和蒸汽进行压缩，压缩过程中蒸汽不断升温升压，并与过冷水进行换热，实现等温压缩，最终液化成同温度下的饱和水，与注入的过冷水混合；

S2：开启高参数饱和水出水管，关闭饱和水循环阀，系统输出高参数的饱和水。

优选地，工作模式一具有以下两种运行方式：

第一种运行方式：多级蒸汽压缩装置中的蒸汽压缩装置并联，上一级蒸汽压缩装置依次执行S1和S2，当上一级蒸汽压缩装置执行S2时，下一级蒸汽压缩装置依次执行S3和S1；当下一级蒸汽压缩装置执行S2时，上一级蒸汽压缩装置依次执行S3和S1；多级蒸汽压缩装置按照该运行方式交替并循环往复运行，整个系统连续排出高温高压的过热蒸汽；

第二种运行方式：多级蒸汽压缩装置中的蒸汽压缩装置串联，上一级蒸汽压缩装置执行S1后产生的高参数过热蒸汽送入下一级蒸汽压缩装置，高参数过热蒸汽将下一级蒸汽压缩装置注满后，开始执行S1，再次压缩，最后获得更高温度、压力的过热蒸汽。

优选地，工作模式二中，在上一级蒸汽压缩装置完成S1后，执行S2时，下一级蒸汽压缩装置执行S1，多级蒸汽压缩装置错开循环往复运行，整个系统连续输出高参数饱和水。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种可相变蒸汽压缩式热泵，通过多级蒸汽压缩装置及相应辅助设备和参数的设置，既能够将低参数过热蒸汽或饱和蒸汽升温升压输出高参数过热蒸汽，也可将低参数过冷水升温输出高参数饱和水，系统简单，便于布置。可根据需要增加热泵中蒸汽压缩装置级数，以获得更高参数的过热蒸汽。在由低参数过冷水输出高参数饱和水的运行方式下，采用等温压缩，比现有热泵采用的绝热压缩方式效率高。此外，现有热泵所采用的活塞式蒸汽压缩机在使用时，其内部活塞板使用效果差，且活塞板与缸体之间的摩擦力较大，长时间使用极易对活塞板造成损坏，而本发明采用低参数过冷水代替活塞，不存在活塞的磨损问题，提高整个压缩机的使用寿命。且过冷水在压缩过程中温度不断升高，在输出过热蒸汽的运行方式下，过冷水为循环利用，过冷水温度提高能够使输出的过热蒸汽的温度提高，进而提高了系统效率。

进一步地，每条高参数过热蒸汽输汽管上均设有压力计，能够实时监测蒸汽压缩装置内的压力，进而控制高参数过热蒸汽出口阀的启闭，控制整个系统的进程。

进一步地，每个蒸汽压缩装置上均设有安全阀，提高系统运行的安全性和稳定性。

本发明公开的上述可相变蒸汽压缩式热泵的工作方法，能够根据实际需要切换工作模式，输出高参数的过热蒸汽或高参数饱和水，控制简单、自动化程度高。

进一步地，输出高参数的过热蒸汽的工作模式下，还可以通过阀门切换多级蒸汽压缩装置中的串并联关系，输出不同温度、压力的过热蒸汽，满足不同的生产实际需要，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的可相变蒸汽压缩式热泵的整体结构示意图。

图中：1为过冷水入口泵，2为第一过冷水入口阀，3为第二过冷水入口阀，4为第一级蒸汽压缩装置，5为第二级蒸汽压缩装置，6为第一低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门，7为第二低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门，8为高参数过热蒸汽出口阀，9为高参数过热蒸汽出汽阀，10为第一饱和水出口阀，11为第二饱和水出口阀，12为饱和水循环阀，13为高参数饱和水出口阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

图1为本发明的可相变蒸汽压缩式热泵，在本实施例中，多级蒸汽压缩装置为两级，包括过冷水入口泵1、第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5；第一级蒸汽压缩装置4的高参数过热蒸汽出汽口通过第一高参数过热蒸汽输汽管与第二级蒸汽压缩装置5连接，高参数过热蒸汽输汽管上设有高参数过热蒸汽出口阀8，第二级蒸汽压缩装置5的高参数过热蒸汽出汽口连接有第二高参数过热蒸汽输汽管，第一高参数过热蒸汽输汽管和第二高参数过热蒸汽输汽管均通过高参数过热蒸汽出汽管输出系统，高参数过热蒸汽出汽管上设有高参数过热蒸汽出汽阀9；过冷水入口泵1的入口连接有低参数过冷水进水管，过冷水入口泵1的出口通过第一过冷水输水管与第一级蒸汽压缩装置4的过冷水入口连接，过冷水入口泵1的出口通过第二过冷水输水管与第二级蒸汽压缩装置5的过冷水入口连接，第一过冷水输水管上设有第一过冷水入口阀2，第二过冷水输水管上设有第二过冷水入口阀3；第一级蒸汽压缩装置4的饱和水出口通过第一饱和水输水管连接至高参数饱和水出水管，第一饱和水输水管上设有第一饱和水出口阀10；第二级蒸汽压缩装置5的饱和水出口通过第二饱和水输水管连接至高参数饱和水出水管，第二饱和水输水管上设有第二饱和水出口阀11；第一级蒸汽压缩装置4的低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽口通过第一低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管与低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽管连接，第一低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管上设有第一低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门6；第二级蒸汽压缩装置5的低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽口通过第二低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管与低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽管连接，第二低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管上设有第二低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门7；高参数饱和水出水管与低参数过冷水进水管之间连接有饱和水循环管路，高参数饱和水出水管上设有高参数饱和水出口阀13，饱和水循环管路上设有饱和水循环阀12。

作为一个优选方案，第一高参数过热蒸汽输汽管和第二高参数过热蒸汽输汽管上均设有压力计。

第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5的顶部均设有安全阀。

上述可相变蒸汽压缩式热泵，包括以下工作模式：

工作模式一：蒸汽压缩过程不发生相变，将相对低参数过热蒸汽/饱和蒸汽压缩成高参数过热蒸汽，由蒸汽压缩装置顶部输出。

S1：各级蒸汽压缩装置中注满低参数的饱和蒸汽或过热蒸汽，此时蒸汽压缩装置顶部的低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门和高参数过热蒸汽出口阀以及蒸汽压缩装置底部的饱和水出口阀均处于关闭状态，打开过冷水入口阀，启动过冷水入口泵1，将过冷水不断注入蒸汽压缩装置中，蒸汽压缩装置中低参数的过热蒸汽和饱和蒸汽不断被压缩，温度和压力均升高，变成高参数的过热蒸汽；

S2：当压力达到预设值时，打开各级蒸汽压缩装置顶部的高参数过热蒸汽出口阀，排出高参数过热蒸汽；随着高参数过热蒸汽的排出，蒸汽压缩装置不断被过冷水注满；

S3：关闭过冷水入口阀和高参数饱和水出口阀13，打开饱和水出口阀和各级蒸汽压缩装置顶部的低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门，低参数过热蒸汽/饱和蒸汽再次将各级蒸汽压缩装置充满，饱和水从底部排出，经饱和水循环阀12和过冷水入口泵1再次进入到各级蒸汽压缩装置中，执行S1，开始下一次压缩。

该工作模式下，系统有两种运行方式：

第一种运行方式中，第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5并联，即第二低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门7开启、第一高参数过热蒸汽出口阀8关闭；第一级蒸汽压缩装置4依次执行S1和S2，当第一级蒸汽压缩装置4执行S2时，第二级蒸汽压缩装置5依次执行S3和S1；当第二级蒸汽压缩装置5执行S2时，第一级蒸汽压缩装置4依次执行S3和S1；第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5按照该运行方式交替并循环往复运行，使整个系统能够连续排出高温高压的过热蒸汽。

具体实施案例：第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5并联，由第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5底部输入的低参数过冷水温度300℃、压力10MPa，由第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5顶部输入的低参数饱和蒸汽温度为260℃、压力4.7MPa，两级蒸汽压缩装置并联交替循环往复运行，不断对输入的低参数蒸汽进行压缩，使其温度压力均上升，最终整套系统连续输出温度380℃、压力10MPa的过热蒸汽。

第二种运行方式中，第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5串联，即第二低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门7关闭、第一高参数过热蒸汽出口阀8开启；第一级蒸汽压缩装置4执行S1后产生的高参数过热蒸汽再送入第二级蒸汽压缩装置5，高参数过热蒸汽将第二级蒸汽压缩装置5注满后，开始执行S1，再次压缩，最后获得满足要求的更高温度、压力的过热蒸汽。

具体实施案例：第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5串联，由第一级蒸汽压缩装置4和第二级蒸汽压缩装置5底部输入的低参数过冷水温度300℃、压力10MPa，由第一级蒸汽压缩装置4顶部输入的低参数饱和蒸汽温度为260℃、压力4.7MPa，压缩后的高参数过热蒸汽再送入第二级蒸汽压缩装置5中进行压缩，低参数蒸汽经过两级压缩后，输出温度480℃、压力15MPa的过热蒸汽。

工作模式二：蒸汽压缩过程发生相变，由蒸汽压缩装置底部输出高参数饱和水。

S1：各级蒸汽压缩装置中注满低参数的饱和蒸汽或过热蒸汽，此时各蒸汽压缩装置顶部的低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门、高参数过热蒸汽出口阀以及蒸汽压缩装置底部的饱和水出口阀均处于关闭状态，打开过冷水入口阀，启动过冷水入口泵1，将过冷水不断注入蒸汽压缩装置中，对蒸汽压缩装置中低参数的过热蒸汽和饱和蒸汽进行压缩，压缩过程中蒸汽不断升温升压，并与过冷水进行换热，实现等温压缩，最终液化成同温度下的饱和水，与注入的过冷水混合。

S2：打开高参数饱和水出口阀13，关闭饱和水循环阀12，由蒸汽压缩装置底部输出高参数的饱和水。

在第一级蒸汽压缩装置4完成S1，执行S2时，第二级蒸汽压缩装置5执行S1，两级蒸汽压缩装置错开循环往复运行，使整个系统连续输出高参数饱和水。

具体实施案例：由蒸汽压缩装置底部输入蒸汽压缩装置的低参数过冷水温度250℃、压力10MPa，由蒸汽压缩装置顶部输入的饱和蒸汽温度为400℃、压力15MPa，两级蒸汽压缩装置并联，并错开循环往复运行，不断对蒸汽进行等温压缩，变成温度400℃的饱和水，与过冷水混合，最终输出温度为356℃的饱和水。

以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (9)

1.一种可相变蒸汽压缩式热泵，其特征在于，包括过冷水入口泵(1)和多级蒸汽压缩装置，多级蒸汽压缩装置中的相邻蒸汽压缩装置通过高参数过热蒸汽输汽管连接，并且所有的高参数过热蒸汽输汽管均连接至高参数过热蒸汽出汽管，每条高参数过热蒸汽输汽管上均设有高参数过热蒸汽出口阀；过冷水入口泵(1)的入口连接有低参数过冷水进水管，过冷水入口泵(1)的出口通过过冷水输水管分别与每个蒸汽压缩装置的过冷水入口连接，每条过冷水输水管上均设有过冷水入口阀；蒸汽压缩装置的饱和水出口分别通过饱和水输水管连接至高参数饱和水出水管，每条饱和水输水管上均设有饱和水出口阀；蒸汽压缩装置的低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽口分别通过低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管连接至低参数过热蒸汽/饱和蒸汽进汽管，每条低参数过热蒸汽/饱和蒸汽输汽管上均设有低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门；高参数饱和水出水管与低参数过冷水进水管之间连接有饱和水循环管路，饱和水循环管路上设有饱和水循环阀(12)。

2.根据权利要求1所述的可相变蒸汽压缩式热泵，其特征在于，每条高参数过热蒸汽输汽管上均设有压力计。

3.根据权利要求1所述的可相变蒸汽压缩式热泵，其特征在于，每个蒸汽压缩装置上均设有安全阀。

4.根据权利要求1所述的可相变蒸汽压缩式热泵，其特征在于，高参数饱和水出水管上设有高参数饱和水出口阀(13)。

5.根据权利要求1所述的可相变蒸汽压缩式热泵，其特征在于，高参数过热蒸汽出汽管上设有高参数过热蒸汽出汽阀(9)。

6.根据权利要求1所述的可相变蒸汽压缩式热泵，其特征在于，多级蒸汽压缩装置为2～4级。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的可相变蒸汽压缩式热泵的工作方法，其特征在于，包括以下工作模式：

工作模式一：蒸汽压缩过程不发生相变，将低参数过热蒸汽/饱和蒸汽压缩成高参数过热蒸汽，由多级蒸汽压缩装置顶部输出；

S1：各级蒸汽压缩装置中注满低参数的饱和蒸汽或过热蒸汽，低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门、高参数过热蒸汽出口阀和饱和水出口阀关闭，过冷水入口阀开启，启动过冷水入口泵(1)，将过冷水不断注入蒸汽压缩装置中，蒸汽压缩装置中低参数的过热蒸汽和饱和蒸汽不断被压缩，温度和压力均升高，变成高参数的过热蒸汽；

S2：当压力达到预设值时，打开各级蒸汽压缩装置的高参数过热蒸汽出口阀，排出高参数过热蒸汽；随着高参数过热蒸汽的排出，蒸汽压缩装置不断被过冷水注满；

S3：关闭过冷水入口阀和高参数饱和水出水管，打开饱和水出口阀和低参数过热蒸汽/饱和蒸汽阀门，低参数过热蒸汽/饱和蒸汽再次将各级蒸汽压缩装置充满，系统排出饱和水，经饱和水循环阀(12)和过冷水入口泵(1)再次进入到各级蒸汽压缩装置中，执行S1，开始下一次压缩；

工作模式二：蒸汽压缩过程发生相变，由蒸汽压缩装置底部输出高参数饱和水；

S1：各级蒸汽压缩装置中注满低参数的饱和蒸汽或过热蒸汽，此时低参数过热蒸汽/饱和蒸汽入口阀门、高参数过热蒸汽出口阀和饱和水出口阀关闭，开启过冷水入口阀，启动过冷水入口泵(1)，将过冷水不断注入蒸汽压缩装置中，对蒸汽压缩装置中低参数的过热蒸汽和饱和蒸汽进行压缩，压缩过程中蒸汽不断升温升压，并与过冷水进行换热，实现等温压缩，最终液化成同温度下的饱和水，与注入的过冷水混合；

S2：开启高参数饱和水出水管，关闭饱和水循环阀(12)，系统输出高参数的饱和水。

8.根据权利要求7所述的可相变蒸汽压缩式热泵的工作方法，其特征在于，工作模式一具有以下两种运行方式：

第一种运行方式：多级蒸汽压缩装置中的蒸汽压缩装置并联，上一级蒸汽压缩装置依次执行S1和S2，当上一级蒸汽压缩装置执行S2时，下一级蒸汽压缩装置依次执行S3和S1；当下一级蒸汽压缩装置执行S2时，上一级蒸汽压缩装置依次执行S3和S1；多级蒸汽压缩装置按照该运行方式交替并循环往复运行，整个系统连续排出高温高压的过热蒸汽；

第二种运行方式：多级蒸汽压缩装置中的蒸汽压缩装置串联，上一级蒸汽压缩装置执行S1后产生的高参数过热蒸汽送入下一级蒸汽压缩装置，高参数过热蒸汽将下一级蒸汽压缩装置注满后，开始执行S1，再次压缩，最后获得更高温度、压力的过热蒸汽。

9.根据权利要求7所述的可相变蒸汽压缩式热泵的工作方法，其特征在于，工作模式二中，在上一级蒸汽压缩装置完成S1后，执行S2时，下一级蒸汽压缩装置执行S1，多级蒸汽压缩装置错开循环往复运行，整个系统连续输出高参数饱和水。

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