CN116067031A - 一种双压蒸发自复叠高温热泵循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，包括：第一分离模块、第二分离模块、蒸发模块、压缩模块、冷凝模块；第一分离模块，用于将混合工质基础浓度溶液进行分离后进行处理，生成第一饱和液态工质和第一气液混合工质；第二分离模块，用于将第一气液混合工质进行再次分离后换热，生成过热蒸汽和第二饱和液态工质；蒸发模块，用于将第一饱和液态工质和第二饱和液态工质进行蒸发吸热，压缩模块，用于将蒸发工质和过热蒸汽进行压缩，冷凝模块，用于将高温高压蒸气进行放热处理，生成混合工质基础浓度溶液。本发明工质在两个蒸发器中梯级吸收工业废水的热量，可以将废水取热到更低的温度，提高对工业废水的利用效率。
Description
技术领域
本发明属于高温热泵领域，特别是涉及一种双压蒸发自复叠高温热泵循环系统。
背景技术
在造纸、水泥和化工等工业领域，在生产工艺中需要消耗大量的蒸汽，这些蒸汽通常使用锅炉(燃煤锅炉、燃气锅炉或电锅炉)生产，能耗大且成本高。与此同时，在这些工业领域中也会产生大量的废热，以废水、废气或烟气的形式存在。如果对这部分工业废热加以回收，利用高温热泵提升废热的品位，用于生产蒸汽，会产生好的经济效益，并减少碳排放量，助力于“双碳”目标的实现。
传统的自复叠循环中冷凝器出口的工质干度(0.4～0.6)较高，造成较大的热量浪费。另外，虽然非共沸混合工质具有温度滑移的特性，可以与热源侧工业废水的温度变化相匹配，但是在工质温度滑移较小的情况下，不能充分地吸收废水的热量，热源利用率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，包括：
第一分离模块、第二分离模块、蒸发模块、压缩模块、冷凝模块；
所述第一分离模块，分别与所述第二分离模块和所述蒸发模块连接，用于将混合工质基础浓度溶液进行分离后进行处理，生成第一饱和液态工质和第一气液混合工质；
所述第二分离模块，与所述蒸发模块连接，用于将所述第一气液混合工质进行再次分离后换热，生成过热蒸气和第二饱和液态工质；
所述蒸发模块，与所述压缩模块和连接，用于将所述第一饱和液态工质和第二饱和液态工质进行蒸发吸热，生成蒸发工质；
所述压缩模块，与所述蒸发模块连接，用于将所述蒸发工质和所述过热蒸气进行压缩，生成汇合蒸气工质；
所述冷凝模块，与所述第一分离模块连接，用于将所述高温高压蒸气进行放热处理，生成所述混合工质基础浓度溶液。
优选地，所述第一分离模块包括，
第一分离器、第一节流阀、第一复叠换热器、第二节流阀；
所述第一分离器，分别与所述第一节流阀和所述第一复叠换热器连接，用于将所述混合工质基础浓度溶液进行分离，生成第一饱和气体和第一饱和液体；
所述第一节流阀，与所述第一复叠换热器连接，用于接收所述第一饱和液体并进行节流，生成第一节流液体；
所述第一复叠换热器，分别与所述第二节流阀和所述第二分离模块连接，用于将所述第一节流液体与第一饱和气体进行换热，生成所述第一饱和液态工质和第一气液混合工质；
所述第二节流阀，与所述蒸发模块连接，用于将所述第一饱和液态工质进行节流并传输至所述蒸发模块。
优选地，所述混合工质基础浓度溶液使用两种不同沸点的工质组成的混合工质。
优选地，所述第二分离模块包括：
第二分离器、第三节流阀、第二复叠换热器、第四节流阀；
所述第二分离器，分别与所述第二复叠换热器和所述第三节流阀连接，用于将所述第一气液混合工质进行分离，生成第二饱和气体和第二饱和液体；
所述第三节流阀，与所述第二复叠换热器连接，用于对所述第二饱和液体进行节流，生成第二节流液体；
所述第二复叠换热器，分别与所述第四节流阀和所述压缩模块连接，将所述第二饱和气体和所述第二节流液体进行换热，生成所述过热蒸气和第二饱和液态工质；
所述第四节流阀，与所述蒸发模块连接，用于将所述第二饱和液态工质进行节流并传输至所述蒸发模块。
优选地，所述蒸发模块包括：
第一蒸发器、第二蒸发器、第一混合器；
所述第一蒸发器，与所述第一混合器连接，用于接收第二饱和液态工质并进行蒸发吸热，生成蒸发工质；
所述第一混合器，与所述压缩模块连接，用于接收所述过热蒸气和所述蒸发工质并进行混合，生成第二气液混合工质；
所述第二蒸发器，与所述压缩模块连接，用于接收第一饱和液态工质并进行蒸发，生成蒸发饱和工质。
优选地，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器基于工业废水提供热量。
优选地，所述压缩模块包括：
第一压缩机、第二混合器、第二压缩机；
第一压缩机，与所述第二混合器连接，用于将第二气液混合工质进行加压，生成高温高压蒸气；
第二压缩机，与所述第二混合器连接，用于将所述蒸发饱和工质进行压缩，生成压缩工质；
第二混合器，与所述冷凝模块连接，用于将所述高温高压蒸气和所述压缩工质进行连接，生成所述汇合蒸气工质。
优选地，所述冷凝模块包括：
冷凝器，用于吸收所述汇合蒸气工质的热量，生成蒸气热能和所述混合工质基础浓度溶液；
加热单元，与所述冷凝器连接，用于吸收所述蒸汽热能后加热水，产生高温蒸汽。
本发明的技术效果为：
(1)由于本发明采用两个气液分离器，进行了两次气液分离过程，所以冷凝器出口允许的干度更低(0.2左右)，可以释放更多的热量，提高热泵的制热能力。
(2)本发明采用双压蒸发技术，两个复叠换热器出口的液态工质分别节流到不同的压力，分别进入第一蒸发器和第二蒸发器。工质在两个蒸发器中梯级吸收工业废水的热量，可以将废水取热到更低的温度，提高对工业废水的利用效率。
(3)通过两次气液分离过程，可以更好地对非共沸工质进行组分调控。第一分离器出口的饱和气体中低沸点工质的浓度更高，在相同的蒸发温度下，有更高的压力，可以有效地减少压缩机的压缩比，提高压缩机的效率和运行可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的循环系统示意图；
图2为本发明实施例中的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统图；
图3为本发明实施例中的循环系统可替代方案示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，包括：
第一分离模块、第二分离模块、蒸发模块、压缩模块、冷凝模块；
所述第一分离模块，分别与所述第二分离模块和所述蒸发模块连接，用于将混合工质基础浓度溶液进行分离后进行处理，生成第一饱和液态工质和第一气液混合工质；
所述第二分离模块，与所述蒸发模块连接，用于将所述第一气液混合工质进行再次分离后换热，生成过热蒸气和第二饱和液态工质；
所述蒸发模块，与所述压缩模块和连接，用于将所述第一饱和液态工质和第二饱和液态工质进行蒸发吸热，生成蒸发工质；
所述压缩模块，与所述蒸发模块连接，用于将所述蒸发工质和所述过热蒸气进行压缩，生成汇合蒸气工质；
所述冷凝模块，与所述第一分离模块连接，用于将所述高温高压蒸气进行放热处理，生成所述混合工质基础浓度溶液。
进一步优化方案，所述第一分离模块包括，
第一分离器、第一节流阀、第一复叠换热器、第二节流阀；
所述第一分离器，分别与所述第一节流阀和所述第一复叠换热器连接，用于将所述混合工质基础浓度溶液进行分离，生成第一饱和气体和第一饱和液体；
所述第一节流阀，与所述第一复叠换热器连接，用于接收所述第一饱和液体并进行节流，生成第一节流液体；
所述第一复叠换热器，分别与所述第二节流阀和所述第二分离模块连接，用于将所述第一节流液体与第一饱和气体进行换热，生成所述第一饱和液态工质和第一气液混合工质；
所述第二节流阀，与所述蒸发模块连接，用于将所述第一饱和液态工质进行节流并传输至所述蒸发模块。
进一步优化方案，所述混合工质基础浓度溶液使用两种不同沸点的工质组成的混合工质。
进一步优化方案，所述第二分离模块包括：
第二分离器、第三节流阀、第二复叠换热器、第四节流阀；
所述第二分离器，分别与所述第二复叠换热器和所述第三节流阀连接，用于将所述第一气液混合工质进行分离，生成第二饱和气体和第二饱和液体；
所述第三节流阀，与所述第二复叠换热器连接，用于对所述第二饱和液体进行节流，生成第二节流液体；
所述第二复叠换热器，分别与所述第四节流阀和所述压缩模块连接，将所述第二饱和气体和所述第二节流液体进行换热，生成所述过热蒸气和第二饱和液态工质；
所述第四节流阀，与所述蒸发模块连接，用于将所述第二饱和液态工质进行节流并传输至所述蒸发模块。
进一步优化方案，所述蒸发模块包括：
第一蒸发器、第二蒸发器、第一混合器；
所述第一蒸发器，与所述第一混合器连接，用于接收第二饱和液态工质并进行蒸发吸热，生成蒸发工质；
所述第一混合器，与所述压缩模块连接，用于接收所述过热蒸气和所述蒸发工质并进行混合，生成第二气液混合工质；
所述第二蒸发器，与所述压缩模块连接，用于接收第一饱和液态工质并进行蒸发，生成蒸发饱和工质。
进一步优化方案，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器基于工业废水提供热量。
进一步优化方案，所述压缩模块包括：
第一压缩机、第二混合器、第二压缩机；
第一压缩机，与所述第二混合器连接，用于将第二气液混合工质进行加压，生成高温高压蒸汽；
第二压缩机，与所述第二混合器连接，用于将所述蒸发饱和工质进行压缩，生成压缩工质；
第二混合器，与所述冷凝模块连接，用于将所述高温高压蒸气和所述压缩工质进行连接，生成所述汇合蒸气工质。
进一步优化方案，所述冷凝模块包括：
冷凝器，用于吸收所述汇合蒸气工质的热量，生成蒸气热能和所述混合工质基础浓度溶液；
加热单元，与所述冷凝器连接，用于吸收所述蒸气热能后加热水，产生高温蒸汽。
如图2所示，本实施例具体为：
1点的基础浓度溶液在气液分离器中分离为低沸点工质浓度高的饱和气体(2点)和高沸点工质浓度高的饱和液体(3点)。2点的饱和气体进入复叠换热器1被冷凝到饱和或过冷状态(4点)，与此同时，3点的饱和液体经过节流后进入复叠换热器1，吸收来自饱和气体的热量，实现部分蒸发。部分蒸发后的气液混合工质(8点)进入气液分离器2，再次分离为饱和气体(9点)和饱和液体(10点)。在复叠换热器2中，9点的饱和气体与节流后的饱和液体(14点)交换热量，饱和气体放热冷凝为液体(11点)，14点的过冷液体吸热蒸发变为过热蒸气(15点)。11点的液态工质经过节流后进入蒸发器1中蒸发吸热，吸收来自工业废水的热量。蒸发后的工质(13点)与15点的过热蒸气汇合后进入压缩机1，被压缩机1加压到冷凝压力，变为高温高压的蒸气(17点)。4点的饱和液态工质被节流阀2节流后进入蒸发器2，吸收来自工业废水的热量。吸热蒸发后的工质(6点)进入压缩机2，被压缩到冷凝压力18。17点与18点汇合后的蒸气进入冷凝器中放热，用于加热水，产生高温蒸汽。
常温水由泵加压后进入冷凝器中吸收热量，由过冷状态被加热为过热蒸汽，供给工业使用。工业废水依次流入蒸发器1和蒸发器2，实现废热的梯级回收，提高余热回收率。蒸发器2的蒸发压力比蒸发器1的更低，以吸收温度更低的废水的热量。
实施例二
如图3所示，蒸发器1和蒸发器2工作在不同的压力下，蒸发器2中的蒸发压力低于蒸发器1。本发明中压缩机1和压缩机2的结构可以改动。循环系统的可替代方案如图2所示。蒸发器2出口的蒸气由压缩机2压缩到与蒸发器1出口相同的压力，然后与16点的过热蒸气汇合。两股蒸气汇合进入压缩机1，进行进一步压缩，被压缩到冷凝压力(19点)。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，包括：
第一分离模块、第二分离模块、蒸发模块、压缩模块、冷凝模块；
所述第一分离模块，分别与所述第二分离模块和所述蒸发模块连接，用于将混合工质基础浓度溶液进行分离后进行处理，生成第一饱和液态工质和第一气液混合工质；
所述第二分离模块，与所述蒸发模块连接，用于将所述第一气液混合工质进行再次分离后换热，生成过热蒸汽和第二饱和液态工质；
所述蒸发模块，与所述压缩模块和连接，用于将所述第一饱和液态工质和第二饱和液态工质进行蒸发吸热，生成蒸发工质；
所述压缩模块，与所述蒸发模块连接，用于将所述蒸发工质和所述过热蒸汽进行压缩，生成汇合蒸气工质；
所述冷凝模块，与所述第一分离模块连接，用于将所述高温高压蒸气进行放热处理，生成所述混合工质基础浓度溶液。
2.根据权利要求1所述的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，所述第一分离模块包括，
第一分离器、第一节流阀、第一复叠换热器、第二节流阀；
所述第一分离器，分别与所述第一节流阀和所述第一复叠换热器连接，用于将所述混合工质基础浓度溶液进行分离，生成第一饱和气体和第一饱和液体；
所述第一节流阀，与所述第一复叠换热器连接，用于接收所述第一饱和液体并进行节流，生成第一节流液体；
所述第一复叠换热器，分别与所述第二节流阀和所述第二分离模块连接，用于将所述第一节流液体与第一饱和气体进行换热，生成所述第一饱和液态工质和第一气液混合工质；
所述第二节流阀，与所述蒸发模块连接，用于将所述第一饱和液态工质进行节流并传输至所述蒸发模块。
3.根据权利要求2所述的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，所述混合工质基础浓度溶液使用两种不同沸点的工质组成的混合工质。
4.根据权利要求1所述的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，所述第二分离模块包括：
第二分离器、第三节流阀、第二复叠换热器、第四节流阀；
所述第二分离器，分别与所述第二复叠换热器和所述第三节流阀连接，用于将所述第一气液混合工质进行分离，生成第二饱和气体和第二饱和液体；
所述第三节流阀，与所述第二复叠换热器连接，用于对所述第二饱和液体进行节流，生成第二节流液体；
所述第二复叠换热器，分别与所述第四节流阀和所述压缩模块连接，将所述第二饱和气体和所述第二节流液体进行换热，生成所述过热蒸气和第二饱和液态工质；
所述第四节流阀，与所述蒸发模块连接，用于将所述第二饱和液态工质进行节流并传输至所述蒸发模块。
5.根据权利要求1所述的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，所述蒸发模块包括：
第一蒸发器、第二蒸发器、第一混合器；
所述第一蒸发器，与所述第一混合器连接，用于接收第二饱和液态工质并进行蒸发吸热，生成蒸发工质；
所述第一混合器，与所述压缩模块连接，用于接收所述过热蒸气和所述蒸发工质并进行混合，生成第二气液混合工质；
所述第二蒸发器，与所述压缩模块连接，用于接收第一饱和液态工质并进行蒸发，生成蒸发饱和工质。
6.根据权利要求5所述的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器基于工业废水提供热量。
7.根据权利要求1所述的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，所述压缩模块包括：
第一压缩机、第二混合器、第二压缩机；
第一压缩机，与所述第二混合器连接，用于将第二气液混合工质进行加压，生成高温高压蒸气；
第二压缩机，与所述第二混合器连接，用于将所述蒸发饱和工质进行压缩，生成压缩工质；
第二混合器，与所述冷凝模块连接，用于将所述高温高压蒸气和所述压缩工质进行连接，生成所述汇合蒸气工质。
8.根据权利要求1所述的双压蒸发自复叠高温热泵循环系统，其特征在于，所述冷凝模块包括：
冷凝器，用于吸收所述汇合蒸气工质的热量，生成蒸气热能和所述混合工质基础浓度溶液；
加热单元，与所述冷凝器连接，用于吸收所述蒸气热能后加热水，产生高温蒸汽。
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- 2023-01-17 CN CN202310056485.5A patent/CN116067031B/zh active Active
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