CN116123516A - 一种热泵蒸汽系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热泵蒸汽系统，涉及热泵蒸汽技术领域，其包括通过可控蒸汽发生器耦合的水‑蒸汽循环回路和冷媒循环回路，可控蒸汽发生器内布置有蓄热相变材料，水‑蒸汽循环回路包括通过管道依次连接的预热器、油冷器、可控蒸汽发生器、蒸汽压缩机和气液分离罐，进水依次进入预热器和油冷器被加热，然后进入可控蒸汽发生器被继续加热蒸发变成第一状态的饱和蒸汽，最后进入蒸汽压缩机被加压至第二状态的饱和蒸汽，经气液分离罐供给用户使用；冷媒循环回路包括通过管道连接的冷媒压缩机和可控蒸汽发生器，通过蒸汽压缩机频率的调节，使得蒸汽压缩机的入口压力减小，进而在蒸汽压缩机的出口蒸汽压力基本不变的情况下，提高进入蒸汽压缩机的蒸汽量。

Description

一种热泵蒸汽系统
技术领域
本发明涉及热泵蒸汽技术领域，具体涉及一种热泵蒸汽系统。
背景技术
减少煤炭、天然气等一次能源消耗，提高以电能为驱动力的供热技术得到广泛关注和快速发展。目前，工业园区管网蒸汽供应普遍采用燃气锅炉，其一次能源转化率低，排放大量CO2和NOX，严重阻碍“3060目标”顺利实施，亟需研究新型低碳工业蒸汽供应新技术。
高温热泵蒸汽技术依靠电力驱动，吸收余热热源的热量，通过泵热技术提升为高品位热量，从而制取高温热水或低压工业蒸汽，是一种新型热泵供热技术。但是采用热泵供应蒸汽的能力变化范围一般为50-100％，而一些工业用户的供气需要波动较大，出现短时尖峰负荷就需要配置多台热泵蒸汽机组，导致出投资过高，不利于热泵蒸汽机组的推广应用。因此，如何提高热泵蒸汽机组的变负荷适应能力，成为了新的研究热点和技术难题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种热泵蒸汽系统，其可以提高热泵蒸汽组的变负荷适应能力。
为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：
一种热泵蒸汽系统，其包括通过可控蒸汽发生器耦合的水-蒸汽循环回路和冷媒循环回路，所述可控蒸汽发生器内布置有蓄热相变材料，
所述水-蒸汽循环回路包括通过管道依次连接的预热器、油冷器、所述可控蒸汽发生器、蒸汽压缩机和气液分离罐，其中，进水依次进入所述预热器和油冷器被加热，然后进入所述可控蒸汽发生器被继续加热蒸发变成第一状态的饱和蒸汽，最后进入所述蒸汽压缩机被加压至第二状态的饱和蒸汽，经所述气液分离罐供给用户使用；
所述冷媒循环回路包括通过管道连接的冷媒压缩机和所述可控蒸汽发生器，其中，经所述可控蒸汽发生器出口后的冷媒分成两路，一路依次经过第一减压阀和经济器后回到所述冷媒压缩机，另一路经过第二减压阀和蒸发器后回到冷媒压缩机，
其中，通过所述蒸汽压缩机频率的调节，使得所述蒸汽压缩机的入口压力减小，进而在所述蒸汽压缩机的出口蒸汽压力基本不变的情况下，提高进入所述蒸汽压缩机的蒸汽量。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，所述可控蒸汽发生器包括壳体，所述壳体内设置有换热盘管，所述换热盘管浸没与所述壳体内部液面且所述换热盘管的外周布置有若干相变蓄热球，所述换热盘管上方设有遮挡板，所述遮挡板固定在所述壳体内部且高于所述壳体内部液面，所述遮挡板设置栅栏孔。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，所述遮挡板通过固定支架和所述壳体的底部连接固定。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，所述气液分离罐的出口依次连接所述经济器和蒸汽压缩机，其中，经气液分离罐分离出的液态水，进入所述经济器降温放热后通过带有第三减压阀的管道从喷液口进入所述蒸汽压缩机。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，一带有油泵的管道从所述蒸汽压缩机的出口引出，经所述油冷器再回到所述蒸汽压缩机的入口。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，一换热管道依次经所述蒸发器和预热器后引出系统。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，所述可控蒸汽发生器通过顶部的蒸汽出口管道与所述蒸汽压缩机连通。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，所述相变蓄热球包括硫酸镁水合物或硫酸钙水合物的任一种或任意组合，所述相变蓄热球的直径为50-100mm，蓄热温度为100-150℃，蓄热密度超过2.0GJ/m3，所述栅栏孔的孔径为40-80mm。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，还包括进水泵，所述进水泵设置在所述预热器的上游。
如上所述的热泵蒸汽系统，进一步的，所述可控蒸汽发生器的负荷调节范围为30％-200％。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明通过在可控相变蒸汽发生器内完成相变材料的蓄热-释热过程和水-蒸汽的相变过程；配合调节蒸汽压缩机的频率和入口压力，使得可控蒸汽发生器产生的低压蒸汽压力基本保持不变的情况下产生更多低压蒸汽，经过蒸汽压缩机产生更多符合用户需求的目标蒸汽，用以满足蒸汽用户使用的尖峰负荷需求，相对来说机组初装配置大幅度降低，节约成本；同时热泵蒸汽机组保持额定负荷运行，机组运行效率高，运行成本也有所降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例的热泵蒸汽系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的热泵蒸汽系统的可控蒸汽发生器的结构示意图。
其中：1、冷媒压缩机；2、可控蒸汽发生器；3、经济器；4、蒸发器；5、蒸汽压缩机；6、油泵；7、油冷器；8、气液分离罐；9、预热器；10、进水泵；11、第一减压阀；12、第二减压阀；13、第三减压阀；201、壳体；202、相变蓄热球；203、换热盘管；204、固定支架；205、遮挡板。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
实施例：
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，本发明实施例的术语“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。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1至图2，本发明提供一种热泵蒸汽系统，其利用相变材料储热能力大、温度波动小等特点，设计一种相变蒸汽发生器，利用蒸汽压缩机5变负荷的吸气能力改变蒸汽发生器内的压力，从而改变蒸汽发生器的产汽量，实现热泵蒸汽机组中固定热泵循环装置实现变负荷蒸汽供应的能力。其可以包括：通过可控蒸汽发生器2耦合的水-蒸汽循环回路和冷媒循环回路，所述可控蒸汽发生器2内布置有蓄热相变材料，所述水-蒸汽循环回路包括通过管道依次连接的预热器9、油冷器7、所述可控蒸汽发生器2、蒸汽压缩机5和气液分离罐8，其中，进水依次进入所述预热器9和油冷器7被加热，然后进入所述可控蒸汽发生器2被继续加热蒸发变成第一状态的饱和蒸汽，最后进入所述蒸汽压缩机5被加压至第二状态的饱和蒸汽，经所述气液分离罐8供给用户使用；所述冷媒循环回路包括通过管道连接的冷媒压缩机1和所述可控蒸汽发生器2，其中，经所述可控蒸汽发生器2出口后的冷媒分成两路，一路依次经过第一减压阀11和经济器3后回到所述冷媒压缩机1，另一路经过第二减压阀12和蒸发器4后回到冷媒压缩机1，其中，通过所述蒸汽压缩机5频率的调节，使得所述蒸汽压缩机5的入口压力减小，进而在所述蒸汽压缩机5的出口蒸汽压力基本不变的情况下，提高进入所述蒸汽压缩机5的蒸汽量。
具体的，由于水蒸气相变潜热很大，单位蒸发量下的热泵冷媒循环的配置容量较大，采用同样排量的蒸汽压缩机5，蒸汽压缩机5的吸蒸汽负荷一般高于热泵冷媒循环产生蒸汽的容量，因此可以采用调节蒸汽压缩机5频率的方式，一方面降低蒸汽压缩机5入口压力，使得可控蒸汽发生器2内高温液态水继续闪蒸出低压蒸汽，进入蒸汽压缩机5的低压蒸汽量提高，由于相变蓄热小球的蓄热补充热量，低压蒸汽的压力基本保持不变，因此经过蒸汽压缩机5的出口蒸汽压力也基本不变，另一方面蒸汽压缩机5频率的提高，其出口蒸汽量也大幅度提高，从而达到满足蒸汽用户的尖峰负荷需求的目的，从而提高热泵蒸汽组的变负荷适应能力。
再次参见图1，图1展示了一种热泵蒸汽系统，其可以包括：包括冷媒循环、水蒸气循环、相变蓄热循环等，具体包括冷媒压缩机1、可控蒸汽发生器2、经济器3、蒸发器4、蒸汽压缩机5、油泵6、油冷器7、气液分离器、预热器9、进水泵10、第一减压阀11、第二减压阀12、第三减压阀13及相关连接管道、阀门。
在水-蒸汽循环回路中，进水通过进水泵10进入预热器9、油冷却器被依次被加热到35-50℃和70-80℃，然后进入蒸汽发生器被继续加热蒸发变成低压饱和蒸汽，最后进入蒸汽压缩机5被加压至中温中压蒸汽，经气液分离罐8供给用户使用；其中，经气液分离罐8分离出的高温高压液态水，进入系统的经济器3降温放热后通过蒸汽压缩机喷液口进入蒸汽压缩机5，用来完成蒸汽压缩过程的降温和密封作用。示例性的，蒸汽压缩机5一般可以采用螺杆式或离心式，其单机处理能力往往比较大，且为便于负荷调控一般采用变频控制。
参见图2，所述可控蒸汽发生器2包括壳体201、相变蓄热球202、换热盘管203、固定支架204以及遮挡板205，所述壳体201内设置有换热盘管203，所述换热盘管203浸没与所述壳体201内部液面且所述换热盘管203的外周布置有若干相变蓄热球202，可控蒸汽发生器2通过顶部的蒸汽出口管道与蒸汽压缩机5连通，通过改变蒸汽压缩机5的转速，进而改变可控蒸汽发生器2内的压力，来实现可控蒸汽发生器2的蒸汽生成量的可变控制。另外，换热盘管203上方设有遮挡板205，所述遮挡板205固定在所述壳体201内部且高于所述壳体201内部液面，顶部留出400-600mm高度差，所述遮挡板205设置栅栏孔，栅栏孔的孔径在40-80mm之间，所述固定支架204分为2组，分别与壳体201底部和遮挡板205连通。具体的，可控蒸汽发生器2用来完成高温冷媒加热液态水、高温冷媒加热相变材料以及相变材料加热液态水等三种介质的加热-放热过程，同时被加热的液态水变成饱和蒸汽，横向穿过遮挡板205，遮挡板205设置栅栏孔，孔径在40-80mm之间，可以初步分离蒸汽中机械携带的液态水。示例性的，相变蓄热球202的直径一般为50-100mm之间，蓄热温度为100-150℃，可以采用硫酸镁水合物、硫酸钙水合物等等，蓄热密度超过2.0GJ/m3。可控蒸汽发生器2的负荷调节范围为30％-200％，配合变流量的蒸汽压缩机5，采用常规热泵蒸汽机组满足蒸汽用户的尖峰用汽需求。
再次参见图1，在冷媒循环回路中，冷媒压缩机1出口冷媒进入可控蒸汽发生器2后分成两股，一股经过第一减压阀11、经济器3后回到冷媒压缩机1，另一股经过第二减压阀12、蒸发器4后回到冷媒压缩机1，完成冷媒循环。
综上所述，本发明采用相变储热式的蒸汽发生器，通过高温冷媒-相变材料-水蒸气之间的换热过程，利用蒸汽压缩机5变负荷的吸气能力改变可控蒸汽发生器2内的压力，从而改变可控蒸汽发生器2的产汽量，实现热泵蒸汽机组中固定热泵循环装置实现变负荷蒸汽供应的能力，以满足实际蒸汽用户使用过程中的尖峰用热需求。其中，可控蒸汽发生器2的变负荷调控能力体现在，当用户需求蒸汽量较低时，高温热泵冷媒循环保持额定负荷运行，冷媒热量一部分用来直接加热水，另一部分储存在相变蓄热球202中，在用户需求蒸汽量较高时，高温热泵冷媒循环仍然保持额定负荷运行，冷媒热量全部用来直接加热水，同时储存在相变蓄热球202中热量也用来加热水；在以上情况下配合蒸汽压缩机5的变频调控能力实现热量的可控调节供应。同时，可控蒸汽发生器2内完成相变闪蒸过程，通过蒸汽压缩机5频率的调节，蒸汽压缩机5入口压力减小，可控蒸汽发生器2内高温液态水继续闪蒸出低压蒸汽，进入蒸汽压缩机5的低压蒸汽量提高，由于相变蓄热球202的蓄热补充热量，低压蒸汽的压力基本保持不变，因此经过蒸汽压缩机5的出口蒸汽压力也基本不变，蒸汽量大幅度提高，从而满足蒸汽用户的尖峰负荷需求。
同时，由于水蒸气相变潜热很大，单位蒸发量下的热泵冷媒循环的配置容量很大，通过采用相变蓄热蒸汽发生器的方式达到提高短时负荷的能力，相比之下大幅度降低装机容量配置。而通常蒸汽压缩机5的容量又比较大，因此蒸汽压缩机5的成本变化不大，因此能够大幅度降低某些变负荷蒸汽供应的装机成本，同时热泵蒸汽机组基本在额定工况下运行，机组的能效也较高，蒸汽供应过程中的运行费用也有所降低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热泵蒸汽系统，其特征在于，包括通过可控蒸汽发生器耦合的水-蒸汽循环回路和冷媒循环回路，所述可控蒸汽发生器内布置有蓄热相变材料，
所述水-蒸汽循环回路包括通过管道依次连接的预热器、油冷器、所述可控蒸汽发生器、蒸汽压缩机和气液分离罐，其中，进水依次进入所述预热器和油冷器被加热，然后进入所述可控蒸汽发生器被继续加热蒸发变成第一状态的饱和蒸汽，最后进入所述蒸汽压缩机被加压至第二状态的饱和蒸汽，经所述气液分离罐供给用户使用；
所述冷媒循环回路包括通过管道连接的冷媒压缩机和所述可控蒸汽发生器，其中，经所述可控蒸汽发生器出口后的冷媒分成两路，一路依次经过第一减压阀和经济器后回到所述冷媒压缩机，另一路经过第二减压阀和蒸发器后回到冷媒压缩机，
其中，通过所述蒸汽压缩机频率的调节，使得所述蒸汽压缩机的入口压力减小，进而在所述蒸汽压缩机的出口蒸汽压力基本不变的情况下，提高进入所述蒸汽压缩机的蒸汽量。
2.根据权利要求1所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，所述可控蒸汽发生器包括壳体，所述壳体内设置有换热盘管，所述换热盘管浸没与所述壳体内部液面且所述换热盘管的外周布置有若干相变蓄热球，所述换热盘管上方设有遮挡板，所述遮挡板固定在所述壳体内部且高于所述壳体内部液面，所述遮挡板设置栅栏孔。
3.根据权利要求2所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，所述遮挡板通过固定支架和所述壳体的底部连接固定。
4.根据权利要求1所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，所述气液分离罐的出口依次连接所述经济器和蒸汽压缩机，其中，经气液分离罐分离出的液态水，进入所述经济器降温放热后通过带有第三减压阀的管道从喷液口进入所述蒸汽压缩机。
5.根据权利要求1所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，一带有油泵的管道从所述蒸汽压缩机的出口引出，经所述油冷器再回到所述蒸汽压缩机的入口。
6.根据权利要求1所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，一换热管道依次经所述蒸发器和预热器后引出系统。
7.根据权利要求1所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，所述可控蒸汽发生器通过顶部的蒸汽出口管道与所述蒸汽压缩机连通。
8.根据权利要求2所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，所述相变蓄热球包括硫酸镁水合物或硫酸钙水合物的任一种或任意组合，所述相变蓄热球的直径为50-100mm，蓄热温度为100-150℃，蓄热密度超过2.0GJ/m3，所述栅栏孔的孔径为40-80mm。
9.根据权利要求1所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，还包括进水泵，所述进水泵设置在所述预热器的上游。
10.根据权利要求1所述的热泵蒸汽系统，其特征在于，所述可控蒸汽发生器的负荷调节范围为30％-200％。
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