CN118208711A - 一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机及控制方法，主要涉及高温热泵蒸汽机领域；包括单螺杆冷媒压缩机、冷凝器、气液分离器、中间换热器、蒸发器、闪蒸罐、水泵、单螺杆水蒸气压缩机、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀、第四节流阀、供水管路；本发明使用不同沸点的两种制冷剂与单螺杆水蒸气压缩机相配合，可以输出更稳定的饱和蒸汽，可以更加节能，更加灵活调节系统。

Description

一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机及控制方法

技术领域

本发明涉及高温热泵蒸汽机领域，具体是一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机及控制方法。

背景技术

目前全世界85％的能源消耗来自化石燃料的燃烧，其中工业能耗占总能耗的1/3，而工业能耗中更是有70％的用于产生高温蒸汽。其中尤其是150～170℃的高温蒸汽。与此同时，大量的低温工业余热被浪费，回收率不足30％，而通过回收工业余热来制造高温蒸汽的高温热泵蒸汽机能够有效缓解上述问题。

高温热泵蒸汽机的关键技术是制冷剂与压缩机。其中，由于需要大于100℃的输出温度，所以高温热泵蒸汽机的制冷剂临界温度需要大于100℃，而且由于《基加利修正案》的规定，制冷剂的ODP和GWP需要非常小。目前所使用的高温热泵制冷剂多为HFC类制冷剂，尽管HFC类制冷剂具有优良的热力学性能，但是其具有非常高的GWP，这也导致其加剧了对环境的破坏，所以急需要寻找替代品。

高温热泵蒸汽机的另一个关键技术则是压缩机，由于需要其在高温的环境中工作，升温温差大，所以高温热泵蒸汽机的压缩机必须满足大压力比、大容积流量和高排气温度的要求。目前高温热泵蒸汽机的冷媒压缩机主要采用涡旋压缩机、活塞压缩机和双螺杆压缩机，均存在着一定的问题。如，涡旋式压缩机的结构为多腔压缩，相邻腔之间的压差很小(接近于连续变化)，同时，动、静涡旋盘紧密接触，在润滑油的帮助下达到良好的密封效果，几乎没有内部泄漏，但由于需要保持一定的运动间隙来实现密封，其压缩量相对较小；活塞式压缩机的压力范围较宽，由于其工作原理是容积变化，因此无论流量大小，都能达到较高的工作压力，但活塞式压缩机排气量小，输出功率低，排气不连续，气流压力脉动，易产生气柱振动，由于惯性力大，运动时振动和噪音大，因此机器体积庞大，为了平衡这些问题，需要增加各种辅助设备，这也导致活塞式压缩机结构复杂，易损件较多，从而增加了维护成本；螺杆压缩机采用强制气体输送，因此容积流量几乎不受排气压力的影响，并能在很大范围内保持高效率，但机组体积大、制造设备成本高是阻碍其大面积推广的主要因素。

高温热泵蒸汽机还需要压缩水蒸气，所以水蒸气压缩机也是其中一个关键技术。目前压缩水蒸气的压缩机主要包括离心水蒸气压缩机，罗茨水蒸气压缩机和双螺杆水蒸气压缩机。离心式水蒸气压缩机更适用于流量大、压缩比小的系统；罗茨水蒸气压缩机的压缩比相对较小，适用于小流量系统；螺杆式水蒸气压缩机更适用于中等流量和大压缩比系统。且离心式、罗茨式和螺杆式水蒸气压缩机都需要开发新的关键部件材料，以尽量减少压缩机工作原理的缺点和高温工作环境的影响。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机及控制方法，使用不同沸点的两种制冷剂与单螺杆水蒸气压缩机相配合，可以输出更稳定的饱和蒸汽，可以更加节能，更加灵活调节系统。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机，包括单螺杆冷媒压缩机、冷凝器、气液分离器、中间换热器、蒸发器、闪蒸罐、水泵、单螺杆水蒸气压缩机；所述蒸发器用于吸收工业余热，在所述蒸发器的蒸发室内设有第一制冷剂，所述蒸发器的蒸发室的一端与单螺杆冷媒压缩机的输入端连通，另一端与中间换热器的第一换热室的输出端连通，且在蒸发器的蒸发室与中间换热器的第一换热室之间设有第一节流阀，所述中间换热器的第二换热室内设有第二制冷剂，所述第二制冷剂的沸点高于第一制冷剂的沸点，所述中间换热器的第二换热室的一端与单螺杆冷媒压缩机的输入端连通，另一端与气液分离器连通，且在中间换热器的第二换热室与气液分离器之间设有第二节流阀，所述单螺杆冷媒压缩机的输出端与冷凝器的供热室的输入端连通，所述冷凝器的供热室的输出端、中间换热器的第一换热室的输入端均与气液分离器连通，所述冷凝器的吸热室的输入端与水泵的输出端连接，冷凝器的吸热室的输出端、水泵的输入端、单螺杆水蒸气压缩机的输入端、供水管路均与闪蒸罐连通，且在供水管路与闪蒸罐之间设有第三节流阀，所述供水管路连接单螺杆水蒸气压缩机，且在供水管路与单螺杆水蒸气压缩机之间设有第四节流阀。

优选的，所述第一制冷剂、第二制冷剂均为HFO制冷剂。

一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机的控制方法，包括：

当蒸发器吸收的工业余热在40℃以下时，将第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度减小，将第四节流阀开度增大；当蒸发器吸收的工业余热大于70℃且小于100℃时，将第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度增大，将第四节流阀开度减小。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明使用不同沸点的两种制冷剂与单螺杆水蒸气压缩机相配合，可以输出更稳定的饱和蒸汽，可以更加节能，更加灵活调节系统。其中，单螺杆水蒸气压缩机具有高压比，对于高温水蒸气具有更好的适应性，使用喷水来对单螺杆水蒸气压缩机排气温度进行降温并且保证水蒸气饱和温度输出；使用不同沸点的两种制冷剂进行混合，作为系统制冷剂，性质稳定，非常适合高温热泵的使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图中标号：1、单螺杆冷媒压缩机；2、冷凝器；3、气液分离器；4、中间换热器；5、蒸发器；6、闪蒸罐；7、水泵；8、单螺杆水蒸气压缩机；9、第一节流阀；10、第二节流阀；11、供水管路；12、第三节流阀；13、第四节流阀。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

实施例1：如附图1，本发明所述是一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机，使用HFO制冷剂来回收低温工业余热去产生170℃高温蒸汽，包括单螺杆冷媒压缩机1、冷凝器2、气液分离器3、中间换热器4、蒸发器5、闪蒸罐6、水泵7、单螺杆水蒸气压缩机8；所述蒸发器5用于吸收工业余热，在所述蒸发器5的蒸发室内设有第一制冷剂，所述蒸发器5的蒸发室的一端通过管路与单螺杆冷媒压缩机1的输入端连通，另一端通过管路与中间换热器4的第一换热室的输出端连通，且在蒸发器5的蒸发室与中间换热器4的第一换热室之间的管路上设有第一节流阀9，所述中间换热器4的第二换热室内设有第二制冷剂，所述第二制冷剂与第一制冷剂的沸点不同，第二制冷剂的沸点高于第一制冷剂的沸点。

单螺杆压缩机(单螺杆冷媒压缩机1)具有高压比，高转速，且可以输送含有液态气体、含尘气体和易聚合气体的多相混合流体。因此单螺杆压缩机用于高温热泵蒸汽机冷媒压缩机非常具有前景。

所述中间换热器4的第二换热室的一端通过管路与单螺杆冷媒压缩机1的输入端连通，另一端通过管路与气液分离器3连通，且在中间换热器4的第二换热室与气液分离器3之间的管路上设有第二节流阀10，所述单螺杆冷媒压缩机1的输出端通过管路与冷凝器2的供热室的输入端连通，所述冷凝器2的供热室的输出端、中间换热器4的第一换热室的输入端均通过管路与气液分离器3连通，所述冷凝器2的吸热室的输入端通过管路与水泵7的输出端连接，冷凝器2的吸热室的输出端、水泵7的输入端、单螺杆水蒸气压缩机8的输入端以及供水管路11均通过管路与闪蒸罐6连通，且在供水管路11与闪蒸罐6之间设有第三节流阀12，所述供水管路11连接单螺杆水蒸气压缩机8，且在供水管路11与单螺杆水蒸气压缩机8之间设有第四节流阀13，单螺杆水蒸气压缩机8具有高压比，对于高温水蒸气具有更好的适应性，使用喷水来对单螺杆水蒸气压缩机8排气温度进行降温并且保证水蒸气饱和温度输出。

优选的，所述第一制冷剂、第二制冷剂均为HFO制冷剂，HFO制冷剂是第四代制冷剂，GWP小于20，是目前最有潜力替代HFC制冷剂的替代品，而且HFO制冷剂临界温度高，性质稳定，非常适合高温热泵的使用，因此，本发明使用不同沸点的两种HFO制冷剂进行混合，作为系统制冷剂。

系统运行模式：蒸发器5吸收工业余热，将其中的低沸点的第一制冷剂从液体变成低沸点气体制冷剂，进入单螺杆冷媒压缩机1中，单螺杆冷媒压缩机1将其压缩成低沸点制冷剂气体，与此同时，单螺杆冷媒压缩机1吸收来自中间换热器4的高沸点的第二制冷剂，并且对两种制冷剂一起进行压缩，变成高温混合制冷剂气体进入冷凝器2，高温混合制冷剂经过与来自闪蒸罐6的液体水换热后变成中温高压气液混合制冷剂，中温高压气液混合制冷剂在气液分离器3中进行气液分离，其中高沸点的制冷剂液体经过第二节流阀10进入中间换热器4，低沸点的气体制冷剂从不同分路全部进入中间换热器4，两种制冷剂在中间换热器4中逆流换热，其中低温气体制冷剂换热过热后变成制冷剂气体，低沸点气体制冷剂经过第一节流阀9变成低压低温的液体制冷剂进入蒸发器5，完成循环。

另一侧，液态水从冷凝器2吸收来自混合制冷剂的热量变成中温水蒸气，经过水泵7的作用进入到闪蒸罐6进行气液分离，并且供水管路11经过第三节流阀12进入闪蒸罐6进行补水且保持闪蒸罐6内中温水蒸气为饱和状态，经过闪蒸罐6的中的中温饱和水蒸气进入单螺杆水蒸气压缩机8进行升温升压，为了保持输出的水蒸气为饱和状态，供水管路11经过第四节流阀13给单螺杆水蒸气压缩机8进行喷水。

实施例2：由于工业余热的温度在时刻变化，所以会导致系统功耗在变，而且输出蒸汽不稳定。

当工业余热温度变化时：

1、首先，中间换热器4中高沸点制冷剂与低沸点制冷剂换热时需要通过控制第二节流阀10来控制高沸点制冷剂的流量来保证低沸点制冷剂气体进入第一节流阀9时为饱和状态，如果经过第二节流阀10进入中间换热器4的高沸点制冷剂量多，则是会导致低沸点制冷剂气体过热，这样会导致低沸点气体制冷剂进入第一节流阀9的能耗加大，而且会导致高沸点制冷剂不能完全变成饱和气体，进而进入单螺杆冷媒压缩机1时混杂液体，降低系统效率。

2、由于蒸发器5吸收的工业余热变化时，系统冷凝器2输出的热量也会变化，所以从第三节流阀12进入闪蒸罐6的液态水也需要进行流量调节，如果进入闪蒸罐6的液体水量多，则会造成进入单螺杆水蒸气压缩机8的水蒸气未达到饱和，进而降低了单螺杆水蒸气压缩机8的效率。如果进入闪蒸罐6的液体水量少，则是达不到系统需要的水蒸气输出。

3、由于进入单螺杆水蒸气压缩机8的水蒸气变化，对于经过第四节流阀13的液体水量也需要变化，如果量多，会降低单螺杆水蒸气压缩机8的效率。如果量少，则是会导致单螺杆水蒸气压缩机8输出水蒸气未达到饱和状态。

为此，本发明公开了一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机的控制方法，是一种系统的控制方式，通过将第一节流阀9、第二节流阀10、第三节流阀12、第四节流阀13结合起来进行控制，其中一个节流阀变化时，另外三个节流阀同步进行变化，其中，条件P采用温度判断，当蒸发器5吸收的工业余热在40℃以下时，将第一节流阀9、第二节流阀10、第三节流阀12开度减小，将第四节流阀13开度增大；当蒸发器5吸收的工业余热大于70℃且小于100℃时，将第一节流阀9、第二节流阀10、第三节流阀12开度增大，将第四节流阀13开度减小。

本发明能够输出更稳定的饱和蒸汽，可以更加节能，更加灵活调节系统。

Claims (3)

1.一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机，其特征在于：包括单螺杆冷媒压缩机(1)、冷凝器(2)、气液分离器(3)、中间换热器(4)、蒸发器(5)、闪蒸罐(6)、水泵(7)、单螺杆水蒸气压缩机(8)；所述蒸发器(5)用于吸收工业余热，在所述蒸发器(5)的蒸发室内设有第一制冷剂，所述蒸发器(5)的蒸发室的一端与单螺杆冷媒压缩机(1)的输入端连通，另一端与中间换热器(4)的第一换热室的输出端连通，且在蒸发器(5)的蒸发室与中间换热器(4)的第一换热室之间设有第一节流阀(9)，所述中间换热器(4)的第二换热室内设有第二制冷剂，所述第二制冷剂的沸点高于第一制冷剂的沸点，所述中间换热器(4)的第二换热室的一端与单螺杆冷媒压缩机(1)的输入端连通，另一端与气液分离器(3)连通，且在中间换热器(4)的第二换热室与气液分离器(3)之间设有第二节流阀(10)，所述单螺杆冷媒压缩机(1)的输出端与冷凝器(2)的供热室的输入端连通，所述冷凝器(2)的供热室的输出端、中间换热器(4)的第一换热室的输入端均与气液分离器(3)连通，所述冷凝器(2)的吸热室的输入端与水泵(7)的输出端连接，冷凝器(2)的吸热室的输出端、水泵(7)的输入端、单螺杆水蒸气压缩机(8)的输入端、供水管路(11)均与闪蒸罐(6)连通，且在供水管路(11)与闪蒸罐(6)之间设有第三节流阀(12)，所述供水管路(11)连接单螺杆水蒸气压缩机(8)，且在供水管路(11)与单螺杆水蒸气压缩机(8)之间设有第四节流阀(13)。

2.根据权利要求1所述的一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机，其特征在于：所述第一制冷剂、第二制冷剂均为HFO制冷剂。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种单螺杆自复叠高温热泵蒸汽机的控制方法，其特征在于，包括：

当蒸发器(5)吸收的工业余热在40℃以下时，将第一节流阀(9)、第二节流阀(10)、第三节流阀(12)开度减小，将第四节流阀(13)开度增大；当蒸发器(5)吸收的工业余热大于70℃且小于100℃时，将第一节流阀(9)、第二节流阀(10)、第三节流阀(12)开度增大，将第四节流阀(13)开度减小。