CN206056012U - 实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统，其结构设计合理、温度匹配性较好、效率高、易于实现。第一蒸发器的工质出口与中间换热器的工质入口连接；中间换热器的工质出口与第一压缩机的工质入口连接；第一压缩机的工质出口与气体冷却器的工质入口连接；气体冷却器的工质出口与第一蒸发器的工质入口连接；第二蒸发器的工质出口与第二压缩机的工质入口连接；第二压缩机的工质出口与冷凝器的工质入口连接；冷凝器的制冷剂出口与中间换热器的制冷剂入口相连；中间换热器的制冷剂出口与第二蒸发器的制冷剂入口连接；气体冷却器冷水管路和冷凝器冷水管路连接；第一蒸发器上设置有冷冻水管路；第二蒸发器上设置有工业余热管路。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统。
背景技术
化石能源的大量消耗引发了严峻的能源危机和环境污染，因此节能减排工作迫在眉睫。热泵技术作为一种可有效将低品位热能转化为高品位热能的技术手段，在节能减排方面意义重大，应用前景广阔。
据相关资料统计，纸浆加工、皮革制造等行业对90-120℃温区的热水需求甚广，可占整个生产过程需求温度的80%以上，同时生产制造过程会产生大量30-60℃的低品位余热资源，若直接排放到环境中不仅浪费了这部分热量还会造成热污染，因此可以考虑用热泵回收利用这部分低品位余热的热量来供应所需高温热水。
由于要产生高温热水，需要选择临界温度较高的制冷剂工质，在吸收低温余热之后可以被压缩到较高温度，但对这种以低温余热作为热源的单级高温热泵，若将低温余热充分回收利用需要设置较低的蒸发温度，会导致其压缩机功耗大压缩效率低，同时制冷剂工质冷凝温度与所需加热冷水之间平均温差太大，热泵工质冷凝放热后温度仍然较高，浪费了一部分热量，从热力学第二定律的角度分析，火用效率减小，系统热力学完善度降低，如果在供热的同时实现制冷这种性能恶化状况更为明显，所以有必要对其进行改进与完善。而对临界温度较低的制冷剂工质，适宜在较低的蒸发温度下从低温热源吸取热量产生冷量，并容易被压缩至超临界状态放热，放热时的温度滑移实现了与冷源较好的温度匹配。其缺陷是受制于系统承压性及压缩效率等问题，排气温度不宜太高，应用范围受到限制。
综上所述，热泵技术是实现节能减排的一项重要手段，但单级热泵在回收利用工业余热进行冷热联供领域仍然存在温度匹配性较差、效率低、实现困难等的缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理、温度匹配性较好、效率高、易于实现的实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统，其特征在于：包括第一蒸发器、中间换热器、第一压缩机、气体冷却器、第二蒸发器、第二压缩机和冷凝器；
第一蒸发器的工质出口与中间换热器的工质入口连接；中间换热器的工质出口与第一压缩机的工质入口连接；第一压缩机的工质出口与气体冷却器的工质入口连接；气体冷却器的工质出口与第一蒸发器的工质入口连接；
第二蒸发器的工质出口与第二压缩机的工质入口连接；第二压缩机的工质出口与冷凝器的工质入口连接；冷凝器的制冷剂出口与中间换热器的制冷剂入口相连；中间换热器的制冷剂出口与第二蒸发器的制冷剂入口连接；
气体冷却器上设置有气体冷却器冷水管路，冷凝器上设置有冷凝器冷水管路，气体冷却器冷水管路和冷凝器冷水管路连接；第一蒸发器上设置有冷冻水管路；第二蒸发器上设置有工业余热管路。
本实用新型还包括第一节流阀，气体冷却器的工质出口通过第一节流阀与第一蒸发器的工质入口连接。
本实用新型还包括第二节流阀，中间换热器的制冷剂出口通过第二节流阀与第二蒸发器的制冷剂入口连接。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本实用新型通过以冷冻水和工业余热为热源，利用制冷剂分别将冷冻水和工业余热的热量传输到气体冷却器和冷凝器中对冷水进行两次加热最终产生热水，且经过冷凝器工质通道出口流出的制冷剂进入中间换热器中，再对途经中间换热器的二氧化碳工质进行加热，高效回收工业余热并提供工业生产过程所需的高温热水并提供冷量，从而提高跨临界二氧化碳循环的性能，实现亚临界循环热泵系统与跨临界循环热泵系统优势互补，产生工业过程所需90℃以上高温热水并产生冷量，同时提高热力学第一及第二定律效率；相对于分别提供冷量和热量的单级热泵系统，整个过程平均产生每千克热水和冷冻水耗功大幅减少；系统性能及热力学完善度得到提升；工业余热得到了充分回收且高温热泵工质冷凝后的热量得到了二次利用，达到了节能环保的目的。本实用新型易于实现且便于操作。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
参见图1，本实用新型实施例包括第一蒸发器1、中间换热器2、第一压缩机3、气体冷却器4、第一节流阀5、第二蒸发器6、第二压缩机7、冷凝器8和第二节流阀9。
第一蒸发器1、中间换热器2、第一压缩机3、气体冷却器4通过管路依次连接形成用于循环一号制冷剂的第一工质回路。第一蒸发器1的工质出口与中间换热器2的工质入口连接。中间换热器2的工质出口与第一压缩机3的工质入口连接，第一压缩机3的工质出口与气体冷却器4的工质入口连接。气体冷却器4的工质出口通过第一节流阀5与第一蒸发器1的工质入口连接，在气体冷却器4内热交换后的第一制冷剂从气体冷却器4的工质出口通过设置有第一节流阀5的工质管路重新通入第一蒸发器1中，第一节流阀5可对第一制冷剂进行降温降压。一号制冷剂为CO2。第一蒸发器1上设置有冷冻水管路12。
第二蒸发器6、第二压缩机7、冷凝器9、中间换热器2通过管路依次连接形成用于循环二号制冷剂的第二工质回路。第二蒸发器6的工质出口与第二压缩机7的工质入口连接。第二压缩机7的工质出口与冷凝器8的工质入口连接，经第二压缩机7压缩后的高温高压的制冷剂通入冷凝器8中。冷凝器8的冷水管路与气体冷却器4的冷水管路连通，冷凝器8的制冷剂出口通过管路与中间换热器2的制冷剂入口相连；中间换热器2的制冷剂出口通过第二节流阀9与第二蒸发器6的制冷剂入口连接，在中间换热器2内与第一制冷剂换热后的第二制冷剂经第二节流阀9重新通入第二蒸发器6中，第二节流阀9可对第二制冷剂进行降温降压。第二蒸发器6上设置有工业余热管路13。二号制冷剂为R152a。
气体冷却器4上设置有气体冷却器冷水管路10，冷凝器8上设置有冷凝器冷水管路11，气体冷却器冷水管路10和冷凝器冷水管路11连接。
本实用新型的工作过程为：第一制冷剂在第一蒸发器1吸收冷冻水热量蒸发，进入中间换热器2与冷凝放热后的第二制冷剂换热达到过热，经第一压缩机3压缩至超临界状态并在此状态下在气体冷却器4与冷水交换热量使之被加热到某一中间温度，然后由第一节流阀5节流降温降压后重新回到第一蒸发器1吸收工业余热源热量。与此同时，第二制冷剂以工业余热为热源在第二蒸发器6吸热蒸发后进入第二压缩机7被压缩到高温状态，在冷凝器8中将来自气体冷却器4的中间温度的冷水进一步加热到工业生产过程所需高温，冷凝放热后的第二制冷剂达到一定过冷，但仍保持在高温状态，因此进入中间换热器2将一部分热量传递给第一制冷剂使之过热，自身则进一步过冷，最后由第二节流阀9节流降温降压后重新回到第二蒸发器6吸收工业余热热量，开始新一轮加热冷水的过程。
对本实用新型的理论性能进行计算，取第一制冷剂为CO2，第二制冷剂为R152a，系统工作条件为：工业余热水的温度为50℃；冷水进水温度为20℃，供水温度100℃；冷冻水进口温度为12℃，出口温度为7℃；R152a在中间换热器2中温降30℃；压缩机效率均取为0.8。计算结果显示，该冷热联供的热量梯级利用热泵系统产生每1kW耗功可产生热水0.0166kg，产生冷冻水0.0512kg；系统制热能效比为4.66，火用效率42.1%；相同情况下，若采用单级亚临界循环热泵回收余热废水的热量制取热水，采用单级CO2跨临界循环热泵制取冷冻水，则每1kW耗功可产生热水0.0107kg，产生冷冻水0.033kg;系统制热能效比为3.0，火用效率15.3%；两者相比，前者每1kW耗功可产生热水量及冷冻水量提高55.1%，制热能效比提高了55.3%，火用效率提高了175%。由此可见，本实用新型在回收工业余热及产生高温热水方面具有很大的应用价值。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。
Claims (3)
1.一种实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统，其特征在于：包括第一蒸发器、中间换热器、第一压缩机、气体冷却器、第二蒸发器、第二压缩机和冷凝器；
第一蒸发器的工质出口与中间换热器的工质入口连接；中间换热器的工质出口与第一压缩机的工质入口连接；第一压缩机的工质出口与气体冷却器的工质入口连接；气体冷却器的工质出口与第一蒸发器的工质入口连接；
第二蒸发器的工质出口与第二压缩机的工质入口连接；第二压缩机的工质出口与冷凝器的工质入口连接；冷凝器的制冷剂出口与中间换热器的制冷剂入口相连；中间换热器的制冷剂出口与第二蒸发器的制冷剂入口连接；
气体冷却器上设置有气体冷却器冷水管路，冷凝器上设置有冷凝器冷水管路，气体冷却器冷水管路和冷凝器冷水管路连接；第一蒸发器上设置有冷冻水管路；第二蒸发器上设置有工业余热管路。
2.根据权利要求1所述的实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统，其特征在于：还包括第一节流阀，气体冷却器的工质出口通过第一节流阀与第一蒸发器的工质入口连接。
3.根据权利要求1所述的实现冷热联供的热量梯级利用热泵系统，其特征在于：还包括第二节流阀，中间换热器的制冷剂出口通过第二节流阀与第二蒸发器的制冷剂入口连接。
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