CN210425613U - 一种耦合热泵换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种耦合热泵换热器，将两级压缩过程、稀释‑再生过程以及热管换热器耦合实现该换热过程。该高效换热器可以根据换热的参数要求选择一种或者多种成分组成循环工质。同时，两级压缩机可以采用汽轮机或者电机驱动，相比现有换热方式而言，可实现在“热侧与冷侧温差大”和“热侧出口温度高”的极限工况下高效工作，具有显著的性能优势。

Description

一种耦合热泵换热器

技术领域

本实用新型属于能源利用技术领域，特别是涉及冷水与热水进行热量交换的换热器。

背景技术

在能源利用领域广泛存在大量的热量交换过程，热量的传递过程可以归纳为从高温流体向低温流体传递或者从低温流体向高温流体传递。根据牛顿第二定律，热量可以自发的从高温物体传向低温物体，仅使用普通换热器即可实现；如果需要将热量从低温物体传向高温物体则需要消耗一定的代价，往往需要消耗一定量的高品位能源，比如电力、高温度的蒸汽或者热水等，需要使用热泵、引射装置等。在现有技术中，采用热泵技术由于其较高的效率和可靠性得到了市场的认可和应用。热泵技术中按原理分为吸收式热泵或者压缩式热泵方式，其中吸收式热泵又分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵，第一类吸收式热泵需要消耗高品位能量将低温物体的热量大量传输给高温物体，也称为增热型热泵，而第二类热泵不需要消耗高品位能量，而需要比低温物体更低温度的冷源，提取低温物体的少量热量将高温物体继续升温，也称为升温型热泵；压缩式热泵需要消耗机械功，通过逆卡诺循环实现热量从低温物体传向高温物体。吸收式热泵受热力循环以及工质物性的限制，只能将高温物体进行有限温度提升，而压缩式热泵受热力循环及工质物性限制，在对高温物体进行大幅度温升时循环效率急剧下降，需要进行大量做功。因此吸收式热泵与压缩式热泵只能工作在各自性能较为优越的工作范围，进而限制了热泵在低温物体向高温物体传热过程的应用，即在“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的工况下，现有的热泵技术无法满足需求。

为了解决上述的应用难题，该实用新型提出了一种采用稀释-再生过程、两级压缩过程和热管换热器实现热量从低温物体向高温物体的新型高效传递换热器。

实用新型内容

为了满足“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的换热需求，该实用新型将稀释-再生过程、蒸汽压缩机和热管换热器有机结合实现热量从低温物体向高温物体的高效传递。该换热器包括再生冷凝器1、冷凝蒸发器2、稀释器3、蒸发器4、蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6、热管换热器11、节流阀7、节流阀8、循环泵9、循环泵10和连接管路构成。其内部循环工质包括工质A、工质B和工质C，其中工质A和工质B组成工质对，工质A为固体或者液体工质，工质B为液体工质，工质A溶解于工质B中形成溶液。工质C为液体工质，可选用与工质B相同或者不同的物质。

各个组成单元的原理和运行方式为：

再生冷凝器1实现在水平传热管外部溶液吸热后沸腾产生工质B蒸汽，稀溶液经喷嘴喷洒在水平传热管的外表面，受重力作用自上而下的流动过程中不断的沸腾变成浓溶液后离开，该过程在管外的再生空间1(a)完成。同时在水平传热管内部工质C由汽态变成液态的放热过程，汽态的工质C从水平传热管的左侧进入管内空间，在自左向右的流动过程中不断的冷凝变成液态后离开，该过程在管内的冷凝空间1(b)完成。

冷凝蒸发器2实现在水平传热管外部工质C从液态变成汽态的蒸发过程，液态的工质C经喷嘴喷洒在水平传热管外部，在自上而下的流动过程中被加热变成汽态后离开，该过程在管外的蒸发空间2(a)实现。同时在水平传热管内部实现工质B蒸汽冷凝为液态的过程，工质B蒸汽由水平传热管左侧进入管内空间，由左向右流动过程中不断冷凝为液态后离开，该过程在管内的冷凝空间2(b)实现。

稀释器3实现工质A和工质B组成的浓溶液吸收工质B蒸汽变成稀溶液的过程，浓溶液经喷嘴喷洒在水平传热管外部，在自上而下流动过程中利用工质B蒸汽的冷凝热加热热水，浓溶液变成稀溶液后离开。

蒸发器4实现液态工质B变成汽态的蒸发过程，液态工质B经喷嘴喷洒在水平传热管外部，自上而下流动过程中被冷水加热而蒸发，同时管内冷水被降温，工质B变为汽态后离开。

蒸汽压缩机5实现对来自冷凝蒸发器2的工质C蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。

蒸汽压缩机6实现对来自蒸发器4的工质B蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。

节流阀7和节流阀8分别实现对液态的工质C和工质B减温减压的目的。

循环泵9实现在冷凝蒸发器2底部未蒸发的液态工质C再次循环返回冷凝蒸发器2顶部的喷嘴继续喷淋蒸发的过程。

循环泵10实现将离开再生冷凝器1的浓溶液加压送至热管换热器11后被降温后进入稀释器3的目的。

热管换热器11实现浓溶液和稀溶液的热量交换过程，实现稀溶液在进入再生冷凝器1之前被预热的目的，热管换热器11内置于稀释器3中，即使热管换热器11出现泄漏时该换热器也可正常运行，同时避免环境温度对预热效果的影响。

热水经热水管路12内部被升温，冷水经冷水管路13内部被降温。

耦合热泵换热器内部组成单元的连接方式为：

蒸汽压缩机5与再生冷凝器1和冷凝蒸发器2相连。

蒸汽压缩机6与稀释器3和蒸发器4相连。

再生冷凝器1与蒸汽压缩机5、热管换热器11、冷凝蒸发器2、节流阀7和循环泵10相连。

冷凝蒸发器2与蒸汽压缩机5、再生冷凝器1、节流阀8和循环泵9相连。

稀释器3与热管换热器11、蒸汽压缩机6和热水管路相连。

蒸发器4与节流阀8、蒸汽压缩机6和冷水管路相连。

热管换热器11与稀释器3、再生冷凝器1和循环泵10相连。

耦合热泵的换热器的内部循环过程包含：工质B的蒸发冷凝循环以及工质C的蒸发冷凝循环。

工质B的蒸发冷凝循环原理：工质A和工质B组成的溶液在再生冷凝器1被加热再生产生汽态工质B，汽态工质B进入冷凝蒸发器2后被冷却变为液态后离开，液态工质B经过节流阀8后被减温减压后进入蒸发器4被冷水加热变成蒸汽，工质B蒸汽经过蒸汽压缩机6被升压后在稀释器3冷凝，工质B冷凝后的稀溶液经热管换热器11进入再生冷凝器1后再次产生汽态工质B，如此往复循环。

工质C的蒸发冷凝循环原理：

液态的工质C在冷凝蒸发器2内被加热变成汽态，汽态的工质C经过蒸汽压缩机5后压力被提升，汽态工质C在再生冷凝器1内被冷却释放热量变成液态，液态的工质C经过节流阀7被减温减压后进入冷凝蒸发器2后被加热变成汽态，如此往复循环。

如前所述，蒸汽压缩机可以采用汽轮机或者电机驱动，通过消耗外部蒸汽或者电力完成内部循环工质的压缩过程。

对于工质A和工质B而言，工质A的成分需要在工质B中有良好的溶解性，以完成工质B的蒸发和冷凝过程，其中工质A可以由一种、两种或者多种成分组成。对于工质C而言，可以由一种、两种或者多种成分构成。

该实用新型所述换热器采用了两级蒸汽压缩机，可以显著的提升热水的升温幅度和冷水的降温幅度，同时提升换热器的效率。首先，蒸汽压缩机5实现对工质C的蒸汽进行压缩，实现其温度和压力的大幅度提升，进而在再生冷凝器1中显著的提升了溶液的出口浓度，高浓度的溶液为工质B蒸汽在稀释器3的大量冷凝创造条件。其次，蒸汽压缩机6实现对工质B蒸汽的压缩，因此工质B蒸汽的冷凝压力显著高于蒸发压力，进而冷水在蒸发器4的出口温度被显著降低，同时高浓度溶液和高冷凝压力实现了工质B蒸汽的大量冷凝，进而热水在稀释器3的出口温度被显著提升。该换热器满足了“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的换热需求。

附图说明

图1是一种耦合热泵换热器流程图。

图2是一种耦合热泵换热器实施例流程图。

附图标记：1-再生冷凝器，1(a)-再生空间，1(b)-冷凝空间，2-冷凝蒸发器，2(a)-蒸发空间，2(b)-冷凝空间，3-稀释器，4-蒸发器，5-蒸汽压缩机，6-蒸汽压缩机，7-节流阀，8-节流阀，9-循环泵，10-循环泵，11-热管换热器，12-热水管路，13-冷水管路，14-汽轮机，15-蒸汽管路。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图2，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图2中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以采用工质A为1,4-氧氮杂环己烷(DMAC)，工质B和工质C均为四氟一氯乙烷(R124)为例，其中DMAC与R124组合形成溶液，通过溶液中DMAC的浓度变化实现R124的蒸发和冷凝过程。以图2为例，对该耦合热泵换热器的各个部件以及系统的运行原理进行描述：

再生冷凝器1实现在水平传热管外部DMAC与R124溶液吸热后沸腾产生R124蒸汽，DMAC与R124稀溶液经喷嘴喷洒在水平传热管的外表面，受重力作用自上而下的流动过程中不断的沸腾变成浓溶液后离开，该过程在管外的再生空间1(a)完成。同时在水平传热管内部R124由汽态变成液态的放热过程，汽态的R124从水平传热管的左侧进入管内空间，在自左向右的流动过程中不断的冷凝变成液态后离开，该过程在管内的冷凝空间1(b)完成。

冷凝蒸发器2实现在水平传热管外部R124从液态变成汽态的蒸发过程，液态的R124经喷嘴喷洒在水平传热管外部，在自上而下的流动过程中被加热变成汽态后离开，该过程在管外的蒸发空间2(a)实现。同时在水平传热管内部实现R124蒸汽冷凝为液态的过程，R124蒸汽由水平传热管左侧进入管内空间，由左向右流动过程中不断冷凝为液态后离开，该过程在管内的冷凝空间2(b)实现，蒸发空间2(a)和冷凝空间2(b)不连通。

稀释器3实现DMAC与R124浓溶液吸收R124蒸汽变成DMAC与R124稀溶液的过程，DMAC与R124浓溶液经喷嘴喷洒在水平传热管外部，在自上而下流动过程中利用R124蒸汽的冷凝热加热热水，DMAC与R124浓溶液变成DMAC与R124稀溶液后离开。

蒸发器4实现液态R124变成汽态的蒸发过程，液态R124经喷嘴喷洒在水平传热管外部，由于冷水的温度高于R124在此压力下的蒸发温度，自上而下流动过程中被冷水加热而蒸发，同时管内冷水被降温，R124变为汽态后离开。

蒸汽压缩机5实现对来自冷凝蒸发器2的R124蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。

蒸汽压缩机6实现对来自蒸发器4的R124蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。

节流阀7和节流阀8分别实现对液态的R124减温减压的目的。

循环泵9实现在冷凝蒸发器2底部未蒸发的液态R124再次循环返回冷凝蒸发器2顶部的喷嘴继续喷淋蒸发的过程。

循环泵10实现将离开再生冷凝器1的DMAC与R124浓溶液加压送至热管换热器11后被降温后进入吸收器3的目的。

热管换热器11实现DMAC与R124浓溶液和DMAC与R124稀溶液的热量交换过程，实现DMAC与R124稀溶液在进入再生冷凝器1之前被预热的目的。

热水用于带走R124冷凝释放的热量，经热水管路12内部被升温；冷水用于加热R124由液态变为汽态，冷水经冷水管路13内部被降温。

在此实施例中R124需要完成两个蒸发冷凝循环，两个循环的工作压力不同。一个循环为DMAC与R124组成的稀溶液在再生冷凝器1被加热再生产生汽态R124，汽态R124进入冷凝蒸发器2后被冷却变为液态R124后离开，液态R124经过节流阀8后被减温减压后进入蒸发器4被冷水加热变成R124蒸汽，R124蒸汽经过蒸汽压缩机6被升压后在稀释器3冷凝，R124冷凝后的DMAC与R124稀溶液经热管换热器11进入再生冷凝器1后再次产生汽态R124，如此往复循环；另一个循环为液态的R124在冷凝蒸发器2内被加热变成汽态R124，汽态的R124经过蒸汽压缩机5后压力被提升，汽态R124在再生冷凝器1内被冷却释放热量变成液态R124，液态R124经过节流阀7被减温减压后进入冷凝蒸发器2后被加热变成汽态R124，如此往复循环。

在此实施例中采用汽轮机14驱动蒸汽压缩机6，蒸汽压缩机5采用相同方式驱动，高温高压的水蒸气进入汽轮机14做功后温度压力下降后离开汽轮机14，汽轮机的转轴带动蒸汽压缩机6的转轴完成蒸汽压缩过程。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种耦合热泵换热器，其特征在于：该换热器包括再生冷凝器(1)、冷凝蒸发器(2)、稀释器(3)、蒸发器(4)、蒸汽压缩机A(5)、蒸汽压缩机B(6)、热管换热器(11)、节流阀A(7)、节流阀B(8)和连接管路构成，组成部件连接方式为：蒸汽压缩机A(5)与再生冷凝器(1)和冷凝蒸发器(2)相连，蒸汽压缩机B(6)与稀释器(3)和蒸发器(4)相连，再生冷凝器(1)与蒸汽压缩机A(5)、热管换热器(11)、冷凝蒸发器(2)、节流阀A(7)和循环泵B(10)相连，冷凝蒸发器(2)与蒸汽压缩机A(5)、再生冷凝器(1)、节流阀B(8)和循环泵A(9)相连，稀释器(3)与热管换热器(11)、蒸汽压缩机B(6)和热水管路相连，蒸发器(4)与节流阀B(8)、蒸汽压缩机B(6)和冷水管路相连，热管换热器(11)与稀释器(3)、再生冷凝器(1)和循环泵B(10)相连；工质A和工质B组成的溶液在再生冷凝器(1)产生汽态工质B，汽态工质B进入冷凝蒸发器(2)后经过节流阀B(8)后进入蒸发器(4)，工质B再经过蒸汽压缩机B(6)进入稀释器(3)，稀溶液经热管换热器(11)进入再生冷凝器(1)；工质C依次经过冷凝蒸发器(2)蒸汽压缩机A(5)、再生冷凝器(1)、节流阀A(7)和冷凝蒸发器(2)；蒸汽压缩机A(5)和蒸汽压缩机B(6)可以分别采用汽轮机或者电机驱动。

2.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：耦合热泵换热器同时采用两级蒸汽压缩机，各级压缩机可以分别采用单级或者双级压缩。

3.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：采用热管换热器(11)对稀溶液进行预热，通过减小稀溶液和浓溶液的温差显著提升稀溶液的预热热量，进而显著的提升换热效率。

4.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：稀释器(3)所释放的热量用于加热热水、蒸汽或化工流体介质；蒸发器(4)所提取的热量来自冷水、蒸汽或化工流体介质。

5.根据权利要求1所述的一种耦合热泵换热器，其特征在于：再生冷凝器(1)、冷凝蒸发器(2)、稀释器(3)和蒸发器(4)可分别使用单级或者多级流程。

Images