CN104075489B - 高温蒸汽热泵机组 - Google Patents
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Abstract
本发明为高温热泵机组，解决现有高温热泵机组加热效率低、加热效果差的问题。本发明包括蒸发器、压缩机、冷凝器以及电子膨胀阀节流装置，冷凝器包括冷凝腔和冷凝水换热管，冷凝腔内从上至下设置有第一腔、第二腔、第三腔，第二腔内排布有竖向的冷凝水换热管，冷凝水换热管的上端与第一腔联通，冷凝水换热管的下端与第三腔联通，制冷剂冷凝入口、制冷剂冷凝出口均位于第二腔上，制冷剂冷凝入口的高度高于制冷剂冷凝出口的高度，第一腔上设置有沸水/蒸汽出口，第三腔上设置有待加热水入口。本发明充分利用了冷凝过程产生的阶梯温度，产生高温效果，在离开沸水/蒸汽出口前，还受到了过热状态制冷剂的高温加热，达到沸腾。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温蒸汽热泵机组，可将水加热至沸腾，以及产生蒸汽。
背景技术
目前，为满足节能减排的需要,小型燃煤锅炉急需环保替代品—高温热泵机组。高温热泵的研究方向，主要在两方面.第一，研究高温型压缩机，比如采用二级、三级压缩；第二，研究新型的制冷剂；这两种技术，在传统结构上，无论是冷凝器还是蒸发器，其制冷剂和水媒质横向流动，从同一个方向进出，如图1，实现的加热效果，水温只能小于冷凝压力对应的饱和温度,只能将水温升至85℃上下，加热效率低、加热效果不理想。
发明内容
本发明提供了利用双级热泵等人工热源或废热来产生沸水及至蒸汽的高温热泵机组，解决现有高温热泵机组加热效率低、加热效果差的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
高温蒸汽热泵机组，包括蒸发器、压缩机、冷凝器以及电子膨胀阀节流装置，所述蒸发器的制冷剂蒸发出口与压缩机的入口联通，所述压缩机的出口与冷凝器的制冷剂冷凝入口联通，冷凝器的制冷剂冷凝出口通过电子膨胀阀节流装置与蒸发器的制冷剂蒸发入口联通，其特殊之处在于：
上述冷凝器包括冷凝腔和冷凝水换热管，所述冷凝腔内从上至下设置有三个腔，依次为第一腔、第二腔、第三腔，第二腔内排布有竖向的冷凝水换热管，冷凝水换热管的上端与第一腔联通，冷凝水换热管的下端与第三腔联通，冷凝腔的制冷剂冷凝入口、冷凝腔的制冷剂冷凝出口均位于第二腔上，制冷剂冷凝入口的高度高于冷凝腔的制冷剂冷凝出口的高度，第一腔上设置有沸水/蒸汽出口，第三腔上设置有待加热水入口。
针对废热水源回收的高温热泵机组，上述蒸发器包括蒸发腔和蒸发水换热管，所述蒸发腔内从上至下设置有三个腔，依次为第四腔、第五腔、第六腔，第五腔内排布有竖向的蒸发水换热管，蒸发水换热管的上端与第四腔联通，蒸发水换热管的下端与第六腔联通，蒸发腔的制冷剂蒸发入口、蒸发腔的制冷剂蒸发出口均位于第五腔上，制冷剂蒸发入口的高度低于蒸发腔的制冷剂蒸发出口的高度；所述蒸发腔内的制冷剂处于气液混合状态；第六腔上设置有废热水源入口，第四腔上设置有废热水源出口。
针对高温废气、废汽等热源回收的高温热泵机组，上述蒸发器采用翅片式蒸发器。
上述制冷剂冷凝出口与电子膨胀阀节流装置之间还连接有节能热交换器，水经节能热交换器被加热后进入冷凝水换热管。
上述制冷剂的蒸发温度为30-60摄氏度，冷凝温度高于120摄氏度。
上述制冷剂选用HFCR245fa。
上述蒸发腔内蒸发压力为1-3个大气压。
为了充分利用空间，上述冷凝器的冷凝腔和蒸发器的蒸发腔均采用纵置式的结构，即立式的冷凝腔和蒸发腔。
本发明的有益效果是：
第一、冷凝水换热管采用了竖向的管结构，制冷剂和水媒质采取相反的流向经过换热管，充分利用了冷凝过程产生的阶梯温度，让水媒质逐渐受热，直至接近过热温度，从而可使加热的水温(或蒸汽温度)高于制冷剂冷凝压力对应的饱和温度。这种纵置结构相对于传统结构，可降低冷凝温度，提高机组效率。本发明可以产生沸水以及1250C以上的蒸汽。
第二、可充分利用废热源，供蒸发器吸热，以改善高温机组的工况和提高效率；无废热、高温热源可利用时，可通过双级热泵实现。
第三、蒸发器亦采用纵置结构，水煤质和制冷剂的流向相同，相对于传统结构，可提高蒸发压力；同时，蒸发器工作于满液工况，汽液混合的蒸发状态结合提高了蒸发压力将极大提高机组效率。
第四、充分利用蒸发温度为30-60摄氏度、冷凝温度大于等于120摄氏度的新型制冷剂的高温冷凝特点，可使机组连续工作在高温高压冷凝状态。
第五、从冷凝器排出的制冷剂在通往电子膨胀阀节流装置之前流过节能热交换器，与将要进入到纯净水媒质入口的纯净水媒质进行热交换，提前将水媒质升温，实现节能效果，同时降低通过电子膨胀阀节流装置的制冷剂温度，既延长了其使用寿命，改善了蒸发器工作环境,同时提高了蒸发器吸热效率。
附图说明
图1是传统热泵机组工作原理图；
图2是本发明机组工作示意图。
图2中，1-制冷剂冷凝入口；2-冷凝腔；3-制冷剂冷凝出口；4-待加热水入口；5-冷凝水换热管；6-沸水/蒸汽出口；7-电子膨胀阀节流装置；8-蒸发腔；9-蒸发水换热管；10-制冷剂蒸发出口；11-压缩机；12-节能热交换器；13-废热水源入口；14-废热水源出口；15-制冷剂蒸发入口。
具体实施方式
实施例一
针对废热水源回收的高温热泵机组，包括蒸发器、压缩机11、冷凝器以及电子膨胀阀节流装置7，蒸发器的制冷剂蒸发出口10与压缩机11的入口联通，压缩机11的出口与冷凝器的制冷剂冷凝入口1联通，冷凝器的制冷剂冷凝出口3通过电子膨胀阀节流装置7与蒸发器的制冷剂蒸发入口15联通。
如图2中的右半部分，冷凝器包括冷凝腔2和冷凝水换热管5，冷凝腔2内从上至下设置有三个腔，依次为第一腔、第二腔、第三腔，第二腔内均匀排布有多根竖向的冷凝水换热管5，冷凝水换热管5为竖向的直管，冷凝水换热管5的上端与第一腔联通，冷凝水换热管5的下端与第三腔联通，冷凝腔2的制冷剂冷凝入口1、冷凝腔2的制冷剂冷凝出口3均位于第二腔上，制冷剂冷凝入口1的高度高于冷凝腔2的制冷剂冷凝出口3的高度，第一腔上设置有沸水/蒸汽出口6，第三腔上设置有待加热水入口4。
如图2的左半部分，蒸发器包括蒸发腔8和蒸发水换热管9，蒸发腔8内从上至下设置有三个腔，依次为第四腔、第五腔、第六腔，第五腔内均匀排布有多根竖向的蒸发水换热管9，蒸发水换热管9为竖向的直管，蒸发水换热管9的上端与第四腔联通，蒸发水换热管9的下端与第六腔联通，蒸发腔8的制冷剂蒸发入口15、蒸发腔8的制冷剂蒸发出口10均位于第五腔上，制冷剂蒸发入口15的高度低于蒸发腔8的制冷剂蒸发出口10的高度；所述蒸发腔8内的制冷剂处于气液混合状态；第六腔上设置有废热水源入口13，第四腔上设置有废热水源出口14。制冷剂选用HFCR245fa，；整个制冷管路中再配置合适的能够保证压缩机11正常工作的冷冻油，可使机组连续工作在高温高压冷凝状态。
为了充分利用空间，冷凝器的冷凝腔和蒸发器的蒸发腔均采用纵置式的结构，即立式的冷凝腔和蒸发腔。
压缩机11可采用现有技术中各种压缩机，例如涡旋式、往复活塞式、螺杆式的压缩机。
电子膨胀阀节流装置7采用现有技术中各种类型的电子膨胀阀节流装置。
本发明的工作过程是：30℃-60℃废热水源进入到蒸发腔8的第六腔，进而进入到蒸发水换热管9，从蒸发腔8的第四腔上端的废热水源出口14排出，充分与蒸发腔8内的制冷剂进行热交换。制冷剂在电子膨胀阀节流装置7的控制下，使得蒸发腔8内接近保持充满制冷剂，制冷剂一直处于整体汽液混合沸腾蒸发状态，吸收蒸发水换热管9内的废热水源的热量，而并非传统的渐变式蒸发，提高了蒸发效率；从制冷剂蒸发出口10排出后经压缩机11传递至冷凝腔2的制冷剂冷凝入口1。从压缩机11来的高温高压制冷剂进入冷凝腔2，从过热状态逐渐冷凝，形成了从上至下温度渐变的阶梯温度直线，直至从制冷剂冷凝出口3排出。而从冷凝水换热管5下端进入的纯净水媒质，则从下至上受到阶梯温度加热逐渐升高，而且在离开沸水/蒸汽出口6前，还受到了过热状态制冷剂的高温加热，达到沸腾。
从冷凝器排出的制冷剂温度仍然在700C以上，在通往电子膨胀阀节流装置7之前，让其从节能热交换器12流过，与将要进入到纯净水媒质入口的纯净水媒质进行热交换，提前将水媒质升温，实现节能效果，同时降低通过电子膨胀阀节流装置7的制冷剂温度，既延长了其使用寿命，亦改善了蒸发器工作环境。
本实施例中，如无废热水源可利用时，可通过双级热泵加热水至30-60摄氏度后通入废热水源入口13。
实施例二
针对高温废气、废汽等热源回收的高温热泵机组，采用市面上的翅片式蒸发器，并予以封闭进行热交换；其余部分的结构同实施例一。
另外，蒸发器采用现有的横向布置的结构，与本实施例中的冷凝器结合使用，也能产生废水及蒸汽，只是蒸发和热交换效率低于实施例一。
实施例一和实施例二中，在产生的沸水蒸汽被利用之后，所剩余的废热可作为废热源的一部分回收循环利用，可以进一步提高效率。
Claims (5)
1.高温蒸汽热泵机组，包括蒸发器、压缩机、冷凝器以及电子膨胀阀节流装置，所述蒸发器的制冷剂蒸发出口与压缩机的入口联通，所述压缩机的出口与冷凝器的制冷剂冷凝入口联通，冷凝器的制冷剂冷凝出口通过电子膨胀阀节流装置与蒸发器的制冷剂蒸发入口联通，其特征在于：
所述冷凝器包括冷凝腔和冷凝水换热管，所述冷凝腔内从上至下设置有三个腔，依次为第一腔、第二腔、第三腔，第二腔内排布有竖向的冷凝水换热管，冷凝水换热管的上端与第一腔联通，冷凝水换热管的下端与第三腔联通，冷凝腔的制冷剂冷凝入口、冷凝腔的制冷剂冷凝出口均位于第二腔上，制冷剂冷凝入口的高度高于冷凝腔的制冷剂冷凝出口的高度，第一腔上设置有沸水/蒸汽出口，第三腔上设置有待加热水入口；所述蒸发器包括蒸发腔和蒸发水换热管，所述蒸发腔内从上至下设置有三个腔，依次为第四腔、第五腔、第六腔，第五腔内排布有竖向的蒸发水换热管，蒸发水换热管的上端与第四腔联通，蒸发水换热管的下端与第六腔联通，蒸发腔的制冷剂蒸发入口、蒸发腔的制冷剂蒸发出口均位于第五腔上，制冷剂蒸发入口的高度低于蒸发腔的制冷剂蒸发出口的高度；所述蒸发腔内的制冷剂处于气液混合状态；第六腔上设置有废热水源入口，第四腔上设置有废热水源出口；所述制冷剂的蒸发温度为30-60摄氏度，冷凝温度高于120摄氏度。
2.根据权利要求1所述的高温蒸汽热泵机组，其特征在于：制冷剂冷凝出口与电子膨胀阀节流装置之间还连接有节能热交换器，水经节能热交换器被加热后进入冷凝水换热管。
3.根据权利要求1所述的高温蒸汽热泵机组，其特征在于：所述制冷剂选用HFCR245fa。
4.根据权利要求3所述的高温蒸汽热泵机组，其特征在于：所述蒸发腔内蒸发压力为1-3个大气压。
5.根据权利要求1所述的高温蒸汽热泵机组，其特征在于：所述冷凝器的冷凝腔和蒸发器的蒸发腔均立式的结构。
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