一种利用压缩式热泵产生蒸汽的方法及系统与流程

1.本发明涉及蒸汽制备领域，尤其涉及一种利用压缩式热泵产生蒸汽的方法及系统。


背景技术：

2.常规的热泵一般只产生热水，近年来随着高温热泵的兴起，利用热泵产生蒸汽的研究和开发正日益兴起，利用热泵产生蒸汽由于热泵冷凝侧温度高，冷凝温度与蒸发温度的温差大，压比大，其能效问题是突出的问题。此外，热泵冷热两侧温差大，从高压高温流体节流后变为低温低压流体的热损失也较常规热泵大，这部分被损失的能量如被有效利用，可以显著提高蒸汽热泵的效率和蒸汽的产量。
3.事实上，蒸汽产生的过程，与常规热泵产生热水采暖的过程相比，有其独特性，即一方面蒸汽产生，需要高温，另一方面产生蒸汽的所需液态水本身是低温，需要加热，也可以利用低温热源加热，前者是一个相变潜热变化的过程，后者是一个显热变化过程，如果采用温度20℃的水，产生110℃的蒸汽，水加热所需的能量为水汽化所需能量的1/6左右。
4.此外，蒸汽热泵与普通采暖热水热泵相比，其蒸汽的产出的调节困难，而蒸汽产出的调节又往往是影响系统可靠性和适用性的重要因素，甚至决定系统的成败。常规热水热泵比较容易通过热水蓄存进行调节，而蒸汽储存困难，很难通过蒸汽储存有效调节蒸汽的产出。


技术实现要素：

5.本发明基于对热泵循环的特点与蒸汽发生过程特征的分析发现，热泵系统可利用的相变热(即冷凝器放热)和可利用的显热(即过冷器的放热)比例，与水汽化所需能量(相变热)和水加热所需的能量(显热)比例具有类似的趋势，如当冷凝温度与蒸发温度相差60℃左右时，过冷器可利用的热量约为冷凝器的热量1/4(不同冷媒比例有所变化)左右(水加热所需的能量为水汽化所需能量的1/6左右，小于1/4)，因此完全可利用过冷器的放热来预热液态水，冷凝器的放热使预热的水汽化，这样可以较大幅度地提高热泵产生蒸汽的能效。显然对于常规热水采暖热泵而言，过冷器的热量基本不可以利用。基于上述分析，可以有如下结论，尽管蒸汽热泵的能效比普通热水热泵效率低，但蒸汽热泵可以通过对过冷器的热量的有效利用得到部分补偿，提高效率和增加蒸汽产量。
6.另外，本发明通过对过冷器的巧妙利用，即过冷器输出热量的调节实现蒸汽产出的调节，这样的调节方式简单可靠。在本发明中过冷器起到三个作用，一是提高热泵的能效，二是增加蒸汽产量，三是可以进行蒸汽产出的调节，热泵的经济性较好、成本低。
7.本发明采用的技术方案具体如下：
8.一种利用压缩式热泵产生蒸汽的方法，所述压缩式热泵包括依次连接形成冷媒循环回路的压缩机、冷凝器、过冷器、节流阀和蒸发器(来自压缩机的高温高压气态冷媒先进入冷凝器，被冷凝后的液态冷媒进入过冷器被过冷后排出过冷器，经过节流阀节流后进入
蒸发器，蒸发器内冷媒蒸发产生气态冷媒进入压缩机)；该将热泵产生蒸汽的过程分为二个过程，即水升温过程和水的汽化过程，水升温过程与高温高压液态冷媒降温过程对应，水的汽化过程与高温高压气态冷媒冷凝过程对应。即：利用热泵冷凝器内的冷媒相变过程实现温度为第一温度的水的汽化相变过程，产生蒸气，利用热泵过冷器的冷媒降温无相变过程实现温度为第二温度的水的升温，温度为第一温度的水进入过冷器的水侧升温，升温后进入冷凝器的水侧汽化，对外输出蒸汽。
9.进一步地，温度为第一温度的水与冷媒在过冷器中逆流换热。
10.进一步地，所述进入过冷器的水先被预热。
11.进一步地，所述进入冷凝器的水一部分来自过冷器，另一部分高温水直接进入冷凝器，即：温度为第二温度的水包括利用热泵过冷器的冷媒降温无相变过程实现升温后的水和其他温度为第二温度的水。
12.进一步地，还包括通过旁路调节进入过冷器的温度为第一温度的水和/或进入过冷器的冷媒的流量，调节产出的蒸汽量。
13.一种产生蒸汽的热泵系统，系统含有压缩机、冷凝器、过冷器、节流阀和蒸发器，其中，压缩机的出口与冷凝器的冷媒侧进口相连，冷凝器的冷媒侧出口与过冷器的冷媒侧进口相连，过冷器的冷媒侧出口与节流阀的进口相连，节流阀的出口与蒸发器的冷媒侧进口相连，蒸发器的冷媒侧出口与压缩机的进口相连，过冷器的水侧进口与供水源相连，过冷器的水侧出口与冷凝器的水侧进口相连，冷凝器的水侧出口排出蒸汽。
14.进一步地，还包括预热器，其中，预热器的热流体通道的进口与供水源相连，预热器的热流体通道的出口与过冷器的水侧进口相连。
15.进一步地，还包括三通，三通的一端与过冷器的水侧出口相连，一端与冷凝器的水侧进口相连，另一端与高温热水源相连。
16.进一步地，还包括冷媒旁路和/或水旁路，其中，水旁路连接供水源和冷凝器的水侧进口，冷媒旁路连接冷凝器的冷媒侧出口与节流阀的进口，冷媒旁路和水旁路上安装有阀门，通过阀门调节通过旁路流体的流量控制产出的蒸汽量。
17.本发明的有益效果是，本发明将热泵过程与蒸汽发生过程高度匹配并进行优化，提供了一种新的基于压缩式热泵的蒸汽发生方法和系统，该系统具有高效节能、简单可靠、调节性能好等特点，可替代锅炉或部分替代锅炉发生蒸汽，尤其适合于存在各种余热的场合及光电风电的利用，具有节能减碳环保的效果。
附图说明
18.图1为本发明基本原理图
19.图2为带有预热器的系统
20.图3为带有三通的系统
21.图4为带有过冷器旁路的系统
具体实施方式
22.如图1所示，系统100含有压缩机101、冷凝器102、过冷器103、节流阀104、蒸发器105、冷媒管道106及附件，压缩机101的出口与冷凝器102的冷媒侧进口相连，冷凝器102的
冷媒侧出口与过冷器103的冷媒侧进口相连，过冷器103的冷媒侧出口与节流阀104的进口相连，节流阀104的出口与蒸发器105的冷媒侧进口相连，蒸发器105的冷媒侧出口与压缩机101的进口相连，过冷器103的水侧进口与供水源107相连，过冷器103的水侧出口与冷凝器102的水侧进口相连，冷凝器102的水侧出口排出蒸汽。蒸发器105可以采用水源或者空气源，或者以废热作为热源，包括工业领域的排出的热液、热水及热气等。
23.低温的液态水llw(温度为第一温度)进入过冷器103的水侧升温，升温后的水hlw(温度为第二温度)进入冷凝器102的水侧汽化，对外输出蒸汽ls，来自压缩机101的高温高压气态冷媒hgr先进入冷凝器102被冷凝，冷凝后的液态冷媒hlr进入过冷器103被过冷后排出过冷器103，过冷液态冷媒llr经过节流阀104节流后进入蒸发器105，蒸发器105内冷媒蒸发产生气态冷媒进入压缩机101。液态水与冷媒在过冷器103中逆流换热可以获得更好的效果。
24.图2系统200与系统100相比，增加了预热器201，预热器201利用废热等其它热能对进入过冷器103的水进行预热，图2中采用来自废热源203的废热水进行预热，图2中废热源203同时作为热泵蒸发器的热源，图中显示废热水管204连接废热源203，与蒸发器105和预热器201，泵202驱动热水循环。
25.图2系统与图1系统相比，不仅利用过冷器103减少热泵冷凝器102的负荷，还利用废热减少热泵冷凝器102的负荷，无论是过冷器103的利用还是废热的利用，核心是降低冷凝器102的负荷，而冷凝器102是高温热源，其负荷的减少意味热泵cop的提高。
26.图3系统300与图1系统相比，增加了三通301，三通301的一端与过冷器103的水侧出口相连，一端与冷凝器102的水侧进口相连，另一端与高温热水源相连，来自高温热水源的高温热水hlw可以不经过过冷器103直接进入冷凝器102，例如高温蒸汽冷凝水(温度为第二温度)就可以直接进入冷凝器102蒸发产生蒸汽。
27.图4系统400增加了水旁路和冷媒旁路，当然也可以只增加其中一种旁路，水旁路连接供水源107和冷凝器102的水侧进口，水旁路设置了调节阀401，冷媒水旁路连接冷凝器102的冷媒侧出口与节流阀104的进口，冷媒水旁路上设置了调节阀402，当增加液态水旁路或冷媒旁路的流量，或同时增加两者，过冷器103输出的热量减少，冷凝器102用于加热液态水的负荷增加，这样就导致蒸汽产生量减少。从而调节蒸汽的产出。
28.上述调节方法，仅仅增加了旁路和阀门，其成本低，同时本方法与其它方法相比，与蒸汽压力储罐，压缩机变频相比，更为简单可靠，如蒸汽压力储罐是压力容器，有安全性问题，而压缩机变频，尤其是对于高温热泵，存在压缩机的稳定适用性问题，回油问题等。
29.实施例：
30.采用60℃温度的工艺热流体作为热源(某磷化工企业)，制取115℃蒸汽，热泵额定供热能力为2000kw，热泵工质为r245fa,采用图3所示的系统，两者情况对比运行，第一种情况，补水hlw关闭，llw 50℃，经过过冷器加热后，进入蒸发器，热泵产蒸汽热量为2150kw，压缩机电耗为646kw，热泵cop为3.33。第二种情况，补水hlw开启，hlw水温也为50℃，直接进入蒸发器，llw不进水，即过冷器不工作，热泵产蒸汽热量为1973kw，压缩机电耗为651kw，热泵cop为3.03。采用本发明方案的第一种情况，热泵产出和cop值均有提高。
31.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或
变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。