一种超级热泵型空气能锅炉及运行方法

1.本发明属于能源利用技术领域，特别是涉及一种从空气中提取热量用于制取蒸汽的超级热泵型锅炉。


背景技术：

2.在工业生产及采暖领域大量需要蒸汽，而蒸汽往往采用燃煤、燃气或者燃油锅炉等获得，因此其制取蒸汽的成本较高，且存在烟气排放等污染，其能源转化效率只有60-85％，即便是采用电极锅炉的方式，虽然没有污染物排放，但是其能源利用效率也显著低于95％。综上，即便采用各种新型锅炉，其能源转化效率始终低于100％，导致制取蒸汽的成本较高。
3.电动热泵技术作为节能环保技术在能源利用领域得到越来越多的应用，现有电动热泵技术的报道中，受氟利昂工质物性、压缩机工作压力范围、润滑油失效及循环热力学效率等原因制约，电动热泵只能制取65℃以下热水，无法满足工业生产及采暖领域制取蒸汽所需100℃以上的制热需求。
4.在此背景下，该发明提出一种超级热泵型空气能锅炉及其运行方法，该设备采用电力驱动从空气中提取能量直接制取蒸汽，相比现有电动热泵技术大幅度提升制热温度，而且能源利用效率远高于100％，相比目前的电极锅炉制取蒸汽的方法大幅度的降低运行能耗，具有显著的技术及经济性优势。


技术实现要素：

5.为了从空气中提取能量直接制取高温高压的蒸汽，从而大幅度的降低工业及采暖领域所需的蒸汽制取成本，该发明提出了一种超级热泵型空气能锅炉及其运行方法，相比现有电极锅炉制取蒸汽的方式大幅度的降低运行能耗，进而具有显著的技术经济优势。
6.本发明提出了一种超级热泵型空气能锅炉及其运行方法，该设备包括蒸汽发生器(1)、换热器a(2)、换热器b(3)、换热器c(4)、空气能提取器(5)、升压器a(6)、升压器b(7)、升压器c(8)、能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)、能量调节器d(12)、换热器d(13)、循环泵a(14)、循环泵b(15)、空气出口(16)、空气入口(17)、蒸汽出口(18)和冷水入口(19)组成，其中蒸汽发生器(1)与冷水入口(19)、蒸汽出口(18)、换热器d(13)和换热器a(2)相连，换热器a(2)与蒸汽发生器(1)、能量调节器a(9)、升压器a(6)和循环泵b(15)相连，换热器b(3)与换热器d(13)、循环泵a(14)、换热器c(4)、升压器b(7)和能量调节器c(11)相连，换热器c(4)与换热器b(3)、循环泵b(15)、升压器b(7)、升压器a(6)和升压器c(8)相连，空气能提取器(5)与空气入口(17)、空气出口(16)、升压器c(8)、能量调节器b(10)和能量调节器d(12)相连，换热器d(13)与蒸汽发生器(1)、循环泵a(14)和换热器b(3)相连，升压器a(6)与换热器a(2)、升压器b(7)、换热器c(4)、能量调节器a(9)和能量调节器b(10)相连，升压器b(7)与换热器b(3)、升压器a(6)、换热器c(4)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)相连，升压器c(8)与换热器c(4)和空气能提取器(5)相连，循环泵a(14)与换热器d(13)和换
热器b(3)相连，循环泵b(15)与换热器a(2)和换热器c(4)相连，能量调节器a(9)与换热器a(2)、升压器a(6)和能量调节器b(10)相连，能量调节器b(10)与能量调节器a(9)、升压器a(6)、空气能提取器(5)和能量调节器d(12)相连，能量调节器c(11)与换热器b(3)、升压器b(7)和能量调节器d(12)相连，能量调节器d(12)与升压器b(7)、能量调节器c(11)、能量调节器b(10)和空气能提取器(5)相连，冷水从冷水入口(19)进入蒸汽发生器(1)后经蒸汽出口(18)流出，空气从空气入口(17)进入空气能提取器(5)后经空气出口(16)离开，该设备内部循环工质包括工质a、工质b及工质c，工质a与工质b依次经过换热器b(3)、循环泵a(14)、换热器d(13)和蒸汽发生器(1)往复循环，工质b依次经过换热器b(3)、换热器c(4)、循环泵b(15)、换热器a(2)和蒸汽发生器(1)，循环工质c依次经过空气能提取器(5)、升压器c(8)、换热器c(4)后分为两路，第一路依次经过升压器b(7)、换热器b(3)、能量调节器c(11)、能量调节器d(12)后返回空气能提取器(5)进行循环，其中部分循环工质c进入升压器b(7)继续升压循环；第二路依次经过升压器a(6)、换热器a(2)、能量调节器a(9)、能量调节器b(10)后返回空气能提取器(5)进行循环，其中部分循环工质c进入升压器a(6)继续升压循环。
7.所述一种超级热泵型空气能锅炉，工质a、工质b及工质c分别为有机物或者无机物，其运行原理为：工质a与工质b的混合物在换热器b(3)中被工质c蒸汽加热，部分工质b从混合物中离开以汽态型式进入换热器c(4)，该工质b在换热器c(4)中冷凝后经循环泵b(15)进入换热器a(2)，液态的工质b在换热器a(2)中被工质c蒸汽加热后变成汽态进入蒸汽发生器，工质b进入工质a与工质b的混合物释放热量用于将冷水加热至蒸汽；工质c循环于空气能提取器(5)、换热器c(4)、换热器b(3)和换热器a(2)，升压器a(6)、升压器b(7)和升压器c(8)用于提升工质c的温度及压力，工质c在换热器a(2)和换热器b(3)由汽态变为液态，工质c在空气能提取器(5)和换热器c(4)内由液态变为汽态，能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)用于根据负荷调节分配工质c进入升压器a(6)和升压器b(7)的比例，调节工质c比例的方法为：在设计工况下，根据当前的空气温度和蒸汽温度，能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)保持各自流体阻力特性系数使得系统稳定运行，当室外空气温度下降时，增加能量调节器b(10)和能量调节器d(12)的流体阻力特性系数，降低能量调节器a(9)和能量调节器c(11)的流体阻力特性系数；当室外空气温度上升时，降低能量调节器b(10)和能量调节器d(12)的流体阻力特性系数，增加能量调节器a(9)和能量调节器c(11)的流体阻力特性系数。
8.所述一种超级热泵型空气能锅炉，升压器a(6)、升压器b(7)和升压器c(8)采用活塞式、涡旋式、螺杆式、磁悬浮或者离心式升压方式。
9.所述一种超级热泵型空气能锅炉，蒸汽发生器(1)、换热器a(2)、换热器b(3)和换热器c(4)采用壳管或者板式换热方式。
10.所述一种超级热泵型空气能锅炉，能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)内部均由增压泵或阀门组成。
附图说明
11.图1是一种超级热泵型空气能锅炉系统图系统图。
12.附图标记：
13.1-蒸汽发生器，2-换热器a，3-换热器b，4-换热器c，5-空气能换热器，6-升压器a，
7-升压器b，8-升压器c，9-能量调节器a，10-能量调节器b，11-能量调节器c，12-能量调节器d，13-换热器d，14-循环泵a，15-循环泵b，16-空气出口，17-空气入口，18-蒸汽出口，19-冷水入口
具体实施方式
14.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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发明一部分实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
15.该实施例包括蒸汽发生器(1)、换热器a(2)、换热器b(3)、换热器c(4)、空气能提取器(5)、升压器a(6)、升压器b(7)、升压器c(8)、能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)、能量调节器d(12)、换热器d(13)、循环泵a(14)、循环泵b(15)、空气出口(16)、空气入口(17)、蒸汽出口(18)和冷水入口(19)组成，其中蒸汽发生器(1)与冷水入口(19)、蒸汽出口(18)、换热器d(13)和换热器a(2)相连，换热器a(2)与蒸汽发生器(1)、能量调节器a(9)、升压器a(6)和循环泵b(15)相连，换热器b(3)与换热器d(13)、循环泵a(14)、换热器c(4)、升压器b(7)和能量调节器c(11)相连，换热器c(4)与换热器b(3)、循环泵b(15)、升压器b(7)、升压器a(6)和升压器c(8)相连，空气能提取器(5)与空气入口(17)、空气出口(16)、升压器c(8)、能量调节器b(10)和能量调节器d(12)相连，换热器d(13)与蒸汽发生器(1)、循环泵a(14)和换热器b(3)相连，升压器a(6)与换热器a(2)、升压器b(7)、换热器c(4)、能量调节器a(9)和能量调节器b(10)相连，升压器b(7)与换热器b(3)、升压器a(6)、换热器c(4)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)相连，升压器c(8)与换热器c(4)和空气能提取器(5)相连，循环泵a(14)与换热器d(13)和换热器b(3)相连，循环泵b(15)与换热器a(2)和换热器c(4)相连，能量调节器a(9)与换热器a(2)、升压器a(6)和能量调节器b(10)相连，能量调节器b(10)与能量调节器a(9)、升压器a(6)、空气能提取器(5)和能量调节器d(12)相连，能量调节器c(11)与换热器b(3)、升压器b(7)和能量调节器d(12)相连，能量调节器d(12)与升压器b(7)、能量调节器c(11)、能量调节器b(10)和空气能提取器(5)相连，冷水从冷水入口(19)进入蒸汽发生器(1)后经蒸汽出口(18)流出，空气从空气入口(17)进入空气能提取器(5)后经空气出口(16)离开，该设备内部循环工质中工质a为ch3c(oh)(ch2cf3)ch2cf3、工质b为ch3(och2ch2o)4ch3及工质c为co2，ch3c(oh)(ch2cf3)ch2cf3与ch3(och2ch2o)4ch3依次经过换热器b(3)、循环泵a(14)、换热器d(13)和蒸汽发生器(1)往复循环，ch3(och2ch2o)4ch3依次经过换热器b(3)、换热器c(4)、循环泵b(15)、换热器a(2)和蒸汽发生器(1)，co2依次经过空气能提取器(5)、升压器c(8)、换热器c(4)后分为两路，第一路依次经过升压器b(7)、换热器b(3)、能量调节器c(11)、能量调节器d(12)后返回空气能提取器(5)进行循环，其中部分co2进入升压器b(7)；第二路依次经过升压器a(6)、换热器a(2)、能量调节器a(9)、能量调节器b(10)后返回空气能提取器(5)进行循环，其中部分co2进入升压器a(6)内继续升压，升压器a(6)和升压器b(7)为离心式，升压器c(8)磁悬浮升压方式，该实施例中蒸汽发生器(1)、换热器a(2)、换热器b(3)和换热器c(4)均为板式换热方式。
16.该实施例中，空气入口温度为-10℃，空气出口温度为-15℃，冷水入口温度为15℃，蒸汽出口温度为130℃，ch3c(oh)(ch2cf3)ch2cf3与ch3(och2ch2o)4ch3的混合物在换热器b(3)中被co2蒸汽加热，部分ch3(och2ch2o)4ch3从混合物中离开以汽态型式进入换热器c(4)，ch3(och2ch2o)4ch3在换热器c(4)中冷凝后经循环泵b(15)进入换热器a(2)，液态的ch3(och2ch2o)4ch3在换热器a(2)中被co2蒸汽加热后变成汽态进入蒸汽发生器，ch3(och2ch2o)4ch3进入ch3c(oh)(ch2cf3)ch2cf3与ch3(och2ch2o)4ch3的混合物释放热量用于将冷水加热至蒸汽；co2循环于空气能提取器(5)、换热器c(4)、换热器b(3)和换热器a(2)，升压器a(6)、升压器b(7)和升压器c(8)用于提升co2的温度及压力，co2在换热器a(2)和换热器b(3)由汽态变为液态，co2在空气能提取器(5)和换热器c(4)内由液态变为汽态，能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)用于根据负荷调节分配co2进入升压器a(6)和升压器b(7)的比例，调节co2比例的方法为：能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)均为电动阀门，根据当前的空气温度和蒸汽温度，能量调节器a(9)、能量调节器b(10)、能量调节器c(11)和能量调节器d(12)保持各自流体阻力特性系数使得系统稳定运行，当室外空气温度低于-10℃时，能量调节器b(10)和能量调节器d(12)的电动阀门开度调大以增加流体阻力特性系数，能量调节器a(9)和能量调节器c(11)的电动阀门调小以降低流体阻力特性系数，此时co2进入压缩机的比例升高；当室外空气温度高于-10℃时，能量调节器b(10)和能量调节器d(12)的电动阀门调下以减小流体阻力特性系数，能量调节器a(9)和能量调节器c(11)的电动阀门调大以增加流体阻力特性系数，此时co2进入压缩机的比例降低。
17.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。