一种燃气热泵式蒸汽机组的制作方法

1.本发明涉及热泵机组技术领域，具体涉及一种燃气热泵式蒸汽机组。


背景技术：

2.工业生产和公共建筑存在大量乏汽余热、废水余热、高湿空气余热，随着为应对气候变暖而对锅炉使用的限制，在食品加工、塑料加工、化学工业、造纸工业、木材加工、合成橡胶、纺织工业、烟草行业、宾馆和医院等存在大量低品位余热场合利用热泵吸收这些余热提供蒸汽替代蒸汽锅炉是种有效的节能减排手段。
3.中国专利cn112032701a公开了一种基于空气源热泵的高温高压蒸汽的制备系统以及方法，通过空气源热泵循环系统和蒸汽压缩系统共同作用将承压水箱中的水加热至沸腾，产生低温低压蒸汽；然后蒸汽压缩系统进一步将产生的低温低压蒸汽进行压缩处理，制备产生高温高压蒸汽。本发明实现了利用常规空气源热泵制备高温高压蒸汽的技术效果，该发明没有对高温制冷剂液体中所含热量梯级充分利用提升水温，产品效率低。
4.中国专利cn111076154a公开了一种热泵蒸汽机，包括冷媒压缩机、蒸汽压缩机、一级冷凝器、二级冷凝器、经济器、蒸发器、油冷器、气液分离器、油分离器等。本发明采用两级冷凝器，降低承压水箱内换热盘管的换热面积，利用高温高压冷媒冷凝放热原理，直接换热制取低温蒸汽，再辅助无油水润滑的蒸汽压缩机，制取高温蒸汽。该发明采用2个冷凝器能够对高温制冷剂液体中所含热量梯级充分利用提升水温，但第一冷凝器的热水温度不能控制、制冷剂在冷凝器中阻力大导致能耗增加，第二冷凝器中有制冷剂气体流动增加了换热器成本。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种燃气热泵式蒸汽机组。
6.本发明提供了一种燃气热泵式蒸汽机组，具有水总进口、蒸汽总出口、冷介质总进口以及冷介质总出口，具有这样的特征，包括：冷凝器、压缩机、节流装置、回热换热器、蒸发器以及发动机单元，冷凝器具有水蒸汽通道和第一制冷剂通道，水蒸汽通道具有第一进水口和第一蒸汽出口，第一蒸汽出口与蒸汽总出口连接，第一制冷剂通道具有第一制冷剂入口和第一制冷剂出口，回热换热器具有第二进水口、第二出水口、制冷剂液体入口以及制冷剂液体出口，第二进水口与水总进口连接，第二出水口与第一进水口连接，制冷剂液体入口与第一制冷剂出口连接，蒸发器具有冷介质通道和第二制冷剂通道，冷介质通道的两端分别连接冷介质总进口以及冷介质总出口，第二制冷剂通道具有第二制冷剂入口和第二制冷剂出口，第二制冷剂入口通过节流装置与制冷剂液体出口连接，第二制冷剂出口通过压缩机与第一制冷剂入口连接，其中，冷凝器为壳管式换热器，包括壳体、管板以及传热管，管板设置在壳体内并与壳体形成容纳空间，传热管设置在容纳空间内且连接在管板上，传热管和管板构成水蒸汽通道，容纳空间除去传热管所占部分构成第一制冷剂通道，发动机单元包括燃气发动机、烟气换热器以及缸套水换热器，燃气发动机与压缩机连接，用于驱动压缩
机工作，具有烟气管道和缸套，烟气换热器设置在烟气管道上，用于与烟气管道内的烟气进行热交换，具有与水总进口连接的第三进水口和与蒸汽总出口连接的第三蒸汽出口，缸套水换热器具有第四进水口、第四出水口、冷却液进口以及冷却液出口，第四进水口与水总进口连接，缸套的两端分别连接在冷却液进口以及冷却液出口上。
7.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征：其中，缸套与缸套水换热器的连接管路上还设置有泵。
8.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征：其中，传热管为直管或u形管。
9.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征：其中，回热换热器为板式换热器、壳管式换热器以及套管式换热器中的任意一种，节流装置为电子膨胀阀、浮球阀、毛细管以及热力膨胀阀中的任意一种。
10.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征，还包括：蒸汽压缩机，设置在第一蒸汽出口和蒸汽总出口之间。
11.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征：其中，回热换热器上设置至少1个水旁通口。
12.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征，还包括：油分离单元，包括油分离器和润滑油回路，油分离器具有气体入口、气体出口和润滑油出口，气体入口与压缩机的排气口连通，气体出口与第一制冷剂入口连通，润滑油出口与润滑油回路的一端连通，润滑油回路的另一端与压缩机连通。
13.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征：其中，油分离器中带有电加热器，电加热器加热排气至过热度至设定值t2，t2为5℃至15℃之间的任意一个值。
14.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征，还包括：经济器，经济器为壳管式换热器、板式换热器以及闪蒸罐中的任意一种。
15.在本发明提供的燃气热泵式蒸汽机组中，还可以具有这样的特征：其中，压缩机为开启式，且压缩机是螺杆压缩机、离心压缩机、涡旋压缩机、活塞式压缩机中的任意一种或几种，压缩机的数量为1台或多台。
16.发明的作用与效果
17.根据本发明所涉及的燃气热泵式蒸汽机组，因为包括冷凝器、压缩机、节流装置、回热换热器以及蒸发器，水总进口进入的水先经过回热换热器加热后再进入冷凝器换热从而由蒸汽总出口输出蒸汽，制冷剂液体在返回蒸发器之前先进入回热换热器换热，可以进一步降温，提高制冷剂液体过冷度。此外，冷凝器为壳管式换热器，制冷剂气体流过冷凝器压降小，因此该机组的换热效率更高，能够稳定输出蒸汽。
18.进一步地，因为该燃气热泵式蒸汽机组还包括发动机单元，该发动机单元包括燃气发动机、烟气换热器以及缸套水换热器，通过设置烟气换热器能够利用燃气发动机工作时产生的烟气的热量，并且通过设置缸套水换热器能够借助冷却液将燃气发动机缸套的热量进行利用并对缸套进行降温，所以该燃气热泵式蒸汽机组具有更高的工作效率。
附图说明
19.图1是本发明的实施例一中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图；
20.图2是本发明的实施例二中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图；
21.图3是本发明的实施例三中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图；
22.图4是本发明的实施例四中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图。
具体实施方式
23.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种燃气热泵式蒸汽机组作具体阐述。
24.《实施例一》
25.本实施例提供了一种燃气热泵式蒸汽机组。
26.图1是本发明的实施例一中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图。
27.如图1所示，燃气热泵式蒸汽机组1000具有水总进口、蒸汽总出口、冷介质总进口以及冷介质总出口(图中未示出)。冷介质总进口与冷介质总出口之间流动的冷介质为水、乏汽或空气。
28.燃气热泵式蒸汽机组1000还包括冷凝器10、回热换热器200、蒸发器20、压缩机30、第一节流装置40以及发动机单元(图中未示出)。
29.冷凝器10具有水蒸汽通道和第一制冷剂通道。水蒸汽通道具有第一蒸汽出口11和第一进水口12。第一蒸汽出口11与水总进口连接并连通。第一制冷剂通道具有第一制冷剂入口13和第一制冷剂出口14。
30.本实施例中，冷凝器10壳管式换热器，包括壳体15、管板17以及传热管16。管板17的数量为两块，两块管板17互相平行地设置在壳体内并与壳体形成容纳空间。传热管16设置在容纳空间内且连接在管板17上。传热管16和管板17构成上述水蒸汽通道，容纳空间中除去传热管16所占部分以外的部分构成上述第一制冷剂通道。传热管16为直管或u形管，优选u形管，传热管16为铜管或镍铜管中的一种。
31.回热换热器200具有制冷剂液体出口201、制冷剂液体入口202、第二进水口203以及第二出水口204。制冷剂液体出口201和制冷剂液体入口202相连通成为一路，第二进水口203以及第二出水口204相连通成为另一路，两路用于彼此换热。第二进水口203与水总进口连接并连通。第二出水口204与第一进水口12连接并连通。制冷剂液体入口202与第一制冷剂出口14连接并连通。
32.蒸发器20具有冷介质通道和第二制冷剂通道。冷介质通道具有第一冷介质入口21和第一冷介质出口22。第一冷介质入口21与冷介质总进口连接并连通。第一冷介质出口22与冷介质总进口连接并连通。第二制冷剂通道具有第二制冷剂出口23和第二制冷剂入口24。
33.压缩机30具有吸气口31和排气口32。吸气口31与第二制冷剂出口23连接并连通。排气口32与第一制冷剂入口13连接并连通。第二制冷剂入口24与第一节流装置40连接后连接在制冷剂液体出口201上。第一节流装置40用于将制冷剂液体节流降压转化为气液两相制冷剂后，再使其进入第二制冷剂入口24。
34.如图1所示，发动机单元包括燃气发动机1、烟气换热器90以及缸套水换热器4。
35.燃气发动机1通过连接装置2与压缩机30连接，用于驱动压缩机30工作。连接装置2可以为联轴器或减速器。燃气发动机1具有烟气管道130和缸套(图中未示出)。燃气发动机1在工作时，会产生高温烟气，高温烟气从烟气管道130排出。燃气发动机1在工作时还会使缸套升温。
36.烟气换热器90设置在烟气管道130上，用于与烟气管道130内的烟气进行热交换。烟气换热器90的数量为1个或多个，在本实施例中，烟气换热器90的数量为1个。烟气换热器90具有与水总进口连接并连通的第三进水口91和与蒸汽总出口连接并连通的第三蒸汽出口92。
37.缸套水换热器4具有第四进水口5、第四出水口6、冷却液进口7以及冷却液出口8。第四进水口5和第四出水口6相连通成为一路，冷却液进口7和冷却液出口8相连通成为另一路，两路用于彼此换热。第四进水口5与水总进口连接并连通。
38.缸套的两端分别通过冷却液管路9连接在冷却液进口7以及冷却液出口8上，从而形成用于流通冷却液的闭合回路。从冷却液出口8流出的冷却液流入缸套进行换热后，由冷却液进口7返回缸套水换热器4。冷却液为为水或不冻液。
39.冷却液管路9上还设置有泵3，泵3能够驱动冷却液在缸套与缸套水换热器4间循环流动。泵3为循环泵或水泵。
40.第四出水口6连接在第一进水口12或第二出水口204上，例如通过三通结构相连接。若有热水需求，第四出水口6可以直接向外输出热水。若没有热水需求，第四出水口6与相应的第一进水口12或第二出水口204相连通，这样第四出水口6输出的热水会再经过冷凝器10的升温后变成蒸汽输出。
41.在本实施例中，冷凝器10和蒸发器20中的制冷剂为nh3、r718、hfc32、hcfc123、hfc134a、r290、hfc245fa、r514a、hfo1336mzz(z)、hfo1234ze、hfo1234yf或hfo1234z中的任意一种。
42.压缩机30为单级压缩机或多级压缩机，压缩机30为开启式压缩机，压缩机30的驱动方式为电力驱动、内燃气驱动或燃气轮机驱动。压缩机30是螺杆压缩机、离心压缩机、涡旋压缩机、活塞式压缩机中的一种或多种。并且压缩机30为1台压缩机或多台压缩机并联。
43.第一节流装置40为电子膨胀阀、浮球阀、毛细管、热力膨胀阀中的任意一种。
44.本实施例提供的燃气热泵式蒸汽机组1000的具体工作过程如下：
45.如图1所示，由水总进口进入的水分成三路，第一路先通过第二进水口203进入回热换热器200，换热升温后的水从第二出水口204流出，经第一进水口12进入水蒸汽通道加热变成蒸汽，然后从第一蒸汽出口11经流蒸汽压缩机80处理后向蒸汽总出口输出；第二路由第三进水口91进入烟气换热器90换热后，从第三蒸汽出口92向蒸汽总出口输出；第三路由第四进水口5进入缸套水换热器4内与不动液换热后，从第四出水口6输出，若有供热水需要，这部分热水就直接供热水；若无供热水需要，这部分热水就进入水蒸汽通道从而与第一路进入水蒸汽通道的水汇合。
46.由冷介质总进口进入的冷介质从第一冷介质入口21进入冷介质通道与制冷剂换热后从第一冷介质出口22流向冷介质总出口。
47.由第二制冷剂出口23流出的制冷剂由压缩机30压缩处理后，经第一制冷剂入口13进入第一制冷剂通道，从而与水蒸汽通道进行热交换后，从第一制冷剂出口14流出，然后由
制冷剂液体入口202进入回热换热器200换热后，由制冷剂液体出口201流出，流经第一节流装置40后进入第二制冷剂入口24，从而在第二制冷剂通道与对应的冷介质通道进行换热，换热后从其第二制冷剂出口23流出，从而形成一个制冷剂循环。
48.以上过程循环往复，能够实现回收冷介质余热将水加热成蒸汽。冷介质总进口的形态是乏汽、废水、空气中的一种，冷介质总出口的对应形态是凝结水、废水、空气中的一种。水总进口的形态是水，蒸汽总出口的形态是蒸汽。
49.实施例一的作用与效果
50.根据实施例一所涉及的燃气热泵式蒸汽机组，因为包括冷凝器、压缩机、节流装置、回热换热器以及蒸发器，水总进口进入的水先经过回热换热器加热后再进入冷凝器换热从而由蒸汽总出口输出蒸汽，制冷剂液体在返回蒸发器之前先进入回热换热器换热，可以进一步降温，提高制冷剂液体过冷度。此外，冷凝器为壳管式换热器，制冷剂气体流过冷凝器压降小，因此该机组的换热效率更高，能够稳定输出蒸汽。
51.进一步地，因为该燃气热泵式蒸汽机组还包括发动机单元，该发动机单元包括燃气发动机、烟气换热器以及缸套水换热器，通过设置烟气换热器能够利用燃气发动机工作时产生的烟气的热量，并且通过设置缸套水换热器能够借助冷却液将燃气发动机缸套的热量进行利用并对缸套进行降温，所以该燃气热泵式蒸汽机组具有更高的工作效率。
52.《实施例二》
53.本实施例提供了一种燃气热泵式蒸汽机组，本实施例的燃气热泵式蒸汽机组与实施例一中的燃气热泵式蒸汽机组的区别在于，本实施例提供的燃气热泵式蒸汽机组2000(见图2)的还包括油分离单元50和蒸汽压缩机80。本实施例中的其他结构与实施例一相同，对于相同的结构给予相同的编号。
54.图2是本发明的实施例二中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图。
55.如图2所示，油分离器单元50包括油分离器51和润滑油回路52。
56.油分离器51具有气体入口511、气体出口512以及润滑油出口513。气体入口511与排气口32连接并连通，气体出口512与第一制冷剂入口13连接并连通。油分离器51是离心式油分离器、洗涤式油分离器、填料式油分离器或过滤式油分离器中的任意一种。
57.油分离器51内安装有电加热器514，若排气过热度小于设定值t1，电加热器514启动加热使得排气过热度至设定值t2，t2为5℃至15℃之间的任意一个值，确保油分离器51内分离出的润滑油中不带有液体制冷剂。
58.润滑油回路52的一端与润滑油出口513连接并连通，另一端与压缩机30连接。
59.如图2所示，压缩机30排出的含有润滑油的制冷剂气体通过气体入口511进入油分离器51，分离润滑油后的制冷剂气体从气体出口512排出，分离出的润滑油通过润滑油回路52回到压缩机30。
60.蒸汽压缩机80具有蒸汽入口81和蒸汽出口82。蒸汽入口81与第一蒸汽出口11连接并连通，蒸汽出口82与蒸汽总出口连接并连通，蒸汽出口82还与第三蒸汽出口92连通。
61.实施例二的作用与效果
62.本实施例提供的燃气热泵式蒸汽机组与实施例一提供的机组的相同结构也具有相同的作用与效果，在此不再赘述。
63.本实施例提供的机组具有油分离单元，能够分离制冷剂气体中的润滑油，并将润
滑油回输至压缩机，供压缩机循环使用，降低成本，且延长压缩机使用寿命。
64.此外，因为该机组设置蒸汽压缩机，因此可以提高输出的蒸汽的压力。
65.《实施例三》
66.本实施例提供了一种燃气热泵式蒸汽机组，该燃气热泵式蒸汽机组与实施例一中的燃气热泵式蒸汽机组1000的区别在于，本实施例中的燃气热泵式蒸汽机组3000还包括经济器60、第二节流装置70蒸汽压缩机80以及蒸汽口b。经济器60为壳管式换热器、板式换热器或闪蒸罐中的一种。本实施例中的经济器60为壳管式换热器或板式换热器。本实施例中的其他结构与实施例一相同，对于相同的结构给予相同的编号。
67.图3是本发明的实施例三中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图。
68.如图3所示，本实施例中的经济器60包括第一支路61和第二支路62。
69.第一支路61具有第一入口和第一出口。第一入口与制冷剂液体出口201连接，第一出口与第一节流装置40(两者属于同一蒸发子单元)连接后连接在对应的第二制冷剂入口24上.
70.第二支路62具有第二入口和第二出口。第二入口与第二节流装置70连接后连接在制冷剂液体出口201上，第二出口与压缩机30连接。
71.第二节流装置70为电子膨胀阀、浮球阀、毛细管、热力膨胀阀中的任意一种。
72.蒸汽压缩机80与实施例二中的蒸汽压缩机80的设置位置和功能均相同。
73.蒸汽口b设置在第一蒸汽出口11和蒸汽压缩机80之间，例如是设置在第一蒸汽出口11和蒸汽压缩机80之间连接管上的一个三通口。通过蒸汽口b可以直接输出不经过蒸汽压缩机80进行压力调整的蒸汽。即，整个机组可以提供两种具有不同压力的蒸汽，一种由蒸汽口b提供，另一种由蒸汽总出口提供以满足实际需要。
74.本实施例提供的燃气热泵式蒸汽机组3000的具体工作过程如下：
75.如图3所示，由水总进口进入的水分成三路，第一路先通过第二进水口203进入回热换热器200，换热升温后的水从第二出水口204流出，经第一进水口12进入水蒸汽通道加热变成蒸汽，然后从第一蒸汽出口11经流蒸汽压缩机80处理后向蒸汽总出口输出；第二路由第三进水口91进入烟气换热器90换热后，从第三蒸汽出口92向蒸汽总出口输出；第三路由第四进水口5进入缸套水换热器4内与不动液换热后，从第四出水口6输出，若有供热水需要，这部分热水就直接供热水；若无供热水需要，这部分热水就由第一进水口12进入水蒸汽通道从而与第一路进入水蒸汽通道的水汇合。
76.由冷介质总进口进入的冷介质从第一冷介质入口21进入冷介质通道与制冷剂换热后从第一冷介质出口22流向冷介质总出口。
77.由第二制冷剂出口23流出的制冷剂由压缩机30压缩处理后，经第一制冷剂入口13进入第一制冷剂通道，从而与水蒸汽通道进行热交换后，从第一制冷剂出口14流出，然后由制冷剂液体入口202进入回热换热器200换热后，由制冷剂液体出口201流出，然后为两个分路，其中一个分路依次流经的第一支路61、第一节流装置40后进入的第二制冷剂入口24，从而在第二制冷剂通道与冷介质通道进行换热，换热后从其第二制冷剂出口23流出，另一个分路经第二节流装置70进入第二支路62换热后，进入压缩机30，从而形成一个制冷剂循环。
78.以上过程循环往复，能够实现回收冷介质余热将热介质加热升温。
79.实施例三的作用与效果
80.本实施例提供的燃气热泵式蒸汽机组与实施例一提供的燃气热泵式蒸汽机组的相同结构也具有相同的作用与效果，在此不再赘述。
81.本实施例提供的燃气热泵式蒸汽机组具有经济器，能够通过对一部分制冷剂进行节流蒸发而对另一部分制冷剂进行二次降温，使能耗降低，节约能源，减少机组运行成本。
82.进一步地，因为具有蒸汽口b，所以该机组可以同时提供两种压力的蒸汽。
83.《实施例四》
84.本实施例提供了一种燃气热泵式蒸汽机组，该燃气热泵式蒸汽机组与实施例三中的燃气热泵式蒸汽机组3000的区别在于，本实施例中的燃气热泵式蒸汽机组4000(见图4)，本实施例中的燃气热泵式蒸汽机组3000还包括油分离单元50和至少一个水旁路a，并且第四出水口6的连接位置与实施例三不同。本实施例中的其他结构与实施例三相同，对于相同的结构给予相同的编号。
85.图4是本发明的实施例四中的燃气热泵式蒸汽机组的结构及流程示意图。
86.如图4所示，本实施例中油分离单元50的结构、设置位置以及连接关系均与实施例二中的油分离单元50相同。
87.水旁路a设置在回热换热器200上，具体设置在回热换热器200的第二进水口203与第二出水口204的连接管路上，水旁路a可以为设置在连接管路上的水旁通口。
88.若水旁路a的数量为一个，则第四出水口6与该水旁路a连接，例如通过三通结构相连接。若有热水需求，第四出水口6可以直接向外输出热水。若没有热水需求，第四出水口6与水旁路a相连通，这样第四出水口6输出的热水会再经过回热换热器200和冷凝器10的升温后变成蒸汽输出。
89.若水旁路a的数量为多个，则第四出水口6与其中一个水旁路a连接，其余水旁路a可用于直接输出水。
90.本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
91.例如，本发明的实施例二中包括油分离单元，且两个实施例中的油分离单元均不包括油冷却器，但是在实际应用中，油分离单元内还可以根据实际需要设置油冷却器，冷却流回压缩机的油。
92.在本发明的各实施例中，燃气发动机上不设置中冷器，但是在实际应用中，可以根据实际需要设置中冷器，中冷器的冷却或废热利用属于现有技术，不再赘述。