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CN107763850A - 可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统及方法 - Google Patents

可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统及方法，属于热泵技术领域。该系统及方法包括压缩机，一、二级蒸发器，膨胀机构，一二级冷凝/却器，水泵，水箱等。本发明基于压缩机排气热焓利用最小熵增原理/技术，分级利用排气热焓的显热与潜热，出水温度率先突破100℃，拓展了目前热泵热水器只能制取低于100℃热水的功能，可以替代电热水器，大大节约能源，提高能源利用率，可以广泛应用在各种开水房、厨房场所，是热泵技术的一次飞跃。

Description

可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统及方法
技术领域
本发明涉及可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统及方法，属于新能源利用领域，基于压缩机排气热焓利用最小熵增原理/技术，分级利用排气热焓的显热与潜热，通过热泵技术把环境低品位热能变成高品位热能的方法。
背景技术
热泵热水器是一种新型热水和供暖热泵产品，是一种可替代锅炉的供暖设备和热水装置。运用热泵的原理，只需要消耗小部分的电能，将处于低温环境下的热量转移到高温环境下的热水器中，去加热制取高温的热水。热泵热水器已经在投入生产并在市场上获得了广泛应用，目前热泵热水器最高只可制取85℃左右的热水。但是厨房、开水房等用水都需要沸水，普通热泵热水器产生的热水还需要用电加热才能进一步得到沸水，所以如何利用热泵技术制取沸水，使得热泵由提供卫生热水，扩展为提供生活沸水，成为其进一步节约电能、扩大应用的突破口。
发明内容
本发明的目的在于解决普通热泵热水器不能直接制取沸水的缺点，提供一种可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统及方法。
一种可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统，其特征在于：该系统包括压缩机、一级冷凝/却器、二级冷凝/却器、膨胀机构、一级蒸发器、二级蒸发器、第一水泵、第二水泵、热水箱、开水箱、第三水泵、阀门；其中一级冷凝/却器包括工质出入口和热水的出入口；二级冷凝/却器包括工质出入口、热水箱循环出入口和蒸发器换热出入口；一级蒸发器包括工质出入口；二级蒸发器包括工质出入口和热水出入口；热水箱具有进水口、热水出口、热水入口和水龙头；开水箱具有排气孔、热水出口、开水进口，且开水箱中的热水和开水分开；压缩机出口与一级冷凝/却器工质入口相连，一级冷凝/却器工质出口与二级冷凝/却器工质入口相连，二级冷凝/却器工质出口经过膨胀机构与一级蒸发器入口相连，一级蒸发器出口与二级蒸发器工质入口相连，二级蒸发器工质出口与压缩机入口相连；二级冷凝/却器的蒸发器换热出口经过阀门与二级蒸发器热水入口相连，二级蒸发器热水出口经过第三水泵与二级冷凝/却器的蒸发器换热入口相连；热水箱热水出口经过第一水泵与二级冷凝/却器热水入口相连，二级冷凝/却器热水出口与热水箱热水入口相连；热水箱和开水箱通过单相流量调节阀相连；另外，开水箱热水出口经过第二水泵与一级冷凝/却器热水入口相连，一级冷凝/却器热水出口与开水箱开水入口相连。
所述的可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统的方法，其特征在于：
其中工质热力循环过程如下：从压缩机出来的工质控制不低于110℃，工质依次进入一级冷凝/却器、二级冷凝/却器放热，然后经过膨胀机构节流降温并进入一级蒸发器和二级蒸发器吸热，最后进入压缩机升温升压，如此完成一个热力循环工程；其中控制开水箱和一级冷凝/却器之间的循环热水流量小于热水箱和二级冷凝/却器之间的循环热水流量；使循环水与工质㶲之间达到最优匹配，其匹配关系，根据公式：GwCpΔTw=MrΔhr决定，循环热力利用率最大；其中左侧为水的流量Gw、比热容Cp、水温升ΔTw，右侧为制冷工质的流量Mr及焓降Δhr；
其中热水循环系统如下：常温水进入热水箱后,通过第一水泵泵入二级冷凝/却器处吸热变成65℃左右热水并储存于热水箱；热水通过单向流量调节管路进入开水箱，通过第二水泵泵入一级冷凝/却器处进一步吸热变成100℃沸水并储存于开水箱开水部分，其中进水口作为进水通道，排气口作为蒸汽泄放口；热水箱中的水单向流入开水箱，也二者可单独通过龙头放水；为了使得工质在压缩机出口处不低于110℃，需提高热源温度或增大压缩机入口处工质的过热度；此时泵将水泵入二级冷凝/却器吸收热量，再经过阀门，进入二级蒸发器释放热量使得工质进一步吸热增温，或提高蒸发温度。
对于二氧化碳等跨临界循环热泵系统，基于非线性温焓㶲捕捉技术原理，其放热过程虽没有相变冷凝，但基于工质的非线性温焓与冷凝过程的工质相似，也需要分级冷却，热水与开水制取分开，热水与开水的流量一般不相等，除了没有相变换热外，与亚临界循环基本一样。
与现有技术相比，本发明的系统和方法基于压缩机排气热焓利用最小熵增原理/技术，对于亚临界循环，分级利用排气热焓的显热与潜热，将冷凝器分为一、二两级，常温水先通过二级冷凝器/工质冷凝段，逆流换热吸收70℃左右工质的潜热，由常温水变成65℃左右热水，再在一级冷凝器/工质过热等压降温段，进一步逆流换热吸收显热变成100℃沸水。本发明将蒸发器分为一、二两级，为了使工质过热度增大，工质在一级蒸发器吸热后可以进入二级蒸发器进一步吸热，或者某些情况下，环境热源使蒸发温度过低，可以直接吸收热水的热量。
附图说明
图1是本发明的系统原理图。
图2是本发明亚临界和跨临界循环系统压焓图。
图3是本发明亚临界和跨临界循环系统温熵图。
图1中标号名称：1-压缩机 2-一级冷凝/却器 3-二级冷凝/却器 4-膨胀机构 5一级蒸发器 6-二级蒸发器 7-第一水泵 8-第二水泵 9-热水箱 10-开水箱 11-进水口 12-排气孔 13-第三水泵 14-阀门 15-单向流量阀
图2中标号名称：1-亚临界压缩机入口 2-亚临界压缩机出口 2’-高压干饱和状态点3-亚临界冷凝器出口 4-亚临界蒸发器入口 1’-低压干饱和状态点 01-跨临界压缩机入口02-跨临界压缩机出口 02’-分级冷却状态点 03-跨临界冷却器出口 04-跨临界蒸发器入口
图3中标号名称：1-亚临界压缩机入口 2-亚临界压缩机出口 2’-冷凝器分级状态点3-冷凝器出口 4-亚临界蒸发器入口 01-跨临界压缩机入口 02-跨临界压缩机出口 02’-分级冷却状态点 03-跨临界冷却器出口 04-跨临界蒸发器入口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的内容做进一步说明。
图1是超高温热泵系统的原理图。从压缩机1出来的工质控制一般不低于110℃，工质依次进入一级冷凝/却器2、二级冷凝/却器3放热，然后经过膨胀机构4节流降温并进入一级蒸发器5和二级蒸发器6吸热，最后进入压缩机升温升压，如此完成一个热力循环工程。
常温水进入热水箱9后,通过水泵8泵入二级冷凝/却器3处吸热变成65℃左右热水并储存于热水箱9；热水通过管路进入开水箱10，通过第一水泵7泵入一级冷凝/却器2处进一步吸热变成100℃左右沸水并储存于开水箱10，其中进水口11作为进水通道，排气口12作为蒸汽泄放口。进入一二级冷凝/却器中的热水流量不相等，开水箱循环热水流量小于热水箱循环热水流量，目的是让循环水与工质㶲之间达到最优匹配，其匹配关系，根据公式：GwCpΔTw=MrΔhr决定，其中左侧为水的流量Gw、比热容Cp、水温升ΔTw，右侧为制冷工质的流量Mr及焓降Δhr，由于过热显热的焓降Δhr小于潜热的冷凝焓降Δhr，制冷工质的流量Mr是不变的，因此要达到大水温升ΔTw，必须降低水的流量Gw，才能实现出水温度超过100℃，实现循环热力利用率最大。
为了使得工质在压缩机出口处不低于110℃，需提高热源温度或增大压缩机入口处工质的过热度。此时泵13将水泵入二级冷凝/却器3吸收热量，再经过阀门14，进入二级蒸发器6释放热量使得工质进一步吸热增温，或提高蒸发温度。
图2是超高温热泵系统的压焓图。对于亚临界循环，工质在蒸发器出口达到状态点1，进入压缩机压缩达到状态点2，进入一级冷凝器放热达到状态点2’（显热部分），再到二级冷凝器放热至状态点3（潜热部分），经过节流降压到达状态点4，并进入一级蒸发器吸收环境热源，依不同工况可在二级蒸发器吸收二级冷凝器热量，再回到状态点1，如此完成一个热力循环过程。对于跨临界循环，过程是一样的，只是冷凝器变为了冷却器。
图3是超高温热泵系统的温熵图。对于跨临界循环，工质在蒸发器出口达到状态点01，,进入压缩机压缩达到状态点02，进入一级冷却器放热达到状态点02’，再到二级冷却器放热至状态点03，经过节流降压到达状态点04，并进入一级蒸发器吸收环境热源，依不同工况可在二级蒸发器吸收二级冷却器热量，再回到状态点01，如此完成一个热力循环过程。对于二氧化碳等跨临界循环热泵系统，基于非线性温焓㶲捕捉技术原理，虽然其放热过程虽没有相变冷凝，但工质的非线性温焓与冷凝过程的工质相似，也需要分级冷却，热水与开水制取分开，热水与开水的流量一般不相等，除了没有相变换热外，与亚临界循环基本一样。

Claims (2)

1.一种可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统，其特征在于：
该系统包括压缩机（1）、一级冷凝/却器（2）、二级冷凝/却器（3）、膨胀机构（4）、一级蒸发器（5）、二级蒸发器（6）、第一水泵（7）、第二水泵（8）、热水箱（9）、开水箱（10）、第三水泵（13）、阀门（14）；
其中一级冷凝/却器（2）包括工质出入口和热水的出入口；二级冷凝/却器（3）包括工质出入口、热水箱循环出入口和蒸发器换热出入口；一级蒸发器（5）包括工质出入口；二级蒸发器（6）包括工质出入口和热水出入口；热水箱（9）具有进水口（11）、热水出口、热水入口和水龙头；开水箱（10）具有排气孔（12）、热水出口、开水进口，且开水箱中的热水和开水分开；
压缩机（1）出口与一级冷凝/却器（2）工质入口相连，一级冷凝/却器（2）工质出口与二级冷凝/却器（3）工质入口相连，二级冷凝/却器（3）工质出口经过膨胀机构（4）与一级蒸发器（5）入口相连，一级蒸发器（5）出口与二级蒸发器（6）工质入口相连，二级蒸发器（6）工质出口与压缩机（1）入口相连；
二级冷凝/却器（3）的蒸发器换热出口经过阀门（14）与二级蒸发器（6）热水入口相连，二级蒸发器（6）热水出口经过第三水泵（13）与二级冷凝/却器（3）的蒸发器换热入口相连；
热水箱（9）热水出口经过第一水泵（7）与二级冷凝/却器（3）热水入口相连，二级冷凝/却器（3）热水出口与热水箱（9）热水入口相连；
热水箱（9）和开水箱（10）通过单相流量调节阀（15）相连；另外，开水箱热水出口经过第二水泵（8）与一级冷凝/却器（2）热水入口相连，一级冷凝/却器（2）热水出口与开水箱开水入口相连。
2.根据权利要求1所述的可以制取不低于100℃沸水的超高温热泵系统的方法，其特征在于：
其中工质热力循环过程如下：
从压缩机（1）出来的工质控制不低于110℃，工质依次进入一级冷凝/却器（2）、二级冷凝/却器（3）放热，然后经过膨胀机构（4）节流降温并进入一级蒸发器（5）和二级蒸发器（6）吸热，最后进入压缩机升温升压，如此完成一个热力循环工程；其中控制开水箱（10）和一级冷凝/却器（2）之间的循环热水流量小于热水箱（9）和二级冷凝/却器（3）之间的循环热水流量；使循环水与工质㶲之间达到最优匹配，其匹配关系，根据公式：GwCpΔTw=MrΔhr决定，循环热力利用率最大；其中左侧为水的流量Gw、比热容Cp、水温升ΔTw，右侧为制冷工质的流量Mr及焓降Δhr；
其中热水循环系统如下：
常温水进入热水箱（9）后,通过第一水泵（7）泵入二级冷凝/却器（3）处吸热变成65℃左右热水并储存于热水箱（9）；热水通过单向流量调节管路进入开水箱（10），通过第二水泵（8）泵入一级冷凝/却器（2）处进一步吸热变成100℃沸水并储存于开水箱（10）开水部分，其中进水口（11）作为进水通道，排气口（12）作为蒸汽泄放口；热水箱中的水单向流入开水箱，也二者可单独通过龙头放水；
为了使得工质在压缩机出口处不低于110℃，需提高热源温度或增大压缩机入口处工质的过热度；此时泵（13）将水泵入二级冷凝/却器（3）吸收热量，再经过阀门（14），进入二级蒸发器（6）释放热量使得工质进一步吸热增温，或提高蒸发温度。
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