准三级压缩超级热泵换热装置及冷热源温差换热方法

摘要

本发明公开了属于能源利用技术领域的一种准三级压缩超级热泵换热装置及冷热源温差换热方法。该准三级压缩超级热泵换热装置是一种实现低温冷源与高温热源的大温差的热泵换热装置，本热泵换热装置由A换热器、蒸汽压缩器、B换热器、调配器、控制器、电机、A阀门、B阀门、C阀门、相变换热管、叶片、循环工质、冷源入出口、热源入出口构成；其中，A换热器、蒸汽压缩器、B换热器、B阀门和调配器4串联成回路；调配器再分别通过A阀门与蒸汽压缩器连接。本发明根据冷源温度自动调节蒸汽压缩过程，进而实现大范围强负荷变工况下主动调节循环过程以提升热泵运行效率。可以实现低温冷源与高温热源温差高于100℃的运行工况下高效换热。

说明书

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，特别涉及一种准三级压缩超级热泵换热装置及冷热源温差换热方法。具体说是提取冷源中热量以加热热源，并根据冷源温度自动调节运行方式的热泵装置。

背景技术

在能源利用领域，各种工业与民用工艺存在着大量的换热过程。根据牛顿第二定律，热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，该换热工况仅使用普通的换热器即可实现；如果需要将热量从低温物体传递给高温物体，则需要消耗一定量的高品位能量，如电、高温蒸汽或热水等。在现有技术中，热泵技术以其高效、可靠的特点得到了市场的认可和应用。热泵技术按原理分为吸收式热泵或压缩式热泵。吸收式热泵分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。第一类吸收式热泵需要消耗高品位的能量，将大量的热量从低温物体传递到高温物体，产生的热量温度低于驱动热源温度，称增热型热泵，从低温物体中提取少量热量，产生的热量温度高于驱动热源温度，称升温型热泵；压缩式热泵则是消耗机械功，通过逆卡诺循环实现了从低温物体到高温物体的传热。吸收式热泵受热循环和工质物理性质的限制，而压缩式热泵则受到热循环和工质物理性质的限制，均只能工作于各自温度范围，无法实现大范围的温度提升。与此同时，低温冷源在生产工艺过程中往往伴随着温度变化，而热泵装置是根据额定工况设计，因此当运行工况偏离设计工况时热泵装置的性能将大幅度衰减，比如空气源热泵技术，以-5℃的空气作为设计工况，如果其实际运行工况为-15到10℃，则其运行效率将显著下降。

为解决上述应用问题，提出了一种准三级压缩超级热泵装置，采用新型压缩机及运行调控方法实现大范围变工况下均维持热泵较高效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种准三级压缩超级热泵换热装置及冷热源温差换热方法，其特征在于，所述准三级压缩超级热泵换热装置是一种实现低温冷源与高温热源的大温差的热泵换热装置，该热泵换热装置由A换热器1、蒸汽压缩器2、B换热器3、调配器4、控制器5、电机6、A阀门7、B阀门8、C阀门9、相变换热管10、A叶片11、B叶片12、循环工质、冷源入口13、冷源出口14、热源出口15和热源入口16构成；其中，A换热器1、蒸汽压缩器2、B换热器3、B阀门8和调配器4串联成回路；调配器4再分别通过A阀门7与蒸汽压缩器2连接，通过C阀门9连接在A换热器1和蒸汽压缩器2的连通管道上；控制器5通过连通管分别与A阀门7、B阀门8及A换热器1的冷源入口13连接；A换热器1还连接冷源出口14；B换热器3分别设置热源出口15和热源入口16；蒸汽压缩器2分成低压腔2a、混合腔2b和高压腔2c；其中，三个腔的中部固定水平固定一根转轴，在转轴上，B叶片12安装于低压腔2a内，A叶片11安装于高压腔2c内；电机6固定在低压腔2a外面，并与转轴连接，带动B叶片、A叶片旋转。

所述A换热器1和B换热器3内安装相变换热管10。

所述电机的驱动方式为电力驱动或者蒸汽驱动。所述循环工质为水。

所述叶片为活塞式、涡旋式、螺杆式或离心式。

所述热泵的冷源入口和出口均为空气，热源入口为热水，热源出口为蒸汽。

所述循环工质依次经过A换热器1、蒸汽压缩器2、B换热器3、B阀门8和调配器4后返回A换热器1；c阀门9和A阀门7通过开或关的状态控制，实现循环工质进入或者离开蒸汽压缩器2内部的气体压缩过程，从A换热器1出口的循环工质蒸汽与经过c阀门9的工质蒸汽混合后依次经过蒸汽压缩器2的低压腔2a、混合腔2b和高压腔2c，工质蒸汽在混合腔2b中与经过A阀门7的工质混合或者部分工质经过A阀门7离开，控制器5通过检测冷源入口13的温度、流量控制、A阀门7和c阀门9的开或关状态。

一种准三级压缩超级热泵换热装置的冷热源温差换热方法，其特征在于，其冷热源温差换热包括如下方式：

(1)最大负荷工况

当冷源流量增大或温度下降，A换热器1的换热量高于最大负荷设定值时，C阀门9开启，A阀门7开启，循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，该循环工质蒸汽与经过C阀门9的循环工质混合后进入蒸汽压缩器2，混合后循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，与经A过阀门7的循环工质再次混合后进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中部分工质经过A阀门7和C阀门9进入循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(2)次大负荷工况

当冷源流量增大或温度下降，A换热器1的换热量高于次大负荷并小于最大负荷设定值时，C阀门9关闭，A阀门7开启。循环工质在A换热器1中经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，与经过A阀门7的循环工质再次混合后进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中部分工质经过A阀门7进入循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(3)较大负荷工况

当冷源流量增大或温度下降，A换热器1的换热量高于设计负荷并低于次大负荷设定值时，C阀门9关闭，A阀门7关闭；循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b后进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中全部工质进入A换热器1完成循环。

(4)较小负荷工况

当冷源流量下降或温度上升，A换热器的换热量小于设计负荷并大于较小负荷设定值时，C阀门9开启，A阀门7关闭；循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，该循环工质蒸汽与经过C阀门9的循环工质混合后进入蒸汽压缩器2，混合后循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，再进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中部分工质经过C阀门9进入循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(5)次小负荷工况

当冷源流量下降或温度上升，换热器A的换热量小于较小负荷并大于次小负荷设定值时，C阀门9开启，A阀门7开启，循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，该循环工质蒸汽与经过C阀门9的循环工质混合后进入蒸汽压缩器2，混合后循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，部分循环工质蒸汽经过A阀门7离开蒸汽压缩器2，剩余循环工质蒸汽再进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中经过A阀门7的循环工质与来自B换热器3的循环工质混合后部分工质经过C阀门9进行循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(6)最小负荷工况

当冷源流量下降或温度上升，换热器A的换热量小于次小负荷设定值时，阀门c9关闭，阀门a7开启。循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，部分循环工质蒸汽经过A阀门7离开蒸汽压缩器2，剩余循环工质蒸汽再进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中经过A阀门7的循环工质与来自B换热器3的循环工质混合后进入A换热器1完成循环。

本发明的有益效果是根据冷源温度自动调节蒸汽压缩过程，进而实现大范围强负荷变工况下主动调节循环过程以提升热泵运行效率。可以实现低温冷源与高温热源温差高于100℃的运行工况下高效换热。

附图说明

图1为准三级压缩超级热泵装置系统图。

具体实施方式

本发明提出一种准三级压缩超级热泵换热装置及冷热源温差换热方法，根据冷源的温度和流量自行控制其工作在不同的运行状态，根据冷源的温度和流量不同，其运行负荷不同，负荷从小到大分为最小负荷、次小负荷、较小负荷、较大负荷、次大负荷和最大负荷的几种运行工况；下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案进行更加详细的描述。在图1中，该热泵的冷源入口和出口均为空气，热源入口为热水，热源出口为蒸汽，循环工质为水。

图1所示为准三级压缩超级热泵装置系统图。图中所示的准三级压缩超级热泵换热装置是一种实现低温冷源与高温热源的大温差的热泵换热装置，该热泵换热装置由A换热器1、蒸汽压缩器2、B换热器3、调配器4、控制器5、电机6、A阀门7、B阀门8、C阀门9、相变换热管10、A叶片11、B叶片12、循环工质、冷源入口13、冷源出口14、热源出口15和热源入口16构成；其中，A换热器1、蒸汽压缩器2、B换热器3、B阀门8和调配器4串联成回路，并在A换热器1和B换热器3内安装相变换热管10。调配器4再分别通过A阀门7与蒸汽压缩器2连接，通过C阀门9连接在A换热器1和蒸汽压缩器2的连通管道上；控制器5通过连通管分别与A阀门7、B阀门8及A换热器1的冷源入口13连接；A换热器1还连接冷源出口14；B换热器3分别设置热源出口15和热源入口16；蒸汽压缩器2分成低压腔2a、混合腔2b和高压腔2c；其中，三个腔的中部固定水平固定一根转轴，在转轴上，B叶片12安装于低压腔2a内，A叶片11安装于高压腔2c内；电机6固定在低压腔2a外面，并与转轴连接，带动B叶片、A叶片旋转。

所述电机6的驱动方式为电力驱动或者蒸汽驱动。所述循环工质为水。

所述叶片为活塞式、涡旋式、螺杆式或离心式。

所述热泵的冷源入口和出口均为空气，热源入口为热水，热源出口为蒸汽。

所述循环工质依次经过A换热器1、蒸汽压缩器2、B换热器3、B阀门8和调配器4后返回A换热器1；c阀门9和A阀门7通过开或关的状态控制，实现循环工质进入或者离开蒸汽压缩器2内部的气体压缩过程，从A换热器1出口的循环工质蒸汽与经过c阀门9的工质蒸汽混合后依次经过蒸汽压缩器2的低压腔2a、混合腔2b和高压腔2c，工质蒸汽在混合腔2b中与经过A阀门7的工质混合或者部分工质经过A阀门7离开，控制器5通过检测冷源入口13的温度、流量控制、A阀门7和c阀门9的开或关状态。

一种准三级压缩超级热泵换热装置的冷热源温差换热方法，其冷热源温差换热包括如下方式：首先将负荷从小到大分为最小负荷(设计负荷10％至40％)、次小负荷(设计负荷40％至70％)、较小负荷(设计负荷70％至100％)、较大负荷(设计负荷100％至130％)、次大负荷(设计负荷130％至160％)和最大负荷(设计负荷160％至200％)，具体按照如下方式运行：

(1)最大负荷工况

当冷源流量增大或温度下降，A换热器1的换热量高于最大负荷设定值时，C阀门9开启，A阀门7开启，循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，该循环工质蒸汽与经过C阀门9的循环工质混合后进入蒸汽压缩器2，混合后循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，与经A过阀门7的循环工质再次混合后进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中部分工质经过A阀门7和C阀门9进入循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(2)次大负荷工况

当冷源流量增大或温度下降，A换热器1的换热量高于次大负荷并小于最大负荷设定值时，C阀门9关闭，A阀门7开启。循环工质在A换热器1中经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，与经过A阀门7的循环工质再次混合后进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中部分工质经过A阀门7进入循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(3)较大负荷工况

当冷源流量增大或温度下降，A换热器1的换热量高于设计负荷并低于次大负荷设定值时，C阀门9关闭，A阀门7关闭；循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b后进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中全部工质进入A换热器1完成循环。

(4)较小负荷工况

当冷源流量下降或温度上升，A换热器的换热量小于设计负荷并大于较小负荷设定值时，C阀门9开启，A阀门7关闭；循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，该循环工质蒸汽与经过C阀门9的循环工质混合后进入蒸汽压缩器2，混合后循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，再进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中部分工质经过C阀门9进入循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(5)次小负荷工况

当冷源流量下降或温度上升，换热器A的换热量小于较小负荷并大于次小负荷设定值时，C阀门9开启，A阀门7开启，循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，该循环工质蒸汽与经过C阀门9的循环工质混合后进入蒸汽压缩器2，混合后循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，部分循环工质蒸汽经过A阀门7离开蒸汽压缩器2，剩余循环工质蒸汽再进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中经过A阀门7的循环工质与来自B换热器3的循环工质混合后部分工质经过C阀门9进行循环，剩余工质进入A换热器1完成循环。

(6)最小负荷工况

当冷源流量下降或温度上升，换热器A的换热量小于次小负荷设定值时，阀门c9关闭，阀门a7开启。循环工质在A换热器1经过相变换热管10被冷源加热变成循环工质蒸汽，循环工质蒸汽经过低压腔2a压缩后进入混合腔2b，部分循环工质蒸汽经过A阀门7离开蒸汽压缩器2，剩余循环工质蒸汽再进入高压腔2c后被再次压缩，循环工质蒸汽进入B换热器3后加热热源介质后变为液态，液态的循环工质经过B阀门8后进入调配器4，在调配器4中经过A阀门7的循环工质与来自B换热器3的循环工质混合后进入A换热器1完成循环。