專利名稱：以水為工質(zhì)的蒸汽壓縮式熱泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于低溫余熱利用與制冷技術領域。
背景技術：
采用熱泵技術進行余熱利用是行之有效的手段，具有比較好的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟效益；就余熱利用來說，許多余熱的溫度也在0℃以上，供熱溫度要求較高。在這樣的領域，可以考慮采用適宜的工質(zhì)和相應的裝置。
在所應用的熱泵中，蒸汽壓縮式熱泵是較為普遍的一種設備，它一般由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器等組成，工質(zhì)在裝置內(nèi)部完成熱泵循環(huán)?，F(xiàn)行一級蒸汽壓縮式熱泵存在以下幾方面問題①采用工質(zhì)多為化合物，在價格、安全性、環(huán)保性、熱力性能等方面多有不足之處。②性能指數(shù)較低，節(jié)能效益受到影響；特別是作為熱泵，供熱溫度高時，性能指數(shù)下降顯著且較低。③受到潤滑油工作安全方面的限制，作為熱泵，其供熱溫度相對較低(與吸收式熱泵比較)，應用范圍受到限制；④單機熱負荷相對較低。⑤設備造價和工質(zhì)價格高。存在以上問題的原因在于①蒸汽壓縮過程一般未絕熱壓縮，壓縮機消耗的功最大，熱泵性能指數(shù)自然相對較低，且隨著壓縮比的升高，熱泵性能指數(shù)快速下降。②采用化合物為工質(zhì)，比較自然存在的物美價廉的水來講，它們的綜合性能一般不夠好。③作為熱泵裝置，在工質(zhì)的工作過程中，主要依靠工質(zhì)在冷凝器中的凝結(jié)放熱來完成對冷流體的加熱，同時熱泵中的壓縮機工作過程是絕熱的，這必然帶來矛盾——需要加熱的溫度越高，工質(zhì)冷凝所對應的壓力也就越高，相應地壓縮機出口溫度越高，從而可能導致潤滑油無法正常工作；另外，在供熱溫度要求高時，增壓比隨著相應增高，此時往往需采用活塞式壓縮機，從而導致工質(zhì)流量相對偏小，熱泵單機負荷低。
水是自然界存在的物質(zhì)，水由于標準冰點溫度為0℃和低溫時飽和蒸汽比容大、壓力低，以往只用在吸收式和蒸汽噴射式冷水機組中作制冷劑；但水的其它性質(zhì)非常優(yōu)異，采用了合適的流程、合適的設備和結(jié)構(gòu)，在余熱溫度為0℃以上的熱泵領域，水為工質(zhì)應該是可行的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是要提供一種以水為工質(zhì)的蒸汽壓縮式熱泵，采用葉輪式壓氣機，分級壓縮、級間取熱，達到省功、降低壓縮機出口工質(zhì)溫度和提高熱泵供熱溫度或能夠利用更低溫度的余熱。
為解決上述技術問題，本發(fā)明的基本構(gòu)思是以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機，壓縮比高時工質(zhì)蒸汽的壓縮過程采用分級壓縮，設置兩級或兩級以上壓縮機，在各級壓縮機之間連接級間取熱器，在一級壓縮機之后和二級壓縮機之前設有回熱器。一級壓縮機產(chǎn)生的壓縮蒸汽，首先進入級間取熱器，對被加熱流體進行初步加熱，爾后進入回熱器對從蒸發(fā)器出來的低壓飽和蒸汽進行加熱，完成這兩個過程后進入二級壓縮機；被加熱流體首先在級間取熱器中被前一級壓縮機壓縮產(chǎn)生的、溫度較高的工質(zhì)加熱，然后進入冷凝器完成主要的被加熱過程。
作為實現(xiàn)本發(fā)明基本構(gòu)思的第一種技術方案，是以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機，一級壓縮的熱泵，它主要包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器，與普通壓縮式熱泵的基本結(jié)構(gòu)和流程相一致。
作為實現(xiàn)本發(fā)明基本構(gòu)思的第二種技術方案，是以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機，帶有回熱器的兩級壓縮、中間取熱型蒸汽壓縮式熱泵，它主要包括一級壓縮機、二級壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、級間取熱器和回熱器；一級壓縮機經(jīng)取熱器、回熱器和二級壓縮機相連，二級壓縮機與冷凝器相連，冷凝器通過節(jié)流閥連通蒸發(fā)器，蒸發(fā)器經(jīng)回熱器連通一級壓縮機，取熱器和冷凝器之間由被加熱流體通道相連；一級壓縮機產(chǎn)生的壓縮氣體先后進入取熱器、回熱器，得到適當冷卻后再進入二級壓縮機，再依次經(jīng)過冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和回熱器，進入一級壓縮機完成循環(huán)過程；被加熱流體先進入級間取熱器適當吸熱，再進入冷凝器完成吸熱熱過程，余熱流體進、出蒸發(fā)器完成放熱。
作為實現(xiàn)本發(fā)明基本構(gòu)思的第三種技術方案，是以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機，帶有回熱器的三級(和多級)壓縮、中間取熱型蒸汽壓縮式熱泵，與帶有回熱器的兩級壓縮、中間取熱型蒸汽壓縮式熱泵相比，不同之處在于前者取熱器的數(shù)量增加了，被加熱流體以并聯(lián)或串聯(lián)流程進、出各取熱器。
在具體結(jié)構(gòu)和流程上，也可采取取熱器連通冷凝器和蒸發(fā)器，級間取熱器的冷流體是來自冷凝器出口、并經(jīng)節(jié)流降壓、降溫后的工質(zhì)自身，此時被加熱流體的取熱在冷凝器中一步完成。
本發(fā)明所提出的以水為工質(zhì)和采取分級壓縮、級間取熱的技術方案，比較用其它工質(zhì)和其它結(jié)構(gòu)的蒸汽壓縮式熱泵，具有以下有益效果①水為工質(zhì)，具有優(yōu)異的綜合優(yōu)勢。
②壓縮過程實現(xiàn)了分級壓縮、級間冷卻，壓縮過程由完全絕熱壓縮向耗功少的定溫壓縮邁進了一步，可節(jié)省耗功，提高熱泵性能指數(shù)。
③作為熱泵，其供熱主要由工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的冷凝放熱來完成，相應需要壓縮機將工質(zhì)壓縮到冷凝溫度相對應的壓力，工質(zhì)被壓縮排出壓縮機的溫度大大超過冷凝溫度；對熱泵供熱來說，除被加熱流體吸熱汽化的場合，被加熱流體的初始溫度一般要小于其終了溫度，這樣，分級壓縮中前一級的壓縮氣體溫度超過被加熱流體進口溫度一定數(shù)值時，可以利用級間取熱器實現(xiàn)被加熱流體的級間取熱。
④作為熱泵，級間取熱后，進入末級壓縮的氣體進口溫度得到將低，從而使得壓縮終溫得到降低。分級壓縮后，每級壓縮機的工作溫度降低，各級壓縮的出口溫度均小于單級壓縮時的出口溫度，潤滑油工作的安全性得到保證。
⑤作為熱泵，被加熱流體需要的熱量，仍全部來自于熱泵(等于吸取的余熱加上設備的耗功)，且主要由工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的冷凝放熱來完成，提高冷凝壓力和相應地提高工質(zhì)壓縮終了溫度也是可以實現(xiàn)的。這就提高了熱泵的供熱溫度，擴大了蒸汽壓縮式熱泵的應用范圍。
⑥工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收余熱后成為低壓飽和蒸汽，其進入壓縮機之前需要適當過熱?，F(xiàn)利用進入二級壓縮機之前的工質(zhì)通過回熱器對低壓飽和蒸汽進行適當過熱，達到了滿足過熱的目的，同時增強了工質(zhì)級間冷卻的效果，對降低壓縮過程的耗功有一定益處。
⑦由于采用分級壓縮、級間冷卻，為葉輪式壓氣機的采用創(chuàng)造了條件，從而能夠適應水蒸氣在低溫時飽和蒸汽壓低、比容大的限制。
圖1是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的一級蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程示意圖。
圖2是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的兩級壓縮、級間取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程示意圖。
圖3是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的三級壓縮、級間取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程示意圖，被加熱流體并聯(lián)通過級間取熱器。
圖4是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的三級壓縮、級間取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程示意圖，被加熱流體串聯(lián)通過級間取熱器。
圖1、圖3與圖2、圖4中，蒸發(fā)器有所不同，后者帶有冷劑循環(huán)泵；圖3、圖4所示結(jié)構(gòu)也是多級(三級以上)的代表。
圖5、圖6所示的分別是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的兩級壓縮、級間完全取熱和不完全取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程。圖5中，自一級壓氣機出來的過熱蒸汽在取熱器中放熱成為飽和蒸汽；圖6中，自一級壓氣機出來的過熱蒸汽與自取熱器中出來的飽和蒸汽混合，得到一定程度的冷卻，過熱度降低。
圖7、圖8所示的分別是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的三級壓縮、級間完全取熱和不完全取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程，它們也是多級的代表。
圖中，1—一級壓縮機，2—二級壓縮機，3—三級壓縮機，4—冷凝器，5—節(jié)流閥，6—蒸發(fā)器，7、8—級間取熱器，9—回熱器(可選項)，10—冷劑循環(huán)泵，11—節(jié)流閥；a—余熱流體，b—被加熱流體，c—熱泵內(nèi)部工作介質(zhì)(水)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例來詳細描述本發(fā)明。
圖2所示是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的兩級壓縮、級間取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程，體現(xiàn)出本發(fā)明的實質(zhì)。結(jié)構(gòu)上，該類熱泵系統(tǒng)主要由一級壓縮機1、二級壓縮機2、冷凝器4、節(jié)流閥5、蒸發(fā)器6、級間取熱器7和回熱器9連接組成。余熱流體(a)進、出入蒸發(fā)器6，完成對來自冷凝器4、并經(jīng)節(jié)流閥5節(jié)流降壓、降溫的工質(zhì)(c)進行加熱，產(chǎn)生低壓飽和蒸汽，其自身溫度降低；出自蒸發(fā)器6的飽和蒸汽經(jīng)回熱器9吸收熱量后適當過熱，進入一級壓縮機1被壓縮，溫度達到高于被加熱流體(b)初始溫度一定數(shù)值時(熱泵)，進入級間取熱器7放熱于被加熱流體(b)，然后再進入二級壓縮機2繼續(xù)被壓縮到所需壓力后進入冷凝器4，在冷凝器4被加熱流體(b)吸取熱量，冷凝為液體；工質(zhì)(c)經(jīng)節(jié)流閥5節(jié)流降壓、降溫后進入蒸發(fā)器6，吸收余熱流體(a)的熱量而成為低壓飽和蒸汽，完成循環(huán)；被加熱流體(b)首先進入級間取熱器7吸收工質(zhì)熱量、使之降溫，然后進入冷凝器4完成吸熱過程。
圖1所示的是依據(jù)本發(fā)明所提供，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的一級蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程示意圖，與一般蒸汽壓縮式熱泵的基本結(jié)構(gòu)和流程相一致，適用于壓縮比較低時的蒸汽壓縮式熱泵。
圖3所示的是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的三級壓縮、級間取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程示意圖，被加熱流體并聯(lián)通過級間取熱器。比較圖2兩級熱泵，結(jié)構(gòu)上后者增加了三級壓縮機3和級間取熱器8，其余一致；流程上，被加熱流體并聯(lián)分別進、出級間取熱器7和8，然后合二為一進入冷凝器4完成被加熱過程，其余相同。
圖4所示的是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的三級壓縮、級間取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程示意圖，被加熱流體串聯(lián)通過級間取熱器。
圖5、圖6所示的分別是依據(jù)本發(fā)明所提供的，以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機的兩級壓縮、級間完全取熱和不完全取熱型蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程，其與圖2所示有2點不同一是被加熱流體只進、出冷凝器，壓縮過程中的級間取熱(冷卻)效果更好，也更適用于被加熱流體初始溫度更高的場合，但二級(及二級以上)壓氣機壓縮工質(zhì)的量大于一級壓氣機的壓縮工質(zhì)量，在某些情況下會帶來裝置耗功的相對增加；二是冷卻器的結(jié)構(gòu)不同，圖2中為被加熱流體和熱泵工質(zhì)之間被換熱避免隔開，圖5、圖6中部分自身節(jié)流降溫的工質(zhì)成為起級間冷卻作用的冷流體(如同圖2中的被加熱流體)。
圖7、圖8是與圖5、圖6分別相對應的三級以水為工質(zhì)的蒸汽壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)和流程，與兩級相比，三級壓縮機和級間取熱器的數(shù)量相應增加，它們也是多級的代表。圖7中，自一、二級壓氣機出來的過熱蒸汽在相對應的取熱器中放熱成為飽和蒸汽；圖8中，自一、二級壓氣機出來的過熱蒸汽與來自相對應的取熱器中出來的飽和蒸汽混合，得到一定程度的冷卻，過熱度降低。
本發(fā)明具有如下效果或優(yōu)勢①采用水為工質(zhì)，綜合性能極為優(yōu)異。
②可提高裝置性能指數(shù)，提高其經(jīng)濟效益。
③降低壓縮終了蒸汽溫度，提高了設備運行的安全性。
④應用水為工質(zhì)，設備制造選材方便，可降低設備造價。
⑤作為熱泵裝置，供熱溫度大為提高，應用范圍得到擴大。
⑥對裝置制造管材的要求降低，從而降低裝置的制造費用。
⑧工質(zhì)物美價廉，來源廣，從而降低裝置運行維護費用。
權(quán)利要求
1.一種蒸汽壓縮式熱泵，采用葉輪式氣壓機，主要包括壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器，其特征在于以水為工質(zhì)，工質(zhì)水蒸氣(c)的壓縮過程分階段進行，設有兩級或兩級以上的壓縮機，在各級壓縮機之間設有級間取熱器(7)/(8)，工質(zhì)被壓縮后溫度高于被加熱流體(b)的初始溫度一定數(shù)值后進入級間取熱器(7)/(8)和回熱器(9)，放熱冷卻后再進行下一級壓縮過程，達到需求后進入冷凝器(4)完成對被加熱流體(b)的加熱；余熱流體進、出蒸發(fā)器(6)加熱工質(zhì)成低壓飽和蒸汽，后者經(jīng)回熱器(9)吸熱后適當過熱進入一級壓縮機(1)，該技術利用了級間取熱器實現(xiàn)壓縮過程的冷卻作用，利用回熱器滿足低壓飽和蒸汽過熱需求，同時對壓縮過程的冷卻作用有一定的增強。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽壓縮式熱泵，其特征是將分級壓縮和級間取熱相結(jié)合，在兩個壓縮機之間設有級間取熱器，級間取熱器實現(xiàn)對壓縮氣體的冷卻和對被加熱流體的初步加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽壓縮式熱泵，其特征是也可采取取熱器連通冷凝器和蒸發(fā)器，級間取熱器的冷流體是來自冷凝器出口、并經(jīng)節(jié)流降壓、降溫后的工質(zhì)自身，此時被加熱流體的取熱在冷凝器中一步完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽壓縮式熱泵，其特征是可在蒸發(fā)器和一級壓縮機之間增設回熱器，滿足低壓蒸汽的過熱需求，并同時進一步降低進入二級壓縮機的工質(zhì)的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽壓縮式熱泵，其特征是該熱泵可以用作制冷，此時被加熱流體為冷卻介質(zhì)，余熱流體為被制冷流體，用以制取0℃以上的冷流體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種以水為工質(zhì)的蒸汽壓縮式熱泵，屬于供熱工程中低溫余熱利用與制冷技術領域。它以水為工質(zhì)，采用葉輪式壓氣機，在壓縮比較高時將工質(zhì)的壓縮過程由兩個及兩個以上的壓縮過程來完成，并在各級壓縮機之間增設級間取熱器，實現(xiàn)分級壓縮和級間取熱相結(jié)合，被加熱流體分別在級間取熱器和冷凝器中分步或單獨在冷凝器中取走了由余熱流體和壓縮耗功所形成的熱。另外，增設回熱器用于進入一級壓縮機前的低壓蒸汽的過熱，這對改善壓縮過程也有一定幫助。本技術用于余熱溫度在0℃以上的場合，工質(zhì)性質(zhì)優(yōu)異，分級壓縮、級間取熱可使熱泵的壓縮耗功減少，熱泵性能指數(shù)得到提高，還可降低工質(zhì)壓縮終了的溫度，提高熱泵供熱溫度和熱泵運行的安全性；本發(fā)明還可用于制取0℃以上的冷流體。
文檔編號F25B1/10GK1912496SQ20061006989
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月17日
發(fā)明者李華玉 申請人:李華玉