一种空气源热泵蒸汽发生系统及其工作方法

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1.本发明属于高温蒸汽制备技术领域，具体是涉及一种利用将空气源复叠热泵与吸收式热泵相耦合的蒸汽发生系统及工作方法。

背景技术：

2.高温蒸汽是工业生产中不可或缺的能源，每年需要消耗大量能量去生产高温蒸汽。目前生产高温蒸汽的方法主要是采用燃煤或电锅炉，不仅能源消耗量大，能源利用率还低，导致较高的蒸汽费用，以及二氧化碳排放。如何引入先进技术，降低蒸汽发生装置的能耗，实现较低的吨蒸汽能耗和费用，是促进工业节能减排与可持续发展亟需解决的技术难题，也是国家“双碳”背景下技术发展的必然方向。
3.采用制冷剂的空气源热泵技术，是一种能从环境空气吸收热量，输出较高温度供热供暖的一项节能技术，单级压缩的空气源热泵，其所能提供的热源温度受限于所采用制冷剂的临界温度，通常不高于100℃，且制冷剂也要符合国际gwp和odp的环保要求，进而限制了目前该技术的应用领域。同时，其所能输出的热量随环境温度变化大，冬季较低环境温度时，往往供热量不足，如家用空调，冬季还需采用电辅热的方式辅助供热。
4.第二类吸收式热泵是一种中低温热源(60～100℃)驱动输出高温热源的热泵技术，能提提供100～150℃的热源温度，可很好的用作蒸汽发生装置，但其需要稳定的驱动热源。此外，吸收式热泵的蒸发器、冷凝器换热器体积庞大，投资成本高，系统能效也不高。
5.因此，充分利用空气源热泵和吸收式热泵的优点，克服各自的技术缺陷，将两者相互耦合，开发出低能耗的蒸汽发生工艺，满足不同蒸汽供应温度与压力，适应不同环境温度变化，系统能稳定高效运行，对工业节能减排具有重要意义。

技术实现要素：

6.本发明的目的是为解决水蒸气产出高能耗的技术问题，克服空气源热泵供热量随环境温度变化的技术难点，满足不同蒸汽供应压力与温度需求，提出一种空气源热泵蒸汽发生系统方法。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种空气源热泵蒸汽发生系统，包括空气源复叠热泵循环单元、第二类吸收式热泵循环单元和蒸汽发生循环单元，所述空气源复叠热泵循环包括低温级循环单元和高温级循环单元，低温级循环单元包括第一制冷压缩机1、蒸发冷凝器2、第一节流阀17和空气源蒸发器3；第一制冷压缩机1出口连接蒸发冷凝器入口a1，经出口a2流出后经第一节流阀17接至空气源蒸发器3，空气源蒸发器3出口经第一气液分离器15后接入第一制冷压缩机1入口；高温级循环包括第二制冷压缩机4、冷凝器5、第二节流阀18和蒸发冷凝器2；第二制冷压缩机4出口接至冷凝器5的入口d1，经出口d2接至第二节流阀18，第二节流阀18出口经蒸发冷凝器2的入口c2、出口c1接入第二气液分离器16，第二气液分离器16出口接至第二制冷压缩机4入口；
9.所述第二类吸收式热泵循环单元，包括发生器6、蒸汽压缩机7、吸收器9、回热器10、减压阀11、稀溶液泵12，发生器6的浓溶液出口经浓溶液泵12和回热器10入口f2及出口f1接至吸收器9浓溶液入口；吸收器9稀溶液出口经回热器10入口g1、出口g2接至第一截止阀20，第一截止阀20出口经冷凝器5的入口e2、出口e1和第一单向阀22接至减压阀11，减压阀11出口经管路接至发生器6；发生器6的蒸汽出口接至蒸汽压缩机7入口，蒸汽压缩机7出口接至吸收器9；
10.所述蒸汽发生循环单元，包括储水箱8、调节阀27、水泵13、第三气液分离器14和供汽阀26；储水箱8水出口经调节阀27和水泵13接至吸收器9的换热管入口h1，并经出口h2接至第三气液分离器14，第三气液分离器14蒸汽出口接至供汽阀26，由供汽阀26对外输出蒸汽，第三气液分离器14溶液出口经管路接回储水箱8。
11.进一步优选，所述回热器10出口g2还通过第二截止阀19接至蒸发冷凝器2的入口b2，蒸发冷凝器2出口b1经第二单向阀21接至减压阀11入口。
12.进一步优选，所述吸收器9的溶液出口管路设置温度控制器25，所述温度控制器25经信号线接至调节阀27；第三气液分离器14上设置压力控制器24，所述压力控制器14经信号线接至供汽阀26。
13.进一步优选，所述发生器6上设置浓度控制器23，所述浓度控制器23通过信号线接至第一制冷压缩机1和第二制冷压缩机4；第一制冷压缩机1和第二制冷压缩机4均为变频压缩机。
14.进一步优选，所述第二类吸收式热泵的工质为能实现100℃以上的热源温度的溴化锂(libr)-水(h2o)、三氟乙醇(tfe)-四甘醇二甲醚(tegdme)或者氟利昂(r22)-tegdme。
15.上述一种空气源热泵蒸汽发生系统的工作方法，其特征在于：
16.当环境温度高于温度控制器25设定值时，空气源复叠热泵循环单元仅运行低温级循环单元，此时第二制冷压缩机4不供电，第一截止阀20关闭，第二截止阀19开启，低温级循环单元的蒸发冷凝器2充当发生器6的热源；
17.当环境温度低于温度控制器25设定值时，空气源复叠热泵循环单元的高温级循环单元和低温级循环单元同时运行，第一截止阀20开启，第二截止阀19关闭，高温级循环单元的冷凝器5充当发生器6的热源；
18.通过浓度控制器23设定发生器6内浓溶液浓度以及蒸汽压缩机7的排汽压力，调整吸收器9所能提供的热源温度，进而适应不同蒸汽供应温度需求；供汽阀26设置开阀压力控制，由第三气液分离器14上设置的压力控制器24调整供汽压力设定值。
19.进一步优选，所述调节阀27的开度与温度控制器25的温度成反比例控制，吸收器9出口浓溶液温度升高，则增大调节阀27的开度，增大供水量；
20.进一步优选，所述第一制冷压缩机1和第二制冷压缩机4的频率与发生器6内浓溶液浓度成反比例调节关系，浓溶液浓度低于浓度控制器23设定值，并逐渐减小时，需提高第一制冷压缩机1和第二制冷压缩机4的频率，增大空气源热泵的供热量。
21.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下技术效果：
22.采用空气源复叠热泵循环单元作为吸收式热泵发生器浓溶液蒸发的热源，根据环境温度选择低温级单级循环运行和高低温级同时运行的运行模式，既能保障较低环境温度下吸收式热泵稳定的热源供应，也能提高空气源热泵的运行效率，降低蒸汽发生能耗；利用
蒸汽压缩机替代传统第二类吸收式热泵的蒸发器和冷凝器以及水泵的作用，简化了系统流程，且蒸汽压缩机的压力调控更为方便，能很好的配合发生器内溶液浓度的调整，结合水系统供水量以及第三气液分离器的压力控制，能满足不同蒸汽温度与压力的供汽应用需求。采用该系统，供蒸汽温度100℃(压力100kpa)时，环境温度35℃，空气源热泵单级运行，吨蒸汽能耗约为554kw；环境温度0℃时，空气源热泵复叠运行，吨蒸汽能耗约为619kw；而直接电加热的方法，电效率98％时，吨蒸汽能耗为728kw，可知，本系统具有良好的节能效益，而节约1度电又能减小二氧化碳排放1.3kg，进而本系统对“双碳”计划有很好的促进作用。
附图说明
23.图1为本发明系统的构造示意图。
24.图中：1为第一制冷压缩机、2为蒸发冷凝器、3为空气源蒸发器、4为第二压缩机、5为冷凝器、6为发生器、7为蒸汽压缩机、8为储水罐、9为吸收器、10为回热器、11为减压阀、12为浓溶液泵、13为水泵、14为第三气液分离器、15为第一气液分离器、16为第二气液分离器、17为第一节流阀、18为第二节流阀、19为第一截止阀、20为第二截止阀、21为第二单向阀、22为第一单向阀、23为浓度控制器、24为压力控制器、25为温度控制器、26为供汽阀、27为调节阀。
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
26.如图1所示，本发明的一种空气源热泵蒸汽发生系统，包括空气源复叠热泵循环单元、第二类吸收式热泵循环单元和蒸汽发生循环单元，所述空气源复叠热泵循环单元包括低温级循环单元和高温级循环单元，低温级循环单元包括第一制冷压缩机1、蒸发冷凝器2、第一节流阀17和空气源蒸发器3；第一制冷压缩机1出口连接蒸发冷凝器入口a1，经出口a2流出后经第一节流阀17接至空气源蒸发器3，空气源蒸发器3出口经第一气液分离器15后接入第一制冷压缩机1入口；高温级循环包括第二制冷压缩机4、冷凝器5、第二节流阀18和蒸发冷凝器2；第二制冷压缩机4出口接至冷凝器5的入口d1，经出口d2接至第二节流阀18，第二节流阀18出口经蒸发冷凝器2的入口c2、出口c1接入第二气液分离器16，第二气液分离器16出口接至第二制冷压缩机4入口；
27.所述第二类吸收式热泵循环单元，包括发生器6、蒸汽压缩机7、吸收器9、回热器10、减压阀11、稀溶液泵12，发生器6的浓溶液出口经浓溶液泵12和回热器10入口f2及出口f1接至吸收器9浓溶液入口；吸收器9稀溶液出口经回热器10入口g1、出口g2接至第一截止阀20，第一截止阀20出口经冷凝器5的入口e2、出口e1和第一单向阀22接至减压阀11，减压阀11出口经管路接至发生器6；发生器6的蒸汽出口接至蒸汽压缩机7入口，蒸汽压缩机7出口接至吸收器9；
28.所述蒸汽发生循环单元，包括储水箱8、调节阀27、水泵13、第三气液分离器14和供汽阀26；储水箱8水出口经调节阀27和水泵13接至吸收器9的换热管入口h1，并经出口h2接至第三气液分离器14，第三气液分离器14蒸汽出口接至供汽阀26，由供汽阀26对外输出蒸汽，第三气液分离器14溶液出口经管路接回储水箱8。
29.所述回热器10出口g2还通过第二截止阀19接至蒸发冷凝器2的入口b2，蒸发冷凝器2出口b1经第二单向阀21接至减压阀11入口。
30.所述吸收器9的溶液出口管路设置温度控制器25，所述温度控制器25经信号线接至调节阀27；第三气液分离器14上设置压力控制器24，所述压力控制器14经信号线接至供汽阀26。
31.所述发生器6上设置浓度控制器23，所述浓度控制器23通过信号线接至第一制冷压缩机1和第二制冷压缩机4；第一制冷压缩机1和第二制冷压缩机4均为变频压缩机。
32.所述第二类吸收式热泵的工质为能实现100℃以上的热源温度的溴化锂(libr)-水(h2o)、三氟乙醇(tfe)-四甘醇二甲醚(tegdme)或者氟利昂(r22)-tegdme。
33.本发明的一种空气源热泵蒸汽发生系统的工作原理：
34.空气源复叠热泵循环单元中含有低温级循环单元和高温级循环单元，低温级循环单元中，制冷剂气体进入第一制冷压缩机1中，升温升压后进入由a1蒸发冷凝器2释放热量变成液体后，由a2离开进入第一节流阀17，节流降压后进入空气源蒸发器3，制冷剂在空气源蒸发器3中从空气中汲取热量蒸发后进入第一气液分离器15，气态制冷剂进入第一制冷压缩机1继续被压缩参与循环。
35.高温级循环单元中，气体制冷剂进入第二制冷压缩机4中，升温升压后由d1进入冷凝器5释放热量变成液体后，由d2离开进入第二节流阀(18)，节流降压后由c2进入蒸发冷凝器2内，吸收低温级制冷剂释放的热量蒸发，然后由c1离开进入第二气液分离器16，气态制冷剂进入第二制冷压缩机4压缩继续参与循环。
36.当环境温度较高，单级压缩循环单元就能满足发生器6驱动热源温度需求时，仅运行低温级循环单元，由蒸发冷凝器2内制冷剂释放的冷凝热用作吸收式热泵的驱动热源；当环境温度低于一定值时，受限于单级系统制冷压缩机压比与流量，需要开启复叠运行模式，由高温级循环单元中冷凝器5中的制冷剂冷凝热作为吸收式热泵的驱动热源。压缩式热泵循环的能效(cop)是随蒸发温度与冷凝器温度的温差增大而降低的，系统制热量也是随环境温度降低而减小的，通常蒸发温度与冷凝温度的温差值控制在50℃以内，假设吸收式热泵驱动热源温度为70℃，环境温度低于20℃时，热泵系统的能效将会较低，此时可采用复叠循环，保障较高的热泵系统能效以及充足的供热量。
37.吸收式热泵循环单元中，回热器10出口g2流出的浓溶液根据空气源热泵运行模式不同，可以选择进入蒸发冷凝器2内或冷凝器5内。当仅低温级循环单元运行时，第一截止阀20关闭，第二截止阀19开启，稀溶液经第二截止阀19，由入口b2进入蒸发冷凝器2内吸热，然后经第二单向阀21和减压阀11进入发生器6内；当空气源热泵复叠运行时，第一截止阀20开启，第二截止阀19关闭，稀溶液经第一截止阀20，由入口e2进入冷凝器5内吸热，然后经第一单向阀22和减压阀11进入发生器6内。
38.相对于传统直接在发生器内设置换热管通入热源的方式不同，本系统中，发生器6实则充当气液分离器的作用，溶液蒸发是通过先加热后减压节流的方式进行的，这样能保障较高的换热效率。实际应用时，也可将减压阀11设置在第一截止阀20和第二截止阀19之前，此时溶液可在蒸发冷凝器2或冷凝器5内直接吸热蒸发。
39.发生器6内的浓溶液经浓溶液泵12泵入回热器10内，由入口f2入，出口f1流出，然后进入吸收器9内；发生器6内的蒸汽则进入蒸汽压缩机7压缩升压后直接进入吸收器9内，
在吸收器9内被浓溶液吸收，释放热量的同时得到稀溶液，吸收器9内的稀溶液由入口g1进入回热器10内，再由出口g2流出进行下一循环。
40.传统第二类吸收式热泵发生器出来的蒸汽要先冷凝，然后泵入蒸发器内，再通过向蒸发器内通入热源蒸发得到蒸汽，而后再进入吸收器内，该流程较为繁琐，且蒸发器冷凝器设备体积大，换热效率也不高，本发明直接采用了蒸汽压缩机加压的方式，实现了吸收器高压蒸汽供应的功能。为了满足100℃以上高温蒸汽供应的需求，吸收式热泵吸收器内要能实现100℃以上的热源温度，工质对可以是溴化锂(libr)-水(h2o)、三氟乙醇(tfe)-四甘醇二甲醚(tegdme)或者氟利昂(r22)-tegdme。
41.蒸汽发生循环单元中，储水箱8内的纯净水经调节阀27控制流量后被水泵13泵入吸收器9内的换热管内，在其内吸收吸收式热泵的热量蒸发得到蒸汽，然后有出口h2进入第三气液分离器14内进行气液分离，得到的蒸汽由供汽阀26输出，而未蒸发的水则回到储水箱8内，储水箱8自带补水控制，保障一定的液位。
42.吸收式热泵最大的特点是可通过调整溶液浓度来实现不同的供热温度，在发生器上设置浓度控制器23，并由浓度控制器23控制空气源复叠热泵循环单元的供热量，调整浓溶液加热后的蒸发水量，达到进入吸收器9内稀溶液浓度控制的目的，配合蒸汽压缩机的流量、压力控制能轻松的实现吸收器内压力及溶液浓度的调控，满足不同蒸汽发生的热源温度和供热量需求。蒸汽压缩机压力和流量的控制较传统吸收式热泵蒸发器、冷凝器的控制发生更为简便。
43.为了稳定吸收式热泵的运行工况，保障一定的吸收器9的稀溶液出口温度，在其出口管路上设置温度控制器25，用于控制调节阀27的开度，进而调节进入吸收器9内的水流量，稀溶液温度高了，说明供水量小了，需增大阀的开度。
44.为实现不同的蒸汽供应压力或温度，在第三气液分离器上设置了压力控制器24，由压力控制器24控制第三气液分离器14内的蒸汽压力，以及供汽阀26的开阀压力，只有压力达到要求时，供汽阀26才会开启。
45.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种变更与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

技术特征：

1.一种空气源热泵蒸汽发生系统，包括空气源复叠热泵循环单元、第二类吸收式热泵循环单元和蒸汽发生循环单元，所述空气源复叠热泵循环单元包括低温级循环单元和高温级循环单元，其中低温级循环单元包括第一制冷压缩机(1)、蒸发冷凝器(2)、第一节流阀(17)和空气源蒸发器(3)；第一制冷压缩机(1)出口连接蒸发冷凝器(2)入口(a1)，经出口(a2)流出后经第一节流阀(17)接至空气源蒸发器(3)，空气源蒸发器(3)出口经第一气液分离器(15)后接入第一制冷压缩机(1)入口；高温级循环单元包括第二制冷压缩机(4)、冷凝器(5)、第二节流阀(18)和蒸发冷凝器(2)；第二制冷压缩机(4)出口接至冷凝器(5)的入口(d1)，经出口(d2)接至第二节流阀(18)，第二节流阀(18)出口经蒸发冷凝器(2)的入口(c2)、出口(c1)接入第二气液分离器(16)，第二气液分离器(16)出口接至第二制冷压缩机(4)入口；所述第二类吸收式热泵循环单元，包括发生器(6)、蒸汽压缩机(7)、吸收器(9)、回热器(10)、减压阀(11)、浓溶液泵(12)，发生器(6)的浓溶液出口经浓溶液泵(12)和回热器(10)入口(f2)及出口(f1)接至吸收器(9)浓溶液入口；吸收器(9)稀溶液出口经回热器(10)入口(g1)、出口(g2)接至第一截止阀(20)，第一截止阀(20)出口经冷凝器(5)的入口(e2)、出口(e1)和第一单向阀(22)接至减压阀(11)，减压阀(11)出口经管路接至发生器(6)；发生器(6)的蒸汽出口接至蒸汽压缩机(7)入口，蒸汽压缩机(7)出口接至吸收器(9)；所述蒸汽发生循环单元，包括储水箱(8)、调节阀(27)、水泵(13)、第三气液分离器(14)和供汽阀(26)；储水箱(8)水出口经调节阀(27)和水泵(13)接至吸收器(9)的换热管入口(h1)，并经出口(h2)接至第三气液分离器(14)，第三气液分离器(14)蒸汽出口接至供汽阀(26)，由供汽阀(26)对外输出蒸汽，第三气液分离器(14)溶液出口经管路接回储水箱(8)。2.根据权利要求1所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统，其特征在于，回热器(10)出口(g2)还通过第二截止阀(19)接至蒸发冷凝器(2)的入口(b2)，蒸发冷凝器(2)出口(b1)经第二单向阀(21)接至减压阀(11)入口。3.根据权利要求2所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统，其特征在于，吸收器(9)的溶液出口管路设置温度控制器(25)，所述温度控制器(25)经信号线接至调节阀(27)；第三气液分离器(14)上设置压力控制器(24)，所述压力控制器(14)经信号线接至供汽阀(26)。4.根据权利要求3所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统，其特征在于，发生器(6)上设置浓度控制器(23)，所述浓度控制器(23)通过信号线分别接至第一制冷压缩机(1)和第二制冷压缩机(4)。5.根据权利要求4所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统，其特征在于，第一制冷压缩机(1)和第二制冷压缩机(4)均为变频压缩机。6.根据权利要4所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统，其特征在于，第二类吸收式热泵的工质为能实现100℃以上的热源温度的溴化锂(libr)-水(h2o)、三氟乙醇(tfe)-四甘醇二甲醚(tegdme)或者氟利昂(r22)-tegdme。7.根据权利要求4所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统的工作方法，其特征在于：当环境温度高于温度控制器(25)设定值时，空气源复叠热泵循环单元仅运行低温级循环单元，此时第二制冷压缩机(4)不供电，第一截止阀(20)关闭，第二截止阀(19)开启，低温级循环单元的蒸发冷凝器(2)充当发生器(6)的热源；当环境温度低于温度控制器(25)设定值时，空气源复叠热泵循环单元的高温级循环单
元和低温级循环单元同时运行，第一截止阀(20)开启，第二截止阀(19)关闭，高温级循环单元的冷凝器(5)充当发生器(6)的热源；通过浓度控制器(23)设定发生器(6)内浓溶液浓度以及蒸汽压缩机(7)的排汽压力，调整吸收器(9)所能提供的热源温度，进而适应不同蒸汽供应温度需求；供汽阀(26)设置开阀压力控制，由第三气液分离器(14)上设置的压力控制器(24)调整供汽压力设定值。8.根据权利要求7所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统的工作方法，其特征在于，调节阀(27)的开度与温度控制器(25)的温度成反比例控制，吸收器(9)出口浓溶液温度升高，则增大调节阀(27)的开度，增大供水量。9.根据权利要求7所述的一种空气源热泵蒸汽发生系统的工作方法，其特征在于，第一制冷压缩机(1)和第二制冷压缩机(4)的频率与发生器(6)内浓溶液浓度成反比例调节关系，浓溶液浓度低于浓度控制器(23)设定值，并逐渐减小时，需提高第一制冷压缩机(1)和第二制冷压缩机(4)的频率，增大空气源热泵的供热量。

技术总结

本发明公开了一种空气源热泵蒸汽发生系统，包括空气源复叠热泵循环单元和第二类吸收式热泵循环单元和蒸汽发生循环单元；吸收式热泵吸收器内的浓溶液分别连接复叠热泵循环低温级冷凝器和高温级冷凝器，被加热后回到发生器内产生；待加热蒸发的水通入吸收式热泵的吸收器内吸热蒸发得到蒸汽；该系统能根据环境温度分别选择空气源复叠热泵的低温级循环或高温级循环驱动第二类吸收式热泵，由第二类吸收式热泵提供用于水蒸发的100℃以上的高温热源。本发明将常规空气源热泵与吸收式热泵相结合，能保障全天候高稳定性的热源蒸汽供应，相较于传统电锅炉或燃煤锅炉的蒸汽供应方式，更为节能环保。为节能环保。为节能环保。