一种高效超级热泵换热装置及换热方法

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，特别是涉及一种高效超级热泵换热装置及换热方法；具体说是一种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。同时，我国工业能耗占总能耗的70％以上，其中至少50％转化为载体不同、温度不同的工业余热，大部分可回收利用；而目前我国工业余热资源回收率仅约为30％，大力开展工业余热综合利用的基础研究和工业实践，对推动我国节能减排重大战略目标的实现具有重要的意义。在余热利用领域热泵技术具有显著的节能减排优势，但是工业余热具有热量分布范围广和温度不稳定的特点，为了深度回收各种余热废热，实现热源与热汇的大温差换热，满足生产工艺和民用场合需求，本发明提出了一种超级热泵装置，实现热源与热汇的大温差换热同时，并根据热源与热汇温度变化运行实现灵活高效换热过程。

发明内容

本发明的目的是提出一种高效超级热泵换热装置，其特征在于：该换热装置由热汇入口1、热汇出口2、热源出口3、热源入口4、A换热器5、B换热器6、C换热器7、D换热器8、A压缩装置9、B压缩装置10、A转轴11、B转轴12、A通道开关13、B通道开关14、A阀门15、B阀门(16、C阀门17、D阀门18、A驱动装置19、B驱动装置20、A循环工质和B循环工质构成；其中A压缩装置9包括A低压腔9a、A中压腔9b、A高压腔9c、A驱动装置19和A转轴11；B压缩装置10包括B低压腔10a、B中压腔10b、B高压腔10c、B驱动装置20和B转轴12；A转轴11上安装A叶片11a和B叶片11b、B转轴12上安装C叶片12a和D叶片12b。

所述A循环工质依次经过A换热器5、A阀门15、C换热器7和A压缩装置9返回A换热器5；B循环工质依次经过B换热器6、C阀门17、D换热器8和B压缩装置10返回B换热器6；热汇从热汇入口1依次经过A换热器5和B换热器6被加热，热源从热源入口4依次经过D换热器8和C换热器7被冷却。

所述A换热器5与B换热器6的主管道串联；C换热器7与D换热器8的主管道串联；A换热器5的换热管一端通过A阀门15分别与C换热器7的换热管一端和B阀门16相连，B阀门16与A压缩装置9相连；A换热器5的换热管另一端与A高压腔9c连接；C换热器7的换热管一端与A低压腔9a连接；

所述B换热器6的换热管一端通过C阀门17分别与D换热器8的换热管一端和D阀门18相连，D阀门18与B压缩装置10相连；B换热器6的换热管另一端与B高压腔10c相连；D换热器8的换热管另一端与B低压腔10a。

所述A压缩装置9包括A低压腔9a、A中压腔9b、A高压腔9c、A驱动装置19、A通道开关13和A转轴11；A转轴11通过A低压腔9a和A中压腔9b之间的支架固定在该两个腔内；在A低压腔9a内，A转轴11上装有A叶片11a，在A中压腔9b内，A转轴11上装有B叶片11b；A驱动装置19固定在A低压腔9a下面，并与A转轴11连接，

所述B压缩装置10包括B低压腔10a、B中压腔10b、B高压腔10c、B驱动装置20、B通道开关14和B转轴12；B转轴12通过B低压腔10a和B中压腔10b之间的支架固定在该两个腔内，在B低压腔10a内，B转轴12上安装C叶片12a，在B中压腔10b内，B转轴12上安装D叶片12b；B驱动装置20固定在B低压腔10a下面，并与B转轴12连接。

所述热源及热汇采用两级及以上换热器串联加热。

所述转轴上安装的叶片采用涡旋式、离心式、活塞式或螺杆式叶片。

所述换热器采用壳管式、板式或者热管式换热方式。

所述循环工质循环工质A为水和循环工质B二氧化碳。

.一种高效超级热泵换热装置的换热方法，其特征在于，所述换热装置的换热运行包括：

(1)A通道开关13开启，B阀门16关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20关闭，A循环工质进行循环，B循环工质不循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质不经过A叶片11a压缩直接经过通A道开关13进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15返回C换热器7。

(2)A通道开关13关闭，B阀门16关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20关闭，A循环工质进行循环，B循环工质不循环，A循环工质在C换热器(7)中被加热变为蒸汽进入A压缩装置(9)，在A低压腔(9a)中被B叶片(11b)压缩后进入A中压腔(9b)，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经A过阀门15返回C换热器7。

(3)通道A开关13关闭，B阀门16开启，A驱动装置19开启，B驱动装置20关闭，A循环工质进行循环，B循环工质不循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7。

(4)A通道开关13关闭，B阀门16开启，B通道开关14开启，D阀门18关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20开启，A循环工质进行循环，B循环工质进行循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7，B循环工质在D换热器8中被加热变为蒸汽进入B压缩装置10，在B低压腔10a中被D叶片12b压缩后进入B中压腔10b，A循环工质再不经过C叶片12a压缩进入B高压腔10c，B循环工质进入B换热器6加热热汇，再经过C阀门17返回D换热器8。

(5)A通道开关13关闭，B阀门16开启，B通道开关14关闭，D阀门18关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20开启，A循环工质进行循环，B循环工质进行循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7，B循环工质在D换热器8中被加热变为蒸汽进入B压缩装置10，在B低压腔10a被D叶片12b压缩后进入B中压腔10b，A循环工质再经过C叶片12a压缩进入B高压腔10c，B循环工质进入B换热器6加热热汇，再经过C阀门17返回D换热器8。

(6)A通道开关13关闭，B阀门16开启，B通道开关14关闭，D阀门18开启，A驱动装置19开启，B驱动装置20开启，A循环工质进行循环，B循环工质进行循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7，B循环工质在D换热器8中被加热变为蒸汽进入B压缩装置10，在B低压腔10a中被D叶片12b压缩后进入中B压腔10b，A循环工质再经过C叶片12a压缩进入B高压腔10c，B循环工质进入B换热器6加热热汇，再经过C阀门17部分B循环工质进入B压缩装置10，其余B循环工质返回D换热器8。

本发明有益效果是提出个超级热泵装置，实现热源与热汇的大温差换热同时，并根据热源与热汇温度变化运行实现灵活高效换热过程。

附图说明

图1为高效超级热泵换热装置示意图。

具体实施方式

本发明提出一种高效超级热泵换热装置及换热方法，下面结合附图对本发明予以说明。

如图1所示的高效超级热泵换热装置示意图。图中所示的换热装置由热汇入口1、热汇出口2、热源出口3、热源入口4、A换热器5、B换热器6、C换热器7、D换热器8、A压缩装置9、B压缩装置10、A转轴11、B转轴12、A通道开关13、B通道开关14、A阀门15、B阀门(16、C阀门17、D阀门18、A驱动装置19、B驱动装置20、A循环工质和B循环工质构成；所述A换热器5与B换热器6的主管道串联；C换热器7与D换热器8的主管道串联；A换热器5的换热管一端通过A阀门15分别与C换热器7的换热管一端和B阀门16相连，B阀门16与A压缩装置9相连；A换热器5的换热管另一端与A高压腔9c连接；C换热器7的换热管一端与A低压腔9a连接；

所述B换热器6的换热管一端通过C阀门17分别与D换热器8的换热管一端和D阀门18相连，D阀门18与B压缩装置10相连；B换热器6的换热管另一端与B高压腔10c相连；D换热器8的换热管另一端与B低压腔10a。所述换热器采用壳管式、板式或者热管式换热方式。所述热源及热汇采用两级及以上换热器串联加热。

所述A压缩装置9包括A低压腔9a、A中压腔9b、A高压腔9c、A驱动装置19、A通道开关13和A转轴11；A转轴11通过A低压腔9a和A中压腔9b之间的支架固定在该两个腔内；在A低压腔9a内，A转轴11上装有A叶片11a，在A中压腔9b内，A转轴11上装有B叶片11b；A驱动装置19固定在A低压腔9a下面，并与A转轴11连接，

所述B压缩装置10包括B低压腔10a、B中压腔10b、B高压腔10c、B驱动装置20、B通道开关14和B转轴12；B转轴12通过B低压腔10a和B中压腔10b之间的支架固定在该两个腔内，在B低压腔10a内，B转轴12上安装C叶片12a，在B中压腔10b内，B转轴12上安装D叶片12b；B驱动装置20固定在B低压腔10a下面，并与B转轴12连接。

高效超级热泵换热装置的换热过程为所述A循环工质(水)依次经过A换热器5、A阀门15、C换热器7和A压缩装置9返回A换热器5；B循环工质(二氧化碳)依次经过B换热器6、C阀门17、D换热器8和B压缩装置10返回B换热器6；热汇从热汇入口1依次经过A换热器5和B换热器6被加热，热源从热源入口4依次经过D换热器8和C换热器7被冷却。其中，热源入口和出口温度为30℃/5℃，热汇入口温度为50℃：

具体的高效超级热泵换热装置的换热运行包括：

(1)A通道开关13开启，B阀门16关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20关闭，A循环工质进行循环，B循环工质不循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质不经过A叶片11a压缩直接经过通A道开关13进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15返回C换热器7。

(2)A通道开关13关闭，B阀门16关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20关闭，A循环工质进行循环，B循环工质不循环，A循环工质在C换热器(7)中被加热变为蒸汽进入A压缩装置(9)，在A低压腔(9a)中被B叶片(11b)压缩后进入A中压腔(9b)，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经A过阀门15返回C换热器7。

(3)通道A开关13关闭，B阀门16开启，A驱动装置19开启，B驱动装置20关闭，A循环工质进行循环，B循环工质不循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7。

(4)A通道开关13关闭，B阀门16开启，B通道开关14开启，D阀门18关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20开启，A循环工质进行循环，B循环工质进行循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7，B循环工质在D换热器8中被加热变为蒸汽进入B压缩装置10，在B低压腔10a中被D叶片12b压缩后进入B中压腔10b，A循环工质再不经过C叶片12a压缩进入B高压腔10c，B循环工质进入B换热器6加热热汇，再经过C阀门17返回D换热器8。

(5)A通道开关13关闭，B阀门16开启，B通道开关14关闭，D阀门18关闭，A驱动装置19开启，B驱动装置20开启，A循环工质进行循环，B循环工质进行循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7，B循环工质在D换热器8中被加热变为蒸汽进入B压缩装置10，在B低压腔10a被D叶片12b压缩后进入B中压腔10b，A循环工质再经过C叶片12a压缩进入B高压腔10c，B循环工质进入B换热器6加热热汇，再经过C阀门17返回D换热器8。

(6)A通道开关13关闭，B阀门16开启，B通道开关14关闭，D阀门18开启，A驱动装置19开启，B驱动装置20开启，A循环工质进行循环，B循环工质进行循环，A循环工质在C换热器7中被加热变为蒸汽进入A压缩装置9，在A低压腔9a中被B叶片11b压缩后进入A中压腔9b，A循环工质再经过A叶片11a压缩进入A高压腔9c，A循环工质进入A换热器5加热热汇，再经过A阀门15后部分A循环工质进入A压缩装置9，其余A循环工质返回C换热器7，B循环工质在D换热器8中被加热变为蒸汽进入B压缩装置10，在B低压腔10a中被D叶片12b压缩后进入中B压腔10b，A循环工质再经过C叶片12a压缩进入B高压腔10c，B循环工质进入B换热器6加热热汇，再经过C阀门17部分B循环工质进入B压缩装置10，其余B循环工质返回D换热器8。