两级吸收-压缩热耦合的热泵系统及工作方法

技术领域

本发明涉及能源回收技术领域，具体地，涉及一种两级吸收-压缩热耦合的热泵系统及工作方法。

背景技术

能源问题和环境问题是当今社会可持续发展的两大挑战。在工业领域，工业生产过程对能源的大量使用加剧了能源供需矛盾，工业余热对环境的直接排放导致了大量低品位热能被浪费。为了减少余热的浪费，可以采用热泵技术将来自工业余热或环境的热量进行品位提升，输出高品位热能再利用，既可以高效地利用能量，又可以减少余热浪费，可以带来可观的经济效益。

热泵技术可以利用低品位的热量输入，产生高品位的热量输出。典型的热泵技术可分为压缩式热泵和吸收式热泵。压缩式热泵通过电能或机械能在驱动以达到热量温度提升的目的，吸收式热泵可分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。第一类吸收式热泵以高温输入为动力，产生中文热输出，输出热量的功率高于输入热量。第二类吸收式热泵以中温热输入为动力，产生高温热输出，输出热量的功率低于输入热量。

现有公开号为CN110030769B的中国专利申请文献，其公开了一种基于升温型吸收式-压缩式换热的中低温热能供热系统，包括依次相连的：中低温热源、热源站、一次网、热力站和二次网；所述热源站为第一水水换热器，所述热力站为压缩式换热机组或第二水水换热器；所述中低温热源为中低温工业废热，或中深层地热，或来自太阳能集热器的中低温循环水。本发明根据中低温热能载体特性，在中低温热源站合理配置换热器，根据热用户特性在热力站合理配置压缩式换热机组，可大幅度降低一次热网回水温度和提高一次供水温度。

压缩式热泵和吸收式热泵均有多种不同的循环，例如复叠压缩式循环、双效吸收式循环、两级吸收式循环等。然而，压缩式热泵和吸收式热泵都存在各自的问题：压缩式热泵虽然具有较高的效率，但是温度提升能力有限，而且需要使用高品位的电能，适用于中低温区段。吸收式热泵消耗低品位的热能，可以达到较高的输出温度，但是需要较高的输入温度，且能量效率较低，更适用于高温区段。两种热泵技术在效率、适应性和能源消耗类型上具有不同的特性，而有效结合两种热泵技术并达到优势互补则是解决两种热泵技术缺陷的有效途径。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种两级吸收-压缩热耦合的热泵系统及工作方法。

根据本发明提供的一种两级吸收-压缩热耦合的热泵系统,包括压缩式热泵子循环系统：包括压缩机、压缩循环冷凝器以及压缩循环蒸发器，所述压缩机、多个压缩循环冷凝器、压缩循环蒸发器通过管路依次连通；两级吸收式热泵子循环系统：包括高压级吸收器、低压级吸收器、发生器、溶液热回收器、吸收循环冷凝器以及吸收循环低压级蒸发器；其一所述压缩循环冷凝器设置在发生器内，所述发生器的第一出口经过多个溶液热回收器与高压级吸收器的第一进口连通，所述高压级吸收器的出口经过溶液热回收器与低压级吸收器的第一进口连通，所述吸收循环高压级蒸发器设置在低压级吸收器内，吸收循环高压级蒸发器的出口与高压级吸收器的第二进口连通，所述低压级吸收器的第二出口经过溶液热回收器与发生器的进口连通；所述发生器的第二出口与吸收循环冷凝器的进口连通，所述压缩循环蒸发器设置在吸收循环冷凝器内，所述吸收循环冷凝器的第一出口与吸收循环高压级蒸发器的进口连通，所述吸收循环冷凝器的第二出口与吸收循环低压级蒸发器的进口连通，另一所述压缩循环冷凝器设置在吸收循环低压级蒸发器内，所述吸收循环低压级蒸发器的出口与低压级吸收器的第三进口连通。

优选地，所述压缩循环冷凝器包括第一压缩循环冷凝器和第二压缩循环冷凝器；所述第一缩循环冷凝器设置在发生器内，所述第二压缩循环冷凝器设置在吸收循环低压级蒸发器内。

优选地，所述发生器的第一出口连通有溶液泵，所述溶液泵的出口经过多个溶液热回收器与高压级吸收器的第一进口连通。

优选地，所述高压级吸收器的出口经过溶液热回收器与第三节流阀连通，所述第三节流阀的出口与低压级吸收器的第一进口连通。

优选地，所述吸收循环冷凝器通过第二冷剂泵与吸收循环高压级蒸发器的进口连通。

优选地，所述吸收循环冷凝器的第二出口通过第一冷剂泵与吸收循环低压级蒸发器的进口连通。

优选地，所述低压级吸收器的第二出口经过溶液热回收器与第二节流阀的一端连通，所述第二节流阀的另一端与发生器的进口连通。

优选地，所述第二压缩循环冷凝器的出口与第一节流阀的一端连通，所述第一节流阀的另一端与压缩循环蒸发器的进口连通。

根据本发明提供的一种两级吸收-压缩热耦合的热泵系统的工作方法，工作方法包括：

压缩式热泵子循环系统的工作方法：第一制冷剂蒸汽从压缩机进入第一压缩循环冷凝器冷凝并使发生器受热，且形成第一制冷剂液体；

第一制冷剂液体从第一压缩循环冷凝器进入第二压缩循环冷凝器冷凝，使吸收循环低压级蒸发器受热，并形成第二制冷剂液体；

第二制冷剂液体从第二压缩循环冷凝器经第一节流阀进入压缩循环蒸发器，并吸收来自低品位热源和/或余热的热量和/或来自吸收循环冷凝器的热量后，形成第二制冷剂蒸气；

第二制冷剂蒸气从压缩循环蒸发器经压缩机压缩后，产生第一制冷剂蒸气，并进入第一压缩循环冷凝器；

两级吸收式热泵子循环系统的工作方法：发生器的溶液经溶液泵、多个溶液热回收器进入高压级吸收器；

溶液在高压级吸收器吸收来自吸收循环高压级蒸发器的第五制冷剂蒸气后，释放热量输出；

溶液从高压级吸收器经第二溶液热回收器、第三节流阀进入低压级吸收器，吸收来自吸收循环低压级蒸发器的第四制冷剂蒸气后，使吸收循环高压级蒸发器受热；

溶液从低压级吸收器经第一溶液热回收器、第二节流阀回至发生器，回至发生器中的溶液为回收溶液；

回收溶液在发生器经第一压缩循环冷凝器加热后，产生第三制冷剂蒸气，剩余溶液然后进入溶液泵；

第三制冷剂蒸气从发生器进入吸收循环冷凝器冷凝后，使压缩循环蒸发器受热，并形成第三制冷剂液体，第三制冷剂液体的一部分从吸收循环冷凝器经第一冷剂泵进入吸收循环低压级蒸发器，第三制冷剂液体的一部分进入吸收循环低压级蒸发器后，吸收来自第二压缩循环冷凝器的热量，形成第四制冷剂蒸气，并进入低压级吸收器；

第三制冷剂液体的另一部分从吸收循环冷凝器经第二冷剂泵进入吸收循环高压级蒸发器，第三制冷剂液体的另一部分进入吸收循环高压级蒸发器后，吸收来自低压级吸收器的热量，形成第五制冷剂蒸气，并进入高压级吸收器。

优选地，当产生余热时，余热输送至压缩循环蒸发器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设置压缩式热泵子循环系统和两级吸收式热泵子循环系统，实现了对进压缩式热泵温升能力和两级吸收式热泵效率的提高，并为低品位热源温度提升和余热回收提供了一种高效的循环方式，且有助于提高余热回收的效率。

2、本发明通过第一压缩循环冷凝器和发生器进行换热，第二压缩循环冷凝器和吸收循环低压级蒸发器进行换热，吸收循环冷凝器和压缩循环蒸发器进行换热，低压级吸收器和吸收循环高压级蒸发器进行换热，由溶液泵进入高压级吸收器的溶液和由低压级吸收器进入第二节流阀的溶液在第一溶液热回收器中进行换热，由溶液泵进入高压级吸收器的溶液和由高压级吸收器进入第三节流阀的溶液在第二溶液热回收器中进行换热，实现了压缩式热泵子循环系统和两级吸收式热泵子循环系统的热交换连通，有助于提高能量吸收效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明主要体现两级吸收-压缩热耦合的热泵系统整体结构的示意图。

图中所示：

高压级吸收器1第二节流阀10

发生器2第三节流阀11

吸收循环冷凝器3第一冷剂泵12

吸收循环低压级蒸发器4第二冷剂泵13

低压级吸收器5压缩机21

吸收循环高压级蒸发器6第一压缩循环冷凝器22

第一溶液热回收器7第二压缩循环冷凝器23

第二溶液热回收器8第一节流阀24

溶液泵9压缩循环蒸发器25

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，根据本发明提供的一种两级吸收-压缩热耦合的热泵系统，包括压缩式热泵子循环系统和两级吸收式热泵子循环系统，压缩式热泵子循环系统包括压缩机21、压缩循环冷凝器、第一节流阀24以及压缩循环蒸发器25，压缩循环冷凝器包括第一压缩循环冷凝器22和第二压缩循环冷凝器23。

压缩机21、多个压缩循环冷凝器、压缩循环蒸发器25通过管路依次连通。具体地，压缩机21的出口与第一压缩循环冷凝器22的进口连通，第一压缩循环冷凝器22的出口与第二压缩循环冷凝器23的进口连通，第二压缩循环冷凝器23的出口与第一节流阀24的一端连通，第一节流阀24的另一端与压缩循环蒸发器25的进口连通，压缩循环蒸发器25的出口与压缩机21的进口连通。

两级吸收式热泵子循环系统包括高压级吸收器1、低压级吸收器5、发生器2、溶液热回收器、吸收循环冷凝器3、吸收循环低压级蒸发器4、吸收循环高压级蒸发器6、溶液泵9、第二节流阀10、第三节流阀11、第一冷剂泵12以及第二冷剂泵13，溶液热回收器包括第一溶液热回收器7和第二溶液热回收器8。

具体地，其一压缩循环冷凝器设置在发生器2内，发生器2的第一出口经过多个溶液热回收器与高压级吸收器1的第一进口连通，高压级吸收器1的出口经过溶液热回收器与低压级吸收器5的第一进口连通，吸收循环高压级蒸发器6设置在低压级吸收器5内，吸收循环高压级蒸发器6的出口与高压级吸收器1的第二进口连通，低压级吸收器5的第二出口经过溶液热回收器与发生器2的进口连通。

发生器2的第二出口与吸收循环冷凝器3的进口连通，压缩循环蒸发器25设置在吸收循环冷凝器3内，吸收循环冷凝器3的第一出口与吸收循环高压级蒸发器6的进口连通，吸收循环冷凝器3的第二出口与吸收循环低压级蒸发器4的进口连通，另一压缩循环冷凝器设置在吸收循环低压级蒸发器4内，吸收循环低压级蒸发器4的出口与低压级吸收器5的第三进口连通。

更为具体地，压缩循环冷凝器包括第一压缩循环冷凝器22和第二压缩循环冷凝器23；第一缩循环冷凝器设置在发生器2内，第二压缩循环冷凝器23设置在吸收循环低压级蒸发器4内。

发生器2的第一出口连通有溶液泵9，溶液泵9的出口经过多个溶液热回收器与高压级吸收器1的第一进口连通。

高压级吸收器1的出口经过溶液热回收器与第三节流阀11连通，第三节流阀11的出口与低压级吸收器5的第一进口连通。

吸收循环冷凝器3通过第二冷剂泵13与吸收循环高压级蒸发器6的进口连通。

吸收循环冷凝器3的第二出口通过第一冷剂泵12与吸收循环低压级蒸发器4的进口连通。

低压级吸收器5的第二出口经过溶液热回收器与第二节流阀10的一端连通，第二节流阀10的另一端与发生器2的进口连通。

第二压缩循环冷凝器23的出口与第一节流阀24的一端连通，第一节流阀24的另一端与压缩循环蒸发器25的进口连通。

根据本发明提供的一种两级吸收-压缩热耦合的热泵系统的工作方法，工作方法包括压缩式热泵子循环系统的工作方法和两级吸收式热泵子循环系统的工作方法。

压缩式热泵子循环系统的工作方法：第一制冷剂蒸汽从压缩机21进入第一压缩循环冷凝器22冷凝并使发生器2受热，且形成第一制冷剂液体。第一制冷剂液体从第一压缩循环冷凝器22进入第二压缩循环冷凝器23冷凝，使吸收循环低压级蒸发器4受热，并形成第二制冷剂液体。第二制冷剂液体从第二压缩循环冷凝器23经第一节流阀24进入压缩循环蒸发器25，并吸收来自低品位热源和/或余热的热量和/或来自吸收循环冷凝器3的热量后，形成第二制冷剂蒸气。第二制冷剂蒸气从压缩循环蒸发器25经压缩机21压缩后，产生第一制冷剂蒸气，并进入第一压缩循环冷凝器22。

两级吸收式热泵子循环系统的工作方法：发生器2的溶液经溶液泵9、多个溶液热回收器进入高压级吸收器1。溶液在高压级吸收器1吸收来自吸收循环高压级蒸发器6的第五制冷剂蒸气后，释放热量输出。溶液从高压级吸收器1经第二溶液热回收器8、第三节流阀11进入低压级吸收器5，吸收来自吸收循环低压级蒸发器4的第四制冷剂蒸气后，使吸收循环高压级蒸发器6受热。溶液从低压级吸收器5经第一溶液热回收器7、第二节流阀10回至发生器2，回至发生器2中的溶液为回收溶液。回收溶液在发生器2经第一压缩循环冷凝器22加热后，产生第三制冷剂蒸气，剩余溶液然后进入溶液泵9。第三制冷剂蒸气从发生器2进入吸收循环冷凝器3冷凝后，使压缩循环蒸发器25受热，并形成第三制冷剂液体，第三制冷剂液体的一部分从吸收循环冷凝器3经第一冷剂泵12进入吸收循环低压级蒸发器4，第三制冷剂液体的一部分进入吸收循环低压级蒸发器4后，吸收来自第二压缩循环冷凝器23的热量，形成第四制冷剂蒸气，并进入低压级吸收器5。第三制冷剂液体的另一部分从吸收循环冷凝器3经第二冷剂泵13进入吸收循环高压级蒸发器6，第三制冷剂液体的另一部分进入吸收循环高压级蒸发器6后，吸收来自低压级吸收器5的热量，形成第五制冷剂蒸气，并进入高压级吸收器1。

需要注意的是，当产生余热时，余热输送至压缩循环蒸发器25。

具体地说，当循环系统以工作模式运行时，余热输入至压缩式热泵子循环系统的蒸发器，经过压缩式热泵子循环系统的温度提升，由压缩式热泵子循环系统的冷凝器输出至两级吸收式热泵子循环系统的吸收循环低压级蒸发器4和发生器2，热量经过两级吸收式热泵子循环系统的进一步温度提升最终从两级吸收式热泵子循环系统的高压级吸收器1输出。此外，吸收循环冷凝器3释放的热量可以输入到压缩循环蒸发器25，进而减少余热的输入量并提高整体热效率。工作模式具有相对高的输出温度。

更为具体地说，压缩式热泵子循环系统的热量输出可以同时进入两级吸收式热泵子循环系统的吸收循环低压级蒸发器4和发生器2，可以依次进入两级吸收式热泵子循环系统的吸收循环低压级蒸发器4和发生器2，也可以依次进入两级吸收式热泵子循环系统的发生器2和吸收循环低压级蒸发器4。

一种可行的实施方式为，在使用溴化锂水溶液作为两级吸收式热泵子循环系统的工质对时，压缩式热泵子循环系统的热输出依次加热两级吸收式热泵子循环系统的吸收循环低压级蒸发器4和发生器2，以降低系统的结晶风险。在使用氨水溶液作为两级吸收式热泵子循环的工质对时，压缩式热泵子循环系统的冷凝热依次加热两级吸收式热泵子循环系统的发生器2和吸收循环低压级蒸发器4，以降低系统的压力，增强系统安全性并减少溶液泵9、第一冷剂泵12和第二冷剂泵13的功耗。

其中，压缩循环冷凝器输出热量至发生器2和吸收循环低压级蒸发器4时具有多种热交换方式：第一种热交换方式为第一压缩循环冷凝器22和第二压缩循环冷凝器23的热量输出同时输入至吸收循环低压级蒸发器4和发生器2，第二种热交换方式为压缩循环冷凝器的热量依次输入至吸收循环低压级蒸发器4和发生器2，第三种热交换方式为压缩循环冷凝器的热量依次输入至发生器2和吸收循环低压级蒸发器4。第一种热交换方式适用于压缩式热泵子循环输出功率高的情况。第二种热交换方式适用于溴化锂水溶液作为两级吸收式热泵子循环工质的情况，具有低结晶风险的特点。第三种热交换方式适用于氨水溶液作为两级吸收式热泵子循环工质对的情况，具有降低系统压力、溶液泵9功耗、第一冷剂泵12功耗和第二冷剂泵13功耗的特点。

实施例二

基于实施例一，根据本发明提供的一种两级吸收-压缩热耦合的热泵系统，在工作模式下运行的循环系统的主要内部换热如下：第一压缩循环冷凝器22和发生器2进行换热，第二压缩循环冷凝器23和吸收循环低压级蒸发器4进行换热，吸收循环冷凝器3和压缩循环蒸发器25进行换热，低压级吸收器5和吸收循环高压级蒸发器6进行换热，由溶液泵9进入高压级吸收器1的溶液和由低压级吸收器5进入第二节流阀10的溶液在第一溶液热回收器7中进行换热，由溶液泵9进入高压级吸收器1的溶液和由高压级吸收器1进入第三节流阀11的溶液在第二溶液热回收器8中进行换热。该循环系统的外部换热情况如下：余热输入至压缩循环蒸发器25，高压级吸收器1对外进行热输出。

以工作模式运行时，压缩式热泵子循环系统内部工质流动如下：制冷剂蒸气从压缩机21进入第一压缩循环冷凝器22后冷凝并释放热量给发生器2，再进入第二压缩循环冷凝器23继续冷凝成为制冷剂液体并释放热量给吸收循环低压级蒸发器4，制冷剂液体进入第一节流阀24降压后进入压缩循环蒸发器25吸收来自余热和吸收循环冷凝器3的热量后蒸发为制冷剂蒸气，制冷剂蒸气进入压缩机21被压缩升压后再次进入第一压缩循环冷凝器22。

以工作模式运行时，两级吸收式热泵子循环系统内部工质流动如下：发生器2中的溶液通过溶液泵9、第一溶液热回收器7和第二溶液热交换器8后进入高压级吸收器1，进入高压级吸收器1的溶液在吸收来自吸收循环高压级蒸发器6的制冷剂蒸气后释放热量输出，并经过第二溶液热交换器8和第三节流阀11进入低压级吸收器5，进入低压级吸收器5的溶液继续吸收来自吸收循环低压级蒸发器4的制冷剂蒸气并释放热量给吸收循环高压级蒸发器6，然后经过第一溶液热回收器7和第二节流阀10回到发生器2中，回到发生器2中的溶液经过第一压缩循环冷凝器22的加热产生制冷剂蒸气并再次进入溶液泵9，该过程产生的制冷剂蒸气进入吸收循环冷凝器3，吸收循环冷凝器3中的制冷剂蒸气冷凝为制冷剂液体并释放热量给压缩循环蒸发器25，吸收循环冷凝器3中的一部分制冷剂液体经过第一冷剂泵12进入吸收循环低压级蒸发器4，受到第二压缩循环冷凝器23的加热蒸发成为制冷剂蒸气并进入低压级吸收器5，吸收循环冷凝器3中的另一部分制冷剂液体经过第二冷剂泵13进入吸收循环高压级蒸发器6，受到低压级吸收器5的加热蒸发成为制冷剂蒸气并进入高压级吸收器1。两级吸收热泵子循环所采用的制冷剂可以是压缩热泵子循环中所采用的制冷剂，也可以不是压缩热泵子循环中所采用的制冷剂。

以工作模式运行时，压缩机21和第一压缩循环冷凝器22、第二压缩循环冷凝器23之间有三种连接方式，在图1所示的连接方式中，压缩机21出口先连接与发生器2换热的第一压缩循环冷凝器22，再连接与吸收循环低压级蒸发器4换热的第二压缩循环冷凝器23。除此之外，可以使压缩机21出口先连接与吸收循环低压级蒸发器4换热的第二压缩循环冷凝器23，再连接与发生器2换热的第一压缩循环冷凝器22；也可以使压缩机21出口同时连接与发生器2换热的第一压缩循环冷凝器22和与吸收循环低压级蒸发器4换热的第二压缩循环冷凝器23。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。