蒸汽热水联供热泵装置

技术领域

本发明涉及制热技术领域，特别是涉及一种蒸汽热水联供热泵装置。

背景技术

高温水蒸汽是工、农、商、医、食品等行业最常用的热介质。当下，高温蒸汽主要通过燃油燃煤锅炉产生，不仅能耗较大，且对环境污染也较大。随着生态文明建设的日益推进，传统燃油燃煤锅炉势必要被淘汰，因此，以电力为首的清洁能源开发与利用将赢得热能用户的青睐。

二氧化碳热泵利用二氧化碳作为循环工质，通过充分利用二氧化碳循环工质的相变潜热，可以以较小的电力代价产生大量的高品质热能。如何进一步提升二氧化碳热泵的效率，是当下亟待研究解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种蒸汽热水联供热泵装置，用以提升二氧化碳热泵的效率。

本发明实施例提供一种蒸汽热水联供热泵装置，包括通过气冷器换热耦合的二氧化碳热泵系统和蒸汽热水联供系统；

所述二氧化碳热泵系统包括膨胀机，所述气冷器的放热侧出口与所述膨胀机的进口连接，所述膨胀机的出口与所述气冷器的放热侧进口连接；所述蒸汽热水联供系统包括给水泵、闪蒸罐和水蒸汽压缩机，所述给水泵通过所述气冷器的吸热侧与所述闪蒸罐的进口连接；所述闪蒸罐包括热水出口和与所述水蒸汽压缩机进口相连接的蒸汽出口；所述膨胀机与所述水蒸汽压缩机通过传动轴传动连接。

其中，所述蒸汽热水联供系统还包括补水泵，所述补水泵的出水口与所述水蒸汽压缩机的进口连接。

其中，所述二氧化碳热泵系统还包括二氧化碳压缩机和蒸发器，所述二氧化碳压缩机、所述气冷器、所述膨胀机和所述蒸发器依次连接，所述蒸发器的出口与所述二氧化碳压缩机的进口连接。

其中，所述二氧化碳热泵系统还包括储液器和气液分离器；

所述储液器的进口与所述膨胀机的出口连接，所述储液器包括气路出口和液路出口，所述气路出口与所述二氧化碳压缩机的进口连接，所述液路出口经所述蒸发器与所述气液分离器的进口连接，所述气液分离器的出口与所述二氧化碳压缩机的进口连接。

其中，所述二氧化碳热泵系统还包括回热器，所述气冷器的放热侧出口通过所述回热器的过冷侧与所述膨胀机的进口连接，所述蒸发器的出口通过所述回热器的过热侧与所述二氧化碳压缩机的进口连接。

其中，所述气路出口设有减压阀，所述气液分离器的出口设有第一单向阀。

其中，所述二氧化碳压缩机与所述气冷器之间设有第二单向阀。

其中，所述二氧化碳压缩机与所述气冷器之间设有油分离器。

本发明实施例提供的蒸汽热水联供热泵装置，二氧化碳热泵系统以二氧化碳作为循环工质，能够充分利用二氧化碳循环工质的相变潜热，以较小的电力代价产生大量的高品质热能。在气冷器中放热后的二氧化碳循环工质处于超临界状态，具有一定压力和温度的超临界二氧化碳将在膨胀机中绝热膨胀，冲击膨胀机的叶轮，超临界二氧化碳具有的势能和动能转化为叶轮的动能，带动膨胀机的转轴转动，使膨胀机有效回收超临界二氧化碳节流时的膨胀功，膨胀机和水蒸汽压缩机通过传动轴连接，传动轴能够将膨胀机转轴的转动传递给水蒸汽压缩机，以带动水蒸汽压缩机转动，从而提高了二氧化碳热泵系统的效率，降低水蒸汽压缩机的功耗，提高能源利用效果，使装置更为清洁环保。水蒸汽压缩机运行时会在闪蒸罐内产生负压，负压环境下闪蒸罐内热水产生水蒸汽并进入水蒸汽压缩机；经水蒸汽压缩机压缩增焓成具有一定压力的高温蒸汽，水蒸汽压缩机可以提供20℃～60℃的温升。水蒸汽压缩机不但提高了水蒸汽的温度和产量，而且升压后的水蒸汽便于向热用户进行输送。闪蒸罐底部的热水可以提供给有热水需求的用户，使装置能够同时向不同的用户提供蒸汽或热水，不但使热水中的低品质热量得到了充分、有效利用，而且扩展了装置的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的蒸汽热水联供热泵装置结构示意图；

图中：1、气冷器；2、膨胀机；3、给水泵；4、传动轴；5、二氧化碳压缩机；6、储液器；7、蒸发器；8、气液分离器；9、减压阀；10、第一单向阀；11、第二单向阀；12、油分离器；13、回热器；14、闪蒸罐；15、水蒸汽压缩机；16、补水泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明实施例提供了一种蒸汽热水联供热泵装置，包括二氧化碳热泵系统和蒸汽热水联供系统。二氧化碳热泵系统和蒸汽热水联供系统通过气冷器1换热耦合；二氧化碳热泵系统包括膨胀机2，气冷器1的放热侧出口与膨胀机2的进口连接，膨胀机2的出口与气冷器1的放热侧进口连接；蒸汽热水联供系统包括给水泵3、闪蒸罐14和水蒸汽压缩机15，给水泵3通过气冷器1的吸热侧与闪蒸罐14的进口连接；闪蒸罐14包括热水出口和与水蒸汽压缩机15进口相连接的蒸汽出口；膨胀机2与水蒸汽压缩机15通过传动轴4传动连接。

本发明实施例提供的蒸汽热水联供热泵装置，二氧化碳热泵系统以二氧化碳作为循环工质，能够充分利用二氧化碳循环工质的相变潜热，以较小的电力代价产生大量的高品质热能。气冷器1包括二氧化碳循环工质流过的放热侧和冷却水流过的吸热侧，通过气冷器1的换热作用，二氧化碳循环工质在通过气冷器1时将热量传递给蒸汽热水联供系统中的冷却水，冷却水在气冷器1的吸热侧加热后，进入到闪蒸罐14中。

在气冷器1中放热后的二氧化碳循环工质处于超临界状态，具有一定压力和温度的超临界二氧化碳将在膨胀机2中绝热膨胀，冲击膨胀机2的叶轮，超临界二氧化碳具有的势能和动能转化为叶轮的动能，带动膨胀机2的转轴转动，使膨胀机2有效回收超临界二氧化碳节流时的膨胀功，膨胀机2和水蒸汽压缩机15通过传动轴4连接，传动轴4能够将膨胀机2转轴的转动传递给水蒸汽压缩机15，以带动水蒸汽压缩机15转动，从而提高了二氧化碳热泵系统的效率，降低水蒸汽压缩机15的功耗，提高能源利用效果，使装置更为清洁环保。

冷却水在气冷器1吸热侧可吸热升温至90℃左右并进入闪蒸罐14；水蒸汽压缩机15运行时会在闪蒸罐14内产生负压，负压环境下闪蒸罐14内热水产生水蒸汽并进入水蒸汽压缩机15；经水蒸汽压缩机15压缩增焓成具有一定压力的高温100～150℃蒸汽，水蒸汽压缩机15可以提供20℃～60℃的温升，水蒸汽压缩机15能够提高水蒸汽的温度和产量。闪蒸罐14底部的热水可以提供给有热水需求的用户，使装置能够同时向不同的用户提供蒸汽或热水，不但使热水中的低品质热量得到了充分、有效利用，而且扩展了装置的应用场景。

一个具体实施例中，蒸汽热水联供系统还包括补水泵16，补水泵16的出水口与水蒸汽压缩机15的进口连接。补水泵16通过喷水不但能够降低水蒸汽压缩机15的排气温度、消减过热度和增大蒸汽量，而且还能起到润滑、密封的作用。当无需进行热水供应时，还可以将闪蒸罐14的热水出口与补水泵16的进水口连接，使闪蒸罐14底部的热水作为补水源，能最大限度的利用水中的热量，此外，补水温度高对于水蒸汽压缩机15来说，能够降低压比，减少能量消耗。

一个具体实施例中，二氧化碳热泵系统还包括二氧化碳压缩机5和蒸发器7。二氧化碳压缩机5、气冷器1、膨胀机2和蒸发器7依次连接，蒸发器7的出口与二氧化碳压缩机5的进口连接。二氧化碳循环工质经二氧化碳压缩机5压缩后处于高温高压的超临界状态，进入气冷器1中放热给冷却水，放热后的超临界二氧化碳进入膨胀机2中膨胀节流、输出膨胀功，之后液态二氧化碳进入蒸发器7吸热蒸发，并最终再次进入二氧化碳压缩机5，完成热泵循环。二氧化碳压缩机5可以在0-50Hz之间的频率运行。

一个具体实施例中，二氧化碳热泵系统还包括储液器6和气液分离器8。储液器6的进口与膨胀机2的出口连接，储液器6包括气路出口和液路出口，气路出口与二氧化碳压缩机5的进口连接，液路出口经蒸发器7与气液分离器8的进口连接，气液分离器8的出口与二氧化碳压缩机5的进口连接。二氧化碳循环工质在膨胀机2中膨胀节流后处于气液两相混合状态，经储液器6进口进入储液器6后，液态的二氧化碳循环工质经储液器6下方的液路出口进入蒸发器7中吸热蒸发并进入气液分离器8；储液器6气路出口和气液分离器8上方的出口均连接二氧化碳压缩机5的进口。

进一步地，为了稳定二氧化碳压缩机5进口压力，储液器6的气路出口设有减压阀9；气液分离器8的出口设有第一单向阀10，二氧化碳压缩机5与气冷器1之间可以设有第二单向阀11，以防止气体回堵。另外，为了保证设备安全高效地运行，还可以在二氧化碳压缩机5与气冷器1之间设置油分离器12，将二氧化碳压缩机5随二氧化碳循环工质排出的润滑油进行分离。

一个具体实施例中，二氧化碳热泵系统还包括回热器13，回热器13包括过冷侧和过热侧，气冷器1的放热侧出口通过回热器13的过冷侧与膨胀机2的进口连接，蒸发器7的出口通过回热器13的过热侧与二氧化碳压缩机5的进口连接。设置回热器13，对二氧化碳循环工质一方面在气冷器1出口起到过冷作用，另一方面在二氧化碳压缩机5进口起到过热作用，从而提高二氧化碳热泵系统的COP(coefficient of performance，循环性能系数)，减少能量损失。

由以上实施例可以看出，本发明提供的蒸汽热水联供热泵装置，二氧化碳热泵系统以二氧化碳作为循环工质，能够充分利用二氧化碳循环工质的相变潜热，以较小的电力代价产生大量的高品质热能。在气冷器1中放热后的二氧化碳循环工质处于超临界状态，具有一定压力和温度的超临界二氧化碳将在膨胀机2中绝热膨胀，冲击膨胀机2的叶轮，超临界二氧化碳具有的势能和动能转化为叶轮的动能，带动膨胀机2的转轴转动，使膨胀机2有效回收超临界二氧化碳节流时的膨胀功，膨胀机2和水蒸汽压缩机15通过传动轴4连接，传动轴4能够将膨胀机2转轴的转动传递给水蒸汽压缩机15，以带动水蒸汽压缩机15转动，从而提高了二氧化碳热泵系统的效率，降低水蒸汽压缩机15的功耗，提高能源利用效果，使装置更为清洁环保。水蒸汽压缩机15运行时会在闪蒸罐14内产生负压，负压环境下闪蒸罐14内热水产生水蒸汽并进入水蒸汽压缩机15；经水蒸汽压缩机15压缩增焓成具有一定压力的高温蒸汽，水蒸汽压缩机15可以提供20℃～60℃的温升。水蒸汽压缩机15不但提高了水蒸汽的温度和产量，而且升压后的水蒸汽便于向热用户进行输送。闪蒸罐14底部的热水可以提供给有热水需求的用户，使装置能够同时向不同的用户提供蒸汽或热水，不但使热水中的低品质热量得到了充分、有效利用，而且扩展了装置的应用场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。