一种级热式高效蒸汽热泵机组及其控制方法

技术领域

本发明涉及蒸汽热泵机组技术领域，尤其涉及一种级热式高效蒸汽热泵机组及其控制方法。

背景技术

目前已有一般的蒸汽热泵机组，采用无预热的低温自来水直补水，以及采用单级冷媒压缩循环制取高温水蒸汽。但此类普通的单级蒸汽热泵机组存在以下问题：

一、采用无预热的低温自来水直补水至闪蒸罐中，导致补水后闪蒸罐中的高温热水因补入冷水而使整个闪蒸罐中水温度下降，从而导致高温热泵需要输出更高的热水出水温度才能够热水沸腾蒸发产生蒸汽，导致高温热泵系统的冷凝温度、排气温度以及制冷剂液体温度高，运行工况差，能耗大的同时产生了过热的不可靠因素。

二、采用单级冷媒压缩循环制取高温水蒸汽，为了使高温热水沸腾，其单级冷媒压缩的冷凝温度需要达到100℃以上，导致高温热泵系统的冷凝温度、排气温度高、制冷剂液体温度高，运行工况差，能耗大的同时产生了过热的不可靠因素。

因此，限制了此类一般的单级蒸汽热泵机组能效和可靠性的提升，导致器产生效率低、能耗高、且容易由于过热损坏等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能耗低、效率高、防止过热损坏可靠性高且能提升制冷剂液体过冷度的级热式高效蒸汽热泵机组及其控制方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种级热式高效蒸汽热泵机组，包括蒸汽发生系统、若干个冷媒循环系统以及与冷媒循环系统对应设有若干个的梯级预热系统；

蒸汽发生系统包括依次通过管道连接的闪蒸罐、蒸汽压缩机以及蒸汽出口；

若干个冷媒循环系统均包括冷媒压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，冷媒压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器依次通过管道连接并形成闭环；

若干个梯级预热系统依次连接，且每个梯级预热系统均包括通过管道连接第一换热器和第二换热器；

每个第一换热器连通于对应的冷凝器与膨胀阀之间，每个冷媒压缩机的油路出进口分别与对应的第二换热器的油路进出口通过油管连通形成闭环；

最前端的第一换热器连接有进水口，进水口与第一换热器之间连通设有第一水泵，若干个冷凝器依次连通，最后端的冷凝器通过调节阀与闪蒸罐连通，最前端的冷凝器与最后端的第二换热器连通。

作为优选，冷媒循环系统和梯级预热系统均对应设有三个。

作为优选，每个冷媒压缩机的出油管与对应冷媒压缩机的进油管之间连通有旁通阀。

作为优选，还包括电气控制系统，电气控制系统包括：

传感器组件，用于感应目标位置的温度、压强或液位高度；

传感器数据采集模块，与传感器组件连接，用于采集传感器组件感应的数据；

中央控制器，与传感器数据采集模块连接，用于对采集的数据进行处理分析并通过预设的控制参数对受控器件发送控制指令，受控器件包括控制第一水泵开度的水泵调速器，冷媒压缩机、旁通阀以及调节阀均为受控器件；

显示操作模块，与中央控制器连接，用于设定预设的控制参数。

作为优选，传感器组件包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三温度传感器、液位传感器以及油路温度传感器，油路温度传感器安装于每个冷媒压缩机油路出口与对应第二换热器油路进口之间的连接管处，第一压力传感器安装于调节阀与冷凝器之间的连接管上，第二压力传感器和第三温度传感器均安装于闪蒸罐与蒸汽压缩机之间的连接管上。

作为优选，传感器组件还包括第一温度传感器、第二温度传感器以及第三压力传感器，第一温度传感器安装于最后端的第二换热器与冷凝器之间的连接管上，第二温度传感器安装于调节阀与冷凝器之间的连接管上，第三压力传感器安装于蒸汽压缩机与蒸汽出口之间的连接管道上。

本发明还提供了一种级热式高效蒸汽热泵机组的控制方法，作为优选，第一压力传感器实际测试压力为P

当P

当P

当P

作为优选，在显示操作模块上设定蒸汽以压力为控制目标或以温度为控制目标；

当设定蒸汽以压力为控制目标时；

第二压力传感器实际测试压力为P

当P

当P

当P

当设定蒸汽以温度为控制目标时；

第三温度传感器实际测试温度为T

当T

当T

当T

作为优选，液位传感器的实际测试液位为H

当H

当H

当H

作为优选，每处油路中的油路温度传感器实际测试温度为T

当T

当T

本发明的有益效果在于：

该级热式高效蒸汽热泵机组采用创新的补水梯级预热结合高温热水梯级加热的方式；利用低温补水，在梯级中对制冷剂液体和冷媒压缩机润滑油进行冷却的同时，实现梯级预热，大幅度减少低温补水对闪蒸罐内高温热水温度的冲击，且提升节能性，结合采用多级蒸汽热泵加热高温热水产出蒸汽，实现梯级加热，大幅度降低各级热泵系统的冷凝温度，防止系统部件过热损坏的同时提升了蒸汽热泵系统的能效比和运行可靠性。

附图说明

图1为本发明的总系统结构示意图。

图2为电气控制系统的连接框架图。

图3为蒸汽发生系统的结构示意图。

图4为多级冷媒循环系统的结构示意图。

图5为多级梯级预热系统的结构示意图。

图6为多级冷媒循环系统与多级梯级预热系统的连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种级热式高效蒸汽热泵机组，包括蒸汽发生系统1、若干个冷媒循环系统2以及与冷媒循环系统2对应设有若干个的梯级预热系统3；

蒸汽发生系统1包括依次通过管道连接的闪蒸罐11、蒸汽压缩机12以及蒸汽出口13；

若干个冷媒循环系统2均包括冷媒压缩机21、冷凝器22、膨胀阀23和蒸发器24，冷媒压缩机21、冷凝器22、膨胀阀23和蒸发器24依次通过管道连接并形成闭环；

若干个梯级预热系统3依次连接，且每个梯级预热系统3均包括通过管道连接第一换热器31和第二换热器32；

每个第一换热器31连通于对应的冷凝器22与膨胀阀23之间，每个冷媒压缩机21的油路出口与对应的第二换热器32的油路进口通过油管连通，且第二换热器32的油路出口与冷媒压缩机21的油路进口通过油管连通，进而使油路形成闭环。

如图1所示，最下方的第一换热器31为最前端的第一换热器31，最上方的冷凝器22为最后端的冷凝器22，最前端的第一换热器31连接有进水口33，进水口33与第一换热器31之间连通设有第一水泵34，若干个冷凝器22依次连通，最后端的冷凝器22通过调节阀25与闪蒸罐11连通，最前端的冷凝器22与最后端的第二换热器32连通。

为了大幅度降低热泵系统的冷凝温度，本实施例中，优选的，冷媒循环系统2和梯级预热系统3均对应设有三个，目的是方便采用高温热水梯级加热的方式，设置多个冷媒循环系统2进行逐级加热，防止系统部件过热损坏的同时提升了蒸汽热泵系统的能效比和运行可靠性。

为了方便控制冷媒压缩机21的进出油管与第二换热器32断开或接通，本实施例中，优选的，每个冷媒压缩机21的出油管与其进油管之间连通有旁通阀27，目的是结合温度传感器通过在设定温度下控制冷媒压缩机21的进出油管与第二换热器32断开或接通，更加智能化换热。

为了方便提高智能化控制程度，本实施例中，优选的，还包括电气控制系统4，电气控制系统4包括：

传感器组件，用于感应目标位置的温度、压强或液位高度；

传感器数据采集模块41，与传感器组件连接，用于采集传感器组件感应的数据；

中央控制器42，与传感器数据采集模块41连接，用于对采集的数据进行处理分析并通过预设的控制参数对受控器件发送控制指令，受控器件包括蒸汽压缩机12、冷媒压缩机21、旁通阀27、调节阀25、以及控制第一水泵34开度的水泵调速器43；

显示操作模块44，与中央控制器42连接，用于设定预设的控制参数。

为了方便监测机组中各个位置的温度、压强或液位，本实施例中，优选的，传感器组件包括第一压力传感器401、第二压力传感器402、第三温度传感器403、液位传感器404以及油路温度传感器405，油路温度传感器405安装于每个冷媒压缩机21油路出口与对应第二换热器32油路进口之间的连接管处，第一压力传感器401安装于调节阀25与冷凝器22之间的连接管上，第二压力传感器402和第三温度传感器403均安装于闪蒸罐11与蒸汽压缩机12之间的连接管上。

为了方便进一步监测机组中各个位置的温度或压强，本实施例中，优选的，传感器组件还包括第一温度传感器406、第二温度传感器407以及第三压力传感器408，第一温度传感器406安装于最后端的第二换热器32与冷凝器22之间的连接管上，第二温度传感器407安装于调节阀25与冷凝器22之间的连接管上，第三压力传感器408安装于蒸汽压缩机12与蒸汽出口13之间的连接管道上。

本发明还提供了一种级热式高效蒸汽热泵机组的控制方法；

为了方便调节冷凝器22与调节阀25之间的压强，便于控制从冷凝器22向闪蒸罐11内进热水，本实施例中，优选的，第一压力传感器401实际测试压力为P

当P

当P

当P

为了方便设定蒸汽以压力或温度为控制目标，本实施例中，优选的，在显示操作模块44上设定蒸汽以压力为控制目标或以温度为控制目标；

当设定蒸汽以压力为控制目标时；

第二压力传感器402实际测试压力为P

当P

当P

当P

当设定蒸汽以温度为控制目标时；

第三温度传感器403实际测试温度为T

当T

当T

当T

为了方便保持闪蒸罐11内一定的液位高度，本实施例中，优选的，液位传感器404的实际测试液位为H

当H

当H

当H

为了方便通过在设定温度下控制冷媒压缩机21的进出油管与第二换热器32断开或接通，更加智能化换热，本实施例中，优选的，每处油路中的油路温度传感器405实际测试温度为T

当T

当T

本发明的工作原理及使用流程：在冷媒循环系统2中，冷媒压缩机21将低温低压的气体工质压缩成高温高压气体，再经过冷凝器22，在冷凝器22中放热冷凝成高温高压的液体，经膨胀阀23节流后，则成为低温低压的液体，低温低压的液态工质送入蒸发器24，在蒸发器24中吸热蒸发而成为低温低压的气体，气体工质再重新进入冷媒压缩机21内从而完成冷媒循环。

在梯级预热系统3中，第一水泵34驱动进水口33进水，使液态水依次流经第一换热器31以及第二换热器32进行小梯级预热，同时，利用低温补水，每级的第一换热器31对每级对应的冷凝器22输出的制冷剂液体进行冷却，提升制冷剂液体的过冷度，以及第二换热器32对冷媒压缩机21润滑油进行冷却，保证润滑油的黏度。

请参阅图4，设置有多个冷媒循环系统2，且根据加热程度依次增级，大幅度降低各级热泵系统的冷凝温度，防止系统部件过热损坏的同时提升了蒸汽热泵系统的能效比和运行可靠性。

请参阅图5和图6，根据多个冷媒循环系统2对应设置有同样数量的梯级预热系统3，液态水依次经过第一换热器31、第二换热器32以及下一个梯级预热系统3中的第一换热器31和第二换热器32，如此进行逐级升温，直至到最后一个梯级预热系统3中的第二换热器32，完成大梯级预热，大幅度减少低温补水对闪蒸罐11内高温热水温度的冲击且提升节能性，然后液态水从最后一个梯级预热系统3中的第二换热器32进入最初始梯级预热系统3中的冷凝器22内，多个冷媒循环系统2的冷凝器22依次连通，最后端的冷凝器22通过调节阀25与闪蒸罐11连通，多个冷凝器22的冷凝温度由低到高设置，无需每个冷凝温度都达到100℃以上，只需最后一级的冷凝温度达到100℃以上即可，完成大梯级预热的液态水依次经过多级冷凝器22进行高温加热，大幅度降低各级热泵系统的冷凝温度，防止系统部件过热损坏的同时提升了蒸汽热泵系统的能效比和运行可靠性。

最前端的冷凝器22可通过第二水泵26与最后端的第二换热器32连通，第二水泵26为受控器件，第一温度传感器406安装于第二水泵26与冷凝器22之间的连接管上，最后一个梯级预热系统3中的第二换热器32与第二水泵26的连接管可与闪蒸罐11底部连通，方便通过控制第二水泵26驱动闪蒸罐11中已冷却的热水进入冷凝器22补充加热。

请参阅图3，在蒸汽发生系统1中，闪蒸罐11内的热水进入蒸汽压缩机12内最后从蒸汽出口13喷出。

通过传感器监测机组中各个位置的温度、压强以及液位，继而控制受控器件进行调节，保持系统平衡，提高系统的可靠性，请参阅图2，在电气控制系统4中，通过显示操作模块44设定预设的控制参数，通过传感器组件感应目标位置的温度、压强或液位高度，通过传感器数据采集模块41采集传感器组件感应的数据，并发送到中央控制器42，由中央控制器42对采集的数据进行处理分析并通过预设的控制参数对受控器件发送控制指令，进而驱动水泵调速器43，冷媒压缩机21、旁通阀27以及调节阀25作出相应的调节动作，最后达到实测值与设定值相对平衡的状态，智能化程度更高。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。