三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环及供热方法与流程

本发明涉及太阳能热利用及热泵空调领域，尤其涉及一种三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备及供热方法。

背景技术：

目前太阳能开发利用方式比较单一，绝大部分是低温热水。太阳能采暖、制冷、工业加热和太阳能热发电已有应用，但远未达到规模化。在太阳能采暖的各种实现方式中，给定条件下以太阳能集热器产生热能驱动热泵供热效率较好，理论上能够把80％的太阳辐射能量转变为供热能力。

经对现有技术的公开文献检索发现，目前的太阳能热泵采暖仍然不稳定和不高效等问题。太阳能能量密度低，且太阳辐射受昼夜、天气变化存在间歇性和不稳定性。但供暖要求稳定、可靠；冬季环境温度低，日照时间短，会造成太阳能系统热损增加，集热温度不高，但效率降低会导致不能满足供暖负荷要求。理论上，热能驱动的常规吸收、吸附式热泵结合太阳能集热器可用于供暖，但传统以水为工质的吸收式或吸附式热泵循环难以满足低温冷冻环境要求，采用氨等低沸点工质的热泵系统要求驱动热源温度高(一般大于120℃)，完全靠太阳能集热器驱动工作时间短或难以启动。

本发明在单级平衡式氨-水再吸收热泵循环的基础上，增加了两个中压环节，即由中高压发生器和中高压吸收器等组成的中高压环节和由中低压发生器和中低压吸收器等组成的中低压环节，形成了三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环，并给出了此循环应用于室内供热时的运行方法。在不提高高温驱动热源温度的前提下，本发明中的热泵循环可以在更低的环境温度下工作。本发明摆脱了传统吸收式热泵循环工作压差受制冷剂冷凝压力和蒸发压力的限制，大大减小系统工作压力和压差，对驱动热源温度的变化，适应性增强。同时，与传统氨-水吸收循环相比，减少了精馏环节，系统结构更加简单紧凑。

技术实现要素：

由于太阳能热泵采暖的上述技术缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够长时间利用太阳能驱动，同时能在较低温度环境(＜-20℃)下工作的低温太阳能热(70～100℃)驱动的三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，并给出此循环设备应用于室内供热时的方法。

本发明提供的三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，包括溶液回路、制冷剂蒸汽管路、供回水管路和驱动热源。其中溶液回路包括高压发生器(压力最高的发生器)、高压吸收器(压力最高的吸收器)、中高压吸收器(压力次高的吸收器)、中高压发生器(压力次高的发生器)、中低压吸收器(压力次低的吸收器)、中低压发生器(压力次低的发生器)、第一低温溶液换热器(和高压吸收器直接相连的溶液换热器)、第二低温溶液换热器(和中低压吸收器直接相连的溶液换热器)、第三低温溶液换热器(和低压发生器直接相连的溶液换热器)、低压吸收器(压力最低的吸收器)、低压发生器(压力最低的发生器)、第一高温溶液换热器(和高压发生器直接连接的溶液换热器)、第二高温溶液换热器(和中高压发生器直接连接的溶液换热器)、第三高温溶液换热器(和中低压发生器直接连接的溶液换热器)、低压溶液混合罐(连接低压发生器和低压吸收器的溶液混合罐)、中高压溶液混合/分离罐(连接中高压发生器和中高压吸收器的混合/分离罐)、中低压溶液混合/分离罐(连接中低压发生器和中低压吸收器的混合/分离罐)、高压溶液分离罐(连接高压发生器和高压吸收器的溶液分离罐)、第一溶液循环泵、第二溶液循环泵、第三溶液循环泵和六个三通阀，高压发生器和高压吸收器之间连接有高压溶液分离罐，第三低温溶液换热器与所述低压发生器之间连接有第一节流阀，第三高温溶液换热器和低压吸收器之间连接有第二节流阀，第一高温溶液换热器和中高压溶液混合/分离罐之间连接有第三节流阀，第二高温溶液换热器和所述中低压溶液混合/分离罐之间连接有第四节流阀，低压发生器和低压吸收器之间连接有低压溶液混合罐，第一高温溶液换热器和高压溶液分离罐之间连接有第二溶液循环泵，第二高温溶液换热器和中高压溶液混合/分离罐之间连接有第一溶液循环泵，第三高温溶液换热器和中低压溶液混合/分离罐之间连接有第三溶液循环泵；制冷剂蒸汽管路包括高压制冷剂蒸汽管路、中高压制冷剂蒸汽管路、中低压制冷剂蒸汽管路和低压制冷剂蒸汽管路；供回水管路包括供水管路和回水管路；驱动热源分为高温驱动热源和低温驱动热源。

三级等温氨-水再吸收式热泵循环设备溶液回路运行的工质为氨水溶液；制冷剂蒸汽管路运行的工质为氨蒸汽；供回水管路中运行的工质为水。具体来讲，三级等温氨-水再吸收式热泵循环设备有24股同时运行的工质，包括4股氨蒸汽、15股氨水溶液、3股驱动循环运行的太阳能集热器集热工质、1股环境换热工质，以及完成供暖过程的1股供回水。4股氨蒸汽包括高压发生过程产生的高温高压氨蒸汽、中高压发生过程产生的高温中高压氨蒸汽、中低压发生过程产生的高温中低压氨蒸汽和低压发生过程产生的低温低压氨蒸汽；15股氨溶液包括高压发生器产生的氨稀溶液a、中高压发生器产生的氨稀溶液b、中低压发生器产生的氨稀溶液c、高压吸收器产生的浓氨溶液d、低压发生器产生的氨稀溶液e、低压吸收器产生的浓氨溶液f，e和f在低压混合罐混合后的产生的溶液g、经中低压溶液混合/分离罐后分别进入中低压吸收器和中低压发生器的溶液h和i、中低压发生器产生的溶液j、j流经中高压溶液混合/分离罐与溶液a混合后分别进入中高压吸收器和中高压发生器的溶液k和l、中高压发生器产生的溶液m、溶液m流经高压溶液分离罐后分别进入高压吸收器和高压发生器的溶液n和溶液o；3股太阳能集热器集热工质分别进入高压发生器、中高压发生器和中低压发生器，加热相关过程；1股环境换热工质经换热管路流经低压发生器，驱动低压发生过程；1股供回水流程依次流经低压、中低压、中高压和高压吸收器，4部分吸收热使得管路水温上升，最后通入室内换热末端，实现供热过程。

制冷剂蒸汽管路的连接方式为：高压氨蒸汽管路入口和出口分别与高压发生器和高压吸收器相连；中高压氨蒸汽入口和出口分别与中高压发生器和中高压吸收器相连；中低压氨蒸汽入口和出口分别与中低压发生器和中低压吸收器相连；低压氨蒸汽入口和出口分别与低压发生器和低压吸收器相连。

供回水管路的连接方式为：回水管路与室内换热末端出口相连，依次流经所述低压、中低压、中高压和高压吸收器吸热，温度上升，供水管路入口和高压吸收器连接，供水管路入口与室内换热末端入口相连。

本发明中的高温驱动热源是cpc(compoundparaboliccollector，复合抛物面集热器)或者etc(evacuatedtubecollector，真空管式集热器)产生的70℃～100℃的太阳能热，燃气炉热作为备用高温驱动热源；低温驱动热源是不低于-20℃的环境热量或者余热，备用低温驱动热源是10～35℃的太阳能热。本发明可以根据环境温度进行工作模式切换，当环境温度不低于-20℃时，cpc/etc作为高温驱动热源，即工作在高温驱动模式下，高温驱动热源产生的热量在高温发生器中和氨溶液发生热交换，低温发生器由低温驱动热源即环境空气热或者余热提供热量；当环境温度低于-20℃时，cpc/etc作为低温驱动热源，即切换到低温驱动模式，低温驱动热源产生的热量在低温发生器中和氨溶液进行热交换，高温发生器则由备用高温驱动热源即燃气炉提供热量。

使用三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备进行供热的方法包括氨溶液回路、氨蒸汽管路、供回水管路和驱动热源的工作运行过程。

溶液回路和氨蒸汽管路的工作运行过程为，高压发生器入口氨溶液在高压发生器内与驱动热源换热之后，温度上升，析出高温高压氨蒸汽hv，氨溶液o变成稀溶液a；从高压发生器出来的氨稀溶液a，流经高温溶液换热器与溶液m换热降温之后，再经第三节流阀降低压力，进入中高压溶液混合/分离罐与溶液j混合；经过分离的氨溶液l在中高压发生器中吸收热量，析出高温中高压氨蒸汽mv1，变成氨稀溶液b，流经所述第二高温换热器与溶液j换热降温，再经第四节流阀节流降压，进入中低压溶液混合/分离罐与溶液g混合；经过分离的氨溶液i在中低压发生器中吸收热量，析出高温中低压氨蒸汽mv2，变成氨稀溶液c，流经所述第三高温换热器与溶液g换热降温，再经第二节流阀节流降压，出口与低压吸收器相连；从高压吸收器出来的浓溶液d，流经第一低温溶液换热器与溶液m换热降温之后，再流经第二、三低温换热器，经第一节流阀降低压力，进入低压发生器；低压发生器入口溶液在低压发生器内与低温驱动热源换热之后，温度上升，变成稀溶液e，并析出低温低压氨蒸汽lv；低压发生器出口的稀溶液f与低压吸收器出口的浓溶液e在溶液混合罐内充分混合，产生溶液g；溶液g流经第三低温溶液换热器与溶液d换热，然后流经第三高温溶液换热器与溶液c换热，由第三溶液循环泵送入中低压溶液混合/分离罐；中低压溶液混合/分离罐出口溶液分为两路，氨溶液h流入中低压吸收器，氨溶液i流入中低压发生器；氨溶液h在中低压吸收器中吸收氨蒸汽，放出热量，产生浓氨溶液j；浓氨溶液j经第二低温溶液换热器和第二高温溶液换热器，与氨溶液d和氨溶液b换热升温之后，由第一溶液循环泵送入中高压溶液混合/分离罐；中高压溶液混合/分离罐出口溶液分为两路，氨溶液k流入中高压吸收器，氨溶液l流入中高压发生器；氨溶液k在中高压吸收器中吸收氨蒸汽，放出热量，产生浓氨溶液m；浓氨溶液m经第一低温溶液换热器和第一高温溶液换热器，与氨溶液d和氨溶液a换热升温之后，由第二溶液循环泵送入高压溶液分离罐；高压溶液分离罐分离出氨溶液n和氨溶液o，分别流入高压吸收器和高压发生器。高压吸收器、中高压吸收器、中低压吸收器和低压吸收器内的吸收氨蒸汽的过程为非等温过程，存在热交换，高压吸收器出口浓溶液d温度可以低于供水流出高压吸收器的温度，中高压吸收器出口溶液m温度可以低于回水流出中高压吸收器时的温度，中低压吸收器出口溶液j温度可以低于回水流出中低压吸收器时的温度，低压吸收器出口浓溶液f的温度可以低于回水流出低压吸收器的温度。

供回水管路的工作运行过程为：供水过程，高压吸收器的氨溶液n吸收来自高压发生器的高温高压氨蒸汽hv释放热量，和供水管路发生热交换产生供水；室内供热过程，来自高压吸收器的供水和室内换热末端进行热交换；回水过程，经过室内换热终端后供水温度降低变成回水，进入低压吸收器，低压吸收器的氨稀溶液c吸收来自所述低压发生器的低温低压氨蒸汽lv释放热量，和回水管路发生热交换，回水继续进入中低压吸收器，中低压吸收器的氨溶液h吸收来自中低压发生器的高温中低压氨蒸汽mv2释放热量，继续和回水管路发生热交换，回水继续进入中高压吸收器，中高压吸收器的氨溶液k吸收来自中高压发生器的高温中高压氨蒸汽mv1释放热量，继续和回水管路发生热交换，回水继续进入高压吸收器，高压吸收器的氨溶液n吸收来自高压发生器的高温高压氨蒸汽hv释放热量，继续和回水管路发生热交换，最终回水温度升高变成供水，完成一次循环供热过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用氨-水工质，建立的循环适用于冬季低温环境下采暖；摆脱了单一纯工质蒸发和冷凝温度下饱和蒸汽压力的条件限制，本发明的工作压差较小；依靠控制浓度差运行，工作热源的温度范围更宽；不需要精馏装置，系统结构简单紧凑、制作工艺简单、投资费用低、节能且易于安装。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在太阳能热作为高温驱动热源运行模式下的示意图；

图2是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在太阳能作为低温驱动热源运行模式下的示意图；

图3a是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备制冷剂管路高温高压氨蒸汽hv运行示意图；

图3b是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备制冷剂管路高温中高压氨蒸汽mv1运行示意图；

图3c是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备制冷剂管路高温中低压氨蒸汽mv2运行示意图；

图3d是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备制冷剂管路低温低压氨蒸汽lv运行示意图；

图4是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备溶液回路运行示意图；

图5是本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备供回水运行示意图。

具体实施方式

本发明提供的三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备结构示意图如图1或者图2所示，包括溶液回路、制冷剂蒸汽管路、供回水管路和驱动热源。

溶液回路运行的工质为氨溶液；制冷剂蒸汽管路运行的工质为氨蒸汽；供回水管路中运行的工质为水。具体说，三级等温氨-水再吸收式热泵循环设备有24股同时运行的工质，包括4股氨蒸汽、15股氨溶液、3股驱动循环运行的太阳能集热器集热工质、1股环境换热工质，以及完成供暖过程的1股供回水。4股氨蒸汽包括高压发生过程产生的高温高压氨蒸汽、中高压发生过程产生的高温中高压氨蒸汽、中低压发生过程产生的高温中低压氨蒸汽和低压发生过程产生的低温低压氨蒸汽；15股氨溶液包括高压发生器产生的氨稀溶液a、中高压发生器产生的氨稀溶液b、中低压发生器产生的氨稀溶液c、高压吸收器产生的浓氨溶液d、低压发生器产生的氨稀溶液e、低压吸收器产生的浓氨溶液f，e和f在低压混合罐混合后的产生的溶液g、经中低压溶液混合/分离罐后分别进入中低压吸收器和中低压发生器的溶液h和i、中低压发生器产生的溶液j、j流经中高压溶液混合/分离罐与溶液a混合后分别进入中高压吸收器和中高压发生器的溶液k和l、中高压发生器产生的溶液m、溶液m流经高压溶液分离罐后分别进入高压吸收器和高压发生器的溶液n和溶液o；3股太阳能集热器集热工质分别进入高压发生器、中高压发生器和中低压发生器，加热相关过程；1股环境换热工质经换热管路流经低压发生器，加热低压发生过程；1股供回水流程依次流经低压、中低压、中高压和高压吸收器，4部分吸收热使得管路水温上升，最后通入室内换热末端，实现供暖过程。

制冷剂蒸汽管路的连接方式为，高压氨蒸汽管路入口和出口分别与高压发生器和高压吸收器相连；中高压氨蒸汽管路入口和出口分别与中高压发生器和中高压吸收器相连；中低压氨蒸汽管路入口和出口分别与中低压发生器和中低压吸收器相连；低压氨蒸汽管路入口和出口分别与低压发生器和低压吸收器相连。

供回水管路的连接方式为：回水管路与室内换热末端出口相连，依次流经所述低压、中低压、中高压和高压吸收器，供水管路入口和高压吸收器连接，供水管路入口与室内换热末端入口相连。

溶液回路包括高压发生器1、高压吸收器2、中高压吸收器3、中高压发生器4、中低压吸收器36、中低压发生器37、第一低温溶液换热器12、第二低温溶液换热器13、第三低温溶液换热器38、低压吸收器5、低压发生器6、第一高温溶液换热器18、第二高温溶液换热器16、第三高温溶液换热器34、低压溶液混合罐7、中高压溶液混合/分离罐9、中低压溶液混合/分离罐32、高压溶液分离罐11、第一溶液循环泵8、第二溶液循环泵10、第三溶液循环泵35和六个三通阀(19、20、21、22、28、29)，高压发生器1和高压吸收器2之间连接有高压溶液分离罐11，第三低温溶液换热器38与低压发生器6之间连接有第一节流阀14，第三高温溶液换热器34和低压吸收器5之间连接有第二节流阀15，第一高温溶液换热器18和中高压溶液混合/分离罐9之间连接有第三节流阀17，第二高温溶液换热器16和中低压溶液混合/分离罐32之间连接有第四节流阀33，低压发生器6和低压吸收器5之间连接有低压溶液混合罐7，第一高温溶液换热器18和高压溶液分离罐11之间连接有第二溶液循环泵10，第二高温溶液换热器16和中高压溶液混合/分离罐9之间连接有第一溶液循环泵8，第三高温溶液换热器34和中低压溶液混合/分离罐32之间连接有第三溶液循环泵35；氨蒸汽管路包括高压氨蒸汽hv管路26、中高压氨蒸汽mv管路27、中低压氨蒸汽mv管路31和低压氨蒸汽lv管路28；供水管路29和回水管路30组成供回水管路；驱动热源分为高温驱动热源和低温驱动热源。

使用本发明提供的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备进行供热方法包括溶液回路、氨蒸汽管路、供回水管路和驱动热源的工作运行过程。氨蒸汽管路运行过程分为四部分，如图3a所示，高温高压的氨蒸汽hv由高压发生器1产生，经由高压制冷剂管道26流入高压吸收器2被吸收，如图3b所示，高温中高压的氨蒸汽mv1由中高压发生器4产生，经由中高压制冷剂管道12流入中高压吸收器3被吸收，如图3c所示，高温中低压的氨蒸汽mv2由中低压发生器37产生，经由中低压制冷剂管道31流入中低压吸收器36被吸收，如图3d所示，低温低压的氨蒸汽lv由低压发生器6产生，经由低压制冷剂管道28流入低压吸收器5被吸收。

溶液回路的运行过程如图4所示，氨溶液分别流出高压发生器1和高压吸收器2，然后分别流经第一高温溶液换热器18、第三节流阀17、中高压溶液混合/分离罐9、中高压发生器4、第二高温溶液换热器16、第四节流阀33、中低压溶液混合/分离罐32、中低压发生器37、第三高温溶液换热器34、第二节流阀15和第一低温溶液换热器12、第二低温溶液换热器13、第三低温溶液换热器38、第一节流阀14，分别进入低压吸收器5和低压发生器6。流出低压发生器6和低压吸收器5的溶液在溶液混合罐7内混合，然后依次流经第三低温溶液换热器38和第三高温溶液换热器34，被第三溶液循环泵35送入中低压溶液混合/分离罐32，然后按照一定的流量比，分为两路进入中低压发生器37和中低压吸收器36；流出中低压吸收器36的溶液依次流经第二低温溶液换热器13和第二高温溶液换热器16，被第一溶液循环泵8送入中高压溶液混合/分离罐9，然后按照一定的流量比，分为两路进入中高压发生器4和中高压吸收器3；流出中高压吸收器4的溶液依次流经第一低温溶液换热器12和第一高温溶液换热器18，被第二溶液循环泵10送入高压溶液混合罐9，然后按照一定的流量比，分为两路进入高压发生器1和高压吸收器2，形成一个完整的溶液循环过程。

供回水管路的运行过程如图5所示。供水sw经供水管路29流入室内换热末端25释放热量后产生回水rw，由回水管路30、经低压吸收器5、中低压吸收器36、中高压吸收器3、高压吸收器2吸热，形成一个完整的供热循环过程。

本实施例的三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备及供热方法为了达到高效、连续的供热效果，具有两种运行模式，即太阳能分别作为高温驱动热源和低温驱动热源运行模式，根据环境温度实现两种运行模式的切换。如图1和图2所示，粗箭头表示部件热量的传递方向，实心线上的箭头表示溶液、供回水或者集热器工质的流动方向，长虚线中的箭头表示热泵系统中氨蒸汽的流动方向，短虚线表示该运行模式下未使用的管路。

如图1所示，当环境温度不低于-20℃时，本发明三级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在太阳能热作为高温驱动热源的运行模式下，氨溶液、氨蒸汽、供回水的运行过程如前所述，cpc/etc太阳能集热温度达70～100℃，集热器集热工质流入高压发生器1和中压发生器4，通过换热管道将热量传递给高压发生器1、中高压发生器4和中低压发生器37内的氨溶液，供其升温，完成高压、中高压和中低压发生过程。低压发生过程则利用环境低温热能驱动。

如图2所示，当环境温度低于-20℃时，本发明两级等温平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在太阳能作为低温驱动热源的运行模式下，氨溶液、氨蒸汽、供回水的流动情况与第一种运行模式下的相同，太阳能集热温度较低(10～35℃)，集热工质流入低压发生器6，通过换热管道将热量传递给低压发生器6内的氨溶液，供其升温，完成低压发生过程，高压、中高压和中低压发生过程则辅助使用燃气炉23驱动。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。