一种包括用大的温差加热外部流体的热泵的设备的制造方法

文档序号:8460559阅读:280来源:国知局
一种包括用大的温差加热外部流体的热泵的设备的制造方法
【专利说明】一种包括用大的温差加热外部流体的热泵的设备
[0001] 本发明涉及一种包括用大的温差加热外部流体热泵的设备。
[0002] 在工业领域中,有这样的需求,在60°C至150°C的范围中进行加热,在其他物体 中,对应于与以通过初始温度和最终温度之间的大的温差来加热外部流体(液体或气体)。 所述源流体作为热源使用,所述源流体释放热量,通常是液态或气态废弃物。所述温差因为 这些废弃物的流速而变化。
[0003] 本发明特别适用于:
[0004] -液体的加热,例如在加热系统或其它系统中的水、洗涤液、或其他的处理用水;
[0005] _用于工业干燥、房间加热或其他用途的气体加热;
[0006] 具体的,不超出本发明的可以限制于这样的应用中,可以广泛使用在干燥应用中, 以及许多其他领域中:造纸、食品加工、污水处理、化纤、木材、印染等。在法国与干燥相关的 能源消如下:造纸/纸板(paper/cardboard)行业为39%、农业部分为23%、化工产业为 13%、材料产业为11%、冶金为2%、化纤为2%,以及其他产业为10%。估计在法国有超过 13000个工业用干燥设备,它们使用着大量不同的技术。在工业中,对流干燥是最常使用的 方法。该方法包括将尽可能热和干燥的气流在待干燥物体上进行循环。所述气流,通常为 气体,以提供热量,用于蒸发包含在所述物体中的液体,并且将其形成的水蒸气(水分)带 走。所述气体在其进入和排出干燥设备之间冷却并获得水汽,同时逐渐干燥的物体变得越 来越温暖。
[0007] -个当加热外部流体而达到大温差的解决方案是从源流体处收集热量,所述源流 体为干燥时由干燥设备产生的潮湿气体。
[0008] 为此目的,总所周知的是使用热交换器,例如具有管状的热交换器、具有中间介质 的翅片管热交换器,热管换热器,膜片式热交换器或者螺旋式热交换器。由热交换器生产厂 家提供的说明书中表不热效率在40%至90%之间。但是,这个效率不意味着在热(和潮 湿)废弃物中的能量可以恢复这样的效果(recoveredatsuchayield)。在干燥过程中, 例如,在获取的潮湿气体与进入的干燥气体之间的简单的交换,仅恢复了少量的热能量,所 述了热能量是从潮湿气体处获取的,用以增加进入的干燥气体的温度。对于高干燥温度,其 示出介入干燥设备中的能量小于8%。
[0009] 为了减少能量的使用和〇)2的排放量,热泵(HP)领域的发展对于加热外部流体是 非常引人关注的技术领域。
[0010] 热泵通常包括第一热交换器,由蒸发器构成,其出口连接着第二热交换器的进口, 由冷凝器构成,在两者之间有压缩单元。冷凝器的出口通过扩充单元连接至蒸发器的进口。 因此,冷却剂能够在蒸发器和冷凝器之间流动,在蒸发器处获取源流体的热量,并且将热量 在冷凝器处传递给外部流体。在干燥过程中,获取的气体能够通过热泵的蒸发器进行冷却 (通过水汽的冷凝),并且进入的气体通过冷凝器进行加热,使气体达到预期的温度。
[0011] 在法国所记录的干燥设备(用于干燥木材和污泥)证明了热泵能够降低能耗。
[0012] 但是,传统的热泵仅能达到局限于60°C的目标温度。此外,由热泵执行的传统的热 力循环不能在不破坏热泵性能的情况下达到非常高的冷凝的温度。现有热泵的性能因此受 到大温差加热的限制,并且在实际操作中,这样的方式不是非常经济。
[0013] 通过使用大温差来增加热泵的性能,特别是在住宅和中小企业中生产热水的过程 中的,使用跨临界循环的C02热泵。该解决方案有效的能达到90°C,因为相对应的非常高的 压力。
[0014] 在跨临界循环中使用氢氟碳(HFC)冷却剂的热泵在一篇名为"AThermodynamic analysisofatranscriticalcyclewithrefrigerantmixtureR32/R290forasmall heatpumpwaterheater,〃Yuetal,Vol. 42,No. 12,p. 2431-2436,December1,2010, ",其 文献号为DE103 27 953。类似于在跨临界循环中的C02热泵,这些热泵用于本地的应用中, 例如热水加热,温度不超过90°C的温度。但是,这样的热泵不适合工业应用,因为工业应用 的所需的温度需要达到一定的高度,具体地是90°C,优选的为100°C,最优选的是120°C,例 如达到150 °C。
[0015] 例如文献DE10 2008 047 753所述,以阶梯式排列使用的热泵。这个排列方式提 供了增加总体性能的方法,因为减少了从每个热泵的温差,而且尽可能的优化了各个热泵 的冷却剂。系统越离散,其性能越良好。而经济可行性的表准限制了系统具有两个热泵。
[0016] 因此,需要用于高温干燥应用的设备,并且通常更高温度的加热应用,伴随着更高 温差,该设备能够提供令人满意的性能以及经济可行性。
[0017] 本发明旨在克服上述的问题。
[0018] 为此目的,本发明的第一目的在于提供了包括热泵的设备,其用于以大的温差从 源流体处加热外部流体,所述热泵包括:
[0019] -第一和第二热交换器,分别适用于与位于第一热交换器附近的源流体,和位于第 二热交换器附近的外部流体交换热量,所述第一和第二热交换器各自具有进口和出口,
[0020] -冷却剂,从氢氟碳冷却剂和氢氟烯烃冷却剂中选择,
[0021] -冷却剂循环,适用于在第一和第二热交换器之间循环冷却剂,所述冷却剂循环包 括压缩单元,其进口连接至第一热交换器的出口,其出口连接至第二热交换器的进口,并且 扩充单元,其进口连接至第二热交换器的出口,其出口连接至第一热交换器的进口。
[0022] 其中,第二热交换器和热泵的冷却剂的循环适用于跨临界循环中循环冷却剂。
[0023] 其中,热泵适用于,以大于20°C的温差的加热,优选的大于30°C,最好大于40°C, 更好的是大于60°C进行加热,并且允许最高目标温度Tc大于90°C,
[0024] 并且,其中所述设备进一步包括:
[0025] -腔室,其具有进口和出口,第一和第二热交换器分别设置在腔室的出口和进口附 近,
[0026] -位于腔室中的处理系统,腔室的进口和出口分别设置在处理系统的上游和下游,
[0027] _外部流体循环,适用于在第二交换器附近以及热处理系统附近连续的循环外部 流体,所述外部流体的循环进一步适用于循环处理系统的外部流体下游,并且在第一热交 换器附近,由于源流体,使得外部流体传输热量,因为其通过了处理系统,其在处理系统的 外部流体上游与处理系统的外部流体下游之间有大的温差,
[0028]在跨临界循环中使用氢氟碳(HFC)冷却剂或氢氟烯烃(HF0)冷却剂提供了两个主 要的优势。一方面,特别值得注意的是例如,当从冷凝状态恢复热量时,冷却剂在第一热交 换器的蒸发阶段保持一个恒定的温度。另一方面,由于通过第二热交换器的冷却剂的通道 可以处于跨临界的系统中,因此,所有沿着第二热交换器的温度变化为在外部流体重新加 热的镜像。可选地是,同时使用冷却剂和特定的应用优化了热泵的效率,而效率是决定经济 可行性的决定性要素之一。因此,可以认为热泵的性能得到了大大的改善。
[0029] 此外,在根据本发明所述的设备中使用热泵,大大改善了热能的产生能力,特别是 超过100kW,其从中等温度的源流体中,具体的在超过40°、更具体为超过50°C,并且例如 高达70°C时,从而允许达到更高的温度,具体的例如90°C,更具体的例如100°C,优选的为 120°C,并且例如高达150°C。结合了能够将在有关腔室中的外部流体循环的处理系统的特 别设置以及第一和第二热交换器的能力,使得所述设备非常适合用于工业应用,特别是运 用于工业干燥设备中。
[0030] 冷却剂具有关于临界温度和临界压力的临界点。压缩单元适用于压缩冷却剂,使 得所述冷却剂在压缩单元的出口和第二热交换器的进口同时出现,超临界的压力大于临界 压力,并且超临界的温度大于临界温度。
[0031] 此外,第二热交换器是气体冷却器,适用于以超临界液体状态冷却冷却剂,由于所 述冷却剂进入气体冷却器,所述冷却剂同时使得超临界压力大于临界压力,使得超临界温 度大于临界温度,并且所述冷却剂的冷却过程在恒定的超临界压力中进行。
[0032] 在一个
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