中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统及供应蒸汽方法与流程

本发明涉及太阳能应用领域，属于可再生能源应用技术领域，具体涉及一种中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统及供应蒸汽方法。

背景技术：

目前，我国节能减排的任务依然十分艰巨，实现节能减排任务的重要途径之一是采用新能源和可再生能源解决供暖和工农业应用过程中的能源问题。国家和各地方政府对空气源热泵的推广应用给予了非常重大的支持，鼓励采用太阳能和空气源热泵进行热水喝采暖。2014年我国发布了《中国可再生能源发展路线图2050》，其中对太阳能工农业热利用方面提到，到2020年，要实现太阳能干燥、海水淡化和工农业用太阳能中温热水、蒸汽系统的优化设计，工农业热需求的1.5%将会由太阳能来供应；在2020-2030年期间，基本实现太阳能干燥、海水淡化和工农业用太阳能中温热水、蒸汽系统的智能化运行，保持太阳能工农业热利用系统的应用面积每年增长12%；在2030-2050年期间，全面实现太阳能干燥、海水淡化和工农业用太阳能中温热水、蒸汽系统的智能化运行，保持应用面积每年增长6%。从中远期看，到2050年，太阳能中温热利用在工农业领域有望发挥巨大节能减排作用。

以太阳能为主要能源设计的低温蒸汽系统，由于太阳能的不连续、不稳定特性，无法满足生产工艺过程用热要求，一般要结合常规能源系统设计，如燃气锅炉，电锅炉等，仍需消耗常规能源，且能效比一般不超过1.0。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统及供应蒸汽方法，旨在全部利用可再生能源产生蒸汽，先利用太阳能或高温热泵产生高温热水，通过闪蒸罐进行闪蒸出低温蒸汽，再利用蒸汽压缩机组进行压缩，得到更高温度的蒸汽，不需要再耗其他能源。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统，包括中温太阳能集热系统、储热水箱、高温热泵系统、闪蒸罐、蒸汽压缩机组和分汽缸；

所述中温太阳能集热系统和所述储热水箱通过循环泵构成循环回路，所述储热水箱的热水出口连通有电动三通调节阀，所述电动三通调节阀的第一出口连通所述闪蒸罐的第一热水进口，所述电动三通调节阀的第二出口连通所述高温热泵系统的进水口，所述高温热泵系统的出水口连通所述闪蒸罐的第二热水进口；

所述闪蒸罐、蒸汽压缩机组和分汽缸依次串联。

进一步的，所述电动三通调节阀的第一出口和所述闪蒸罐的第一热水进口之间串联有第一管道电加热器，所述高温热泵系统的出水口和所述闪蒸罐的第二热水进口之间串联有第二管道电加热器。

进一步的，所述中温太阳能集热系统包括中温太阳能集热器和太阳能板式换热器，所述中温太阳能集热器和太阳能板式换热器通过循环泵构成换热循环回路。

进一步的，高温热泵系统由多个高温空气源热泵并联组成，所述高温空气源热泵为二氧化碳热泵或复叠式空气源热泵。

进一步的，所述闪蒸罐的底部设有蒸汽回水管，所述蒸汽回水管连通所述储热水箱，所述蒸汽回水管上设有循环泵。

进一步的，循环水为软化水；还包括软化水设备，所述软化水设备进水口连通自来水管，所述软化水设备的出水口连通所述储热水箱。

进一步的，所述软化水设备的出水口安装有电磁阀，所述储热水箱的热水出口安装有流量计和流量控制阀。

一种中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统供应蒸汽方法，包括以下步骤：

1、设定闪蒸温度为80-90℃，中温太阳能集热系统给储热水箱内的水进行加热，当储热水箱的水温达到闪蒸温度时，电动三通调节阀连通储热水箱和闪蒸罐，储热水箱中的热水进入闪蒸罐进行闪蒸，闪蒸罐闪蒸出来的低温低压蒸汽进入蒸汽压缩机组，蒸汽压缩机组经低温低压蒸汽进行压缩得到高温度压力的蒸汽，进入分汽缸，从分汽缸到不同的用汽终端使用；

闪蒸罐的热水和蒸汽回水通过循环泵重新进入储热水箱；

2、当储热水箱的水温低于闪蒸温度时，电动三通调节阀连通储热水箱和高温热泵系统，高温热泵对水进行加热到闪蒸温度后，将热水输送到闪蒸罐进行闪蒸。

进一步的，当储热水箱输出的热水在管道输送中散热导致水温低于闪蒸温度时，通过第一管道电加热器对高温热泵系统输出的热水进行加热；

当高温热泵系统输出的热水在管道输送中散热导致水温低于闪蒸温度时，通过第二管道电加热器对高温热泵系统输出的热水进行加热。

本发明与现有技术相比，所取得的有益效果如下：

1、太阳能集热系统对储热水箱的水进行加热，水温达到闪蒸温度时，直接进入闪蒸罐进行闪蒸，闪蒸罐闪蒸出来的低温低压蒸汽进入蒸汽压缩机组，蒸汽压缩机组经低温低压蒸汽进行压缩得到高温度压力的蒸汽，进入分汽缸，从分汽缸到不同的用汽终端使用；储热水箱的温度长时间达不到闪蒸温度时，将温水输送到高温热泵系统进行加热再输送到闪蒸罐内闪蒸。本发明所述的中温太阳能耦合热泵的低温蒸汽系统及供应蒸汽的方法产生的蒸汽，可以满足大部分的工农业用热需求，相比测于电或燃气锅炉供蒸汽，系统更具备节能性，而且环保效果好，符合国家节能减排的政策导向，是一种具有很好发展潜力的系统技术。在初投资和运行成本可控的情况下，在工农业应用领域具备非常良好的市场应用潜力；

2、当储热水箱输出的热水在管道输送中散热导致水温低于闪蒸温度时，通过第一管道加热器对高温热泵系统输出的热水进行加热。当高温热泵系统输出的热水在管道输送中散热导致水温低于闪蒸温度时，通过第二管道加热器对高温热泵系统输出的热水进行加热。可以大大保证热水的闪蒸温度，避免管道输送过程中热水散热而导致闪蒸效果差的问题。

附图说明

图1为本发明所述中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统整体结构示意图；

图2为本发明所述中温太阳能集热系统部位结构示意图；

图3为本发明所述高温热泵系统部位结构示意图；

图4为本发明所述蒸汽压缩机组相关组件结构示意图；

图中：1、中温太阳能集热器，2、太阳能板式换热器，3、储热水箱，5、蒸汽压缩机组，6、电动三通调节阀，7、分汽缸，8、第一管道电加热器，9、第二管道电加热器，10、高温空气源热泵，11、蒸汽回水管，12、软化水设备，13、电磁阀，14、流量计，15、流量控制阀，16、循环泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细的说明。所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1-4所示的一种中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统，主要包括中温太阳能集热系统、储热水箱3、高温热泵系统、闪蒸罐4、蒸汽压缩机组5和分汽缸7。所述闪蒸罐4、蒸汽压缩机组5和分汽缸7依次串联。关于储热水箱的设计，用于储存太阳能系统、高温空气源热泵机组产生的高温水，并供给闪蒸罐。可采用承压或非承压的不锈钢材料，带聚氨酯保温。储热水箱可为圆形或方形，大小和容量根据系统产生的热水量及用汽的多少进行匹配计算设计。

其中，所述中温太阳能集热系统包括中温太阳能集热器1和太阳能板式换热器2，所述中温太阳能集热器1和太阳能板式换热器2通过循环泵16构成换热循环回路，太阳能板式换热器2通过循环泵16和所述储热水箱3构成循环回路。其中，中温太阳能集热器1采用非跟踪型cpc中温集热器，最高工作温度可达到150℃，组成集热器阵列，通过循环泵、太阳能板式换热器、管道将白天的太阳能能量循环换热至储热水箱。基于非跟踪型cpc中温集热器热效率与工作温度的关系，当集热器工作温度与环境温度的温差越大，其热效率越低，本实施例中系统设计中集热器工作温度可设定为120℃以内，无需达到其最高工作温度，通过工质循环换热后可将储热水箱的水加热到90℃。

高温热泵系统由多个高温空气源热泵10并联组成，所述高温空气源热泵10为二氧化碳热泵或复叠式空气源热泵。其中，二氧化碳热泵的二氧化碳工质odp为０，gwp为１，且具有良好的热力学特性，既能够保证优良的工作特性，又能减小当前传统制冷剂对环境的破坏，被公认为是一种很有前途的替代工质。二氧化碳热泵是以二氧化碳气体为制冷工质的热泵，采用跨临界循环，被压缩的制冷剂气体放热过程不发生相变，在超临界区只通过显热交换进行换热，在低温环境下也可获得90℃的热水。复叠式空气源热泵是指采用低温、高温两级逆卡诺循环实现从室外环境空气中制取高温热水的系统。其低温级系统采用r22或r410a作为冷媒，从低温环境空气中蒸发取热，低温压缩机压缩后得到较高温度的冷媒，通过冷凝蒸发器与高温级系统进行换热，加热高温级循环工质，通过高温压缩机压缩得到90℃左右的高温水。高温空气源热泵系统产生的高温水，可直接进入闪蒸罐进行闪蒸得到蒸汽，也可进入储热水箱存储，从储热水箱进入闪蒸罐闪蒸。

所述储热水箱3的热水出口安装连通有电动三通调节阀6，所述电动三通调节阀6的第一出口连通所述闪蒸罐4的第一热水进口，所述电动三通调节阀6的第一出口和所述闪蒸罐4的第一热水进口之间串联有第一管道电加热器8。所述电动三通调节阀6的第二出口连通所述高温热泵系统的进水口，所述高温热泵系统的出水口连通所述闪蒸罐4的第二热水进口。所述高温热泵系统的出水口和所述闪蒸罐4的第二热水进口之间串联有第二管道电加热器9。

现有技术中，闪蒸罐是一个耐高压和负压的压力容器，通过空压机抽气产生低压（负压）环境，压力根据闪蒸温度不同一般为0.4-0.9bar，达到闪蒸温度的水进入闪蒸罐后蒸发为低温蒸汽。蒸汽压缩机组是将闪蒸罐闪蒸出的水蒸汽通过该机组进行压缩，得到更高温度压力的蒸汽，供终端使用。分气汽缸为锅炉或蒸汽系统常用的设备，为不同用汽终端提供多点连接接口的设备。因为是现有技术，在此不详细描述内部结构。

闪蒸罐4的底部设有蒸汽回水管11，所述蒸汽回水管11连通所述储热水箱3，所述蒸汽回水管上设有循环泵16，可以将闪蒸罐内的蒸汽回水和热水重新输送到储热水箱内，实现水路循环。本发明所述的该系统汇总，循环水一定要为软化水，是为了避免产生水垢，由于系统中水温较高，且由闪蒸得到蒸汽，并进行蒸汽压缩，因此供水部分需使用软水设备提供软化水，以避免在回路中各设备、管道产生过多水垢，影响系统长期稳定运行，甚至造成系统瘫痪。因此自来水进行系统补水时，需要经过软化水设备12软化后，再进入储热水箱对系统补水。具体的是，所述软化水设备12进水口连通自来水管，所述软化水设备12的出水口连通所述储热水箱3。

进一步的，所述软化水设备12的出水口安装有电磁阀13，只能让水单向流入储热水箱内，为了更好的检测系统的循环水流量，所述储热水箱3的热水出口和所述高温热泵系统的进水口均安装有流量计14和流量控制阀15。

本发明所述的中温太阳能耦合热泵低温蒸汽系统供应蒸汽方法如下：

1、设定闪蒸温度为90℃，中温太阳能集热系统给储热水箱3内的水进行加热，当储热水箱3的水温达到闪蒸温度时，电动三通调节阀6连通储热水箱3和闪蒸罐4，储热水箱3中的热水进入闪蒸罐4进行闪蒸，闪蒸罐4闪蒸出来的低温低压蒸汽（约85℃，0.8bar）进入蒸汽压缩机组5，蒸汽压缩机组5经低温低压蒸汽进行压缩得到高温度压力的蒸汽（约120℃，2bar），进入分汽缸7，从分汽缸7到不同的用汽终端使用；闪蒸罐4的热水和蒸汽回水通过循环泵16重新进入储热水箱3进行加热。

2、如果储热水箱3的水温始终低于闪蒸温度时，电动三通调节阀6连通储热水箱3和高温热泵系统，高温热泵对水进行加热到闪蒸温度后，将热水输送到闪蒸罐4进行闪蒸。当高温热泵系统参与工作时，闪蒸罐4的热水和蒸汽回水通过循环泵16可以重新进入储热水箱3，再进入高温热泵，也可以使闪蒸罐4的热水和蒸汽回水通过循环泵16可以直接进入高温热泵，这属于常规的工艺设计，在此不详细的描述。

3、当储热水箱输出的热水在管道输送中散热导致水温低于闪蒸温度时，通过第一管道加热器对高温热泵系统输出的热水进行加热。当高温热泵系统输出的热水在管道输送中散热导致水温低于闪蒸温度时，通过第二管道加热器对高温热泵系统输出的热水进行加热。可以大大保证热水的闪蒸温度，避免管道输送过程中热水散热而导致闪蒸效果差的问题。