太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统及其工作方法与流程

1.本发明涉及清洁能源和热泵技术领域，具体涉及一种太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统及其工作方法。


背景技术：

2.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，在“碳达峰、碳中和”的能源与环境背景下，提高对太阳能的利用效率可以有效地降低一次能源的消耗，对于减少碳排放具有重要的意义，因此有效回收与利用太阳能迫在眉睫。目前，通常可通过光伏发电来利用太阳能，但其热电转换效率较低，而且设备成本高，一次性投入过大。还可通过太阳能集热器等方式收集太阳能，用于加热水或其他工质，但是基本限制在家庭生活用热领域，而且换热温差小，对太阳能的整体利用率仍然较低。
3.与此同时，热泵技术作为一种新兴的节能技术，其中高温热泵更是受到了广泛的关注，目前已逐步应用于工业领域，用来提供工业用高温高压蒸汽，但仍需要依靠部分电能来提供热量。而当前仍然主要依靠燃烧煤等来提供电能，这间接地增加了碳排放。因此，在工业供热领域就需要扩大热泵系统可用的热源，进一步的减少电能的消耗。
4.为此，本领域技术人员需要开发一种能深度利用太阳能的热泵蒸汽发生系统。


技术实现要素：

5.本技术之目的在于提供一种能深度利用太阳能的太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统，从而解决上述现有技术问题。具体来说，在本文所述的热泵蒸汽系统中，通过太阳能集热器收集太阳能，加热水工质得到高温热水，高温热水随后在高温蒸发罐中闪蒸产生高温高压水蒸气和高温饱和水，对太阳能进行第一次利用。闪蒸后得到的高温饱和水进一步与低温蒸发罐中的水换热产生低温低压水蒸气和低温饱和水，该低温饱和水通过补水加热器加热补充的水，随后再循环回到太阳能集热器形成一个完成的循环，并且通过闪蒸和换热实现对吸收太阳能的两次利用，达到深度利用太阳能的目的。
6.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案。
7.在第一方面中，本技术提供一种太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统，其特征在于，所述太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统包括太阳能双效蒸发系统、热压缩系统和机械压缩系统；
8.其中，所述太阳能双效蒸发系统包括太阳能集热器、高温蒸发罐、太阳能循环泵、低温蒸发罐、补水加热管和补水加热器，所述低温蒸发罐中设置有低温蒸发螺旋管，所述太阳能集热器、所述高温蒸发罐、所述太阳能循环泵、所述高温蒸发螺旋管和所述补水加热器依次连接形成流体流动回路，所述补水加热管和所述补水加热器流体连通，且所述补水加热器和所述高温蒸发罐和所述低温蒸发罐中的至少一个流体连通；
9.优选地，所述太阳能双效蒸发系统还包括补水管和补水旁通管，所述补水加热管、
所述补水加热器、所述补水管和所述低温蒸发罐形成流体流动通路，所述补水加热管、所述补水加热器、所述补水旁通管和所述高温蒸发罐形成流体流动通路，所述补水旁通管的第一端与高温蒸发罐流体连通且所述补水旁通管的第二端与所述补水管流体连通；
10.其中，所述热压缩系统包括高温蒸发罐、低温蒸发罐、引射泵和储气降温水箱，所述高温蒸发罐与所述引射泵进气端流体连通，用于向所述引射泵提供高压水蒸气，所述低温蒸发罐与所述引射泵进气端流体连通，用于向所述引射泵提供低压水蒸气，且所述引射泵排气端与所述储气降温水箱流体连通；
11.其中，所述机械压缩系统包括高温蒸发罐、压缩机补水泵、水蒸气压缩机以及储气降温水箱，所述储气降温水箱用于向所述水蒸气压缩机提供水蒸气，所述高温蒸发罐、所述压缩机补水泵以及所述水蒸气压缩机形成流体流动通路，用于向所述水蒸气压缩机补水。
12.在第一方面的一种实施方式中，所述热压缩系统还包括水箱循环泵，所述低温蒸发罐、所述水箱循环泵和所述储气降温水箱形成流体流动回路。
13.在第一方面的一种实施方式中，所述高温蒸发罐包括高温蒸发罐排水管，且所述低温蒸发罐包括低温蒸发罐排水管。
14.在第一方面的一种实施方式中，在所述太阳能双效蒸发系统中，太阳能集热器通过太阳能出水管与所述高温蒸发罐流体连通且所述太阳能出水管上设置有闪蒸阀，所述高温蒸发罐通过太阳能连通管与太阳能循环泵流体连通，所述太阳能循环泵与低温蒸发螺旋管的第一端流体连通，所述低温蒸发螺旋管的第二端通过太阳能回水管与补水加热器流体连通，所述补水加热器通过太阳能进水管与太阳能集热器流体连通；
15.所述补水加热管用于向所述补水加热器补水，所述补水加热器通过补水管与低温蒸发罐流体连通，且所述补水管上设置有第四截止阀，同时所述补水加热器通过补水旁通管与高温蒸发罐流体连通，该补水旁通管与该补水管的交点在所述补水加热器和所述第四截止阀之间，且该补水旁通管上设置有第三截止阀。
16.在第一方面的一种实施方式中，在所述热压缩系统中，高温蒸发罐通过动力进气管与引射泵进气端流体连通，低温蒸发罐通过引射进气管与引射泵进气端流体连通，引射泵出气端通过引射泵排气管与储气降温水箱流体连通；
17.低温蒸发罐与水箱循环泵流体连通，水箱循环泵通过水箱循环管与储气降温水箱流体连通且水箱循环管上设置有第二调节阀，储气降温水箱通过水箱回水管与低温蒸发罐流体连通，且水箱回水管上设置有第一调节阀。
18.在第一方面的一种实施方式中，引射泵通过引射泵排气管与储气降温水箱流体连通，且出气口设置在储气降温水箱的液面以下。
19.在第一方面的一种实施方式中，在机械压缩系统中，高温蒸发罐、压缩机补水泵和水蒸气压缩机通过压缩机补水管流体连通，且压缩机补水管上设置有第三调节阀；
20.储气降温水箱通过压缩机吸气管与水蒸气压缩机流体连通，水蒸气压缩机通过压缩机排气管对外输送压缩水蒸气。
21.在第二方面中，本技术提供如第一方面所述的太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统的工作方法，所述方法包括以下步骤：
22.首先，太阳能双效蒸发系统开始工作，太阳能集热器收集太阳能，加热水工质得到高温热水，高温热水随后在高温蒸发罐中闪蒸产生高温高压水蒸气和高温饱和水，该高温
饱和水与低温蒸发罐中的水换热产生低温低压水蒸气和低温饱和水，高温饱和水放热后温度降低形成低温热水，该低温热水通过补水加热器加热补充的水，随后再循环回到太阳能集热器，被太阳能集热器吸收的太阳能加热形成高温热水；
23.其次，热压缩系统开始工作，高温蒸发罐中产生的高温高压水蒸气通过引射泵引射低温蒸发罐中的低温低压水蒸气，得到中压水蒸气，并进入储气降温水箱；
24.最后，中压水蒸气被水蒸气压缩机压缩形成更高温度和压力的水蒸气，同时高温蒸发罐中的高温饱和水通过压缩机补水泵向水蒸气压缩机补水。
25.在第二方面的一种实施方式中，所述高温热水的温度为110℃；所述高温高压水蒸气的温度为100℃，且压力为1bar；所述低温低压水蒸气的温度为85℃，且压力为0.579bar。
26.与现有技术相比，本技术的有益效果如下：
27.1、通过使用太阳能双效蒸发系统实现了利用太阳能加热水工质产生高温热水，并在高温蒸发罐10中闪蒸产生高温高压水蒸气，在低温蒸发罐13中换热产生低温低压水蒸气，实现了太阳能的二次利用，能够更充分的利用高温热水中的热量，提升太阳能的利用率，并且太阳能作为一种清洁可再生能源，可以有效地降低化石燃料等一次能源的消耗，从而助力节能减排，促进碳中和的早日实现；
28.2、通过使用引射泵利用太阳能双效蒸发系统产生的高温高压水蒸气来热压缩较低温度和压力的水蒸气，产生中压水蒸气，实现较低温度和压力水蒸气的压力提升，有利于提升水蒸气压缩机61的吸气压力，从而提升整个系统的能效，减少系统的功耗；
29.3、通过61水蒸气压缩机利用机械压缩将中压水蒸气进一步压缩升压升温产生更高温和压力的水蒸气，来满足用户使用，机械压缩效率高、稳定性强，能够有效地提升水蒸气压力和温度保证系统的高效稳定运行；
30.4、通过太阳能双效蒸发系统、热压缩与机械压缩三者的结合实现了从太阳能到满足用户需求的高温高压水蒸气，充分的利用了清洁可再生的太阳能资源，与目前已有的燃煤和燃气锅炉相比，该系统仅利用电能提供水蒸气，更加的清洁环保，与电锅炉相比，该系统利用了太阳能，耗电和耗能都大幅度的减少。
附图说明
31.图1显示根据本技术的一种实施方式的太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统。
32.图中的附图标记及名称如下：
33.10高温蒸发罐，11太阳能连通管，12太阳能循环泵，13低温蒸发罐，14低温蒸发螺旋管，15太阳能回水管，16低温蒸发罐排水管，17第一截止阀，18补水加热器，19第二截止阀，20高温蒸发罐排水管，21太阳能进水管，22太阳能集热器，23闪蒸阀，24太阳能出水管，25补水加热管，26补水管，27第三截止阀，28补水旁通管，29第四截止阀，50动力进气管，51引射泵，52引射进气管，53引射泵排气管，54储气降温水箱，55第一调节阀，56水箱回水管，57水箱循环泵，58水箱循环管，59第二调节阀，60压缩机吸气管，61水蒸气压缩机，62压缩机排气管，63第三调节阀，64压缩机补水管，65压缩机补水泵。
具体实施方式
34.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
35.请参阅图1，本技术提供一种太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统，其主要包括太阳能双效蒸发系统，热压缩系统和机械压缩系统。在一种实施方式中，太阳能双效蒸发系统和热压缩系统通过高温蒸发罐10和低温蒸发罐13相连。在低温蒸发罐13中有低温蒸发螺旋管14，该低温蒸发螺旋管14和低温蒸发罐13中的内部空间是相互密封的。换句话说，低温蒸发螺旋管14的流体和低温蒸发罐13中的流体是相互隔开的，不会相互混合。热压缩系统和机械压缩系统通过高温蒸发罐10和储气降温水箱54相连，太阳能双效蒸发系统和机械压缩系统通过高温蒸发罐10相连。
36.在一种具体实施方式中，太阳能双效蒸发系统可包括高温蒸发罐10，太阳能连通管11，太阳能循环泵12，低温蒸发罐13，低温蒸发螺旋管14，太阳能回水管15，低温蒸发罐排水管16，第一截止阀17，补水加热器18，第二截止阀19，高温蒸发罐排水管20，太阳能进水管21，太阳能集热器22，闪蒸阀23，太阳能出水管24，补水加热管25，补水管26，第三截止阀27，补水旁通管28，以及第四截止阀29。
37.如图1所示，太阳能集热器22、高温蒸发罐10、太阳能循环泵12、低温蒸发罐13中的低温蒸发螺旋管14、以及补水加热器18依次连接形成流体流动回路。补水加热管25、补水加热器18、补水旁通管28和高温蒸发罐10形成流体流动通路，该流体流动通路用于向高温蒸发罐补充水工质。此外，补水加热管25、补水加热器18和低温蒸发罐13形成流体流动通路，该流体流动通路用于向低温蒸发罐13补充水工质。
38.在一种具体实施方式中，太阳能集热器22通过太阳能出水管24与高温蒸发罐10流体连通且所述太阳能出水管24上设置有闪蒸阀23。高温蒸发罐10通过太阳能连通管11与太阳能循环泵12流体连通，所述太阳能循环泵12与低温蒸发螺旋管14的第一端流体连通，所述低温蒸发螺旋管14的第二端通过太阳能回水管15与补水加热器18流体连通。补水加热器18通过太阳能进水管21与太阳能集热器22流体连通。补水加热管25用于向补水加热器18补水，所述补水加热器18通过补水管26与低温蒸发罐13流体连通，且补水管26上设置有第四截止阀29。与此同时，补水加热器18通过补水旁通管28与高温蒸发罐10流体连通，该补水旁通管28与该补水管26的交点在所述补水加热器18和所述第四截止阀29之间，且该补水旁通管28上设置有第三截止阀27。
39.在一种具体实施方式中，热压缩系统可包括高温蒸发罐10，低温蒸发罐13，动力进气管50，引射泵51，引射进气管52，引射泵排气管53，储气降温水箱54，第一调节阀55，水箱回水管56，水箱循环泵57，水箱循环管58，以及第二调节阀59。在一种具体实施方式中，高温蒸发罐10通过动力进气管50与引射泵51进气端流体连通，低温蒸发罐13通过引射进气管52与引射泵51进气端流体连通，引射泵51出气端通过引射泵排气管53与储气降温水箱54流体连通。低温蒸发罐13与水箱循环泵57流体连通，水箱循环泵57通过水箱循环管58与储气降温水箱57流体连通且水箱循环管58上设置有第二调节阀59。储气降温水箱57通过水箱回水管56与低温蒸发罐13流体连通，且水箱回水管56上设置有第一调节阀55。在一种优选的实
施方式中，引射泵51通过引射泵排气管53与储气降温水箱54流体连通，且出气口设置在储气降温水箱54的液面以下。
40.在一种具体实施方式中，机械压缩系统包括高温蒸发罐10，压缩机吸气管60，水蒸气压缩机61，压缩机排气管62，第三调节阀63，压缩机补水管64，以及压缩机补水泵65。在一种具体实施方式中，在机械压缩系统中，高温蒸发罐10、压缩机补水泵65和水蒸气压缩机61通过压缩机补水管64流体连通，且压缩机补水管64上设置有第三调节阀63。储气降温水箱54通过压缩机吸气管60与水蒸气压缩机61流体连通，水蒸气压缩机61通过压缩机排气管62对外输送压缩水蒸气。
41.接下来，将描述本文所述的太阳能双效蒸发引射与机械两级压缩热泵蒸汽系统的工作方法。
42.正常工作时，太阳能双效蒸发系统首先工作，来自太阳能集热器22的高温水工质通过太阳能出水管24流经闪蒸阀23后流入高温蒸发罐10中。在流经闪蒸阀23流入高温蒸发罐10中后，高温水工质发生闪蒸，产生高温高压水蒸气和高温饱和水，高温饱和水通过太阳能连通管11由太阳能循环泵12送入低温蒸发罐13中的低温蒸发螺旋管14，在低温蒸发螺旋管14中放热加热低温蒸发罐13中的水工质使其吸热蒸发产生低温低压水蒸气。放热后的高温水工质温度降低，并通过太阳能回水管15流入补水加热器18中，在补水加热器18中再次放热，加热来自补水加热管25的外部补充水。最后水工质通过太阳能进水管21回流入太阳能集热器22中，在太阳能集热器22中再次被吸收的太阳能加热，产生高温水工质，形成一个完整的循环。外部补充水通过补水加热管25流入补水加热器18中，在补水加热器18中被加热升温后通过26补水管流经第四截止阀29流入低温蒸发罐13中，弥补低温蒸发罐13中因产生低温低压水蒸气而损失的水工质，同时在补水管26上补水加热器18和第四截止阀29之间还接有补水旁通管28。补水旁通管28上有第三截止阀27。外部补充水还可以通过补水旁通管28流经第三截止阀27流入高温蒸发罐10中，弥补高温蒸发罐10中因产生高温高压水蒸气而损失的水工质。同时在高温蒸发罐10上接有高温蒸发罐排水管20，高温蒸发罐排水管20上有第二截止阀19,高温蒸发罐10中的废弃水工质和过多的水工质可以通过高温蒸发罐排水管20流经第二截止阀19流出高温蒸发罐10，同时在低温蒸发罐13上接有低温蒸发罐排水管16,低温蒸发罐排水管16上有第一截止阀17,低温蒸发罐13中的废弃水工质和过多的水工质可以通过低温蒸发罐16排水管流经第一截止阀17流出低温蒸发罐13。
43.接着热压缩系统工作，高温蒸发罐10里面产生的高温高压水蒸气通过动力进气管50流入引射泵51引射低温蒸发罐13里面产生的较低温度和压力的水蒸气。低温蒸发罐13里面较低温度和压力的水蒸气通过引射进气管52流入引射泵51被高温蒸发罐10里面的高温高压水蒸气热压缩，压缩后二者混合成为中间压力水蒸气并可能带有一定的过热度，中间压力水蒸气通过53引射泵排气管流入储气降温水箱54的液面以下，储气降温水箱54中的中温液态水吸收中间压力水蒸气的过热并蒸发提升产生的水蒸气量，并实现中间压力水蒸气过热度的降低。储气降温水箱54中的中温液态水可以通过水箱回水管56流经第一调节阀55回流入低温蒸发罐13中，同样可以弥补低温蒸发罐13中的低温水工质因蒸发产生的消耗，同时低温蒸发罐13中的低温水工质还可以通过水箱循环泵57和水箱循环管58流经第二调节阀59进入储气降温水箱54中，弥补储气降温水箱54中的水工质因吸收中间压力水蒸气的过热蒸发而产生的损失。
44.最后，机械压缩系统工作，储气降温水箱54中的中间压力水蒸气通过压缩机吸气管60被水蒸气压缩机61吸入压缩，产生更高温度和压力的水蒸气后通过压缩机排气管62供给用户使用。在水蒸气压缩机61压缩中间压力水蒸气的过程中，高温蒸发罐10中的高温水工质被压缩机补水泵65通过压缩机补水管64流经第三调节阀63送入水蒸气压缩机61的压缩腔中，在压缩腔中吸收中间压力水蒸气被水蒸气压缩机61压缩产生的过热，降低水蒸气最终排气的温度，保证机组的安全稳定运行。
45.在上述系统中，高温蒸发罐10，低温蒸发罐13和储气降温水箱54不仅具有产生水蒸气的作用同时还是水工质和水蒸气的储存体。
46.在一种具体实施方式中，在太阳能集热器22中的水工质被太阳能集热器22吸收的太阳能加热，升温到110℃，通过太阳能出水管24流入高温蒸发罐10中，在高温蒸发罐10中发生闪蒸，可以产生100℃的饱和水和1bar、100℃的饱和水蒸气。100℃的饱和水通过太阳能连通管11和太阳能循环泵12流入低温蒸发螺旋管14中，加热低温蒸发罐13中的水工质，流出低温蒸发螺旋管14时温度降低至90℃。在低温蒸发罐13中可以产生85℃、0.579bar的水蒸气。90℃的水工质通过太阳能回水管15流入补水加热器18中，进一步的加热从补水加热管25流入补水加热器18的20℃左右常温下的补充水工质。同时90℃的水工质温度进一步降低到85℃，来自太阳能的热量被进一步的利用。最终85℃的水工质通过太阳能进水管21回流入22太阳能集热器中，被进一步的加热，而20℃的补充水工质温度则可以提升到85℃，通过补水管26和补水旁通管28分别流入低温蒸发罐13和高温蒸发罐10中。随后高温蒸发罐10中100℃、1bar的饱和水蒸气通过引射泵51引射低温蒸发罐13中85℃、0.579bar的水蒸气，最终在储气降温水箱54中形成压力超过0.579bar的水蒸气。根据引射泵性能的不同和1bar水蒸气与0.579bar水蒸气流量比的不同，此时储气降温水箱54中产生的水蒸气压力可以达到0.579-1bar之间，最终被水蒸气压缩机61吸入压缩，供应1.2bar以上的蒸汽。因为此时水蒸气压缩机61的吸气压力超过0.579bar，相比于直接压缩低温蒸发罐13中0.579bar压力下的水蒸气，水蒸气压缩机61的性能会随着吸气压力的升高而大幅度提升。和直接通过闪蒸回收110℃到85℃部分的余热相比，通过直接闪蒸也可以产生85℃，0.579bar的蒸汽，但是最终压缩机的吸气压力也是在0.579bar，无法进一步的提高水蒸气压缩机的性能和系统整体的性能，同时针对补水也无法提高补水温度，会使得补水温度较低，从而影响高温蒸发罐10和低温蒸发罐13中水工质的温度，影响水蒸气的发生。
47.在本技术中，通过使用高温蒸发罐10，太阳能循环泵12，低温蒸发罐13，低温蒸发螺旋管14，太阳能集热器22和闪蒸阀23实现了利用太阳能加热水工质产生高温热水。并在高温蒸发罐10中闪蒸产生高温高压水蒸气，在低温蒸发罐13中换热产生低温低压水蒸气，实现了太阳能的二次利用，能够更充分的利用高温热水中的热量，提升太阳能的利用率，并且太阳能作为一种清洁可再生能源，可以有效地降低化石燃料等一次能源的消耗，从而助力节能减排，促进碳中和的早日实现。而通过使用引射泵利用太阳能双效蒸发系统产生的高温高压蒸汽来热压缩较低温度和压力的蒸汽，产生中压蒸汽，实现较低温度和压力蒸汽的压力提升，有利于提升水蒸气压缩机61的吸气压力，从而提升整个系统的能效，减少系统的功耗。最终通过水蒸气压缩机61利用机械压缩将中压蒸汽进一步压缩升压升温产生更高温和压力的蒸汽，来满足用户使用，机械压缩效率高、稳定性强，能够有效地提升蒸汽压力和温度保证系统的高效稳定运行。通过太阳能双效蒸发系统、热压缩与机械压缩三者的结
合实现了从太阳能到满足用户需求的高温高压蒸汽，充分的利用了清洁可再生的太阳能资源，与目前已有的燃煤和燃气锅炉相比，该系统仅利用电能提供蒸汽，更加的清洁环保，与电锅炉相比，该系统利用了太阳能，耗电和耗能都大幅度的减少。
48.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。