自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统

1.本实用新型涉及热泵技术领域，尤其涉及一种自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统。


背景技术：

2.热能的生产与利用一直伴随着人类文明的诞生与发展，随着社会和工业的不断发展，热能的需求与品质要求也越来越高。其中水作为热能传递的优良媒介，被广泛应用于工、农、医、商等各个领域。目前，我国高温水和蒸汽的产生主要是消耗以煤为主的化石能源，不仅能耗较大，且对环境的影响也比较大。为解决减少能源消耗，缓解环境压力，近年来逐渐将热泵技术应用于蒸汽热水的发生装置中。传统的热泵供热温度不高，通常在80℃以下，传统热泵工质(例如r22、r134a等)如对环境不友好，会造成臭氧空洞和全球变暖等环境问题。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，旨在能满足高供热温度的需求同时，又不会对环境产影响。
4.本实用新型提供一种自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，包括二氧化碳热泵系统和水蒸汽发生系统；
5.所述二氧化碳热泵系统包括二氧化碳压缩机、气冷器、蒸发器、气液分离器、第一膨胀阀和喷射器；
6.所述二氧化碳压缩机的进口和出口分别连通所述气液分离器的出气口和所述气冷器的第一换热侧进口；
7.所述气冷器的第一换热侧出口连通所述第一膨胀阀的进口和所述喷射器的工作流体进口；
8.所述喷射器的混合流体出口连通所述气液分离器的进口；
9.所述蒸发器的第一换热侧进口连通所述第一膨胀阀的出口和所述气液分离器的出液口，所述蒸发器的第一换热侧出口连通所述喷射器的引射流体进口和所述气液分离器的进口；
10.所述水蒸汽发生系统包括供水管路和水蒸汽发生管路，所述供水管路连通所述气冷器的第二换热侧进口，所述水蒸汽发生管路连通所述气冷器的第二换热侧出口。
11.根据本实用新型提供一种的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，所述蒸发器的第一换热侧进口与所述气液分离器的出液口通过第二膨胀阀连通；
12.所述第二膨胀阀的进口和出口分别连通所述气液分离器的出液口和所述蒸发器的第一换热侧进口。
13.根据本实用新型提供一种的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，所述二氧化碳压缩机的出口与所述气冷器的第一换热侧进口通过安全阀和油分离器连通；
14.所述安全阀的进口和出口分别连通所述二氧化碳压缩机的出口和所述油分离器的进口；
15.所述油分离器的出口连通所述气冷器的第一换热侧进口。
16.根据本实用新型提供一种的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，所述二氧化碳热泵系统还包括回热器；
17.所述回热器的第一换热侧进口连通所述气冷器的第一换热侧出口，所述回热器的第一换热侧出口连通所述第一膨胀阀的进口和所述喷射器的工作流体进口；
18.所述回热器的第二换热侧进口和出口分别连通所述气液分离器的出气口和所述二氧化碳压缩机的进口。
19.根据本实用新型提供一种的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，所述二氧化碳热泵系统还包括过冷器；
20.所述过冷器的第一换热侧进口连通所述回热器的第一换热侧出口，所述过冷器的第一换热侧出口连通所述第一膨胀阀的进口和所述喷射器的工作流体进口；
21.所述供水管路包括储水箱和给水泵，所述储水箱的出水口连通所述给水泵的进口，所述给水泵的出口连通所述过冷器的第二换热侧进口和所述气冷器的第二换热侧进口。
22.根据本实用新型提供一种的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，所述二氧化碳热泵系统还包括干燥过滤器；
23.所述干燥过滤器的进口连通所述过冷器的第一换热侧出口，所述干燥过滤器的出口连通所述第一膨胀阀的进口和所述喷射器的工作流体进口。
24.根据本实用新型提供一种的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，所述水蒸汽发生管路包括闪蒸罐和水蒸汽压缩机；
25.所述闪蒸罐的进口和出口分别连通所述气冷器的第二换热侧出口和所述水蒸汽压缩机的进口；
26.所述水蒸汽压缩机的出口用于连通蒸汽供给管路。
27.根据本实用新型提供一种的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，所述水蒸汽发生管路还包括补水泵；
28.所述补水泵的进口和出口分别连通所述闪蒸罐的出水口和所述水蒸汽压缩机的补水口，所述补水泵的出口还用于连通热水供给管路。
29.本实用新型提供的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，选择二氧化碳和水作为循环工质，既能满足高供热温度的需求，又不会对环境产影响；并且，二氧化碳热泵系统包括膨胀阀节流和喷射器节流两种节流模式两种节流模式，从而保证系统在最优高压侧压力下运行。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本实用新型提供的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统的结构示意图；
32.图2是本实用新型提供的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统中喷射器节流回路的结构示意图；
33.图3是本实用新型提供的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统中膨胀阀节流回路的结构示意图；
34.附图标记：
35.1：二氧化碳压缩机；
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2：油分离器；
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3：气冷器；
36.4：回热器；
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5：过冷器；
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6：干燥过滤器；
37.7：蒸发器；
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8：风机；
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9：气液分离器；
38.10：储水箱；
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11：闪蒸罐；
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12：水蒸汽压缩机；
39.131：给水泵；
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132：补水泵；
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14：喷射器；
40.ev1：第一膨胀阀；
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ev2：第二膨胀阀； sv：安全阀。
具体实施方式
41.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.下面结合图1至图3描述本实用新型的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，该自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统包括二氧化碳热泵系统和水蒸汽发生系统。
43.如图1至图3所示，二氧化碳热泵系统包括二氧化碳压缩机1、气冷器3、蒸发器7、气液分离器9、第一膨胀阀ev1和喷射器14；二氧化碳压缩机1的进口和出口分别连通气液分离器9的出气口和气冷器3的第一换热侧进口；气冷器3的第一换热侧出口连通第一膨胀阀ev1的进口和喷射器14的工作流体进口；喷射器14的混合流体出口连通气液分离器9的进口；蒸发器7的第一换热侧进口连通第一膨胀阀ev1的出口和气液分离器9的出液口，蒸发器7的第一换热侧出口连通喷射器14的引射流体进口和气液分离器9的进口。现有燃烧化石能源产热技术能耗高、污染大，采用热泵技术能节约40％的一次能源，co2、so2、no2排放量分别能减少68％、92％、73％。并且，第一膨胀阀ev1和喷射器14均与电磁阀(未在图中示出)电连接，以通过电磁阀控制第一膨胀阀ev1和喷射器14的开关。二氧化碳热泵系统包括膨胀阀节流和喷射器节流两种节流模式两种节流模式，从而保证系统在最优高压侧压力下运行。二氧化碳热泵节流损失过大，采用喷射器节流可提高约10％左右的系统cop(coefficient of performance，循环性能系数)。
44.如图1至图3所示，水蒸汽发生系统包括供水管路和水蒸汽发生管路，供水管路连通气冷器3的第二换热侧进口，水蒸汽发生管路连通气冷器3的第二换热侧出口。具体地，在本实施例中，水蒸汽发生管路包括闪蒸罐11和水蒸汽压缩机12；闪蒸罐11的进口和出口分别连通气冷器3的第二换热侧出口和水蒸汽压缩机12的进口；水蒸汽压缩机12的出口用于连通蒸汽供给管路。选择二氧化碳和水作为循环工质，既能满足高供热温度的需求，又不会对环境产影响。
45.自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统能有效提高系统的热能利用率，并且不会对环境造成影响；该系统可将40℃以下低温水升温至70～100℃，并在此基础上通过耦合水蒸汽压缩机12再升温20～60℃；该系统能同时满足蒸汽需求和热水需求的应用场景；二氧化碳系统cop可达3以上，高温蒸汽端cop可达3.5以上；二氧化碳压缩机1和水蒸汽压缩机12均可在0
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70hz之间运行。
46.进一步，在本实施例中，水蒸汽发生管路还包括补水泵132；补水泵132的进口和出口分别连通闪蒸罐11的出水口和水蒸汽压缩机12的补水口，补水泵132的出口还用于连通热水供给管路。闪蒸罐11下方的水经补水泵132一方面能通过热水供给管路供给用户，另一方面作为水蒸汽压缩机12的补水源，为水蒸汽压缩机12消除过热度，还能起到密封和润滑的作用。
47.本实用新型提供的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统，选择二氧化碳和水作为循环工质，既能满足高供热温度的需求，又不会对环境产影响；并且，二氧化碳热泵系统包括膨胀阀节流和喷射器节流两种节流模式两种节流模式，从而保证系统在最优高压侧压力下运行。
48.如图1和图2所示，在本实施例中，蒸发器7的第一换热侧进口与气液分离器9的出液口通过第二膨胀阀ev2连通；第二膨胀阀ev2的进口和出口分别连通气液分离器9的出液口和蒸发器7的第一换热侧进口。在喷射器节流的节流模式下，气液分离器9中的液体被第二膨胀阀ev2节流降压成低压液态后进入到蒸发器7中蒸发吸热。
49.如图1至图3所示，在本实施例中，二氧化碳压缩机1的出口与气冷器3的第一换热侧进口通过安全阀sv和油分离器2连通；安全阀sv的进口和出口分别连通二氧化碳压缩机1的出口和油分离器2的进口；油分离器2的出口连通气冷器3的第一换热侧进口。
50.如图1至图3所示，在本实施例中，二氧化碳热泵系统还包括回热器4；回热器4的第一换热侧进口连通气冷器3的第一换热侧出口，回热器4的第一换热侧出口连通第一膨胀阀ev1的进口和喷射器14的工作流体进口；回热器4的第二换热侧进口和出口分别连通气液分离器9的出气口和二氧化碳压缩机1的进口。这样能有效提升自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统的热能利用率。
51.进一步，如图1至图3所示，在本实施例中，二氧化碳热泵系统还包括过冷器5(过冷器5可以为板式过冷器等)；过冷器5的第一换热侧进口连通回热器4的第一换热侧出口，过冷器5的第一换热侧出口连通第一膨胀阀ev1的进口和喷射器14的工作流体进口；供水管路包括储水箱10和给水泵131，储水箱10的出水口连通给水泵131的进口，给水泵131的出口连通过冷器5的第二换热侧进口和气冷器3的第二换热侧进口。其中，气冷器3经换热产生的高温热水经其第二换热侧进入到闪蒸罐11中，过冷器5经换热产生的低温热水经其第二换热侧流回储水箱10中，即过冷器5的第二换热侧出口连通储水箱10的进水口。二氧化碳热泵系统包括两种节流模式，膨胀阀节流和喷射器节流，两种节流模式通过过冷器5的出口温度进行判断，并通过电磁阀进行控制。
52.更进一步，如图1至图3所示，在本实施例中，二氧化碳热泵系统还包括干燥过滤器6；干燥过滤器6的进口连通过冷器5的第一换热侧出口，干燥过滤器6的出口连通第一膨胀阀ev1的进口和喷射器14的工作流体进口。
53.自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统温升可达30～70℃，cop达3以上；水蒸汽发
生系统在原有热水温度上，再提升20～60℃，蒸汽段cop达3.5以上；通过过冷度调控，判断系统节流模式，能保证系统在最优高压侧压力下运行。
54.本实用新型还提供一种如上所述的自然工质热泵蒸汽热水联供发生系统的运行方法，该运行方法包括以下步骤。
55.步骤s10：打开二氧化碳压缩机1，将低温低压的二氧化碳蒸汽压缩增焓至超临界状态后经油分离器2后先进入到气冷器3后进入到过冷器5中。气冷器3的第一换热侧和过冷器5的第一换热侧将超临界二氧化碳将热量换给给水泵131提供的20～40℃的冷水。其中气冷器3经换热产生的高温热水经其第二换热侧进入到闪蒸罐11中，过冷器5经换热产生的低温热水经其第二换热侧流回储水箱10中。二氧化碳压缩机1可在0～70赫兹之间变频运行。
56.步骤s20：判断经过过冷器5的第一换热测出口的超临界二氧化碳温度，若小于温度阈值(例如温度阈值为10℃)即开启膨胀阀节流，即执行步骤s30；否则开启喷射器节流，即执行步骤s40。
57.步骤s30：打开膨胀阀节流回路，关闭喷射器节流回路(通过电磁阀完成切换，图中未画出)，经过冷器5冷却后的超临界二氧化碳进入到第一膨胀阀ev1中节流降压成低压液态后进入到蒸发器7中。液态的二氧化碳在蒸发器7中吸收风机8带来的热量相变成气态后进入到气液分离器9中。气液分离器9中的低温二氧化碳气体经回热器4过热后被二氧化碳压缩机1吸入完成一个循环。
58.步骤s40：打开喷射器节流回路，关闭膨胀阀节流回路(通过电磁阀完成切换，图中未画出)，经过冷器5冷却后的超临界二氧化碳进入到喷射器14的喷嘴，高压的超临界二氧化碳在喷射器14的喷嘴处吸收蒸发器7流出的低压蒸汽混合后进入到气液分离器9中。气液分离器9中的液体被第二膨胀阀ev2节流降压成低压液态后进入到蒸发器7中蒸发吸热。气液分离器9中的低温二氧化碳气体经回热器4过热后被二氧化碳压缩机1吸入完成一个循环。
59.步骤s50：气冷器3第二换热侧所产生的70～100℃高温热水进入到闪蒸罐11中，水蒸汽压缩机12运行产生的负压会导致闪蒸罐11内高温水沸腾，闪蒸罐11内上方沸腾出的水蒸汽被水蒸汽压缩机12压缩增焓，在闪蒸罐11内的流体温度基础上再升温20～60℃成饱和蒸汽或过热蒸汽供给用户。闪蒸罐11下方的水经补水泵132一方面能通过热水供给管路供给用户，另一方面作为水蒸汽压缩机12的补水源，为水蒸汽压缩机12消除过热度，还能起到密封和润滑的作用。水蒸汽压缩机12可在0～70赫兹之间变频运行。
60.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。