本发明属于高温热泵系统，具体涉及一种结合了气液分离调节和梯级相变蓄热的混合工质高温热泵系统。
背景技术：
1、工业热能主要依赖于工业锅炉的燃烧来获取，这种传统的热能获取方式不仅效率低下，而且在燃烧过程中会排放大量的二氧化碳和其他有害气体，对环境造成了严重的影响。热泵是一种先进的高效电转热技术，对于工业生产的节能降碳具有重要意义。在工业应用过程中（例如电厂余热回收将高压水从40oc提升至150oc），热泵通常需要进行大温跨冷凝加热使用。然而，现有的热泵循环以纯工质为主，其相变等温特性使得工质与变温冷热源的温度匹配较差，整体循环换热不可逆损失较高，热泵能效严重降低。因此，如何改善换热过程的温度匹配，降低换热不可逆损失，是提高热泵能效的关键。
2、在热泵技术的应用中，使用非共沸混合工质可提高系统的整体性能和灵活性。非共沸混合工质是由两种或两种以上的不同沸点的纯工质（后面统称为组元）组成的混合物。非共沸混合工质具有的优势可以概括为:（1）由于非共沸混合工质各组元的沸点不同，其相变过程时具有变温特性（也称为温度滑移特性），可与变温冷热源形成良好匹配，减少换热不可逆损失，提高热泵系统能效；（2）非共沸混合工质通过将具有不同特性的单一工质进行混合，能够实现性能上的互补。一种公开的适用于回收电厂余热的大温差多级压缩混合工质热泵系统采用三级压缩来提高系统的热力性能和效率，由高压级压缩机、中压级压缩机、低压级压缩机、气液分离器、蒸发器、低压级节流阀、第一中间冷却器、中压级节流阀、第二中间冷却器、高压级节流阀、储液器和冷凝器组成。循环使用r134a和r245fa为组元的二元非共沸混合物为循环工质，利用其独特的温度滑移特性，进一步优化了热泵循环效率。然而，发明人发现目前的混合工质热泵系统存在以下问题：非共沸混合工质的潜力受冷热源的特性影响，热泵设备结构、工质组元和组分一旦设计确定，系统只能被动地调整以适应冷热源属性的波动，换热过程温度匹配易发生偏移，导致非共沸混合工质热泵系统性能提升有限。变工况温度匹配调节能力差是当前大温跨热泵性能提效面临的共性问题，解决这一问题，可推动大温跨热泵技术快速发展。
3、此外，采用梯级相变蓄热技术是改善温度匹配的另一个有效途径。梯级相变蓄热技术通过将多种相变材料按照不同温度层次排列，形成锯齿形的温度曲线，可改善换热流体与材料相变蓄热过程的温度匹配，极大减少换热不可逆损失，有效提升热泵系统能效。另一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统主要由冷却水系统、高温热泵和蓄热系统组成，通过将高温热泵的蒸发器与冷却水系统耦合，冷凝器与蓄热系统耦合，能够提升蓄热速率和蓄热量，实现了乏汽余热的高效回收和高品质热能的蓄存。蓄热系统核心为梯级蓄热装置，由三个温度递减的相变蓄热器串联而成，第一蓄热器内设置相变温度为90oc-100oc的相变材料，第二蓄热器内设置相变温度为70oc-80oc的相变材料，第三蓄热器内设置相变温度为50oc-60oc的相变材料。蓄热过程中，高温工质依次进入第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器中进行换热，热量梯度传递，有效减少换热过程的不可逆损失。然而该系统存在如下问题：（1）第一蓄热器相变最高相变温度仅110oc，然而工业生产过程中超过110oc以上的需求供热温度占总热量需求的50%以上，蓄热温度还需进一步提高；（2）其加热过程的常温水分别进入第一蓄热器、第二蓄热器与第三蓄热器中进行加热，并非依次进入第一蓄热器、第二蓄热器与第三蓄热器，加热过程常温水温度线性增加，而蓄热器中相变材料等温相变，两者换热过程还存在较高的换热温差，温度匹配较差，换热不可逆损失较大，导致热能转换效率降低。
技术实现思路
1、为了提高热泵系统灵活性，改善换热过程温度匹配，提升高温热泵系统的整体性能和效率，本发明提供一种可调节的大温跨梯级相变蓄热混合工质高温热泵系统。
2、一种可调节的大温跨梯级相变蓄热混合工质高温热泵系统包括高温热泵循环模块和开放式供水模块；
3、所述高温热泵循环模块为工质侧的循环回路，循环工质为环保型二元非共沸混合物；所述开放式供水模块为水侧的开放回路，水侧的工质为水；
4、所述高温热泵循环模块包括压缩机1、第一冷凝器2的工质侧、第二冷凝器3的工质侧、第三冷凝器4的工质侧、第一气液分离器5、第二气液分离器6、蒸发器8的工质侧、第一蓄热器11的工质侧、第二蓄热器10的工质侧和第三蓄热器9的工质侧；
5、所述压缩机1的出口通过三通管分别连通着第一冷凝器2的工质入口和第一蓄热器11的工质入口，第一冷凝器2的工质出口和第一蓄热器11的工质出口并联连通着第一气液分离器5的气体入口；第一冷凝器2的工质入口串联着第三截止阀15，第一蓄热器11的工质入口串联着第六截止阀18；
6、所述第一气液分离器5的气体出口通过三通管分别连通着第二冷凝器3的工质入口和第二蓄热器10的工质入口，第二冷凝器3的工质出口和第二蓄热器10的工质出口并联连通着第二气液分离器6的气体入口；第二冷凝器3的工质入口串联着第四截止阀16，第二蓄热器10的工质入口串联着第七截止阀19；
7、所述第二气液分离器6的气体出口通过三通管分别连通着第三冷凝器4的工质入口和第三蓄热器9的工质入口；第三冷凝器4的工质出口和第三蓄热器9的工质出口并联，并联口通过三通管一支连通着第二气液分离器6的液体出口和第一气液分离器5的液体出口，另一支连通着蒸发器8的工质入口；蒸发器8的工质出口连通着压缩机1的进口；第三冷凝器4的工质入口串联着第五截止阀17，第三蓄热器9的工质入口串联着第八截止阀20；第二气液分离器6的液体出口串联着第二截止阀14，第一气液分离器5的液体出口串联着第一截止阀13；蒸发器8的工质入口串联着节流阀7；
8、所述第一蓄热器11中的高温相变材料的相变温度为150℃-180℃；
9、所述第二蓄热器10中的中温相变材料的相变温度为100℃-150℃；
10、所述第三蓄热器9中的低温相变材料的相变温度为60℃-100℃；
11、所述开放式供水模块包括水泵12、第一冷凝器2的水侧、第二冷凝器3的水侧、第三冷凝器4的水侧、第三蓄热器9的水侧、第二蓄热器10的水侧和第一蓄热器11的水侧；
12、所述水泵12的出水口通过三通管分为两路，一路依次串联着第三冷凝器4的水侧、第二冷凝器3的水侧和第一冷凝器2的水侧，另一路依次串联着第三蓄热器9的水侧、第二蓄热器10的水侧和第一蓄热器11的水侧；所述第一冷凝器2水侧的出水口和第一蓄热器11水侧的出水口并联连通着第十三截止阀25；水泵12的出水口和第三冷凝器4水侧的进水口之间串联着第九截止阀21；水泵12的出水口和第三蓄热器9水侧的进水口之间串联着第十截止阀22；第三蓄热器9水侧和第二蓄热器10水侧之间通过三通管设有第十一截止阀23；第二蓄热器10水侧和第一蓄热器11水侧之间通过三通管设有第十二截止阀24；
13、工作时，蒸发器8的另一侧与电厂余热循环水的流通管道相连，蒸发器8的工质侧与电厂余热循环水进行热交换。
14、进一步的技术方案如下：
15、所述大温跨梯级相变蓄热混合工质高温热泵系统具有三种工况，分别为直接加热工况、蓄热器蓄热工况、蓄热器放热工况；
16、所述直接加热工况实现高温热泵循环模块的工质侧的工质与开放式供水模块的水侧的水冷源良好的温度匹配，不可逆损失减少至少14%；
17、所述蓄热工况实现了大温跨的梯级蓄热，使蓄热过程更接近非共沸混合工质的温度变化，减少换热过程的不可逆损失至少9%；
18、所述蓄热器放热工况通过高温热泵循环模块中的三种温度层次的梯级相变蓄热器中的相变材料的放热过程温度变化更贴合水的温度变化，实现有效降低放热过程的不可逆损失至少31%，提高能源利用率。
19、所述第一蓄热器（11）、第二蓄热器（10）和第三蓄热器（9）均为管壳式相变储能换热器。
20、所述环保型二元非共沸混合物为质量分数50%的反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯（r1233zd(e)）和质量分数50%的甲苯（toluene）的混合物，临界温度为270.85oc，临界压力为5031.6kpa，臭氧破坏指数（odp）为0，全球变暖潜能值（gwp）小于10。
21、所述高温相变材料按质量比例1：1：1由第一相变材料、第二相变材料和第三相变材料混合均匀制得；
22、所述第一相变材料由质量分数55.4%的硝酸锂、质量分数4.5%的硝酸钠和质量分数40.1%的氯化钾混合制成，相变温度160oc；
23、所述第二相变材料由质量分数58.1%的硝酸锂、质量分数41.9%的氯化钾混合制成，相变温度166oc；
24、所述第三相变材料由质量分数47.9%的硝酸锂、质量分数1.4%的氯化锂、质量分数50.7%的硝酸钠混合制成，相变温度180oc。
25、所述中温相变材料按质量比例1：1：1由a相变材料、b相变材料和c相变材料混合均匀制得；
26、所述a相变材料由质量分数29%的硝酸锂、质量分数17%的硝酸钠、质量分数49.4%的硝酸钾和质量分数4.6%的硝酸锶混合制成，相变温度105oc；
27、所述b相变材料由质量分数33%的硝酸锂和质量分数67%的硝酸钾混合制成，相变温度133oc；
28、所述c相变材料由质量分数53%的硝酸锂、质量分数40%的亚硝酸钠和质量分数7%的硝酸钠混合制成，相变温度142oc。
29、所述低温相变材料按质量比例1：1：1由相变材料ⅰ、相变材料ⅱ和相变材料ⅲ混合均匀制得；
30、所述相变材料ⅰ为棕酮酸，相变温度61.4oc；
31、所述相变材料ⅱ由质量分数50%的赤藓糖醇和质量分数50%的尿素混合制成，相变温度79.6oc；
32、所述相变材料ⅲ为木糖醇，相变温度98.6oc。
33、所述水泵12为增压型水泵。
34、所述系统的所有连接管路均采用保温绝热处理。
35、本发明的有益技术效果体现在以下方面：
36、1.本发明的气液分离器利用非共沸混合工质组元的沸点不同的特点，在冷凝相变过程中分离冷凝液，将整体冷凝过程分割为三段，可逐段调节组分以改变冷凝相变过程的工质物性，进而控制冷凝相变过程的温度变化。同时，冷凝过程整体温度滑移等于三段换热段温度滑移的总和，可应对大温跨冷凝时冷热源工况波动较大的情况，有效提高热泵系统在不同工作条件下的灵活性和适应性。
37、2.本发明采用了三级蓄热，每一级的蓄热器填充三种不同相变温度的相变材料，相变温度按低温到高温的顺序进行串联设置，实现了大温跨的梯级蓄热，能够在提高储能密度的同时形成阶梯型的温度曲线，可使其蓄热过程更接近非共沸混合工质的温度变化，放热过程与冷水的温度变化更贴合，有效降低换热过程的不可逆损失，提高能源利用率。