一種高溫蒸汽熱泵系統的製作方法

2023-06-20 06:56:11 1

本發明涉及熱泵技術領域，特別是一種能夠產生高溫水與高溫蒸汽的高溫蒸汽熱泵系統。

背景技術：

熱泵技術是基於逆卡諾循環原理發展起來的一種節能、環保、安全、高效的能源利用技術，其通過從空氣或水中獲取低溫熱，經電力驅動壓縮機系統做功高效集熱整合後成為高溫熱源，用來取( 供) 暖或供應熱水。熱泵是繼燃油、煤、汽熱水鍋爐、電加熱和太陽能加熱後的新一代加熱設備，也是最潔淨的的加熱方式。

傳統熱泵一般為低溫熱泵，其整個系統結構簡單，但具有以下缺點：

1. 能提供的水溫低，水溫一般低於90℃，無法滿足高溫用水需求，如食品工業的食品加熱、醫療行業的器械消毒，電鍍行業的高溫用水；

2. 管路為開放式，蒸發量較大，相應的補水耗水量大；

3. 無保溫儲水系統，或者保溫儲水系統簡陋，無法根據電網峰谷擇時儲熱，保溫效果較差；

4. 熱效率相對較低，通過利用空氣中的熱能，效率只能達到120%左右；

5.補水採用自來水，容易產生水垢，導致熱效率損失及管路鏽蝕。

傳統熱泵由於具有加熱溫度低、耗水量大、保溫效果差、熱效率低的缺點，其推廣利用被嚴重製約。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題為：提供一種高溫蒸汽熱泵系統，其可產生高於100℃的高溫水和高溫蒸汽，使得熱泵系統能夠適用於多種高溫需求場合。

本發明採取的技術方案具體為：一種高溫蒸汽熱泵系統，包括由管路連接的熱泵單元、保溫穩壓儲液桶和蒸汽發生器；

熱泵單元包括主熱泵和輔助熱泵，主熱泵內設有水加熱管路，水加熱管路兩端為熱水輸出端和回流端；主熱泵可對水加熱管路中的水進行加熱；

輔助熱泵包括熱媒循環管路，蒸汽發生器內設有熱水通道，輔助熱泵的熱媒循環管路通入蒸汽發生器中，以實現熱媒與熱水通道中水的熱交換；

保溫穩壓儲液桶為密閉通體，其上設有壓力調節裝置，以調節桶內壓力；

保溫穩壓儲液桶上設有進水口、回流口、出水口和回水口，其中進水口連接主熱泵的熱水輸出端，回流口連接主熱泵的回流端；保溫穩壓儲液桶通過出水口向用水點和蒸汽發生器的熱水通道輸送熱水；用水點將溫度降低的水輸送至保溫穩壓儲液桶的回水口；

蒸汽發生器的蒸汽輸出端輸出蒸汽至用蒸汽點；用蒸汽點將蒸汽液化後變成的水輸送至保溫穩壓儲液桶的回水口；

保溫穩壓儲液桶與主熱泵、蒸汽發生器連接的管路上分別設有循環泵。

本發明在應用時，主熱泵主要功能是用於加熱保溫穩壓儲液桶中的低溫水，主熱泵工作時，銅管中的熱媒經熱交換器將熱量傳遞給保溫穩壓儲液桶中的低溫水。輔助熱泵的主要功能是將主熱泵加熱後的水再次加熱，形成高溫蒸汽。輔助熱泵工作時，管路中的高溫熱媒流經蒸汽發生器，可將進入蒸汽發生器的熱水進一步加熱，從而產生高溫蒸汽。

保溫穩壓儲液桶可設置為圓柱形密閉桶體，其內壓力可調節並保持，當調節使得保溫穩壓儲液桶內的壓力升高時，儲液桶內水的沸點也相應升高，使得熱泵能夠將水加熱管路中的循環水加熱到高於100攝氏度。沸點升高後的水在蒸汽發生器中被繼續加熱，進而即可產生高溫蒸汽。同時，本系統管路與各設備之間採用密封連接，熱水只在密封管路中進行熱交換，因此相對於開放式的管路系統，可大大降低用於補充蒸發損耗的水量。

保溫穩壓儲液桶可採用現有可調壓式儲液裝置，根據熱水水溫需求對儲液桶內的壓力進行調節，從而改變儲液桶內水的沸點的，得到相應的高溫水。蒸汽發生器在輔助熱泵的作用下將儲液桶內流出的熱水進一步加熱，產生高溫蒸汽，供用蒸汽點使用。

本發明的高溫蒸汽熱泵系統還包括壓力穩壓器，壓力穩壓器連接在蒸汽發生器與用蒸汽點之間。壓力穩壓器為一壓力容器，主要用於給用蒸汽點提供穩定的壓力，其為桶狀結構，上部有洩壓閥、壓力表與進汽口，下部有排水口與出汽口。壓力穩壓器可採用先用產品。

本發明蒸汽發生器內的熱水通道為多個平行設置的錐形圓管，輔助熱泵的熱媒循環管路位於熱水通道外的蒸汽發生器腔體之內。可保證熱媒與熱水之間的充分對流，從而將熱水通道中的水加熱變成蒸汽。蒸汽發生器可設計為圓柱形，除接口外內部保溫密封，方便安裝，佔用空間小。

進一步的，本發明主熱泵由多個熱泵組成；各熱泵分別包括熱媒循環管路，熱媒循環管路上依次設有壓縮機、儲液罐和第一換熱器；壓縮機的輸出端連接儲液罐；水加熱管路位於各熱泵的第一換熱器中，並可與熱媒循環管路進行熱量交換。從而實現對保溫穩壓儲液桶內水的加熱。多個熱泵可採用串連形式進行組合，為了滿足用水點和用蒸汽點對熱水和蒸汽的不同用量需求，本發明的保溫穩壓儲液桶的容量可適當進行調整，主熱泵的熱泵串連數量也相應調整，以保證不同儲水量情況下主熱泵對水的加熱效率。

更進一步的，第一換熱器內，熱媒循環管路纏繞在水加熱管路上。或者兩者也可相互纏繞，實現熱媒與循環水之間的隔離，同時熱交換效率較高。

為了簡化系統結構，本發明各熱泵的第一換熱器為同一換熱器，各熱泵的熱媒循環管路分別纏繞在第一換熱器內的水加熱管路上。這也是本發明多個熱泵的一種串連形式，可實現高效加熱。

為了進一步提高熱媒循環管路的加熱效率，熱媒循環管路上還設有第二換熱器和蒸發器；第二換熱器和蒸發器連接有輔助熱媒循環管路；輔助熱媒循環管路上，輔助壓縮機、輔助儲液罐、第二換熱器與蒸發器依次連接，輔助壓縮機的輸出端連接輔助儲液罐。在第一換熱器中經熱交換降溫後的熱媒，流經第二換熱器和蒸發器時，可吸收輔助熱媒循環管路上的熱量，從而提高進入壓縮機前的基礎溫度，使得壓縮機輸出的熱媒溫度更高，第一換熱器的換熱效率也相應提高。

本發明的輔助熱泵中，熱媒循環管路上依次設有第三換熱器、第二蒸發器、壓縮機和儲液罐；壓縮機的輸出端連接儲液罐；儲液罐與第三換熱器之間的熱媒循環管路通入蒸汽發生器內部。

為了提高蒸汽發生系統的加熱效率，輔助熱泵內還設有輔助熱媒循環管路；輔助熱媒循環管路上，輔助第二壓縮機、輔助第二儲液罐、第三換熱器與第二蒸發器依次連接。

本發明中，保溫穩壓儲液桶為圓柱形，桶壁包括內壁和外壁，內壁和外壁之間設有保溫夾層；內壁的內表面和外壁的外表面為鏡面拋光面。桶壁結構可強化儲液桶的隔熱保溫效果，降低熱損失。經實驗測定，室溫28℃時，熱水桶儲水2000L，溫度從100℃下降到80℃約需50小時。本發明保溫穩壓儲液桶熱損失少，可在用電波谷時將熱能儲於桶中，用電波峰時用於生產，從而實現電網峰谷擇時儲熱。

有益效果

本發明相對於傳統加熱系統，有如下優點：

1）能量利用率高，加熱效率約是普通電加熱的1.5倍；

2）保溫穩壓儲液桶的壓力可調，使得熱交換器中熱水溫度能夠大於100℃；

3）溫控系統簡單，無需設置多重過熱保護，無需設置多重低液位保護。

4）保溫穩壓儲液桶能夠實現儲能，熱損耗小，方便錯峰用電，如根據當地電價特點，在晚間低電價時啟動熱泵，將能量儲存到保溫熱水桶中，在高電價時利用保溫桶中的熱能用於生產供熱，從而降低用電成本。

5）從用熱水點及用蒸汽點回流的冷水可作為冷水副產品及冷氣使用，應用於冷水溫度要求不高的場合（15~20℃）；

6)維修方便，耗水量低，管路內水垢少，熱損失及管路銹蝕相對鍋爐系統都有很大優勢；

7)無鍋爐蒸汽煙囪汙染問題。

附圖說明

圖1所示為本發明原理結構示意框圖；

圖2所示為本發明系統結構示意圖；

圖3所示為本發明安裝結構主視示意圖；

圖4所示為圖3的俯視結構示意圖；

圖5所示為主熱泵原理結構示意圖；

圖6所示為輔助熱泵原理結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例進一步描述。

結合圖1至圖4所示，本發明的高溫蒸汽熱泵系統，包括由管路連接的熱泵單元02、保溫穩壓儲液桶01和蒸汽發生器03；

熱泵單元02包括主熱泵和輔助熱泵，主熱泵內設有水加熱管路，水加熱管路兩端為熱水輸出端A1和回流端A2；主熱泵可對水加熱管路中的水進行加熱；

輔助熱泵包括熱媒循環管路，蒸汽發生器03內設有熱水通道，輔助熱泵的熱媒循環管路通入蒸汽發生器內部，以實現熱媒與熱水通道中水的熱交換；

參考圖3和圖4，保溫穩壓儲液桶01為密閉通體，其上設有壓力調節裝置，以調節桶內壓力；保溫穩壓儲液桶01上設有進水口12、回流口13、出水口14和回水口15，其中進水口12連接主熱泵的熱水輸出端A1，回流口13連接主熱泵的回流端A2；保溫穩壓儲液桶01通過出水口14向用水點07和蒸汽發生器03的熱水通道輸送熱水；用水點07將溫度降低的水輸送至保溫穩壓儲液桶01的回水口15；

蒸汽發生器03的蒸汽輸出端04輸出蒸汽至用蒸汽點08；用蒸汽點08將蒸汽液化後變成的水輸送至保溫穩壓儲液桶01的回水口15；

保溫穩壓儲液桶01與主熱泵、蒸汽發生器03連接的管路上分別設有循環泵05。為了使得流體的運行可控，各管路上還設置有調節閥06。

在應用時，保溫穩壓儲液桶01的壓力可調節並保持，當調節使得保溫穩壓儲液桶內的壓力升高時，儲液桶內水的沸點也相應升高，使得熱泵能夠將水加熱管路中的循環水加熱到高於100攝氏度。沸點升高後的水在蒸汽發生器中被繼續加熱，進而即可產生高溫蒸汽。

實施例

如圖2和圖3所示，本實施例中保溫穩壓儲液桶01為圓柱形密閉桶體，桶壁包括內壁和外壁，內壁和外壁之間設有保溫夾層16；內壁的內表面和外壁的外表面為鏡面拋光面。桶壁結構可提高儲液桶的隔熱保溫效果，經實驗測定，室溫28℃時，熱水桶儲水2000L，溫度從100℃下降到80℃約需50小時。蒸汽發生器03也設計為圓柱形，除接口外內部保溫密封，方便安裝，佔用空間小。通入蒸汽發生器03內部的熱媒循環管路充斥於錐形熱水通道與外壁之間的空間內，可增加熱媒流經蒸汽發生器內的時間，提高換熱效率。

保溫穩壓儲液桶01採用現有可調壓式儲液裝置，如圖4所示，保溫穩壓儲液桶01上具有壓力調節裝置，包括加壓裝置、洩壓口、壓力調節閥等。用戶可根據熱水水溫需求對儲液桶內的壓力進行調節，從而改變儲液桶內水的沸點的，得到相應的高溫水。蒸汽發生器在輔助熱泵的作用下將儲液桶內流出的熱水進一步加熱，產生高溫蒸汽，供用蒸汽點使用。保溫穩壓儲液桶01上還設有注水口11。

圖1至圖4所示的實施例中，高溫蒸汽熱泵系統還包括壓力穩壓器04，壓力穩壓器04連接在蒸汽發生器03與用蒸汽點之間。壓力穩壓器04為一壓力容器，主要用於給用蒸汽點提供穩定的壓力，其為桶狀結構，上部有洩壓閥、壓力表與進汽口，下部有排水口與出汽口。

參考圖2、圖3、圖6，蒸汽發生器03內的熱水通道為多個平行設置的錐形圓管，輔助熱泵B的熱媒循環管路位於熱水通道外的蒸汽發生器腔體之內。可保證熱媒與熱水之間的充分對流，從而將熱水通道中的水加熱變成蒸汽。蒸汽發生器設計為圓柱形，除接口外內部保溫密封，方便安裝，佔用空間小。

如圖1所示，本實施例中主熱泵由多個熱泵A組成，多個熱泵可採用串連形式進行組合，為了滿足用水點和用蒸汽點對熱水和蒸汽的不同用量需求，本發明的保溫穩壓儲液桶的容量可適當進行調整，主熱泵的熱泵串連數量也相應調整，以保證不同儲水量情況下主熱泵對水的加熱效率。

如圖5所示，主熱泵中的各熱泵分別包括熱媒循環管路，各熱媒循環管路上依次設有壓縮機212、儲液罐211和第一換熱器210；壓縮機212的輸出端連接儲液罐211；水加熱管路位於第一換熱器210中，並可與熱媒循環管路進行熱量交換。

具體的，第一換熱器內，熱媒循環管路纏繞在水加熱管路上。或者兩者也可相互纏繞，實現熱媒與循環水之間的隔離，同時熱交換效率較高。

本發明所述多個熱泵的串連形式可以是，各熱泵熱媒循環管路上的第一換熱器為同一換熱器，此換熱內設置水加熱管路，各熱泵的熱媒循環管路皆分別纏繞水加熱管路，即如圖5所示的為兩臺熱泵串聯的形式，與圖1是對應的。也可以是，每個熱泵皆設有一個第一換熱器，每個第一換熱器內分別設有水加熱管路，每個水加熱管路分別連接保溫穩壓儲液桶，或者多個水加熱管路串連後連接保溫穩壓儲液桶。

為了提高熱媒循環管路的加熱效率，熱媒循環管路上還設有第二換熱器214和蒸發器213；第二換熱器214和蒸發器213連接有輔助熱媒循環管路；輔助熱媒循環管路上，輔助壓縮機216、輔助儲液罐215、第二換熱器214與蒸發器213依次連接，輔助壓縮機216的輸出端連接輔助儲液罐215。在第一換熱器210中經熱交換降溫後的熱媒，流經第二換熱器214和蒸發器213時，可吸收輔助熱媒循環管路上的熱量，從而提高進入壓縮機212前的基礎溫度，使得壓縮機212輸出的熱媒溫度更高，第一換熱器210的換熱效率也相應提高。

如圖6所示，輔助熱泵B中，熱媒循環管路上依次設有第三換熱器223、第二蒸發器222、壓縮機221和儲液罐220；壓縮機221的輸出端連接儲液罐220；儲液罐220與第三換熱器223之間的熱媒循環管路，通過進入口31和出口32通入蒸汽發生器03內。

為了提高蒸汽發生系統的加熱效率，輔助熱泵B內還設有輔助熱媒循環管路；輔助熱媒循環管路上，輔助第二壓縮機225、輔助第二儲液罐224、第三換熱器223與第二蒸發器222依次連接。

本發明熱泵的熱媒循環管路中的熱媒可採用現有高溫混合型熱媒。通過保溫穩壓儲水桶的壓力調節，可使得加熱後的水溫達到105℃左右，甚至更高，再經過蒸汽發生器及輔助熱泵作用，可使得水溫達到125℃，能夠滿足大部分高溫水及高溫蒸汽使用點的需要，如：

可應用於食品、藥品行業，用於食品蒸加工，高溫消毒；

可應用於電鍍等需加熱的製造業，用餘槽體藥水加熱，替代電加熱器，減少火災隱患；

可用於賓館、酒店等熱水供應。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。