热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统及方法

本发明涉及高温蒸汽水源热泵，特别是涉及一种热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统及方法。

背景技术：

1、热能是能源终端消费的重要形式，工业锅炉是传统的热能供应设备。在双碳目标下，采用工业热泵代替工业锅炉是供热脱碳的重要解决方案。此外，我国工业耗能中有50％以上最终转化为了余热废气、废水，其中仅有不到30％被重新利用。为了进一步提升能源利用效率，可以采用工业热泵借助电能等外部能源将余热废气、废水的温度提升至更高，用于更广泛的热需求。

2、蒸汽是一种具备高潜热和传热性能的加热流体，比液态水具有更高的比热容，可以在无需高压的情况下过热至较高温度。此外，蒸汽在冷凝过程中可在恒定温度下释放高潜热，加热效率远高于单相液态水。因此，工业中，高温蒸汽是较为理想的热载体。利用热泵系统外加闪蒸循环将工业废气、废水的的余热转化为高温蒸汽对我国清洁低碳供热体系发展十分重要。

3、压缩机是热泵机组的核心部件，对于热泵性能有决定性影响。对于传统热泵系统，采用往复压缩机或涡旋压缩机的情况下，可利用余热热源产生120～130℃的供热温度。此时，进一步产生的高温蒸汽参数较低，在工业中应用的范围有限，价值较低。若希望热泵系统产生160～180℃的供热温度，则需要更复杂的压缩机技术(例如：螺杆压缩机、透平压缩机)或者更高的电能消耗，这一方面会增加设备经济成本，也会降低热泵系统的性能系数(cop)。根据调研，目前依托热泵系统产生高温蒸汽的技术方式主要分为两类：(1)升级改造热泵系统，例如采用先进压缩机、双级压缩、复叠压缩等。(2)引入额外外部能源，例如耦合光伏光热?？?、耦合燃气加热?？榛蛭琳艄藜幼罢羝尤饶？?。其中，耦合光伏光热的热泵系统主要通过预热低温热源以及对蒸汽直接加热的方式提升产出蒸汽的温度。耦合燃气加热的热泵系统主要通过燃气直接加热蒸汽以及燃烧尾气预热低温热源的方式提升产出蒸汽的温度。带闪蒸罐加热的热泵系统通过充分利用压缩机内高温热油的热量，通过在闪蒸罐内加装换热器提升出口蒸汽温度。

4、然而，目前依托热泵系统产生高温蒸汽的技术方式存在如下问题：一是升级改造热泵系统会增加系统投资和运行维护成本。二是耦合光伏光热的热泵系统在我国光照较充足的西北地区可以充分发挥能效，但在我国轻工业更聚集的东南地区，易受天气变化影响，难以稳定持续的产生高温蒸汽。为确保阴天状态下高温蒸汽稳定输出，往往需要电网为光伏光热系统提供额外高品质能源。既不能保证系统的高效利用率，也增加了高温蒸汽的经济成本。三是耦合燃气加热的热泵系统主要适用于寒冷地区的空气源热泵系统，可以通过末端加热高效地提升供热品质(蒸汽品质)，也能通过烟气预热热泵热源并防止系统结霜。但当下燃气加热?？槿允腔谔烊黄?、合成气等化石燃料，与我国清洁低碳能源体系发展目标冲突，未来发展和应用空间有限。四是带闪蒸罐加热的热泵系统的核心在于带加热功能的闪蒸罐(气液分离器)，该装置可充分利用压缩机中的高温热油热量，既能提升蒸汽温度又能为压缩机降温。尽管闪蒸罐具有简单结构，但要确保高温热油在闪蒸罐能充分、安全的释热，仍需要复杂且耐腐蚀的换热管道，存在一定技术复杂度。此外，对于采用磁悬浮离心压缩机的热泵系统，不存在润滑热油管理系统，无法为闪蒸罐提供热量。因此，带闪蒸器加热的热泵系统的应用也存在一些限制。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统，仅通过增加简单设备和环节，实现高温蒸汽的高效制备。

2、根据本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统，包括热泵、预热换热器、加热装置、闪蒸器和流量控制阀；其中，所述热泵包括蒸发换热器、压缩机、冷凝器和热力膨胀阀；所述蒸发换热器的吸热管、所述压缩机、所述冷凝器的放热管和所述热力膨胀阀依次首尾相连形成供工质循环流动的闭合回路；所述蒸发换热器的放热管的入口与所述预热换热器的吸热管的出口相连，所述预热换热器的吸热管的入口用于供余热热源进入；所述冷凝器的吸热管的出口经所述加热装置与所述闪蒸器的入口相连；所述冷凝器的吸热管的入口与供水管的出口相连；所述闪蒸器的剩余高温水的出口分别与所述预热换热器的放热管的入口和所述供水管相连；所述预热换热器的放热管的出口与所述供水管相连，所述供水管还用于通入常温水；所述流量控制阀用于控制进入所述预热换热器的放热管的高温水的流量以控制所述预热换热器输出的余热热源的预热后温度，并进一步控制所述冷凝器的放热管中工质的温度。

3、根据本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统，工作过程为：所述预热换热器利用所述闪蒸器输出的剩余高温水中的一部分高温水对余热热源进行预热，使余热热源温度升高获得预热后热源并输送给所述蒸发换热器的放热管中，同时使得流经所述预热换热器的一部分高温水温度降低，变成中温水并输送给所述供水管；所述蒸发换热器利用预热后热源对来自所述冷凝器的放热管输入到所述蒸发换热器的吸热管中的工质进行换热，使得工质温度升高并将温度升高的工质输送给所述压缩机，同时使得预热后热源温度降低并排出；所述压缩机对所述蒸发换热器输出的温度升高的工质进行增压升温，获得高温高压工质并将高温高压工质输送给所述冷凝器的放热管中；所述冷凝器利用高温高压工质对由常温水、来自所述闪蒸器输出的剩余高温水中的另一部分高温水以及来自所述预热换热器的中温水混合后的混合水进行加热，获得高温过热水并将高温过热水输入到所述加热装置中，同时，使得高温高压工质降温并经所述热力膨胀阀输送到所述蒸发换热器的吸热管中；所述加热装置对所述冷凝器输来的高温过热水进一步加热后，获得高品质高温过热水并输送给所述闪蒸器，这里高品质高温过热水可以理解为更高温度的高温过热水；所述闪蒸器对高品质高温过热水进行闪蒸，输出高温蒸汽和剩余的高温水。需要说明的是，通过调节所述流量控制阀自身阀门开度可以调节进入所述预热换热器的放热管的高温水的流量大小，将余热热源预热至不同温，进而可以调节所述冷凝器的放热管中工质的温度

4、根据本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统，通过所述加热装置的外加热源对进入所述闪蒸器前的高温过热水进一步加热升温，获得高品质高温过热水，进而高品质高温过热水进入所述闪蒸器后产生更高温度的高温蒸汽。对于所述闪蒸器输出的剩余的高温水，一部分高温水通过所述预热换热器对余热热源进行预热，另一部分高温水、与常温水及所述预热换热器输出的中温水混合后送入所述冷凝器吸热。本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统可实现热源加热热量的充分利用，并整体提升系统能效。

5、综上，本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统，具有如下的优势：一是设备简单，通过增加成熟、简单且经济的设备如所述预热换热器、所述加热装置等，就可以有效提升产出蒸汽温度，不需要更换更复杂且昂贵的压缩机；二是适用性广，所述加热装置可采用可再生能源、化石燃料以及电网电力等多种能源形式，不受地域和天气限制；三是热能效高，通过将所述加热装置进一步加热高温过热水、通过所述闪蒸器排出的剩余的高温水预热余热热源和预热循环水三个环节梯级利用，通过耦合所述热泵与所述加热装置实现了高效协同。

6、在一些实施例中，还包括增压泵，所述增压泵设置在所述供水管上，用于将常温水、来自所述闪蒸器的高温水以及来自所述预热换热器的中温水混合后送入所述冷凝器的吸热管中。

7、在一些实施例中，所述增压泵的入口处的混合水的温度控制在低于所述冷凝器的放热管中工质的温度范围。

8、在一些实施例中，还包括第一管、第二管和第三管，所述第一管的一端与所述闪蒸器的高温水出口相连，所述第一管的另一端均与所述第二管的一端和所述第三管的一端相连，所述第二管的另一端与所述供水管相连，所述第三管的另一端与所述预热换热器的放热管的出口相连，所述流量控制阀设置在所述第三管上。

9、在一些实施例中，所述余热热源为废水或/和废气。

10、在一些实施例中，所述预热换热器的吸热管的入口前的余热热源温度范围为-10℃～70℃。

11、在一些实施例中，所述预热换热器的结构可以根据余热热源特点采用管式换热器、板式换热器或翅片式换热器。

12、在一些实施例中，所述热泵的闭合回路的工质为制冷剂。

13、在一些实施例中，所述加热装置为电加热装置、燃气加热装置、小型锅炉加热装置或太阳能加热装置。

14、在一些实施例中，所述电加热装置的电力来源包括可再生能源和电网工业电源。

15、本发明还提出了一种热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能方法。

16、根据本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能方法，采用本发明上述任一实施例的所述的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统来实现，包括如下步骤：

17、所述预热换热器利用所述闪蒸器输出的剩余高温水中的一部分高温水对余热热源进行预热，使余热热源温度升高获得预热后热源并输送给所述蒸发换热器的放热管中，同时使得流经所述预热换热器的一部分高温水温度降低，变成中温水并输送给所述供水管；

18、所述蒸发换热器利用预热后热源对来自所述冷凝器的放热管输入到所述蒸发换热器的吸热管中的工质进行换热，使得工质温度升高并将温度升高的工质输送给所述压缩机，同时使得预热后热源温度降低并排出；

19、所述压缩机对所述蒸发换热器输出的温度升高的工质进行增压升温，获得高温高压工质并将高温高压工质输送给所述冷凝器的放热管中；

20、所述冷凝器利用高温高压工质对由常温水、来自所述闪蒸器输出的剩余高温水中的另一部分高温水以及来自所述预热换热器的中温水混合后的混合水进行加热，获得高温过热水并将高温过热水输入到所述加热装置中，同时，使得高温高压工质降温并经所述热力膨胀阀输送到所述蒸发换热器的吸热管中；

21、所述加热装置对所述冷凝器输来的高温过热水进一步加热后，获得高品质高温过热水并输送给所述闪蒸器；

22、所述闪蒸器对高品质高温过热水进行闪蒸，输出高温蒸汽和剩余的高温水；

23、通过所述流量控制阀控制进入所述预热换热器的放热管的高温水的流量，以控制所述预热换热器输出的余热热源的预热后温度，并进一步控制所述冷凝器的放热管中工质的温度。

24、由于本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能方法，采用本发明上述任一实施例的所述的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统来实现，因此，本发明实施例的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能方法具有与本发明实施例的所述的热泵耦合加热协同产生高温蒸汽的节能系统相同的技术优势，在此，不在赘述。

25、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。