阅读说明：本技术 一种大温跨高温热泵系统 (Large-temperature span high-temperature heat pump system ) 是由 王林 候召宁 曹艺飞 连梦雅 李修真 王占伟 袁俊飞 周西文 马爱华 谈莹莹 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：一种大温跨高温热泵系统,包括低压级压缩子系统、第一高压级冷凝温度系统和第二高压级冷凝温度系统,低压级压缩子系统包括第一压缩机、气液分离器、第一节流部件、蒸发器、第一回热器、第三回热器、第二回热器,第一高压级冷凝温度系统包括第二压缩机、第一冷凝器、第三回热器和第二节流部件,第二高压级冷凝温度系统包括第三压缩机、第二冷凝器、第二回热器和第三节流部件。利用高低压两级压缩方式解决高温热泵的单级压缩压缩比偏大导致制热效率偏低问题,采用高压级并联方式的双冷凝温度解决大温跨制热问题,通过构建梯级制热热泵循环提高热泵系统的制热性能达到节省高品位电能目的,结合回热技术,使得本系统充分利用了低品位热能同时降低了压缩机的能耗。(The utility model provides a high temperature heat pump system is striden to big temperature, including low-pressure stage compression subsystem, first high-pressure stage condensation temperature system and second high-pressure stage condensation temperature system, low-pressure stage compression subsystem includes first compressor, vapour and liquid separator, first throttle part, the evaporimeter, first regenerator, third regenerator, second regenerator, first high-pressure stage condensation temperature system includes the second compressor, first condenser, third regenerator and second throttle part, second high-pressure stage condensation temperature system includes the third compressor, the second condenser, second regenerator and third throttle part. The problem that heating efficiency is low due to the fact that a single-stage compression ratio of a high-temperature heat pump is large is solved by means of a high-pressure and low-pressure two-stage compression mode, the problem that heating is carried out at a large temperature span is solved by means of double condensing temperatures of a high-pressure stage parallel mode, the purpose of saving high-grade electric energy is achieved by building step heating heat pump circulation to improve heating performance of a heat pump system, and the system is made to fully utilize low-grade heat energy and reduce energy consumption of a compressor by means of a heat regeneration technology.)

一种大温跨高温热泵系统

技术领域

本发明属于热泵技术领域，具体涉及一种大温跨高温热泵系统。

背景技术

高温热泵技术是将太阳能、工业废热余热或地下水源等低品位热能转换为120℃左右高温热水或蒸汽的技术。由于冷凝温度较高，冷凝温度和蒸发温度温差较大，传统单级压缩热泵循环存在压缩机压缩比较高，压缩机容积效率较低，机组性能较低的特点。而两级压缩中间不完全冷却循环是将蒸发器中产生的低压制冷剂蒸汽首先被吸入低压压缩机中进行绝热压缩至系统的中间压力，然后制冷剂蒸汽进一步压缩至冷凝压力。采用两级压缩热泵循环促使低压级压缩机和高压级压缩机的压缩比均得到了进一步降低，压缩机本身的容积效率得到了进一步提高，中间冷却技术的应用使得压缩机出口排气温度不致过高，机组性能得到了改善。但是随着高温热泵技术应用的推广，生产所需的冷凝温度不断提高，冷凝过程的传热温差不断增大，循环性能降低，严重限制了高温热泵领域的发展。近年来，为了提高高温热泵循环的系统性能，研究人员在制冷剂替换、改善制冷循环系统等方面做出了大量的工作。

高温热泵技术是一种利用低品位太阳能或其他余热废热的方式，依靠压缩机将低温低压的制冷剂蒸汽绝热压缩至生产所需冷凝温度下的高温高压制冷剂来制取高温热水或蒸汽的技术。高温热泵技术一般利用压缩热泵循环来实现，一般认为压缩机的排气温度不超过70℃，这是由于随着压缩机排气温度的升高，压缩机的压缩比大幅度提高，其吸气密度降低，机组的工作效率降低。当压缩机的压缩比大到一定数值，将造成压缩机停止运行的情况，因此压缩机的压缩比不能过高。

为了降低压缩机的压缩比，获取更高的冷凝温度，两级压缩循环被人们发明，两级压缩热泵循环比单级压缩热泵循环在机组性能方面得到了大的改善，但是当制取130℃左右高温的热水或蒸汽时，由于传热温差较大以及两级的压缩机压缩比过高的问题，同样造成了系统性能的降低，使得两级压缩热泵无法突破更高的供热温度。现有技术公开了活塞式的用于余热回收高温热泵的装置，该装置提高了机组的工作效率，但是这种高温热泵循环仍然没有解决冷凝器侧传热温差过大以及压缩机压缩比过大的问题，机组的性能仍需提高。

鉴上，如何利用高温热泵技术制取高温热水或蒸汽，同时降低压缩机压缩比，减小系统传热温差，提高系统热泵循环效率，成为了业内关注的并且期待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大温跨高温热泵系统，该系统利用高低压两级压缩方式解决高温热泵所存在单级压缩的压缩比偏大导致制热效率偏低的问题，采用高压级并联方式的双冷凝温度解决大温跨制热问题，通过构建该梯级制热热泵循环提高热泵系统的制热性能以达到节省高品位电能目的，并结合回热技术，使得本系统充分利用了低品位热能同时降低了压缩机的能耗。本发明提供了一种梯级加热的大温跨高温热泵系统，达到提高机组能效，节能能源、保护环境的目的，满足了生活或生产中对高温热水或蒸汽的需求。

本发明的技术方案是：一种大温跨高温热泵系统，包括低压级压缩子系统、第一高压级冷凝温度系统和第二高压级冷凝温度系统，所述低压级压缩子系统包括依次串联的第一压缩机、气液分离器、第一节流部件、蒸发器、第一回热器、第三回热器、第二回热器，所述第一高压级冷凝温度系统包括依次串联的第二压缩机、第一冷凝器、第三回热器和第二节流部件，所述第二高压级冷凝温度系统包括第三压缩机、第二冷凝器、第二回热器和第三节流部件，所述第二节流部件和第三节流部件并联后与气液分离器连接；

外界介质进入所述蒸发器后产生的饱和制冷剂蒸汽进入所述第一回热器内过热并分为两路，其中一路流入所述第二回热器内进行二次过热，后经过第三节流部件进入气液分离器，另一路流入所述第三回热器内进行二次过热，经过二次过热的制冷剂蒸汽混合后被所述第一压缩机吸入；所述气液分离器内的制冷剂湿蒸汽分为两部分，一部分生成为饱和制冷剂蒸汽与第一压缩机产生的过热制冷剂蒸汽混合、流出，另一部分生成饱和制冷剂液体流进第一回热器内被过冷，被过冷后进入到第一节流部件内绝热节流，然后流入蒸发器内，与低品位低温热源发生热交换，制冷剂湿蒸汽蒸发吸热成为饱和制冷剂蒸汽。

进一步优化，所述气液分离器内的制冷剂湿蒸汽与第一压缩机产生的过热制冷剂蒸汽流出时分为两路，其中一路被所述第二压缩机吸入，由第一冷凝器经第三回热器过冷，进入第二节流部件绝热节流，另一路被所述第三压缩机吸入，经第二回热器过冷，进入第三节流部件绝热节流。

进一步优化，所述第二压缩机和第三压缩机并联后与气液分离器的顶部气体出口以及第一压缩机的出口相交位置连接。

进一步优化，所述低品位低温热源为太阳能、工厂产生的废热、地下水源热能等一种或多种混合形式的能量。

进一步优化，所述第一冷凝器、第二冷凝器、蒸发器、第一回热器、第二回热器、第三回热器等换热器为板式换热器、套管式换热器或管壳式管热器。

进一步优化，所述低压级压缩子系统、第一高压级冷凝温度系统和第二高压级冷凝温度系统的工作介质均为R245fa、R1234yf、R1234ze、R152a、R236fa、R600a、R600、R227ea、R236ea或R245ca中的一种或两种混合物，所述低品位的低温热源的工作介质为水或工业余热废热。

本发明的有益效果是：

发明利用高低压两级压缩方式解决高温热泵所存在单级压缩的压缩比偏大导致制热效率偏低的问题，采用高压级并联方式的双冷凝温度解决大温跨制热问题，通过构建该梯级制热热泵循环提高热泵系统的制热性能以达到节省高品位电能目的，并结合回热技术，使得本系统充分利用了低品位热能同时降低了压缩机的能耗。本发明提供了一种梯级加热的大温跨高温热泵系统，达到提高机组能效，节能能源、保护环境的目的，满足生活或生产中对高温热水或蒸汽的需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记：201、第一压缩机，202、气液分离器，203、第二压缩机，204、第一冷凝器，205、第三回热器，206、第二节流部件，207、第三压缩机，208、第二冷凝器，209、第二回热器，210、第三节流部件，211、第一回热器，212、第一节流部件，213、蒸发器。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出本实施例只用于对本发明做进一步解释说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟知人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进与调整。

本发明的具体实施方式为：

一种大温跨高温热泵系统，包括低压级压缩子系统、第一高压级冷凝温度系统和第二高压级冷凝温度系统，所述低压级压缩子系统包括依次串联的第一压缩机201、气液分离器202、第一节流部件212、蒸发器213、第一回热器211、第三回热器205、第二回热器209，所述第一高压级冷凝温度系统包括依次串联的第二压缩机203、第一冷凝器204、第三回热器205和第二节流部件206，所述第二高压级冷凝温度系统包括第三压缩机207、第二冷凝器208、第二回热器209和第三节流部件210，所述第二节流部件206和第三节流部件210并联后与气液分离器202连接；

所述第一压缩机201产生的过热制冷剂蒸汽与气液分离器202产生的饱和制冷剂蒸汽混合后分为两路，一路被吸入第二压缩机203内，由第一冷凝器204首先经第三回热器205过冷，然后进入第二节流部件206绝热节流；另外一路被吸入第三压缩机207内，依次经第二冷凝器208冷凝放热、第二回热器209过冷、第三节流部件210绝热节流。

外界介质进入所述蒸发器213后产生的饱和制冷剂蒸汽进入所述第一回热器211内过热并分为两路，其中一路流入所述第二回热器209内进行二次过热，后经过第三节流部件210进入气液分离器202，另一路流入所述第三回热器205内进行二次过热，经过二次过热的制冷剂蒸汽混合后被所述第一压缩机201吸入；所述气液分离器202内的制冷剂湿蒸汽分为两部分，一部分生成为饱和制冷剂蒸汽与第一压缩机201产生的过热制冷剂蒸汽混合、流出，另一部分生成饱和制冷剂液体流进第一回热器211内被过冷，被过冷后进入到第一节流部件212内绝热节流，然后流入蒸发器213内，与低品位低温热源发生热交换，制冷剂湿蒸汽蒸发吸热成为饱和制冷剂蒸汽。

所述第一压缩机201产生的高温高压制冷剂蒸汽与气液分离器202内产生的饱和制冷剂蒸汽流出时分为两路，其中一路进入第二压缩机203内，第二压缩机203的过热制冷剂蒸汽被压缩至第一冷凝压力P_k1，第一冷凝器204内的过热制冷剂蒸汽与外界20~30℃的工作介质进行热交换，过热制冷剂蒸汽冷凝放热变为第一冷凝压力P_k1下的饱和制冷剂液体，饱和制冷剂液体首先进入第三回热器205与第一回热器211汇流后分为两路，一路进入第三回热器205的过热制冷剂蒸汽发生热交换，热交换后经第三回热器205的饱和制冷剂液体被过冷，然后进入第二节流部件206内绝热节流；另一路进入第三压缩机207内，第三压缩机207内的过热制冷剂蒸汽被压缩至第二冷凝压力P_k2，第二冷凝器208内的过热制冷剂蒸汽与来自第一冷凝器204升温为70~80℃的中温介质发生热交换，第二冷凝器208内的过热制冷剂蒸汽冷凝放热变为第二冷凝压力P_k2压力下的饱和制冷剂液体，饱和制冷剂液体进入第二回热器209内与来自第一回热器211后分为两路，一路进入第二回热器209的制冷剂进行热交换，然后进入第二回热器209的制冷剂被过冷，过冷后的制冷剂进入第三节流部件210被绝热节流。

具体工作过程为：制冷剂湿蒸汽在蒸发器213内吸收外界的低品位余热废热为饱和制冷剂蒸汽，进入第一回热器211内与从气液分离器202中流出的饱和制冷剂液体进行热交换，被过热后的制冷剂蒸汽分为两路，其中一路进入第二回热器209内，与来自第二冷凝器208的饱和制冷剂液体进行热交换并再次被过热，另外一路进入第三回热器205内，与来自第一冷凝器204的饱和制冷剂液体发生热交换并被再次过热，分别再次被过热的两路制冷剂蒸汽汇流后进入第一压缩机201内被绝热压缩，压缩至中间温度下的冷凝压力后与来自气液分离器202中、的饱和制冷剂气体混合。混合后的过热制冷剂蒸汽一路进入第二压缩机203内被绝热压缩至第一冷凝温度下的冷凝压力，然后进入第一冷凝器204内与外界低温工质发生热交换后，冷凝放热为饱和制冷剂液体，再次进入第三回热器205内与来自第一回热器211的过热制冷剂发生热交换，第一冷凝器204的制冷剂被过冷后进入第二节流部件206内被绝热节流降压为中间温度下的冷凝压力；另外一路进入第三压缩机207内被绝热压缩至第二冷凝温度下的冷凝压力进入第二冷凝器208，与来自第一冷凝器204被加热后的工质再次发生热交换，工质温度再次升高至预定温度。第二冷凝器208内的制冷剂冷凝放热后成为饱和制冷剂液体，进入第二回热器209内，与来自第一回热器211的制冷剂发生热交换，被预冷的过冷制冷剂液体进入第三节流部件210内被绝热节流至中间温度下的冷凝压力，然后与第二节流部件206绝热节流后的工质混合后一并进入气液分离器202内。进入气液分离器202的制冷剂湿蒸汽发生气液分离，一部分成为饱和制冷剂被第二压缩机203和第三压缩机207吸入；另一部分成为饱和制冷剂液体另外一路流至第一回热器211内。流至第一回热器211的饱和制冷剂液体经第一节流部件212绝热节流至蒸发温度下的蒸发压力后再次进入蒸发器213内与外界低品位余热废热蒸发吸热，至此，完成一个循环。

以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和发明书中描述的只是发明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。