分级分压模块化热能提升系统及其控制方法
阅读说明：本技术 分级分压模块化热能提升系统及其控制方法 (Graded partial pressure modular heat energy lifting system and control method thereof ) 是由 胡斌 姜佳彤 王如竹 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种分级分压模块化热能提升系统及其控制方法,包括并联的多级热泵模块,所述热泵模块包括蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀；蒸发器包括废热水换热管和第一制冷剂换热通道；冷凝器包括第二制冷剂换热通道和供热水换热管；第一制冷剂换热通道、压缩机、第二制冷剂换热通道以及节流阀首尾连接,实现闭式循环；相邻的热泵模块的废热水换热管相连通；相邻的热泵模块的供热水换热管相连通。本发明通过使用多级热泵模块并联,实现热泵模块分级、分压运行。通过对单级热泵进行模块化处理,可根据实际情况,如运行工况、成本等,控制运行的热泵模块数量,组合便捷,适用性更广。(The invention provides a graded compression modular heat energy lifting system and a control method thereof, and the system comprises a plurality of parallel multistage heat pump modules, wherein each heat pump module comprises an evaporator, a compressor, a condenser and a throttle valve; the evaporator comprises a waste hot water heat exchange pipe and a first refrigerant heat exchange channel; the condenser comprises a second refrigerant heat exchange channel and a hot water supply heat exchange tube; the first refrigerant heat exchange channel, the compressor, the second refrigerant heat exchange channel and the throttling valve are connected end to realize closed circulation; the waste hot water heat exchange pipes of the adjacent heat pump modules are communicated; the hot water supply heat exchange pipes of the adjacent heat pump modules are communicated. The invention realizes the grading and partial pressure operation of the heat pump modules by using the parallel connection of the multi-stage heat pump modules. Through carrying out modular processing to single-stage heat pump, can be according to actual conditions, like operating condition, cost etc. the heat pump module quantity of control operation, it is convenient to make up, and the suitability is wider.)
技术领域
本发明涉及热泵控制领域，具体地，涉及一种分级分压模块化热能提升系统及其控制方法。
背景技术
中国是全球第一大制造业国家，焦炭、黑色金属冶炼(钢铁)、有色金属冶炼、非金属制造、化工等行业数量多，产品产量大。工业能耗占我国总能耗的70％以上，其中至少50％转化为载体不同、温度不同的工业余热，而目前我国工业余热回收率仅约30％，其余以废热形式排放到大气或水体中，能源利用效率偏低。热泵是一种提高热能品位的有效技术，尤其适用于从空气或工业废热中吸收热量，并广泛应用于工业干燥、加热、区域集中供热等领域，以替代传统燃煤、燃气锅炉，达到提高能源利用率和节能减排的目的。
如专利文献CN110645710A公开的一种能回收余热的热泵热水机，其特征在于：它包括热泵本体，所述热泵本体的内侧设置有蒸发翅片，所述热泵本体的一侧设置有冷水进口，所述冷水进口的一侧设置有热水出口，所述热水出口的上侧设置有压力表，所述热泵本体的上侧设置有进风处，其特征在于：所述热泵本体的下侧设置有移动轮，所述热泵本体的内侧靠近蒸发翅片的上端设置有喷淋管，所述进风处的上侧设置有防护机构，所述进风处的一侧设置有储水箱，所述储水箱的一端设置有连接管，所述储水箱与喷淋管通过连接管进行内部连通，所述储水箱的一侧设置有清洁进水口，所述热泵本体的另一侧设置有清洁排水口，所述热泵本体的一侧靠近压力表设置有安装块，所述安装块的一侧设置有盖板。
即类似上述的回收低品位余热输出热水的压缩式热泵系统是极具节能意义的设备，有很好的应用市场。目前已经有很多成熟的供热温度在80℃以下的小型中低温热泵产品，但大容量、大温升、高效的热泵还存在市场空白，这样的热泵将有利于通过回收工业废热来满足大容量的区域或工业供热需求。通常，大温升热泵难以维持较高的系统性能系数(COP)，主要受部件效率以及系统循环形式限制，因此为满足以上要求就需要对热泵系统进行合理的设计和优化，进一步提高工业热泵的容量、供热温度和系统性能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分级分压模块化热能提升系统及其控制方法。
根据本发明提供的一种分级分压模块化热能提升系统，包括并联的多级热泵模块2，所述热泵模块2包括蒸发器9、压缩机11、冷凝器13、节流阀15；
蒸发器9包括废热水换热管8和第一制冷剂换热通道10；
冷凝器13包括第二制冷剂换热通道12和供热水换热管14；
第一制冷剂换热通道10、压缩机11、第二制冷剂换热通道12以及节流阀15首尾连接，实现闭式循环；
相邻的热泵模块2的废热水换热管8相连通；
相邻的热泵模块2的供热水换热管14相连通。
优选地，相邻的热泵模块2的废热水换热管8通过废热水连接管3连通。
优选地，相邻的热泵模块2的供热水换热管14通过供热水连接管6连通。
优选地，废热水自最后一级热泵模块的废热水换热管8进入，自第一级热泵模块的废热水换热管8流出；
热水由第一级热泵模块的供热水换热管14进入，自最后一级供热水换热管14流出。
优选地，沿废热水流通方向，热泵模块的蒸发器9的压力递减，热模模块的冷凝器13的压力递减。
优选地，所述蒸发器和冷凝器采用降膜或满液式换热器。
优选地，所述热泵模块采用变频压缩机。
优选地，热泵模块的级数为4级至9级。
根据本发明体用的一种基于上述分级分压模块化热能提升系统的控制方法，包括如下步骤：
设定温度输入步骤：输入要求的输出温度T7*；
检测步骤：测量当前热源温度Ts，以及冷却水温度Th；
转速确定步骤：检测热泵模块蒸发器入口温度Ti,N和冷凝器出口温度To,N，根据Ti,N和To,N对应饱和压力，确定压缩机转速；
温度判断步骤：压缩机转速达到平稳后，检测热泵模块的蒸发温度是否为入口温度 Ti,N-x℃，检测冷凝温度是否为冷凝器出口温度To,N-x℃，若判断结果为是，则进入下一级热泵模块，进入转速确定步骤；若判断结果为否，则重新检测此时的蒸发器入口温度Ti,N，冷凝器出口温度To,N，重新调节压缩机转速，直至达到换热器最小换热温差维持在 x℃；
输出步骤：输出最终温度T7，判断是否达到需求输出温度T7*，若判断结果为是，则维持状态运行；若判断结果为否，则从最后一级热泵模块开始重新调节，直至达到需求输出温度，保持各热泵模块稳定运行，获得稳定输出。
优选地，所述x为最小换热温差。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
实现大温升的同时，保证高效率，降低传热产生的不可逆损失。
1、本发明通过使用多级热泵模块并联，从废热中吸收热能，通过压缩机提升热能品位，并向供热热水输出高品位热能以加热热水。在保证每台热泵的安全运行范围内，多级并联可以极大提高可以输出的热水温度，提高能源的利用率，降低了能源的消耗，达到了节约能源的效果。
2、本发明通过使用多级热泵模块并联，根据最小换热温差确定相应的蒸发、冷凝温度，减小了每台热泵换热器内的换热温差，有效地实现梯级吸收废热热能，梯级输出热能，减小换热过程的不可逆损失，进一步提高了系统能效。
3、本发明通过使用多级热泵模块并联，实现热泵模块分级、分压运行，每个热泵模块中的压缩机运行压比近似，因此可以使用同一型号的压缩机，降低机组成本、运行维护方便。
4、本发明通过对单级热泵进行模块化处理，可根据实际情况，如运行工况、成本等，控制运行的热泵模块数量，组合便捷，适用性更广。
5、本发明采用水为换热介质，蒸发器冷凝器均采用降膜或满液式换热器，管内走水，管外为制冷剂，此换热器可降换热温差，最小换热温差仅2℃，可以进一步降低换热的不可逆损失。并且以水为换热介质，换热系数大，可以明显提高换热效率，并减小换热面积，节约机组占地空间。
6、本发明每个热泵机组采用变频压缩机，针对开机过程中的动态变化，蒸发压力逐渐升高，即压缩机吸气压力逐渐升高，变频压缩机可自动调节转速适应吸气压力的变化，达到节能运行。进一步，当系统负荷变化时，变频压缩机可自调节转速适应负荷变化，无需通过控制压缩机开停，始终使热泵机组运行在最佳状态，更加节能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为分级分压模块化热能提升系统示意图。
图2(a)为一级热泵模块并联系统蒸发冷凝过程换热曲线图。
图2(b)为二级热泵模块并联系统蒸发冷凝过程换热曲线图。
图2(c)为三级热泵模块并联系统蒸发冷凝过程换热曲线图。
图3为单级热泵系统压焓图。
图4为系统性能随并联级数增加的变化示意图。
图5为分级分压模块化热能提升系统的控制方法流程图。
图中示出：
废热进水管1
热泵模块2
废热水连接管3
废热出水管4
供热进水管5
供热水连接管6
供热水出水管7
废热水换热管8
蒸发器9
第一制冷剂换热通道10
压缩机11
第二制冷剂换热通道12
冷凝器13
供热水换热管14
节流阀15
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图5所示，本发明提供了一种分级分压模块化热能提升系统其控制方法，分级分压模块化热能提升系统包括若干单级热泵机组，每一单级热泵机组为一个热泵模块，单级热泵模块的蒸发器通过废热水侧连接管连通，实现梯级吸收废热(冷水)热量，单级热泵机组的冷凝器通过供热水侧连接管连通，实现对供热水(热水)梯级加热，若干单级热泵机组的冷凝器供热热水侧和蒸发器废热冷水侧通过连通管分别串联，实现多台单级热泵机组并联运行；每个单级热泵模块由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀组成，由连接管连接，实现在蒸发器中从冷水吸热，压缩机提升热能品位，冷凝器侧向热水放热，经节流阀降温降压后重复上述循环。
本发明所述的单级热泵模块，即一个热泵模块，热泵模块2由蒸发器9，压缩机11，冷凝器13，节流阀15组成，第一制冷剂换热通道10出口通过制冷剂连接管与压缩机 11入口连接，压缩机11出口与第二制冷剂换热通道12连接，第二制冷剂换热通道12 出口与节流阀15入口连接，节流阀15出口与第一制冷剂换热通道10入口连接，实现闭式循环。废热水由废热进水管1进入，热泵模块的蒸发器内废热水换热管8通过废热水连接管3连通。供热水由供热进水管5进入，热泵模块的冷凝器内供热水换热管14 通过供热水连接管6连通。制冷剂液体在蒸发器内从冷水吸收热量，蒸发为过热气体，进入压缩机压缩为高温、高压的过热气体，进入冷凝器，过热气体降温冷凝向热水放热，冷凝为具有一定过冷度的液态制冷剂，进入节流阀降温降压至两相制冷剂，重新进入蒸发器继续吸收冷水热量，重复上述过程，实现连续的吸收余热、提高热能品位、放出高品位热能。
本发明所述的梯级吸收热源热量，废热水由最后一级蒸发器(第n级)侧废热进水管入口进入，经n级、n-1级…2级、1级蒸发器吸热后，由第一级蒸发器废热水侧出口流出，可做冷水供水使用。第n到1级蒸发器由废热水连接管管相互串联，构成一个连通的水路，实现热泵系统对热源的梯级吸热，降低每一级蒸发器内的换热温差，减小了换热的不可逆损失。第n级蒸发器压力大于第n-1级蒸发器压力，…，大于第2级蒸发器压力，大于第1级蒸发器压力，实现分级、分压。
本发明所述的对供热热水梯级加热，热水由第一级冷凝器侧供热热水管入口进入，依次进入1级、2级…n-1级、n级冷凝器后升温，由最后一级冷凝器供热热水侧出口流出，可做供热热水使用。第1到n级冷凝器由供热热水连接管相互串联，构成一个连通的水路，实现热泵系统对热水的梯级加热，降低每一级冷凝器内的换热温差，减小了换热的不可逆损失。第n级冷凝器压力大于第n-1级冷凝器压力，…，大于第2级冷凝器压力，大于第1级冷凝器压力，实现分级分压。
更为详细的说明如下：
在系统整体运行时，每一热泵模块单独运行，来自废热的高温废热水通过废热进水管1流入蒸发器内废热水换热管8，高温废热水通过换热管壁向蒸发器9内制冷剂放热，第一制冷剂换热通道10内的两相制冷剂通过蒸发吸收热量，此时制冷剂温度不变，废热水本身因放热温度降低，换热最小温差发生在蒸发器入口的废热水连接管8或废热出水管4，产生的制冷剂蒸汽，进入压缩机11压缩为高温高压的过热蒸汽，高温高压的过热蒸汽进入第二制冷剂换热通道12与冷凝器内供热水换热管14发生换热，高温高压的过热蒸汽通过换热管管壁向供热水放热，本身降温至饱和态释放显热，进一步发生冷凝释放潜热，供热水吸收热量而升温，换热最小温差发生在冷凝器出口的供热水连接管14 或供热水出水管7，冷凝后的液态制冷剂具有一定过冷度，从冷凝器13流出后进入节流阀15，液态制冷剂液体经节流阀15降温降压，变成两相制冷剂，两相制冷剂进入第一制冷剂换热通道8重新吸收废热水热量，重复上述过程。
在系统整体运行时，并联的多级热泵模块同时工作，废热水梯级降温过程描述为，流经第n级热泵模块后温度降低的废热水经废热水连接管3流入第n-1级单级热泵模块的蒸发器9内，由于废热水温度的降低，此时制冷剂的蒸发温度可相应降低，保证废热水在n-1级热泵蒸发器9入口温度与n-1级热泵蒸发温度的温差不大于最小换热温差，经过第n-1级蒸发器9换热降温后的废热水经废热水连接管3继续进入第n-2级热泵蒸发器9，直至第1级热泵模块，这个过程中废热水实现梯级降温，最后废热水由废热出水管4流出。第一制冷剂换热通道8中的制冷剂蒸发温度与对应废热水在蒸发器9入口的温度维持在不大于最小换热温差，实现整个系统有多个蒸发温度，即分级分压。
在系统整体运行时，并联的多级热泵模块同时工作，供热热水梯级升温过程描述为，流经第1级热泵模块后温度升高的供热热水经供热水连接管6流入第2级单级热泵模块的冷凝器13内，由于供热热水温度的升高，此时制冷剂的冷凝温度可相应升高，保证供热热水在2级热泵冷凝器13出口温度与冷凝温度的温差不大于最小换热温差，经过第2级冷凝器13换热升温后的供热热水经供热水连接管6继续进入第3级热泵冷凝器 13，直至第n级热泵机组，这个过程中供热热水实现梯级升温，热能品位逐渐提升，最后供热热水由供热水出水管7流出，流入用户端。第二制冷剂换热通道12中的制冷剂冷凝温度与对应供热热水在冷凝器13出口的温度维持在不大于最小换热温差，实现整个热泵系统有多个冷凝温度，即分级分压。
本发明所述的多台单级热泵模块并联运行，其中的每台单级热泵模块单独控制，互不影响。并联级数越多，越可以缩小蒸发器与冷水的换热温差以及冷凝器与热水的换热温差，传热不可逆损失越小，系统能效越高。
现有热泵机组大多只有一个蒸发温度、一个冷凝温度，与现有技术相比，本发明具有如下的性能提高：
为更具体地说明性能提升，以蒸发器侧冷水入口温度55℃，冷却至出口50℃，冷凝器侧热水入口温度90℃，加热至出口100℃的工况为例进行说明。蒸发器和冷凝器与水的最小换热温差设定为2℃，最小换热温差出现在蒸发器和冷凝器水侧出口，根据以上设定得到如图2所示的梯级换热曲线图，其中实线代表水的温度变化，点划线代表制冷剂蒸发温度，虚线代表制冷剂冷凝温度，图中阴影部分代表了换热的不可逆损失。图2(a) 展示了一台单级热泵模块内制冷剂与水的换热过程，图2(b)展示了两台单级热泵模块并联制冷剂与水的换热过程，图2(c)展示了三台单级热泵模块并联制冷剂与水的换热过程。比较图2(a)、图2(b)、图2(c)中所示的阴影部分面积，可以看出，随着并联级数的增加，缩小了每一级蒸发器、冷凝器与水的平均换热温差，阴影面积减小，即换热的不可逆损失减小。
同时多级热泵模块并联实现的分级分压运行，使每一热泵模块的冷凝压力与蒸发压力比值类似，即压缩机的运行压比类似，因此热泵模块可采用同一型号压缩机，不仅节省压缩机成本，而且运行维护方便。
进一步比较系统能效随热泵并联级数增加的变化情况，系统能效定义为COP(Coefficient of Performance)，其计算式为：
其中，Q表示热泵产生总热量，Q1、Q2…Qn-1、Qn表示单台热泵模块的产生热量，单位为kW；W表示热泵消耗总电量，W1、W2…Wn-1、Wn表示单台热泵模块的耗电量，单位为kW。
每一热泵模块的系统循环压焓图如图3所示，其中1代表蒸发器入口，即压缩机入口，2代表压缩机出口，即冷凝器入口，3代表冷凝器出口，即节流阀入口，4代表节流阀出口即蒸发器入口。
每一热泵模块的产生热量Qn计算公式如下，其中，mn为n级热泵模块并联时单台热泵内制冷剂质量流量，单位是kg/s，这里设置为10kg/s。h2和h3分别为制冷剂在冷凝器内入口和出口的焓值，单位是kJ/kg。
Qn＝mn·(h2-h3)
每一热泵模块的产生热量Wn计算公式如下，其中，h2和h1分别为制冷剂在压缩机内入口和出口的焓值，单位是kJ/kg。
Wn＝mn·(h2-h1)
充注于热泵内的工质均为R1233zd(E),经过计算，得到如图4所示的COP随并联级数的变化曲线。两级热泵模块并联相较一台热泵系统COP提高8.5％，三级热泵模块并联相较于两级热泵模块并联系统COP提高2.9％，四级热泵模块并联相较于三级热泵模块并联系统COP提高1.4％，五级热泵模块并联相较于四级热泵并联系统COP提高0.9％，六级热泵模块并联相较于五级热泵模块并联系统COP提高0.6％，七级热泵模块并联相较于六级热泵模块并联系统COP提高0.4％，八级热泵模块并联相较于七级热泵模块并联系统 COP提高0.33％，九级热泵模块并联相较于八级热泵模块并联系统COP提高0.2％。并联级数大于4级后，更多的热泵模块并联并不能实现明显的系统性能提升，即并联级数增加到一定程度对提高系统能效意义不大，因此在实际应用时应提前计算适当的并联级数。
图5示出了本发明的控制方法：用户首先输入要求的输出温度T7*，此时机组通过安装在换热器进出口的温度传感器测量当前热源温度Ts，以及冷却水温度Th，进一步细化到每一热泵机组的运行控制，开机时检测最后一级(第N级)热泵模块中换热器换热温差最小处的温度，即蒸发器入口温度Ti,N和冷凝器出口温度To,N，根据Ti,N和 To,N对应饱和压力，确定压缩机转速，压缩机转速达到平稳后，检测该热泵模块的蒸发温度是否为入口温度Ti,N-2℃，检测冷凝温度是否为冷凝器出口温度To,N-2℃，若否，重新检测此时的蒸发器入口温度Ti,N，冷凝器出口温度To,N，重新调节压缩机转速，直至达到换热器最小换热温差维持在2℃。依次开启第N-1,…1级热泵模块的压缩机，调节方法相同，所有并联级热泵机组均开启后，检测最终输出温度T7，判断是否达到需求输出温度T7*，若否，从第N级热泵模块开始重新调节，直至达到需求输出温度，保持各热泵模块稳定运行，获得稳定输出。负荷变化时，重新输入要求的输出温度T7*，重复如图所示的控制逻辑，实现负荷的动态匹配。本发明详细说明了控制机组运行的控制方法，包括开机控制以及负荷变换控制，通过实时检测每一热泵模块换热器换热温差最小处，即蒸发器入口处以及冷凝器出口处，是否达到最小换热温差，反馈变频压缩机改变转速，调节蒸发、冷凝温度，直至达到最小换热温差，实现热泵机组梯级吸热、逐级放热，保证每一级热泵模块的压缩机进出口压比相同。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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