一种同时高效回收多品位低温余热的内复叠式高温热泵系统

本发明涉及一种同时高效回收多品位低温余热的内复叠式高温热泵系统，属于节能。

背景技术：

1、许多工业生产过程均存在大量不同温度的低温余热，比如温度较低（40℃以内）的循环冷却水和温度高一些（50-80℃）的温排水，对民用建筑来说，也同样存在温度较低的环境空气（年平均温度20℃）和温度稍高的太阳能热水（温度50-60℃）资源。同时这些生产过程往往需要使用大量的100℃以上的热量。如何同时高效回收利用不同温度的低温余热产生满足要求的高品位热量是亟待解决的问题。利用单一余热（如空气或温水）产生100℃以上热量的高温热泵技术基本已经成熟，逐渐在进行推广应用，目前，已经初步显示出高温热泵的巨大市场潜力。但这些高温热泵通常是仅能回收利用单一余热，且是使用纯工质的双级压缩热泵，不能同时高效回收两个或多个温度水平的多源余热的热量。在热泵循环中使用混合工质，可以提高循环效率，但通常会导致工质换热性能的下降，在一定程度上会增加换热设备体积及初投资，因此在使用混合工质的热泵中采用恰当的强化传热措施也是很重要的。

2、专利申请号为2022201826057、一种回收冷却水余热的高温热泵装置系统提供一种种回收冷却水余热的高温热泵装置系统，所述高温热泵装置系统包括经低温级复叠换热装置相连的低温级循环系统和高温级循环系统，所述高温级循环系统包括与高温级冷凝装置依次连接的热水储存装置和热水输送装置，所述热水输送装置分别与热水输送管道和电加热装置相连。该系统只能利用0-40℃的低温热源，不能利用两个或多个温度水平的多源余热的热量，而且不能产生100℃以上的热量（100℃以上的高温热水或低压蒸汽）。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提出一种同时高效回收多品位低温余热的内复叠式高温热泵系统。在一套设备里，本系统能同时高效回收利用两个温度的低温余热产生100℃以上的高温热水或低压蒸汽，最大限度地降低生产过程供热系统的运行费用，且减少设备初投资，实现一种节能高效，环保绿色、经济安全的供热方式。

2、本发明通过以下技术方案实现。

3、一种同时高效回收多品位低温余热的内复叠式高温热泵系统，包括冷凝器、气液分离器、回热器ⅰ、膨胀阀ⅰ、螺杆压缩机、蒸发-冷凝器、蒸发器ⅰ、储液罐、回热器ⅱ、膨胀阀ⅱ、回热器ⅲ、膨胀阀ⅲ、蒸发器ⅱ、若干连接管道和控制元件组成；

4、所述螺杆压缩机（带补汽口）中混合循环工质蒸汽出口连接冷凝器蒸汽进口，冷凝器中进口通入水或蒸汽，在冷凝器出口处获得100℃以上的高温热水或100℃以上的低压蒸汽，冷凝器的混合循环工质出口连接气液分离器，气液分离器中高沸点循环工质液体出口依次连接回热器ⅰ、膨胀阀ⅰ后进入到蒸发-冷凝器中形成高沸点循环工质蒸汽，高沸点循环工质蒸汽进入到回热器ⅰ中后流入到螺杆压缩机中；

5、气液分离器中低沸点循环工质蒸汽出口连接到蒸发-冷凝器后形成低沸点循环工质液体进入到储液罐中，储液罐中的低沸点循环工质液体分为两路，一路经过回热器ⅲ、膨胀阀ⅲ到蒸发器ⅱ中，吸收进入到蒸发器ⅱ的热源ⅰ中热量产生低沸点循环工质蒸汽，低沸点循环工质蒸气经过回热器ⅲ后进入到螺杆压缩机中，与高沸点循环工质蒸汽形成混合循环工质蒸汽，完成一个循环；

6、储液罐中的低沸点循环工质液体另一路经过回热器ⅱ、膨胀阀ⅱ后进入到蒸发器ⅰ中，吸收蒸发器ⅰ中热源ⅱ中热量产生低沸点循环工质蒸汽，低沸点循环工质蒸汽再经过回热器ⅱ后进入到螺杆压缩机中，与高沸点循环工质蒸汽形成混合循环工质蒸汽，完成一个循环；

7、所述热源ⅰ为温度0-40℃低温余热，热源ⅱ为温度为50-80℃低温余热。

8、所述低沸点循环工质为r134a、r152a、r32、r143a、r142b或r227ea。

9、所述高沸点循环工质为r245fa、苯、戊烷、二氧化碳或水。

10、所述蒸发-冷凝器为降膜蒸发-冷凝器，包括降膜传热管、导液件、管板、工质泵、进口ⅰ、进口ⅱ、出口ⅰ、出口ⅱ和连接管道，蒸发-冷凝器侧部上下分别设有进口ⅰ和进口ⅱ，蒸发-冷凝器内部设有降膜传热管，降膜传热管上端设有导液件，降膜传热管底端的管板设有低沸点循环工质液体汇集处，低沸点循环工质液体汇集处的侧部设有出口ⅰ，蒸发-冷凝器内部底部设有高沸点循环工质液体储液箱，高沸点循环工质液体储液箱底部出口通过工质泵连接到蒸发-冷凝器上部进口，蒸发-冷凝器顶部设有出口ⅱ。

11、该同时高效回收多品位低温余热的内复叠式高温热泵系统的工作原理为：

12、在本发明所涉及的高温热泵中，由高沸点循环工质和低沸点循环工质组成的非共沸混合工质的高温排气从螺杆压缩机出口排出，进入到冷凝器，高温排气在其中将进水或蒸汽加热到所需的100℃以上的高温水或100℃以上的低压蒸汽；非共沸混合工质呈汽液两相状态排出并进入到气液分离器，其中液相中绝大部分是高沸点循环工质，汽相中绝大部分是低沸点循环工质。在气液分离器中，汽、液两相实现分离。其中高沸点循环工质液体流入回热器ⅰ进行再冷，从而降低节流损失，之后再冷液体进入膨胀阀ⅰ膨胀降温，低温高沸点循环工质液体再进入蒸发-冷凝器，对从气液分离器来的汽相低沸点循环工质进行冷凝，使其变为液体，低沸点循环工质液体流入储液罐，在蒸发-冷凝器中，经节流后温度较低的高沸点循环工质液体吸收低沸点循环工质的冷凝热后汽化变为汽体，高沸点循环工质制冷汽体再流入回热器ⅰ对进膨胀阀ⅰ前的高压液体进行再冷，最后高沸点循环工质汽体与低沸点循环工质蒸汽混合，之后进入螺杆压缩机压缩。储液罐出口低沸点循环工质液体分两路：一路流经回热器ⅱ实现再冷之后，再经膨胀阀ⅱ节流到适合回收温度较高点的低温余热的状态，经节流后温度较低的低沸点循环工质液体流入蒸发器ⅰ吸收热源ⅱ的余热，低沸点循环工质液体吸热汽化，低沸点循环工质制冷汽体流经回热器ⅱ对进膨胀阀ⅱ前的高压液体进行再冷，低沸点循环工质蒸汽再进入螺杆压缩机的补汽口中进行压缩；另一路流经回热器ⅲ实现再冷之后，再经膨胀阀ⅲ节流到适合回收温度较低的低温余热的状态，经节流后温度较低的低沸点循环工质液体流入蒸发器ⅱ吸收热源ⅰ的余热，低沸点循环工质液体吸热汽化，低沸点循环工质制冷汽体流经回热器ⅲ对进膨胀阀ⅲ前的高压液体进行再冷，降低节流损失，低沸点循环工质蒸汽之后进入螺杆压缩机进汽口中进行压缩。如此，完成一个热泵循环。

13、特别地，为了提高降低传热温差，提高循环效率，所述高温热泵采用降膜蒸发-冷凝器，不同于常规换热器，该蒸发-冷凝器用降膜传热管，经膨胀阀ⅰ降温后的高沸点液体工质从进口ⅱ送入管板下部高沸点循环工质液体储液箱，与未蒸发的高沸点循环工质液体混合后通过工质泵送入管板上部空间，液体经降膜传热管上段的导液件均匀布液在降膜传热管内壁面，形成一层薄液膜，液膜在下降过程中不断吸热蒸发，蒸汽沿管中心上升到降膜传热管上的蒸汽空间，通过出口ⅱ进入回热器ⅰ中。需要冷凝的低沸点循环工质蒸汽通过进口ⅰ进入，在降膜传热管外空间流动，被冷凝的液滴沿降膜传热管外壁不断下流，再通过出口ⅰ流入储液罐。

14、本发明的有益效果是：

15、（1）使用非共沸混合工质，可以减少换热过程不可逆损失，使系统能效水平得到提高，确保了热泵系统的高效节能性，降低了运行费用。

16、（2）使用内复叠式热泵循环，可以利用0-80℃以内的低温余热产生100℃以上的高温水或100℃以上低压蒸汽，一般产出热量的温度至少比低温热源的温度高出20-100℃，足够满足许多工业用热及民用供暖等需求。

17、（3）本系统的一套设备可以同时高效回收利用温度不同的两种低温余热，可以降低设备造价，节省设备安装占地面积。