[发明专利]分段压缩-分段供热-分段膨胀气体压缩式机组

说明书

技术领域：

本发明属于热泵/制冷技术领域。

背景技术：

气体压缩式机组是余热应用中的一种主要设备之一，可带来节能、环保和经济等多方面的效益。气体压缩式机组主要由压缩机、热交换器、膨胀机和低温热交换器等基本部件组成；其供热主要依靠压缩升温后的工质在热交换器中释放显热来完成对被加热介质的加热。在被制冷介质或余热介质温度确定的情况下，用户用热的需求温度越高，压缩机的压缩比越高，机组的性能指数下降显著且较低；为了提高机组的性能指数，一般采取分级压缩、级间冷却的技术措施以解决或减轻压缩比过高带来的机组耗功增大、容积效率低和压缩终温过高的问题，但这与被加热介质的高温需求相矛盾。

对于热泵机组来说，当用户的热需求——被加热介质需要由较低的温度加热到较高的温度时，无论是采用单级压缩的机组，还是采用分级压缩、级间冷却的机组，存在着这样的缺陷：气体介质在压缩终了时的温度必须要超过被加热介质的最高温度，这样，被加热介质的低温段取热也要由机组的最高供热来完成，这必然导致了机组传热温差大，带来了机组性能指数的降低。

对用于制冷的机组来说，其向环境的放热由冷却介质(被加热介质)带走，若把制冷机耗功和制冷负荷构成的热量全部提升到冷却介质的最高温度之上、然后传递到冷却介质，这同样是不合理的。

在被制冷介质(余热介质)的参数和被加热介质的参数确定时，减小流程中设备之间的传热温差可以提高机组的性能指数；采用回热措施能够提升机组的压缩终温，也可用于降低压缩比。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种可减小系统设备间传热温差，具有供热范围宽、供热温度高和保持较高性能指数的分段压缩-分段供热-分段膨胀气体压缩式机组，以及提供具有高温供热特点的回热型分段压缩-分段供热-分段膨胀气体压缩式机组。

本发明中的两段压缩-两段供热-两段膨胀气体压缩式机组，①结构上，由分段压缩式压缩机、分段膨胀式膨胀机、热交换器、第二热交换器和低温热交换器组成，其中，分段压缩式压缩机由低压压缩段和高压压缩段构成，分段膨胀式膨胀机由低压膨胀段和高压膨胀段构成；压缩机低压压缩段有气体工质出口管路连通热交换器、热交换器再有气体工质管路连接膨胀机低压膨胀段进口，压缩机高压压缩段有气体工质出口管路连通第二热交换器、第二热交换器再有气体工质管路连接膨胀机高压膨胀段进口，膨胀机低压膨胀段还有气体工质出口管路连通低温热交换器、低温热交换器再有气体工质管路连接压缩机低压压缩段进口，压缩机低压压缩段与压缩机高压压缩段间有通道连通，膨胀机高压膨胀段与膨胀机低压膨胀段之间有通道连通，低温热交换器还有被制冷介质管路或余热介质管路与外部连通，热交换器和第二热交换器还分别有被加热介质管路与外部连通；无低温热交换器时，压缩机低压压缩段有气体进口管路与外部连通，膨胀机低压膨胀段还有气体出口管路与外部连通，为开放式分段压缩-分段供热-分段膨胀气体压缩式机组；②流程上，全部气体工质流经低温热交换器受热升温后进入压缩机低压压缩段、在外部驱动能的作用下升压升温后分为两部分——一部分自压缩机低压压缩段流出进入热交换器并放热于被加热介质、而后进入膨胀机低压膨胀段完成低压阶段膨胀过程，而另一部分再经压缩机高压压缩段压缩后自压缩机高压压缩段流出进入第二热交换器并放热于被加热介质、而后流经膨胀机高压膨胀段和膨胀机低压膨胀段完成高压-低压两个阶段的连续膨胀过程，两部分气体工质完成膨胀过程降压降温后一起流经低温热交换器吸热；无低温热交换器时，外部气体进入压缩机低压压缩段，完成被分段压缩、进行分段放热和分段膨胀后自膨胀机低压膨胀段向外部排出；③本发明的特征在于，气体工质自低温热交换器吸热后，一部分气体工质由初始状态经历低压压缩阶段升压升温后流经热交换器向被加热介质提供低温热需求，另一部分气体工质由初始状态经历低压压缩与高压压缩两个阶段升压升温后流经第二热交换器向被加热介质提供高温热需求，而后两部分气体工质分别进行膨胀降压降温。

上述发明机组中，采用低压压缩机和高压压缩机分别替代压缩机低压压缩段和压缩机高压压缩段，采用低压膨胀机和高压膨胀机替代膨胀机低压膨胀段和膨胀机高压膨胀段，也得到两段压缩-两段供热-两段膨胀气体压缩式机组。