[发明专利]一种包括用大的温差加热外部流体的热泵的设备

说明书

本发明涉及一种包括用大的温差加热外部流体热泵的设备。

在工业领域中，有这样的需求，在60℃至150℃的范围中进行加热，在其他物体中，对应于与以通过初始温度和最终温度之间的大的温差来加热外部流体(液体或气体)。所述源流体作为热源使用，所述源流体释放热量，通常是液态或气态废弃物。所述温差因为这些废弃物的流速而变化。

本发明特别适用于：

-液体的加热，例如在加热系统或其它系统中的水、洗涤液、或其他的处理用水；

-用于工业干燥、房间加热或其他用途的气体加热；

具体的，不超出本发明的可以限制于这样的应用中，可以广泛使用在干燥应用中，以及许多其他领域中：造纸、食品加工、污水处理、化纤、木材、印染等。在法国与干燥相关的能源消如下：造纸/纸板(paper/cardboard)行业为39％、农业部分为23％、化工产业为13％、材料产业为11％、冶金为2％、化纤为2％，以及其他产业为10％。估计在法国有超过13000个工业用干燥设备，它们使用着大量不同的技术。在工业中，对流干燥是最常使用的方法。该方法包括将尽可能热和干燥的气流在待干燥物体上进行循环。所述气流，通常为气体，以提供热量，用于蒸发包含在所述物体中的液体，并且将其形成的水蒸气(水分)带走。所述气体在其进入和排出干燥设备之间冷却并获得水汽，同时逐渐干燥的物体变得越来越温暖。

一个当加热外部流体而达到大温差的解决方案是从源流体处收集热量，所述源流体为干燥时由干燥设备产生的潮湿气体。

为此目的，总所周知的是使用热交换器，例如具有管状的热交换器、具有中间介质的翅片管热交换器，热管换热器，膜片式热交换器或者螺旋式热交换器。由热交换器生产厂家提供的说明书中表示热效率在40％至90％之间。但是，这个效率不意味着在热(和潮湿)废弃物中的能量可以恢复这样的效果(recovered at such a yield)。在干燥过程中，例如，在获取的潮湿气体与进入的干燥气体之间的简单的交换，仅恢复了少量的热能量，所述了热能量是从潮湿气体处获取的，用以增加进入的干燥气体的温度。对于高干燥温度，其示出介入干燥设备中的能量小于8％。

为了减少能量的使用和CO₂的排放量，热泵(HP)领域的发展对于加热外部流体是非常引人关注的技术领域。

热泵通常包括第一热交换器，由蒸发器构成，其出口连接着第二热交换器的进口，由冷凝器构成，在两者之间有压缩单元。冷凝器的出口通过扩充单元连接至蒸发器的进口。因此，冷却剂能够在蒸发器和冷凝器之间流动，在蒸发器处获取源流体的热量，并且将热量在冷凝器处传递给外部流体。在干燥过程中，获取的气体能够通过热泵的蒸发器进行冷却(通过水汽的冷凝)，并且进入的气体通过冷凝器进行加热，使气体达到预期的温度。

在法国所记录的干燥设备(用于干燥木材和污泥)证明了热泵能够降低能耗。

但是，传统的热泵仅能达到局限于60℃的目标温度。此外，由热泵执行的传统的热力循环不能在不破坏热泵性能的情况下达到非常高的冷凝的温度。现有热泵的性能因此受到大温差加热的限制，并且在实际操作中，这样的方式不是非常经济。

通过使用大温差来增加热泵的性能，特别是在住宅和中小企业中生产热水的过程中的，使用跨临界循环的CO₂热泵。该解决方案有效的能达到90℃，因为相对应的非常高的压力。

在跨临界循环中使用氢氟碳(HFC)冷却剂的热泵在一篇名为“A Thermodynamic analysis of a transcritical cycle with refrigerant mixture R32/R290for a small heat pump water heater,Yu et al,Vol.42,No.12,p.2431-2436,December 1,2010,”，其文献号为DE 103 27 953。类似于在跨临界循环中的CO₂热泵，这些热泵用于本地的应用中，例如热水加热，温度不超过90℃的温度。但是，这样的热泵不适合工业应用，因为工业应用的所需的温度需要达到一定的高度，具体地是90℃，优选的为100℃，最优选的是120℃，例如达到150℃。

例如文献DE 10 2008 047 753所述，以阶梯式排列使用的热泵。这个排列方式提供了增加总体性能的方法，因为减少了从每个热泵的温差，而且尽可能的优化了各个热泵的冷却剂。系统越离散，其性能越良好。而经济可行性的表准限制了系统具有两个热泵。