[发明专利]蒸汽热泵的两种应用方式及其系统

说明书

本发明提出了蒸汽热泵的两种应用方式及其系统,其特征在于：所述蒸汽热泵是采用外补的流动蒸汽为工质；两种应用方式分别是：是中继应用和置换物料水分应用；前者，用于提升废蒸汽源和蒸汽输运中的蒸汽压力和温度，系统为中继开放式；后者，用于干燥湿物料或浓缩含水溶液，系统为置换蒸汽循环式，主要设备为蒸汽增压机、补水器系统、智能控制柜系统，蒸汽置换换热器，提供了蒸汽‑湿料换热器和蒸汽‑溶液换热器设计的基本要素；为防止热泵过热，给出了理论和实际补水量的计算关系；蒸汽热泵适用80‑120℃废蒸汽能量的回收，节能效果远超过普通热泵，热泵性能系数COP值高达15‑20，经济价值很高。

技术领域

本发明涉及动力机械和热泵节能领域，是特别的新型蒸汽热泵系统。

背景技术

许多化工厂，例如苯酐的生产过程中，产生大量的低品位的蒸汽和乏汽。它们含有很大的汽化潜热能，但是由于温度、压力偏低，无法在工业再利用。冷热联供的方案，在冬季和夏季，可以消耗某些工厂产生的低品位废蒸汽或乏汽，但是受到季节性限制，不能与工业生产连续同步匹配利用；而产生低品位蒸汽的工厂，为了回收低品位废蒸汽和乏汽的水，则需要大量冷却水来冷却低品位废蒸汽和乏汽，而为了冷却水能循环再利用，又需要建冷却水的冷却塔，循环冷却水系统的水泵和风机还要消耗很多电，收益不大；所以许多场合，干脆把低品位蒸汽直接排入大气中，这又造成环境的热污染；

另外，远处的一些造纸厂、印染厂、食品厂、农产品干燥场所等又需要大量热量，这些热量通常是由高温高压蒸汽提供。由于环保需求，现在不允许这些工厂独立使用燃煤锅炉生产蒸汽，生产1吨温度443 K、压力0.79 MPa的蒸汽，如果改用电锅炉要用电3220千瓦时，电费成本约1930元；如果燃烧天然气，要耗气100-110立方米，燃料费约260元；显然这使某些用蒸汽企业的蒸汽成本代价大大上升；

热泵具有提升热量温度的功能，热力学的原理是在热泵工质循环中压缩机消耗少量高品位的电能，补充热泵低温蒸发器吸热和高温凝结器放热温差传热消耗的有效能，以及把0品位的环境能量提升到使用温度的能量所增加的有效能，因此热泵能够获得比消耗的电能多数倍的热量，但是输出热量所增加的有效能不能超过压缩机消耗的电能。热泵是一种节能设备，但是利用传统热泵的方法，用蒸发器吸收低压蒸汽的热量，再在冷凝器中把热量放给高温蒸汽，这种方式很难实现；因为传统热泵循环的氟利昂工质和压缩机润滑油不适合高温应用，常用温度范围是比环境温度低10℃到65℃，输出的热水温度也只高到55℃，即使二氧化碳工质也难在80℃以上使用；另外，采用传统热泵搬运蒸汽的热能，其能效比低，通常在2.5-4.5之间。

发明内容

为了回收低压低品位废蒸汽的汽化潜热能，克服现有氟利昂、二氧化碳为工质的热泵不能适应高温的不足，本发明提出蒸汽热泵的两种应用方式及其系统,它以蒸汽为工质，通过蒸汽增压机压缩，升高蒸汽压力和温度，达到恢复蒸汽工业使用价值；蒸汽热泵适用80-120℃废蒸汽能量的回收利用，节能效果远超过普通热泵，COP值高达15-20，经济价值很高。

本发明的具体技术方案是：

蒸汽热泵的两种应用方式及其系统，其特征是：所述的蒸汽热泵的两种应用方式，一种是中继应用方式，是用于提升废蒸汽源和蒸汽输运中的蒸汽压力和温度，使其压力和温度升高达到工业或用户要求标准，该应用方式的系统为中继开放式蒸汽热泵系统，工质为低压蒸汽源管路上的蒸汽，连续不断补充而不重复循环使用；另一种是置换物料水分应用方式，是用于干燥湿物料或浓缩含水溶液，该应用方式的系统为置换蒸汽循环式蒸汽热泵系统，工质为被压缩蒸汽加热的物料所蒸发的蒸汽，不采用外界蒸汽源的蒸汽；中继开放式蒸汽热泵系统，简称开放式热泵系统；置换蒸汽循环式蒸汽热泵系统，简称置换循环式热泵系统；所述的置换循环式热泵系统，在建立热泵循环平衡之前的初始阶段是接受外界蒸汽源的蒸汽，系统处于开放式状态；在建立热泵循环平衡之后，热泵循环中的使用物料蒸发的蒸汽。