[发明专利]一种耦合热泵换热器

说明书

本发明提出一种高效的提取冷水的热量用于加热热水的高效换热器，将两级压缩过程、稀释‑再生过程以及热管换热器耦合实现该换热过程。该高效换热器可以根据换热的参数要求选择一种或者多种成分组成循环工质。同时，两级压缩机可以采用汽轮机或者电机驱动，相比现有换热方式而言，可实现在“热侧与冷侧温差大”和“热侧出口温度高”的极限工况下高效工作，具有显著的性能优势。

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，特别是涉及冷水与热水进行热量交换的换热器。

背景技术

在能源利用领域广泛存在大量的热量交换过程，热量的传递过程可以归纳为从高温流体向低温流体传递或者从低温流体向高温流体传递。根据牛顿第二定律，热量可以自发的从高温物体传向低温物体，仅使用普通换热器即可实现；如果需要将热量从低温物体传向高温物体则需要消耗一定的代价，往往需要消耗一定量的高品位能源，比如电力、高温度的蒸汽或者热水等，需要使用热泵、引射装置等。在现有技术中，采用热泵技术由于其较高的效率和可靠性得到了市场的认可和应用。热泵技术中按原理分为吸收式热泵或者压缩式热泵方式，其中吸收式热泵又分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵，第一类吸收式热泵需要消耗高品位能量将低温物体的热量大量传输给高温物体，也称为增热型热泵，而第二类热泵不需要消耗高品位能量，而需要比低温物体更低温度的冷源，提取低温物体的少量热量将高温物体继续升温，也称为升温型热泵；压缩式热泵需要消耗机械功，通过逆卡诺循环实现热量从低温物体传向高温物体。吸收式热泵受热力循环以及工质物性的限制，只能将高温物体进行有限温度提升，而压缩式热泵受热力循环及工质物性限制，在对高温物体进行大幅度温升时循环效率急剧下降，需要进行大量做功。因此吸收式热泵与压缩式热泵只能工作在各自性能较为优越的工作范围，进而限制了热泵在低温物体向高温物体传热过程的应用，即在“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的工况下，现有的热泵技术无法满足需求。

为了解决上述的应用难题，该发明提出了一种采用稀释-再生过程、两级压缩过程和热管换热器实现热量从低温物体向高温物体的新型高效传递换热器。

发明内容

为了满足“高温物体与低温物体温差大”和“高温物体温升大”的换热需求，该发明将稀释-再生过程、蒸汽压缩机和热管换热器有机结合实现热量从低温物体向高温物体的高效传递。该换热器包括再生器1、冷凝器2、稀释蒸发器3、蒸发冷凝器4、蒸汽压缩机5、蒸汽压缩机6、节流阀7、节流阀8、循环泵9、循环泵10、热管换热器11和连接管路构成。其内部循环工质包括工质A、工质B和工质C，其中工质A和工质B组成工质对，工质A为固体或者液体工质，工质B为液体工质，工质A溶解于工质B中形成溶液。工质C为液体工质，可选用与工质B相同或者不同的成分。

各个组成单元的原理和运行方式为：

再生器1实现提取冷水的热量加热传热管外部溶液至沸腾产生工质B蒸汽的过程，稀溶液经喷嘴喷洒在传热管的外表面，受重力作用自上而下的流动过程中不断的沸腾变成浓溶液后离开，同时在传热管内部的冷水加热传热管外部的溶液后温度下降。

冷凝器2实现在传热管外部工质B从汽态变为液态的冷凝过程，同时释放热量加热热水管路12内的热水。

稀释蒸发器3实现工质A和工质B组成的浓溶液吸收工质B蒸汽变成稀溶液的过程，浓溶液经液体分布器15后在垂直传热管外部自上而下流动过程中利用工质B蒸汽的冷凝热加热垂直管内的工质C由液态变为汽态。其中工质A和工质B组成的浓溶液吸收工质B蒸汽在稀释空间3(b)完成，工质C的蒸发过程在蒸发空间3(a)完成。

蒸发冷凝器4实现液态工质B变成汽态的蒸发过程，液态工质B经喷嘴喷洒在水平传热管外部，自上而下流动过程中被水平管内工质C冷凝释放的热量加热而蒸发，工质B变为汽态后离开，同时工质C变为液态后离开。

蒸汽压缩机5实现对来自再生器1的工质B蒸汽进行压缩提升其温度压力的目的。