本技术介绍了一种多级调节式混合工质高温热泵系统,该系统属于高温热泵技术领域。系统由混合工质热泵循环和气液喷射供水回路组成,旨在实现高效能和可调节的热能转换。
背景技术
随着全球能源需求的不断攀升,人类对化石燃料的依赖导致了全球变暖这一严峻挑战。工业领域作为能源消耗的主要领域,占据了全球能源消费总量的37%。在工业生产过程中,大量热量以废热的形式被排放,这在石油加工、电力站冷却系统、矿山排水以及电镀工厂等环节尤为显著。
高温热泵技术的出现为这一问题提供了解决方案。该技术通过消耗少量电能,能够高效地将生产生活中常见的低品位热源,如废水、工业余热冷却水、自然水体等,转化为较高温度的热能。这些热能可以用于建筑供热或多种工业部门的工艺流程,从而实现能源的高效利用。因此,这一技术具有巨大的发展潜力,有望在全球能源转型和环境保护中发挥重要作用。
现有的热泵循环多采用纯工质,这种工质在相变过程中的等温特性导致其与变温冷热源之间的温度匹配不佳。这种不匹配增加了循环过程中的不可逆换热损失,从而降低了热泵的能效。因此,改善换热过程的温度匹配,降低换热不可逆损失,是提高热泵能效的关键。使用非共沸混合工质可提高系统的整体性能和灵活性。非共沸混合工质是由两种或两种以上的不同沸点的纯工质(后面统称为组元)组成的混合物。非共沸混合工质的优势可以概括为:非共沸混合工质的变温相变特性,也称为温度滑移特性,可以改善热泵循环中吸热和放热过程与热源/冷源的温度匹配程度,减少换热损失,从而提高系统的能效。一种基于非共沸混合工质热泵系统的烘干除湿方法中利用非共沸混合工质热泵系统的优势,通过精确控制高沸点和低沸点工质的气液分离、热量交换以及风循环,实现了高效节能的烘干和深度除湿效果。这种方法不仅提高了热泵系统的能量利用效率,还通过灵活的温度和湿度控制,满足了不同阶段的烘干需求,展示了非共沸混合工质在热泵技术中的应用潜力。然而,发明人发现目前的非共沸混合工质热泵系统的潜力受冷热源的特性影响,热泵循环结构和工质一旦设计确定,系统只能被动调整,以适应外界工况的波动,换热过程温度匹配易发生偏移,导致热泵系统性能提升有限。因此,变工况下温度匹配易偏移限制了高温热泵性能提效,若能解决这一问题可推动高温热泵技术快速发展。
改善换热过程的温度匹配的另一种方法是采用多级换热。多级换热是指在热泵系统中,将换热过程分为多个阶段进行,每个阶段都有其特定的温度和压力条件。这种方法可以减少因温差过大而导致的热损失,从而提高系统性能。一种生产高温热水的多级冷凝热泵系统的核心在于其多级换热的设计,包括工质循环主回路和工质支路,其中工质循环主回路依次设置了蒸发器、压缩机、涡流管制冷器、第一换热器、第二换热器、第三换热器和膨胀阀。涡流管制冷器的出口分为两个,一部分工质通过工质支路经过第二和第三换热器,再与循环主回路中的工质汇合,实现热量的有效交换。这种多级换热的设计不仅提高了热交换效率,还能生产高达沸腾温度的高温热水,满足了工业等领域对高温热水的需求。然而该系统存在如下问题:其冷水加热过程为线性变温过程,其工质换热过程为等温过程,因此工质与冷水的温度曲线匹配较差,换热不可逆损失较大,系统的能效提升受限。
实现思路