本發(fā)明涉及過熱蒸汽發(fā)生領(lǐng)域，尤其涉及一種吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合過熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、過熱蒸汽在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。當作為熱源時，蒸汽往往需要從蒸汽發(fā)生裝置通過管道運輸至用熱端釋放熱能，為避免輸運過程中蒸汽冷凝產(chǎn)生液滴，造成管道的擁堵或者銹蝕，生產(chǎn)時需要保證蒸汽具有一定過熱度。當直接用于工業(yè)生產(chǎn)時，過熱蒸汽也可被用于提供無氧環(huán)境，或者利用其過熱度對食品等進行干燥。在這些過程中，過熱蒸汽無法被飽和蒸汽替代。因此，如何高效地生產(chǎn)過熱蒸汽，并對其性質(zhì)進行精準調(diào)控是促使工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排和降本增效的重要環(huán)節(jié)。

2、現(xiàn)有的水蒸氣蒸發(fā)設(shè)備中，以燃煤、燃氣或電能作為熱能來源的鍋爐仍為主流，化石燃料燃燒造成的污染和碳排放較多，在環(huán)境保護方面亟待改進。煤炭本身成分復(fù)雜，燃燒控制難度高，難以保持充分燃燒，燃燒產(chǎn)生的大量固體廢棄物、煙氣等也造成了額外的熱量浪費。這使得燃煤燃氣鍋爐本身能量效率較低。而在蒸汽發(fā)生原理方面，在一定壓力下加熱水，水蒸氣蒸發(fā)過程中溫度不變，完全蒸發(fā)至干飽和蒸汽后溫度上升。因此，通過電加熱等恒溫熱源直接加熱的方式生產(chǎn)過熱蒸汽會導(dǎo)致蒸發(fā)過程中換熱溫差過大，產(chǎn)生大量的不可逆損失，造成能量浪費，降低能源利用率。這使得現(xiàn)有的通過鍋爐加熱高壓熱水生產(chǎn)高壓過熱蒸汽的加工方式在節(jié)能方面具有改進潛力。

3、綜上所述，現(xiàn)有的通過鍋爐直接加熱的蒸汽制備方式存在環(huán)境、成本、效率等方面的問題，具體體現(xiàn)在：1)在產(chǎn)熱過程中，燃燒化石燃料產(chǎn)生的廢氣、固體廢物等造成環(huán)境污染；2)由于燃煤鍋爐本身特性，加熱過程中廢熱損失大，能量利用效率低，產(chǎn)汽成本較高；3)利用恒溫熱源加熱，換熱過程溫差大，造成不可逆損失，降低系統(tǒng)的整體效率。

4、因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合過熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過鍋爐直接加熱的蒸汽制備方式存在廢氣和固廢造成的污染環(huán)境、廢熱損失大、能量利用率低、產(chǎn)汽成本高、換熱效率低的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合過熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，包括壓縮式子循環(huán)蒸發(fā)器及其換熱管路、預(yù)熱器及其換熱管路、發(fā)生器及其換熱管路，吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器及其換熱管路、吸收式子循環(huán)冷凝器及其換熱管路、吸收器及其換熱管路、熱交換器、溶液泵、制冷劑泵、水泵、第一節(jié)流閥、第二節(jié)流閥、制冷劑壓縮機、水蒸氣壓縮機及相應(yīng)的連接管路；所述連接管路包括空氣熱源與所述壓縮式子循環(huán)蒸發(fā)器換熱器之間的連接管路、給水經(jīng)過加壓設(shè)備和熱泵系統(tǒng)放熱設(shè)備輸出高壓過熱水蒸氣的管路、壓縮式子循環(huán)中所述制冷劑壓縮機換熱管路、所述預(yù)熱器換熱管路、所述發(fā)生器換熱管路、吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器換熱管路、所述第一節(jié)流閥、所述吸收式子循環(huán)冷凝器換熱管路、所述壓縮式子循環(huán)蒸發(fā)器之間的制冷劑循環(huán)管路、所述發(fā)生器與所述吸收器之間的溶液循環(huán)管路、所述發(fā)生器與所述吸收器之間的制冷劑管路；

3、在運行過程中，在壓縮式子循環(huán)中，所述壓縮式子循環(huán)蒸發(fā)器通過換熱器從空氣中吸收熱能，所述壓縮式子循環(huán)蒸發(fā)器內(nèi)液體制冷劑吸熱蒸發(fā)成氣體制冷劑流入所述制冷劑壓縮機進行壓縮；受所述制冷劑壓縮機壓縮后，高溫高壓的氣體制冷劑依次流入所述預(yù)熱器、所述發(fā)生器換熱管路、所述吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器換熱管路釋放熱量并冷凝至液態(tài)；高壓液態(tài)制冷劑通過所述第一節(jié)流閥降低壓力，流入所述吸收式子循環(huán)冷凝器換熱管路，吸熱后再次流入壓縮式子循環(huán)蒸發(fā)器，完成壓縮式子循環(huán)的循環(huán)過程；而在吸收式子循環(huán)中，所述發(fā)生器中的溶液從換熱管路中吸熱發(fā)生出制冷劑蒸汽，蒸汽流入所述吸收式子循環(huán)冷凝器，向換熱管路中的制冷劑放熱冷凝；冷凝后的液體制冷劑受所述制冷劑泵加壓后在所述吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，流入所述吸收器；吸收所述發(fā)生器中發(fā)生蒸汽后的吸收劑濃溶液通過溶液泵加壓，在所述熱交換器吸熱后流入所述吸收器，所述吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器中蒸發(fā)得到的氣態(tài)制冷劑并向換熱管路放熱；吸收得到的稀溶液通過所述熱交換器放熱，所述第二節(jié)流閥降壓后流回所述發(fā)生器完成吸收式子循環(huán)的溶液循環(huán)過程；給水通過所述水泵初步加壓后流經(jīng)所述預(yù)熱器換熱管路、所述吸收器換熱管路吸熱升溫并蒸發(fā)成飽和蒸汽后，通過所述水蒸氣壓縮機壓縮至所需壓力的過熱蒸汽，并輸出。

4、進一步地，除工作環(huán)境溫度與所需蒸汽輸出壓力和過熱度外，系統(tǒng)需設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)僅包括吸收式子循環(huán)與壓縮式子循環(huán)的耦合溫度，即壓縮式子循環(huán)中制冷劑的冷凝溫度和給水流量，其他運行參數(shù)根據(jù)優(yōu)化參數(shù)進行調(diào)控。

5、進一步地，所述運行參數(shù)的調(diào)控方法具體為：根據(jù)耦合溫度和給水量確定給水在預(yù)熱器換熱管路和吸收器換熱管路中的吸熱量，假設(shè)吸收器的吸收溫度作為變量，根據(jù)給水在吸收器換熱管路中的吸熱量迭代求解；所述水泵的輸出壓力由所述吸收器放熱溫度確定，為所述吸收器換熱器出口蒸汽溫度對應(yīng)的飽和壓力；所述制冷劑壓縮機的輸出壓力，由制冷劑在耦合溫度對應(yīng)的飽和壓力確定；所述發(fā)生器的發(fā)生溫度和所述吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度由耦合溫度確定；所述吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力由蒸發(fā)溫度對應(yīng)的制冷劑飽和壓力確定；所述吸收式子循環(huán)的吸收器出口稀溶液濃度，由吸收溫度和所述吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力確定，為該溫度和壓力下的溶液飽和濃度；所述吸收式子循環(huán)冷凝器的冷凝壓力由所述壓縮式子循環(huán)的蒸發(fā)溫度對應(yīng)的吸收式子循環(huán)制冷劑的飽和壓力確定；所述吸收式子循環(huán)的循環(huán)比由耦合溫度和冷凝壓力確定，由所述發(fā)生器的發(fā)生溫度和所述吸收式子循環(huán)冷凝器的冷凝壓力可得到發(fā)生濃溶液的濃度，結(jié)合稀溶液濃度可計算得到循環(huán)比；所述吸收式子循環(huán)內(nèi)部的溶液流量可以根據(jù)發(fā)生器、吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器的吸熱量與溶液濃度、制冷劑壓力計算得到，其中所述發(fā)生器、吸收式子循環(huán)蒸發(fā)器與預(yù)熱器的吸熱量之和與壓縮式子循環(huán)中制冷劑冷凝的放熱量相等；所述制冷劑泵和所述溶液泵的工作壓力，由吸收式子循環(huán)溶液濃度和循環(huán)比確定；所述水蒸氣壓縮機的壓比，由所述水泵輸出壓力和所需蒸汽輸出壓力確定。

6、進一步地，所述吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合過熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的吸收式子循環(huán)采用吸收式制冷工質(zhì)對作為吸收劑和制冷劑，根據(jù)實際循環(huán)工況選擇溴化鋰-水工質(zhì)對、氯化鈣-水、水-氨中的一種；所述吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合過熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的壓縮式子循環(huán)的制冷劑，根據(jù)實際循環(huán)工況選自r134a、r22、r290中的一種。

7、進一步地，所述吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合過熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的系統(tǒng)效率通過給水內(nèi)能增加功率與系統(tǒng)內(nèi)部所有壓縮機功率、泵功率之和的比值確定；根據(jù)工作情況以及所需輸出壓力、過熱度，以系統(tǒng)效率為優(yōu)化目標，對制冷劑、制冷工質(zhì)對進行優(yōu)選，對所需設(shè)備進行選型，對系統(tǒng)耦合溫度、給水流量等運行參數(shù)進行優(yōu)化。

8、進一步地，通過吸收式子循環(huán)和壓縮式子循環(huán)耦合溫度的設(shè)定，調(diào)節(jié)壓縮式子循環(huán)的冷凝壓力和吸收式子循環(huán)的溶液濃度，從而控制所述水蒸氣壓縮機入口處飽和蒸汽的溫度和壓力；即根據(jù)輸出蒸汽的壓力需求和過熱度需求，在確定的給水流量設(shè)定下可以得到所需耦合溫度，從而控制系統(tǒng)運行。

9、進一步地，通過給水流量的設(shè)定，可以調(diào)節(jié)吸收式子循環(huán)的吸收溫度，從而調(diào)節(jié)給水通過所述水泵和所述水蒸氣壓縮機加壓的壓比和吸收式子循環(huán)的循環(huán)比；即根據(jù)輸出蒸汽的壓力需求和過熱度需求，在確定的耦合溫度設(shè)定下可以得到所需給水流量，從而控制系統(tǒng)運行。

10、進一步地，通過同步調(diào)節(jié)耦合溫度和給水流量的設(shè)定，在確定的工作條件下可以同時控制系統(tǒng)壓力設(shè)備的運行壓力范圍以及兩個子循環(huán)的運行情況；即根據(jù)輸出蒸汽的壓力需求、過熱度需求和系統(tǒng)優(yōu)化目標，可以通過計算得出達到最優(yōu)運行工況所對應(yīng)的控制參數(shù)。

11、進一步地，通過循環(huán)流量設(shè)定，給水流量、壓縮式子循環(huán)制冷劑流量以及吸收式子循環(huán)的溶液流量是匹配的；即在過熱蒸汽制備過程中，調(diào)節(jié)循環(huán)比、所述制冷劑壓縮機的功率和水泵的功率，使壓縮式子循環(huán)制冷劑冷凝放熱功率與給水預(yù)熱功率、吸收式子循環(huán)蒸發(fā)功率、發(fā)生功率之和相匹配，使預(yù)熱功率、發(fā)生器產(chǎn)熱功率之和與給水蒸發(fā)功率相匹配，使壓縮式子循環(huán)冷凝溫度與吸收式子循環(huán)發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度相匹配，使吸收式子循環(huán)吸收溫度與給水蒸發(fā)溫度相匹配。

12、進一步地，所述吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合過熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)還包括各類檢測裝置和控制系統(tǒng)，用于測量空氣熱源、用熱端溫度以及運行過程中各設(shè)備和管路的溫度、壓力，同時根據(jù)對過熱蒸汽的壓力和過熱度需求，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各項運行參數(shù)。

13、在本發(fā)明的較佳實施方式中，吸收-壓縮熱泵與開式壓縮耦合的蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的功能為利用空氣源熱能，通過輸入少量電力供應(yīng)過熱蒸汽。

14、該系統(tǒng)用于生產(chǎn)高壓過熱水蒸氣時，通過蒸發(fā)器從空氣中吸收熱能，利用壓縮式子循環(huán)提升熱能品位，初步加熱給水，同時為吸收式子循環(huán)提供蒸發(fā)所需熱能和冷凝散熱所需冷源。吸收式子循環(huán)的發(fā)生器、蒸發(fā)器從壓縮式子循環(huán)吸收熱能，進一步提升熱能品位，通過吸收過程向吸收器換熱管路放熱，完成給水的加熱和蒸發(fā)，產(chǎn)生的低溫廢熱則被壓縮式子循環(huán)回收用于制冷劑蒸發(fā)。給水經(jīng)過水泵初步加壓后，通過預(yù)熱器換熱管路從壓縮式子循環(huán)吸熱升溫，隨后通過吸收器換熱管路蒸發(fā)成飽和蒸汽，最終由水蒸氣壓縮機加壓，達到所需輸出壓力和過熱度。

15、本發(fā)明利用吸收-壓縮耦合熱泵，從空氣源提取熱能，并對熱能進行提質(zhì)，提高了產(chǎn)熱量，可以產(chǎn)生相當于輸入電能一倍以上的熱能，降低能耗。利用蒸汽壓縮機對蒸汽升溫升壓，壓縮避免換熱損失，達到壓力和過熱度的精確調(diào)控。液態(tài)水通過從耦合熱泵的放熱端吸熱，多級加熱升溫發(fā)生飽和蒸汽。利用水蒸氣壓縮機對飽和蒸汽加壓，達到所需輸出壓力和過熱度。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

17、1、該系統(tǒng)利用復(fù)合式熱泵提升熱能品位，相比于已有鍋爐系統(tǒng)，能夠顯著降低能耗，利用清潔電能減少碳排放和環(huán)境污染。

18、2、使用壓縮機升高蒸汽壓力和過熱度，能夠有效減少換熱過程造成的損失，從而進一步提高系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生效率。通過多級加熱給水降低換熱造成的不可逆損失，利用水蒸氣壓縮機完成加壓升溫過程，降低了生產(chǎn)過熱水蒸氣的能耗，達到了節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本的目的。

19、3、調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部耦合參數(shù)，使得輸出壓力和過熱度能夠得到精細化控制，從而得到更加準確的調(diào)控結(jié)果。

20、以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。