本發明屬于熱泵技術領域，具體涉及一種大溫跨高溫熱泵系統。
背景技術：
高溫熱泵技術是將太陽能、工業廢熱余熱或地下水源等低品位熱能轉換為120℃左右高溫熱水或蒸汽的技術。由于冷凝溫度較高，冷凝溫度和蒸發溫度溫差較大，傳統單級壓縮熱泵循環存在壓縮機壓縮比較高，壓縮機容積效率較低，機組性能較低的特點。而兩級壓縮中間不完全冷卻循環是將蒸發器中產生的低壓制冷劑蒸汽首先被吸入低壓壓縮機中進行絕熱壓縮至系統的中間壓力，然后制冷劑蒸汽進一步壓縮至冷凝壓力。采用兩級壓縮熱泵循環促使低壓級壓縮機和高壓級壓縮機的壓縮比均得到了進一步降低，壓縮機本身的容積效率得到了進一步提高，中間冷卻技術的應用使得壓縮機出口排氣溫度不致過高，機組性能得到了改善。但是隨著高溫熱泵技術應用的推廣，生產所需的冷凝溫度不斷提高，冷凝過程的傳熱溫差不斷增大，循環性能降低，嚴重限制了高溫熱泵領域的發展。近年來，為了提高高溫熱泵循環的系統性能，研究人員在制冷劑替換、改善制冷循環系統等方面做出了大量的工作。
高溫熱泵技術是一種利用低品位太陽能或其他余熱廢熱的方式，依靠壓縮機將低溫低壓的制冷劑蒸汽絕熱壓縮至生產所需冷凝溫度下的高溫高壓制冷劑來制取高溫熱水或蒸汽的技術。高溫熱泵技術一般利用壓縮熱泵循環來實現，一般認為壓縮機的排氣溫度不超過70℃，這是由于隨著壓縮機排氣溫度的升高，壓縮機的壓縮比大幅度提高，其吸氣密度降低，機組的工作效率降低。當壓縮機的壓縮比大到一定數值，將造成壓縮機停止運行的情況，因此壓縮機的壓縮比不能過高。
為了降低壓縮機的壓縮比，獲取更高的冷凝溫度，兩級壓縮循環被人們發明，兩級壓縮熱泵循環比單級壓縮熱泵循環在機組性能方面得到了大的改善，但是當制取130℃左右高溫的熱水或蒸汽時，由于傳熱溫差較大以及兩級的壓縮機壓縮比過高的問題，同樣造成了系統性能的降低，使得兩級壓縮熱泵無法突破更高的供熱溫度。現有技術公開了活塞式的用于余熱回收高溫熱泵的裝置，該裝置提高了機組的工作效率，但是這種高溫熱泵循環仍然沒有解決冷凝器側傳熱溫差過大以及壓縮機壓縮比過大的問題，機組的性能仍需提高。
鑒上，如何利用高溫熱泵技術制取高溫熱水或蒸汽，同時降低壓縮機壓縮比，減小系統傳熱溫差，提高系統熱泵循環效率，成為了業內關注的并且期待解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種大溫跨高溫熱泵系統，該系統利用高低壓兩級壓縮方式解決高溫熱泵所存在單級壓縮的壓縮比偏大導致制熱效率偏低的問題，采用高壓級并聯方式的雙冷凝溫度解決大溫跨制熱問題，通過構建該梯級制熱熱泵循環提高熱泵系統的制熱性能以達到節省高品位電能目的，并結合回熱技術，使得本系統充分利用了低品位熱能同時降低了壓縮機的能耗。本發明提供了一種梯級加熱的大溫跨高溫熱泵系統，達到提高機組能效，節能能源、保護環境的目的，滿足了生活或生產中對高溫熱水或蒸汽的需求。
本發明的技術方案是：一種大溫跨高溫熱泵系統，包括低壓級壓縮子系統、第一高壓級冷凝溫度系統和第二高壓級冷凝溫度系統，所述低壓級壓縮子系統包括依次串聯的第一壓縮機、氣液分離器、第一節流部件、蒸發器、第一回熱器、第三回熱器、第二回熱器，所述第一高壓級冷凝溫度系統包括依次串聯的第二壓縮機、第一冷凝器、第三回熱器和第二節流部件，所述第二高壓級冷凝溫度系統包括第三壓縮機、第二冷凝器、第二回熱器和第三節流部件，所述第二節流部件和第三節流部件并聯后與氣液分離器連接；
外界介質進入所述蒸發器后產生的飽和制冷劑蒸汽進入所述第一回熱器內過熱并分為兩路，其中一路流入所述第二回熱器內進行二次過熱，后經過第三節流部件進入氣液分離器，另一路流入所述第三回熱器內進行二次過熱，經過二次過熱的制冷劑蒸汽混合后被所述第一壓縮機吸入；所述氣液分離器內的制冷劑濕蒸汽分為兩部分，一部分生成為飽和制冷劑蒸汽與第一壓縮機產生的過熱制冷劑蒸汽混合、流出，另一部分生成飽和制冷劑液體流進第一回熱器內被過冷，被過冷后進入到第一節流部件內絕熱節流，然后流入蒸發器內，與低品位低溫熱源發生熱交換，制冷劑濕蒸汽蒸發吸熱成為飽和制冷劑蒸汽。
進一步優化，所述氣液分離器內的制冷劑濕蒸汽與第一壓縮機產生的過熱制冷劑蒸汽流出時分為兩路，其中一路被所述第二壓縮機吸入，由第一冷凝器經第三回熱器過冷，進入第二節流部件絕熱節流，另一路被所述第三壓縮機吸入，經第二回熱器過冷，進入第三節流部件絕熱節流。
進一步優化，所述第二壓縮機和第三壓縮機并聯后與氣液分離器的頂部氣體出口以及第一壓縮機的出口相交位置連接。
進一步優化，所述低品位低溫熱源為太陽能、工廠產生的廢熱、地下水源熱能等一種或多種混合形式的能量。
進一步優化，所述第一冷凝器、第二冷凝器、蒸發器、第一回熱器、第二回熱器、第三回熱器等換熱器為板式換熱器、套管式換熱器或管殼式管熱器。
進一步優化，所述低壓級壓縮子系統、第一高壓級冷凝溫度系統和第二高壓級冷凝溫度系統的工作介質均為r245fa、r1234yf、r1234ze、r152a、r236fa、r600a、r600、r227ea、r236ea或r245ca中的一種或兩種混合物，所述低品位的低溫熱源的工作介質為水或工業余熱廢熱。
本發明的有益效果是：
發明利用高低壓兩級壓縮方式解決高溫熱泵所存在單級壓縮的壓縮比偏大導致制熱效率偏低的問題，采用高壓級并聯方式的雙冷凝溫度解決大溫跨制熱問題，通過構建該梯級制熱熱泵循環提高熱泵系統的制熱性能以達到節省高品位電能目的，并結合回熱技術，使得本系統充分利用了低品位熱能同時降低了壓縮機的能耗。本發明提供了一種梯級加熱的大溫跨高溫熱泵系統，達到提高機組能效，節能能源、保護環境的目的，滿足生活或生產中對高溫熱水或蒸汽的需求。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖；
附圖標記：201、第一壓縮機，202、氣液分離器，203、第二壓縮機，204、第一冷凝器，205、第三回熱器，206、第二節流部件，207、第三壓縮機，208、第二冷凝器，209、第二回熱器，210、第三節流部件，211、第一回熱器，212、第一節流部件，213、蒸發器。
具體實施方式
以下結合實施例對本發明進行具體描述，有必要在此指出本實施例只用于對本發明做進一步解釋說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，該領域的熟知人員可以根據上述發明的內容作出一些非本質的改進與調整。
本發明的具體實施方式為：
一種大溫跨高溫熱泵系統，包括低壓級壓縮子系統、第一高壓級冷凝溫度系統和第二高壓級冷凝溫度系統，所述低壓級壓縮子系統包括依次串聯的第一壓縮機201、氣液分離器202、第一節流部件212、蒸發器213、第一回熱器211、第三回熱器205、第二回熱器209，所述第一高壓級冷凝溫度系統包括依次串聯的第二壓縮機203、第一冷凝器204、第三回熱器205和第二節流部件206，所述第二高壓級冷凝溫度系統包括第三壓縮機207、第二冷凝器208、第二回熱器209和第三節流部件210，所述第二節流部件206和第三節流部件210并聯后與氣液分離器202連接；
所述第一壓縮機201產生的過熱制冷劑蒸汽與氣液分離器202產生的飽和制冷劑蒸汽混合后分為兩路，一路被吸入第二壓縮機203內，由第一冷凝器204首先經第三回熱器205過冷，然后進入第二節流部件206絕熱節流；另外一路被吸入第三壓縮機207內，依次經第二冷凝器208冷凝放熱、第二回熱器209過冷、第三節流部件210絕熱節流。
外界介質進入所述蒸發器213后產生的飽和制冷劑蒸汽進入所述第一回熱器211內過熱并分為兩路，其中一路流入所述第二回熱器209內進行二次過熱，后經過第三節流部件210進入氣液分離器202，另一路流入所述第三回熱器205內進行二次過熱，經過二次過熱的制冷劑蒸汽混合后被所述第一壓縮機201吸入；所述氣液分離器202內的制冷劑濕蒸汽分為兩部分，一部分生成為飽和制冷劑蒸汽與第一壓縮機201產生的過熱制冷劑蒸汽混合、流出，另一部分生成飽和制冷劑液體流進第一回熱器211內被過冷，被過冷后進入到第一節流部件212內絕熱節流，然后流入蒸發器213內，與低品位低溫熱源發生熱交換，制冷劑濕蒸汽蒸發吸熱成為飽和制冷劑蒸汽。
所述第一壓縮機201產生的高溫高壓制冷劑蒸汽與氣液分離器202內產生的飽和制冷劑蒸汽流出時分為兩路，其中一路進入第二壓縮機203內，第二壓縮機203的過熱制冷劑蒸汽被壓縮至第一冷凝壓力pk1，第一冷凝器204內的過熱制冷劑蒸汽與外界20~30℃的工作介質進行熱交換，過熱制冷劑蒸汽冷凝放熱變為第一冷凝壓力pk1下的飽和制冷劑液體，飽和制冷劑液體首先進入第三回熱器205與第一回熱器211匯流后分為兩路，一路進入第三回熱器205的過熱制冷劑蒸汽發生熱交換，熱交換后經第三回熱器205的飽和制冷劑液體被過冷，然后進入第二節流部件206內絕熱節流；另一路進入第三壓縮機207內，第三壓縮機207內的過熱制冷劑蒸汽被壓縮至第二冷凝壓力pk2，第二冷凝器208內的過熱制冷劑蒸汽與來自第一冷凝器204升溫為70~80℃的中溫介質發生熱交換，第二冷凝器208內的過熱制冷劑蒸汽冷凝放熱變為第二冷凝壓力pk2壓力下的飽和制冷劑液體，飽和制冷劑液體進入第二回熱器209內與來自第一回熱器211后分為兩路，一路進入第二回熱器209的制冷劑進行熱交換，然后進入第二回熱器209的制冷劑被過冷，過冷后的制冷劑進入第三節流部件210被絕熱節流。
具體工作過程為：制冷劑濕蒸汽在蒸發器213內吸收外界的低品位余熱廢熱為飽和制冷劑蒸汽，進入第一回熱器211內與從氣液分離器202中流出的飽和制冷劑液體進行熱交換，被過熱后的制冷劑蒸汽分為兩路，其中一路進入第二回熱器209內，與來自第二冷凝器208的飽和制冷劑液體進行熱交換并再次被過熱，另外一路進入第三回熱器205內，與來自第一冷凝器204的飽和制冷劑液體發生熱交換并被再次過熱，分別再次被過熱的兩路制冷劑蒸汽匯流后進入第一壓縮機201內被絕熱壓縮，壓縮至中間溫度下的冷凝壓力后與來自氣液分離器202中、的飽和制冷劑氣體混合。混合后的過熱制冷劑蒸汽一路進入第二壓縮機203內被絕熱壓縮至第一冷凝溫度下的冷凝壓力，然后進入第一冷凝器204內與外界低溫工質發生熱交換后，冷凝放熱為飽和制冷劑液體，再次進入第三回熱器205內與來自第一回熱器211的過熱制冷劑發生熱交換，第一冷凝器204的制冷劑被過冷后進入第二節流部件206內被絕熱節流降壓為中間溫度下的冷凝壓力；另外一路進入第三壓縮機207內被絕熱壓縮至第二冷凝溫度下的冷凝壓力進入第二冷凝器208，與來自第一冷凝器204被加熱后的工質再次發生熱交換，工質溫度再次升高至預定溫度。第二冷凝器208內的制冷劑冷凝放熱后成為飽和制冷劑液體，進入第二回熱器209內，與來自第一回熱器211的制冷劑發生熱交換，被預冷的過冷制冷劑液體進入第三節流部件210內被絕熱節流至中間溫度下的冷凝壓力，然后與第二節流部件206絕熱節流后的工質混合后一并進入氣液分離器202內。進入氣液分離器202的制冷劑濕蒸汽發生氣液分離，一部分成為飽和制冷劑被第二壓縮機203和第三壓縮機207吸入；另一部分成為飽和制冷劑液體另外一路流至第一回熱器211內。流至第一回熱器211的飽和制冷劑液體經第一節流部件212絕熱節流至蒸發溫度下的蒸發壓力后再次進入蒸發器213內與外界低品位余熱廢熱蒸發吸熱，至此，完成一個循環。
以上顯示和描述了本發明的主要特征、使用方法、基本原理以及本發明的優點。本行業技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和發明書中描述的只是發明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會根據實際情況有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。