热泵流体加热系统技术方案

一种用于提升流体温度的热泵系统（６），包括：一用于压缩工作流体的压缩机（７）；一过热降温器热交换器（８），其具有用于加热流体的入口（９）和出口（１０），以及用于所述工作流体的入口（１１）和出口（１２），工作流体入口（１１）与压缩机（７）的出口（１３）连通；一冷凝器热交换器（１４），其具有用于加热流体的入口（１５）和出口（１６），以及用于工作流体的入口（１７）和出口（１８），冷凝器热交换器的加热流体出口（１６）与过热降温器热交换器的加热流体入口（１７）直接连通，冷凝器热交换器的工作流体入口（１７）与过热降温器热交换器工作流体出口（１２）直接连通，以及一蒸发器（２０），其具有入口（２１）和出口（２４），该入口（２１）与冷凝器热交换器的工作流体出口（１８）连通，该出口（２４）与压缩机（７）的入口（２５）连通。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热泵流体加热系统，用于产生至少与热泵系统的冷凝温度相同温度的热的流体。特别是，本专利技术涉及用于产生较高温度的热水的热泵流体加热系统，适于作为产生热源使用，例如在牛奶的巴氏法灭菌系统中。这些系统通常利用的是热泵循环，其使用压缩机、冷凝器和蒸发器。在室内水加热的情况下，其通常需要较高的温度，水可以通过流出压缩机的被过度加热的工作流体的过热从而被加热到一个较高的温度。Yarbrough等的美国专利No 5,901,563公开了一种热泵传热系统，其包括用于水热交换器的致冷剂，该热交换器如本领域内公知的过热降温器，用于将从压缩机内出来的压缩气体的过热传递到室内热水服务上来。这使得可以得到室内热水系统所需的更高的温度。然而，水仅仅是在过热降温器上得到加热，尽管可以得到较高的温度，但水流的速度很小。然而在如作为加工热源使用的其他应用中，热泵几乎没有应用之处，因为其不能产生具有所需要的较高温度的流体的可用的流量，事实是，工作流体压缩所必需的要被加热的流体(以下称为加热流体)的流量比使同样的工作流体降温所需的要大得多，但是只有在后面的阶段才能将加热流体加热到较高的温度。这种不平衡的结果就是充足的加热的流体具有较低的温度，或者如Yarbrough的专利中那样，有较高的温度但是较小的流量。在这种情况下，较低温度的平衡没有什么价值或没有价值，除非较低温度的流体可以得到应用。附图说明图1示出了用于热气体冷却的热泵系统的常规的热交换结构。通过该结构，热交换器设置成具有一个工作流体入口2和出口3，以及一冷却剂(加热流体)入口4和出口5。这样的结构提供了一种合理的输出流量，但仅仅是中等的温度，并不适合于大多数的高温液体的需求。要得到较高温度且较大流量的流体的这一难题在Teagan的美国专利No.4,474,018中得到了一定的解决，该专利公开了一种用于产生室内热水的热泵系统，其使用一个提供多种压力的工作流体的压缩机部分。通过这样的设置，水被连续连接的热交换器加热，每个交换器提供分离的环状冷凝旋管。具有分离的环状冷凝旋管使得该设备被设计成最理想的表现，因为流量温度可以在分离的环中不同。通过该设计，每个热交换器/冷凝器部分结合了过热降温和冷凝两个功能，并且都如图1中所示那样的工作。虽然具有分离的环使得设计上有最理想的表现，但是也增加了系统的复杂性，因此增加了成本和体积。而且，上述的两种专利都没有公开液体/气体热交换器的使用，从而通过在从冷凝器中输出的工作流体和流入压缩机的工作流体之间转移热量来提高系统的经济性。它们也没有公开可以使用热泵来同时提供冷水，例如在使用巴氏法灭菌的牛奶工厂中就需要。进一步，本方面的另一目的是提供一种方法，该方法可确定所需加热流体的质量流量比，以及用于上述热泵流体加热系统的加热流体的流入温度。根据本专利技术的一个方面是提供一种用于提升加热流体温度的热泵系统，包括一用于压缩工作流体的压缩机，一过热降温器热交换器，其提供有用于加热流体的入口和出口、以及用于工作流体的入口和出口，工作流体的入口与压缩机的出口相连通，一冷凝器热交换器，其提供有用于加热流体的入口和出口、以及用于工作流体的入口和出口，冷凝器热交换器的加热流体出口与过热降温器热交换器的加热流体入口直接连通，且冷凝器热交换器的工作流体入口与过热降温器热交换器的工作流体出口直接连通，以及一蒸发器，其带有一个与冷凝器热交换器的工作流体出口连通的入口，和一个与压缩机入口连通的出口。该压缩机可以是任何合适的设备，例如回转式压缩机、螺杆式压缩机、活塞式压缩机，单级和多级都可。而且，如有必要，可以提供两个或更多的压缩机。该蒸发器可以是使用在热泵系统中的任何常规的蒸发器，例如空气冷却的或液体冷却的蒸发器。在需要冷却处理的情况下，蒸发器可以是液体冷却式热交换器，其适于与提供冷却的液体循环系统连通。该过热降温器热交换器和冷凝器热交换器可以安排成任何合适的构造，只要其连续连接即可。例如该过热降温器热交换器可以设置在冷凝器的上方，从而使得从过热降温器流出的所有冷凝物会向下流入冷凝器热交换器中。在优选实施例中，空间的紧凑是首要的，过热降温器热交换器可这样设置，即，其工作流体出口比冷凝器热交换器的入口要低，并提供有一个运送流入冷凝器热交换器入口的所有冷凝物的设备。通过这样的设置，过热降温器热交换器和冷凝器热交换器可以并排设置，从而提供一个紧凑的结构。运送冷凝物的设备可以包含任何合适的设备。例如可包括在热交换器之间的管道，该管道的大小和形状适于将任何从过热降温器中流出的冷凝物通过气态的工作流体运送进入冷凝器热交换器的入口。一种典型的设置主要包括标准的“P”形管(“P”trap)。根据本专利技术的另一方面，上述的热泵系统进一步提供一种液体/气体热交换器，其安排和设置成可以将热量从冷凝器中流出的工作液体转移到流入压缩机的工作流体。本专利技术也包括了一种确定在热泵系统中的加热流体的质量流量比和加热流体的输入温度的方法，该热泵系统包括连续连通的一过热降温器热交换器和一冷凝器热交换器，加热流体连续流经过热降温器热交换器和冷凝器热交换器，所述方法包括以下步骤指定所需的加热流体交换温度A，所需的工作流体压缩温度B，所需的过热降温器热交换器功率C，所需的冷凝器热交换器功率D，在冷凝器热交换器出口出的工作流体和加热流体之间的温差F，以及指定加热流体的热容量G；按照以下公式确定加热流体的质量流量比H；H=CG]]>然后按照以下公式确定加热流体的输入温度E；E=(B-F)-(DG×H)]]>本专利技术还包括一种用于提升流体温度的热泵系统，包括连续连通的过热降温器热交换器和冷凝器热交换器，其中过热降温器热交换器和冷凝器热交换器所需的热交换功率是确定的，因此，当在指定的冷凝和蒸发温度下运行时，连续流经那些热交换器的流体被加热到至少是工作流体的冷凝温度的指定温度。图2是根据本专利技术的第一实施例的热泵系统的示意图。图3是本专利技术中工作流体循环中的工作流体的压力-热含量图。图4是说明根据本专利技术确定参数的流程图。图5是本专利技术的热量传递图。图6是根据本专利技术的第二实施例的热泵系统的示意图。热泵系统装满了工作流体，如卤化的或是普通类型的工作流体。例如，这样的工作流体包括HFC组(氢-氟-碳)，HC组(氢-碳)，FC组(氟-碳)，或者是上述工作流体的混合。当然，氨水、水、二氧化碳和其他的无机物也可以作为工作流体来使用。在本实施例中使用的是HFC制冷剂R134a。热泵系统6包括一用于压缩工作流体的压缩机7，一过热降温热交换器8，其具有一个用于加热流体的入口9和出口10，以及用于工作流体的入口11和出口12。压缩机7可以是任何合适的制冷压缩机。最好其是密封的或半密封型，且工作流体也可以冷却原动机。为了得到工作流体循环的更高压力，通常该压缩机是一个单级或多级的往复式压缩机，然而，其他的压缩机也是适合的。而且，驱动压缩机的电动机可以是恒速或变速的。进一步地，如果需要的话，可以提供两个或更多的压缩机。就经济和一般而言，在需要较大热容量的情况下，通过用多个连续设置的单级压缩机组代替一个单级压缩机7，可以减小在蒸发器20和过热降温器交换器8的压力梯度，多个单级压缩机组可以分担它们之间的压力梯度，其比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于提升需加热的流体（简称为加热流体）温度的热泵系统，包括： 一用于压缩工作流体的压缩机， 一过热降温器热交换器，其具有用于所述加热流体的入口和出口，以及用于所述工作流体的入口和出口，所述工作流体入口与所述压缩机出口连通； 一冷凝器热交换器，其具有用于所述加热流体的入口和出口，以及用于所述工作流体的入口和出口，所述冷凝器热交换器的加热流体出口与所述过热降温器热交换器的加热流体入口直接连通，所述冷凝器热交换器的工作流体入口与所述过热降温器热交换器的工作流体出口直接连通；和， 一蒸发器，其具有入口和出口，该入口与所述冷凝器热交换器的工作流体出口连通，该出口与所述压缩机的入口连通。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：彼得福瑞斯特汤普森，
申请(专利权)人：彼得福瑞斯特汤普森，
类型：发明
国别省市：NZ[新西兰]