热回收和提升方法以及用于所述方法的压缩机 |
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| 申请号 | CN201480044914.6 | 申请日 | 2014-07-01 | 公开(公告)号 | CN105745401A | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 佩特鲁斯·卡罗勒斯·范·贝弗伦; P.T.I.公司; | 发明人 | 佩特鲁斯·卡罗勒斯·范·贝弗伦; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种热回收和提升方法，包括以下相继步骤循环：将包括液相的 工作 流体 提供在工作流体流(11)中；将热量(20)传递至工作流体流(11)，以便将处于液相的工作流体部分 蒸发 ，从而获得处于液相和气相的两相工作流体流(12)；压缩(30)所述两相工作流体流(12)以便增加所述工作流体的 温度 和压 力 并且使处于液相的工作流体蒸发；及借助于工作流体冷凝来传递来自所述工作流体流(13、14、15)的热量(40、60)。在第一步骤中，当热量被传递至所述工作流体时，所述工作流体优选地是处于液相的主要单相工作流体流。在第三步骤中，处于液相的工作流体优选地蒸发，使得得以维持两相工作流体流、尤其是湿气相工作流体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种热回收和提升方法，所述方法包括以下相继步骤循环： |
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| 说明书全文 | 热回收和提升方法以及用于所述方法的压缩机发明领域 [0002] 发明背景 [0003] 这种方法是已知的，并且通常应用于工业热泵工艺中，其中处于相对低的温度的热量被传递至处于较高温度的热量。这通过将相对低的温度的热量传递至处于液相的工作流体以使得工作介质蒸发成气相来实现。随后，将处于气相的工作流体压缩，这会导致流体的温度和压力上升，此后热量可借助于冷凝从工作流体传递至另一介质，以便使用处于相对较高温度的该介质。现有压缩热泵系统的限制是约最大100℃的相对低的冷凝温度。 [0004] 发明概述 [0005] 本发明的一个目标在于提供一种热回收和提升方法，所述方法允许提供处于高温、尤其处于高于80℃或甚至100℃的温度的热量。 [0006] 本发明的另一个或替代目标在于提供一种热回收和提升方法，所述方法允许提供超过150℃或甚至175℃的温度的热量。 [0007] 本发明的另一个或替代目标在于提供一种热回收和提升方法，所述方法允许从具有在60℃至120℃范围内的较低温度的介质来提供处于较高温度的热量。 [0008] 本发明的另一个或替代目标在于提供一种热回收和提升方法，所述方法允许回收并再使用大约100℃至大约200℃的温度的工业废热流。 [0009] 本发明的另一个或替代目标在于提供一种高温范围内的有效热回收和提升方法。 [0010] 本发明的另一个或替代目标在于提供一种用于热回收和提升方法的压缩机，所述压缩机以有效方式来提供处于高温的热量。 [0011] 上述目标中的至少一个通过热回收和提升方法实现，所述方法包括以下相继步骤循环： [0012] a.-将包括液相的工作流体提供在工作流体流中； [0013] b.-将热量传递至工作流体流，以便将处于液相的工作流体蒸发，从而获得处于液相和气相的两相工作流体流； [0014] c.-压缩两相工作流体流，以便增加工作流体的温度和压力并且使液相的工作流体蒸发；以及 [0015] d.-借助于工作流体冷凝来传递来自工作流体流的热量。 [0016] 所述方法在压缩时使得工作介质温度上升，从而导致处于液相的工作流体将蒸发。蒸发限制温度上升，但是导致压力增加。压缩工作流体，以便在所需温度下产生工作流体冷凝状态，为此需要足够高的压力。仅气相工作流体的压缩将会造成气相的所谓的过度加热，从而极大降低工艺效率。本发明的方法允许在气相工作流体冷凝状态下达到高温，使得处于高温下的热量可回收并提升至高温，并随后从工作流体传递以供在另一个或相同工艺中再次使用。 [0017] 优选地，步骤a包括将工作流体提供在处于液相的主要单相工作流体流中，以便实现热量至工作流体流的非常有效的传递。 [0018] 在另一优选实施方式中，步骤c包括压缩工作流体以便使处于液相的工作流体蒸发，使得两相工作流体流、尤其是湿气相工作流体得以维持。使得所有液相工作流体蒸发允许最有效且准确地获得工作流体的温度和压力所需冷凝状态。如果在压缩后，仍然存在一些液相工作流体，那么这些液相工作流体会在压缩之后蒸发并且不利影响工作流体的温度和压力。 [0019] 在有利实施方式中，工作流体包括第一组分和第二组分，在相同压力下，第二组分的沸腾温度低于第一组分的沸腾温度。有利地，工作流体沸腾温度在第一组分和第二组分的沸腾温度之间并取决于第一组分和第二组分存在于工作流体中的比率。这种二元工作流体允许设定工作流体特性(诸如所需的沸腾和冷凝温度)，以及针对工作流体所采用的具体热回收工艺来对工作流体加以调整。 [0020] 优选地，选择第一组分和第二组分以提供不可分离的混合物，当被混合在一起时，所述不可分离的混合物在第一组分和第二组分是碱性电离组分时有效实现。在一个实施方式中，第一组分是水并且第二组分是氨。 [0021] 在实施方式中，在步骤b中，热量是从第一介质收集并传递至工作流体流且/或在步骤d中，将热量传递至第二介质。 [0022] 在优选实施方式中，两相工作流体流的液相的至少一部分在压缩工作流体流之前和/或期间在步骤c中被提供为液滴和/或两相工作流体流的液相的至少一部分从两相工作流体流分离并且在压缩工作流体流之前和/或期间在步骤c中被提供为液滴。液滴提供大液滴表面积与液滴体积比，从而产生液相工作流体的液滴的有效加热以及因此蒸发。较大体积液相工作体积将在压缩工作流体期间以液滴形式呈现时蒸发。 [0023] 在有利实施方式中，液滴在用于压缩工作流体的压缩机的压缩腔室的入口处和/或在压缩腔室中提供。正好在压缩腔室入口处和/或在压缩腔室中引入液滴保证在压缩腔室中的工作流体的压缩期间存在液滴，否则所述液滴可能合并成更大体积的液相工作流体。 [0024] 在另一优选实施方式中，两相工作流体流的液相被提供为一股微小液滴，这股液滴提供液滴更大的表面积与体积比，以在压缩期间实现甚至进一步改进的蒸发。 [0025] 在实施方式中，所述方法包括在步骤c后使工作流体蒸汽膨胀的步骤。这个另外步骤优选地在来自工作流体的热传递之后实行。有利地，动力从工作流体的膨胀回收。在一个实施方式中，这种情况例如可在工作流体在正位移膨胀器或涡轮机中膨胀时实现。 [0026] 另一方面，本发明提供了用于上述方法步骤c的压缩机，其中压缩机被配置用于压缩两相工作流体，以便增加工作流体的温度和压力并且使液相的工作流体蒸发。 [0027] 在实施方式中，压缩机包括了配置成将两相工作流体流(12)的液相的至少一部分作为液滴提供在压缩机中的分布布置，并且压缩机可包括配置成将两相工作流体流(12)的液相的至少一部分从两相工作流体流分离的分离布置以及配置成将分离液相作为液滴提供在压缩机中的分布布置。 [0028] 在优选实施方式中，分布布置被配置成在压缩机的压缩腔室的入口处和/或在压缩腔室中提供液滴。 [0029] 在另一优选实施方式中，分布布置被配置成将两相工作流体流的液相提供作为一股微小液滴。 [0031] 本发明的另外特征以及优点将借助于非限制性和非排他性的实施方式从本发明的描述中显而易见。这些实施方式不应被理解为限制保护范围。在本发明的范围内，可设想出各种其他实施方式。本发明的实施方式参照附图进行描述，其中类似或相同的参考符号指示类似、相同或相应的部分，并且其中 [0032] 图1示出本发明的实施方式的流程图； [0034] 图3示出本发明的另一实施方式的流程图。 [0035] 实施方式详述 [0036] 实施本发明的热回收和提升方法的实施方式在图1中示出。图1示出工作流体在主要回路10中循环的工艺循环的流程图。回路10包括第一热交换器20、压缩机30、第二热交换器40、膨胀器50和第三热交换器60。泵70也可并入回路10，以便在回路内提供工作流体流。在一些工艺中，工作流体流是由工艺本身来引起，因此在这类情况下可省去泵70。 [0037] 包含温度在约120℃的热气体(包括蒸气)和来源于所述工艺的第一介质流21穿过热交换器20。在当前实施方式中，流21来自产生油炸薯片的炸炉的热气体和蒸气流。使用一或多个风扇(附图中未示出)从炉中排空气体和蒸气。热气体和蒸气流21馈入第一热交换器20，其中热量从流21中的热气体和蒸气传递至回路10中的工作流体流的工作流体。回路10中的工作流体流还可被统称为工作流体流10，其在如图1的箭头指示的方向上流动。本发明不限于来自炸炉的第一介质流21的热传递，而也可在广泛范围的其他应用中使用。释放热量的第一介质流22离开第一热交换器20并且可进一步用于释放另外热量，如以下相对于图 2的实施方式所进一步描述。 [0038] 工作流体包括第一组分和第二组分，在所述实施方式中，水是第一组分并且氨是第二组分。水氨工作流体中的氨的比例可在0.1％至约50％范围内。选择工作流体的第一组分和第二组分，以便当被混合在一起时，提供优选地碱性电离的第一组分和第二组分的不可分离的混合物。工作流体在所述实施方式中作为氨的第二组分的沸腾温度低于在所述实施方式中作为水的第一组分的沸腾温度。工作流体沸腾温度在分离的第一组分和第二组分的沸腾温度之间并取决于第一组分和第二组分存在于工作流体中的比率。 [0039] 正好在第一热交换器20前的回路部分11中，在约1巴的压力和大约30℃至70℃的温度下，将主要液相的工作流体提供在工作流体流10中。所公开的实际温度和压力可取决于工艺实施方案。在将热量传递至工作流体流10后，将处于液相的工作流体部分蒸发。所述工艺被实施来使得并非全部工作流体均蒸发成气相。与在第一热交换器20中提供的液相工作流体的量和流动速率相关的所传递的热量应使一些工作流体在经过第一热交换器20时仍以液相存在于回路部分12中。因此，包括处于液相和气相的工作流体的两相工作流体流在约1巴的压力和约97℃的温度下存在于第一热交换器20后的回路部分12中。 [0040] 应当注意，如本文使用的气体和蒸气是相同的，两者均可从气相/蒸气相冷凝至液相，并且液相可蒸发成气相/蒸气相。术语蒸气倾向于用于水蒸气。 [0041] 两相工作流体流12随后被传送至压缩机30，以压缩至一定压力，并且压缩后的气相工作流体的冷凝温度是预先确定的。压缩期间，工作流体温度增加并且处于液相的工作流体的至少一部分蒸发成气相。这是在压缩后限制工作流体的温度的重要步骤。优选地，在通过压缩机30压缩时，仅液相工作流体的一部分蒸发以产生湿气相(两相)工作流体流，从而避免工作流体过度加热。并非所有液相蒸发都会提供气相和液相平衡的工作流体流。在压缩后，工作流体的温度是约185℃并且其压力是约12巴。 [0042] 在压缩阶段上，工作流体流的一部分以液相进入压缩机30。在压缩后，液相工作流体的蒸发将压缩后的工作流体气相的温度上升限制于所需且预先确定的温度或温度范围。设定压缩机30的压缩比以获得回路部分13中的气相工作流体的所需和预先确定压力或压力范围。压缩前存在的液相工作流体的量使得压缩后的工作流体流13的压力和温度在所需且预先确定的水平或范围上或范围内。为了在压缩后实现液相工作流体的有效蒸发，正好在通过压缩机30压缩之前和/或期间，液相工作流体在工作流体流12中作为液滴提供。液相工作流体的有效蒸发防止气相工作流体过度加热至与液相不平衡的温度。液相工作流体优选地提供为包括液相工作流体的一股极小液滴，以便获得较高液滴表面与液滴体积比，使得实现向液滴的非常有效的热传递以及由此实现液滴蒸发。在当前实施方式中，压缩机的压缩比设定成在回路部分13中实现具有约180℃的相应冷凝温度的气相工作流体的压力。 [0043] 随后，压缩湿气相工作流体进入第二热交换器40，其中气相工作流体冷凝以释放其热量。当气相工作流体与工作流体流中的液相工作流体平衡时，可有效地实现冷凝。热量被释放至第二介质流41，所述第二介质在所公开的实施方式中是来自炸炉的炸油。炸油在炸炉中应当具有约180℃的温度，但是由于薯片油炸工艺而冷却至约153℃。来自炸炉的炸油流41具有约153℃的这个温度，并且在炸油流42中通过来自冷凝工作流体的释放热量由热交换器40来加热至约180℃。炸油流42被传送至炸炉(附图中未示出)以便在油炸工艺中再次使用。 [0044] 在第二热交换器40中的热量释放后，压缩工作流体具有约173℃的温度并传送至膨胀器50以将工作流体的压力从约12巴减少至约1巴。膨胀工作流体将动力释放至用于动力回收的膨胀器50。在膨胀器50中膨胀之后，两相工作流体继续作为具有液相和气相的工作流体流存在于回路部分15中。压缩机30和膨胀器50优选地是正位移型，诸如Lysholm转子或叶片型转子。膨胀器可包括涡轮机。 [0045] 通过膨胀器50回收的动力用于帮助驱动压缩机30。用于驱动压缩机30、膨胀器50和压缩机30的电动机(未示出)可安装于公共传动系中(在公共轴线上)。或者，膨胀器可产生电力，例如，在被配置成膨胀器-发电机时。在来自膨胀器50的动力(电力)辅助下，电动机驱动压缩机。因此，从膨胀器50中的工作流体释放的动力在通过压缩机30压缩工作流体过程中得以回收并再使用。 [0046] 压力传感器(附图中未示出)安装于回路部分13中，以监测压缩气相工作流体的压力，所述工作流体压缩至产生所需冷凝温度的压缩气相工作流体的预先确定压力。压力传感器测量的压力在控制回路(附图中未示出)中传送至驱动压缩机30的电动机，以便控制电动机和压缩机30的旋转速度，从而设定在回路部分13中产生预先确定压力的压缩气相工作流体的压缩机30的压缩比。 [0047] 在示出实施方式中，膨胀两相工作流体流15被传送至第三热交换器60，其中工作流体冷凝以在回路部分16中产生大致上单相工作流体流。在第三热交换器60中，热量从两相工作流体流15释放至另一第二介质，所述另一第二介质在所公开的实施方式中是生产水。生产水流61在约25℃的温度下进入热交换器60，所述温度完全低于工作流体的作为水和氨的第一组分和第二组分的沸腾温度，以便允许工作流体冷凝。具有约60℃温度的生产水流62离开第三热交换器60。离开热交换器60的生产水流62的实际温度是由第三热交换器设计以及工作流体流和生产水流的流动条件控制。生产水可用于洗涤、清洁和加热。热交换器后的工作流体的温度同样约为60℃。 [0048] (大致上)单相工作流体流16通过馈给泵70朝向回路部分11泵送，其中其作为(大致上)单相工作流体流11提供至第一热交换器20。在示出实施方式中，泵70几乎不增加工作流体的压力。此时，循环如所描述那样重复并且继续。在循环中，热量是从第一热交换器20中的来自生产工艺的第一介质流21回收并且传递至工作流体流11的液相，以便使液相部分蒸发成气相。所得两相工作流体流12通过压缩机30中的显著压缩来提升以产生在一定压力下具有高冷凝温度的工作流体流13。高温工作流体流13中包含的热量可非常有效地用于生产工艺，此情况的实例在所公开的实施方式中给出。 [0049] 图2示出图1所示实施方式的修改。实际上，在图2的实施方式中实施两种修改。在第一修改中，提供旁路循环110。来自工作流体流16的旁路工作流体流111被传送至分离器120，以便将气相工作流体与液相工作流体分离。液相工作流体继续到达回路部分11并且气相工作流体流112穿过分离器120到达气冷式冷凝器130，其中工作流体将热量释放至大气。 冷凝液相工作流体流113会再次与工作流体流16合并，如图2示出。当没有足够的生产水可供用于提供对第三热交换器60中的工作流体的冷凝时，就会需要旁路循环110。对热生产水的需求可为不连续的，从而需要使工作流体冷凝成(大致上)单相工作流体流11的替代方案。 [0050] 在第二修改中，辅助回路210经由热交换器220来连接至主要回路10。来自第一热交换器20的部分冷凝的油炸气体和蒸气的第一介质流22被引导至辅助热交换器220，其中热量进一步释放至辅助回路210中的辅助工作流体。辅助工作流体是制冷剂，其在辅助回路部分211中被加压。辅助热交换器220中的热量释放使加压制冷剂饱和。加压制冷剂流212被传送至辅助膨胀器230以减少制冷剂流的压力并且将动力释放至辅助压缩机230。所得两相制冷剂流213被引导至分离器240，所述分离器将制冷剂流分离成辅助回路部分中的液相制冷剂流214.1和气相制冷剂流214.2。气相制冷剂流214.2被传送至气冷式冷凝器250，以便使气相制冷剂流冷凝成液相制冷剂流214.3。液相制冷剂流214通过辅助调节泵270来泵送至所需饱和压力并使制冷剂回路朝辅助热交换器220结束。 [0051] 通过辅助膨胀器230回收的动力还用于通过将辅助膨胀器230连接至压缩机30的传动系来帮助驱动主要回路10中的压缩机30。通过膨胀器50和230回收并用于帮助驱动压缩机30的动力以及热交换器20、40、60和220中回收的热量极大改进整个工艺能效。 [0052] 含有水蒸气且主要为空气的第一介质流21在两个相继热交换器20和220中冷凝成两相流23，所述两相流传送至分离器280以产生空气流26和水流25。水流25可在另外过滤(附图中未示出)后可用作生产水，其进一步减少对资源的要求。 [0053] 图3示出另一实施方式，该实施方式的主要回路10大部分与图1的实施方式相同。图3的实施方式的主要回路10在主要回路中不具有膨胀器。辅助回路310经由热交换器60来连接至主要回路10。辅助回路310包括工作流体，所述工作流体是氨和水的混合物，具有比主要回路10中的工作流体更低沸腾和冷凝温度。在图3的实施方式中，辅助回路310的工作流体包括约50％氨和50％水。然而，根据应用，两种组分可以任何比率混合。 [0054] 在第三热交换器60中，热量是从主要回路10的工作流体来传递至辅助回路310的辅助工作流体。辅助工作流体在热交换器60处处于约71巴的压力下，并且在热交换器后，辅助工作流体的温度为约170℃。随后，辅助工作流体被传送至膨胀器320以将辅助工作流体的压力和温度分别减少至约3.5巴和67℃，并且从辅助工作流体的膨胀回收动力。在膨胀后，工作流体被传送至气冷式冷凝器以将温度进一步减少至约30℃。然后在温度略微增加至约31℃的情况下，泵340将工作流体的压力增加至约71巴，然后再次重复辅助回路310的循环。在图3的实施方式中，辅助回路310中的动力回收要比图1实施方式中的动力回收更为有效。 [0055] 在图3的实施方式中，热交换器60后的主要回路10中的工作流体具有约34℃的温度和约12巴的压力。压力通过膨胀阀80进一步减少至约1巴，以便将分别在约34℃和1巴的温度和压力下的工作流体传送至热交换器20，然后再次重复主要回路循环。 |
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