一種包括用大的溫差加熱外部流體的熱泵的設(shè)備的制造方法
【專利說(shuō)明】一種包括用大的溫差加熱外部流體的熱泵的設(shè)備
[0001] 本發(fā)明涉及一種包括用大的溫差加熱外部流體熱泵的設(shè)備。
[0002] 在工業(yè)領(lǐng)域中，有這樣的需求，在60°C至150°C的范圍中進(jìn)行加熱，在其他物體 中，對(duì)應(yīng)于與以通過初始溫度和最終溫度之間的大的溫差來(lái)加熱外部流體（液體或氣體）。 所述源流體作為熱源使用，所述源流體釋放熱量，通常是液態(tài)或氣態(tài)廢棄物。所述溫差因?yàn)?這些廢棄物的流速而變化。
[0003] 本發(fā)明特別適用于：
[0004] -液體的加熱，例如在加熱系統(tǒng)或其它系統(tǒng)中的水、洗滌液、或其他的處理用水；
[0005] _用于工業(yè)干燥、房間加熱或其他用途的氣體加熱；
[0006] 具體的，不超出本發(fā)明的可以限制于這樣的應(yīng)用中，可以廣泛使用在干燥應(yīng)用中， 以及許多其他領(lǐng)域中：造紙、食品加工、污水處理、化纖、木材、印染等。在法國(guó)與干燥相關(guān)的 能源消如下：造紙/紙板（paper/cardboard)行業(yè)為39%、農(nóng)業(yè)部分為23%、化工產(chǎn)業(yè)為 13%、材料產(chǎn)業(yè)為11%、冶金為2%、化纖為2%，以及其他產(chǎn)業(yè)為10%。估計(jì)在法國(guó)有超過 13000個(gè)工業(yè)用干燥設(shè)備，它們使用著大量不同的技術(shù)。在工業(yè)中，對(duì)流干燥是最常使用的 方法。該方法包括將盡可能熱和干燥的氣流在待干燥物體上進(jìn)行循環(huán)。所述氣流，通常為 氣體，以提供熱量，用于蒸發(fā)包含在所述物體中的液體，并且將其形成的水蒸氣（水分）帶 走。所述氣體在其進(jìn)入和排出干燥設(shè)備之間冷卻并獲得水汽，同時(shí)逐漸干燥的物體變得越 來(lái)越溫暖。
[0007] -個(gè)當(dāng)加熱外部流體而達(dá)到大溫差的解決方案是從源流體處收集熱量，所述源流 體為干燥時(shí)由干燥設(shè)備產(chǎn)生的潮濕氣體。
[0008] 為此目的，總所周知的是使用熱交換器，例如具有管狀的熱交換器、具有中間介質(zhì) 的翅片管熱交換器，熱管換熱器，膜片式熱交換器或者螺旋式熱交換器。由熱交換器生產(chǎn)廠 家提供的說(shuō)明書中表不熱效率在40%至90%之間。但是，這個(gè)效率不意味著在熱（和潮 濕）廢棄物中的能量可以恢復(fù)這樣的效果（recoveredatsuchayield)。在干燥過程中， 例如，在獲取的潮濕氣體與進(jìn)入的干燥氣體之間的簡(jiǎn)單的交換，僅恢復(fù)了少量的熱能量，所 述了熱能量是從潮濕氣體處獲取的，用以增加進(jìn)入的干燥氣體的溫度。對(duì)于高干燥溫度，其 示出介入干燥設(shè)備中的能量小于8%。
[0009] 為了減少能量的使用和〇)2的排放量，熱泵（HP)領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)于加熱外部流體是 非常引人關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。
[0010] 熱泵通常包括第一熱交換器，由蒸發(fā)器構(gòu)成，其出口連接著第二熱交換器的進(jìn)口， 由冷凝器構(gòu)成，在兩者之間有壓縮單元。冷凝器的出口通過擴(kuò)充單元連接至蒸發(fā)器的進(jìn)口。 因此，冷卻劑能夠在蒸發(fā)器和冷凝器之間流動(dòng)，在蒸發(fā)器處獲取源流體的熱量，并且將熱量 在冷凝器處傳遞給外部流體。在干燥過程中，獲取的氣體能夠通過熱泵的蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻 (通過水汽的冷凝），并且進(jìn)入的氣體通過冷凝器進(jìn)行加熱，使氣體達(dá)到預(yù)期的溫度。
[0011] 在法國(guó)所記錄的干燥設(shè)備（用于干燥木材和污泥）證明了熱泵能夠降低能耗。
[0012] 但是，傳統(tǒng)的熱泵僅能達(dá)到局限于60°C的目標(biāo)溫度。此外，由熱泵執(zhí)行的傳統(tǒng)的熱 力循環(huán)不能在不破壞熱泵性能的情況下達(dá)到非常高的冷凝的溫度?，F(xiàn)有熱泵的性能因此受 到大溫差加熱的限制，并且在實(shí)際操作中，這樣的方式不是非常經(jīng)濟(jì)。
[0013] 通過使用大溫差來(lái)增加熱泵的性能，特別是在住宅和中小企業(yè)中生產(chǎn)熱水的過程 中的，使用跨臨界循環(huán)的C02熱泵。該解決方案有效的能達(dá)到90°C，因?yàn)橄鄬?duì)應(yīng)的非常高的 壓力。
[0014] 在跨臨界循環(huán)中使用氫氟碳（HFC)冷卻劑的熱泵在一篇名為"AThermodynamic analysisofatranscriticalcyclewithrefrigerantmixtureR32/R290forasmall heatpumpwaterheater,〃Yuetal，Vol. 42,No. 12,p. 2431-2436,December1，2010, "，其 文獻(xiàn)號(hào)為DE103 27 953。類似于在跨臨界循環(huán)中的C02熱泵，這些熱泵用于本地的應(yīng)用中， 例如熱水加熱，溫度不超過90°C的溫度。但是，這樣的熱泵不適合工業(yè)應(yīng)用，因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用 的所需的溫度需要達(dá)到一定的高度，具體地是90°C，優(yōu)選的為100°C，最優(yōu)選的是120°C，例 如達(dá)到150 °C。
[0015] 例如文獻(xiàn)DE10 2008 047 753所述，以階梯式排列使用的熱泵。這個(gè)排列方式提 供了增加總體性能的方法，因?yàn)闇p少了從每個(gè)熱泵的溫差，而且盡可能的優(yōu)化了各個(gè)熱泵 的冷卻劑。系統(tǒng)越離散，其性能越良好。而經(jīng)濟(jì)可行性的表準(zhǔn)限制了系統(tǒng)具有兩個(gè)熱泵。
[0016] 因此，需要用于高溫干燥應(yīng)用的設(shè)備，并且通常更高溫度的加熱應(yīng)用，伴隨著更高 溫差，該設(shè)備能夠提供令人滿意的性能以及經(jīng)濟(jì)可行性。
[0017] 本發(fā)明旨在克服上述的問題。
[0018] 為此目的，本發(fā)明的第一目的在于提供了包括熱泵的設(shè)備，其用于以大的溫差從 源流體處加熱外部流體，所述熱泵包括：
[0019] -第一和第二熱交換器，分別適用于與位于第一熱交換器附近的源流體，和位于第 二熱交換器附近的外部流體交換熱量，所述第一和第二熱交換器各自具有進(jìn)口和出口，
[0020] -冷卻劑，從氫氟碳冷卻劑和氫氟烯烴冷卻劑中選擇，
[0021] -冷卻劑循環(huán)，適用于在第一和第二熱交換器之間循環(huán)冷卻劑，所述冷卻劑循環(huán)包 括壓縮單元，其進(jìn)口連接至第一熱交換器的出口，其出口連接至第二熱交換器的進(jìn)口，并且 擴(kuò)充單元，其進(jìn)口連接至第二熱交換器的出口，其出口連接至第一熱交換器的進(jìn)口。
[0022] 其中，第二熱交換器和熱泵的冷卻劑的循環(huán)適用于跨臨界循環(huán)中循環(huán)冷卻劑。
[0023] 其中，熱泵適用于，以大于20°C的溫差的加熱，優(yōu)選的大于30°C，最好大于40°C， 更好的是大于60°C進(jìn)行加熱，并且允許最高目標(biāo)溫度Tc大于90°C，
[0024] 并且，其中所述設(shè)備進(jìn)一步包括：
[0025] -腔室，其具有進(jìn)口和出口，第一和第二熱交換器分別設(shè)置在腔室的出口和進(jìn)口附 近，
[0026] -位于腔室中的處理系統(tǒng)，腔室的進(jìn)口和出口分別設(shè)置在處理系統(tǒng)的上游和下游，
[0027] _外部流體循環(huán)，適用于在第二交換器附近以及熱處理系統(tǒng)附近連續(xù)的循環(huán)外部 流體，所述外部流體的循環(huán)進(jìn)一步適用于循環(huán)處理系統(tǒng)的外部流體下游，并且在第一熱交 換器附近，由于源流體，使得外部流體傳輸熱量，因?yàn)槠渫ㄟ^了處理系統(tǒng)，其在處理系統(tǒng)的 外部流體上游與處理系統(tǒng)的外部流體下游之間有大的溫差，
[0028]在跨臨界循環(huán)中使用氫氟碳（HFC)冷卻劑或氫氟烯烴（HF0)冷卻劑提供了兩個(gè)主 要的優(yōu)勢(shì)。一方面，特別值得注意的是例如，當(dāng)從冷凝狀態(tài)恢復(fù)熱量時(shí)，冷卻劑在第一熱交 換器的蒸發(fā)階段保持一個(gè)恒定的溫度。另一方面，由于通過第二熱交換器的冷卻劑的通道 可以處于跨臨界的系統(tǒng)中，因此，所有沿著第二熱交換器的溫度變化為在外部流體重新加 熱的鏡像。可選地是，同時(shí)使用冷卻劑和特定的應(yīng)用優(yōu)化了熱泵的效率，而效率是決定經(jīng)濟(jì) 可行性的決定性要素之一。因此，可以認(rèn)為熱泵的性能得到了大大的改善。
[0029] 此外，在根據(jù)本發(fā)明所述的設(shè)備中使用熱泵，大大改善了熱能的產(chǎn)生能力，特別是 超過100kW，其從中等溫度的源流體中，具體的在超過40°、更具體為超過50°C，并且例如 高達(dá)70°C時(shí)，從而允許達(dá)到更高的溫度，具體的例如90°C，更具體的例如100°C，優(yōu)選的為 120°C，并且例如高達(dá)150°C。結(jié)合了能夠?qū)⒃谟嘘P(guān)腔室中的外部流體循環(huán)的處理系統(tǒng)的特 別設(shè)置以及第一和第二熱交換器的能力，使得所述設(shè)備非常適合用于工業(yè)應(yīng)用，特別是運(yùn) 用于工業(yè)干燥設(shè)備中。
[0030] 冷卻劑具有關(guān)于臨界溫度和臨界壓力的臨界點(diǎn)。壓縮單元適用于壓縮冷卻劑，使 得所述冷卻劑在壓縮單元的出口和第二熱交換器的進(jìn)口同時(shí)出現(xiàn)，超臨界的壓力大于臨界 壓力，并且超臨界的溫度大于臨界溫度。
[0031] 此外，第二熱交換器是氣體冷卻器，適用于以超臨界液體狀態(tài)冷卻冷卻劑，由于所 述冷卻劑進(jìn)入氣體冷卻器，所述冷卻劑同時(shí)使得超臨界壓力大于臨界壓力，使得超臨界溫 度大于臨界溫度，并且所述冷卻劑的冷卻過程在恒定的超臨界壓力中進(jìn)行。
[0032] 在一個(gè)