[發明專利]一種包括用大的溫差加熱外部流體的熱泵的設備

在審

• 申請號: 201380051743.5
• 申請日: 2013-07-16
• 公開（公告）號: CN104781621A
• 公開（公告）日: 2015-07-15
• 發明（設計）人: 金-勞伊斯·珀勒克斯;阿利·鮑里格;阿薩德·佐格海布;卡里姆·貝斯貝斯
• 申請（專利權）人: 法國電力公司
• 主分類號: F25B30/02
• 分類號: F25B30/02;F25B27/02
• 代理公司: 上海天協和誠知識產權代理事務所 31216
• 代理人: 童錫君

本發明涉及一種包括用大的溫差加熱外部流體熱泵的設備。

在工業領域中，有這樣的需求，在60℃至150℃的范圍中進行加熱，在其他物體中，對應于與以通過初始溫度和最終溫度之間的大的溫差來加熱外部流體(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，通常是液態或氣態廢棄物。所述溫差因為這些廢棄物的流速而變化。

本發明特別適用于：

-液體的加熱，例如在加熱系統或其它系統中的水、洗滌液、或其他的處理用水；

-用于工業干燥、房間加熱或其他用途的氣體加熱；

具體的，不超出本發明的可以限制于這樣的應用中，可以廣泛使用在干燥應用中，以及許多其他領域中：造紙、食品加工、污水處理、化纖、木材、印染等。在法國與干燥相關的能源消如下：造紙/紙板(paper/cardboard)行業為39％、農業部分為23％、化工產業為13％、材料產業為11％、冶金為2％、化纖為2％，以及其他產業為10％。估計在法國有超過13000個工業用干燥設備，它們使用著大量不同的技術。在工業中，對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行循環。所述氣流，通常為氣體，以提供熱量，用于蒸發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。所述氣體在其進入和排出干燥設備之間冷卻并獲得水汽，同時逐漸干燥的物體變得越來越溫暖。

一個當加熱外部流體而達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由干燥設備產生的潮濕氣體。

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。由熱交換器生產廠家提供的說明書中表示熱效率在40％至90％之間。但是，這個效率不意味著在熱(和潮濕)廢棄物中的能量可以恢復這樣的效果(recovered?at?such?a?yield)。在干燥過程中，例如，在獲取的潮濕氣體與進入的干燥氣體之間的簡單的交換，僅恢復了少量的熱能量，所述了熱能量是從潮濕氣體處獲取的，用以增加進入的干燥氣體的溫度。對于高干燥溫度，其示出介入干燥設備中的能量小于8％。

為了減少能量的使用和CO₂的排放量，熱泵(HP)領域的發展對于加熱外部流體是非常引人關注的技術領域。

熱泵通常包括第一熱交換器，由蒸發器構成，其出口連接著第二熱交換器的進口，由冷凝器構成，在兩者之間有壓縮單元。冷凝器的出口通過擴充單元連接至蒸發器的進口。因此，冷卻劑能夠在蒸發器和冷凝器之間流動，在蒸發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器進行冷卻(通過水汽的冷凝)，并且進入的氣體通過冷凝器進行加熱，使氣體達到預期的溫度。

在法國所記錄的干燥設備(用于干燥木材和污泥)證明了熱泵能夠降低能耗。

但是，傳統的熱泵僅能達到局限于60℃的目標溫度。此外，由熱泵執行的傳統的熱力循環不能在不破壞熱泵性能的情況下達到非常高的冷凝的溫度。現有熱泵的性能因此受到大溫差加熱的限制，并且在實際操作中，這樣的方式不是非常經濟。

通過使用大溫差來增加熱泵的性能，特別是在住宅和中小企業中生產熱水的過程中的，使用跨臨界循環的CO₂熱泵。該解決方案有效的能達到90℃，因為相對應的非常高的壓力。

在跨臨界循環中使用氫氟碳(HFC)冷卻劑的熱泵在一篇名為“A?Thermodynamic?analysis?of?a?transcritical?cycle?with?refrigerant?mixture?R32/R290for?a?small?heat?pump?water?heater,Yu?et?al,Vol.42,No.12,p.2431-2436,December?1,2010,”，其文獻號為DE?103?27?953。類似于在跨臨界循環中的CO₂熱泵，這些熱泵用于本地的應用中，例如熱水加熱，溫度不超過90℃的溫度。但是，這樣的熱泵不適合工業應用，因為工業應用的所需的溫度需要達到一定的高度，具體地是90℃，優選的為100℃，最優選的是120℃，例如達到150℃。

例如文獻DE?10?2008?047?753所述，以階梯式排列使用的熱泵。這個排列方式提供了增加總體性能的方法，因為減少了從每個熱泵的溫差，而且盡可能的優化了各個熱泵的冷卻劑。系統越離散，其性能越良好。而經濟可行性的表準限制了系統具有兩個熱泵。