本发明涉及高温热泵技术，具体为一种复叠式高温热泵蒸汽发生器。
背景技术：
目前，热泵高温热水机是由单一系统来制取高温热水的，相对于复叠式系统，这种机组的特点是冷凝温度和冷凝压力较高，造成换热效率下降，能效比降低，并且在环境温度低时不能启动，系统稳定性差，经济效率较低。
国内现有的高温空气能热泵一般是指：制热出水温度高于60℃或者出风温度能够达到80℃以上的热泵，运用于电镀、巴氏消毒、屠宰、玻璃清洗、印染等行业。但通过热泵技术制取100℃以上蒸汽却很少，高温热泵的发展一方面受限于常规制冷剂工质性能与热泵所需高温的不匹配，另一方面受制于相应压缩机、换热器等热泵循环部件性能的限制。而温度在130℃左右的蒸汽在医院、纺织业、餐饮业等各个领域有着不小的市场需求。
现有的蒸汽制备多采用小型燃气燃油燃煤锅炉、电锅炉等，一方面能源利用效率较低；另一方面煤、油、气等燃料的不完全燃烧产生的污染物气体也会对大气环境造成污染。
中国专利申请CN205388389U公开了一种复叠式空气源热泵系统，包括换热风机、低温系统蒸发器、低温系统气液分离器、低温系统压缩机、蒸发冷凝器、低温系统节流阀、高温系统气液分离器、高温系统压缩机、高温系统水冷凝器、高温系统贮液罐和高温系统节流阀；换热风机设置在低温系统蒸发器外侧，低温系统蒸发器的一端通过低温系统气液分离器与低温系统压缩机的一端连接，低温系统压缩机的另一端与蒸发冷凝器连接，蒸发冷凝器与低温系统贮液罐的一端连接，低温系统贮液罐的另一端通过低温系统节流阀与低温系统蒸发器的另一端连接；高温系统气液分离器的一端连接蒸发冷凝器，高温系统气液分离器的另一端连接高温系统压缩机，高温系统压缩机另一端连接高温系统水冷凝器，高温系统水冷凝器的另一端连接高温系统贮液罐，高温系统贮液罐通过高温系统节流阀连接蒸发冷凝器，高温系统水冷凝器的热水出口端及冷水进口端与保温水箱连接，高温系统水冷凝器的冷水进口端安装有循环水泵。该系统适用于超低温环境，未提及适应环境温度的变化系统的运行情况；且该系统的终端产品为高温热水，不能满足市场对水蒸气的需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够高效环保的复叠式高温热泵蒸汽发生器，热损失少，换热效率高，能够提供100℃以上的水蒸汽产品。
一种复叠式高温热泵蒸汽发生器，包括：低温级循环系统、高温级循环系统，中间换热设备；所述低温级循环系统包括蒸发器、气液分离器、低温级压缩机、低温级储液罐、低温级电子膨胀阀；所述高温级循环系统包括高温级压缩机、冷凝器、高温级储液罐、高温级电子膨胀阀；所述中间换热设备为冷凝蒸发器；一种复叠式高温热泵蒸汽发生器，还包括给水预热加热系统，所述给水预热加热系统包括给水预热器、储水箱、水泵以及电磁炉加热器。
所述的给水预热器的循环工质的入口端与低温级循环系统中的低温级压缩机相连接，给水预热器的循环工质的出口端通过汇流阀与低温级储液罐相连接，给水预热器的水入口端通过水泵与储水箱相连接，给水预热器的水出口端与高温级循环系统中的冷凝器的水入口端相连接，冷凝器的水出口端与电磁炉加热器相连接。
优选的，所述的低温级压缩机为低温级变频压缩机。
依据现有的变频压缩技术,低温级循环压缩机采用变频压缩机，调节压缩机功率，提供满足高温级工质蒸发需求和给水预热需求的热量而尽可能减少耗电，保证在不同蒸发温度下，中间蒸发温度的恒定和系统的稳定。
优选的，所述的冷凝蒸发器为板式换热器。
由于低温级介质和高温级工质均在换热过程中伴随有相变过程，板式换热器可保证高温级工质和低温级工质在其中进行充分、高效的换热。
优选的，所述的低温级储液罐与低温级电子膨胀阀之间安装有干燥过滤器。
干燥过滤器可确保进入压缩机的工质是干燥的，确保压缩机正常运行。
优选的，所述的给水预热器为管壳式换热器。
低温级循环工质在管壳式换热器中冷凝放热，对储水箱给水进行预热，由于低温级循环的COP相对于高温循环较高，该预热设计在同等条件下可将循环整体COP提高。
优选的，所述的冷凝器为管壳式换热器。
高温级工质在管壳式换热器中冷凝放热将来自低温级的预热水加热蒸发为水蒸汽。
优选的，所述的冷凝器的水出口端与电磁加热器之间安装有气液分离器，气液分离器底部设有排污口。
通过气液分离器，可将从冷凝器中出来的水蒸气中的液态水分离出来，并通过排污口排出，可以提高水蒸气的质量，确保水蒸气质量的稳定性。
优选的，所述的高温级储液罐与高温级电子膨胀阀之间安装有干燥过滤器。
干燥过滤器的作用是确保进入压缩机的工质是干燥的，确保压缩机正常运行。
本发明以空气作为热源，低温级工质在蒸发器中与空气换热蒸发后进入低温级压缩机进行压缩；经压缩后的低温级工质通过分流阀按流量比分两路流通；一路进入冷凝蒸发器后冷凝放热，以加热蒸发高温级工质；另一路进入给水预热器中冷凝发热，并对储水箱给水进行预热；由冷凝蒸发器和给水预热器流出的工质经汇流阀汇流，继而进入低温级电子膨胀阀进行减压；经减压后的工质回流至蒸发器中，完成一次循环过程。
高温级工质在冷凝蒸发器中蒸发后，进入高温级压缩机中进行压缩；经压缩后的工质进入冷凝器中冷凝放热，以供来自给水预热器中的预热给水在冷凝器中蒸发吸热，得到100℃以上的水蒸汽产品；高温级工质自冷凝器出口进入高温级电子膨胀阀进行减压；经减压后的工质回流至冷凝蒸发器中，完成循环；冷凝器中得到的蒸气产品经过电磁加热器加热至所需温度。
本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
1、低温级设计采用变频压缩机，实现低温级压缩机功率按需提供，达到良好的节能效果。
2、经过多级加热，实现产生蒸汽的目的。
3、当环境空气源温度改变时，冷凝蒸发器和给水预热器的温度亦随之改变，通过环境温度与冷凝蒸发器和给水预热器温度的对应关系，通过调节变频压缩机转速，使系统在最佳中间换热温度下工作，复叠式高温热泵蒸汽发生器整体热效率始终处于最佳工作状态，达到复叠式蒸汽发生系统对环境温度的良好适应性，能提供质量稳定的蒸汽。
4、热泵系统后设置电热蒸汽加热器，可以将蒸汽加热到任意生产需求所需温度。
附图说明
图1为本发明一种复叠式高温热泵蒸汽发生器的结构示意图；
图中：1-翅片式换热器，2-气液分离器，3-低温级变频压缩机，4-分流阀，5-板式换热器，6-汇流阀，7-低温级储液罐，8-干燥过滤器，9-电子膨胀阀，10-气液分离器，11-高温级压缩机，12-管壳式换热器，13-高温级储液罐，14-干燥过滤器，15-高温级电子膨胀阀，16-储水箱，17-水泵，18-管壳式换热器，19-气液分离器，20-电磁加热器。
图2为有给水预热过程和无给水预热过程时，循环整体COP的对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明进行具体说明:
一种复叠式高温热泵蒸汽发生器，包括：低温级循环系统、高温级循环系统，给水预热加热系统，中间换热设备。所述低温级循环系统包括蒸发器、气液分离器、低温级压缩机、低温级储液罐、低温级电子膨胀阀；所述高温级循环系统包括高温级压缩机、冷凝器、高温级储液罐、高温级电子膨胀阀；所述给水预热加热系统包括给水预热器、储水箱、水泵以及电磁炉加热器；所述中间换热设备为冷凝蒸发器。
所述的蒸发器采用翅片式换热器1，所述的低温级压缩机采用低温级变频压缩机3，所述的冷凝蒸发器采用板式换热器5，所述的给水预热器采用管壳式换热器18。
所述的翅片式换热器1的一端与气液分离器2相连接，气液分离器2的另一端与低温级变频压缩机3相连接，低温级变频压缩机3另一端通过分流阀4分别与板式换热器5和管壳式换热器18相连接，板式换热器5和管壳式换热器18的另一端通过汇流阀6与低温级储液罐7相连接，低温级储液罐7另一端通过干燥过滤器8与低温级电子膨胀阀9相连接，低温级电子膨胀阀9另一端与翅片式换热器1另一端相连接；液分离器10一端与板式换热器5相连接，气液分离器10另一端与高温级压缩机11相连接，高温级压缩机11另一端与管壳式换热器12相连接，管壳式换热器12另一端高温级储液罐13相连接，高温级储液罐13另一端通过干燥过滤器14与高温级电子膨胀阀15相连接，高温级电子膨胀阀15另一端与板式换热器5相连接；给管壳式换热器18冷水入口端通过水泵17与储水箱16相连接，管壳式换热器18热水出口端与管壳式换热器12冷水入口端相连接，管壳式换热器12热水出口端通过气液分离器19与电磁加热器20相连接。
综合考虑制冷剂热力性能、危险性、环保性等因素，实施例以R410A为低温级制冷剂，R245fa为高温级制冷剂。
具体过程为：低温级循环以空气为热源，工质R410A在翅式换热器1中与空气换热蒸发；后进入低温级变频压缩机3进行压缩；经压缩后的工质经分流阀4分流，按流量比为100：15分两路流通，一路进入板式换热器5中，低温循环工质R410A在其中冷凝放热，高温循环工质R245fa在其中吸热蒸发；另一路进入管壳式换热器18，对储水箱给水进行预热。计算可知，在同等条件下，有给水预热过程COPall整体较无预热过程COP′all平均提高0.062(如图2)。两路工质经板式换热器5和管壳式换热器18冷凝后汇合进入低温级电子膨胀阀9进行减压；经减压后的工质回流至翅式换热器1中，完成一次循环过程。
高温循环工质R245fa在板式换热器5中蒸发；后进入高温级压缩机11进行压缩；经压缩后工质进入管壳式换热器12冷凝放热，以供来管壳式换热器18中的预热给水在管壳式换热器12中蒸发吸热，流经气液分离器20后得到120℃水蒸汽，再流入电磁加热器中将水蒸汽加热到任意需要温度。由于蒸汽相变所需热量由热泵系统提供，故能耗较低；高温级工质自管壳式换热器12出口进入高温级电子膨胀阀15进行减压；减压后的工质回流至板式换热器5，完成循环。
在各换热器换热温差为5℃，制冷剂在压缩机中压缩效率为75％，节流过程压损为80kPa，得到120℃水蒸汽的条件下，环境温度从-20℃至20℃范围变化时，系统COP由1.30升至1.65。
以上所述实例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利的限制，本领域的普通技术人员可以对前述的技术方案进行修改、或者进行同等替换，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
技术特征：
1.一种复叠式高温热泵蒸汽发生器，包括，低温级循环系统、高温级循环系统，中间换热设备；所述低温级循环系统包括蒸发器、气液分离器、低温级压缩机、低温级储液罐、低温级电子膨胀阀；所述高温级循环系统包括高温级压缩机、冷凝器、高温级储液罐、高温级电子膨胀阀；所述中间换热设备为冷凝蒸发器；其特征在于，所述的复叠式高温热泵蒸汽发生器设有给水预热加热系统，所述给水预热加热系统包括给水预热器、储水箱、水泵以及电磁炉加热器；
所述的给水预热器的循环工质的入口端与低温级循环系统中的低温级压缩机相连接，给水预热器的循环工质的出口端通过汇流阀与低温级储液罐相连接，给水预热器的水入口端通过水泵与储水箱相连接，给水预热器的水出口端与高温级循环系统中的冷凝器的水入口端相连接，冷凝器的水出口端与电磁炉加热器相连接。
2.根据权利要求1所述的复叠式高温热泵蒸汽发生器，其特征在于，所述的低温级压缩机为低温级变频压缩机。
3.根据权利要求1所述的复叠式高温热泵蒸汽发生器，其特征在于，所述的低温级储液罐与低温级电子膨胀阀之间安装有干燥过滤器。
4.根据权利要求1所述的复叠式高温热泵蒸汽发生器，其特征在于，所述的中间换热设备为板式换热器。
5.根据权利要求1所述的复叠式高温热泵蒸汽发生器，其特征在于，所述的给水预热器和冷凝器均为管壳式换热器。
6.根据权利要求1所述的复叠式高温热泵蒸汽发生器，其特征在于，所述的高温级储液罐与高温级电子膨胀阀之间安装有干燥过滤器。
7.根据权利要求1所述的复叠式高温热泵蒸汽发生器，其特征在于，所述的冷凝器的水出口端与电磁加热器之间安装有气液分离器，气液分离器底部设有排污口。
技术总结
本发明提供了一种复叠式高温热泵蒸汽发生器，涉及高温热泵技术。包括，低温级循环系统、高温级循环系统，中间换热设备；还设有水预热加热系统，给水预热加热系统包括给水预热器、储水箱、水泵以及电磁炉加热器；所述的给水预热器的循环工质的入口端与低温级循环系统中的低温级压缩机相连接，给水预热器的循环工质的出口端与低温级储液罐相连接，给水预热器的水入口端通过水泵与储水箱相连接，给水预热器的水出口端与冷凝器的水入口端相连接，冷凝器的水出口端与电磁炉加热器相连接。本发明将预热给水方式、热泵系统、复叠式循环、变频压缩技术有机结合，设计提供了一种环保可行的循环过程，提高了复叠式热泵系统的热经济性。
技术研发人员：吴杰;苗斐婷;孙聚伟;余林繁;黄俊豪
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：.06.24
技术公布日：.11.05
