本发明涉及供热技术领域，具体为一种多热源耦合的复合蒸发器及其热泵系统。
背景技术：
由于能源危机以及环境污染问题，人们越来越重视可再生能源的利用及开发。特别是在建筑供热领域内，人们更是大力的推广太阳能、地热能、空气能等可再生能源的应用，可再生能源供热已成为实现建筑节能的重要措施和途径之一。但是若单一的使用一种新能源或者可再生能源进行供热，会由于新的可再生能源本身的缺陷：时空分布不均、投入不稳定、系统易受客观因素影响等而使供热效果不佳，这就制约了其在建筑供热领域中的应用及推广。
热泵系统同样属于新能源技术，其主要是从自然界中的水、空气、土壤以及地下热能中获取低品位的热能，通过电力做功，转换为高品位的热能，实现能量的梯级转换，达到制热或者制冷的目的。其中空气源热泵是不错的选择，但空气源热泵在寒冷的冬季运行时，会由于环境气温及湿度的影响，使室外蒸发器表面结霜，一旦结霜，霜层厚度则会不断的积聚，从而影响了蒸发器表面的空气流动及换热，使得蒸发器表面的换热能力减弱，进一步的导致了热泵系统的性能系数和换热量，影响其使用效果。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多热源耦合的复合蒸发器及其热泵系统，在实现多热源的耦合使用的同时，提高热泵的使用效率和能源利用率，同时还可以回收烟气余热兼以消白，并有效的防止蒸发器侧结霜。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种多热源耦合的复合蒸发器，包括壳体，以及分别设置在壳体两端的法兰；
所述的壳体包括外壳体和内壳体；外壳体和内壳体之间的间隙内设置螺旋形的制冷剂流道；内壳体内侧的空腔形成耦合工质流道，两端分别为耦合工质进口和耦合工质出口；外壳体外侧设置有若干烟气冷却翅片，相邻烟气冷却翅片间形成用于交换热量的烟气通道，外壳体两端分别设置有连通制冷剂流道的制冷剂进口和制冷剂出口。
优选的，所述的壳体呈腰圆形设置。
优选的，所述烟气冷却翅片为腰圆形翅片或者等间距向外延伸的矩形翅片；若干烟气冷却翅片相互平行，且垂直于外壳体设置。
优选的，所述内壳体两端的耦合工质进口和耦合工质出口，与外壳体两端的制冷剂进口和制冷剂出口的进出口方向相反，用于耦合工质和制冷剂之间的逆流换热。
优选的，所述外壳体和内壳体之间呈等间隙设置；
外壳体、内壳体和烟气冷却翅片采用整体铸造加工形成制冷剂流道、耦合工质流道和烟气通道，铸造材料为铸铝硅、工业纯铜、不锈钢或铝的一种；
或外壳体和内壳体采用整体铸造加工形成制冷剂流道和耦合工质流道，烟气冷却翅片采用焊接固定在外壳体外壁面上，且烟气冷却翅片上涂覆有防腐涂层。
一种多热源耦合的热泵系统，包括依次连接的压缩机、冷凝器、节流阀和上述任意一项所述的复合蒸发器；
所述的复合蒸发器置于烟气余热利用的烟道内，热泵系统的其他部分置于烟气余热利用的烟道外；法兰用于将复合蒸发器连接至热泵系统的管路上；制冷剂流道的进口连接节流阀的输出端，出口连接压缩机的输入端；耦合工质流道连接耦合工质循环系统；
所述的压缩机的输出端经冷凝器的放热回路连接节流阀的输入端；
所述的冷凝器的吸热回路连接储热水箱。
优选的，制冷剂流道的出口连接四通阀的第一输入端，四通阀的第一输出端经气液分离器连接压缩机的输入端，第二输入端连接压缩机的输出端，第二输出端经冷凝器的放热回路连接节流阀的输入端。
优选的，耦合工质流道内的换热工质为水、乙二醇溶液、导热油等的液体换热工质的一种，所述液体换热工质经耦合工质循环系统吸收太阳能、地热能、污水废水热能、海水热能或盐溶液喷淋获得的空气能后，供应到耦合工质流道进行放热。
优选的，所述耦合工质流道的一端设置有蒸发器侧循环水泵；冷凝器的一端设置有冷凝器侧循环水泵；节流阀和制冷剂流道之间设置有过滤器。
进一步，当空气源热泵单独运行时，蒸发器侧循环水泵关闭，烟道内有烟气供给，烟气与制冷剂流道中的制冷剂单独换热；
当烟气—水源热泵联合运行时，蒸发器侧循环水泵开启，烟道内有烟气供给，烟气与耦合工质同时和制冷剂换热，进行多热源互补耦合供热；
换热时，低温低压的液体制冷剂在复合蒸发器的螺旋管流道内变成低压的制冷剂送入到压缩机升压，升压后在冷凝器中放热，再经节流阀进入复合蒸发器中完成换热过程，依次循环，完成热泵的正常运行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的热泵系统实现热泵的多热源互补耦合使用，通过设置在烟道内的复合蒸发器，构成消白系统的低温除湿部件，回收烟气余热，降低烟气的温度，以达消白的目的，解决发展和环境问题；通过设置在烟道外的其他部分，将高温热源的烟气和低温热源的耦合工质能够同时进行对制冷剂的换热实现多热源的耦合；同时还可以吸收烟气中的汽化潜热，把烟气中的余热“吃干榨净”，达到能源的高效利用，有效的提高锅炉使用效率，同时还可以降温除湿。与此同时，设置在外壳体上的烟气冷却翅片侧较传统的空气源热泵蒸发器侧，可有效的防止蒸发器侧结霜的问题，使得热泵系统更加安全高效的运行。
附图说明
图1为本发明实例中所述复合蒸发器的主视图示意图。
图2为本发明实例中所述复合蒸发器的左视图示意图。
图3为本发明实例中所述复合蒸发器的俯视图示意图。
图4为本发明实例中所述热泵系统的结构示意图。
图5为本发明实例中所述复合蒸发器烟气冷却翅片形状的形状示意图。
图6为本发明实例中所述复合蒸发器采用矩形翅片的结构示意图。
图7为本发明实例中所述复合蒸发器采用腰圆形壳体和针翅的结构示意图。
图中：1-烟气冷却翅片；2-耦合工质流道；3-制冷剂流道；4-烟气进口；5-法兰；6-复合蒸发器；301-制冷剂进口；302-制冷剂出口；201-耦合工质进口；202-耦合工质出口；7-压缩机；8-冷凝器；9-节流阀；10-过滤器；11-气液分离器；12-四通阀；203-耦合工质循环系统；204-蒸发器侧循环水泵；205-供热循环系统；206冷凝器侧循环水泵。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明考虑到单一可再生能源供热与热泵系统的特点，利用多热源复合热泵技术将太阳能、地热能等可再生能源和烟气余热能结合起来联合供热，进行多热源互补耦合的应用，可扬长避短、优势互补，较好的实现多热源在建筑供热领域中的应用，使得整个供热/制冷可以稳定高效的运行。同时，将复合蒸发器6放置在产生烟气的尾部烟道中，一方面吸收烟气中的汽化潜热，回收烟气余热，有效地提高供热效率，另一方面蒸发器在烟道中构成了消白系统的除湿部件，降低烟气的温度以达到消白的目的。
本发明一种多热源耦合的热泵系统，如图4所示，包括设置在烟道内的复合蒸发器6，和烟道外的冷凝器8、压缩机7和节流阀9，以及连接管路。
所述热泵系统中的制冷剂，依次流经压缩机7、冷凝器8、节流阀9和复合蒸发器6完成换热过程，依次循环，保证热泵的正常运行；其中，复合蒸发器6构成消白系统的低温除湿部件，降低烟气的温度，以达消白的目的，同时利用热泵吸收了烟气中的汽化潜热，回收烟气的热量，有效地提高供热效率；所述耦合工质与制冷剂形成逆流回路加强其换热效果。耦合工质流道2内的耦合工质温度高于制冷剂温度，且低于尾部烟道内的烟气温度。耦合工质为低温热源，烟气为高温热源，制冷剂对低温和高温热源进行同时的耦合换热。所述的冷凝器8的吸热回路连接储热水箱。
所述热泵系统可以实现两种工况的运行，耦合源热泵以水源热泵为例进行说明：空气源热泵单独运行，蒸发器侧循环水泵204关闭，烟道内有烟气供给，烟气与制冷剂流道3中的制冷剂单独换热；空气—水源热泵联合运行，蒸发器侧循环水泵204开启，烟道内有烟气供给，烟气与耦合工质同时和制冷剂换热。换热时，低温低压的液体制冷剂在复合蒸发器的螺旋管流道内变成低压的制冷剂送入到压缩机升压，升压后在冷凝器8中放热，再经节流阀9进入复合蒸发器6中完成换热过程，依次循环，完成热泵的正常运行。
在热泵系统的运行时，应以烟气的流量及温度进行确切的匹配，选取流量、功率等与之匹配的热泵系统，防止烟气冷却翅片的结霜，影响整个系统的运行。
在本发明多热源耦合的热泵系统中，其核心的零部件是复合蒸发器6。使用复合蒸发器6，可以实现多热源的耦合，同时还可以有效的解决蒸发器侧结霜的问题，提高了热泵的工作效率和能源利用率。
其中，如图1、图2和图3所示，复合蒸发器6包括烟气冷却翅片1、方形法兰5、以及内外壳体形成的耦合工质流道2和制冷剂流道3。其中，壳体能够呈异形、腰圆形、方形、圆形设置，还能够呈其他多边形设置，本优选实例中采用如图1-3所示的腰圆形设置。
烟气冷却翅片1布置在外壳体的外壁面上，其为腰圆形、h形翅片、螺旋翅片、针翅或者上下左右延伸的等间距矩形翅片，相邻翅片间形成用于交换热量的烟气通道；还可以是如图5所示的椭圆形翅片、腰圆形翅片、菱形翅片、圆形翅片本优选实例中，烟气冷却翅片1与壳体结合时可以采用如图3所示的腰圆形，或者采用如图6所示的矩形翅片，或者如图7所示的针翅。
复合蒸发器6的内外壳体形成的两个流道制冷剂流道3和耦合工质流道2为复合蒸发器6工作的主管道，其中，内外壳体之间间隙内的螺旋管管道为制冷剂流道3，本优选实例中，腰圆形的管道为耦合工质流道2。螺旋形制冷剂流道3，具有结构紧凑、制作方便、传热系数大的特点。
本优选实例中，外壳体和内壳体之间呈等间隙设置，制冷剂流道3中每层螺旋形流道的外侧至少对应设置有一层烟气通道。
所述耦合工质流道2为腰圆形截面设计；所述耦合工质流道2内的耦合工质为水、乙二醇溶液、导热油等的液体换热工质的一种，且所述液体换热工质的热源可来源于太阳能、地热能、污水废水、海水、盐溶液喷淋吸收空气能等低温热源中的至少一种。
法兰5置于复合蒸发器6的两端，同时法兰5四周开有螺栓孔，法兰5用于将复合蒸发器6连接至热泵系统的管路中。
本优选实例中，耦合工质优先使用水，且为吸收太阳能后的热水，其温度低于尾部烟道的烟气温度，相对于高温烟气为低温工质，即所述热泵联合烟气能与太阳能互补耦合使用；耦合工质与制冷剂换热方式为逆流换热。
本发明中的烟气冷却翅片1和壳体采用整体铸造加工形成制冷剂流道3和耦合工质流道2、烟气通道，采用整体铸造，其加工工艺方便，制造简单，结构紧凑，传热系数较大，换热效果良好，且该复合蒸发器6具有双热源，可以实现烟气余热能与太阳能及其他新能源与可再生能源的互补耦合利用。选用导热性良好且耐腐蚀的材料，材料可选为铸铝硅、工业纯铜、不锈钢或铝的一种。
或者所述烟气冷却翅片1采用非铸造加工，而是采用焊接工艺进行加工，装配在外壳体的外壁面上，材料选择可以与壳体相同，也可不同，且烟气冷却翅片上涂覆有防腐涂层。
制冷剂使用时，制冷剂在热泵流道内3流动，既可以与耦合工质流道2内的耦合工质换热，又可以和烟气冷却翅片1侧的烟气换热，以降低烟气温度；从而实现制冷剂同时与耦合工质流道2的耦合工质和烟气冷却翅片1侧的烟气进行换热，实现烟气余热与热泵的多热源互补耦合供热。
具体的，如图1、图2和图3所示，所述烟气冷却翅片1布置在外壳体的外壁面上，其为腰圆形，相邻翅片间形成用于交换热量的烟气通道；所述复合蒸发器主管道包括两个流道：制冷剂流道3和耦合工质流道2；所述制冷剂流道3为螺旋形设计，布置在外壳体内侧和内壳体外侧之间的壁面内，其结构为螺旋形，具有结构紧凑、制作方便、传热系数大的特点；所述耦合工质流道2为腰圆形截面设计。
制冷剂流道3内的工质优选的选用制冷剂，如图1和2所示，制冷剂分别由制冷剂入口101流入螺旋管道内，与耦合工质和烟气冷却翅片侧的烟气进行换热后经过制冷剂出口102流出螺旋管道，进入热泵系统的下一个循环。耦合工质流道2内的耦合工质为水、乙二醇溶液、导热油等的液体换热工质的一种，且耦合工质与制冷剂换热方式为逆流换热，进一步的耦合工质中的热能可来源于太阳能、地热能、污水废水、海水、盐溶液喷淋吸收空气能等能源，耦合工质水经过如图1和2所示的耦合工质进口201流入腰圆形截面窄间隙的耦合工质流道2，与制冷剂流道3内的制冷剂换热后，流出腰圆形截面的耦合工质流道2；流经烟气冷却翅片1的烟气分别于制冷剂和耦合工质换热。
在整个换热过程中，制冷剂吸收烟气和耦合工质的热量，此时低温低压的液体制冷剂在复合蒸发器的螺旋管流道内变成低压的制冷剂送入到压缩机循环；烟气降温后，烟气中的冷凝水被回收，烟气在后续烟道降温排出，以达到消白的目的；耦合工质降温后在进入耦合工质循环系统203中吸热，节约水资源；耦合工质循环系统203包括太阳能循环系统或其他新能源系统，本优选实例中，其他新能源系统中的热源包括地热能、污水废水热能、海水热能或盐溶液喷淋吸收的空气能中的至少一种。
本发明一种多热源耦合的热泵系统，
优先与锅炉供热特别是燃气锅炉供热进行互补耦合供热，实现多热源互补耦合供热，进一步的还可以有效地利用烟气中水蒸气的汽化潜热，节约能源，提高锅炉的效率。此外，复合蒸发器6放置在烟道中构成消白系统的低温除湿部件，降低烟气的温度，以达消白的目的。所以本发明不仅可以实现多热源的互补耦合使用，还能同时解决环境和发展的问题。
所述发明多热源耦合的热泵系统，将复合蒸发器6置放在烟道中，热泵系统放置在烟道外面，进行互补耦合利用。所述复合蒸发器6适用范围广泛，可以是放在统的电站锅炉、工业锅炉的脱硫塔后，还可以放在新的燃气壁挂炉以及燃气冷凝锅炉的烟道中以及其他可以产生烟气余热的地方。
若放在电站锅炉和工业锅炉的脱硫塔后，运用此多热源耦合的热泵系统，可以有效地降低锅炉的排烟温度，甚至可以说是任意的降低其温度，但是，在整个热泵运行过程中，并不是可以最大限度地降低锅炉地排烟温度最好，而是应该通过计算，得出使用的电能、回收的余热和冷凝水以及达到消白的目的相统一的最优化结果，其受到尾部烟气的烟气流量和温度等因素的影响。在降低排烟温度和回收冷凝水的同时，还可以回收烟气中水的气化潜热，把烟气中的余热“吃干榨净”，全面的回收余热，防止资源的浪费。除此之外，使用多热源耦合的热泵系统，烟道中的复合蒸发器6构成了消白系统的低温除湿部件，降低烟气温度，以达消白的目的。
若放在燃气锅炉排烟尾部，运用此多热源耦合的热泵系统，则可以实现燃气锅炉与热泵耦合的低温供热，实现气电耦合，减轻气荒问题，且充分的发挥多热源互补耦合供热。燃气锅炉和热泵耦合，不仅可以降低烟气温度，吸收烟气的余热，把烟气中的余热“吃干榨净”，全面提升燃气锅炉的供暖效率，其中烟道中的复合蒸发器6还构成消白系统的低温除湿部件，降低烟气温度，以达到消白的目的。
1.一种多热源耦合的复合蒸发器，其特征在于，包括壳体，以及分别设置在壳体两端的法兰(5)；
所述的壳体包括外壳体和内壳体；外壳体和内壳体之间的间隙内设置螺旋形的制冷剂流道(3)；内壳体内侧的空腔形成耦合工质流道(2)，两端分别为耦合工质进口(201)和耦合工质出口(202)；外壳体外侧设置有若干烟气冷却翅片(1)，相邻烟气冷却翅片(1)间形成用于交换热量的烟气通道，外壳体两端分别设置有连通制冷剂流道(3)的制冷剂进口(301)和制冷剂出口(302)。
2.根据权利要求1所述的一种多热源耦合的复合蒸发器，其特征在于，所述的壳体呈腰圆形、圆形、椭圆、方形或其他多边形设置。
3.根据权利要求1所述的一种多热源耦合的复合蒸发器，其特征在于，所述烟气冷却翅片(1)为腰圆形翅片、h形翅片、螺旋翅片、针翅或者等间距向外延伸的矩形翅片；若干烟气冷却翅片(1)相互平行，且垂直于外壳体设置。
4.根据权利要求1所述的一种多热源耦合的复合蒸发器，其特征在于，所述内壳体两端的耦合工质进口(201)和耦合工质出口(202)，与外壳体两端的制冷剂进口(301)和制冷剂出口(302)的进出口方向相反，用于耦合工质和制冷剂之间的逆流换热。
5.根据权利要求1所述的一种多热源耦合的复合蒸发器，其特征在于，所述外壳体和内壳体之间呈等间隙设置；
外壳体、内壳体和烟气冷却翅片(1)采用整体铸造加工形成制冷剂流道(3)、耦合工质流道(2)和烟气通道，铸造材料为铸铝硅、工业纯铜、不锈钢或铝的一种；
或外壳体和内壳体采用整体铸造加工形成制冷剂流道(3)和耦合工质流道(2)，烟气冷却翅片(1)采用焊接固定在外壳体外壁面上，且烟气冷却翅片(1)上涂覆有防腐涂层。
6.一种多热源耦合的热泵系统，其特征在于，包括依次连接的压缩机(7)、冷凝器(8)、节流阀(9)和权利要求1-5任意一项所述的复合蒸发器(6)；
所述的复合蒸发器(6)置于烟气余热利用的烟道内，热泵系统的其他部分置于烟气余热利用的烟道外；法兰(5)用于将复合蒸发器(6)连接至热泵系统的管路上；制冷剂流道(3)的进口连接节流阀(9)的输出端，出口连接压缩机(7)的输入端；耦合工质流道(2)连接耦合工质循环系统(203)；
所述的压缩机(7)的输出端经冷凝器(8)的放热回路连接节流阀(9)的输入端；
所述的冷凝器(8)的吸热回路连接储热水箱。
7.根据权利要求6所述的一种多热源耦合的热泵系统，其特征在于，制冷剂流道(3)的出口连接四通阀(12)的第一输入端，四通阀(12)的第一输出端经气液分离器(11)连接压缩机(7)的输入端，第二输入端连接压缩机(7)的输出端，第二输出端经冷凝器(8)的放热回路连接节流阀(9)的输入端。
8.根据权利要求6所述的一种多热源耦合的热泵系统，其特征在于，耦合工质流道(2)内的换热工质为水、乙二醇溶液、导热油等的液体换热工质的一种，所述液体换热工质经耦合工质循环系统(203)吸收太阳能、地热能、污水废水热能、海水热能或盐溶液喷淋获得的空气能后，供应到耦合工质流道(2)进行放热。
9.根据权利要求6所述的一种多热源耦合的热泵系统，其特征在于，所述耦合工质流道(2)的一端设置有蒸发器侧循环水泵(204)；冷凝器(8)的一端设置有冷凝器侧循环水泵(206)；节流阀(9)和制冷剂流道(3)之间设置有过滤器(10)。
10.根据权利要求9所述的一种多热源耦合的热泵系统，其特征在于，当空气源热泵单独运行时，蒸发器侧循环水泵(204)关闭，烟道内有烟气供给，烟气与制冷剂流道(3)中的制冷剂单独换热；
当空气—水源热泵联合运行时，蒸发器侧循环水泵(204)开启，烟道内有烟气供给，烟气与耦合工质同时和制冷剂换热，进行多热源互补耦合供热；
换热时，低温低压的液体制冷剂在复合蒸发器的螺旋管流道内变成低压的制冷剂送入到压缩机升压，升压后在冷凝器(8)中放热，再经节流阀(9)进入复合蒸发器(6)中完成换热过程，依次循环，完成热泵的正常运行。
技术总结