CN105757978B - 一种船载热泵热水器系统及制热方法 - Google Patents

一种船载热泵热水器系统及制热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船载热泵热水器系统，包括压缩机、船舱内冷凝器、电子膨胀阀、船舱外蒸发器、甲醇水储存容器、至少两个输送泵、至少两套甲醇水重整制氢发电模组、电力转换系统、船舶推进系统及空气余气混合器；甲醇水重整制氢发电模组整合有重整器及燃料电池，重整器排出的高温余气输入至空气余气混合器，空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向蒸发器；燃料电池用于氢气与氧气发生电化学反应，产生电能输出，为压缩机、输送泵及船舶推进系统供电。本发明在船外空气低于‑5℃时，仍能高效工作，船舱外蒸发器上也不会结霜，在满足自身供电的同时，还能为船舶推进系统供电，能同时利用高温余气及外界空气的热量。

Description

一种船载热泵热水器系统及制热方法
技术领域
本发明涉及房车热水器技术领域，特别涉及一种船载热泵热水器系统及制热方法。
背景技术
目前，民用渔船、游艇等中小型船舶主要以内燃机为动力，内燃机主要问题是燃料燃烧会产生污染环境的废气，燃油泄漏会污染水域，这些污染对于水产品养殖、生长水域或是优美环境的水上景区的影响要远远大于一般地区。而且内燃机工作时会发出很大噪音，给船上作业、休闲和休息带来干扰。为应对此问题，以燃料电池为船舶动力的技术逐渐开发出来。由于传统船舶船载热水器在制热时能利用燃油发动机热量制热，而燃料电池船舶的船载热水器则难以利用发动机热量制热，不能提供作为船载热水器的热源，因此，现有技术中燃料电池船舶，需要采用电热水器或空气能热泵船载热水器进行制热，而电热水器或空气能热泵船载热水器的制热耗能较高。
船舶船载热泵热水器系统原理就是利用逆卡诺原理，船舱外蒸发器从室外空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过船舱内冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到船舱外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
然而，船载热泵热水器系统的缺点是船舱外空气温度越低时供热量越小，特别是当船舱外空气温度低于-5℃时，热泵就难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低。船载热泵热水器系统在工作时，船舱外蒸发器上会结霜，需要定期除霜，除霜模块技术可参照中国专利申请201210152219.4用于空气源热泵系统的除霜方法，空气源热泵增加除霜模块之后，不但稳定性降低、维护成本增加，而且也损失相当大一部分能量。
中国专利申请201410259775.0公开了一种以燃料电池为船舶动力及热源的装置，其燃料电池由供氧回路、供氢回路、除氢回路、散热回路、电堆总成及控制系统构成；该燃料电池为船舶动力及热源的装置包括小功率的电池单体串联组成的大功率燃料电池组，甲醇燃料储罐或氢气燃料储罐通过管道与燃料电池的重整器相通连，重整器与燃料电池相连，燃料罐与流体送泵进行连接，并装设有控制流量的流量计；船上用电设备为两类，包括直流电设备和交流电设备；燃料电池动力装置由燃料电池、电动机、变速箱和推进装置组成，燃料电池输出电源与逆变器相连，后与电动机连接，电动机通过连接连轴器连接变速箱，变速箱与推进装置的主轴相连；燃料电池组自带一套冷却系统，设有冷却剂的循环管道和辐射器，在原辐射器外再增加并联一套辐射器，两套辐射器均设有两套辐射器切换截断阀，燃料电池纯净水出口与反应气体出口处的换热器相连接，其燃料电池排水口与集水器相连，集水器上设有溢流装置与下水道相连。燃料电池发电时产生的热量有一部分需要排出，以维持电池组正常工作的温度范围，燃料电池自带一套冷却系统，通过冷却剂的循环和辐射器的辐射向外释放热量。供暖系统设计是通过在原辐射器之外再并联一套辐射器，两套辐射器都有截断阀，可以通过阀门进行切换，平时由原冷却系统运行散热，热量排向大气；若温度低船舱内需要供暖，则切换到向舱内散热的冷却系统，以调节舱内温度，可以降低使用专用的调温设备的能量消耗。然而，上述以燃料电池为船舶动力及热源的装置至少还具有如下缺失：其一、仅仅利用燃料电池发电时散发的热量，未利用重整器排出的高温余气热量，热量利用率低；其二、燃料电池发电时散发的热量，是通过冷却系统直接向舱内散热的，其与船载热泵热水器系统是相互独立的，因此，当船舱外空气温度低时，船载热泵热水器系统仍然难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低，并且船载热泵热水器系统的船舱外蒸发器上仍然会存在结霜问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种船载热泵热水器系统，该热泵热水器系统在船外空气低于-5℃时，仍能正常高效工作，船舱外蒸发器上也不会结霜，无需定期除霜，并且该热泵热水器系统在满足自身供电的同时，还能为船舶推进系统供电，噪声小、耗能低、不污染空气环境，能同时利用高温余气及外界空气的热量。为此，本发明还要提供一种该船载热泵热水器系统的制热方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种船载热泵热水器系统，包括压缩机、船舱内冷凝器、电子膨胀阀、船舱外蒸发器、甲醇水储存容器、至少两个输送泵、至少两套甲醇水重整制氢发电模组、电力转换系统、船舶推进系统及空气余气混合器，所述甲醇水重整制氢发电模组与输送泵的数量相匹配；所述压缩机、船舱内冷凝器、电子膨胀阀与船舱外蒸发器之间形成热泵热水器系统的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢发电模组的重整器；所述甲醇水重整制氢发电模组整合有重整器及燃料电池，所述重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向船舱外蒸发器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换系统用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及船舶推进系统供电。
优选地，所述压缩机与船舱外蒸发器之间设有汽液分离器，所述船舱内冷凝器与电子膨胀阀之间设有过滤器，所述电子膨胀阀与船舱外蒸发器之间也设有过滤器。
优选地，该热泵热水器系统还包括水箱及循环泵，在循环泵的驱动下，水箱底部的冷水输向船舱内冷凝器，在船舱内冷凝器中，冷水吸收工质冷凝后所释放的热量变成热水，输回水箱上部；所述燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，还为循环泵供电。
优选地，所述船舱内冷凝器包括水箱及输送工质的盘管，所述盘管外绕于水箱外侧。
优选地，所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃；所述燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，还为风扇供电。
优选地，所述甲醇水重整制氢发电模组还整合有换热器，换热器安装于输送泵与重整器之间的输送管道上，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高，氢气温度降低。
优选地，所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：上述船载热泵热水器系统的制热方法，包括以下步骤：
a.甲醇水重整制氢发电模组的重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外蒸发器，在船舱外蒸发器中，中温混合气体与工质换热，工质蒸发吸热，中温混合气体转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进系统供电；
c.蒸发的工质经压缩机压缩后压力和温度迅速上升，高温蒸气通过船舱内冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到船舱外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
优选地，热泵热水器的压缩机及船舶推进系统在工作过程中，将即时功率需求量反馈给船舶控制系统，船舶控制系统根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇和水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。
优选地，空气余气混合器中的温度传感器实时检测混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在15～60℃内。
本发明的有益效果是：其一、本发明在满足热泵热水器供电的同时，还能满足船舶推进系统供电，在保证醇水燃料的供应下，可以长效供电；其二、本发明采用甲醇和水作为原料进行重整制氢，再利用燃料电池发电，无废渣和有害废气污染,清洁，不影响人体健康，甲醇来源广泛，是可再生能源，且重整器及燃料电池噪声小、耗能低；其三、由于高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外蒸发器，在船舱外蒸发器中，中温混合气体与工质换热，工质蒸发吸热，中温混合气体转化成低温混合气体后排出，因此，在任何低温空气环境（例如零度以下的空气环境），热泵热水器均能正常高效工作；其四、由于船舱外蒸发器输入的是中温混合气体，因此也不会结霜，无需定期除霜；其五、本发明使重整器的高温余气热量得到利用，从而提高了甲醇水原料的利用效率，与此同时，高温余气与外界空气混合后，热泵热水器能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热泵热水器更节能省电。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构方框示意图。
图2为本发明另一实施例的整体结构方框示意图。
图3为图1或图2中甲醇水重整制氢发电模组的结构方框示意图。
图4为甲醇水重整制氢发电模组的优选结构方框示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1、图2、图3和图4所示，一种船载热泵热水器系统，包括压缩机1、船舱内冷凝器2、电子膨胀阀3、船舱外蒸发器4、甲醇水储存容器5、至少两个输送泵6、至少两套甲醇水重整制氢发电模组7、电力转换系统8、船舶推进系统9及空气余气混合器10，所述甲醇水重整制氢发电模组7与输送泵6的数量相匹配；所述压缩机1、船舱内冷凝器2、电子膨胀阀3与船舱外蒸发器4之间形成热泵热水器系统的工质输送回路；所述甲醇水储存容器5储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵6用于将甲醇水储存容器5中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢发电模组7的重整器71；所述甲醇水重整制氢发电模组7整合有重整器71及燃料电池72，所述重整器71设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，重整室内的温度为300-570℃温度，重整室内设有催化剂，在重整室内，甲醇与水蒸气在1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程为：(1)CH3OH→CO+2H2、(2)H2O+CO→CO2+H2 、(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2 ，重整反应生成的H2和CO2，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池72，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器71的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器10；所述空气余气混合器10用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向船舱外蒸发器4；所述燃料电池72用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，在燃料电池8的阳极：2H2→4H++4e-，H2分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板；在燃料电池8的阴极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O；所述电力转换系统8用于将燃料电池72输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机1、输送泵6及船舶推进系统9供电，还可为船内其他负载17供电；所述船舶推进系统9用于驱动行驶。
如图1和图2所示，所述压缩机1与船舱外蒸发器4之间设有汽液分离器11，所述船舱内冷凝器2与电子膨胀阀3之间设有过滤器12，所述电子膨胀阀3与船舱外蒸发器4之间也设有过滤器12。
如图1所示，热泵热水器为循环式热水器，该热泵热水器系统包括水箱13及循环泵14，水箱13内的水为动态水，在循环泵14的驱动下，水箱13底部的冷水输向船舱内冷凝器2，在船舱内冷凝器2中，冷水吸收工质冷凝后所释放的热量变成热水，输回水箱13上部；所述燃料电池7输出的电能经电力转换系统8转换后，还为循环泵14供电。此外，冷水补水时从水箱13底部补入，热水出水时从水箱13上部流出。
如图2所示，热泵热水器为盘管式热水器，所述船舱内冷凝器2包括水箱15及输送工质的盘管16，所述盘管16外绕于水箱15外侧，水箱15内为静态水。此外，冷水补水时从水箱15底部补入，热水出水时从水箱15上部流出。
如图1和图2所示，所述空气余气混合器10设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器10，温度感应器用于检测空气余气混合器10内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃；所述燃料电池72输出的电能经电力转换系统8转换后，还为风扇供电。
如图1和图2所示，所述甲醇水重整制氢发电模组7还整合有换热器73，换热器73安装于输送泵6与重整器71之间的输送管道上，低温的甲醇和水原料在换热器73中，与重整器71输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高，氢气温度降低。
所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
上述船载热泵热水器系统的制热方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.甲醇水重整制氢发电模组的重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外蒸发器，在船舱外蒸发器中，中温混合气体与工质换热，工质蒸发吸热，中温混合气体转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进系统供电；
c.蒸发的工质经压缩机压缩后压力和温度迅速上升，高温蒸气通过船舱内冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到船舱外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
优选地，所述热泵热水器的压缩机及船舶推进系统在工作过程中，将即时功率需求量反馈给船舶控制系统，船舶控制系统根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇和水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。
优选地，所述空气余气混合器中的温度传感器实时检测混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在15～60℃内。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种船载热泵热水器系统，其特征在于：包括压缩机、船舱内冷凝器、电子膨胀阀、船舱外蒸发器、甲醇水储存容器、至少两个输送泵、至少两套甲醇水重整制氢发电模组、电力转换系统、船舶推进系统及空气余气混合器，所述甲醇水重整制氢发电模组与输送泵的数量相匹配；所述压缩机、船舱内冷凝器、电子膨胀阀与船舱外蒸发器之间形成热泵热水器系统的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢发电模组的重整器；所述甲醇水重整制氢发电模组整合有重整器及燃料电池，所述重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，重整室内的温度为300-570℃温度，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向船舱外蒸发器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换系统用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及船舶推进系统供电；所述船舱内冷凝器包括水箱及输送工质的盘管，所述盘管外绕于水箱外侧。
2.根据权利要求1所述的船载热泵热水器系统，其特征在于：所述压缩机与船舱外蒸发器之间设有汽液分离器，所述船舱内冷凝器与电子膨胀阀之间设有过滤器，所述电子膨胀阀与船舱外蒸发器之间也设有过滤器。
3.根据权利要求1所述的船载热泵热水器系统，其特征在于：该热泵热水器系统还包括水箱及循环泵，在循环泵的驱动下，水箱底部的冷水输向船舱内冷凝器，在船舱内冷凝器中，冷水吸收工质冷凝后所释放的热量变成热水，输回水箱上部；所述燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，还为循环泵供电。
4.根据权利要求1所述的船载热泵热水器系统，其特征在于：所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃；所述燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，还为风扇供电。
5.根据权利要求1所述的船载热泵热水器系统，其特征在于：所述甲醇水重整制氢发电模组还整合有换热器，换热器安装于输送泵与重整器之间的输送管道上，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高，氢气温度降低。
6.根据权利要求1所述的船载热泵热水器系统，其特征在于：所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
7.权利要求1-6中任意一项所述船载热泵热水器系统的制热方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.甲醇水重整制氢发电模组的重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外蒸发器，在船舱外蒸发器中，中温混合气体与工质换热，工质蒸发吸热，中温混合气体转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换系统转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进系统供电；
c.蒸发的工质经压缩机压缩后压力和温度迅速上升，高温蒸气通过船舱内冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到船舱外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
8.根据权利要求7所述船载热泵热水器系统的制热方法，其特征在于：热泵热水器的压缩机及船舶推进系统在工作过程中，将即时功率需求量反馈给船舶控制系统，船舶控制系统根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇和水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。
9.根据权利要求7所述船载热泵热水器系统的制热方法，其特征在于：空气余气混合器中的温度传感器实时检测混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在15～60℃内。
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