CN105757979B - 一种家用热泵热水器系统及制热方法 - Google Patents

一种家用热泵热水器系统及制热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种家用热泵热水器系统，包括压缩机、室内冷凝器、电子膨胀阀、室外蒸发器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换系统及空气余气混合器；重整器产生高温余气，排向空气余气混合器；空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成20～70℃的中温混合气体，输向室外蒸发器；燃料电池用于氢气与氧气发生电化学反应，产生电能输出；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、输送泵及房车马达供电。本发明使用不受地域限制，在室外空气低于零度时，仍能正常高效工作，室外蒸发器上也不会结霜，无需定期除霜，能同时利用高温余气及外界空气的热量，更节能省电。

Description

一种家用热泵热水器系统及制热方法
技术领域
本发明涉及热水器技术领域，特别涉及一种家用热泵热水器系统及制热方法。
背景技术
随着不可再生能源如煤、石油、天然气等越来越少，耗电量非常小的家用空气能热泵热水器应运而生。家用空气源热泵原理就是利用逆卡诺原理，室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，高温蒸气通过室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室外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
然而，家用空气源热泵的缺点是室外空气温度越低时供热量越小，特别是当室外空气温度低于零度时，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，并且，当室外空气温度低于零度时，空气源热泵的室外蒸发器上会结霜，需要定期除霜，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。此外，现有热泵热水器的供电来源通常为市电，因此现有热泵热水器的使用受到较大的地域限制。
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，提供一种家用热泵热水器系统，该热泵热水器系统使用不受地域限制，在室外空气低于零度时，仍能正常高效工作，蒸发器上也不会结霜，无需定期除霜，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家用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：一种家用热泵热水器系统，包括压缩机、室内冷凝器、电子膨胀阀、室外蒸发器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换系统及空气余气混合器；所述压缩机、室内冷凝器、电子膨胀阀与室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水原料通过输送管道泵送至重整器的重整室；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20～70℃的中温混合气体，输向室外蒸发器，空气余气混合器内设有用于感应混合气体温度的温度感应器及用于鼓入外界空气的风扇；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、输送泵及风扇供电。
优选地，所述压缩机与室外蒸发器之间设有汽液分离器，所述室内冷凝器与电子膨胀阀之间设有过滤器，所述电子膨胀阀与室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室内冷凝器，在室内冷凝器中，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，所述室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，所述输送泵与重整器之间的输送管道上设有换热器，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，甲醇和水原料温度升高，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：所述家用热泵热水器系统的制热方法，包括以下步骤：
a.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，高温余气排向空气余气混合器；
b.在空气余气混合器中，风扇鼓入外界空气，该外界空气与高温余气混合成20～70℃的中温混合气体输向室外蒸发器，在室外蒸发器中，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、输送泵及风扇供电；
c.蒸发的工质经压缩机压缩后压力和温度迅速上升，高温蒸汽通过室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室外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
优选地，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20～70℃范围内。
本发明的有益效果是：其一、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；其二、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室外蒸发器，在室外蒸发器中，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；其三、由于蒸发器输入的是20～70℃的中温混合气体，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。
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和图2所示，一种家用热泵热水器系统，适用于普通建筑/住宅，该家用热泵热水器系统包括压缩机1、室内冷凝器2、电子膨胀阀3、室外蒸发器4、甲醇水储存容器5、输送泵6、重整器7、燃料电池8、电力转换系统9及空气余气混合器11；所述压缩机1、室内冷凝器2、电子膨胀阀3与室外蒸发器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中的甲醇水原料通过输送管道泵送至重整器7的重整室；重整器7设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，重整器的结构可参照本申请人在此之前申请的中国专利申请201410311217.4、201410621689.X及201510476342.5，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8，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7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11；所述空气余气混合器11用于将外界空气与高温余气混合成20～70℃的中温混合气体，输向室外蒸发器4，空气余气混合器11内设有用于感应混合气体温度的温度感应器及用于鼓入外界空气的风扇（图中未示出）；所述燃料电池8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9用于将燃料电池8输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机1、输送泵6及风扇供电。
如图1和图2所示，所述压缩机1与室外蒸发器4之间设有汽液分离器12，所述室内冷凝器2与电子膨胀阀3之间设有过滤器13，所述电子膨胀阀3与室外蒸发器4之间也设有过滤器13。
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14及循环泵15，水箱14内的水为动态水，在循环泵15的驱动下，水箱14底部的冷水输向室内冷凝器2，在室内冷凝器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14上部；所述燃料电池8输出的电能经电力转换系统9转换后，还为循环泵15供电。此外，冷水补水时从水箱14底部补入，热水出水时从水箱14上部流出。
如图2所示，热泵热水器为盘管式热水器，所述室内冷凝器2包括水箱16及输送工质的盘管17，所述盘管17外绕于水箱16外侧，水箱16内为静态水。此外，冷水补水时从水箱16底部补入，热水出水时从水箱16上部流出。
所述热泵热水器还可设置用于建筑供暖的暖气片，水箱14或16中的热水流经暖气片后，再流回水箱，在暖气片中，热水将热量散发至室内，实现建筑供暖。
如图1和图2所示，所述输送泵6与重整器7之间的输送管道上设有换热器18，低温的甲醇和水原料在换热器18中，与重整器7输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，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%。
上述家用热泵热水器系统的制热方法，包括以下步骤：
a.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，高温余气排向空气余气混合器；
b.在空气余气混合器中，风扇鼓入外界空气，该外界空气与高温余气混合成20～70℃的中温混合气体输向室外蒸发器，在室外蒸发器中，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、输送泵及风扇供电，余电输出（可为其他设备或负载供电）；
c.蒸发的工质经压缩机压缩后压力和温度迅速上升，高温蒸汽通过室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室外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
优选地，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20～70℃范围内。
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 (7)

1.一种家用热泵热水器系统，其特征在于：包括压缩机、室内冷凝器、电子膨胀阀、室外蒸发器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换系统及空气余气混合器；所述压缩机、室内冷凝器、电子膨胀阀与室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水原料通过输送管道泵送至重整器的重整室；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20～70℃的中温混合气体，输向室外蒸发器，空气余气混合器内设有用于感应混合气体温度的温度感应器及用于鼓入外界空气的风扇；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、输送泵及风扇供电；所述室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所述的家用热泵热水器系统，其特征在于：所述压缩机与室外蒸发器之间设有汽液分离器，所述室内冷凝器与电子膨胀阀之间设有过滤器，所述电子膨胀阀与室外蒸发器之间也设有过滤器。
3.根据权利要求1所述的家用热泵热水器系统，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室内冷凝器，在室内冷凝器中，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所述的家用热泵热水器系统，其特征在于：所述输送泵与重整器之间的输送管道上设有换热器，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，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
5.根据权利要求1所述的家用热泵热水器系统，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%。
6.权利要求1-5中任意一项所述家用热泵热水器系统的制热方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.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，高温余气排向空气余气混合器；
b.在空气余气混合器中，风扇鼓入外界空气，该外界空气与高温余气混合成20～70℃的中温混合气体输向室外蒸发器，在室外蒸发器中，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、输送泵及风扇供电；
c.蒸发的工质经压缩机压缩后压力和温度迅速上升，高温蒸汽通过室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室外蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
7.根据权利要求6所述家用热泵热水器系统的制热方法，其特征在于：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20～70℃范围内。
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