CN107289670B - 一种船舶余热梯级利用式空调装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种船舶余热梯级利用式空调装置，包括热泵系统、有机工质朗肯循环(ORC)系统、海水循环系统、空调末端系统、烟气管路系统、电动机、发电机和转轴切换器。本发明改变以往船舶柴油机余热利用方式，将ORC、热泵技术耦合，实现高温烟气先驱动ORC系统、再进单级余热锅炉、最后换热采暖的余热梯级利用；ORC系统的透平机带动压缩机与发电机，具有“冷、热、电”联产的效果。ORC系统、热泵系统、海水循环系统相配合，高温环境，深层低温海水降低制冷剂冷凝温度，解决了船舶空调制冷性能差的问题；低温环境，有机工质冷凝热提高制冷剂蒸发温度，解决了船舶空调制热性能差的问题。烟气余热的梯级利用，提高了柴油机的余热利用效率，经济又节能。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种船舶余热梯级利用式空调装置及工作方法，属于能源与空调工程技术领域。
技术背景
目前，船舶在柴油机余热利用方面，主要以双级余热锅炉的形式回收烟气余热用以发电，来满足船舶用电需求，并将烟气排放温度降低到150℃左右，如果将排出烟气余热再加以回收利用，节能效果将是非常可观的。调整余热利用方式，实现热能的梯级利用，减少余热的浪费，是提高船舶柴油机热效率的有效途径。
船舶空调装置作为船舶用电系统的主要组成部分，用电比例接近半数。以‘烟气进双级余热锅炉，余热转化为蒸汽热能，蒸汽再膨胀做功驱动发电机发电，电动机消耗电能带动压缩机，实现空调装置运行’的方式，因能量传递过程存在损失，势必导致可用能的减少，造成能量浪费，减少能量传递过程损失将是非常必要的。
在低温余热、废热回收方面，有机工质朗肯循环(ORC)装置通过低沸点工质回收余热来膨胀做功，是一种很好的余热利用方式。以ORC回收船舶烟气余热直接驱动空调装置的方式，可有效降低能量传递过程的损失。
现有的船舶空调装置主要以空气源、海水源热泵为主，受船舶所处环境复杂多变的影响，空调装置运行工况不一，比如：高温环境制冷时的冷凝温度过高，低温环境制热时蒸发温度过低，都将导致空调装置压缩机耗功增加、运行效率下降甚至无法工作的问题，增加了船舶空调装置的运行成本，不够经济高效。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，而提供一种船舶余热梯级利用式空调装置及工作方法，实现船舶柴油机余热的梯级利用，减少能量传递过程的损失，提高余热利用效率；并改善空调装置的运行工况，实现船舶空调装置的高效运行。
本发明的技术原理和技术方案如下：
一种船舶余热梯级利用式空调装置，包括：热泵系统、有机工质朗肯循环系统、海水循环系统、空调末端系统、烟气管路系统、电动机、发电机和转轴切换器，所述的热泵系统包括：压缩机、气液分离器、四通换向阀、第一换热器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、高压储液器、干燥过滤器、节流阀、第二换热器，所述四通换向阀包括进口a、第一出口b、第二出口d和回口c，所述第一换热器包括第一制冷剂接口e、第二制冷剂接口f、冷/热媒水进口g和冷/热媒水出口h，所述第二换热器包括第三制冷剂接口j、第四制冷剂接口i、第三海水接口y和第四海水接口k，所述压缩机的出口连通所述四通换向阀进口a，所述四通换向阀的第一出口b连通所述第一换热器第一制冷剂接口e，所述四通换向阀的第二出口d连通所述第二换热器的第三制冷剂接口j，所述四通换向阀的回口c连通所述气液分离器的进口，所述气液分离器的出口连通所述压缩机的进口，所述第一换热器的第二制冷剂接口f连通所述第二单向阀的进口和所述第三单向阀的出口，所述第二换热器的第四制冷剂接口i连通所述第一单向阀的进口和所述第四单向阀的出口，所述第一单向阀和所述第二单向阀的出口均连通所述高压储液器的进口，所述高压储液器的出口依次连接所述干燥过滤器和所述节流阀，然后连通所述第三单向阀和所述第四单向阀的进口；所述有机工质朗肯循环系统包括：冷凝器、工质泵、回热器、蒸发器和透平机，所述冷凝器包括第二海水接口o、第一海水接口p、有机工质进口m和有机工质出口n，所述回热器包括第一进口q、第一出口r、第二进口t和第二出口s，所述冷凝器的有机工质出口n连通所述工质泵的进口，所述工质泵的出口连通所述回热器的第二进口t，所述回热器的第二出口s连通所述蒸发器的进口，所述蒸发器的出口连通所述透平机的进口，所述透平机的出口连通所述回热器的第一进口q，所述回热器的第一出口r连通所述冷凝器的有机工质进口m；所述海水循环系统包括：变频水泵、水流换向阀以及所述冷凝器和所述第二换热器，所述水流换向阀包括进口v、第一接口u、第二接口x和回口w，所述变频水泵的出口连通所述水流换向阀的进口v，所述水流换向阀的第一接口u连通所述冷凝器的第一海水接口p，所述水流换向阀的回口w连通所述变频水泵的进口，所述水流换向阀的第二接口x通过伸缩管连接到深层海水处，所述冷凝器的第二海水接口o连通所述第二换热器的第三海水接口y，所述第二换热器的第四海水接口k通过伸缩管连接到深层海水处；所述空调末端系统包括：余热回收器、第一截止阀、第二截止阀、平衡阀、电磁阀、风机盘管、供水泵以及所述第一换热器，所述供水泵的进口连通所述第一换热器的冷/热媒水出口h和所述余热回收器的出口，所述供水泵的出口管道设有所述平衡阀然后连通所述风机盘管的进口，所述风机盘管的出口设有所述电磁阀然后连通所述余热回收器的进口和所述第一换热器的冷/热媒水进口g，所述余热回收器进口、第一换热器冷/热媒水进口前的管道上分别设有第一截止阀、第二截止阀；所述烟气管路系统包括：烟气管腔、余热锅炉过热器、余热锅炉换热器、余热锅炉以及所述余热回收器和所述蒸发器，所述烟气管腔自烟气入口到出口依次布置所述蒸发器、所述余热锅炉过热器、所述余热锅炉换热器和所述余热回收器；所述余热锅炉通过管道连接所述余热锅炉换热器和所述余热锅炉过热器，所述电动机的输出轴通过离合器与所述压缩机的输入轴传动连接，所述透平机的输出轴通过所述转轴切换器与所述压缩机的输入轴或所述发电机的输入轴传动连接。
进一步，所述风机盘管内置的风机为变频风机。
进一步，所述冷凝器和所述第二换热器均为耐腐蚀式海水管壳式换热器。
进一步，所述蒸发器、所述余热锅炉过热器、所述余热锅炉换热器和所述余热回收器为螺旋管式换热器或翅片管式换热器。
进一步，所述第一换热器为板式换热器或管壳式换热器。
进一步，所述回热器为套管式换热器。
进一步，所述压缩机为往复式或螺杆式或离心式全开式压缩机。
进一步，所述节流阀为毛细管、热力膨胀阀或电子膨胀阀。
本发明还提供上述船舶余热梯级利用式空调装置的工作方法，包括以下五种工作方式：
A.制冷模式：当船舶处于高温环境下，船舶舱室需要进行供冷调节，切换所述四通换向阀使所述进口a与所述第二出口d相通，同时所述第一出口b与所述回口c相通，切换所述水流换向阀使所述进口v与第二接口x相通，同时所述第一接口u与所述回口w相通，关闭所述第一截止阀，打开所述第二截止阀，调整所述转轴切换器使所述透平机的输出轴与所述压缩机连接，此时，所述热泵系统中的低温低压制冷剂气体进入所述压缩机被压缩为高温高压制冷剂气体，然后经所述四通换向阀进入所述第二换热器，在所述第二换热器内与低温海水进行换热，凝结放热后变为高压制冷剂液体，然后经所述第一单向阀进入所述高压储液器，继而从所述高压储液器流出再经所述干燥过滤器干燥过滤处理，在所述节流阀内节流降压变为低温低压制冷剂液体，再由所述第三单向阀进入所述第一换热器与所述空调末端系统的冷媒水换热，低温低压的制冷剂液体发生有相变蒸发吸热，变为低温低压的制冷剂气体，再经所述四通换向阀导向进入所述气液分离器完成气液分离，最后再进入所述压缩机重新循环；所述有机工质朗肯循环系统中的有机工质经所述工质泵输送到所述回热器预热，然后进入所述蒸发器与所述烟气管腔内高温烟气换热并吸收烟气的热量，变为有机工质蒸汽，然后进入所述透平机，在所述透平机内膨胀输出机械功，机械功经所述转轴切换器传递驱动所述压缩机工作，做功后的有机工质乏汽从所述透平机流出进入所述回热器对进入所述蒸发器前的有机工质进行预热，最后进入所述冷凝器与海水换热冷却后再进入所述工质泵重复循环；所述海水循环系统中在所述变频水泵的作用下，低温的深层海水经所述第二换热器第四海水接口k进入，在所述第二换热器内与高温高压制冷剂换热升温后，进入所述冷凝器与有机工质乏汽换热后再次升温，最后经所述水流换向阀进入所述变频水泵，而后再经所述水流换向阀沿伸缩管排入海洋；所述空调末端系统中，所述冷媒水在所述第一换热器中换热冷却后在所述供水泵的作用下，经所述平衡阀进入所述风机盘管，在所述风机盘管中与周围空气换热并吸收空气的热量，降温后的空气由风机吹入船舶舱室，实现舱室降温的空气调节，吸热后的冷媒水经所述电磁阀以及所述第二截止阀进入所述第一换热器再次换热循环；同时，在所述烟气管腔内，余热锅炉通过所述余热锅炉过热器和所述余热锅炉换热器也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
B.低制热模式：当船舶处于较低温环境下，船舶舱室仅需要少量供热，打开所述第一截止阀，关闭所述第二截止阀，调整所述转轴切换器使所述透平机的输出轴与所述发电机连接，此时，所述热泵系统不工作，所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔内吸收的热能通过所述透平机转化为机械能并通过所述发电机转化为电能储存；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵作用下进入所述冷凝器，并在所述冷凝器内冷却有机工质乏汽；所述空调末端系统中热媒水在所述余热回收器吸收烟气余热后在所述供水泵的作用下经所述平衡阀进入所述风机盘管，在所述风机盘管中放热后将周围的空气加热，加热后的空气由所述风机盘管的风机吹入船舶舱室，实现舱室的供热空气调节，放热后的热媒水经所述电磁阀以及所述第一截止阀进入所述余热回收器再次循环，同时，在所述烟气管腔内，余热锅炉通过所述余热锅炉过热器和所述余热锅炉换热器也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
C.高制热模式：当船舶处于低温环境下，船舶舱室需要大量供热，切换所述四通换向阀使所述进口a与所述第一出口b相通，同时所述第二出口d与所述回口c相通，切换所述水流换向阀使所述进口v与第一接口u相通，同时所述第二接口x与所述回口w相通，关闭所述第一截止阀，打开所述第二截止阀，调整所述转轴切换器使所述透平机的输出轴与所述压缩机连接，此时，所述热泵系统中的低温低压制冷剂气体进入所述压缩机被压缩为高温高压的制冷剂气体，然后经所述四通换向阀进入所述第一换热器，在所述第一换热器内与热媒水进行换热后，凝结放热变为高压的制冷剂液体，然后经过所述第二单向阀进入所述高压储液器，继而从所述高压储液器流出再经所述干燥过滤器干燥过滤处理，并在所述节流阀内节流降压变为低温低压制冷剂液体，再由所述第四单向阀进入所述第二换热器与高温海水换热，低温低压的制冷剂液体发生有相变蒸发吸热，成为低温低压制冷剂气体，再经所述四通换向阀导向进入所述气液分离器完成气液分离，最后再进入所述压缩机重新循环；所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔内吸收的热能通过所述透平机转化为机械能并驱动所述压缩机工作，所述海水循环系统中在所述变频水泵的作用下，低温的深层海水经所述水流换向阀的第二接口x进入，从所述水流换向阀回口w进入所述变频水泵，然后经所述变频水泵进入所述水流换向阀的进口v，然后从所述水流换向阀的第一接口u流出进入所述冷凝器与有机工质乏汽换热升温形成高温海水，然后进入所述第二换热器与低温低压制冷剂液体换热后沿伸缩管排入海洋；所述空调末端系统中热媒水在所述第一换热器内换热升温后在所述供水泵的作用下经所述平衡阀进入所述风机盘管，在所述风机盘管中释放热量将周围的空气加热，加热后的空气由所述风机盘管的风机吹入船舶舱室，放热后的热媒水经所述电磁阀以及所述第一截止阀进入所述余热回收器再次循环；同时，在所述烟气管腔内，余热锅炉通过所述余热锅炉过热器和所述余热锅炉换热器也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
D.发电模式：当船舶处于常温环境下，船舶舱室既不需要供热也不需要供冷，调整所述转轴切换器使所述透平机的输出轴与所述发电机连接，此时，所述热泵系统不工作，所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔内吸收的热能通过所述透平机转化为机械能并通过所述发电机转化为电能储存；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵作用下进入所述冷凝器为进入所述冷凝器的有机工质冷却；所述空调末端系统不工作；同时，在所述烟气管腔内，余热锅炉通过所述余热锅炉过热器和所述余热锅炉换热器也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
E.停泊模式：当船舶停航靠岸时，船舶柴油机不工作，无高温烟气排出，所述有机工质朗肯循环系统不能运行，将所述电动机通过离合器与所述压缩机连接，启动所述电动机带动所述压缩机，所述热泵系统在高温环境制冷、低温环境制热的运行方式，与船舶柴油机正常工作有高温烟气产生时的热泵系统制冷、制热的运行方式相同，工作流程一一对应；所述空调末端系统的工作方式与柴油机产生高温烟气时，高温环境制冷、低温环境制热下的运行方式一致，且一一对应，实现对舱室降温、升温的空气调节；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵作用下进入第二换热器中，与所述热泵系统中循环的制冷剂换热，换热后的海水再沿伸缩管排向海洋；所述余热锅炉不工作。
所述四通换向阀用以改变所述热泵系统中制冷剂的流动方向，实现空调装置制冷或制热的不同功效；
所述有机工质朗肯循环系统中的所述透平机，除用于带动所述压缩机，实现船舶空调装置的运行，还可以连接所述发电机，实现余热发电，具有“冷、热、电”联产的功效，余热回收效果好，功能多；
船舶停泊靠岸时，所述压缩机由电动机带动，依旧能保证船舶空调装置的正常运行，为船员提供舒适的工作环境；
所述风机盘管进口设有平衡阀，出口设有电磁阀，可根据舱室环境的不同进行不同程度的空气调节，所述风机盘管内置变频风机，运用变风量技术，高效节能。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
1、改变了以往‘船舶柴油机烟气进双级余热锅炉，水吸收烟气余热变为高压蒸汽，蒸汽驱动涡轮带动发电机发电，再消耗电能驱动压缩机，实现空调装置运行’的方式；将双级余热锅炉改为单级余热锅炉，高温烟气进单级余热锅炉前先在ORC系统的蒸发器处与有机工质换热，烟气温度降低，有机工质蒸汽在透平机内膨胀做功直接驱动压缩机，实现空调装置的运行，或透平机带动发电机发电。降温后的烟气再经单级余热锅炉回收余热，用以发电；单级余热锅炉出口的烟气在余热回收器内被热媒水冷却，热媒水带走余热用于低热负荷下的舱室供热调节。如此，实现了烟气余热的梯级回收利用，减少了能量传递过程中的损失，极大的提高了船舶柴油机烟气余热利用效率。
2、高温环境船舶空调装置运行时，抽取深层低温海水，在第二换热器内冷却高温高压制冷剂气体，降低冷凝温度，有效解决了空调装置因环境温度高导致的冷凝温度过高、制冷性能差的问题，有效提高空调装置的制冷系数。
3、低温环境(热负荷大)船舶空调装置运行时，深层低温海水先在ORC系统的冷凝器内冷却膨胀做功后的有机工质乏汽，海水温度升高，再进入第二换热器，提高蒸发温度，提供低温低压热泵介质蒸发所需的热量，解决了因环境温度低导致的空调装置蒸发温度低、制热性能差的问题，利用有机工质乏汽的冷凝热，有效提高了船舶空调装置的热泵系数。
4、将ORC系统、发电机、压缩机耦合，单级余热锅炉发电，空调热媒水回收低温烟气余热供热相配合，实现了装置的“冷、热、电”联产效果。
5、运用ORC、发电机耦合技术，船舶柴油机正常工作，ORC系统的透平机带动压缩机；船舶停泊靠岸，电动机带动压缩机，保证空调装置的正常运行，为舱室提供舒适性环境。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图中：1为压缩机、2为气液分离器、3为四通换向阀、4为第一换热器、5-1为第一单向阀、5-2为第二单向阀、5-3为第三单向阀、5-4为第四单向阀、6为高压储液器、7为干燥过滤器、8为节流阀、9为第二换热器、10为电动机、11为冷凝器、12为工质泵、13为水流换向阀、14为变频水泵、15为烟气管腔、16为蒸发器、17为回热器、18为透平机、19为发电机、20为转轴切换器、21为余热锅炉过热器、22为余热锅炉换热器、23为余热锅炉、24为余热回收器、25为第一截止阀、26为第二截止阀、27为平衡阀、28为电磁阀、29为风机盘管、30为供水泵。
具体实施方式：
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1所示，为本明的一种船舶余热梯级利用式空调装置，包括：热泵系统、有机工质朗肯循环系统、海水循环系统、空调末端系统、烟气管路系统、电动机10、发电机19和转轴切换器20，所述的热泵系统包括：压缩机1、气液分离器2、四通换向阀3、第一换热器4、第一单向阀5-1、第二单向阀5-2、第三单向阀5-3、第四单向阀5-4、高压储液器6、干燥过滤器7、节流阀8、第二换热器9，所述四通换向阀3包括进口a、第一出口b、第二出口d和回口c，所述第一换热器4包括第一制冷剂接口e、第二制冷剂接口f、冷/热媒水进口g和冷/热媒水出口h，所述第二换热器9包括第三制冷剂接口j、第四制冷剂接口i、第三海水接口y和第四海水接口k，所述压缩机1的出口连通所述四通换向阀3进口a，所述四通换向阀3的第一出口b连通所述第一换热器4的第一制冷剂接口e，所述四通换向阀3的第二出口d连通所述第二换热器9的第三制冷剂接口j，所述四通换向阀3的回口c连通所述气液分离器2的进口，所述气液分离器2的出口连通所述压缩机1的进口，所述第一换热器4的第二制冷剂接口f连通所述第二单向阀5-2的进口和所述第三单向阀5-3的出口，所述第二换热器9的第四制冷剂接口i连通所述第一单向阀5-1的进口和所述第四单向阀5-4的出口，所述第一单向阀5-1和所述第二单向阀5-2的出口均连通所述高压储液器6的进口，所述高压储液器6的出口依次连接所述干燥过滤器7和所述节流阀8，然后连通所述第三单向阀5-3和所述第四单向阀5-4的进口；所述有机工质朗肯循环系统包括：冷凝器11、工质泵12、回热器17、蒸发器16和透平机18，所述冷凝器11包括第二海水接口o、第一海水接口p、有机工质进口m和有机工质出口n，所述回热器17包括第一进口q、第一出口r、第二进口t和第二出口s，所述冷凝器11的有机工质出口n连通所述工质泵12的进口，所述工质泵12的出口连通所述回热器的第二进口t，所述回热器的第二出口s连通所述蒸发器16的进口，所述蒸发器16的出口连通所述透平机18的进口，所述透平机18的出口连通所述回热器的第一进口q，所述回热器的第一出口r连通所述冷凝器11的有机工质进口m；所述海水循环系统包括：变频水泵14、水流换向阀13以及所述冷凝器11和所述第二换热器9，所述水流换向阀13包括进口v、第一接口u、第二接口x和回口w，所述变频水泵14的出口连通所述水流换向阀13的进口v，所述水流换向阀13的第一接口u连通所述冷凝器11的第一海水接口p，所述水流换向阀13的回口w连通所述变频水泵14的进口，所述水流换向阀13的第二接口x通过伸缩管连接到深层海水处，所述冷凝器11的第二海水接口o连通所述第二换热器9的第三海水接口y，所述第二换热器9的第四海水接口k通过伸缩管连接到深层海水处；所述空调末端系统包括：余热回收器24、第一截止阀25、第二截止阀26、平衡阀27、电磁阀28、风机盘管29、供水泵30以及所述第一换热器4，所述供水泵30的进口连通所述第一换热器4的冷/热媒水出口h和所述余热回收器24的出口，所述供水泵30的出口设有所述平衡阀27然后连通所述风机盘管29的进口，所述风机盘管29的出口设有所述电磁阀28然后连通所述余热回收器24的进口和所述第一换热器4的冷/热媒水进口g，所述余热回收器进口、第一换热器冷/热媒水进口前的管道上分别设有第一截止阀25、第二截止阀26；所述烟气管路系统包括：烟气管腔15、余热锅炉过热器21、余热锅炉换热器22、余热锅炉23以及所述余热回收器24和所述蒸发器16，所述烟气管腔15自烟气入口到出口依次布置所述蒸发器16、所述余热锅炉过热器21、所述余热锅炉换热器22和所述余热回收器24；所述余热锅炉23通过管道连接所述余热锅炉换热器22和所述余热锅炉过热器21，所述电动机10的输出轴通过离合器与所述压缩机1的输入轴传动连接，所述透平机18的输出轴通过所述转轴切换器20与所述压缩机1的输入轴或所述发电机19的输入轴传动连接。
所述风机盘管29内置的风机为变频风机。
所述冷凝器11和所述第二换热器9均为耐腐蚀式海水管壳式换热器。
所述蒸发器16、所述余热锅炉过热器21、所述余热锅炉换热器22和所述余热回收器24为螺旋管式换热器。
所述第一换热器4为板式换热器。
所述回热器17为套管式换热器。
所述压缩机1为往复式全开式压缩机。
所述节流阀8为电子膨胀阀。
工作方法：
A.制冷模式：当船舶处于高温环境下，船舶舱室需要进行供冷调节，切换所述四通换向阀3使所述进口a与所述第二出口d相通，同时所述第一出口b与所述回口c相通，切换所述水流换向阀13使所述进口v与第二接口x相通，同时所述第一接口u与所述回口w相通，关闭所述第一截止阀25，打开所述第二截止阀26，调整所述转轴切换器20使所述透平机18的输出轴与所述压缩机1连接，此时，所述热泵系统中的低温低压制冷剂气体进入所述压缩机1被压缩为高温高压制冷剂气体，然后经所述四通换向阀3进入所述第二换热器9，在所述第二换热器9内与低温海水进行换热，凝结放热后变为高压制冷剂液体，然后经所述第一单向阀5-1进入所述高压储液器6，继而从所述高压储液器6流出再经所述干燥过滤器7干燥过滤处理，在所述节流阀8内节流降压变为低温低压制冷剂液体，再由所述第三单向阀5-3进入所述第一换热器4与所述空调末端系统的冷媒水换热，低温低压的制冷剂液体发生有相变蒸发吸热，变为低温低压的制冷剂气体，再经所述四通换向阀3导向进入所述气液分离器2完成气液分离，最后再进入所述压缩机1重新循环；所述有机工质朗肯循环系统中的有机工质经所述工质泵12输送到所述回热器17预热，然后进入所述蒸发器16与所述烟气管腔15内高温烟气换热并吸收烟气的热量，变为有机工质蒸汽，然后进入所述透平机18，在所述透平机18内膨胀输出机械功，机械功经所述转轴切换器20传递驱动所述压缩机1工作，做功后的有机工质乏汽从所述透平机18流出进入所述回热器17对进入所述蒸发器16前的有机工质进行预热，最后进入所述冷凝器11与海水换热冷却后再进入所述工质泵12重复循环；所述海水循环系统中在所述变频水泵14的作用下，低温的深层海水经所述第二换热器9第四海水接口k进入，在所述第二换热器9内与高温高压制冷剂换热升温后，进入所述冷凝器11与有机工质乏汽换热后再次升温，最后经所述水流换向阀13进入所述变频水泵14，而后再经所述水流换向阀13沿伸缩管排入海洋；所述空调末端系统中，所述冷媒水在所述第一换热器4中换热冷却后在所述供水泵30的作用下，经所述平衡阀27进入所述风机盘管29，在所述风机盘管29中与周围空气换热并吸收空气的热量，降温后的空气由风机吹入船舶舱室，实现舱室降温的空气调节，吸热后的冷媒水经所述电磁阀28以及所述第二截止阀26进入所述第一换热器4再次换热循环；同时，在所述烟气管腔15内，余热锅炉23通过所述余热锅炉过热器21和所述余热锅炉换热器22也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
B.低制热模式：当船舶处于较低温环境下，船舶舱室仅需要少量供热，打开所述第一截止阀25，关闭所述第二截止阀26，调整所述转轴切换器20使所述透平机18的输出轴与所述发电机19连接，此时，所述热泵系统不工作，所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔15内吸收的热能通过所述透平机18转化为机械能并通过所述发电机19转化为电能储存；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵14作用下进入所述冷凝器11，并在所述冷凝器11内冷却有机工质乏汽；所述空调末端系统中热媒水在所述余热回收器24吸收烟气余热后在所述供水泵30的作用下经所述平衡阀27进入所述风机盘管29，在所述风机盘管29中放热后将周围的空气加热，加热后的空气由所述风机盘管29的风机吹入船舶舱室，实现舱室的供热空气调节，放热后的热媒水经所述电磁阀28以及所述第一截止阀25进入所述余热回收器24再次循环，同时，在所述烟气管腔15内，余热锅炉23通过所述余热锅炉过热器21和所述余热锅炉换热器22也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
C.高制热模式：当船舶处于低温环境下，船舶舱室需要大量供热，切换所述四通换向阀3使所述进口a与所述第一出口b相通，同时所述第二出口d与所述回口c相通，切换所述水流换向阀13使所述进口v与第一接口u相通，同时所述第二接口x与所述回口w相通，关闭所述第一截止阀25，打开所述第二截止阀26，调整所述转轴切换器20使所述透平机18的输出轴与所述压缩机1连接，此时，所述热泵系统中的低温低压制冷剂气体进入所述压缩机1被压缩为高温高压的制冷剂气体，然后经所述四通换向阀3进入所述第一换热器4，在所述第一换热器4内与热媒水进行换热后，凝结放热变为高压的制冷剂液体，然后经过所述第二单向阀5-2进入所述高压储液器6，继而从所述高压储液器6流出再经所述干燥过滤器7干燥过滤处理，并在所述节流阀8内节流降压变为低温低压制冷剂液体，再由所述第四单向阀5-4进入所述第二换热器9与高温海水换热，低温低压的制冷剂液体发生有相变蒸发吸热，成为低温低压制冷剂气体，再经所述四通换向阀3导向进入所述气液分离器2完成气液分离，最后再进入所述压缩机1重新循环；所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔15内吸收的热能通过所述透平机18转化为机械能并驱动所述压缩机1工作，所述海水循环系统中在所述变频水泵14的作用下，低温的深层海水经所述水流换向阀13的第二接口x进入，从所述水流换向阀13回口w进入所述变频水泵14，然后经所述变频水泵14进入所述水流换向阀13的进口v，然后从所述水流换向阀13的第一接口u流出进入所述冷凝器11与有机工质乏汽换热升温形成高温海水，然后进入所述第二换热器9与低温低压制冷剂液体换热后沿伸缩管排入海洋；所述空调末端系统中热媒水在所述第一换热器4内换热升温后在所述供水泵30的作用下经所述平衡阀27进入所述风机盘管29，在所述风机盘管29中释放热量将周围的空气加热，加热后的空气由所述风机盘管29的风机吹入船舶舱室，放热后的热媒水经所述电磁阀28以及所述第一截止阀25进入所述余热回收器24再次循环；同时，在所述烟气管腔15内，余热锅炉23通过所述余热锅炉过热器21和所述余热锅炉换热器22也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
D.发电模式：当船舶处于常温环境下，船舶舱室既不需要供热也不需要供冷，调整所述转轴切换器20使所述透平机18的输出轴与所述发电机19连接，此时，所述热泵系统不工作，所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔15内吸收的热能通过所述透平机18转化为机械能并通过所述发电机19转化为电能储存；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵14作用下进入所述冷凝器11为进入所述冷凝器11的有机工质冷却；所述空调末端系统不工作；同时，在所述烟气管腔15内，余热锅炉23通过所述余热锅炉过热器21和所述余热锅炉换热器22也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
E.停泊模式：当船舶停航靠岸时，船舶柴油机不工作，无高温烟气排出，所述有机工质朗肯循环系统不能运行，将所述电动机10通过离合器与所述压缩机1连接，启动所述电动机10带动所述压缩机1，所述热泵系统在高温环境制冷、低温环境制热的运行方式，与船舶柴油机正常工作有高温烟气产生时的热泵系统制冷、制热的运行方式相同，工作流程一一对应；所述空调末端系统的工作方式与柴油机产生高温烟气时，高温环境制冷、低温环境制热下的运行方式一致，且一一对应，实现对舱室降温、升温的空气调节；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵14作用下进入第二换热器9中，与所述热泵系统中循环的制冷剂换热，换热后的海水再沿伸缩管排向海洋；所述余热锅炉23不工作。
通过调整所述平衡阀27以及所述电磁阀28可以调整船舶不同舱室的供热或供冷量分配。
船舶柴油机排出的高温烟气经涡轮增压器、动力涡轮利用后，在本空调装置中烟气余热又经过三级回收利用后，烟气温度降低到90℃左右，可经过减排处理后排放掉。
以上为本发明的具体说明，仅为本发明的最佳施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神及原则之内的修改、等同替换等，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种船舶余热梯级利用式空调装置，其特征在于包括：热泵系统、有机工质朗肯循环系统、海水循环系统、空调末端系统、烟气管路系统、电动机(10)、发电机(19)和转轴切换器(20)，所述的热泵系统包括：压缩机(1)、气液分离器(2)、四通换向阀(3)、第一换热器(4)、第一单向阀(5-1)、第二单向阀(5-2)、第三单向阀(5-3)、第四单向阀(5-4)、高压储液器(6)、干燥过滤器(7)、节流阀(8)、第二换热器(9)，所述四通换向阀(3)包括进口a、第一出口b、第二出口d和回口c，所述第一换热器(4)包括第一制冷剂接口e、第二制冷剂接口f、冷/热媒水进口g和冷/热媒水出口h，所述第二换热器(9)包括第三制冷剂接口j、第四制冷剂接口i、第三海水接口y和第四海水接口k，所述压缩机(1)的出口连通所述四通换向阀(3)进口a，所述四通换向阀(3)的第一出口b连通所述第一换热器(4)的第一制冷剂接口e，所述四通换向阀(3)的第二出口d连通所述第二换热器(9)的第三制冷剂接口j，所述四通换向阀(3)的回口c连通所述气液分离器(2)的进口，所述气液分离器(2)的出口连通所述压缩机(1)的进口，所述第一换热器(4)的第二制冷剂接口f连通所述第二单向阀(5-2)的进口和所述第三单向阀(5-3)的出口，所述第二换热器(9)的第四制冷剂接口i连通所述第一单向阀(5-1)的进口和所述第四单向阀(5-4)的出口，所述第一单向阀(5-1)和所述第二单向阀(5-2)的出口均连通所述高压储液器(6)的进口，所述高压储液器(6)的出口依次连接有所述干燥过滤器(7)和所述节流阀(8)然后连通所述第三单向阀(5-3)和所述第四单向阀(5-4)的进口；所述有机工质朗肯循环系统包括：冷凝器(11)、工质泵(12)、回热器(17)、蒸发器(16)和透平机(18)，所述冷凝器(11)包括第二海水接口o、第一海水接口p、有机工质进口m和有机工质出口n，所述回热器(17)包括第一进口q、第一出口r、第二进口t和第二出口s，所述冷凝器(11)的有机工质出口n连通所述工质泵(12)的进口，所述工质泵(12)的出口连通所述回热器的第二进口t，所述回热器的第二出口s连通所述蒸发器(16)的进口，所述蒸发器(16)的出口连通所述透平机(18)的进口，所述透平机(18)的出口连通所述回热器的第一进口q，所述回热器的第一出口r连通所述冷凝器(11)的有机工质进口m；所述海水循环系统包括：变频水泵(14)、水流换向阀(13)以及所述冷凝器(11)和所述第二换热器(9)，所述水流换向阀(13)包括进口v、第一接口u、第二接口x和回口w，所述变频水泵(14)的出口连通所述水流换向阀(13)的进口v，所述水流换向阀(13)的第一接口u连通所述冷凝器(11)的第一海水接口p，所述水流换向阀(13)的回口w连通所述变频水泵(14)的进口，所述水流换向阀(13)的第二接口x通过伸缩管连接到深层海水处，所述冷凝器(11)的第二海水接口o连通所述第二换热器(9)的第三海水接口y，所述第二换热器(9)的第四海水接口k通过伸缩管连接到深层海水处；所述空调末端系统包括：余热回收器(24)、第一截止阀(25)、第二截止阀(26)、平衡阀(27)、电磁阀(28)、风机盘管(29)、供水泵(30)以及所述第一换热器(4)，所述供水泵(30)的进口连通所述第一换热器(4)的冷/热媒水出口h和所述余热回收器(24)的出口，所述供水泵(30)的出口管道设有所述平衡阀(27)然后连通所述风机盘管(29)的进口，所述风机盘管(29)的出口设有所述电磁阀(28)然后连通所述余热回收器(24)的进口和所述第一换热器(4)的冷/热媒水进口g，所述余热回收器(24)和所述第一换热器(4)进口前进水管道上分别设有第一截止阀(25)、第二截止阀(26)；所述烟气管路系统包括：烟气管腔(15)、余热锅炉过热器(21)、余热锅炉换热器(22)、余热锅炉(23)以及所述余热回收器(24)和所述蒸发器(16)，所述烟气管腔(15)自烟气入口到出口依次布置所述蒸发器(16)、所述余热锅炉过热器(21)、所述余热锅炉换热器(22)和所述余热回收器(24)；所述余热锅炉(23)通过管道连接所述余热锅炉换热器(22)和所述余热锅炉过热器(21)，所述电动机(10)的输出轴通过离合器与所述压缩机(1)的输入轴传动连接，所述透平机(18)的输出轴通过所述转轴切换器(20)与所述压缩机(1)的输入轴或所述发电机(19)的输入轴传动连接。
2.根据权利要求1所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置，其特征在于：所述风机盘管(29)内置的风机为变频风机。
3.根据权利要求1所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置，其特征在于：所述冷凝器(11)和所述第二换热器(9)均为耐腐蚀式海水管壳式换热器。
4.根据权利要求1所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置，其特征在于：所述蒸发器(16)、所述余热锅炉过热器(21)、所述余热锅炉换热器(22)和所述余热回收器(24)为螺旋管式换热器或翅片管式换热器。
5.根据权利要求1所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置，其特征在于：所述第一换热器(4)为板式换热器或管壳式换热器。
6.根据权利要求1所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置，其特征在于：所述回热器(17)为套管式换热器。
7.根据权利要求1所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置，其特征在于：所述压缩机(1)为往复式或螺杆式或离心式压缩机。
8.一种根据权利要求1至7任意一项所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置的工作方法，其特征在于，包括以下五种工作方式：
A.制冷模式：当船舶处于高温环境下，船舶舱室需要进行供冷调节，切换所述四通换向阀(3)使所述进口a与所述第二出口d相通，同时所述第一出口b与所述回口c相通，切换所述水流换向阀(13)使所述进口v与第二接口x相通，同时所述第一接口u与所述回口w相通，关闭所述第一截止阀(25)，打开所述第二截止阀(26)，调整所述转轴切换器(20)使所述透平机(18)的输出轴与所述压缩机(1)连接，此时，所述热泵系统中的低温低压制冷剂气体进入所述压缩机(1)被压缩为高温高压制冷剂气体，然后经所述四通换向阀(3)进入所述第二换热器(9)，在所述第二换热器(9)内与低温海水进行换热，凝结放热后变为高压制冷剂液体，然后经所述第一单向阀(5-1)进入所述高压储液器(6)，继而从所述高压储液器(6)流出再经所述干燥过滤器(7)干燥过滤处理，在所述节流阀(8)内节流降压变为低温低压制冷剂液体，再由所述第三单向阀(5-3)进入所述第一换热器(4)与所述空调末端系统的冷媒水换热，低温低压的制冷剂液体发生有相变蒸发吸热，变为低温低压的制冷剂气体，再经所述四通换向阀(3)导向进入所述气液分离器(2)完成气液分离，最后再进入所述压缩机(1)重新循环；所述有机工质朗肯循环系统中的有机工质经所述工质泵(12)输送到所述回热器(17)预热，然后进入所述蒸发器(16)与所述烟气管腔(15)内高温烟气换热并吸收烟气的热量，变为有机工质蒸汽，然后进入所述透平机(18)，在所述透平机(18)内膨胀输出机械功，机械功经所述转轴切换器(20)传递驱动所述压缩机(1)工作，做功后的有机工质乏汽从所述透平机(18)流出进入所述回热器(17)对进入所述蒸发器(16)前的有机工质进行预热，最后进入所述冷凝器(11)与海水换热冷却后再进入所述工质泵(12)重复循环；所述海水循环系统中在所述变频水泵(14)的作用下，低温的深层海水经所述第二换热器(9)第四海水接口k进入，在所述第二换热器(9)内与高温高压制冷剂换热升温后，进入所述冷凝器(11)与有机工质乏汽换热后再次升温，最后经所述水流换向阀(13)进入所述变频水泵(14)，而后再经所述水流换向阀(13)沿伸缩管排入海洋；所述空调末端系统中，所述冷媒水在所述第一换热器(4)中换热冷却后在所述供水泵(30)的作用下，经所述平衡阀(27)进入所述风机盘管(29)，在所述风机盘管(29)中与周围空气换热并吸收空气的热量，降温后的空气由风机吹入船舶舱室，实现舱室降温的空气调节，吸热后的冷媒水经所述电磁阀(28)以及所述第二截止阀(26)进入所述第一换热器(4)再次换热循环；同时，在所述烟气管腔(15)内，余热锅炉(23)通过所述余热锅炉过热器(21)和所述余热锅炉换热器(22)也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
B.低制热模式：当船舶处于较低温环境下，船舶舱室仅需要少量供热，打开所述第一截止阀(25)，关闭所述第二截止阀(26)，调整所述转轴切换器(20)使所述透平机(18)的输出轴与所述发电机(19)连接，此时，所述热泵系统不工作，所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔(15)内吸收的热能通过所述透平机(18)转化为机械能并通过所述发电机(19)转化为电能储存；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵(14)作用下进入所述冷凝器(11)，并在所述冷凝器(11)内冷却有机工质乏汽；所述空调末端系统中热媒水在所述余热回收器(24)吸收烟气余热后在所述供水泵(30)的作用下经所述平衡阀(27)进入所述风机盘管(29)，在所述风机盘管(29)中放热后将周围的空气加热，加热后的空气由所述风机盘管(29)的风机吹入船舶舱室，实现舱室的供热空气调节，放热后的热媒水经所述电磁阀(28)以及所述第一截止阀(25)进入所述余热回收器(24)再次循环，同时，在所述烟气管腔(15)内，余热锅炉(23)通过所述余热锅炉过热器(21)和所述余热锅炉换热器(22)也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
C.高制热模式：当船舶处于低温环境下，船舶舱室需要大量供热，切换所述四通换向阀(3)使所述进口a与所述第一出口b相通，同时所述第二出口d与所述回口c相通，切换所述水流换向阀(13)使所述进口v与第一接口u相通，同时所述第二接口x与所述回口w相通，关闭所述第一截止阀(25)，打开所述第二截止阀(26)，调整所述转轴切换器(20)使所述透平机(18)的输出轴与所述压缩机(1)连接，此时，所述热泵系统中的低温低压制冷剂气体进入所述压缩机(1)被压缩为高温高压的制冷剂气体，然后经所述四通换向阀(3)进入所述第一换热器(4)，在所述第一换热器(4)内与热媒水进行换热后，凝结放热变为高压的制冷剂液体，然后经过所述第二单向阀(5-2)进入所述高压储液器(6)，继而从所述高压储液器(6)流出再经所述干燥过滤器(7)干燥过滤处理，并在所述节流阀(8)内节流降压变为低温低压制冷剂液体，再由所述第四单向阀(5-4)进入所述第二换热器(9)与高温海水换热，低温低压的制冷剂液体发生有相变蒸发吸热，成为低温低压制冷剂气体，再经所述四通换向阀(3)导向进入所述气液分离器(2)完成气液分离，最后再进入所述压缩机(1)重新循环；所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔(15)内吸收的热能通过所述透平机(18)转化为机械能并驱动所述压缩机(1)工作，所述海水循环系统中在所述变频水泵(14)的作用下，低温的深层海水经所述水流换向阀(13)的第二接口x进入，从所述水流换向阀(13)回口w进入所述变频水泵(14)，然后经所述变频水泵(14)进入所述水流换向阀(13)的进口v，然后从所述水流换向阀(13)的第一接口u流出进入所述冷凝器(11)与有机工质乏汽换热升温形成高温海水，然后进入所述第二换热器(9)与低温低压制冷剂液体换热后沿伸缩管排入海洋；所述空调末端系统中热媒水在所述第一换热器(4)内换热升温后在所述供水泵(30)的作用下经所述平衡阀(27)进入所述风机盘管(29)，在所述风机盘管(29)中释放热量将周围的空气加热，加热后的空气由所述风机盘管(29)的风机吹入船舶舱室，放热后的热媒水经所述电磁阀(28)以及所述第一截止阀(25)进入所述余热回收器(24)再次循环；同时，在所述烟气管腔(15)内，余热锅炉(23)通过所述余热锅炉过热器(21)和所述余热锅炉换热器(22)也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
D.发电模式：当船舶处于常温环境下，船舶舱室既不需要供热也不需要供冷，调整所述转轴切换器(20)使所述透平机(18)的输出轴与所述发电机(19)连接，此时，所述热泵系统不工作，所述有机工质朗肯循环系统将从所述烟气管腔(15)内吸收的热能通过所述透平机(18)转化为机械能并通过所述发电机(19)转化为电能储存；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵(14)作用下进入所述冷凝器(11)为进入所述冷凝器(11)的有机工质冷却；所述空调末端系统不工作；同时，在所述烟气管腔(15)内，余热锅炉(23)通过所述余热锅炉过热器(21)和所述余热锅炉换热器(22)也回收烟气余热转化为蒸汽热能，用以发电；
E.停泊模式：当船舶停航靠岸时，船舶柴油机不工作，无高温烟气排出，所述有机工质朗肯循环系统不能运行，将所述电动机(10)通过离合器与所述压缩机(1)连接，启动所述电动机(10)带动所述压缩机(1)，所述热泵系统在高温环境制冷、低温环境制热的运行方式，与船舶柴油机正常工作有高温烟气产生时的所述热泵系统制冷、制热的运行方式相同，工作流程一一对应；所述空调末端系统的工作方式与柴油机产生高温烟气时，高温环境制冷、低温环境制热下的运行方式一致，且一一对应，实现对舱室降温、升温的空气调节；所述海水循环系统中深层低温海水在所述变频水泵(14)作用下进入第二换热器(9)中，与所述热泵系统中循环的制冷剂换热，换热后的海水再沿伸缩管排向海洋；所述余热锅炉(23)不工作。
9.根据权利要求8所述的一种船舶余热梯级利用式空调装置的工作方法，其特征在于：通过调整所述平衡阀(27)以及所述电磁阀(28)可以调整不同舱室的供热或供冷量分配。
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Application publication date: 20171024 Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2021980006173 Denomination of invention: A cascade utilization air conditioning device for ship waste heat and its working method Granted publication date: 20190823 License type: Common License Record date: 20210714 |
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Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2021980006173 Date of cancellation: 20210826 |
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