CN107314568A - 一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源回收利用领域，具体涉及一种用于船舶的海水源加热和制冷联合系统。提出了一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，当低位冷、热源不足时通过热泵技术提高能源品质为船舶空间供冷、热；当低位冷、热源充足时通过将热泵压缩机旁通，节流阀全开，开启制冷剂循环泵的方式，使制冷剂与低位热源直膨换热实现为船舶空间“免费”供冷、热。系统中的直膨式换热器用于从低位冷、热源中取冷、热，该直膨式换热器外壳采用PVC塑料，盘管采用铜管外刷防腐材料，减少了传统系统中介水和末端水循环系统，减轻了船舶的自身重量。该系统具有节能环保经济性好等优点，易与船舶现有设备连接，具有节能环保和实际意义。

Description

一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统

技术领域

本发明涉及能源回收利用领域，具体涉及一种用于船舶的海水源加热和制冷联合系统。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，目前能源的稀缺性和环境污染的不可逆性，让全球各国对能源与环境问题更加重视起来。热泵技术可以有效地将自然界中的低品位热源提高品质，满足建筑及工艺过程对冷、热量的需求，合理有效利用可再生能源和废弃能源，控制自然界熵增速度，近年来我国乃至世界范围内得到了突飞猛进的发展。海水源热泵系统是地表水源热泵系统的一种，海洋占地球表面的71%，是一个巨大的可再生能源库，非常适合作水源热泵的低温热源与热汇。因地制宜地利用海水源热泵系统为船舶空间供冷、热，以节约能源，减小污染，既具有高科技成果应用的现实意义，更具有长远的节约型社会发展进步意义。

目前船舶多数采用空气源热泵系统，但海水比热约为3.9523 kJ/(kg·K)，而空气的比热为1.280 kJ/(kg·K)。且冬季海水温度高于空气温度，夏季海水温度低于空气温度，海水不论是在“质”上还是在“量”上都比空气更适合于作为热泵的低位冷、热源。并且船舶动力、发电系统需要抽取海水带走余热将高温海水直接排向大海，这部分余热没有得到利用，且污染海水热环境。

目前，申请号为201120030749.2的专利，公开了一种船用海水源热泵空调系统，主要由制冷剂循环系统、船底换热介质环路系统和空调水系统组成。该空调系统是将聚乙烯盘管构成的集成回路安装在船底，使海水与盘管内的中介介质进行换热。然而，没有充分利用船舶余热，且末端空调水系统和中介水系统设备重量较大，给船舶的荷载增加了负担。

申请号为201410532794.6的专利，公开了一种高效船用海水源热泵空调系统及其控制方法，充分利用了船舶余热，系统没有考虑当海水和余热的冷、热源品质能够满足空间供冷、热品质要求时，如何实现“免费”供冷、热低能耗模式。且没有对海水-制冷剂换热器针对海水腐蚀问题进行结构和材料设计，而海水腐蚀问题是海水源热泵能否安全、经济地运行的关键。

申请号为201310090483.4的专利，公开了一种直接接触式海水源热泵，海水-制冷剂换热器海水与制冷剂直接接触，存在制冷剂将海水中的电离子带入热泵系统中的风险，影响压缩机等使用寿命，对热泵系统材料要求很高，造价高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，因地制宜地利用海水和船舶动力、发电系统余热作为低位冷、热源，充分利用了现有的船舶动力、发电系统冷却设备，当低位冷、热源不足时通过热泵技术提高能源品质为船舶空间供冷、热；当低位冷、热源充足时通过将热泵压缩机旁通，节流阀全开，开启制冷剂循环泵的方式，使制冷剂与低位热源直接换热实现为船舶空间“免费”供冷、热。

本发明是通过以下技术方案实现的：提出了一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，包括室内机、海水余热回收系统及船舶海水专用直膨式换热器4，所述室内机包括室内风机盘管2、压缩机1、第三三通阀16、第四三通阀17、第一止回阀6、第二止回阀7、第一四通阀5、第二四通阀8及节流阀3；

所述海水余热回收系统由海水泵11、第一三通阀12、燃油发电机余热回收换热器13及第二三通阀14依次经管道连接构成；

所述船舶海水专用直膨式换热器4包括壳体20及设置于壳体内的盘管21，壳体20为圆柱形，竖向设有分层，以便水均匀地自上向下流动，上部设置有海水入口，下部设置有海水排出口；

第二三通阀14的另一出口与专用直膨式换热器4的海水入口连接，盘管21的制冷剂出口与第二四通阀8的a＇端口连接，第二四通阀8的b＇端口与第一四通阀5的a端口连接，第一四通阀5的b端口依次经第三三通阀16、压缩机1及第四三通阀17连接至第一四通阀5的d端口，第一四通阀5的c端口依次经室内风机盘管2、第一止回阀6、节流阀3及第二止回阀7连接至第二四通阀8的d＇端口，第二四通阀8的c＇端口与盘管21的制冷剂入口连接。

所述第三三通阀16的另一出口与第四三通阀17的另一出口之间设置有制冷剂循环泵15，通过第三三通阀16和第四三通阀17实现压缩机1和制冷剂循环泵15并联。

所述第一三通阀12的另一出口与专用直膨式换热器4的海水入口连接，在室内风机盘管2及节流阀3之间设置有与第一止回阀6并联的第四止回阀10，在节流阀3与第二四通阀8的4端口之间设置有与第二止回阀6并联的第三止回阀9。

所述船舶海水专用直膨式换热器4的壳体20为采用PVC塑料制成的圆柱体，竖向设有挡水板分层，上、下分别设有海水入口和出口，盘管21采用外部刷有防腐涂层的铜管制成，海水与制冷剂逆流换热。

所述室内风机盘管2包括多组并联设置的风机盘管，每组风机盘管的两侧设置均设置有截止阀18和截止阀19。

本发明的有益效果体现在：因地制宜地利用海水和船舶动力、发电系统余热作为低位冷、热源。当低位冷、热源不足时通过热泵技术提高能源品质为船舶空间供冷、热；当低位冷、热源充足时通过将热泵压缩机旁通，节流阀全开，开启制冷剂循环泵的方式，使制冷剂与低位热源直膨换热实现为船舶空间“免费”供冷、热。该系统具有节能环保经济性好等优点。通过直膨式换热器从低位冷、热源中取冷、热，该直膨式换热器外壳采用PVC塑料，盘管采用铜管外刷防腐材料。该系统仅含有制冷剂循环系统，负荷侧和冷热源侧均采用直接膨胀式换热器，减少了传统系统中介水和末端水循环系统，减轻了船舶的自身重量。根据客户具体要求，可以设计生产成单体机或多联机，控制灵活、取材方便、成本低、经济性好、易与船舶现有设备连接，适合大面积推广。本发明的实施具有节能环保和实际意义。

附图说明

图1 为冬季开启压缩机供热运行模式下的流程示意图；

图2为冬季免费供热运行模式下的流程示意图；

图3 为夏季开启压缩机供冷运行模式下的流程示意图；

图4 为夏季免费供冷运行模式下的流程示意图；

图5 为多联机冬季开启压缩机运行流程示意图；

图6 为海水专用直膨式换热器的壳体大样图一；

图7 为海水专用直膨式换热器的壳体大样图二；

图中：1-压缩机，2-风机盘管，3-节流阀，4-直膨式换热器，5-第一四通阀，6-第一止回阀，7-第二止回阀，8-第二四通阀，9-第三止回阀，10-第四止回阀，11-海水泵11，12-第一三通阀，13-燃油发电机余热回收换热器，14-第二三通阀，15-制冷剂循环泵，16-第三三通阀，17-第四三通阀，18、19-截止阀，20-壳体，21-盘管。

注：图1-图4中的运行流程示意图中，实线代表机组运行流程，虚线视为断开。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1-4所示的一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，主要包括压缩机1、室内风机盘管2、节流阀3、直膨式换热器4、第一四通阀5、第一止回阀6、第二止回阀7、第二四通阀8、第三止回阀9、第四止回阀10、海水泵11、第一三通阀12、燃油发电机余热回收换热器13、第二三通阀14、制冷剂循环泵15、第三三通阀16和第四三通阀17。

其中海水泵11和燃油发电机余热回收换热器13是一般船舶都具备的设备（如图1-4中B虚线框内部分）。而我们仅需要将平时用于冷却燃油发电机和发动机的海水引入船舶海水专用直膨式换热器4中即可，通过第一三通阀12和第二三通阀14实现冬季供热工况引入换热后的高温海水，而夏季供冷工况引入换热前的低温海水。船舶海水专用直膨式换热器4可以放在船员房间卫生间内等就近安放。

船舶海水专用直膨式换热器4外壳为圆柱形采用PVC塑料，如图6、7所示，壳体20为圆柱形，竖向设有挡水板分层，上、下分别设有海水入口和出口，盘管21采用外部刷有防腐涂层的铜管制成，海水与制冷剂逆流换热。船舶海水专用直膨式换热器4具有耐海水腐蚀、便于加工和经济性好的优点。该系统可以做成分体空调也可以做成多联机，与空气源热泵相比，室外机可以放置在任何地点，室内卫生间、吊顶或者船舶机舱等地方更加灵活方便，节省了占用空间大的室外风机，而船舶海水专用直膨式换热器4体积小且噪音小。第二四通阀8保证了冬夏季运行模式切换时制冷剂总是从下向上流动，而海水依靠重力从上向下流动，海水与制冷剂逆流换热提高了换热器的换热效率。与传统空气源热泵相比，节省了室外机中风机的初投资和运行能耗，而海水依靠已有动力和电力系统的冷却海水泵和重力作用循环。

如图1-4中A虚线框内部分为室内机，悬挂或立于室内，便于室内独立控制。

运行模式分为冬季开启压缩机供热运行模式、冬季免费供热运行模式、夏季开启压缩机供冷运行模式和夏季免费供冷模式四种。当冬季余热不足时海水温度低于40℃时，开启冬季开启压缩机供热运行模式；当冬季余热充足时海水温度高于40℃时，开启冬季免费供热运行模式；当夏季海水温度高于18℃时，开启夏季开启压缩机供冷运行模式；当夏季海水温度低于18℃时，开启夏季免费供冷模式。

实施例2：

本实施例为系统冬季压缩机运行模式。

冬季压缩机运行模式如下: 开启压缩机1，通过三通阀16和三通阀17将制冷剂泵15旁通，制冷剂经过压缩机1对其做功升压升温成高温高压气体，经过第一四通阀5（开通左上通道，即其c、d端口连通）然后经过室内风机盘管2进行冷凝放热成为等温等压的液体，经过第一止回阀6然后经过节流阀3进行等焓降温降压成为低温低压液体再经过第二止回阀7（第三止回阀9和第四止回阀10关闭），经过第二四通阀8（开通左上通道，即其c＇、d＇端口连通）然后经过海水专用直膨盘管式换热器4与盘管外的海水直接换热将热量传递给海水进行蒸发吸热成为等温等压的气体，最后依次经过第二四通阀8（开通右下通道，即其a＇、b＇端口连通）和第一四通阀5（开通右下通道，即其a、b端口连通）回到压缩机1如此往复循环。系统流程图如图1所示。

实施例3：

本实施例为系统冬季免费供热模式。

冬季免费供热运行模式如下: 开启制冷剂泵15，通过第三三通阀16和第四三通阀17将压缩机1旁通，制冷剂通过制冷剂泵15提供循环动力流动，经过第一四通阀5（开通左上通道，即其c、d端口连通）然后经过室内风机盘管2进行放热提高室内温度，依次经过第一止回阀6、节流阀3（此时节流阀全开）和第二止回阀7（第三止回阀9和第四止回阀10关闭），经过第二四通阀8（开通左上通道，即其c＇、d＇端口连通）然后经过船舶海水专用直膨式换热器4与管外海水直接换热吸收海水热量提高制冷剂温度，换热后的制冷剂最后依次经过第二四通阀8（开通右下通道，即其a＇、b＇端口连通）和第一四通阀5（开通右下通道，即其a、b端口连通）回到制冷剂泵15如此往复循环。系统流程图如图2所示。

实施例4：

本实施例为系统夏季压缩机供热模式。

夏季压缩机运行模式如下: 开启压缩机1，通过第三三通阀16和第四三通阀17将制冷剂泵15旁通，制冷剂经过压缩机1对其做功升压升温成高温高压气体，经过第一四通阀5（开通左下通道，即其d、a端口连通）和第二四通阀8（开通右上通道，即其b＇、c＇端口连通）然后经过海水专用直膨盘管式换热器4与管外海水直接换热将热量传递给海水进行冷凝放热成为等温等压的液体，然后经过第二四通阀8（开通左下通道，即其a＇、d＇端口连通），经过第三止回阀9然后经过节流阀3进行等焓降温降压成为低温低压液体再经过第四止回阀10（第一止回阀6和第二止回阀7关闭），然后经过室内风机盘管2进行蒸发吸热成为等温等压的气体，最后经过第一四通阀5（开通右上通道，即其c、d端口连通）回到压缩机1如此往复循环。系统流程图如图3所示。

实施例5：

本实施例为系统夏季免费供热模式。

夏季免费运行模式如下:开启制冷剂泵15，通过第三三通阀16和第四三通阀17将压缩机1旁通，制冷剂通过制冷剂泵15提供循环动力流动，经过第一四通阀5（开通左下通道，即其d、a端口连通）和第二四通阀8（开通右上通道，即其b＇、c＇端口连通）、经过海水专用直膨盘管式换热器4与管外海水直接换热将显热热量传递给海水，然后经过第二四通阀8（开通左下通道，即其a＇、d＇端口连通），依次经过第三止回阀9、节流阀3（此时节流阀全开）和第四止回阀10（第一止回阀6和第二止回阀7关闭），经过室内风机盘管2进行吸热降低室内温、湿度，最后经过第一四通阀5（开通右上通道，即其c、d端口连通）回到制冷剂泵15如此往复循环。系统流程图如图4所示。

实施例6：

本实施例为系统多联机运行模式。

如图5所示，多联机与单体机不同之处是在室内风机盘管2处并联多个房间室内的风机盘管2，并在风机盘管2两侧同时增加截止阀18和截止阀19，当某一船员房间关闭室内机时，截止阀18和截止阀19同时关闭，将流经该房间的制冷剂管路短路，制冷剂不经过关闭房间，减少阻力和能量损失，实现多个房间灵活控制功能。而压缩机1和船舶海水专用直膨式换热器4根据同时使用系数和各房间负荷进行设计选型，专用直膨式换热器4可以放在机舱内等就近安放。多个房间共用一个压缩机1、制冷剂循环泵15、节流阀3装置和船舶海水专用直膨式换热器4，海水专用直膨式换热器4放置在靠近冷、热源处，各房间内仅放置风机盘管2。

对比图1和图5可以看出，与单体式热泵不同，室内风机盘管并联运行，不同房间可以灵活控制开启关闭。多个房间共用一个压缩机1和节流阀3装置，各房间内仅放置风机盘管2，而压缩机1和节流阀3装置和船舶海水专用直膨式换热器4放置在一起，尽量靠近冷热源。

Claims (5)

1.一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，其特征在于：包括室内机、海水余热回收系统及船舶海水专用直膨式换热器（4），

所述室内机包括室内风机盘管（2）、压缩机（1）、第三三通阀（16）、第四三通阀（17）、第一止回阀（6）、第二止回阀（7）、第一四通阀（5）、第二四通阀（8）及节流阀（3）；

所述海水余热回收系统由海水泵（11）、第一三通阀（12）、燃油发电机余热回收换热器（13）及第二三通阀（14）依次经管道连接构成；

所述船舶海水专用直膨式换热器（4）包括壳体（20）及设置于壳体内的盘管（21），壳体（20）为圆柱形，竖向设有分层，以便水均匀地自上向下流动，上部设置有海水入口，下部设置有海水排出口；

第二三通阀（14）的另一出口与专用直膨式换热器（4）的海水入口连接，盘管（21）的制冷剂出口与第二四通阀（8）的a＇端口连接，第二四通阀（8）的b＇端口与第一四通阀（5）的a端口连接，第一四通阀（5）的b端口依次经第三三通阀（16）、压缩机（1）及第四三通阀（17）连接至第一四通阀（5）的d端口，第一四通阀（5）的c端口依次经室内风机盘管（2）、第一止回阀（6）、节流阀（3）及第二止回阀（7）连接至第二四通阀（8）的d＇端口，第二四通阀（8）的c＇端口与盘管（21）的制冷剂入口连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，其特征在于：所述第三三通阀（16）的另一出口与第四三通阀（17）的另一出口之间设置有制冷剂循环泵（15），通过第三三通阀（16）和第四三通阀（17）实现压缩机（1）和制冷剂循环泵（15）并联。

3.根据权利要求2所述的一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，其特征在于：所述第一三通阀（12）的另一出口与专用直膨式换热器（4）的海水入口连接，在室内风机盘管（2）及节流阀（3）之间设置有与第一止回阀（6）并联的第四止回阀（10），在节流阀（3）与第二四通阀（8）的4端口之间设置有与第二止回阀（6）并联的第三止回阀（9）。

4.根据权利要求1所述的一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，其特征在于：所述船舶海水专用直膨式换热器（4）的壳体（20）为采用PVC塑料制成的圆柱体，竖向设有挡水板分层，上、下分别设有海水入口和出口，盘管（21）采用外部刷有防腐涂层的铜管制成，海水与制冷剂逆流换热。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种用于船舶的直膨式海水源热泵/免费供冷、热系统，其特征在于：所述室内风机盘管（2）包括多组并联设置的风机盘管，每组风机盘管的两侧设置均设置有截止阀（18）和截止阀（19）。