CN108592453B - 一种低温工况下耦合蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合系统 - Google Patents
一种低温工况下耦合蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的是提供一种低温工况下蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合装置。本发明的一种耦合抑霜型蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合装置包括热泵循环系统、余热回收循环系统、抑霜循环系统。本发明尤其是解决在冬季低温制热工况下，当外部环境气温低于‑20℃时，本发明的设计的复合装置利用燃气发动机的余热和其废气余热对蒸发冷却式换热器的换热管除霜，从而达到抑制蒸发冷却式换热器霜层的生长速度及提高系统性能系数的目的。本发明成果尤其适用于北方极端寒冷气候条件下使用，具有很强的现实实用意义。
Description
技术领域
本发明属于蒸发冷却式换热器和燃气机热泵技术领域，具体涉及一种蒸发式换热器和燃气热泵耦合复合供能系统。
背景技术
建筑能耗约占我国社会总能耗的30％，而制冷空调能耗占建筑能耗的70％。常规制冷空调主要以电力驱动，在我国多地用电高峰出现拉闸限电的现象。以此同时，我国电力主要通过煤发电，造成效率低且对环境有污染。天然气作为一种清洁能源，越来越受到重视。因此以天然气作为能源的燃气热泵系统日益受到广泛的关注。
燃气机热泵系统能够回收燃气发动机余热，其一次能源利用率比网电热泵要高，节能效果十分明显。空气源热泵机组，尤其是对于蒸发式换热器在制热工况下，热泵机组性能系数随着环境温度的降低而衰减，当环境温度降低至-20℃时很难从环境中吸收热量。
因此，针对燃气热泵供能系统而言，尤其是对于蒸发式换热器的燃气热泵系统，探索一种在低温工况下具有较高性能系数的新技术和方法，这在热泵供暖领域具有重要的现实意义。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，即蒸发式换热器的制热工况在低温条件下导致换热管结霜影响制热效果，以及如何进一步利用燃气热泵机组的余热和废气余热的技术问题。
本发明的目的是提供一种低温工况下蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合装置，为用户供冷、供热以及提供必要的生活热水，尤其是解决在冬季低温制热工况下，当外部环境气温低于-20℃时，本发明的设计的复合装置利用燃气发动机的余热和其废气余热对蒸发冷却式换热器的换热管除霜，从而达到抑制蒸发冷却式换热器霜层的生长速度及提高系统性能系数的目的。本发明尤其适用于北方极端寒冷气候条件下使用，具有很强的现实实用意义。
本发明的技术方案是这样实现的：一种耦合抑霜型蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合装置包括热泵循环系统、余热回收循环系统、抑霜循环系统；
所述复合装置包括燃气发动机5、压缩机1、板式换热器2、电子膨胀阀3、蒸发冷却式换热器4、四通换向阀16、第一单向阀12、第二单向阀13、第三单向阀14和第四单向阀15、第一余热换热器6、第二余热换热器7、余热水箱8、余热循环水泵9、第一电磁阀10、第二电磁阀11；
并且，蒸发冷却式换热器4包括壳体4-0、水泵4-1、截止阀4-2、融霜管4-3、换热管4-4、喷淋管4-5、挡水板4-6、轴流风机4-7、泄水阀4-8、浮球阀4-9、进气格栅4-10、水箱4-11，其中，所述蒸发冷却式换热器4的顶部设有轴流风机4-7，所述轴流风机4-7下方设有挡水板4-6，所述挡水板4-6下方设有喷淋管4-5，所述喷淋管4-5下方设有换热管4-4，所述换热管4-4下方设有融霜管4-3，所述壳体4-0靠近底部的两侧制有进气格栅4-10，所述进气格栅4-10的下方设有水箱4-11，且所述水箱4-11内有冷却水，所述水箱4-11底部设有泄水阀4-8，所述水箱4-11内的冷却水上设有浮球阀4-9；并且所述喷淋管4-5连接截止阀4-2，所述截止阀4-2连接水泵4-1，所述水泵4-1与水箱4-11内的冷却水连通；
燃气发动机5驱动压缩机1，所述压缩机1连接四通换向阀16，所述四通换向阀16一路连接板式换热器2，另一路连接换热管4-4，再一路连接所述压缩机1，所述板式换热器2分别连接第一单向阀12、第四单向阀15，所述第一单向阀12和第二单向阀13分别连接电子膨胀阀3，所述电子膨胀阀3分别连接第三单向阀14和第四单向阀15，所述第二单向阀13和所述第三单向阀14并联后连接蒸发冷却式换热器4内的换热管4-4，所述换热管4-4连接所述四通换向阀16，所述四通换向阀16连接所述压缩机1形成回路，上述循环回路是为热泵循环系统；
第一余热换热器6收集所述燃气发动机5的缸套余热，第二余热换热器7收集所述燃气发动机5排出废气的余热，所述第一余热换热器6连接所述第二余热换热器7，所述第二余热换热器7连接余热水箱8，所述余热水箱8一路连接余热循环水泵9，所述余热循环水泵9通过第二电磁阀11连接所述第一余热换热器6形成回路，是为余热回收循环系统；
所述余热水箱8连接所述余热循环水泵9，所述余热循环水泵9通过第一电磁阀10连接所述蒸发冷却式换热器4内的融霜管4-3，所述融霜管4-3连接所述余热水箱8形成回路，是为抑霜循环系统；
其中，所述燃气发动机5的驱动工作介质A为天然气或甲烷，热泵循环系统中的工作介质B为制冷剂，余热回收循环系统和抑霜循环系统中的工作介质C为乙二醇水溶液或水。
燃气发动机5通过驱动压缩机1使热泵系统运行，实现制冷或制热；工作介质C吸收所述燃气发动机5缸套余热和所述燃气发动机5排出(废)气余热储存于余热水箱8中，用于生活热水、辅助供暖或者用于所述蒸发冷却式换热器4除霜。
优选，工作介质B为R134a。
优选，所述换热管4-4为风冷型翅片管式换热管。
优选，所述余热水箱8外接出口，使得所述余热水箱8的热水输出，为用户提供必要的生活热水。
本发明的原理在于将所述燃气发动机5的缸套和废气余热进行回收，尤其适用于低温环境，通过余热循环水泵9将高温的冷却介质循环进入所述蒸发冷却式换热器4内靠近底部的融霜管4-3，融霜管4-3温度升高的同时所述蒸发冷却式换热器4顶部的轴流风机4-7开启，空气经底部融霜管4-3加热后温度升高上升，再和上部循环制冷剂的换热管4-4进行热交换，达到抑制换热管4-4霜层生长并对换热管4-4进行融霜和提高蒸发压力的目的，本发明的装置解决了制热时低温环境系统性能系数不高的技术问题。
本发明的特点及有益效果是：
(1)抑霜循环系统能够在制热时低温环境系统性能系数不高的情况下大大抑制换热管4-4霜层的生长速度，提高热泵系统蒸发压力，进一步提高系统性能系数。
(2)本发明在一次能源利用率和环保等方面都有明显的优势，同时降低了系统的运行成本，达到了经济节能的效果。
附图说明
图1为实施例1一种耦合抑霜型蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合装置连接图。
其中，压缩机1、板式换热器2、电子膨胀阀3、蒸发冷却式换热器4、燃气发动机5、第一余热换热器6、第二余热换热器7、余热水箱8、余热循环水泵9、第一电磁阀10、第二电磁阀11、第一单向阀12、第二单向阀13、第三单向阀14、第四单向阀15、四通换向阀16；
其中，蒸发冷却式换热器4包括壳体4-0、水泵4-1、截止阀4-2、融霜管4-3、换热管4-4、喷淋管4-5、挡水板4-6、轴流风机4-7、泄水阀4-8、浮球阀4-9、进气格栅4-10、水箱4-11；
A、B、C为工作介质
图中箭头→为余热循环方向，箭头→为制热循环方向，箭头→为制冷循环方向。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明的结构原理作进一步的说明。但是本实施例是叙述性的，而非限制性的，并不局限于本发明所要保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种耦合抑霜型蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合装置包括热泵循环系统、余热回收循环系统、抑霜循环系统；
所述复合装置包括燃气发动机5、压缩机1、板式换热器2、电子膨胀阀3、蒸发冷却式换热器4、四通换向阀16、第一单向阀12、第二单向阀13、第三单向阀14和第四单向阀15、第一余热换热器6、第二余热换热器7、余热水箱8、余热循环水泵9、第一电磁阀10、第二电磁阀11；
并且，蒸发冷却式换热器4包括壳体4-0、水泵4-1、截止阀4-2、融霜管4-3、换热管4-4、喷淋管4-5、挡水板4-6、轴流风机4-7、泄水阀4-8、浮球阀4-9、进气格栅4-10、水箱4-11，其中，所述蒸发冷却式换热器4的顶部设有轴流风机4-7，所述轴流风机4-7下方设有挡水板4-6，所述挡水板4-6下方设有喷淋管4-5，所述喷淋管4-5下方设有换热管4-4，所述换热管4-4下方设有融霜管4-3，所述壳体4-0靠近底部的两侧制有进气格栅4-10，所述进气格栅4-10的下方设有水箱4-11，且所述水箱4-11内有冷却水，所述水箱4-11底部设有泄水阀4-8，所述水箱4-11内的冷却水上设有浮球阀4-9；并且所述喷淋管4-5连接截止阀4-2，所述截止阀4-2连接水泵4-1，所述水泵4-1与水箱4-11内的冷却水连通；
燃气发动机5驱动压缩机1，所述压缩机1连接四通换向阀16，所述四通换向阀16一路连接板式换热器2，另一路连接换热管4-4，再一路连接所述压缩机1，所述板式换热器2分别连接第一单向阀12、第四单向阀15，所述第一单向阀12和第二单向阀13分别连接电子膨胀阀3，所述电子膨胀阀3分别连接第三单向阀14和第四单向阀15，所述第二单向阀13和所述第三单向阀14并联后连接蒸发冷却式换热器4内的换热管4-4，所述换热管4-4连接所述四通换向阀16，所述四通换向阀16连接所述压缩机1形成回路，上述循环回路是为热泵循环系统；
第一余热换热器6收集所述燃气发动机5的缸套余热，第二余热换热器7收集所述燃气发动机5排出废气的余热，所述第一余热换热器6连接所述第二余热换热器7，所述第二余热换热器7连接余热水箱8，所述余热水箱8一路连接余热循环水泵9，所述余热循环水泵9通过第二电磁阀11连接所述第一余热换热器6形成回路，是为余热回收循环系统；
所述余热水箱8连接所述余热循环水泵9，所述余热循环水泵9通过第一电磁阀10连接所述蒸发冷却式换热器4内的融霜管4-3，所述融霜管4-3连接所述余热水箱8形成回路，是为抑霜循环系统；
其中，所述燃气发动机5的驱动工作介质A为天然气或甲烷，热泵循环系统中的工作介质B为制冷剂，余热回收循环系统和抑霜循环系统中的工作介质C为乙二醇水溶液。
本例中，工作介质B为R134a。
本例中，所述换热管4-4为风冷型翅片管式换热管。
本例中，所述余热水箱8也可外接出口，使得所述余热水箱8的热水输出，为用户提供必要的生活热水。
需要说明的是本例中所述四通换向阀16为所属技术领域的技术人员所知的四通换向阀，包括导阀和主阀，4个通路，其中两个接制冷系统的蒸发器和冷凝器，另外两个接制冷压缩机的吸气口和排气口。通过四通换向阀将压缩机的排气和吸气与上述两个换热器相连，从而实现制冷和制热模式的切换。
本例中，所述四通换向阀16在断电状态下运行制冷工况，通电状态下运行制热工况。
制热使用时，热泵循环系统中的制冷剂R134a在所述压缩机1、四通换向阀16、板式换热器2、第一单向阀12、电子膨胀阀3、第三单向阀14、蒸发冷却式换热器4的换热管4-4、四通换向阀16形成的回路中循环，即制冷剂R134a在所述热泵循环系统中循环；同时，余热回收循环系统中的乙二醇水溶液在所述第一余热换热器6、第二余热换热器7、余热水箱8、余热循环水泵9、第二电磁阀11之间形成的回路中循环，即乙二醇水溶液在余热回收循环系统中循环，所述第一余热换热器6、第二余热换热器7回收所述燃气发动机5的余热储存于所述余热水箱8内。
该装置的热泵循环系统制热工况下，热泵循环系统中的板式换热器2作为冷凝器，蒸发冷却式换热器4的换热管4-4作为蒸发器，制冷剂R134a在蒸发冷却式换热器4内吸热汽化，经四通换向阀16进入压缩机1提高压力后，再经四通换向阀16排入板式换热器2进行放热冷凝，制取热水，实现供暖。制冷剂R134a然后经第一单向阀12、电子膨胀阀3节流降压后，再经第三单向阀14循环进入蒸发冷却式换热器4的换热管4-4，完成热泵系统循环，与此同时，此工况下所述水泵4-1、截止阀4-2通路关闭，喷淋管4-5关闭，轴流风机4-7开启；
同时，第二电磁阀11开启，乙二醇水溶液依次通过所述第一余热换热器6、第二余热换热器7吸收发动机缸套及其废气的余热，进入余热水箱8储存；此时，当蒸发冷却式换热器4内的换热管4-4未结霜或不需要融霜条件下，第一电磁阀10关闭，抑霜循环系统关闭。
尤其是在冬季低温制热工况下，当外部环境气温低于-20℃时，本发明的设计的复合装置利用燃气发动机5的余热和其废气余热对蒸发冷却式换热器4的换热管4-4除霜，从而达到抑制蒸发冷却式换热器4霜层的生长速度及提高系统性能系数的目的，本发明尤其适用于北方极端寒冷气候条件下使用，当在环境温度较低、蒸发压力较低或者需对蒸发冷却式换热器4进行融霜时，此工况下所述水泵4-1、截止阀4-2通路关闭，喷淋管4-5关闭，停止喷洒水；打开第一电磁阀10，在余热循环水泵9的驱动下抑霜循环系统中的乙二醇水溶液在所述余热水箱8、余热循环水泵9、第一电磁阀10、融霜管4-3之间形成的回路中循环，使抑霜循环系统开始运行，乙二醇水溶液通过余热循环水泵9、第一电磁阀10进入融霜管4-3，同时轴流风机4-7开始运行使外部空气从进气格栅4-10进入壳体4-0内并通过轴流风机4-7排出，此过程中由于所述融霜管4-3位于换热管4-4的下部，从而使得所述融霜管4-3散发的热量上升对蒸发冷却式换热器4的换热管4-4进行融霜，以提高系统蒸发压力，随后流经所述融霜管4-3的乙二醇水溶液再循环至余热水箱8。
制冷时，抑霜循环系统关闭，关闭第一电磁阀10；制冷时，热泵循环系统中的板式换热器2作为蒸发器，蒸发冷却式换热器4的换热管4-4作为冷凝器，制冷剂R134a在板式换热器2内吸热汽化，制取冷冻水，实现制冷。制冷剂R134a经四通换向阀16进入压缩机1提高压力后，再经四通换向阀16排入蒸发冷却式换热器4的换热管4-4进行放热冷凝，冷凝后的制冷剂B经第二单向阀13、电子膨胀阀3节流降压后，再经第四单向阀15循环进入板式换热器2，完成热泵系统的制冷循环；
同时，所述水泵4-1将水箱4-11内冷却水经截止阀4-2循环至喷淋管4-5向下喷淋，对换热管4-4内的制冷剂R134a进行冷凝，轴流风机4-7开启，空气经进气格栅4-10进入蒸发冷却式换热器4，后经轴流风机4-7排出。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种低温工况下耦合蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合系统，其特征在于包括热泵循环系统、余热回收循环系统、抑霜循环系统；
所述复合系统包括燃气发动机(5)、压缩机(1)、板式换热器(2)、电子膨胀阀(3)、蒸发冷却式换热器(4)、四通换向阀(16)、第一单向阀(12)、第二单向阀(13)、第三单向阀(14)和第四单向阀(15)、第一余热换热器(6)、第二余热换热器(7)、余热水箱(8)、余热循环水泵(9)、第一电磁阀(10)、第二电磁阀(11)；
并且，蒸发冷却式换热器(4)包括壳体(4-0)、水泵(4-1)、截止阀(4-2)、融霜管(4-3)、换热管(4-4)、喷淋管(4-5)、挡水板(4-6)、轴流风机(4-7)、泄水阀(4-8)、浮球阀(4-9)、进气格栅(4-10)、水箱(4-11)，其中，所述蒸发冷却式换热器(4)的顶部设有轴流风机(4-7)，所述轴流风机(4-7)下方设有挡水板(4-6)，所述挡水板(4-6)下方设有喷淋管(4-5)，所述喷淋管(4-5)下方设有换热管(4-4)，所述换热管(4-4)下方设有融霜管(4-3)，所述壳体(4-0)靠近底部的两侧制有进气格栅(4-10)，所述进气格栅(4-10)的下方设有水箱(4-11)，且所述水箱(4-11)内有冷却水，所述水箱(4-11)底部设有泄水阀(4-8)，所述水箱(4-11)内的冷却水上设有浮球阀(4-9)；并且所述喷淋管(4-5)连接截止阀(4-2)，所述截止阀(4-2)连接水泵(4-1)，所述水泵(4-1)与水箱(4-11)内的冷却水连通；
燃气发动机(5)驱动压缩机(1)，所述压缩机(1)连接四通换向阀(16)，所述四通换向阀(16)一路连接板式换热器(2)，另一路连接换热管(4-4)，再一路连接所述压缩机(1)，所述板式换热器(2)分别连接第一单向阀(12)、第四单向阀(15)，所述第一单向阀(12)和第二单向阀(13)分别连接电子膨胀阀(3)，所述电子膨胀阀(3)分别连接第三单向阀(14)和第四单向阀(15)，所述第二单向阀(13)和所述第三单向阀(14)并联后连接蒸发冷却式换热器(4)内的换热管(4-4)，所述换热管(4-4)连接所述四通换向阀(16)，所述四通换向阀(16)连接所述压缩机(1)形成回路，是为热泵循环系统；
第一余热换热器(6)收集所述燃气发动机(5)的缸套余热，第二余热换热器(7)收集所述燃气发动机(5)排出废气的余热，所述第一余热换热器(6)连接所述第二余热换热器(7)，所述第二余热换热器(7)连接余热水箱(8)，所述余热水箱(8)一路连接余热循环水泵(9)，所述余热循环水泵(9)通过第二电磁阀(11)连接所述第一余热换热器(6)形成回路，是为余热回收循环系统；
所述余热水箱(8)连接所述余热循环水泵(9)，所述余热循环水泵(9)通过第一电磁阀(10)连接所述蒸发冷却式换热器(4)内的融霜管(4-3)，所述融霜管(4-3)连接所述余热水箱(8)形成回路，是为抑霜循环系统；
其中，所述燃气发动机(5)的驱动工作介质A为天然气或甲烷，热泵循环系统中的工作介质B为制冷剂，余热回收循环系统和抑霜循环系统中的工作介质C为乙二醇水溶液或水。
2.根据权利要求1所述的一种低温工况下耦合蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合系统，其特征在于工作介质B为R134a。
3.根据权利要求1所述的一种低温工况下耦合蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合系统，其特征在于所述换热管(4-4)为风冷型翅片管式换热管。
4.根据权利要求1所述的一种低温工况下耦合蒸发冷却式换热器的燃气热泵复合系统，其特征在于所述余热水箱(8)外接出口使得所述余热水箱(8)的热水输出。
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