CN109708332A - 一种燃气热泵余热梯级回收综合利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，包括分层集热水箱，分层集热水箱发动机缸套冷却水入口、发动机缸套冷却水出口、发动机尾气入口、发动机尾气出口、制冷剂入口、制冷剂出口以及设有将分层集热水箱分为干层空间的隔热隔板；分层集热箱设有第一换热管、第二换热管和第三换热管；分层集热水箱的底部设有水箱补水入口，其顶部设有热水出口。本装置集多种功能于一体，不仅可以常年提供生活热水，并且可以在冬季制热模式下加热制冷剂、在夏季制冷模式下冷却制冷剂，提高热泵空调系统的效率，实现发动机缸套余热以及废气余热的高效利用。

Description

一种燃气热泵余热梯级回收综合利用装置

技术领域

本发明涉及一种燃气热泵余热回收利用装置，尤其涉及一种基于能量梯级利用的原则且具有变工况自动调节、多功能集成控制等特点的燃气热泵余热梯级回收综合利用装置。

背景技术

我国的能源消耗量持续占据世界首位，且一次能源消耗以燃煤为主(约占一次能源供应量的60％)，能源供给与利用结构具有很大的污染性与不可持续性。

在我国，建筑能耗约占总能耗的40％，其中，耗能的主要设备为空调设备。燃气热泵空调以天然气为燃料，通过发动机驱动热泵空调中的压缩机进行制冷与制热循环。由于燃气热泵排放量低、效率高于传统的电力空调，因此受到了越来越广泛的关注。

燃气热泵空调高效率的一个重要原因在于其余热能够回收利用。发动机余热可分为发动机缸套余热以及废气余热。燃气热泵余热利用方式的优化控制，不仅可以有效地提高机组的整体热力性能，同时也是确保发动机安全稳定运行的关键。传统的余热利用方式未能很好地实现梯级利用，造成了大量的能量损失。此外，传统的余热回收利用系统在热泵空调机组切换冬季与夏季两种不同运行模式时未能有很好的适应性。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种燃气热泵余热梯级回收综合利用装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，包括分层集热水箱，所述分层集热水箱设有隔热隔板、热水出口、水箱补水入口、发动机缸套冷却水入口、发动机缸套冷却水出口、发动机尾气入口、发动机尾气出口、制冷剂入口、制冷剂出口；所述隔热隔板设置有若干块且通过安装隔热隔板将所述分层集热箱由下而上分为若干层空间；所述分层集热箱的各层空间均设有换热管，所述换热管包括第一换热管、第二换热管和第三换热管；所述第一换热管的进口与所述发动机缸套冷却水入口相接，所述第一换热管的出口与所述发动机缸套冷却水出口相接；所述第二换热管的进口与所述发动机尾气入口相接，所述第二换热管的出口与所述发动机尾气出口相接；所述第三换热管的进口与所述制冷剂入口相接，所述第三换热管的出口与所述制冷剂出口相接；所述水箱补水入口位于所述分层集热水箱的底部，所述热水出口位于所述分层集热水箱的顶部。

隔热隔板的设置，使得温度在分层集热水箱内达到分层的效果；第一换热管用于发动机缸套冷却水与分层集热水箱内的水换热；第二换热管用于发动机尾气与分层集热水箱内的水换热；第三换热管用于制冷剂与分层集热水箱内的水换热；通过温度控制使得各换热管流体均在合适的温度区间内进行换热。

所述第一换热管位于所述分层集热水箱的下层空间，所述第二换热管位于所述分层集热水箱的上层空间。

所述隔热隔板设置有四块，所述隔热隔板将所述分层集热箱由下而上分为第一层空间、第二层空间、第三层空间、第四层空间和第五层空间；所述第一换热管设置有两根，分别位于所述第一层空间和所述第二层空间，所述发动机缸套冷却水入口与所述发动机缸套冷却水出口之间连接有第一连接管；所述第一层空间内的第一换热管的进口与所述发动机缸套冷却水入口相通且在与第一连接管的接口处设置有第一三通阀，第一层空间内的第一换热管的出口接入所述第一连接管上；所述第二层空间内的第一换热管的出口与所述发动机缸套冷却水出口相通，所述第二层空间内的第一换热管的进口接入所述第一连接管上且在接入处设置有第二三通阀；所述第二换热管设置有三根，分别位于第三层空间、第四层空间和第五层空间；所述发动机尾气入口与所述发动机尾气出口之间连接有第二连接管，三根第二换热管串联在所述第二连接管上，位于第三层空间的第二换热管的进口与所述发动机尾气入口相通且与第二连接管的接口处设置有第三三通阀，位于第四层空间的第二换热管的进口与第二连接管的连接处设置有第四三通阀，位于第五层空间的第二换热管的进口与第二连接管的连接处设置有第五三通阀，第五层空间的第二换热管的出口与所述发动机尾气出口相通。基于余热的品味不同，将发动机缸套冷却水的换热管路与发动机尾气的换热管路分别布置于不同的温度层内(即不同层空间内)，从而达到换热管内流体换热过程的高效性与合理性；通过第一三通阀至第五三通阀可以准确地控制进入发动机的冷却水温度以及尾气出口温度，从而确保发动机安全稳定地运行。

所述第三换热管设置有四根，分别位于第一层空间、第二层空间、第四层空间和第五层空间；所述分层集热水箱还设有第三连接管，所述制冷剂入口连接在所述第三连接管上且在连接处设置有第六三通阀；四根所述第三换热管串并联在所述第三连接管上，并且在由上而下的第三换热管的进口与第三连接管的连接处依次设置有第七三通阀、第八三通阀、第九三通阀和第十三通阀；位于第一层空间、第五层空间的第三换热管的出口分别与所述制冷剂出口连通，且在连通处设置有第十一三通阀。

所述第一换热管为管体具有双螺旋结构的换热管。双螺旋结构的第一换热管，有利于增大换热空间。

所述第二换热管为螺旋盘管结构的换热管。螺旋盘管结构的第二换热管，有利于增大换热空间。

所述第三换热管为三个螺旋盘管结构并联设置的换热管。螺旋盘管结构并联设置的第三换热管，有利于增大换热空间。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本装置基于能量梯级利用的原则，系统简化，易于控制，集多种功能于一体，不仅可以常年提供生活热水，并且可以在冬季制热模式下加热制冷剂、在夏季制冷模式下冷却制冷剂，提高热泵空调系统的效率，实现发动机缸套余热以及废气余热的高效利用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例燃气热泵的循环示意图。

图中附图标记含义：01、分层集热水箱；02、隔热隔板；03、热水出口；04、水箱补水入口；05、发动机缸套冷却水入口；06、第一三通阀；07、第二三通阀；08、发动机缸套冷却水出口；09、发动机尾气入口；10、第三三通阀；11、第四三通阀；12、第五三通阀；13、发动机尾气出口；14、制冷剂入口；15、第六三通阀；16、第八三通阀；17、第七三通阀；18、第九三通阀；19、第十三通阀；20、第十一三通阀；21、制冷剂出口；22、燃气发动机；23、压缩机；24、油分离器；25、气液分离器；26、四通阀；27、蒸发器；28、节流阀；29、空气换热器；30、水箱给水泵；31、缸套冷却水循环泵；32、发动机缸套换热器；33、排烟口；34、第一换热管；35、第二换热管；36、第三换热管；41、第一层空间；42、第二层空间；43、第三层空间；44、第四层空间；45、第五层空间。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1及图2，为一种燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，包括分层集热水箱01，分层集热水箱01设有隔热隔板02、热水出口03、水箱补水入口04、发动机缸套冷却水入口05、发动机缸套冷却水出口08、发动机尾气入口09、发动机尾气出口13、制冷剂入口14、制冷剂出口21；隔热隔板02设置有若干块且通过安装隔热隔板02将分层集热箱由下而上分为若干层空间；分层集热箱的各层空间均设有换热管，换热管包括第一换热管34、第二换热管35和第三换热管36；第一换热管34的进口与发动机缸套冷却水入口05相接，第一换热管34的出口与发动机缸套冷却水出口08相接；第二换热管35的进口与发动机尾气入口09相接，第二换热管35的出口与发动机尾气出口13相接；第三换热管36的进口与制冷剂入口14相接，第三换热管36的出口与制冷剂出口21相接；水箱补水入口04位于分层集热水箱01的底部，热水出口03位于分层集热水箱01的顶部。

隔热隔板02的设置，使得温度在分层集热水箱01内达到分层的效果；第一换热管34用于发动机缸套冷却水与分层集热水箱01内的水换热；第二换热管35用于发动机尾气与分层集热水箱01内的水换热；第三换热管36用于制冷剂与分层集热水箱01内的水换热；通过温度控制使得各换热管流体均在合适的温度区间内进行换热；热水出口03能供应生活热水，实现能量最大化利用。

第一换热管34位于分层集热水箱01的下层空间，第二换热管35位于分层集热水箱01的上层空间。

隔热隔板02设置有四块，隔热隔板02将分层集热箱由下而上分为第一层空间41、第二层空间42、第三层空间43、第四层空间44和第五层空间45；第一换热管34设置有两根，分别位于第一层空间41和第二层空间42，发动机缸套冷却水入口05与发动机缸套冷却水出口08之间连接有第一连接管；第一层空间41内的第一换热管34的进口与发动机缸套冷却水入口05相通且在与第一连接管的接口处设置有第一三通阀06，第一层空间41内的第一换热管34的出口接入第一连接管上；第二层空间42内的第一换热管34的出口与发动机缸套冷却水出口08相通，第二层空间42内的第一换热管34的进口接入第一连接管上且在接入处设置有第二三通阀07；第二换热管35设置有三根，分别位于第三层空间43、第四层空间44和第五层空间45；发动机尾气入口09与发动机尾气出口13之间连接有第二连接管，三根第二换热管35串联在第二连接管上，位于第三层空间43的第二换热管35的进口与发动机尾气入口09相通且与第二连接管的接口处设置有第三三通阀10，位于第四层空间44的第二换热管35的进口与第二连接管的连接处设置有第四三通阀11，位于第五层空间45的第二换热管35的进口与第二连接管的连接处设置有第五三通阀12，第五层空间45的第二换热管35的出口与发动机尾气出口13相通。基于余热的品味不同，将发动机缸套冷却水的换热管路与发动机尾气的换热管路分别布置于不同的温度层内(即不同层空间内)，从而达到换热管内流体换热过程的高效性与合理性；通过第一三通阀06至第五三通阀12可以准确地控制进入发动机的冷却水温度以及尾气出口温度，从而确保发动机安全稳定地运行。

第三换热管36设置有四根，分别位于第一层空间41、第二层空间42、第四层空间44和第五层空间45；分层集热水箱01还设有第三连接管，制冷剂入口14连接在第三连接管上且在连接处设置有第六三通阀15；四根第三换热管36串并联在第三连接管上，并且在由上而下的第三换热管36的进口与第三连接管的连接处依次设置有第七三通阀17、第八三通阀16、第九三通阀18和第十三通阀19；位于第一层空间41、第五层空间45的第三换热管36的出口分别与制冷剂出口21连通，且在连通处设置有第十一三通阀20。本实施例中，四根第三换热管36串并联在第三连接管上的方式，存两种方式，并联和串联，第四层空间44的第三换热管36和第五层空间45的第三换热管36以串联的形式形成第一串联，第一层空间41的第三换热管36和第二层空间42的第三换热管36以串联的形式形成第二串联，第一串联和第二串联通过第六三通阀15进行并联，并联方式方便该装置在不同模式之间切换(制冷模式和制热模式)。

第一换热管34为管体具有双螺旋结构的换热管。双螺旋结构的第一换热管34，有利于增大换热空间。

第二换热管35为螺旋盘管结构的换热管。螺旋盘管结构的第二换热管35，有利于增大换热空间。

第三换热管36为三个螺旋盘管结构并联设置的换热管。螺旋盘管结构并联设置的第三换热管36，有利于增大换热空间。

在使用时，本装置与燃气热泵系统配合使用。燃气热泵系统包括燃气发动机22、由燃气发动机22驱动的压缩机23、油分离器24、气液分离器25、四通阀26、蒸发器27、节流阀28、空气换热器29、水箱给水泵30、缸套冷却水循环泵31、发动机缸套换热器32。

压缩机23的出口通过管路与油分离器24的进口相接，油分离器24的出口通过管路与蒸发器27的进口相接，蒸发器27的出口通过管路顺次连接节流阀28、空气换热器29，空气换热器29的出口通过管路与制冷剂入口14相接；制冷剂出口21通过管路与气液分离器25的进口相接，气液分离器25的出口通过管路与压缩机23的进口相接；油分离器24的出口与蒸发器27的进口之间的管路为第一管路，气液分离器25的出口通过管路与压缩机23的进口之间的管路为第二管路，第一管路与第二管路通过四通阀26交接，第一管路连通四通阀26的第一接口、第三接口，第二管路连通四通阀26的第二接口、第四接口；气液分离器25自身设置有其上下部循环流动的循环管路。

发动机缸套换热器32的进口通过管路顺次与缸套冷却水循环泵31、发动机缸套冷却水出口08相接；发动机缸套换热器32的出口通过管路与发动机缸套冷却水入口05相接；燃气发动机22的排烟口33通过管路与发动机尾气入口09相接。分层集热水箱01的水箱补水入口04连接有为其提供水源的水箱给水泵30。分层集热水箱01的上部为高温区，其下部为低温区。

依据能量梯级利用的原则，各层换热管均设置有三通阀，通过温度控制使得各换热管的流体均在合适的温度区间内进行换热。

本实施例中，包括一个分层集热水箱01(即分层保温水箱)、水箱内部水循环系统、发动机缸套冷却水循环系统、发动机尾气余热回收系统和制冷剂循环系统。该装置基于能量梯级利用的原则，对余热实现高效的回收利用，且在冬季制热与夏季制冷两种模式之间可以便捷地实现切换。

一、冬季制热模式：

参阅图2，冬季制热模式下，从压缩机23出口的制冷剂经油分离器24后由四通阀26控制先流经蒸发器27(此模式下蒸发器27作为冷凝器使用)放热后再到空气换热器29吸热。图1中所示的分层集热水箱01布置于空气换热器29的出口处用于过热制冷剂。

参阅图1，从空气换热器29出口的制冷剂从制冷剂入口14进入，经过第六三通阀15和第八三通阀16后进入分层集热水箱01的高温区进行换热。此时的制冷剂可以根据制冷剂温度以及分层集热水箱01各层空间的温度判断选择参与分层集热水箱01换热的层空间。因此存在以下几种流动方式：

方式一：当制冷剂温度较高而分层集热水箱01温度过低时，制冷剂不参与分层集热水箱01换热，经第八三通阀16、第七三通阀17、第十一三通阀20后直接从制冷剂出口21进入四通阀26；

方式二：制冷剂经过第六三通阀15后与分层集热水箱01第四层空间44或第五层空间45任一换热；

方式三：制冷剂依次与分层集热水箱01第四层空间44和第五层空间45换热，最后从制冷剂出口21进入四通阀26。

发动机缸套冷却水在分层集热水箱01的低温区换热，其控制方式与制冷剂的控制相似，从发动机缸套冷却水入口05进入第一三通阀06然后经过如下判断选择参与换热的层数：冷却水温度高于分层集热水箱01换热层(也就是对应的层空间)的温度，且第九三通阀18温度不低于冷却水最低设置温度。

发动机尾气以同样的控制方式在分层集热水箱01的高温区换热，同样，发动机尾气出口13的温度不宜过低。

二、夏季制冷模式：

参阅图2，夏季制冷模式下，从压缩机23出口的制冷剂经油分离器24后由四通阀26控制先流经分层集热水箱01，此时的分层集热水箱01起冷却制冷剂的作用。然后在空气换热器29中继续冷却，再到蒸发器27中蒸发吸热，实现制冷。如图1所示，制冷模式下制冷剂回路进入分层集热水箱01的低温区进行换热，参与换热的模式与冬季制热模式中的方式类似。发动机缸套冷却水余热回收回路以及烟气余热回收回路的控制与冬季制热模式中的方式一致。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，其特征在于：包括分层集热水箱(01)，所述分层集热水箱(01)设有隔热隔板(02)、热水出口(03)、水箱补水入口(04)、发动机缸套冷却水入口(05)、发动机缸套冷却水出口(08)、发动机尾气入口(09)、发动机尾气出口(13)、制冷剂入口(14)、制冷剂出口(21)；所述隔热隔板(02)设置有若干块且通过安装隔热隔板(02)将所述分层集热箱由下而上分为若干层空间；所述分层集热箱的各层空间均设有换热管，所述换热管包括第一换热管(34)、第二换热管(35)和第三换热管(36)；所述第一换热管(34)的进口与所述发动机缸套冷却水入口(05)相接，所述第一换热管(34)的出口与所述发动机缸套冷却水出口(08)相接；所述第二换热管(35)的进口与所述发动机尾气入口(09)相接，所述第二换热管(35)的出口与所述发动机尾气出口(13)相接；所述第三换热管(36)的进口与所述制冷剂入口(14)相接，所述第三换热管(36)的出口与所述制冷剂出口(21)相接；所述水箱补水入口(04)位于所述分层集热水箱(01)的底部，所述热水出口(03)位于所述分层集热水箱(01)的顶部。

2.根据权利要求1所述的燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，其特征在于：所述第一换热管(34)位于所述分层集热水箱(01)的下层空间，所述第二换热管(35)位于所述分层集热水箱(01)的上层空间。

3.根据权利要求1或2所述的燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，其特征在于：所述隔热隔板(02)设置有四块，所述隔热隔板(02)将所述分层集热箱由下而上分为第一层空间(41)、第二层空间(42)、第三层空间(43)、第四层空间(44)和第五层空间(45)；所述第一换热管(34)设置有两根，分别位于所述第一层空间(41)和所述第二层空间(42)，所述发动机缸套冷却水入口(05)与所述发动机缸套冷却水出口(08)之间连接有第一连接管；所述第一层空间(41)内的第一换热管(34)的进口与所述发动机缸套冷却水入口(05)相通且在与第一连接管的接口处设置有第一三通阀(06)，第一层空间(41)内的第一换热管(34)的出口接入所述第一连接管上；所述第二层空间(42)内的第一换热管(34)的出口与所述发动机缸套冷却水出口(08)相通，所述第二层空间(42)内的第一换热管(34)的进口接入所述第一连接管上且在接入处设置有第二三通阀(07)；所述第二换热管(35)设置有三根，分别位于第三层空间(43)、第四层空间(44)和第五层空间(45)；所述发动机尾气入口(09)与所述发动机尾气出口(13)之间连接有第二连接管，三根第二换热管(35)串联在所述第二连接管上，位于第三层空间(43)的第二换热管(35)的进口与所述发动机尾气入口(09)相通且与第二连接管的接口处设置有第三三通阀(10)，位于第四层空间(44)的第二换热管(35)的进口与第二连接管的连接处设置有第四三通阀(11)，位于第五层空间(45)的第二换热管(35)的进口与第二连接管的连接处设置有第五三通阀(12)，第五层空间(45)的第二换热管(35)的出口与所述发动机尾气出口(13)相通。

4.根据权利要求3所述的燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，其特征在于：所述第三换热管(36)设置有四根，分别位于第一层空间(41)、第二层空间(42)、第四层空间(44)和第五层空间(45)；所述分层集热水箱(01)还设有第三连接管，所述制冷剂入口(14)连接在所述第三连接管上且在连接处设置有第六三通阀(15)；四根所述第三换热管(36)串并联在所述第三连接管上，并且在由上而下的第三换热管(36)的进口与第三连接管的连接处依次设置有第七三通阀(17)、第八三通阀(16)、第九三通阀(18)和第十三通阀(19)；位于第一层空间(41)、第五层空间(45)的第三换热管(36)的出口分别与所述制冷剂出口(21)连通，且在连通处设置有第十一三通阀(20)。

5.根据权利要求3所述的燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，其特征在于：所述第一换热管(34)为管体具有双螺旋结构的换热管。

6.根据权利要求3所述的燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，其特征在于：所述第二换热管(35)为螺旋盘管结构的换热管。

7.根据权利要求4所述的燃气热泵余热梯级回收综合利用装置，其特征在于：所述第三换热管(36)为三个螺旋盘管结构并联设置的换热管。