CN109945543B - 一种燃气空气源热声热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气空气源热声热泵系统，包括燃气与空气混合装置、高温燃烧器、热声发动机、谐振子、热声热泵和四通阀，高温燃烧器的一端连接燃气与空气混合装置，高温燃烧器的另一端通过高温换热器连接热声发动机的一端，热声发动机的另一端通过谐振子连接热声热泵；第一四通阀的C口连接低温换热器，第一四通阀的A口通过第一水泵分别与热声发动机换热器和中温换热器连接，第一四通阀的B口连接室外换热器，第一四通阀的D口连接室内换热器。本发明利用天然气和空气混合燃烧获得的高温热源驱动热声发动机，并利用热声发动机带动热声热泵，热声热泵连接低温换热器，热声热泵通过低温换热器从室外环境中吸取热量，并通过室内换热器输出热量。

Description

一种燃气空气源热声热泵系统

技术领域

本发明涉及清洁供暖与能源高效利用领域，特别涉及一种燃气空气源热声热泵系统。

背景技术

燃气热泵技术是一种新型热泵技术，以燃气作为驱动能源，将室外环境中的热量泵送到高温端，实现供热的效能，具有节能环保，无污染的优点，响应了国家的煤改气号召，因此具有广泛的应用前景。而现有的燃气热泵技术主要是溴化锂—水吸收式热泵技术以及氨系工质对吸收式热泵技术，传统吸收式热泵的核心部件包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、膨胀阀以及溶液换热器。在燃气锅炉产生的高温热水或者蒸汽(常利用200℃以下的热量)的驱动下，发生器产生制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽进入冷凝器中放热，冷凝后的液体制冷剂通过膨胀阀节流降压后进入蒸发器，在蒸发器中蒸发为制冷剂蒸汽的同时从周围的空气中提取低品位热能，然后进入吸收器中被含制冷剂小的溶液吸收，并放出吸收热。溶液吸收制冷剂蒸汽后变为浓溶液，被溶液泵升压后进入溶液换热器与流出发生器的含制冷剂较少的高温溶液换热，升温后进入发生器，然后在外界热源的驱动下产生新的蒸汽，实现不断循环，从而实现能量的放大与高效利用，并通过吸收器和冷凝器制取所需要的热量供给用户。溴化锂热泵技术目前已经非常成熟，在工业余热回收等场合获得了广泛的应用。但如果将吸收式热泵用于燃气取暖供热将产生三个问题：一是溴化锂热泵采用水作工作介质，因此其工作温度不能低于0℃，否则将发生凝固；二是当泵热温差较大时，吸收式热泵的效率急剧下降，在温差为50℃以上时几乎不能工作,且制热系数小于1；三是溴化锂热泵只能利用200℃以下的热量，因此不能充分利用天然气燃烧后产生的高温热

因此大温差下燃料消耗大,运行成本较高。

为了克服上述溴化锂—水吸收式燃气热泵的不足，扩大燃气热泵的使用温区，有人提出了氨系工质对吸收式热泵技术，来解决溴化锂—水工质对无法适用于蒸发温度低于0℃的情况。但由于制冷剂氨气和吸收剂水的沸点差较小(氨的沸点是-33.3℃)，从发生器出来的氨蒸汽中混有水蒸气，需要采用精馏装置来提高进入冷凝器的氨蒸汽浓度，但会造成系统的结构复杂。而使用硝酸锂作为吸收剂，由于制冷剂与吸收剂的沸点差较大，因此可以不需要使用精馏装置。但该方法会随着室外气温的下降，工作性能急剧降低，因此其使用受到了约束。为此有人提出采取在蒸发器与吸收器之间或发生器与冷凝器之间增加一个压缩机，从而实现低压增压或高压增压，克服低温下性能剧减的不足。但由于此方法增加了系统的复杂性，也因此受到了制约。

也有人提出采用双级空气源吸收式热泵和双级耦合式吸收式热泵技术，但由于系统过于复杂，尺寸过大，不够紧凑，成本增加以及氨工质有毒易爆不适合家庭分散式供热，也因此没有被广泛利用。

也有人提出采用压缩式空气源热泵技术，但该技术内部机械运动部件较多，尺寸过大，受到效率和寿命以及尺寸的制约，也因此没有被广泛利用。

发明内容

本发明为解决传统技术的上述缺陷，提供一种燃气空气源热声热泵系统。

本发明提供一种燃气空气源热声热泵系统，包括燃气与空气混合装置、高温燃烧器、热声发动机、谐振子、热声热泵和四通阀，所述四通阀包括第一四通阀和第二四通阀，所述高温燃烧器的一端连接所述燃气与空气混合装置，所述高温燃烧器的另一端通过高温换热器连接所述热声发动机的一端，所述热声发动机的另一端通过谐振子连接所述热声热泵；

所述热声发动机通过热声发动机换热器连接所述谐振子，所述谐振子通过中温换热器连接所述热声热泵的一端，所述热声热泵的另一端连接低温换热器，所述第一四通阀的C口连接所述低温换热器，所述第一四通阀的A口通过第一水泵分别与所述热声发动机换热器和中温换热器连接，所述第一四通阀的B口连接室外换热器，所述第一四通阀的D口连接室内换热器；

所述第二四通阀的A’口连接所述室外换热器，所述第二四通阀的B’口通过第二水泵分别与所述热声发动机换热器和中温换热器连接，所述第二四通阀的C’口通过第三水泵连接所述室内换热器，所述第二四通阀的D’口连接所述室内换热器。

其中，所述燃气空气源热声热泵系统还包括燃气输入端换热器，所述燃气输入端换热器连接所述燃气与空气混合装置的一端，所述燃气与空气混合装置的另一端连接所述高温燃烧器；所述燃气输入端换热器用于利用高温燃烧器中排出的尾气的热能，为通入燃气输入端换热器的天然气和空气加热。

其中，所述燃气空气源热声热泵系统还包括发电机，所述发电机与所述谐振子连接。

其中，所述燃气输入端换热器一端与所述燃气与空气混合装置连接，另一端通过尾气排放端换热器与外界连接；所述尾气排放端换热器用于利用尾气的热能为传热工质加热。

其中，所述燃气空气源热声热泵系统还包括储电装置，所述储电装置连接所述发电机。

其中，所述储电装置的输出端分别与所述第一水泵、第二水泵和第三水泵相连接。

其中，所述室外换热器上安装有风扇机组，所述风扇机组与所述储电装置相连接。

其中，所述室外换热器上安装有电加热装置，所述电加热装置与所述储电装置相连接。

其中，所述尾气排放端换热器一端与所述燃气输入端换热器相连接，另一端连接所述室外换热器。

其中，所述燃气空气源热声热泵系统还包括燃气管道和输水管道，所述输水管道内的传热工质为防冻液。

本发明提供的燃气空气源热声热泵系统，利用天然气和空气混合燃烧获得的高温热源驱动热声发动机，并利用热声发动机带动热声热泵，热声热泵连接低温换热器，热声热泵通过低温换热器从室外环境中(-30℃至10℃)吸取热量，并通过室内换热器输出热量。与现有的燃气热泵技术只能有效利用200℃的热能相比，本发明充分利用空气和天然气混合燃烧所产生的高温热能(650℃～700℃)驱动热声发动机，热声发动机带动热声热泵吸取空气中的低温热源为室内供热。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的燃气空气源热声热泵系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的另一种燃气空气源热声热泵系统的结构示意图；

图3为根据本发明实施例提供的又一种燃气空气源热声热泵系统的结构示意图；

图中，1高温燃烧器、2高温换热器、3热声发动机、4热声发动机换热器、5谐振子、6发电机、7中温换热器、8第一水泵、9尾气排放端换热器、10第一四通阀、11室外环境、12风扇机组、13室内换热器、14室内、15、第二四通阀、16第三水泵、17第二水泵、18储电装置、19燃气与空气混合装置、20燃气输入端换热器、21热声热泵、22室外换热器；23电加热装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一模块实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为根据本发明实施例提供的燃气空气源热声热泵系统的结构示意图，如图1所示，燃气空气源热声热泵系统包括燃气与空气混合装置19、高温燃烧器1、热声发动机3、谐振子5、热声热泵21和四通阀，所述四通阀包括第一四通阀10和第二四通阀15，所述高温燃烧器1的一端连接所述燃气与空气混合装置19，所述高温燃烧器1的另一端通过高温换热器2连接所述热声发动机3的一端，所述热声发动机3的另一端通过谐振子5连接所述热声热泵21；

所述热声发动机3通过热声发动机换热器4连接所述谐振子5，所述谐振子5通过中温换热器7连接所述热声热泵21的一端，所述热声热泵21的另一端连接低温换热器，所述第一四通阀10的C口连接所述低温换热器，所述第一四通阀10的A口通过第一水泵8分别与所述热声发动机换热器4和中温换热器7连接，所述第一四通阀10的B口连接室外换热器22，所述第一四通阀10的D口连接室内换热器13。

具体地，参照图1，高温燃烧器1的一端连接燃气与空气混合装置19，高温燃烧器1的另一端通过高温换热器2连接热声发动机3的一端。天然气进入燃气与空气混合装置19，在混合装置中与空气充分混合，随后进入高温燃烧器1中燃烧，将高温热量(650℃～700℃)输入热声发动机3。

热声发动机3的另一端通过谐振子5连接所述热声热泵21；谐振子5包括活塞和弹簧，谐振子5中活塞和弹簧刚度的调节，对于构建空气源热声热泵系统内部行波声场起着重要的作用。谐振子5使得热声发动机3和热声热泵21同时实现行波声场，并使二者相互匹配，将热声发动机3输出的声功以较小的代价传递给热声热泵21，驱动其泵热，提高了能量的利用效率。

热声发动机3通过热声发动机换热器4连接所述谐振子5，谐振子5通过中温换热器7连接热声热泵21的一端，热声热泵21的另一端连接低温换热器。热声发动机3驱使热声热泵21，通过低温换热器从室外环境11中(-30℃至10℃)吸取热量，泵送到中温换热器7中。

其中，燃气空气源热声热泵系统还包括燃气管道和输水管道，燃气管道用于输送天然气、空气与天然气混合气以及高温燃烧器1中燃烧产生的尾气，其中，热声发动机与热声热泵内部为氦气，气体在系统内进行交变流动。气体的流向在图1中以箭头指向标注。四通阀通过输水管道与各部件相连，低温换热器、室内换热器13和室外换热器22将防冻液作为换热工质，防冻液的流向在图1中以箭头方向标注。

第一四通阀10的C口连接所述低温换热器，第一四通阀10的A口通过第一水泵8分别与所述热声发动机3换热器和中温换热器7连接，第一四通阀10的B口连接室外换热器22，第一四通阀10的D口连接室内换热器13。第二四通阀15的A’口连接所述室外换热器22，第二四通阀15的B’口通过第二水泵17分别与所述热声发动机3换热器和中温换热器7连接，第二四通阀15的C’口通过第三水泵16连接所述室内换热器13，第二四通阀15的D’口连接所述室内换热器13。

热声热泵21通过两个四通阀与室外环境11和室内14的空气进行换热。冬天时，通过改变第一四通阀10和第二四通阀15中的活塞的位置，使得第一四通阀10的A口和D口之间畅通，B口和C口之间畅通。第二四通阀15的A’口和D’口之间畅通，B’口和C’口之间畅通，此时空气源热声热泵系统的主要功能是供热，空气源热声热泵系统通过低温换热器从室外环境11中(-30℃～10℃)吸取热量，并通过室内换热器13输出热量，以供室内14取暖。

夏天时，通过改变第一四通阀10以及第二四通阀15中活塞的位置，使得第一四通阀10的A口和B口之间畅通、C口和D口之间畅通。第二四通阀15的A’口和B’口之间畅通、C’口和D’口之间畅通。此时空气源热声热泵系统的主要功能是制冷，低温换热器与室内换热器13通过第一四通阀10和第二四通阀15相连，中温换热器7与室外换热器22通过第一四通阀10和第二四通阀15相连。空气源热声热泵系统通过低温换热器从室内14吸取热量，并将热量泵送到室外环境11中，使室内14达到制冷的目的。

本发明实施例提供的燃气空气源热声热泵系统，利用天然气和空气混合燃烧获得的高温热源驱动热声发动机，并利用热声发动机带动热声热泵，热声热泵连接低温换热器，热声热泵通过低温换热器从室外环境中(-30℃至10℃)吸取热量，并通过室内换热器输出热量。与现有的燃气热泵技术只能有效利用200℃的热能相比，本发明充分利用空气和天然气混合燃烧所产生的高温热能(650℃～700℃)驱动热声发动机，热声发动机带动热声热泵吸取空气中的低温热源为室内供热。

在本发明的一个优选实施例中，所述燃气空气源热声热泵系统还包括燃气输入端换热器20，所述燃气输入端换热器20连接所述燃气与空气混合装置19的一端，所述燃气与空气混合装置19的另一端连接所述高温燃烧器1；所述燃气输入端换热器20用于利用高温燃烧器1中排出的尾气的热能，为通入燃气输入端换热器20的天然气和空气加热。

高温燃烧器1中燃烧产生的尾气依次经过燃气与空气混合装置19，以及燃气输入端换热器20。充分利用高温燃烧器1中燃烧产生尾气的热能，在天然气和空气进入燃气与空气混合装置19之前，二者先经过燃气输入端换热器20，利用尾气的热能实现预加热，使其温度上升，随后在混合装置中完成充分混合，提高了能量利用效率。

在本发明的一个优选实施例中，所述燃气空气源热声热泵系统还包括发电机6，所述发电机6与所述谐振子5连接。

谐振子5与发电机6耦合工作，谐振子5往复运动时，能够切割发电机6中的磁感线，进而可以辅助发电。发电机6用于产生电能为空气源热声热泵系统供电。

在本发明的一个优选实施例中，所述燃气输入端换热器20一端与所述燃气与空气混合装置19连接，另一端通过尾气排放端换热器9与外界连接。所述尾气排放端换热器9用于利用尾气的热能为燃气空气源热声热泵系统中的传热工质加热，所述传热工质为防冻液。

如图1所示，高温燃烧器1中燃烧产生的尾气按依次经过燃气与空气混合装置19、燃气输入端换热器20和尾气排放端换热器9，使尾气的剩余热量最大化的被利用后，经过处理排放到空气中。提高了能量的利用效率。尾气排放端换热器9用于利用尾气的热能为燃气空气源热声热泵系统中的传热工质加热。输水管道内的传热介质为防冻液。防冻液是一种含有特殊添加剂的冷却液，主要用于液冷式发动机冷却系统，防冻液具有冬天防冻，夏天防沸，全年防水垢，防腐蚀等优良性能。利用防冻液作为传热介质，避免管道在冬天冻结。

在本发明的一个优选实施例中，所述燃气空气源热声热泵系统还包括储电装置18，所述储电装置18连接所述发电机6。发电机6产生电能为空气源热声热泵系统供电，发电机6还可以将产生的电量储存到储电装置18中，可以在需要时为空气源热声热泵系统的内部设备启动提供激励，进一步提升了能量的利用效率。

在本发明的一个优选实施例中，所述储电装置18的输出端分别与所述第一水泵8、第二水泵17和第三水泵16相连接。

发电机6将产生的电量储存到储电装置18中，储电装置18的输出端分别与所述第一水泵8、第二水泵17和第三水泵16相连接，储电装置18在需要时为第一水泵8、第二水泵17和第三水泵16供电。

在本发明的一个优选实施例中，所述室外换热器22上安装有风扇机组12，所述风扇机组12与所述储电装置18相连接。发电机6将产生的电量储存到储电装置18中，风扇机组12与所述储电装置18相连接，储电装置18在需要时为风扇机组12供电，提高了发电机6产生的能量的利用效率。

在本发明的一个优选实施例中，所述室外换热器22上安装有电加热装置23，所述电加热装置23与所述储电装置18相连接。图2为根据本发明实施例提供的另一种燃气空气源热声热泵系统的结构示意图，如图2所示，谐振子5与发电机6耦合，将发出的电能存储到储电装置18中，电加热装置23与储电装置18相连接。由于冬天室外环境11温度过低，导致室外换热器22结霜现象严重，制约了热声热泵21的供热性能，因此特在室外换热器22上安装电加热装置23，利用储电装置18向电加热器供电使其发热除霜，以保证室外换热器22的正常运行。

其中，尾气排放端换热器一端与所述燃气输入端换热器20相连接，另一端连接所述室外换热器22。图3为根据本发明实施例提供的又一种燃气空气源热声热泵系统的结构示意图，如图3所示，尾气排放端换热器一端与所述燃气输入端换热器20相连接，另一端连接室外换热器22。高温燃烧器1产生的尾气依次通过燃气与空气混合装置19、燃气输入端换热器20和尾气排放端换热器9后，尾气的温度仍高于0摄氏度，因此可以将排放的尾气进一步通入到室外换热器22，可以在寒冷的冬天进行除霜，将尾气中的热量进一步利用，使得室外换热器22可以高效的运行，提升了能量的利用效率。

本发明实施例提供的燃气空气源热声热泵系统，利用天然气和空气混合燃烧获得的高温热源驱动热声发动机，并利用热声发动机带动热声热泵，热声热泵连接低温换热器，热声热泵通过低温换热器从室外环境中(-30℃至10℃)吸取热量，并通过室内换热器输出热量。与现有的燃气热泵技术只能有效利用200℃的热能相比，本发明充分利用空气和天然气混合燃烧所产生的高温热能(650℃～700℃)驱动热声发动机，热声发动机带动热声热泵吸取空气中的低温热源为室内供热。

本发明实施例通过两个四通阀开口的切换实现室内供热和制冷的功能切换。谐振子与发电机耦合，为系统内部电子设备供电，同时提供启动激励，并电加热除霜。燃烧所获得的尾气可以预热燃烧的气体并提升泵热的数值以及解决冬季室外机组结霜的问题，最终实现能量的高效利用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然能够对前述各个实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中模块技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各个实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃气空气源热声热泵系统，包括热声热泵和四通阀，所述四通阀包括第一四通阀和第二四通阀，其特征在于，燃气空气源热声热泵系统还包括燃气与空气混合装置、高温燃烧器、热声发动机和谐振子，所述高温燃烧器的一端连接所述燃气与空气混合装置，所述高温燃烧器的另一端通过高温换热器连接所述热声发动机的一端，所述热声发动机的另一端通过谐振子连接所述热声热泵；

所述热声发动机通过热声发动机换热器连接所述谐振子，所述谐振子通过中温换热器连接所述热声热泵的一端，所述热声热泵的另一端连接低温换热器，所述第一四通阀的C口连接所述低温换热器，所述第一四通阀的A口通过第一水泵分别与所述热声发动机换热器和中温换热器连接，所述第一四通阀的B口连接室外换热器，所述第一四通阀的D口连接室内换热器；

所述第二四通阀的A’口连接所述室外换热器，所述第二四通阀的B’口通过第二水泵分别与所述热声发动机换热器和中温换热器连接，所述第二四通阀的C’口通过第三水泵连接所述室内换热器，所述第二四通阀的D’口连接所述室内换热器。

2.根据权利要求1所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述燃气空气源热声热泵系统还包括燃气输入端换热器，所述燃气输入端换热器连接所述燃气与空气混合装置的一端，所述燃气与空气混合装置的另一端连接所述高温燃烧器；所述燃气输入端换热器用于利用高温燃烧器中排出尾气的热能，为通入燃气输入端换热器的天然气和空气预热。

3.根据权利要求1所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述燃气空气源热声热泵系统还包括发电机，所述发电机与所述谐振子连接。

4.根据权利要求2所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述燃气输入端换热器一端与所述燃气与空气混合装置连接，另一端通过尾气排放端换热器与外界连接；所述尾气排放端换热器用于利用尾气的热能为燃气空气源热声热泵系统中的传热工质加热。

5.根据权利要求3所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述燃气空气源热声热泵系统还包括储电装置，所述储电装置连接所述发电机。

6.根据权利要求5所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述储电装置的输出端分别与所述第一水泵、第二水泵和第三水泵相连接。

7.根据权利要求5或6所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述室外换热器上安装有风扇机组，所述风扇机组与所述储电装置相连接。

8.根据权利要求5或6所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述室外换热器上安装有电加热装置，所述电加热装置与所述储电装置相连接。

9.根据权利要求4所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述尾气排放端换热器一端与所述燃气输入端换热器相连接，另一端连接所述室外换热器。

10.根据权利要求1所述的燃气空气源热声热泵系统，其特征在于，所述燃气空气源热声热泵系统还包括燃气管道和输水管道，所述输水管道内的传热工质为防冻液。

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