CN110360767A - 一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统 - Google Patents

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张蕊
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Abstract

一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统，主要由柔性热泵循环系统和补燃型余热循环系统组成，所述柔性热泵循环系统的热源侧换热器与一台冷却塔以及不少于两台翅片式换热器并行连接，中间换热介质通过不少于两台的翅片式换热器从低温环境中取热；所述补燃型余热循环系统利用发动机余热，可全年提供高温热水，其中，补燃装置在冬季制热不足时开启，补燃装置产生的热量与发动机余热一并通过板式换热器辅助制冷剂蒸发，在翅片换热器结霜运行时，利用补燃装置热量及发动机余热对其进行交替除霜，保证连续稳定制热；本发明有效解决了空气源热泵夏季制冷能效低、冬季有除霜顽疾和制热能力不足的问题。

Description

一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统
技术领域
本发明涉及一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统，尤其涉及以增加烟气排量来辅助蒸发和交替除霜的废气补燃柔性热泵系统，属于热泵技术领域。
背景技术
热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，空气作为热泵的低品位热源，取之不尽用之不竭，可以无偿地获取，并且空气源热泵的安装和使用都比较方便。在20世纪80年代末，我国空气源热泵的研究有了较快的发展，但是空气源热泵在冬季低温运行时会出现制热能力不足和结霜的问题，针对这种情况，提出一种柔性热泵的思想，用热源/热汇装置种类的多元性，实现自然能源的充分利用和运行模式的灵活切换。对于提高空气源热泵夏季制冷效率具有借鉴性意义。对于空气源热泵除霜问题的解决，现阶段一般采用逆循环除霜，热气旁通除霜，电加热除霜，然而系统逆循环除霜时从室内取热，影响用户热舒适；热气旁通除霜和电加热除霜不足在于能量损耗大，且电加热除霜不易用在大型装置上。对于燃气热泵来说，回收燃气发动机缸套和烟气中的余热除霜，不仅解决空气源热泵融霜问题，还能保证供暖的连续性，充分提高燃气热泵的经济性。
在现有的技术中，公开了一种名为燃气热泵空调装置和用于加热废气的燃烧装置(申请号：CN02130146.8)，利用一个废气热交换装置，收集燃气发动机排出的废气中的废热，将该热量加入到发动机冷却水中，由发动机冷却水加热制冷剂，以增强加热能力。但是该装置仅涉及在冬季运行时系统取热不足的问题，并没有解决空气源热泵系统夏季运行时冷凝压力高、制冷效率低的技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了夏季制冷高效运行、冬季解决除霜顽疾和制热不足的一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统。
为达到以上目的，本发明所采用的技术方案：一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统，包括补燃型余热循环系统和柔性热泵循环系统；
冬季运行时，当环境温度尚未低于设定值时，所述一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统补燃装置(17)关闭，第一截止阀(22)关闭，从燃气发动机(13)出来的发动机冷却液与发动机废气换热在烟气换热器(16)中热交换后，经第一电动三通阀18(a、b)进入燃气发动机自循环；当环境温度低于设定值时，取热不足且不结霜时，所述补燃装置(17)开启，发动机冷却液与燃气发动机排出的废气以及所述补燃装置燃烧后的烟气在烟气换热器中换热后，依次通过第一电动三通阀18(a、b)，第二电动三通阀19(a、c)进入板式换热器(7)，在所述板式换热器(7)中与制冷剂换热，使高温的冷却液充当制冷剂的第二热源；当风冷翅片换热器(9)出现结霜时，发动机冷却液与主回路中混合烟气(包括发动机废气和补燃燃烧产生的烟气)在所述烟气换热器(16)换热后，一部分发动机冷却液经第一电动三通阀18(a、b)进入所述燃气发动机自循环；另一部分发动机冷却液经第一电动三通阀18(a、c)，第二电动三通阀19(a、c)进入所述板式换热器(7)中进行辅助制冷剂蒸发，其中取部分冷却液经第二电动三通阀19(a、b)通入一组所述风冷翅片换热器9(b)中进行除霜，另一组所述风冷翅片换热器9(a)正常运行，当所述风冷翅片换热器9(a)结霜时，第四截止阀25(a关闭，b开启)第六截止阀(a关闭，b开启)，另一组所述风冷翅片换热器9(b)正常运行，如此交替除霜。当系统无法从外界取热时，即使不在热源测换热器中换热，也能通过控制所述板式换热器(7)中发动机冷却液与制冷剂的换热量，对制冷剂进行蒸发，保证本柔性热泵系统稳定运行；
夏季运行时，在所述柔性热泵循环系统中，第二截止阀(23)、第七截止阀(28)开启，其余截止阀关闭，制冷剂经过压缩机(1)、过滤器(2)、油分离器(3)、四通阀(4)、热源测换热器(8)、膨胀阀(6)、用户侧换热器(5)、气液分离器(11)、干燥过滤器(12)最后返回压缩机。其中所述热源侧换热器(8)与冷却塔(10)并联连接，制冷剂与在冷却塔降温后的冷却水在所述热源侧换热器(8)中进行热交换；在所述余热回收循环系统中，所述补燃装置(17)停止运行，所述燃气发动机冷却液经所述余热换热器(14)与来自用户的低温水换热后，水温升高后供给用户使用，换热后的冷却液经液泵(15)在所述烟气换热器(16)中与来自所述燃气发动机排出的废气换热，换热后经第一电动三通阀18(a、b开启，c关闭)进入下一循环。其中当用户不需要生活热水时，冷却液中的热量经第一电动三通阀18(a、b、c开启)、第二电动三通阀(a、b开启，c关闭)通入一组风冷翅片换热器9(a)中将热量散掉；
本发明的有益效果是带有补燃装置的柔性燃气发动机热泵系统，可以通过所述风冷翅片换热器(9)和所述冷却塔(10)的切换，使所述柔性燃气机热泵在冬夏季都具有较高的性能，并可全年提供生活热水；此外，通过安装在系统中的辅助蒸发器和废气补燃装置，解决了柔性燃气机热泵系统在室外温度较低时制热量不足的问题，进一步拓展了柔性燃气机热泵系统的适用范围；
总之，本发明带有补燃装置的柔性燃气发动机驱动型压缩式热泵系统不仅扩宽了热泵系统的使用条件，使之具有较强的适用性，还能全年为用户提供足够的生活热水。
附图说明
图1为本发明一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统原理流程示意图；
图2为本发明制热模式第一实施方式流程图；
图3为本发明制热模式第二实施方式流程图；
图4为本发明制冷模式实施方式流程图；
图5为本发明补燃装置在补燃型余热循环系统中的结构示意图；
附图标记：压缩机(1)，过滤器(2)，油分离器(3)，四通阀(4)，用户侧换热器(5)，膨胀阀(6)，板式换热器(7)，热源侧换热器(8)，风冷翅片换热器(9)，冷却塔(10)，气液分离器(11)，干燥过滤器(12)，燃气发动机(13)，余热换热器(14)、液泵(15)，烟气换热器(16)，补燃装置(17)，第一电动三通阀(18)，第二电动三通阀(19)，液泵(20)，液泵(21)，第一截止阀(22)，第二截止阀(23)，第三截止阀(24)，第四截止阀(25)，第五截止阀(26)，第六截止阀(27)，第七截止阀(28)，第八截止阀(29)，第一单向阀(30)，第二单向阀(31)；图中，箭头方向表示管路中流体的流向。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统作具体描述。
图1所示本发明一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统的总体结构系统图，包括补燃型余热循环系统和柔性热泵循环系统组成；
在所述柔性热泵循环系统中，压缩机(1)出口与过滤器(2)进口相连接，所述过滤器(2)出口与油分离器(3)进口连接，所述油分离器(3)出口与四通阀4(a)口连接，所述四通阀4(b)口连接用户侧换热器(5)入口、所述户侧换热器(5)出口与膨胀阀(6)入口连接，所述膨胀阀(6)出口与热源侧换热器(8)入口相连，所述热源侧换热器(8)出口与板式换热器(7)入口相连，所述板式换热器(7)出口与四通阀4(d)口连接，所述四通阀4(c)口气液分离器(11)进口连接，所述气液分离器(11)出口与干燥过滤器(12)进口相连，所述干燥过滤器(12)出口与所述压缩机进口连接，其中所述热源侧换热器(8)分别与风冷翅片换热器模块(9)和冷却塔(10)并联连接；所述压缩机(1)由作为驱动源的燃气发动机(13)驱动，通过离合器进行轴连接，所述压缩机(1)压缩来自用户侧换热器(5)或热源侧换热器(8)的低温低压气态制冷剂，并排出高温高压气态制冷剂；所述油分离器(3)是分离制冷剂中含有的油成分并使制冷剂返回到所述压缩机(1)；所述气液分离器是分离来自膨胀阀(6)中的气液混合体，气体通入所述压缩机进行压缩；所述干燥过滤器(2)是防止湿蒸汽进压缩机，发生湿压缩现象，从而减小压缩机的使用寿命；所述膨胀阀(6)减小冷凝后的高温高压液态制冷剂的压力，起到膨胀液态制冷剂的作用，使之变成低温低压的液态制冷剂；所述四通阀设置在制冷剂管路中，一侧连接所述用户侧换热器(5)，一侧连接所述热源侧换热器(8)，它用于改变冬夏季制热和制冷模式的转变；
在所述补燃型余热循环系统中，由发动机内循环部分和生活热水部分组成；在所述发动机内循环部分，燃气发动机(13)出口与余热换热器(14)进口相连接，所述余热换热器(14)出口与液泵(15)进口相连，所述液泵(15)出口与烟气换热器(16)水侧入口连接、所述烟气换热器(16)水侧出口与第一电动三通阀18(a)口连接，所述第一电动三通阀18(b)口与燃气发动机(13)入口连接，所述第一电动三通阀18(c)口与第二电动三通阀19(a)口连接，所述第二电动三通阀19(b)分别与第五截止阀26(b)和第六截止阀27(b)相连，板式换热器(7)进口连接第二电动三通阀19(c)口，出口与液泵(15)入口相连。所述补燃装置(17)入口与所述燃气发动机(13)烟气出口连接，出口与所述烟气换热器(16)烟气侧入口连接。在所述生活热水部分，余热换热器(14)入口与液泵(21)出口连接，出口与用户相连；一方面生活热水部分通过所述燃气发动机冷却液和所述余热换热器(14)进行换热，从发动机出来的冷却液为高温液体，经所述余热换热器(14)把热量传递给生活用水循环中的低温水，使之水温升高来给用户提供生活热水；另一方面所述发动机内循环部分，从所述燃气发动机(13)排出的废气与在所述补燃装置(17)燃烧后的烟气混合后在烟气换热器(16)中与发动机冷却液进行换热。使发动机冷却液水温升高，弥补生活热水部分消耗的热量，在所述制冷模式时，用户不需要太多的生活热水时，冷却液中多余的热量经一组风冷翅片换热器(9)散掉；所述制热模式时，冷却液进入所述板式换热器(7)充当制冷剂的第二热源，对所述热源侧换热器进行辅助蒸发；所述补燃装置(17)由温度检测装置17(a)和燃烧器17(b)组成，其作用是当室外温度低于设定值时，所述温度检测装置17(a)会向燃烧器17(b)发送加热的信号，燃气通入燃烧器17(b)中进行燃烧，所述燃烧器中有一个能控制燃气和空气比例的喷嘴17(d)，通过喷嘴可以控制燃气的进气量；燃料燃烧后会产生高温的气体，高温气体中的热量和发动机排出的废气中的热量一致，一起在主通道混合后，进入所述烟气换热器(16)，在所述烟气换热器中，主通道混合气体与发动机冷却液进行换热，发动机冷却液吸收由主通道混合气体的热量；
本发明系统在制热运行时有两种实施方式；
所述制热模式第一实施方式；
如图2所示，本发明带有补燃装置的柔性燃气发动机驱动型压缩式热泵系统第一实施方式用于制热运行加辅助蒸发，在所述补燃型余热循环系统中，当室外温度低于设定值时，系统取热不足且不结霜时，温度检测装置17(a)检测到低温信号并传递给燃烧器17(b)，启动补燃装置(17)，此时往燃烧器17(b)中通入燃气，燃气通过一个带有能控制空气和燃气比例的喷嘴调节，保证与主通道燃气发动机排出废气中的温度相同，燃烧后的烟气与发动机排出的废气在主管路中混合后，经烟气换热器(16)与发动机冷却液换热，换热后的冷却液一部分经电动三通阀18(a、b)进入燃气发动机自循环，另一部分冷却液依次经第一电动三通阀18(a、c)、第二电动三通阀19(a、c开启，b关闭)在板式换热器(7)中辅助制冷剂蒸发。在所述柔性热泵循环系统中，制冷剂依次经过压缩机(1)、过滤器(2)、油分离器(3)、四通阀(4)、用户侧换热器(5)、膨胀阀(6)、热源测换热器(8)、板式换热器(7)，第一截止阀(22)、第二截止阀(23)、第三截止阀24(a)、第四截止阀25(a)、第五截止阀26(a)和第六截止阀27(a)开启，其余截止阀关闭，热源测换热器(8)中制冷剂与风冷翅片换热器(9)中冷冻水进行热交换，部分吸热不足的制冷剂在板式换热器(7)与发动机冷却液再次进行热交换，吸热后的制冷剂通过换向阀(4)进入气液分离器(11)，分离后的气体经干燥过滤器(12)返回压缩机(1)；当所述翅片换热器(9)出现结霜时，从燃气发动机(13)出来的冷却液在余热换热器(14)中与来自用户的低温水热交换，低温水升温后供用户使用，换热后的发动机冷却液在烟气换热器(16)中与主回路中混合烟气(包括发动机废气和补燃燃烧产生的烟气)进行热交换后，一部分发动机冷却液经第一电动三通阀18(a、b)进入燃气发动机自循环；另一部分发动机冷却液经第一电动三通阀18(a、c)，第二电动三通阀19(a、c)进入板式换热器(7)中进行辅助制冷剂蒸发，其中取部分冷却液经第二电动三通阀19(a、b)通入一组风冷翅片换热器9(b)中进行除霜，另一组风冷翅片换热器9(a)正常运行，当风冷翅片换热器9(a)结霜时，第四截止阀25(a关闭，b开启)第六截止阀(a关闭，b开启)，另一组风冷翅片换热器9(b)正常运行，如此交替除霜。在此运行模式中，即使系统无法从环境取热时，也能通过控制板式换热器(7)中发动机冷却液与制冷剂的换热量，对制冷剂进行蒸发，保证系统能够稳定运行；当所述热源侧换热器(8)满足制冷剂蒸发的所需热量时，关闭第一截止阀(22)只通过热源侧换热器(8)进行换热；在所述生活热水部分中，第八截止阀(29)开启，低温水经液泵(21)在余热换热器(14)中与燃气发动机冷却液进行热交换，升温后的生活热水供给用户使用；
所述制热模式第二实施方式；
如图3所示，本发明带有补燃装置的柔性燃气发动机驱动型压缩式热泵系统第二实施方式用于制热运行不开补燃装置，所述制热模式第二实施方式的热泵循环系统运行方式与所述制热模式第一实施方式的热泵循环运行方式基本相同，与所述制热模式第一实施方式的区别在于所述补燃型余热回收循环系统和所述燃气机柔性热泵循环系统中补燃装置(17)关闭，第一截止阀(22)关闭不进行辅助蒸发。当环境温度尚未低于设定值时，从燃气发动机(13)出来的冷却液经余热换热器(14)与来自用户的低温水换热，低温水升温后供用户使用，换热后的发动机冷却液与发动机废气换热在烟气换热器(16)中热交换后，经第一电动三通阀18(a、b)进入燃气发动机自循环；
本发明系统在所述制冷运行时实施方式；
如图4所示，在所述余热回收循环系统中，补燃装置(17)停止运行，燃气发动机冷却液在余热换热器(14)中与来自用户的低温水换热后，水温升高后供给用户使用，降温后的冷却液经液泵(15)在烟气换热器(16)中与来自燃气发动机排出的废气进行热交换升温后，经第一电动三通阀18(a、b开启，c关闭)进入燃气发动机自循环。其中当用户不需要太多生活热水时，冷却液中的热量经第一电动三通阀18(a、c)、第二电动三通阀(a、b开启，c关闭)通入一组风冷翅片换热器9(a)中将热量散掉。在所述柔性热泵循环系统中，第二截止阀(23)、第七截止阀(28)开启，其余截止阀关闭，制冷剂经过压缩机(1)、过滤器(2)、油分离器(3)、四通阀(4)、热源测换热器(8)、膨胀阀(6)、用户侧换热器(5)、气液分离器(11)、干燥过滤器(12)最后返回压缩机。其中热源侧换热器(8)与冷却塔(10)并联连接，为了加快制冷剂的向空气散热，制冷剂与在冷却塔降温后的冷却水在热源侧换热器(8)中进行热交换。把制冷剂中多余的热量通过冷却塔放掉，提高制冷循环的制冷效果；在该所述运行方式中，用户侧换热器(5)充当蒸发器，吸收室内用户的热量，达到制冷的目的，低温低压的液态制冷剂经过压缩机(1)变成高温高压的气态制冷剂，经过热源侧换热器(8)，此时的热源侧换热器充当冷凝器使用，高温高压的气态制冷剂在热源侧换热器中与环境放热，变成高温高压的液态制冷剂，再通过膨胀阀(6)变成低压低温液态制冷剂后进入用户侧换热器(5)，此时用户侧换热器充当蒸发器使用，低温低压的液态制冷剂在用户侧换热器(5)蒸发吸热，使室内温度降低，达到制冷的目的；
如图5为补燃装置在所述补燃型余热回收循环系统中的放大部分的结构图，用于加热废气的补燃装置(17)包括温度检测装置17(a)、燃烧器17(b)、一个设置在燃烧器内的喷嘴(d)和一个能控制燃气空气比例的比例阀17(c)；在所述补燃装置(17)中，燃料在燃烧器17(a)中燃烧，燃烧后的气体与燃气发动机(13)排出的废气在主管路中混合，然后经过烟气换热器(16)与燃气发动机冷却液进行换热，吸收烟气中的热量。在所述制热运行期间，当温度检测装置17(b)检测到室外环境温度低于设定值时，比例阀17(c)开启，燃气和空气通过比例阀17(c)向燃烧器内的喷嘴17(d)提供燃料和空气，并在燃烧器喷嘴17(a)内点燃燃气空气混合物；当燃烧后产生的高温气体被输送到主通道后与燃气发动机(13)排出的废气混合；发动机冷却液被进一步加热并提供给板式换热器(7)；在所述板式换热器(7)中和制冷剂换热，此时发动机冷却液充当制冷剂的第二热源；因此，即使在室外环境温度低于设定值也能蒸发低温低压的制冷剂，并将制冷剂提供给制冷剂回路。
以上示意性的对本发明及实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图所示也只是本发明的实施方式之一，实际结构并不局限于此。如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，元件造型/连接方式不经创造性的设计，与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统，其特征在于柔性热泵循环系统和补燃型余热循环系统，所述的补燃型余热循环系统包括燃气发动机、余热换热器、烟气换热器、补燃装置、第一电动三通阀、第二电动三通阀、板式换热器和连接管路；所述柔性热泵循环系统包括压缩机、过滤器、油分离器、四通阀、用户侧换热器、膨胀阀、第一截止阀、第二截止阀、板式换热器、热源侧换热器、风冷翅片换热器、冷却塔、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀、气液分离器、干燥过滤器。
2.根据权利要求1所述的补燃型余热循环系统，其特征在于冬季制热能力不足时，启动补燃装置，与补燃装置燃烧产生的烟气与发动机烟气混合后，经烟气换热器将热量传递给发动机冷却液，被加热的发动机冷却液一部分经第一电动三通阀进入燃气发动机进行自循环，另一部分冷却液依次流经第一电动三通阀和第二电动三通阀后进入板式换热器中将热量传递给制冷剂，起到辅助蒸发的作用。
3.根据权利要求1所述的补燃型余热循环系统，其特征在于冬季制热能力不足且翅片换热器结霜时，启动补燃装置，与补燃装置燃烧产生的烟气与发动机烟气混合后，经烟气换热器将热量传递给发动机冷却液，被加热的发动机冷却液一部分经第一电动三通阀进入燃气发动机进行自循环，另一部分冷却液依次流经第一电动三通阀、第二电动三通阀、第五电磁阀或第六电磁阀(交替除霜)后进入风冷式翅片式换热器中，达到除霜目的。
4.根据权利要求1所述的柔性热泵循环系统，其特征在于冬季制热能力不足时，补燃装置开启，未完全蒸发的制冷剂经热源测换热器蒸发以后进入板式换热器中吸收发动机冷却液的热量(包括发动机烟气余热、发动机缸套余热以及补燃装置产生的热量)达到过热状态，弥补由于冬季低环境温度导致的热源侧换热器中制冷剂蒸发能力不足的缺陷，从而保证热泵系统的稳定运行；在夏季制冷运行时，制冷剂在热源侧换热器中将冷凝热传递给中间换热介质后，经冷却塔散走，降低冷凝温度，保证夏季制冷的高效运行。
5.根据权利要求1所述一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统，其特征在于通过余热换热器吸收发动机余热和补燃装置产生的热量(仅在开启补燃装置时)，可全年提供给用户生活热水。
6.根据权利要求1所述一种带有补燃装置的柔性燃气机驱动型压缩式热泵系统，其特征在于夏季制冷运行时，在满足用户热水需求后，通过任意一台翅片换热器将发动机余热散走，以保证发动机安全稳定地运行。
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