CN112361652A - 一种燃气发动机驱动的热泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气发动机驱动的热泵，包括燃气发动机、缸套水换热器、缸套水泵、传动装置、压缩机、第一制冷剂换热器、第二制冷剂换热器、第一节流装置、第一烟气换热器、第二烟气换热器。第一烟气换热器和第二烟气换热器设于燃气发动机的第一烟道上，第一烟气换热器中烟气加热缸套水，第二烟气换热器中烟气加热制冷剂；缸套水分别在第一烟气换热器、燃气发动机的缸套加热，经缸套水泵升压，通过缸套水换热器排出热量；第二烟气换热器的制冷剂侧与第一制冷剂换热器的制冷剂侧串联连接。本发明烟气高温余热直接换热使用，低温余热传递给制冷剂通过热泵提升品位，实现烟气余热分级高效利用。

Description

一种燃气发动机驱动的热泵

技术领域

本发明涉及一种热泵，尤其是一种燃气发动机驱动的热泵。

背景技术

燃气发动机驱动的热泵技术不断进步，在制冷制热领域取得了非常广泛的应用。市场上流行的燃气发动机驱动的热泵机组多为日本洋马、三洋等公司开发的小型多联机机组，多用于家庭住宅、小型商业或小型办公楼，使用场合有限，尤其是对于发动机烟气余热未能实现分级利用，随着可持续发展战略的实施、节能环保意识的不断加强，采用高效率的燃气热泵替换燃气热水锅炉是必然的选择，发展以燃气发动机驱动的热泵具有显著的经济效益和环保效益。

中国专利CN101865501B公开了一种半热回收型GHP燃气发动机驱动空调/热泵机组，在冷媒系统中设置有冷媒热回收换热器，发动机系统中设置有冷却水热回收换热器，生活热水回路串联连接冷媒热回收换热器和冷却水热回收换热器。其只有一个烟气换热器，烟气换热器中的烟气向缸套水散热，排烟温度高，回收烟气热量少，很难实现对烟气的冷凝热回收，造成烟气废热利用不充分。

日本专利JP2001248935A公开了发动机热泵中发动机废热回收方法，来自发动机烟气热量被烟气热交换器的缸套水和第二辅助热交换器的制冷剂吸收。烟气热交换器中的烟气向缸套水散热后，缸套水再向布置在室内热交换器与返回压缩机路径上的第一辅助热交换器内的制冷剂散热，第二辅助热交换器布置在室内热交换器与返回压缩机路径上。该专利的烟气热能回收量大，但烟气热能都传递到压缩机的吸气回路，该热能全由压缩机耗功压缩通过热泵技术才能实现烟气热能利用，烟气热量中的高温部分未能通过换热直接利用。

中国专利CN201610203393.5公开了一种用于集中供热系统的燃气驱动空气源热泵供热机组，烟气余热回收器设于内燃机的烟气管道上，烟气余热回收器的出水管路与供热系统的供水管道连接，烟气二次换热器作为热泵的第二蒸发器，制冷剂先流经第一蒸发器再流经第二蒸发器返回压缩机，烟气管道还与第一蒸发器的除霜装置连接。该专利改进了日本专利JP2001248935A，实现了烟气分级废热回收，但供暖热水直接通过烟气余热回收器，供暖热水水质不佳易引起烟气余热回收器结垢，烟气余热回收器效率大大下降。且供暖热水的压力高、温度较高，超过了发动机缸套水接管的承压，直接接入使用会导致缸套水管路卡箍式橡胶连接件脱落、爆管。烟气经过烟气余热回收器、烟气二次换热器散热后温度底、湿度高，不足以融化空气源蒸发器表面覆盖的霜层，甚至反而导致霜层加厚加密。

因此，需要一种结构设计合理、热能回收利用率高、可安全稳定运行的新型燃气发动机驱动的热泵，以至少解决现有技术中存在的问题。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提出一种结构设计合理、热能回收利用率高、可安全稳定运行的新型燃气发动机驱动的热泵，该燃气发动机驱动的热泵制热运行时能够连续不断的提供热水，制冷热回收运行时可用来同时制取冷水和热水。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供的一种燃气发动机驱动的热泵，该热泵包括燃气发动机、缸套水换热器、压缩机、第一制冷剂换热器、第二制冷剂换热器、第一烟气换热器、第二烟气换热器，其中，第一烟气换热器和第二烟气换热器设于燃气发动机的排烟烟道上，第一烟气换热器与缸套水换热器通过管道连接，压缩机与燃气发动机通过传动装置连接，第二烟气换热器与第一制冷剂换热器通过管道串联连接后，通过管道与压缩机连接，第一制冷剂换热器还与第二制冷剂换热器通过管道连接。

可选地，还包括经济器，其设于第一制冷剂换热器与第二制冷剂换热器之间，且通过管道与压缩机连接。

可选地，还包括：第一节流装置，其设于第一制冷剂换热器与第二制冷剂换热器之间，用于节流从经济器流出的制冷剂。

可选地，还包括：第一节流装置，其设于经济器与第一制冷剂换热器之间，用于节流从经济器流出的制冷剂；第二节流装置，其设于经济器与第二制冷剂换热器之间，用于节流流入经济器的制冷剂。

可选地，所述第二制冷剂换热器中凝结的制冷剂液体分为两路，第一路流进经济器，第二路经过第二节流装置节流后冷却第一路中其余制冷剂液体后变成制冷剂气体，再流回压缩机，而第一路流进经济器中的制冷剂液体被冷却后，通过第一节流装置节流后流进第一制冷剂换热器。

可选地，还包括：油分离器，其用于从压缩机排出的制冷剂气体中分离出润滑油；四通换向阀，设于油分离器与第二制冷剂换热器之间以及第二烟气换热器与压缩机之间的管道上。

可选地，还包括缸套水泵，用于当缸套水分别在第一烟气换热器、燃气发动机的缸套加热后，升压缸套水，以通过缸套水换热器排出热量。

可选地，所述燃气发动机和第一烟气换热器之间的排烟烟道设有蒸汽发生器，水在蒸汽发生器中吸收高温烟气的热量产生蒸汽。

可选地，当热泵处于除霜模式时，从压缩机排出的高温高压制冷剂经过四通换向阀流向第一制冷剂换热器，第一制冷剂换热器吸收高温制冷剂的热量，使第一制冷剂换热器上的霜层融化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)分级利用烟气热能，高品位烟气余热直接通过第一烟气换热器散热给缸套水，再通过缸套水换热器散热至热水或空气直接余热利用。低品位烟气余热通过第二烟气换热器散热给制冷剂，制冷剂通过压缩机耗能压缩提升品位后，再通过第二制冷剂换热器散热使用。

(2)第一烟气换热器中的烟气与缸套水的传热温差大，第二烟气换热器中的烟气与制冷剂传热温差大。第一烟气换热器和第二烟气换热器换热面积省、结构紧凑、换热器成本低。

(3)现有技术中，热水直接流进烟气换热器，若供暖热水水质不佳，则易引起烟气余热回收器结垢，烟气余热回收器效率大大下降，而本发明通过第一烟气换热器与发动机的闭式缸套水换热，缸套水侧水质好、压力低，第一烟气换热器可长期免维护高效运行。

(4)避免采用温度较低的高湿烟气用于蒸发器融霜，提高了蒸发器融霜可靠性。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

图1是本发明一种燃气发动机驱动的热泵实施例一流程图；

图2是本发明一种燃气发动机驱动的热泵实施例二流程图；

图3是本发明一种燃气发动机驱动的热泵实施例三流程图；

图4是本发明一种燃气发动机驱动的热泵实施例四流程图；

图5是本发明一种燃气发动机驱动的热泵中烟气排烟实施例；

图6是本发明一种燃气发动机驱动的热泵的缸套水换热和蒸汽发生器实施例。

附图编号说明：1、燃气发动机，2、压缩机，3、第一制冷剂换热器，4、第二制冷剂换热器，5、第一节流装置，6、第二节流装置，7、经济器，8、第一烟气换热器，10、第二烟气换热器，13、四通换向阀，14、缸套水换热器，16、油分离器，18、传动装置，19、第一单向阀，20、第二单向阀，21、第三单向阀，22、第四单向阀，23、干燥过滤器，27、中冷器，31、经济器第一阀门，34、热水，40、压缩机润滑油回路，41、缸套水管路，42、第一烟气阀，43、第二烟气阀，130、第一烟道，138、缸套水泵，139、第二烟道，140、蒸汽发生器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、实施方式和优点更加清楚，下面结合本发明的附图，对发明进行具体完整的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为本发明的限定。

需要说明的是，本发明所述的“连接”既包括两个部件直接连接，也包括两个部件通过其他部件间接连接。本发明所述的“阀门”、“单向阀”、“四通换向阀”等为必要或非必要部件。

图1所示的一种燃气发动机驱动的热泵的实施例一，包括燃气发动机1、压缩机2、第一制冷剂换热器3、第二制冷剂换热器4、第一节流装置5、第二节流装置6、经济器7、第一烟气换热器8、第二烟气换热器10、四通换向阀13、缸套水换热器14、油分离器16、传动装置18、第一单向阀19、第二单向阀20、第三单向阀21、第四单向阀22、干燥过滤器23、经济器第一阀门31、热水34、压缩机润滑油回路40、缸套水管路41、第一烟道130、缸套水泵138。第一烟气换热器8和第二烟气换热器10设于燃气发动机1的排烟烟道上，第一烟气换热器8中烟气加热缸套水，第二烟气换热器10中烟气加热制冷剂；缸套水分别在第一烟气换热器8、燃气发动机的缸套加热，经缸套水泵升压，通过缸套水换热器排出热量；第二烟气换热器10的制冷剂侧与第一制冷剂换热器3的制冷剂侧串联连接。其中，经济器7具有换热器的功能，用于提高换热效率。其通过制冷剂自身节流蒸发吸收热量从而使另一部分制冷剂得到过冷。

燃气发动机1和压缩机2通过传动装置18连接。燃气发动机1是自然吸气或涡轮增压的形式的一种，其附带的空气进气过滤管路、燃气进气管路和烟气消音器等属于现有技术，不再赘述。传动装置18形式是变速齿轮箱、皮带轮或飞轮盘中的一种，其一端与发动机连接，另一端与压缩机连接，把燃气发动机1的动力传递给压缩机2。燃气发动机1的转速连续可调，不同运行工况下燃气发动机1的转速进行调整以调节压缩机2的转速，实现燃气发动机1驱动压缩机2。压缩机2、第一制冷剂换热器3、第二制冷剂换热器4、第一节流装置5、第二节流装置6、经济器7、第二烟气换热器10、四通换向阀13、缸套水换热器14、油分离器16、第一单向阀19、第二单向阀20、第三单向阀21、第四单向阀22、干燥过滤器23、经济器第一阀门31、压缩机润滑油回路40构成了带经济器的蒸汽压缩式热泵循环。

压缩机2为开启式螺杆压缩机、开启式磁悬浮离心压缩机、开启式涡旋压缩机中的一种。压缩机2中的制冷剂为NH3、R718、HCFC22、HFC134a、HFC407C、HFC410a、HFC245fa、HFC507A、HFO1234yf、HFO1234zf中的一种。

在燃气发动机1中的燃气和空气混合燃烧后产生的高温烟气在第一烟道130中流经第一烟气换热器8，将一部分烟气余热散发到缸套水中。缸套水在缸套水管路41中先后流经第一烟气换热器8升温，再流经燃气发动机1的缸套继续升温，通过燃气发动机1上安装的缸套水泵138升压后流过缸套水换热器14，将热量排到外部的热水34(将温度低的热水，例如30℃加热至更高温度的热水)中，进行余热利用。第一烟气换热器8为板壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。

制热模式下，压缩机2中排出的含有润滑油的制冷剂气体先流经油分离器16，分离出的润滑油通过压缩机润滑油回路40流回压缩机2。流出油分离器16的制冷剂气体继续通过四通换向阀13至第二制冷剂换热器4，把制冷剂气体中热量在第二制冷剂换热器4凝结，排到外部的水或空气中，实现热能利用。在第二制冷剂换热器4凝结的制冷剂液体通过第二单向阀20，流经干燥过滤器23、经济器7。在经济器7中，一部分制冷剂液体经过第二节流装置6节流后变成低温低压气液两相制冷剂，低温低压气液两相制冷剂冷却经济器7中其余制冷剂液体后变成制冷剂气体，经过经济器第一阀门31再流回压缩机2的经济器口。经济器第一阀门31是单向阀、电磁阀或电动球阀中的一种。经济器7中的制冷剂液体被冷却后，通过第一节流装置5节流，流经第三单向阀21至第一制冷剂换热器3，在第一制冷剂换热器3中吸取外部空气或水中的热能。除霜模式时，从压缩机2排出的高温高压制冷剂经过四通换向阀13流向第一制冷剂换热器3，此时第一制冷剂换热器3作为蒸发器使用，第一制冷剂换热器3吸收高温制冷剂的热量，使第一制冷剂换热器3上的霜层融化。制热模式下，第一单向阀19和第四单向阀22闭合。

制热模式下，流出第一烟气换热器8的烟气再流过第二烟气换热器10，在第二烟气换热器10中继续向流出第一制冷剂换热器3的制冷剂散热。第二烟气换热器10为板壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。制冷剂在第二烟气换热器10被加热后通过四通换向阀13流回压缩机2的吸气口。

图2是本发明一种燃气发动机驱动的热泵的实施例二，图2与图1区别在于缺少经济器7、第一经济器阀31和对应管路。制热模式下，在第二制冷剂换热器4凝结的制冷剂液体通过第二单向阀20，流经干燥过滤器23，通过第一节流装置5节流，流经第三单向阀21至第一制冷剂换热器3，在第一制冷剂换热器3中吸取外部空气或水中的热能。除霜模式时，从压缩机2排出的高温高压制冷剂经过四通换向阀13流向第一制冷剂换热器3，此时第一制冷剂换热器3作为蒸发器使用，第一制冷剂换热器3吸收高温制冷剂的热量，使第一制冷剂换热器3上的霜层融化。制热模式下，第一单向阀19和第四单向阀22闭合。图2中的其余部分与图1相同。

图3是本发明一种燃气发动机驱动的热泵的实施例三，包括燃气发动机1、压缩机2、第一制冷剂换热器3、第二制冷剂换热器4、第一节流装置5、第二节流装置6、经济器7、第一烟气换热器8、第二烟气换热器10、缸套水换热器14、油分离器16、传动装置18、经济器第一阀门31、热水34、压缩机润滑油回路40、缸套水管路41、第一烟道130、缸套水泵138。

燃气发动机1和压缩机2通过传动装置18连接。燃气发动机1是自然吸气或涡轮增压的形式的一种，其附带的空气进气过滤管路、燃气进气管路和烟气消音器等属于现有技术，不再赘述。传动装置18形式是变速齿轮箱、皮带轮或飞轮盘中的一种，其一端与发动机连接，另一端与压缩机连接，把燃气发动机1的动力传递给压缩机2。燃气发动机1的转速连续可调，不同运行工况下燃气发动机1的转速进行调整以调节压缩机2的转速，实现燃气发动机1驱动压缩机2。压缩机2、第一制冷剂换热器3、第二制冷剂换热器4、第一节流装置5、第二节流装置6、经济器7、第二烟气换热器10、缸套水换热器14、油分离器16、经济器第一阀门31、压缩机润滑油回路40构成了带经济器的蒸汽压缩式热泵循环。压缩机2为开启式螺杆压缩机、开启式磁悬浮离心压缩机、开启式涡旋压缩机中的一种。压缩机2中的制冷剂为NH3、R718、HCFC22、HFC134a、HFC407C、HFC410a、HFC245fa、HFC507A、HFO1234yf、HFO1234zf中的一种。

在燃气发动机1中的燃气和空气混合燃烧后产生的高温烟气在第一烟道130中流经第一烟气换热器8，将一部分烟气余热散发到缸套水中。缸套水在缸套水管路41中先后流经第一烟气换热器8升温，再流经燃气发动机1的缸套继续升温，通过燃气发动机1上安装的缸套水泵138升压后流过缸套水换热器14，将热量排到外部的热水34中，进行余热利用。第一烟气换热器8为板壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。

制热模式下，压缩机2中排出的含有润滑油的制冷剂气体先流经油分离器16，分离出的润滑油通过压缩机润滑油回路40流回压缩机2。流出油分离器16的制冷剂气体继续通过第二制冷剂换热器4，把制冷剂气体中热量在第二制冷剂换热器4凝结，排到外部的水或空气中，实现热能利用。在第二制冷剂换热器4凝结的制冷剂液体流过经济器7。在经济器7中，一部分制冷剂液体经过第二节流装置6节流后变成低温低压气液两相制冷剂，低温低压气液两相制冷剂冷却经济器7中其余制冷剂液体后变成制冷剂气体，经过经济器第一阀门31再流回压缩机2的经济器口。经济器第一阀门31是单向阀、电磁阀或电动球阀中的一种。经济器7中的制冷剂液体被冷却后，通过第一节流装置5节流，流至第一制冷剂换热器3，在第一制冷剂换热器3中吸取外部空气或水中的热能。

制热模式下，流出第一烟气换热器8的烟气再流过第二烟气换热器10，在第二烟气换热器10中继续向流出第一制冷剂换热器3的制冷剂散热。第二烟气换热器10为板壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。制冷剂在第二烟气换热器10被加热后流回压缩机2的吸气口。

图4是本发明一种燃气发动机驱动的热泵的实施例四，图4与图3区别在于缺少经济器7、第一经济器阀31和对应管路。制热模式下，在第二制冷剂换热器4凝结的制冷剂液体通过第一节流装置5节流，流至第一制冷剂换热器3，在第一制冷剂换热器3中吸取外部空气或水中的热能。图4中的其余部分与图3相同。

图5是本发明一种燃气发动机驱动的热泵中烟气排烟部分实施例。图1、图2、图3和图4的实施例在第一烟道130中装有第一烟气阀42、第二烟道139中装有第二烟气阀43。制热模式下，第一烟气阀42开启，第二烟气阀43关闭，流出第一烟气换热器8的烟气流过第二烟气换热器10与制冷剂换热。

图6是本发明一种燃气发动机驱动的热泵的缸套水换热和蒸汽发生器实施例。发动机1是涡轮增压发动机，带有中冷器27。燃气发动机1排出的烟气在第一烟气换热器8中向缸套水散热。缸套水在缸套水管路41中，先在第一烟气换热器8中吸收烟气余热升温后，流经燃气发动机1的缸套继续升温，再通过燃气发动机1上安装的缸套水泵138升压后流过缸套水换热器14，将热量排到外部的热水或空气中，进行余热利用。从缸套水换热器14流出的缸套水，流经中冷器升温后流至第一烟气换热器8完成一个循环。燃气发动机1排出的高温烟气流入蒸汽发生器140和水换热，产生蒸汽。第一烟气换热器8为板壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。缸套水换热器14是水-水或水-空气换热器中的一种或组合。缸套水换热器14是板式换热器、壳管式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。蒸汽发生器140为板壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、翅片管式换热器中的一种。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是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，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。术语“安装”、“设置”、“连接”、“装置”应做广义理解，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于：该热泵包括燃气发动机、缸套水换热器、压缩机、第一制冷剂换热器、第二制冷剂换热器、第一烟气换热器、第二烟气换热器，其中，第一烟气换热器和第二烟气换热器设于燃气发动机的排烟烟道上，第一烟气换热器与缸套水换热器通过管道连接，压缩机与燃气发动机通过传动装置连接，第二烟气换热器与第一制冷剂换热器通过管道串联连接后，通过管道与压缩机连接，第一制冷剂换热器还与第二制冷剂换热器通过管道连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，还包括经济器，其设于第一制冷剂换热器与第二制冷剂换热器之间，且通过管道与压缩机连接。

3.根据权利要求1所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，还包括：

第一节流装置，其设于第一制冷剂换热器与第二制冷剂换热器之间，用于节流从经济器流出的制冷剂。

4.根据权利要求1所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，还包括：

第一节流装置，其设于经济器与第一制冷剂换热器之间，用于节流从经济器流出的制冷剂；

第二节流装置，其设于经济器与第二制冷剂换热器之间，用于节流流入经济器的制冷剂。

5.根据权利要求4所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，所述第二制冷剂换热器中凝结的制冷剂液体分为两路，第一路流进经济器，第二路经过第二节流装置节流后冷却第一路中其余制冷剂液体后变成制冷剂气体，再流回压缩机，而第一路流进经济器中的制冷剂液体被冷却后，通过第一节流装置节流后流进第一制冷剂换热器。

6.根据权利要求1所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，还包括：

油分离器，其用于从压缩机排出的制冷剂气体中分离出润滑油；

四通换向阀，设于油分离器与第二制冷剂换热器之间以及第二烟气换热器与压缩机之间的管道上。

7.根据权利要求1所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，还包括缸套水泵，用于当缸套水分别在第一烟气换热器、燃气发动机的缸套加热后，升压缸套水，以通过缸套水换热器排出热量。

8.根据权利要求1所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，所述燃气发动机和第一烟气换热器之间的排烟烟道设有蒸汽发生器，水在蒸汽发生器中吸收高温烟气的热量产生蒸汽。

9.根据权利要求1所述的一种燃气发动机驱动的热泵，其特征在于，当热泵处于除霜模式时，从压缩机排出的高温高压制冷剂经过四通换向阀流向第一制冷剂换热器，第一制冷剂换热器吸收高温制冷剂的热量，使第一制冷剂换热器上的霜层融化。

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