CN113108503B - 一种基于自复叠循环的热泵机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于自复叠循环的热泵机组，包括：风力机，用于进行风能的转化；齿轮箱，用于风力机的动力传输和增速；压缩机，与所述风力机相连，用于在风力机的驱动下进行制热，维持制冷剂的循环；以及换热装置，与所述压缩机连接，其中，所述换热装置为自复叠循环式换热装置。本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组采用风力机直接驱动空气源热泵，有效地避免现有技术中风能‑电能‑热能中间转换过程的能量损失，提高了风能的利用效率。利用自复叠循环扩大了热泵系统的工作温度，提升了热泵COP。

Description

一种基于自复叠循环的热泵机组
技术领域
本发明属于能源与动力工程技术领域，具体涉及一种基于自复叠循环的热泵机组
背景技术
能源是人类生存、发展的基础，但随着经济的快速发展，化石能源消耗量持续增加，人类正面临着日益严重的能源短缺和环境问题，全球气候变暖已成为国际关注的热点。发展清洁能源对于保障能源安全、促进环境保护、减少温室气体排放、实现国民经济可持续发展具有重要意义。
风能作为一种清洁能源，越发受到重视。传统的风能致热技术主要分为四种：液体搅拌致热，固体摩擦致热，液压液体致热以及涡电流法致热。前三种方式通过搅拌摩擦挤压产生热，将机械能转换为热能，转换效率低，不符合“温度对口、梯级利用”的科学用能原则。现有的将风能转化热能的方式有：1、将风能转换成机械能，储存为高压气体，利用空气压缩系统加热供热，但是，该种方式的系统能量效率低；2、风能发电后，再由电能驱动热泵产热，该种方式风能-电能-热能转换期间有能量转化损失；3、将风能直接转化为热能，该种方式能提升一次能源利用率，但是现有的风热机组，在低温环境工况下运行时，为满足供热温度需求，冷凝温度为70℃左右，此时COP低，不利于北方大面积推广。
因此，需提供一种能提高系统整体稳定性和能源利用效率的风能驱动的热泵机组。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种基于自复叠循环的热泵机组，包括：
风力机，用于进行风能的转化；
齿轮箱，用于风力机的动力传输和增速；
压缩机，与所述风力机相连，用于在风力机的驱动下进行制热，维持制冷剂的循环；以及
换热装置，与所述压缩机连接，
其中，所述换热装置为自复叠循环式换热装置。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：所述制冷剂为两种非共沸制冷剂工质混合而成的混合制冷剂。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：所述自复叠循环式换热装置包括：
冷凝器，与所述压缩机连接，用于冷凝混合制冷剂中的低沸点冷凝剂，使得混合冷凝剂冷凝为气液混合状态；
气液分离器，与所述冷凝器连接，用于分离所述气液混合状态冷凝剂中的气态冷凝剂和液态冷凝剂；
蒸发冷凝器，与所述气液分离器连接，用于分别冷凝所述气态冷凝剂，将气态冷凝剂冷凝为液态，和蒸发所述液态冷凝剂，使其转化为气态；
蒸发器，与所述蒸发冷凝器中冷凝得到的液态冷凝剂排出口连接，用于将冷凝得到的液态冷凝剂蒸发成气态；
蓄热池，用于将冷凝器释放出来的热量吸收存储；
蓄冷池，与所述蒸发器连接。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：所述蒸发冷凝器的气态冷凝剂排出口以及蒸发器的出口通过三通阀与压缩机的入口连接。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：所述压缩机与所述冷凝器之间、所述冷凝器与所述气液分离器之间、所述气液分离器与所述蒸发冷凝器之间、所述蒸发冷凝器与所述压缩机之间、所述蒸发器与所述压缩机之间通过金属软管连接。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：所述风力机的输出轴与所述齿轮箱连接，所述齿轮箱的输出轴通过联轴器与所述压缩机连接。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：所述齿轮箱为增速齿轮箱。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：还包括风速测量仪，所述风速测量仪设置于风力机前端。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：所述冷凝器和蓄热池之间的连通管道上设置有蓄热控制阀和第一水泵；所述蒸发器和蓄冷池之间的连通管道上设置有蓄冷控制阀和第二水泵。
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组，还具有这样的特征：还包括控制器，所述控制器接收风速测量仪传输的风速，并控制气液分离器出口处阀门的开启和关闭。
与现有技术相比，本发明的有益效果
本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组采用风力机直接驱动空气源热泵，有效地避免现有技术中风能-电能-热能中间转换过程的能量损失，提高了风能的利用效率。利用自复叠循环扩大了热泵系统的工作温度，提升了热泵COP。
本发明提供的基于自复叠循环的热泵机组引入了智能控制方法，可以根据来流风速及时调控风力机变桨偏航形式与热泵子系统中各阀门开度，提高风力机与热泵系统的耦合匹配特性，提高了系统整体稳定性和能源利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的自复叠循环热泵机组冬季工况蓄热的原理图；
图2为本发明实施例所提供的自复叠循环热泵机组极端工况下蓄热原理图；
图3为本发明实施例所提供的自复叠循环热泵机组夏季工况下蓄冷原理图，
其中，1：风力机；2：齿轮箱；3：联轴器；4：压缩机；5：冷凝器；6：气液分离器；7：第一阀门；8：第二阀门；9：第一节流阀；10：蒸发冷凝器；11：第二节流阀；12：蒸发器；13：第二水泵；14：第一蓄冷控制阀；19：第二蓄冷控制阀；16：蓄冷池；17：第一水泵；18：第一蓄热控制阀；19：第二蓄热控制阀；20：蓄热池。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的切割装置作具体阐述。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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创造和简化描述，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创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
如图1-3所示，提供了一种基于自复叠循环的热泵机组，包括：风力机1，用于进行风能的转化；齿轮箱2，用于风力机1的动力传输和增速；压缩机4，与所述风力机1相连，用于在风力机1的驱动下进行制热，维持制冷剂的循环；以及换热装置，与所述压缩机4连接，其中，所述换热装置为自复叠循环式换热装置。所述制冷剂为两种非共沸制冷剂工质混合而成的混合制冷剂。本发明所使用风力机包括水平轴风力机，压缩机包括开启式螺杆压缩机。
在上述实施例中，本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组采用风力机1直接驱动空气源热泵，有效地避免现有技术中风能-电能-热能中间转换过程的能量损失，提高了风能的利用效率。两种非共沸制冷剂工质的混合，实现了扩大工作温区的功能，进而扩大了热泵系统的工作温度，提升了热泵COP。
在部分实施例中，所述自复叠循环式换热装置包括：冷凝器5，与所述压缩机4连接，用于冷凝混合制冷剂中的低沸点冷凝剂，使得混合冷凝剂冷凝为气液混合状态；气液分离器6，与所述冷凝器5连接，用于分离所述气液混合状态冷凝剂中的气态冷凝剂和液态冷凝剂；蒸发冷凝器10，与所述气液分离器6连接，用于分别冷凝所述气态冷凝剂，将气态冷凝剂冷凝为液态，和蒸发所述液态冷凝剂，使其转化为气态；蒸发器12，与所述蒸发冷凝10器中冷凝得到的液态冷凝剂排出口连接，用于将冷凝得到的液态冷凝剂蒸发成气态；蓄热池20，用于将冷凝器5释放出来的热量吸收存储；蓄冷池16，与所述蒸发器12连接。冷凝器包括从套管冷凝器和壳管冷凝器中选出的一种冷凝器，蒸发器包括从立管式蒸发器、V型管式蒸发器、双头螺旋管式蒸发器、满液卧式壳管式蒸发器或非满液卧式壳管蒸发器中选出的一种。
在上述实施例中，冷凝器5出口处制冷剂为气液混合状态，气液分离器6通过金属软管与冷凝器5连接，气液混合状态的冷凝剂流经气液分离器6后气态部分经第一阀门7，进入蒸发冷凝器10进行进一步冷凝，转变为液态形式；然后流经第二节流阀11进入蒸发器12，进行蒸发，转变为气态形式；流经气液分离器6的液态制冷剂部分流经第二阀门8和第一节流阀9，进入蒸发冷凝器10进行蒸发，转变为气态形式。第一阀门9起到了切断保护的作用，如果需要紧急停下或者是维修之类的，第二阀门8作为电动开关如果失去了作用，那么就用第一阀门9来进行调节。
在部分实施例中，所述蒸发冷凝器10的气态冷凝剂排出口以及蒸发器12的出口通过三通阀与压缩机4的入口连接。蒸发冷凝器10排出的气态形式的冷凝剂返回压缩机4的入口端，通过蒸发器12蒸发得到的气态形式的冷凝剂同时返回压缩机4的入口端。
在部分实施例中，所述压缩机4与所述冷凝器5之间、所述冷凝器5与所述气液分离器6之间、所述气液分离器6与所述蒸发冷凝器10之间、所述蒸发冷凝器10与所述压缩机4之间、所述蒸发器12与所述压缩机4之间通过金属软管连接。
在部分实施例中，所述风力机1的输出轴与所述齿轮箱2连接，所述齿轮箱2的输出轴通过联轴器3与所述压缩机4连接。
在部分实施例中，所述齿轮箱2为增速齿轮箱。增速齿轮箱主要起到动力传输和增速作用，使叶片的转速通过增速齿轮箱2增速，使其转速达到压缩机4的额定转速，以保证压缩机4的高效运行。
在部分实施例中，还包括风速测量仪，所述风速测量仪设置于风力机1前端。
在部分实施例中，所述冷凝器5和蓄热池20之间的连通管道上设置有蓄热控制阀和第一水泵17；蓄热控制阀包括设置在第一水泵17和蓄热池20之间的第一蓄热控制阀18以及设置在蓄热池20和冷凝器5之间的第二蓄热控制阀19；所述蒸发器12和蓄冷池16之间的连通管道上设置有蓄冷控制阀和第二水泵13，蓄冷控制阀包括设置在第二水泵13和蓄冷池16之间的第一蓄冷控制阀14和设置在蓄冷池16和蒸发器12之间的第二蓄冷控制阀15。
在部分实施例中，还包括控制器，所述控制器接收风速测量仪传输的风速，并控制气液分离器6出口处阀门的开启和关闭。设置在气液分离器出口处的阀门包括用于控制气态冷凝剂的第一阀门7和用于控制液态冷凝剂的第二阀门8，阀门的开启指阀门的开度调节，阀门的开度由0至100％，开度为0的情况下即为阀门关闭，开度为100％的情况为阀门的最大开启，不同开度影响了对应的冷凝剂的流量，进而控制了混合制冷剂的成分，例如，在第一阀门7开度为40％，第二阀门8开度为100％时，则在混合制冷剂中气态冷凝剂较多。上述实施例可以在不同风速下实时调节气态与液态制冷剂的流量，即调整流经压缩机的制冷剂工质的浓度比，从而可以根据输入的风速实时调整热泵机组的制热制冷能力，提高热泵机组的能源综合利用系数。
冬季工况下，由冷凝器提供人员，由蒸发器12提供冷源，当风速在额定风速范围以内时，管路连接如图1所示。风力机1的风速测量仪实时将输入风速信号传送至控制器，控制器经过计算后通过控制第一阀门7和第二阀门8的开度调整制冷剂工质的相应配比，以实现在此对应风速下自复叠热泵的最优COP值。当风速超出额定风速范围时，如图2所示，调整冷凝器5入口的制冷剂流量，抽取部分高温蒸汽制冷剂进入到蒸发器12前，与低温的液态制冷剂进行混合，提高蒸发器12的工作温度，相应的整体提升热泵的工作温区，使得整体出水温度向上提高，提高制热效率。
夏季工况下，由冷凝器5提供热源，由蒸发冷凝器10提供冷源，管路连接如图3所示。由于夏季工况下蒸发温度与冷凝温度差值较低，自复叠循环与普通蒸汽压缩式循环相比没有太大优势，为了简化循环步骤，可直接切断其中制冷剂一路，将自复叠循环转化成普通蒸汽压缩式循环，第二阀门8的控制方式与上同。
综上所示，本发明所提供的基于自复叠循环的热泵机组在冬季普通蓄热工况下，测得的来流风速信号热泵根据自动调节阀门；在极端高风速冬季蓄热工况下，调整冷凝器入口的制冷剂流量，抽取部分高温蒸汽制冷剂进入到蒸发器前，与低温的液态制冷剂进行混合，提升热泵的工作温区；在夏季蓄冷工况下，将自复叠循环简化成普通循环。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于自复叠循环的热泵机组，其特征在于，包括：
风力机，用于进行风能的转化；
齿轮箱，用于风力机的动力传输和增速；
压缩机，与所述风力机相连，用于在风力机的驱动下进行制热，维持制冷剂的循环；以及
换热装置，与所述压缩机连接，
其中，所述换热装置为自复叠循环式换热装置；
还包括风速测量仪，所述风速测量仪设置于风力机前端；
所述自复叠循环式换热装置包括：
冷凝器，与所述压缩机连接，用于冷凝混合制冷剂中的低沸点冷凝剂，使得混合冷凝剂冷凝为气液混合状态；
气液分离器，与所述冷凝器连接，用于分离所述气液混合状态冷凝剂中的气态冷凝剂和液态冷凝剂；
蒸发冷凝器，与所述气液分离器连接，用于分别冷凝所述气态冷凝剂，将气态冷凝剂冷凝为液态，和蒸发所述液态冷凝剂，使其转化为气态；
蒸发器，与所述蒸发冷凝器中冷凝得到的液态冷凝剂排出口连接，用于将冷凝得到的液态冷凝剂蒸发成气态；
蓄热池，用于将冷凝器释放出来的热量吸收存储；
蓄冷池，与所述蒸发器连接；
所述冷凝器和蓄热池之间的连通管道上设置有蓄热控制阀和第一水泵；
所述蒸发器和蓄冷池之间的连通管道上设置有蓄冷控制阀和第二水泵；
还包括控制器，所述控制器接收风速测量仪传输的风速，并控制气液分离器出口处阀门的开启和关闭；
所述制冷剂为两种非共沸制冷剂工质混合而成的混合制冷剂。
2.根据权利要求1所述的基于自复叠循环的热泵机组，其特征在于：所述蒸发冷凝器的气态冷凝剂排出口以及蒸发器的出口通过三通阀与压缩机的入口连接。
3.根据权利要求2所述的基于自复叠循环的热泵机组，其特征在于：所述压缩机与所述冷凝器之间、所述冷凝器与所述气液分离器之间、所述气液分离器与所述蒸发冷凝器之间、所述蒸发冷凝器与所述压缩机之间、所述蒸发器与所述压缩机之间通过金属软管连接。
4.根据权利要求1所述的基于自复叠循环的热泵机组，其特征在于：所述风力机的输出轴与所述齿轮箱连接，所述齿轮箱的输出轴通过联轴器与所述压缩机连接。
5.根据权利要求4所述的基于自复叠循环的热泵机组，其特征在于：所述齿轮箱为增速齿轮箱。
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