CN113503659B - 一种新型空气源热声热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型空气源热声热泵系统，属于空气源热泵的技术领域，包括热声热泵机组和空气源热泵机组。热声热泵机组作为初级热泵，利用热声效应，将低温空气的热量转移到高温换热器中，载热介质通过中间环路将热量从热声热泵的高温换热器转移到蓄热器中，蓄热器作为空气源热泵机组的一个并联蒸发器或者经济器；热声热泵机组膨胀侧直线发电机的输出电功驱动涡旋式压缩机。热声热泵机组作为初级热泵，削弱了受工质热物理性质的制约；次级热泵可进一步利用低温空气中的热量，同时蓄热器可为中间补气支路提供更多的热量，增加系统的性能系数与制热量，形成稳定、高效的新型空气源热声热泵供热系统，进一步提高能源利用率。
Description
技术领域
本发明属于空气源热泵的技术领域，具体公开了一种新型空气源热声热泵系统。
背景技术
热泵是一种消耗一部分高位能将大量热量从低品位热源提取到高品位热源的装置，可以利用空气能、太阳能、地热能等可再生能源。热泵技术的应用已经成为解决能源和环境问题的有效举措之一，同时对碳达峰、碳中和贡献极大的力量。
传统空气源热泵的性能受室外环境温度影响比较大，用于严寒地区城镇建筑冬季采暖供热存在着以下难题。
1) 供需矛盾问题。室外环境温度降低时，室内的需热量增大，但传统空气源热泵受热泵工质蒸发温度的限制，能够从室外空气吸取的热量反而减少。
2）低环温下运行，压缩机压比增大、排气温度过高。运行最佳工况的压缩比一般是3~4之间，随着室外环境温度的降低，压缩机吸气压力降低，其压比不断增大。压缩机偏离理想等熵压缩，排气温度急剧升高，长期运行必然会严重损坏压缩机，机组安全性问题突出。
3）低环温下运行，空气源热泵性能下降。压缩机运行偏离最佳运行工况，单位制热量消耗的电功增加；此外吸气压力降低导致制冷剂流量变小，制热量下降；整机性能系数降低。
为改善空气源热泵的低温适应性，目前的技术措施主要有：1）双级压缩循环；2）准双级压缩循环；3）双级耦合压缩循环；4）复叠式压缩循环。
双级压缩循环、双级耦合压缩循环、复叠式压缩循环都是通过提供压缩机输入电功来提高制热量，热损失大；准双级压缩通过中间补气提高热泵的制热性能，结构简单，但是经济器的换热量有限，随着环境温度的降低，系统的制热量和COP衰减仍然非常大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型空气源热声热泵系统，解决现有空气源热泵在极寒天气下供需矛盾突出、压缩机排气温度高、系统制热量不足、能效比低的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种新型空气源热声热泵系统，包括热声热泵机组和空气源热泵机组；热声热泵机组包括依次连接的直线压缩机、次室温换热器、热缓冲管、高温换热器、回热器、主室温换热器和直线发电机；直线压缩机产生的声波在所述回热器中消耗，转化为热能，在回热器两侧形成温度梯度，在所述高温换热器中将热量释放；直线发电机作为膨胀侧电机，调节热声热泵机组内部的阻抗分布，同时回收热声热泵机组余下的声功，并将其转化为电功输出；空气源热泵机组包括涡旋式压缩机、冷凝器、蓄热器、蒸发器、气液分离器Ⅰ、气液分离器Ⅱ、热力膨胀阀Ⅰ、热力膨胀阀Ⅱ、电磁阀Ⅰ和电磁阀Ⅱ；涡旋式压缩机包括吸气口、排气口、补气口；涡旋式压缩机由热声热泵机组中直线发电机的输出电功驱动；涡旋式压缩机的排气口与冷凝器的气体进口连接；所述冷凝器出口分为两个支路，其中一个支路与电磁阀Ⅰ的进口连接，电磁阀Ⅰ的出口与双盘管式蓄热器的第一进口连接，蓄热器的第一出口与热力膨胀阀Ⅰ的进口连接，热力膨胀阀Ⅰ的出口与蒸发器的进口连接，蒸发器的出口与气液分离器Ⅰ的进口连接，气液分离器Ⅰ的气体出口与涡旋式压缩机的吸气口连接；冷凝器出口的另一个支路与电磁阀Ⅱ的进口连接，电磁阀Ⅱ的出口与热力膨胀阀Ⅱ的进口连接，热力膨胀阀Ⅱ的出口与蓄热器的第二进口连接，蓄热器的第二出口与气液分离器Ⅱ的进口连接，气液分离器Ⅱ的气体出口与涡旋式压缩机的补气口与连接；蓄热器的液体进口和液体出口通过中间环路与高温换热器的出口和进口连接。
本发明还提供一种新型空气源热声热泵系统，包括热声热泵机组和空气源热泵机组；热声热泵机组包括依次连接的直线压缩机、次室温换热器、热缓冲管、高温换热器、回热器、主室温换热器和直线发电机；直线压缩机产生的声波在所述回热器中消耗，转化为热能，在回热器两侧形成温度梯度，在所述高温换热器中将热量释放；直线发电机作为膨胀侧电机，调节热声热泵机组内部的阻抗分布，同时回收热声热泵机组余下的声功，并将其转化为电功输出；空气源热泵机组包括涡旋式压缩机、冷凝器、蓄热器、蒸发器、气液分离器Ⅰ、气液分离器Ⅱ、热力膨胀阀Ⅰ、热力膨胀阀Ⅱ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅳ和电磁阀Ⅴ；涡旋式压缩机包括吸气口、排气口、补气口；涡旋式压缩机由热声热泵机组中直线发电机的输出电功驱动；涡旋式压缩机的排气口与冷凝器的进口连接；所述冷凝器的出口分为两个支路，其中一个支路与电磁阀Ⅲ的进口连接，电磁阀Ⅲ的出口与热力膨胀阀Ⅰ的进口连接，热力膨胀阀Ⅰ的出口与蒸发器的进口连接，蒸发器的出口与气液分离器Ⅰ的进口连接，气液分离器Ⅰ的气体出口与涡旋式压缩机的吸气口连接；冷凝器出口的另一个支路与电磁阀Ⅱ的进口连接，电磁阀Ⅱ的出口与热力膨胀阀Ⅱ的进口连接，热力膨胀阀Ⅱ的出口与单盘管式蓄热器的进口连接，蓄热器的出口分别与电磁阀Ⅳ和电磁阀Ⅴ的进口连接；电磁阀Ⅳ的出口与气液分离器Ⅱ的进口连接，气液分离器Ⅱ的气体出口与涡旋式压缩机的补气口连接；电磁阀Ⅴ的出口与气液分离器Ⅰ的进口连接，气液分离器Ⅰ的气体出口与涡旋式压缩机的吸气口连接；蓄热器的液体进口和液体出口通过中间环路与高温换热器的出口和进口连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用热声热泵机组作为初级热泵，利用热声效应，将低温空气的热量转移到高温换热器中，载热介质通过中间环路将热量从热声热泵的高温换热器转移到蓄热器中，蓄热器作为空气源热泵机组的一个并联蒸发器或者经济器；热声热泵机组膨胀侧直线发电机的输出电功驱动涡旋压缩机。热声热泵机组作为初级热泵，其泵热温差主要取决于机组内部声场分布，削弱了受工质热物理性质的制约；次级热泵可进一步利用低温空气中的热量，提高系统制热量；同时蓄热器可为中间补气支路提供更多的热量，增大制冷剂流量，增加系统的性能系数与制热量。形成稳定、高效的新型空气源热声热泵供热系统，进一步提高能源利用率。
附图说明
图1为实施例1所述新型空气源热声热泵系统的结构示意图；
图2为实施例2所述新型空气源热声热泵系统的结构示意图。
图中：1-直线压缩机；2-次室温换热器；3-热缓冲管；4-高温换热器；5-回热器；6-主室温换热器；7-直线发电机；8-涡旋式压缩机；9-冷凝器；10-蓄热器；11-蒸发器；12-气液分离器Ⅰ；13-气液分离器Ⅱ；14-热力膨胀阀Ⅰ；15-热力膨胀阀Ⅱ；16-电磁阀Ⅰ；17-电磁阀Ⅱ；18-中间环路；19-电磁阀Ⅲ；20-电磁阀Ⅳ；21-电磁阀Ⅴ。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
实施例1
本实施例提供一种新型空气源热声热泵系统，包括热声热泵机组和空气源热泵机组；热声热泵机组包括依次连接的直线压缩机1、次室温换热器2、热缓冲管3、高温换热器4、回热器5、主室温换热器6和直线发电机7；直线压缩机1产生的声波在所述回热器5中消耗，转化为热能，在回热器5两侧形成温度梯度，在所述高温换热器4中将热量释放；直线发电机7作为膨胀侧电机，调节热声热泵机组内部的阻抗分布，同时回收热声热泵机组余下的声功，并将其转化为电功输出；空气源热泵机组包括涡旋式压缩机8、冷凝器9、蓄热器10、蒸发器11、气液分离器Ⅰ12、气液分离器Ⅱ13、热力膨胀阀Ⅰ14、热力膨胀阀Ⅱ15、电磁阀Ⅰ16和电磁阀Ⅱ17；涡旋式压缩机8包括吸气口、排气口、补气口；涡旋式压缩机8由热声热泵机组中直线发电机7的输出电功驱动；涡旋式压缩机8的排气口与冷凝器9的气体进口连接；所述冷凝器9出口分为两个支路，其中一个支路与电磁阀Ⅰ16的进口连接，电磁阀Ⅰ16的出口与双盘管式蓄热器10的第一进口连接，蓄热器10的第一出口与热力膨胀阀Ⅰ14的进口连接，热力膨胀阀Ⅰ14的出口与蒸发器11的进口连接，蒸发器11的出口与气液分离器Ⅰ12的进口连接，气液分离器Ⅰ12的气体出口与涡旋式压缩机8的吸气口连接；冷凝器9出口的另一个支路与电磁阀Ⅱ17的进口连接，电磁阀Ⅱ17的出口与热力膨胀阀Ⅱ15的进口连接，热力膨胀阀Ⅱ15的出口与蓄热器10的第二进口连接，蓄热器10的第二出口与气液分离器Ⅱ13的进口连接，气液分离器Ⅱ13的气体出口与涡旋式压缩机8的补气口与连接；蓄热器10的液体进口和液体出口通过中间环路18与高温换热器4的出口和进口连接。
其中，直线压缩机1作为压力波发生器，通过电机两端的活塞往复运动产生声波，产生的声波在回热器5中消耗，转化为热能，在回热器5两侧形成温度梯度，在高温换热器4中将热量释放。直线发电机7作为膨胀侧电机，调节热声热泵机组内部的阻抗分布，同时回收热声热泵机组余下的声功，并将其转化为电功输出，输出电功用于驱动涡旋式压缩机8。
当供热量较小时，热声热泵机组不运行，仅空气源热泵机组运行，制冷剂仅从蒸发器11中吸收热量，电磁阀Ⅱ17关闭，电磁阀Ⅰ16开启，系统中制冷剂的循环路径为：
涡旋式压缩机8→冷凝器9→电磁阀Ⅰ16→蓄热器10→热力膨胀阀Ⅰ14→蒸发器11→气液分离器Ⅰ12→涡旋式压缩机8。
经涡旋式压缩机8压缩的高温制冷剂蒸汽在冷凝器9中与水箱中的水进行热交换，实现供热，温度降低后经过电磁阀Ⅰ16、蓄热器10、热力膨胀阀Ⅰ14，在蒸发器11中从空气吸收热量，制冷剂气化，经过气液分离器Ⅰ12再次进入涡旋式压缩机8，循环供热。
当供热量较大时，热声热泵机组和空气源热泵机组同时运行。热声热泵机组作为初级热泵，利用热声效应，将室外低温空气的热量转移到高温换热器4中，载热介质通过中间环路18将热量从高温换热器4转移到蓄热器10中，热量储存于蓄热器10中，热声热泵机组中的直线发电机7输出的电功驱动涡旋式压缩机8。空气源热泵机组作为次级热泵，采用喷气增焓技术，蓄热器10同时作为空气源热泵机组的经济器，制冷剂从蓄热器10和蒸发器11中同时吸收热量，电磁阀Ⅰ16、电磁阀Ⅱ17均开启，系统的循环路径为：
第一支路：涡旋式压缩机8→冷凝器9→电磁阀Ⅰ16→蓄热器10→热力膨胀阀Ⅰ14→蒸发器11→气液分离器Ⅰ12→涡旋式压缩机8；
第二支路：涡旋式压缩机8→冷凝器9→电磁阀Ⅱ17→热力膨胀阀Ⅱ15→蓄热器10→气液分离器Ⅱ13→涡旋式压缩机8。
经涡旋式压缩机8压缩的高温制冷剂蒸汽在冷凝器9中与水箱中的水进行热交换，实现供热，温度降低后，第一支路经过电磁阀Ⅰ16在蓄热器10中进一步实现过冷，然后经过热力膨胀阀Ⅰ14在蒸发器11中从空气吸收热量，制冷剂气化，经过气液分离器Ⅰ12再次进入涡旋式压缩机8。第二支路经过电磁阀Ⅱ17和热力膨胀阀Ⅱ15在蓄热器10中吸收热量，经过气液分离器Ⅱ13再次进入涡旋式压缩机8。
中间环路18中的载热介质可为水、油等。
实施例2
本实施例提供一种新型空气源热声热泵系统，包括热声热泵机组和空气源热泵机组；热声热泵机组包括依次连接的直线压缩机1、次室温换热器2、热缓冲管3、高温换热器4、回热器5、主室温换热器6和直线发电机7；直线压缩机1产生的声波在所述回热器5中消耗，转化为热能，在回热器5两侧形成温度梯度，在所述高温换热器4中将热量释放；直线发电机7作为膨胀侧电机，调节热声热泵机组内部的阻抗分布，同时回收热声热泵机组余下的声功，并将其转化为电功输出；空气源热泵机组包括涡旋式压缩机8、冷凝器9、蓄热器10、蒸发器11、气液分离器Ⅰ12、气液分离器Ⅱ13、热力膨胀阀Ⅰ14、热力膨胀阀Ⅱ15、电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅲ19、电磁阀Ⅳ20和电磁阀Ⅴ21；涡旋式压缩机8包括吸气口、排气口、补气口；涡旋式压缩机8由热声热泵机组中直线发电机7的输出电功驱动；涡旋式压缩机8的排气口与冷凝器9的进口连接；所述冷凝器9的出口分为两个支路，其中一个支路与电磁阀Ⅲ19的进口连接，电磁阀Ⅲ19的出口与热力膨胀阀Ⅰ14的进口连接，热力膨胀阀Ⅰ14的出口与蒸发器11的进口连接，蒸发器11的出口与气液分离器Ⅰ12的进口连接，气液分离器Ⅰ12的气体出口与涡旋式压缩机8的吸气口连接；冷凝器9出口的另一个支路与电磁阀Ⅱ17的进口连接，电磁阀Ⅱ17的出口与热力膨胀阀Ⅱ15的进口连接，热力膨胀阀Ⅱ15的出口与单盘管式蓄热器10的进口连接，蓄热器10的出口分别与电磁阀Ⅳ20和电磁阀Ⅴ21的进口连接；电磁阀Ⅳ20的出口与气液分离器Ⅱ13的进口连接，气液分离器Ⅱ13的气体出口与涡旋式压缩机8的补气口连接；电磁阀Ⅴ21的出口与气液分离器Ⅰ12的进口连接，气液分离器Ⅰ12的气体出口与涡旋式压缩机8的吸气口连接；蓄热器10的液体进口和液体出口通过中间环路18与高温换热器4的出口和进口连接。
当供热量较小时，热声热泵机组不运行，仅空气源热泵机组运行，制冷剂仅从蒸发器11中吸收热量，电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅳ20、电磁阀Ⅴ21关闭，电磁阀Ⅲ19开启，系统的循环路径为：
涡旋式压缩机8→冷凝器9→电磁阀Ⅲ19→热力膨胀阀Ⅰ14→蒸发器11→气液分离器Ⅰ12→涡旋式压缩机8。
当供热量中等时，热声热泵机组和空气源热泵机组同时运行。热声热泵机组作为初级热泵，利用热声效应，将室外低温空气的热量转移到高温换热器4中，载热介质通过中间环路18将热量从高温换热器4转移到蓄热器10中，热量储存于蓄热器10中，热声热泵机组中的直线发电机7输出的电功驱动涡旋式压缩机8。空气源热泵机组作为次级热泵，蓄热器10作为蒸发器，制冷剂从蓄热器10中吸收热量，电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅳ20开启，电磁阀Ⅲ19、电磁阀Ⅴ21关闭，系统的循环路径为：
涡旋式压缩机8→冷凝器9→电磁阀Ⅱ17→热力膨胀阀Ⅱ15→蓄热器10→电磁阀Ⅳ20→气液分离器Ⅱ13→涡旋式压缩机8。
当供热量较大时，热声热泵机组和空气源热泵机组同时运行。热声热泵机组作为初级热泵，利用热声效应，将室外低温空气的热量转移到高温换热器4中，载热介质通过中间环路18将热量从高温换热器4转移到蓄热器10中，热量储存于蓄热器10中，热声热泵机组中的直线发电机7输出的电功驱动涡旋式压缩机8。空气源热泵机组作为次级热泵，蓄热器10作为并联蒸发器，制冷剂从蒸发器11和蓄热器10中同时吸收热量，电磁阀Ⅱ17、电磁阀Ⅲ19、电磁阀Ⅴ21开启，电磁阀Ⅳ20关闭，系统的循环路径为：
第一支路：涡旋式压缩机8→冷凝器9→电磁阀Ⅲ19→热力膨胀阀Ⅰ14→蒸发器11→气液分离器Ⅰ12→涡旋式压缩机8；
第二支路：涡旋式压缩机8→冷凝器9→电磁阀Ⅱ17→热力膨胀阀Ⅱ15→蓄热器10→电磁阀Ⅴ21→气液分离器Ⅰ12→涡旋式压缩机8。
中间环路18中的载热介质可为水、油等。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种新型空气源热声热泵系统，其特征在于，包括热声热泵机组和空气源热泵机组；
所述热声热泵机组包括依次连接的直线压缩机（1）、次室温换热器（2）、热缓冲管（3）、高温换热器（4）、回热器（5）、主室温换热器（6）和直线发电机（7）；
所述的直线压缩机（1）产生的声波在所述回热器（5）中消耗，转化为热能，在回热器（5）两侧形成温度梯度，在所述高温换热器（4）中将热量释放；
所述的直线发电机（7）作为膨胀侧电机，调节热声热泵机组内部的阻抗分布，同时回收热声热泵机组余下的声功，并将其转化为电功输出；
所述空气源热泵机组包括涡旋式压缩机（8）、冷凝器（9）、蓄热器（10）、蒸发器（11）、气液分离器Ⅰ（12）、气液分离器Ⅱ（13）、热力膨胀阀Ⅰ（14）、热力膨胀阀Ⅱ（15）、电磁阀Ⅰ（16）和电磁阀Ⅱ（17）；
所述的涡旋式压缩机（8）包括吸气口、排气口、补气口；
所述涡旋式压缩机（8）由热声热泵机组中直线发电机（7）的输出电功驱动；
所述涡旋式压缩机（8）的排气口与冷凝器（9）的气体进口连接；所述冷凝器（9）出口分为两个支路，其中一个支路与电磁阀Ⅰ（16）的进口连接，电磁阀Ⅰ（16）的出口与双盘管式蓄热器（10）的第一进口连接，蓄热器（10）的第一出口与热力膨胀阀Ⅰ（14）的进口连接，热力膨胀阀Ⅰ（14）的出口与蒸发器（11）的进口连接，蒸发器（11）的出口与气液分离器Ⅰ（12）的进口连接，气液分离器Ⅰ（12）的气体出口与涡旋式压缩机（8）的吸气口连接；
所述冷凝器（9）出口的另一个支路与电磁阀Ⅱ（17）的进口连接，电磁阀Ⅱ（17）的出口与热力膨胀阀Ⅱ（15）的进口连接，热力膨胀阀Ⅱ（15）的出口与蓄热器（10）的第二进口连接，蓄热器（10）的第二出口与气液分离器Ⅱ（13）的进口连接，气液分离器Ⅱ（13）的气体出口与涡旋式压缩机（8）的补气口与连接；
所述蓄热器（10）的液体进口和液体出口通过中间环路（18）与高温换热器（4）的出口和进口连接。
2.一种新型空气源热声热泵系统，其特征在于，包括热声热泵机组和空气源热泵机组；
所述热声热泵机组包括依次连接的直线压缩机（1）、次室温换热器（2）、热缓冲管（3）、高温换热器（4）、回热器（5）、主室温换热器（6）和直线发电机（7）；
所述的直线压缩机（1）产生的声波在所述回热器（5）中消耗，转化为热能，在回热器（5）两侧形成温度梯度，在所述高温换热器（4）中将热量释放；
所述的直线发电机（7）作为膨胀侧电机，调节热声热泵机组内部的阻抗分布，同时回收热声热泵机组余下的声功，并将其转化为电功输出；
所述空气源热泵机组包括涡旋式压缩机（8）、冷凝器（9）、蓄热器（10）、蒸发器（11）、气液分离器Ⅰ（12）、气液分离器Ⅱ（13）、热力膨胀阀Ⅰ（14）、热力膨胀阀Ⅱ（15）、电磁阀Ⅱ（17）、电磁阀Ⅲ（19）、电磁阀Ⅳ（20）和电磁阀Ⅴ（21）；
所述的涡旋式压缩机（8）包括吸气口、排气口、补气口；
所述涡旋式压缩机（8）由热声热泵机组中直线发电机（7）的输出电功驱动；
所述涡旋式压缩机（8）的排气口与冷凝器（9）的进口连接；所述冷凝器（9）的出口分为两个支路，其中一个支路与电磁阀Ⅲ（19）的进口连接，电磁阀Ⅲ（19）的出口与热力膨胀阀Ⅰ（14）的进口连接，热力膨胀阀Ⅰ（14）的出口与蒸发器（11）的进口连接，蒸发器（11）的出口与气液分离器Ⅰ（12）的进口连接，气液分离器Ⅰ（12）的气体出口与涡旋式压缩机（8）的吸气口连接；
所述冷凝器（9）出口的另一个支路与电磁阀Ⅱ（17）的进口连接，电磁阀Ⅱ（17）的出口与热力膨胀阀Ⅱ（15）的进口连接，热力膨胀阀Ⅱ（15）的出口与单盘管式蓄热器（10）的进口连接，蓄热器（10）的出口分别与电磁阀Ⅳ（20）和电磁阀Ⅴ（21）的进口连接；电磁阀Ⅳ（20）的出口与气液分离器Ⅱ（13）的进口连接，气液分离器Ⅱ（13）的气体出口与涡旋式压缩机（8）的补气口连接；电磁阀Ⅴ（21）的出口与气液分离器Ⅰ（12）的进口连接，气液分离器Ⅰ（12）的气体出口与涡旋式压缩机（8）的吸气口连接；
所述蓄热器（10）的液体进口和液体出口通过中间环路（18）与高温换热器（4）的出口和进口连接。
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