CN114813186B - 一种热泵-热机双向循环试验平台及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵‑热机双向循环试验平台及其运行方法，试验平台包括氟路系统、冷热源系统和储放热系统；氟路系统可根据试验需要将循环切换至热泵循环或热机循环；冷热源系统可根据氟路系统中的循环模式为其匹配相应的冷热源；储放热系统可在热泵循环和热机循环中针对非储放热式循环、潜热储放热式循环和潜热‑显热复合储放热式循环进行循环模式切换；本发明可实现在同一套试验系统中完成热泵循环和热机循环，为热泵‑热机双向循环技术顺利推进提供实践指导。

Description

一种热泵-热机双向循环试验平台及其运行方法

技术领域

本发明涉及能源领域，尤其涉及储能系统领域，具体来说是一种热泵-热机双向循环试验平台及其运行方法。

背景技术

电能是现代社会利用最广泛的能源，但传统依靠燃烧不可再生的化石燃料发电的模式对环境造成了严重破坏，各国纷纷转向可再生能源用来替代化石能源。近几年我国可再生能源装机容量逐年攀升，2021年，可再生能源发电装机容量突破10亿千瓦，占总发电装机容量的 44.8％。但可再生能源发电具有不确定性和间歇性的特点，储电技术被视为解决这一问题以及常规电力削峰填谷、提高区域能源系统效率和安全性的关键技术之一。热泵-热机双向循环技术相较于传统储电技术，具有较高的循环效率、较低的投资成本、较高的循环寿命等优点，因而受到广泛关注。

目前针对热泵-热机双向循环技术的研究主要通过软件仿真探究系统重要参数如循环工质种类、压缩/膨胀过程的等熵效率和机械效率、热源温度等对系统性能的影响，寻求优化系统性能的方法。但尚没有一套切实可行的热泵-热机双向循环试验平台，以验证实际情况下在同一氟路系统中同时运行热泵循环与热机循环的可行性。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种热泵-热机双向循环试验平台及其运行方法，能够在同一套试验设备中实现热泵循环和热机循环，为热泵-热机双向循环这种新兴储电技术的顺利推进提供实践指导。

本发明首先公开了一种热泵-热机双向循环试验平台，其包括氟路系统、冷热源系统和储放热系统；

其中热力循环工质在氟路系统中进行热泵循环或热机循环；冷热源系统为正逆热力学循环提供所需的冷热源；氟路系统的高温换热器和低温换热器在热泵- 热机双向循环中与冷热源系统进行热交换；所述储放热系统可在正逆热力学循环中存储或释放热量，储放热系统可根据试验需要在非储放热式循环、潜热储放热式循环以及潜热-显热复合储放热循环之间进行模式切换。

作为本发明的优选方案，所述氟路系统是工质进行正逆热力学循环的子系统，包括工质罐、工质泵、压缩机、高温换热器、电子膨胀阀、闸阀、膨胀机机组、低温换热器；

所述压缩机入口通过第一球阀连接工质罐，出口通过第四球阀连接储放热系统；工质泵入口通过第二球阀连接工质罐，出口通过第三球阀连接储放热系统；高温换热器工质流道的入口与储放热系统连接，高温换热器工质流道的出口连接三个并联的流股，第一流股通过第十球阀与电子膨胀阀连接、第二流股通过第十一球阀与闸阀连接，第三流股通过第十二球阀与膨胀机机组连接，工质在高温换热器中与所述冷热源系统中的导热流体进行热交换；低温换热器工质流道的一端分别与电子膨胀阀、闸阀、膨胀机机组连接，另一端通过第十三球阀与工质罐连接，工质在低温换热器中与所述冷热源系统中的导热流体进行热交换。

作为本发明的优选方案，所述工质罐上设置有液位计，压缩机的出口设置有气体质量流量计；工质泵的出口设置有液体质量流量计；高温换热器工质流道的出口设置有热泵循环储液罐用于补充工质，电子膨胀阀、闸阀、膨胀机机组的出口侧均设置有单向阀，通过单向阀连接低温换热器。

作为本发明的优选方案，所述冷热源系统包括管道电加热、冷却中心出水口、冷却中心回水口、第一手阀、第二手阀；管道电加热对流经的导热流体进行加热以达到符合正逆热力学循环所需的温度；

其中，冷却中心出水口通过第一手阀与管道电加热入口连接，管道电加热的出口通过第十七球阀连接至高温换热器，管道电加热的出口通过第十四球阀连接低温换热器；

冷却中心出水口还顺次通过第二手阀和第十五球阀连接低温换热器的入口；冷却中心出水口还顺次通过第二手阀和第十六球阀连接高温换热器的入口；高温换热器和低温换热器的出口均通过管道连接冷却中心回水口。5、如权利要求2 所述的一种热泵-热机双向循环试验平台，其特征在于，所述储放热系统包括两条并联的支路，两条并联的支路一端与氟路系统的第三球阀以及第四球阀相连，另一端与高温换热器的工质流道入口相连，其中，并联的第一支路作为旁路，其上仅设置有第七球阀，第二支路上设置有潜热储热换热器，潜热储热换热器的入口通过第五球阀与第四球阀相连；潜热储热换热器的出口分为两股，一股通过第八球阀直接与高温换热器的工质流道入口相连，另一股顺次经第六球阀、显热储热换热器、第九球阀后与高温换热器的工质流道入口相连。

本发明还公开了一种基于上述的热泵-热机双向循环试验平台的热泵循环试验方法：第一球阀、第四球阀和第十三球阀打开，第二球阀和第三球阀关闭，工质从工质罐中流出，进入压缩机被加压至高温高压状态，此后工质进入储放热系统进行储热；随后工质进入高温换热器，高温换热器在热泵循环中作为冷凝器，工质在其中与所述冷热源系统中的低温导热流体进行热交换；此时第十球阀打开，第十一球阀和第十二球阀关闭，高温换热器出口的工质仅流入电子膨胀阀膨胀，而不流入闸阀、膨胀机机组，工质经膨胀温度压力均下降；而后工质流入低温换热器，低温换热器在热泵循环中作为蒸发器，工质在其中与所述冷热源系统中经管道电加热加热后的高温导热流体进行热交换，最后通过第十三球阀流回工质罐。

所述冷热源系统在进行热泵循环时，利用管道电加热加热导热流体，加热后的高温导热流体流过低温换热器，低温导热流体流过高温换热器，冷热源系统能够控制冷热源流量。

本发明还公开了一种基于上述的热泵-热机双向循环试验平台的热机循环试验运行方法：第二球阀、第三球阀和第十三球阀打开，第一球阀和第四球阀关闭，工质从工质罐中流出，在工质泵中被加压；随后进入所述储放热系统；此后工质进入高温换热器，高温换热器在热机循环中作为蒸发器，工质在其中与所述冷热源系统中经管道电加热加热后的高温导热流体进行热交换，以确保工质在其出口处于适合膨胀的高温高压状态；随后控制第十二球阀打开，第十球阀和第十一球阀关闭，随后工质进入涡旋膨胀机机组膨胀做功发电，供负载使用；若膨胀机机组出现故障，或工质在高温换热器出口的状态不符合膨胀条件，为使试验循环继续运行，可打开第十一球阀，关闭第十球阀和第十二球阀，工质经闸阀经过膨胀压力温度均下降，最后流入低温换热器，低温换热器在热机循环中作为冷凝器，工质在其中与所述冷热源系统中的低温导热流体进行热交换，最后通过球阀13 流回工质罐。

作为本发明的优选方案，所述冷热源系统在进行热机循环时，利用管道电加热加热导热流体，经加热过的高温导热流体流过高温换热器，低温导热流体流过低温换热器，冷热源系统能够冷热源流量。

作为本发明的优选方案，所述储放热系统可依据试验需要切换成三种放热流路，当切换至非储热式热泵循环或非放热式热机循环时，第七球阀打开，第五球阀、第八球阀和第九球阀关闭，工质流入并联的第一支路；当切换至单潜热储热式热泵循环或单潜热放热式热机循环时，第五球阀和第八球阀打开，第六球阀、第七球阀和第九球阀关闭；工质进入潜热储热换热器，向储热介质放热或吸收储热介质热量，然后不经显热储热换热器直接进入高温换热器；当切换至潜热-显热复合储热式热泵循环或潜热-显热复合放热式热机循环时，第五球阀、第六球阀和第九球阀打开，第七球阀和第八球阀关闭，工质进入潜热储热换热器和显热储热换热器，向储热介质放热或吸收储热介质热量。

本发明与已有技术相比较，有益效果主要有以下方面：

(1)本发明可在同一套氟路系统中实现热泵循环和热机循环，填补了该研究领域内试验平台方面的空白。

(2)本发明中，通过若干球阀的开闭来完成工质的热泵-热机循环模式的转换以及储放热系统的储热模式的切换，快捷可靠，结构简便。

(3)本发明中，通过相应球阀和手阀的开闭来实现冷热源系统的冷热源流路的切换和流量大小，设计巧妙。

附图说明

图1是本发明系统原理图；

图2是本发明系统结构示意图；

图3是本发明热泵循环工作原理示意图；

图4是本发明热机循环工作原理示意图；

其中，S1—氟路系统S2—冷热源系统S3—储放热系统R1—非储放热式流路R2—潜热储放热式流路R3—潜热-显热复合储放热式流路R4—电子膨胀阀流路R5—闸阀流路R6—膨胀机机组流路11—工质罐12—液位计13—工质泵14—压缩机15—气体质量流量计16—液体质量流量计 17—潜热储热换热器18—显热储热换热器19—高温换热器20—热泵循环储液罐21—电子膨胀阀22—闸阀23—膨胀机机组24—负载25—单向阀26—低温换热器27—视液窗28—管道电加热29—冷却中心出水口 30—冷却中心回水口B1-B17—球阀H1、H2—手阀。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明首先公开了一种热泵-热机双向循环试验平台及其运行方法，包括氟路系统S1、冷热源系统S2和储放热系统S3。

参阅图2所示，所述氟路系统S1是工质在其中进行正逆热力学循环的子系统，其包括：工质罐11，用来存放气态和液态工质，通过球阀B1和球阀B2分别与压缩机14和工质泵13相连；压缩机14入口通过球阀B1连接工质罐11，出口连接气体质量流量计15；气体质量流量计15用来测量热泵循环中气态工质的质量流量；工质泵13在热机循环中为工质循环提供动力，其入口连接工质罐 11，出口连接液体质量流量计16；液体质量流量计16用来测量热机循环中液态工质的质量流量；高温换热器19工质流道的一端通过球阀B7、球阀B8和球阀 B9分别与气体质量流量计15、潜热储热换热器17、显热储热换热器18连接，另一端通过球阀B10、球阀B11和球阀B12分别与电子膨胀阀21、闸阀22和膨胀机机组23连接，工质在高温换热器19中与所述冷热源系统S2中的导热流体进行热交换；高温换热器19出口接有一个热泵循环储液罐20，用以在热泵循环时对回路中的工质进行多吸少补；低温换热器26工质流道的一端与电子膨胀阀 21、闸阀22和涡旋膨胀机机组23连接，另一端通过球阀B13与工质罐11连接，工质在低温换热器26中与所述冷热源系统S2中的导热流体进行热交换。

参阅图2所示，所述冷热源系统S2为前述热泵循环和热机循环提供所需的冷热源，其包括：管道电加热28，通过手阀H1与冷却中心出水口29相连，对流经的导热流体进行加热以满足前述热泵循环和热机循环所需的热源温度；冷却中心出水口29与工厂冷却中心相连，低温导热流体从此流出参与换热；冷却中心回水口30，导热流体从此处流回工厂冷却中心；球阀B14-球阀B17可依据试验需要控制冷热源的流路；手阀H1，H2用来调节冷热源的流量。

参阅图2所示，所述储放热系统S3可在前述热泵循环和热机循环中存储或释放热量；其包括潜热储热换热器17，内部的储热介质为潜热储热材料；显热储热换热器18，内部的储热介质为显热储热材料；球阀B5-球阀B9，可依据试验需要切换工质的流路，从而控制储放热的类型。

本发明的工作过程如下：

参阅图3所示，当进行热泵循环试验时，球阀B1、球阀B4和球阀B13打开，球阀B2和球阀B3关闭，工质从工质罐11从流出，进入压缩机14被加压至高温高压状态，此后工质进入储放热系统S3，储放热系统S3可依据试验需要切换成三种储热流路，当切换至非储热式热泵循环时，球阀B7打开，球阀B5、球阀B8和球阀B9关闭，工质流入R1路径；当切换至单潜热储热式热泵循环时，球阀B5和球阀B8打开，球阀B6、球阀B7和球阀B9关闭；工质流入R2路径，进入潜热储热换热器17，将热量传递给储热介质，自身被冷却；当切换至潜热- 显热复合储热式热泵循环时，球阀B5、球阀B6和球阀B9打开，球阀B7和球阀B8关闭，工质流入R3路径，进入潜热储热换热器17和显热储热换热器18，将热量传递给储热介质，自身被冷却；此后工质进入高温换热器19，高温换热器19在热泵循环中作为冷凝器，工质在其中与所述冷热源系统S2中的低温导热流体进行热交换，冷却至低温高压状态；此时球阀B10打开、球阀B11和球阀B12关闭，工质流入R4路径，流经电子膨胀阀21膨胀后，温度压力均下降；随后工质流入低温换热器26，低温换热器26在热泵循环中作为蒸发器，工质在其中与所述冷热源系统S2中经管道电加热28加热后的高温导热流体进行热交换；在所述热泵循环过程中，冷热源系统S2的球阀B14和球阀B16打开，球阀B15 和球阀B17关闭，经管道电加热28加热过的高温导热流体流过低温换热器26，低温导热流体流过高温换热器19，手阀H1和手阀H2保持常开，调节其开度可控制冷热源流量。

参阅图4所示，当进行热机循环试验时，球阀B2、球阀B3和球阀B13打开，球阀B1和球阀B4关闭，工质从工质罐11中流出，进入工质泵13，经过工质泵13升压后进入所述储放热系统S3，储放热系统S3可依据试验需要切换成三种放热流路，当切换至非放热式热机循环时，球阀B7打开，球阀B5、球阀 B8和球阀B9关闭，工质流入R1路径；当切换至单潜热放热式热机循环时，球阀B5和球阀B8打开，球阀B6、球阀B7和球阀B9关闭，工质流入R2路径，进入潜热储热换热器17，吸收储热介质热量；当切换至潜热-显热复合放热式热机循环时，球阀B5、球阀B6和球阀B9打开，球阀B7和球阀B8关闭，工质流入R3路径，依次流经潜热储热换热器17和显热储热换热器18，吸收储热介质热量；此后工质进入高温换热器19，高温换热器19在热机循环中作为蒸发器，工质在其中与所述冷热源系统S2中经管道电加热28加热后的高温导热流体进行热交换，进入高温高压状态；此时球阀B12打开，球阀B10和球阀B11关闭，工质流入R6路径，进入膨胀机机组23膨胀做功发电，供负载24使用；若膨胀机机组23出现故障，或工质在高温换热器19出口的状态不符合膨胀条件，为使试验循环继续运行，可打开球阀B11，关闭球阀B10和球阀B12，工质流入R5 路径；经过膨胀的工质压力温度均下降，而后流入低温换热器26，低温换热器 26在热机循环中作为冷凝器，工质在其中与所述冷热源系统S2中的低温导热流体进行热交换；在所述热机循环过程中，冷热源系统S2的球阀B15和球阀B17 打开，球阀B14和球阀B16关闭，经管道电加热28加热过的高温导热流体流过高温换热器19，低温导热流体流过低温换热器26，手阀H1和手阀H2保持常开，调节其开度可控制冷热源流量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种热泵-热机双向循环试验平台，其特征在于，包括氟路系统（S1）、冷热源系统（S2）和储放热系统（S3）；

其中热力循环工质在氟路系统（S1）中进行热泵循环或热机循环；冷热源系统（S2）为正逆热力学循环提供所需的冷热源；氟路系统（S1）的高温换热器（19）和低温换热器（26）在热泵-热机双向循环中与冷热源系统（S2）进行热交换；所述储放热系统（S3）可在正逆热力学循环中存储或释放热量，储放热系统（S3）可根据试验需要在非储放热式循环、潜热储放热式循环以及潜热-显热复合储放热循环之间进行模式切换；

所述氟路系统（S1）是工质进行正逆热力学循环的子系统，包括工质罐（11）、工质泵（13）、压缩机（14）、高温换热器（19）、电子膨胀阀（21）、闸阀（22）、膨胀机机组（23）、低温换热器（26）；

所述压缩机（14）入口通过第一球阀（B1）连接工质罐（11），出口通过第四球阀（B4）连接储放热系统（S3）；工质泵（13）入口通过第二球阀（B2）连接工质罐（11），出口通过第三球阀（B3）连接储放热系统（S3）；高温换热器（19）工质流道的入口与储放热系统（S3）连接，高温换热器（19）工质流道的出口连接三个并联的流股，第一流股通过第十球阀（B10）与电子膨胀阀（21）连接、第二流股通过第十一球阀（B11）与闸阀（22）连接，第三流股通过第十二球阀（B12）与膨胀机机组（23）连接，工质在高温换热器（19）中与所述冷热源系统（S2）中的导热流体进行热交换；低温换热器（26）工质流道的一端分别与电子膨胀阀（21）、闸阀（22）、膨胀机机组（23）连接，另一端通过第十三球阀（B13）与工质罐（11）连接，工质在低温换热器（26）中与所述冷热源系统（S2）中的导热流体进行热交换；

所述冷热源系统（S2）包括管道电加热（28）、冷却中心出水口（29）、冷却中心回水口（30）、第一手阀（H1）、第二手阀（H2）；管道电加热（28）对流经的导热流体进行加热以达到符合正逆热力学循环所需的温度；

其中，冷却中心出水口（29）通过第一手阀（H1）与管道电加热（28）入口连接，管道电加热（28）的出口通过第十七球阀（B17）连接至高温换热器（19），管道电加热（28）的出口通过第十四球阀（B14）连接低温换热器（26）；

冷却中心出水口（29）还顺次通过第二手阀（H2）和第十五球阀（B15）连接低温换热器（26）的入口；冷却中心出水口（29）还顺次通过第二手阀（H2）和第十六球阀（B16）连接高温换热器（19）的入口；高温换热器（19）和低温换热器（26）的出口均通过管道连接冷却中心回水口（30）；

所述储放热系统（S3）包括两条并联的支路，两条并联的支路一端与氟路系统（S1）的第三球阀（B3）以及第四球阀（B4）相连，另一端与高温换热器（19）的工质流道入口相连，其中，并联的第一支路作为旁路，其上仅设置有第七球阀（B7），第二支路上设置有潜热储热换热器（17），潜热储热换热器（17）的入口通过第五球阀（B5）与第四球阀（B4）相连；潜热储热换热器（17）的出口分为两股，一股通过第八球阀（B8）直接与高温换热器（19）的工质流道入口相连，另一股顺次经第六球阀（B6）、显热储热换热器（18）、第九球阀（B9）后与高温换热器（19）的工质流道入口相连。

2.如权利要求1所述的一种热泵-热机双向循环试验平台，其特征在于，所述工质罐（11）上设置有液位计（12），压缩机（14）的出口设置有气体质量流量计（15）；工质泵（13）的出口设置有液体质量流量计（16）；高温换热器（19）工质流道的出口设置有热泵循环储液罐（20）用于补充工质，电子膨胀阀（21）、闸阀（22）、膨胀机机组（23）的出口侧均设置有单向阀（25），通过单向阀（25）连接低温换热器（26）。

3.一种基于权利要求1所述的热泵-热机双向循环试验平台的热泵循环试验方法，其特征在于：第一球阀（B1）、第四球阀（B4）和第十三球阀（B13）打开，第二球阀（B2）和第三球阀（B3）关闭，工质从工质罐（11）中流出，进入压缩机（14）被加压至高温高压状态，此后工质进入储放热系统（S3）进行储热；随后工质进入高温换热器（19），高温换热器（19）在热泵循环中作为冷凝器，工质在其中与所述冷热源系统（S2）中的低温导热流体进行热交换；此时第十球阀（B10）打开，第十一球阀（B11）和第十二球阀（B12）关闭，高温换热器（19）出口的工质仅流入电子膨胀阀（21）膨胀，而不流入闸阀（22）、膨胀机机组（23），工质经膨胀温度压力均下降；而后工质流入低温换热器（26），低温换热器（26）在热泵循环中作为蒸发器，工质在其中与所述冷热源系统（S2）中经管道电加热（28）加热后的高温导热流体进行热交换，最后通过第十三球阀（B13）流回工质罐。

4.如权利要求3所述的热泵-热机双向循环试验平台的热泵循环试验方法，其特征在于：所述冷热源系统（S2）在进行热泵循环时，利用管道电加热（28）加热导热流体，加热后的高温导热流体流过低温换热器（26），低温导热流体流过高温换热器（19），冷热源系统（S2）能够控制冷热源流量。

5.一种基于权利要求1所述的热泵-热机双向循环试验平台的热机循环试验运行方法，其特征在于：第二球阀（B2）、第三球阀（B3）和第十三球阀（B13）打开，第一球阀（B1）和第四球阀（B4）关闭，工质从工质罐（11）中流出，在工质泵（13）中被加压；随后进入所述储放热系统（S3）；此后工质进入高温换热器（19），高温换热器（19）在热机循环中作为蒸发器，工质在其中与所述冷热源系统（S2）中经管道电加热（28）加热后的高温导热流体进行热交换，以确保工质在其出口处于适合膨胀的高温高压状态；随后控制第十二球阀（B12）打开，第十球阀（B10）和第十一球阀（B11）关闭，随后工质进入涡旋膨胀机机组（23）膨胀做功发电，供负载（24）使用；若膨胀机机组（23）出现故障，或工质在高温换热器（19）出口的状态不符合膨胀条件，为使试验循环继续运行，可打开第十一球阀（B11），关闭第十球阀（B10）和第十二球阀（B12），工质经闸阀（22）经过膨胀压力温度均下降，最后流入低温换热器（26），低温换热器（26）在热机循环中作为冷凝器，工质在其中与所述冷热源系统（S2）中的低温导热流体进行热交换，最后通过第十三球阀（B13）流回工质罐。

6.如权利要求5所述的热泵-热机双向循环试验平台的热机 循环试验方法，其特征在于：所述冷热源系统（S2）在进行热机循环时，利用管道电加热（28）加热导热流体，经加热过的高温导热流体流过高温换热器（19），低温导热流体流过低温换热器（26），冷热源系统（S2）能够冷热源流量。

7.如权利要求3或5所述的方法，其特征在于：所述储放热系统（S3）可依据试验需要切换成三种放热流路，当切换至非储热式热泵循环或非放热式热机循环时，第七球阀（B7）打开，第五球阀（B5）、第八球阀（B8）和第九球阀（B9）关闭，工质流入并联的第一支路；当切换至单潜热储热式热泵循环或单潜热放热式热机循环时，第五球阀（B5）和第八球阀（B8）打开，第六球阀（B6）、第七球阀（B7）和第九球阀（B9）关闭；工质进入潜热储热换热器（17），向储热介质放热或吸收储热介质热量，然后不经显热储热换热器（18）直接进入高温换热器（19）；当切换至潜热-显热复合储热式热泵循环或潜热-显热复合放热式热机循环时，第五球阀（B5）、第六球阀（B6）和第九球阀（B9）打开，第七球阀（B7）和第八球阀（B8）关闭，工质进入潜热储热换热器（17）和显热储热换热器（18），向储热介质放热或吸收储热介质热量。

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