CN208846776U - 提升二氧化碳热泵cop值的系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供提升二氧化碳热泵COP值的系统，包括：跨临界二氧化碳热泵设备及超临界二氧化碳发电设备；通过跨临界二氧化碳热泵设备输出的超临界二氧化碳作为热源来驱动所述超临界二氧化碳发电设备进行发电，产生的电能再供给所述跨临界二氧化碳热泵压缩机，输出的乏汽余热继续供冷凝器放热，部分热能1:1重新转化为电能再使用，从而提升整个热泵系统的COP值。
Description
技术领域
本申请涉及跨临界二氧化碳热循环技术领域，特别是涉及提升二氧化碳热泵COP值的系统。
背景技术
目前的二氧化碳热泵热水器，其COP值(能效比)最高可达到5以上，即耗费1W电，吸收4W热，最终产生5瓦的热能，如果要再提高其COP值，较为困难。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在目前的二氧化碳热泵热水器中，加入超临界CO2发电系统，将部分热能转化为电能于提供提升二氧化碳热泵COP值的系统，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种提升二氧化碳热泵COP值的系统，包括：跨临界二氧化碳热泵设备及超临界二氧化碳发电设备；所述跨临界二氧化碳热泵设备包括：跨临界二氧化碳压缩机、冷凝器、膨胀阀、及蒸发器；所述跨临界二氧化碳热泵设备与超临界二氧化碳发电设备间通过循环管路连通以实现热交换介质为二氧化碳的跨临界循环；所述跨临界二氧化碳压缩机具有第一电源接口；所述跨临界二氧化碳压缩机具有用于压缩二氧化碳以对其升温的压缩腔室，所述压缩腔室连通有第一入口及第一出口；所述超临界二氧化碳发电设备具有第二入口及第二出口，所述第二入口经所述循环管路连通所述第一出口，以从跨临界二氧化碳压缩机获得经升温的超临界二氧化碳作为发电热源，所述超临界二氧化碳发电设备具有供电接口，所供电接口电性连接至所述跨临界二氧化碳压缩机的第一电源接口进行供电；所述第一入口、第一出口、第二入口、和/或第二出口设有温度传感器，以采集温度数据，且所述温度传感器与外部设备通信连接；所述第二出口连通所述循环管路并依次经所述冷凝器、膨胀阀及蒸发器后连通至所述跨临界二氧化碳压缩机的第一入口。
于本申请的一实施例中，所述循环管路包括第一循环管路段及第二循环管路段；所述第一循环管路段连通在所述跨临界二氧化碳压缩机的第一入口与回热单元之间；所述第二循环管路段连接在所述第二出口与回热单元之间；其中，所述第二循环管路段与第一循环管路段间进行热交换。
于本申请的一实施例中，所述第一循环管路段与第二循环管路段间直接接触或通过导热介质进行热交换。
于本申请的一实施例中，所述冷凝器与待加热物间设置成能进行热交换的位置关系；以及/或者，所述蒸发器与待吸热物间设置成能进行热交换的位置关系。
于本申请的一实施例中，所述待加热物包括生活用水；以及/或者，所述待吸热物包括空气。
于本申请的一实施例中，所述跨临界二氧化碳压缩机还具有第二电源接口，供接入电网用电。
于本申请的一实施例中，所述超临界二氧化碳发电设备包括：超临界二氧化碳汽轮机、及由所述超临界二氧化碳汽轮机驱动发电的发电机。
于本申请的一实施例中，所述第二入口及第二出口位于所述汽轮机。
于本申请的一实施例中，所述供电接口位于所述发电机。
如上所述，本申请提供提升二氧化碳热泵COP值的系统，包括：跨临界二氧化碳热泵设备及超临界二氧化碳发电设备；通过跨临界二氧化碳热泵设备输出的二氧化碳作为热源来驱动所述超临界二氧化碳发电设备进行发电，产生的电能再供给给所述跨临界二氧化碳热泵设备，从而提升整个热泵系统的COP值；例如对于COP值为5的CO2热泵热水器，中间接入S-CO2(超临界二氧化碳)汽轮机，在热电转换效率为10％的情况下，则COP值变为5*0.9/(1-5*0.1)＝9，则系统COP值提高80％。
附图说明
图1显示为本申请一实施例中提升二氧化碳热泵COP值的系统的结构示意图。
图2显示为本申请又一实施例中提升二氧化碳热泵COP值的系统的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用程序，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用程序，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，展示本申请实施例中的提升二氧化碳热泵COP值的系统的结构示意图。
所述系统包括：跨临界二氧化碳热泵设备及超临界二氧化碳发电设备2。
所述跨临界二氧化碳热泵设备包括：跨临界二氧化碳压缩机1及回热单元。
所述跨临界二氧化碳压缩机1与超临界二氧化碳发电设备2间通过循环管路连通以形成热以二氧化碳为热交换介质的跨临界二氧化碳热循环系统。
所述跨临界二氧化碳压缩机1具有第一电源接口；所述跨临界二氧化碳压缩机1具有用于压缩二氧化碳以对其升温的压缩腔室，所述压缩腔室连通有第一入口及第一出口；所述超临界二氧化碳发电设备2具有第二入口及第二出口，所述第二入口经所述循环管路连通所述第一出口，以从跨临界二氧化碳压缩机1获得经升温的超临界二氧化碳作为发电热源。
二氧化碳在温度高于临界温度Tc＝31.26℃，压力高于临界压力Pc＝7.4MPa的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力，用它可溶解多种物质，然后提取其中的有效成分，具有广泛的应用前景，跨临界二氧化碳是目前研究最广泛的流体之一，因为它具有以下几个特点：二氧化碳临界温度为31.26℃，临界压力为7.4MPa，临界条件容易达到；二氧化碳化学性质不活泼，无色无味无毒，安全性好；价格便宜，纯度高，容易获得。
本申请在热泵系统中引入了超临界CO2发电系统，来利用热泵的高温高压超临界CO2的热能发电并反馈给热泵压缩机使用，从而提升COP值。
超临界CO2发电系统是一种高级电力循环系统，其采用二氧化碳作为工作介质、在封闭的布雷顿热力循环中做功，热电转换效率远高于以蒸汽作为工作介质的传统蒸汽轮机和以燃气为介质的燃气轮机。
超临界CO2透平具有优良的特性，主要表现在：其功率密度高，体积小，一般为蒸汽轮机的1/20～1/30；其成本低，初始投资比蒸汽轮机低30％～40％；比燃气轮机低20％；其热效率高，最高可达55％；其结构简单，零部件数量少；其工作温度低(与燃气轮机相比)，成本低；其属于外燃机，可以使用多种燃料，能源安全性高；由于超临界CO2循环的简洁性，其可以作为联合循环的底循环；由于超临界二氧化碳循环属于单相循环(布雷顿循环)，没有相变过程，不使用凝汽器，所使用的阀的数量，只有朗肯循环的十分之一；可以使用常规的不锈钢材料，制造成本低。
相应的，优选的，所述跨临界二氧化碳压缩机1的参数满足：所述第一出口在压强9.5MPa的情况下，其出气温度在90±3℃之间；以及/或者，在压强115MPa的情况下，其出气温度在115±3℃之间。
所述超临界二氧化碳发电设备2具有供电接口，所供电接口电性连接至所述跨临界二氧化碳压缩机1的第一电源接口进行供电，实现能量的反馈，以提高COP值。
并且，所述第二出口连通所述循环管路并经所述回热单元后连通至所述跨临界二氧化碳压缩机1的第一入口，完成二氧化碳的管道循环。
于发明的一实施例中，所述回热单元包括：冷凝器3、膨胀阀4及蒸发器5中的一或多种。
如图1所示，在本实施例中，所述回热单元包括：依次连接在第二出口和第一入口之间的循环管路中的冷凝器3、膨胀阀4及蒸发器5。
所述冷凝器3可以与水进行热交换而输出热水；所述蒸发器5可以与空气进行热交换而对空气降温，产生冷风；都可以用于供应人们的日常生活使用。
于发明的一实施例中，所述超临界二氧化碳发电设备2包括：超临界二氧化碳汽轮机21、及由所述超临界二氧化碳汽轮机驱动发电的发电机22。举例来说明其原理，通过跨临界二氧化碳和空气的热交换产生蒸汽，蒸汽驱动超临界二氧化碳汽轮机做功而产生电能。超临界二氧化碳汽轮机21中包括跨临界二氧化碳透平，通过二氧化碳热源驱动所述跨临界二氧化碳透平作机械运动来产生机械能，并带动发电机22运动以将机械能转化为电能。
于发明的一实施例中，所述跨临界二氧化碳压缩机1还具有第二电源接口，供接入电网用电；所述电网用电的电能和超临界二氧化碳发电设备2输出的电能一并供给给所述跨临界二氧化碳压缩机1，在超临界二氧化碳发电设备2输出的电能无法覆盖所述跨临界二氧化碳压缩机1的能耗的情况下，需要电网用电的电能供给。
而经申请人试验，在将跨临界二氧化碳热泵设备和超临界二氧化碳发电设备2直接，在超临界二氧化碳发电设备2循环热效率从5％可将二氧化碳热泵的COP值提升12.5％，从4.5提高到5.6以上；如果将超临界二氧化碳发电设备2循环热效率从5％提高到22.5％时，二氧化碳热泵的COP值将提高到上限，可以不耗能，即可以不需要所述外部的电网用电的电能供给。
进一步的，在理想状态下，如果能提高系统循环效率和发电机循环热效率，达到50％以上，从空气吸收热能源源不断发电。
为了能实现或接近这一理想状态，可以对回热的效率进一步改进。
如图2所示，在本实施例中，对图1实施例的管道结构进行了进一步改进。
具体的，所述循环管路包括第一循环管路段7及第二循环管路段6；所述第一循环管路段连通在所述跨临界二氧化碳压缩机1的第一入口与回热单元中的蒸发器5之间；所述第二循环管路段连通在所述超临界二氧化碳发电设备2的第二出口与回热单元之间(在本实施例中是连接冷凝器4)；所述第一循环管路段7和第二循环管路段6之间热交换。
可选的，所述第一循环管路段7与第二循环管路段6间可以通过回热器进行热交换，当然简单的也可以通过管道间的直接接触进行热交换。
在进回热单元之前，第二循环管路段6处的温度要远高于第一循环管路段7的温度，经实验，第二循环管路段6的温度在95摄氏度的情况下，第一循环管路段7的温度可能仅在25摄氏度，因此，通过两者的热交换，可以尽可能多地实现对跨临界二氧化碳压缩机1的回热，又能进一步提升热泵系统的热循环效率及对应的COP值。
另外，优选的，如图1所示，所述第一入口、第一出口、第二入口、及第二出口中的任意一或多个处可设有温度传感器，以采集温度数据，设置位置可例如图中A、B、C、D等位置所示，且所述温度传感器与外部设备通信连接，所述通信连接方式可以是有线连接(例如串口方式)，优选采用无线连接方式，如蓝牙、WiFi、ZigBee、Lora、NB-IOT等。
外部设备可以通过分析采集自第一入口、第一出口、第二入口、及第二出口的温度数据，更便于调节整个热泵系统的运行参数，能更有利于提升热泵系统的COP值。
综上所述，本申请提供提升二氧化碳热泵COP值的系统，包括：跨临界二氧化碳热泵设备及超临界二氧化碳发电设备；通过跨临界二氧化碳热泵设备输出的二氧化碳作为热源来驱动所述超临界二氧化碳发电设备进行发电，产生的电能再供给给所述跨临界二氧化碳热泵设备，从而提升整个热泵系统的COP值。
本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，包括：
跨临界二氧化碳热泵设备及超临界二氧化碳发电设备；
所述跨临界二氧化碳热泵设备包括：跨临界二氧化碳压缩机、冷凝器、膨胀阀、及蒸发器；
所述跨临界二氧化碳热泵设备与超临界二氧化碳发电设备间通过循环管路连通以实现热交换介质为二氧化碳的跨临界循环；所述跨临界二氧化碳压缩机具有第一电源接口；
所述跨临界二氧化碳压缩机具有用于压缩二氧化碳以对其升温的压缩腔室，所述压缩腔室连通有第一入口及第一出口；
所述超临界二氧化碳发电设备具有第二入口及第二出口，所述第二入口经所述循环管路连通所述第一出口，以从跨临界二氧化碳压缩机获得经升温的超临界二氧化碳作为发电热源，所述超临界二氧化碳发电设备具有供电接口，所供电接口电性连接至所述跨临界二氧化碳压缩机的第一电源接口进行供电；所述第一入口、第一出口、第二入口、和/或第二出口设有温度传感器，以采集温度数据，且所述温度传感器与外部设备通信连接；
所述第二出口连通所述循环管路并依次经所述冷凝器、膨胀阀及蒸发器后连通至所述跨临界二氧化碳压缩机的第一入口。
2.根据权利要求1所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述循环管路包括第一循环管路段及第二循环管路段；所述第一循环管路段连通在所述跨临界二氧化碳压缩机的第一入口与回热单元之间；所述第二循环管路段连接在所述第二出口与回热单元之间；其中，所述第二循环管路段与第一循环管路段间进行热交换。
3.根据权利要求2所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述第一循环管路段与第二循环管路段间直接接触、或通过连通回热器进行热交换。
4.根据权利要求1所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述冷凝器与待加热物间设置成能进行热交换的位置关系；以及/或者，所述蒸发器与待吸热物间设置成能进行热交换的位置关系。
5.根据权利要求4所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述待加热物包括生活用水；以及/或者，所述待吸热物包括空气。
6.根据权利要求1所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳压缩机还具有第二电源接口，供接入电网用电。
7.根据权利要求1所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电设备包括：超临界二氧化碳汽轮机、及由所述超临界二氧化碳汽轮机驱动发电的发电机。
8.根据权利要求7所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述第二入口及第二出口位于所述汽轮机。
9.根据权利要求7所述的提升二氧化碳热泵COP值的系统，其特征在于，所述供电接口位于所述发电机。
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