一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统技术方案

本实用新型专利技术的一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组和供水流路；热泵主循环是由包括低温蒸发器的制冷剂通道、四通换向阀、气液分离器、第一压缩机、第一冷凝器的制冷剂通道、过冷器的高温通道和第一节流阀通过管道依次串联构成循环；机械过冷子循环是由包括所述过冷器的低温通道、第二压缩机、第二冷凝器和第二节流阀通过管道依次串联构成循环；内燃机子系统由发动机、烟气流路和冷却液循环流路组成。本实用新型专利技术一次能源利用率高，能够回收热泵主循环的剩余热量，提供更高的供热温度，系统换热均匀性得到明显改善，换热不可逆损失减小，室外蒸发器不易结霜，发动机的可靠性和运行寿命得到显著提高。显著提高。显著提高。

【技术实现步骤摘要】
一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统


[0001]本技术涉及一种燃气热泵系统，尤其是涉及一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统。

技术介绍

[0002]天然气作为一种清洁能源在我国的能源变革中占有重要地位。我国正在稳步推进天然气体制改革，采用高效节能技术提高能源利用率对于天然气的应用和发展至关重要。
[0003]燃气热泵通过将发动机与蒸汽压缩式循环装置两类成熟的技术进行整合，极大地拓展了燃气技术的发展空间和市场需求。燃气热泵利用燃气发动机驱动压缩机，实现将热量从低温热源向高温热源泵送，是提高一次能源利用率的高效节能装置；同时燃气内燃机产生的余热可进一步用于供热，热能转化效率高。
[0004]对于供热需求超过80℃的工业流程，目前市面上的普通热泵系统需要采用高成本的特种高温压缩机，二氧化碳等热泵也由于高压控制和高成本等难题还未大规模市场化。相比之下，燃气热泵的发动机余热属于高温余热范围，若将余热直接用于换热流体加热，可以进一步实现高温或超高温供热。因此，在高温工业流程中，燃气热泵具有明显的技术和成本优势。
[0005]然而，由于烘干等应用场景的特点，换热流体通常采用循环制热模式，进入燃气热泵的换热流体温度也会较高。因此，尽管燃气热泵的冷凝温度可以低于供热温度，较高的进口流体温度也会导致其达到约60℃。现有的燃气热泵系统通常采用单发动机带动单压缩机模式，对于单级热泵系统，过高的阀前温度将造成显著的节流损失，降低系统能效，从而导致燃气热泵的一次能源利用效率降低。同时对于供回水温差较大的应用场景，热泵和发动机余热的两段式供热仍不能很好地保证温差场均匀性，从而造成较大的换热不可逆损失。
[0006]另一方面，空气源热泵低温下的结霜问题也是影响机组性能的重要难题。电驱热泵冬季运行时需及时除霜，消耗额外的电力且影响制热效果。一般情况下，每30～120分钟需除霜一次，增加了10%的电耗量。

技术实现思路

[0007]为满足高温工业流程的供热需求，提高燃气热泵机组能源利用效率，同时改善空气源热泵结霜情况，本技术提出了一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统。
[0008]本技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统，其特征在于，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组和供水流路；
[0010]所述热泵子系统由热泵主循环和机械过冷子循环组成；所述热泵主循环是由包括低温蒸发器的制冷剂通道、四通换向阀、气液分离器、第一压缩机、第一冷凝器的制冷剂通道、过冷器的高温通道和第一节流阀通过管道依次串联组成，所述第一节流阀再与所述低温蒸发器的制冷剂通道连接，构成循环；所述机械过冷子循环是由包括所述过冷器的低温
通道、第二压缩机、第二冷凝器和第二节流阀通过管道依次串联组成，第二节流阀再与所述过冷器的低温通道连接，构成循环；
[0011]所述内燃机子系统由发动机、烟气流路和冷却液循环流路组成；所述烟气流路是由发动机的排气管、三元催化器的烟气通道、第一烟气换热器的烟气通道、第二烟气换热器的烟气通道和所述低温蒸发器的烟气通道通过管道依次串联组成，低温烟气最终从低温蒸发器排出；所述冷却液循环流路是由冷却液换热器的高温通道、气缸套、所述三元催化器的载冷剂通道、所述第一烟气换热器的载冷剂通道和冷却液循环泵通过管道依次串联组成，所述冷却液循环泵再与所述冷却液换热器的高温通道相连，构成循环；
[0012]所述连动机组由第一电磁离合器、第二电磁离合器、第一皮带轮和第二皮带轮组成；所述第一电磁离合器与所述第一压缩机的输入轴相连，并通过第一皮带轮与所述发动机的输出轴相连；所述第二电磁离合器与所述第二压缩机的输入轴相连，并通过第二皮带轮与所述发动机的输出轴相连；所述发动机通过皮带轮和电磁离合器驱动第一压缩机和第二压缩机；
[0013]所述供水流路是由包含蓄热水箱、水泵、所述第一冷凝器的载冷剂通道、所述第二冷凝器的载冷剂通道、所述冷却液换热器的载冷剂通道和所述第二烟气换热器的载冷剂通道通过管道依次串联组成，再返回所述蓄热水箱。
[0014]本技术的特点包括：
[0015]（1）采用燃气机驱动热泵系统制热，产生适用于工业烘干的高温热水；（2）在主循环冷凝器的出口复叠机械过冷子循环，回收主循环冷凝器的剩余热量，同时提供更高的供热温度；（3）基于温度场均匀性匹配原则，根据热泵机组和燃气机余热的不同供热温度水平，采用梯级加热模式来提高热水温度；（4）采用单台燃气机驱动两台压缩机；（5）将经过热回收的低温烟气（50～70℃）通入室外蒸发盘管，防止结霜。
[0016]相比现有技术，本技术的有益效果为：
[0017]本技术采用内燃机驱动热泵吸收环境热量，同时回收的发动机高温余热，降低热泵冷凝温度，一次能源利用率高且供水温度高；采用机械过冷子系统，能够回收热泵主循环的剩余热量，减小节流损失，对从主循环出来的热水进一步加热，提供更高的供热温度，进一步提高热泵系统能效；相比于单机系统还降低了主循环的冷凝温度；通过采用梯级加热模式，系统换热均匀性得到明显改善，换热不可逆损失减小，在同等供热温度下相比电驱热泵能效得到显著提升；由于两台压缩机的耦合关系，其容量调节特性保持一致，转速调节趋势相同，负荷运行特性好，可以实现稳定、高精度的能量调节；室外蒸发器不易结霜：利用低温烟气和发动机的余热维持室外侧的空气温度较高，显著延缓盘管霜堵，并保证在极低环境温度(
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20℃)下的正常运转；同时因机组启停次数减少，发动机的可靠性和运行寿命得到显著提高；除霜模式下，机组仅吸收发动机余热，不影响蓄热水箱的水温，能够较好地保证烘干过程的连续稳定性。
附图说明
[0018]图1为本技术实施例1的高温供热模式流程示意图；
[0019]图2为本技术实施例1的除霜模式流程示意图；
[0020]图3为本技术实施例2的高温供热模式流程示意图；
[0021]图4为本技术实施例3的高温供热模式流程示意图；
[0022]图中1
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低温蒸发器，2
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四通换向阀（4个通道分别为2A、2B、2C、2D），3
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气液分离器，4
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第一压缩机（4A
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吸气口，4B
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排气口，4C
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补气口），5
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第一冷凝器，6
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过冷器，7
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第二压缩机（7A为吸气口，7B为排气口），8
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第二冷凝器，9
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第二节流阀，10
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第一节流阀，11
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发动机，12
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气缸套，13
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三元催化器，14
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第一烟气换热器，15
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第二烟气换热器，16
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冷却液换热器，17
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统，其特征在于，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组和供水流路；所述热泵子系统由热泵主循环和机械过冷子循环组成；所述热泵主循环是由包括低温蒸发器（1）的制冷剂通道、四通换向阀（2）、气液分离器（3）、第一压缩机（4）、第一冷凝器（5）的制冷剂通道、过冷器（6）的高温通道和第一节流阀（10）通过管道依次串联组成，所述第一节流阀（10）再与所述低温蒸发器（1）的制冷剂通道连接，构成循环；所述机械过冷子循环是由包括所述过冷器（6）的低温通道、第二压缩机（7）、第二冷凝器（8）和第二节流阀（9）通过管道依次串联组成，所述第二节流阀（9）再与所述过冷器（6）的低温通道连接，构成循环；所述内燃机子系统由发动机（11）、烟气流路和冷却液循环流路组成；所述烟气流路是由所述发动机（11）的排气管、三元催化器（13）的烟气通道、第一烟气换热器（14）的烟气通道、第二烟气换热器（15）的烟气通道和所述低温蒸发器（1）的烟气通道通过管道依次串联组成；所述冷却液循环流路是由冷却液换热器（16）的高温通道、气缸套（12）、所述三元催化器（13）的载冷剂通道、所述第一烟气换热器（14）的载冷剂通道和冷却液循环泵（17）通过管道依次串联组成，所述冷却液循环泵（17）再与所述冷却液换热器（16）的高温通道相连，构成循环；所述连动机组由第一电磁离合器（20）、第二电磁离合器（21）、第一皮带轮（22）和第二皮带轮（23）组成；所述第一电磁离合器（20）与所述第一压缩机（4）的输入轴相连，并通过所述第一皮带轮（22）与所述发动机（11）的输出轴相连；所述第二电磁离合器（21）与所述第二压缩机（7）的输入轴相连，并通过所述第二皮带轮（23）与所述发动机（11）的输出轴相连；所述供水流路是由包含蓄热水箱（19）、水泵（18）、所述第一冷凝器（5）的载冷剂通道、所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘猛，冯毅，徐栎亚，唐继旭，张刘海，张春路，何宇佳，曹祥，
申请(专利权)人：上海航天工业集团有限公司，
类型：新型
国别省市：