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CN1584449A - 燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组 - Google Patents

燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组 Download PDF

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鲁雪生
李书泽
顾安忠
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Gu Anzhong
Gu Jianming
Lin Wensheng
Lu Xuesheng
Shanghai Lng New Energy Technology Co ltd
Shi Yumei
Yong Lin Ju
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Abstract

燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组，是由一台燃气机发动机、一套蒸汽压缩式热泵系统、以及燃气发动机冷却和余热回收系统组成，主要包括燃气发动机、压缩机、四通阀、板式换热器、膨胀阀、翅片管换热器、水－水换热器、冷却水阀组、旁通电磁阀、水－制冷剂换热器，发动机的余热利用是通过在燃气发动机部分和热泵部分之间设置的水－制冷剂换热器和水－水换热器来实现。本发明还设计了一个冷却水流向控制阀组，根据燃气机热泵在不同的应用场合，不同的气候环境，不同的机组工作状况下，通过阀组的控制器控制冷却水阀组，正确切换发动机冷却水的流向，合理分配和利用燃气发动机的余热。实现能源的有效利用，具有显著的节能效果。

Description

燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组
技术领域
本发明涉及的是一种风冷热泵型冷热水机组，特别是一种以燃气发动机为动力，驱动蒸汽压缩式热泵循环，能提供空调冷热水的燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组，属于制冷与空调技术领域。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，城市建筑空调日益普及。风冷热泵型冷热水机组作为一种安装方便、可提供空调冷热水的冷热源装置，在我国的城市建筑空调设备中占据越来多的比重。目前，风冷热泵型冷热水机组一般均采用电动机驱动，大量风冷热泵型冷热水机组和其它空调设备的运用使得供热和供暖季节的电力资源消耗不断增加，电力峰谷差日益严重。
以燃气发动机代替电动机驱动的蒸汽压缩式热泵机组具有许多优点：(1)可采用天然气、城市煤气、石油气等非电力资源作为机组能源，因此减少了空调系统对电力资源的消耗，缓解了电力的季节峰谷差；(2)在供热过程中可回收发动机余热，系统具有较高的能量利用率；(3)燃气发动机可实现变速调节，热泵系统部分负荷性能较好。但在燃气机热泵设计中，如何针对不同地区的气候条件，在热泵系统中合理利用发动机的余热，设计出高能效比的燃气机热泵，是燃气发动机驱动热泵设计中的一个重要问题。
在现有的技术中，有一种以一台室外机配多台室内机的“一拖多”燃气热泵式空调装置(专利申请号：02130144.1和02105515.7)。它采用制冷剂-空气直接热交换的方式(这里称为“冷剂式燃气机热泵”)实现供冷和供热的目的。“冷剂式燃气机热泵”的特点是在室外翅片管换热器侧并联连接了一个制冷剂-水换热器，通过该换热器将回收到的发动机的余热释放给了热泵系统低压侧制冷剂，承担了蒸发器的部分负荷，提高了寒冷地区的热泵蒸发温度，提高了热泵的效率。对于冬季室外温度相对温和的地区来说，采用“冷剂式燃气机热泵”的确可以提高热泵的蒸发温度，从而提高热泵的制热系数。但同时“冷剂式燃气机热泵”也减少了对环境可再生热量的吸收。也就是说，“冷剂式燃气机热泵”是用发动机的余热替代了本该可以从空气中吸收的热量。特别是余热的利用导致蒸发温度高于环境温度时，翅片管蒸发器已不能从室外空气中吸收热量，因而不能充分发挥热泵可利用低品味热源的特性。此外，“冷剂式燃气机热泵”采用制冷剂为冷、热量输送介质，因此冷、热量输送范围有限，机组容量不能过大，系统管路设计时还要充分考虑压缩机回油、冷量分配等技术问题，设备初投资高，安装难度大。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，扩大燃气发动机驱动式热泵的应用范围，设计了本燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组。该机组由一台燃气机发动机、一套蒸汽压缩式热泵系统、以及燃气发动机冷却和余热回收系统组成。发动机与热泵系统之间的动力传动通过离合器和转动轴直接连接实现，而发动机的余热利用通过一个水-水换热器和一个水-制冷剂换热器实现。
本发明的主要特点是，在燃气发动机部分和热泵部分之间设置了水-制冷剂换热器和水-水换热器，并设计了一个冷却水流向控制阀组，可根据冷热水机组在不同的应用场合，不同的气候环境，不同的机组工作状况，通过阀组的控制程序，正确切换发动机冷却水的流向，合理分配和利用燃气发动机的余热。例如，当机组工作在较低环境温度下(热泵翅片管换热器出现结霜)，热泵本身制热系数很低时，将发动机冷却水切换到水-制冷剂换热器，利用发动机余热承担部分蒸发器负荷，从而提高热泵冷热水机组的制热能力；当机组工作在一般低温环境下，则将发动机冷却水切换到水-水换热器，使得热泵机组充分吸收空气中热量，并将发动机余热直接供给空调热水；当机组处于制冷工况下，为保证发动机正常运行，将发动机余热通过机组风机释放到环境中。此外，为避免发动机冷却水进水温度过低，在冷却水阀组中设置了旁通回路，充分保证发动机的正常工作。
本发明可以合理利用燃气发动机的余热，实现能源的有效利用，具有显著的节能效果。
附图说明
图1为本发明燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组结构示意图
图2为本发明冷却水阀组流向切换控制结构原理图
图3为本发明机组供热运行时的第一实施方式示意图
图4为本发明机组供热运行时的第二实施方式示意图
图5为本发明机组供冷运行时的实施方式示意图
图中，1是燃气发动机，2是离合器，3是压缩机，4是气液分离器，5是四通阀，6是板式换热器，7是A单向阀，8是B单向阀，9是C单向阀，10是D单向阀，11是A截至阀，12是B截至阀，13是膨胀阀，14是示镜，15是过滤器，16是储液器，17是风机，18是翅片管换热器，19是散热器，20是水-制冷剂换热器，21是旁通电磁阀，22是冷却水阀组，23是水-水换热器，24是烟气换热器，25是冷却水泵，26是燃气减压阀，27是阀组控制器
图中，管路中流体的流向用箭头方向表示。粗实线表示制冷剂循环，细实线表示空调冷热水循环，虚线表示发动机冷却水循环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。
如图1、图2所示，本发明包括燃气发动机1、离合器2、压缩机3、气液分离器4、四通阀5、板式换热器6、A单向阀7、B单向阀8、C单向阀9、D单向阀10、A截至阀11、B截至阀12、膨胀阀13、示镜14、过滤器15、储液器16、风机17、翅片管换热器18、散热器19、水-制冷剂换热器20、旁通电磁阀21、冷却水阀组22、水-水换热器23、烟气换热器24、冷却水泵25、燃气减压阀26、阀组控制器27。
本发明的冷热水机组可以分为两个部分：燃气发动机部分和热泵系统部分，燃气发动机部分和热泵部分的热交换通过水-制冷剂换热器20和水-水23换热器实现，燃气发动机冷却水的流向是通过由阀组控制器27控制的冷却水阀组22切换。
在热泵系统部分，压缩机3的出口与四通阀5的进口(D管)相连接，四通阀5的E管与板式换热器6制冷剂流道的一端相连接，板式换热器6制冷剂流道的另一端与A单向阀7的出口以及D单向阀10的进口端相连接，B单向阀8的出口和C单向阀9的进口端均与翅片管换热器18制冷剂流道的一端相连接，翅片管换热器18制冷剂流道另一端与水-制冷剂换热器20的制冷剂流道一端相连接，水-制冷剂换热器20制冷剂流道的另一端和四通阀5的C管相连接。在水-制冷剂换热器20制冷剂流道的进出端口处接有一旁通电磁阀21。四通阀5出口(S管)与气液分离器4的进口相连接，气液分离器4的出口与压缩机3的进口相连接。C单向阀9和D单向阀10的出口均与储液器16的进口相连接，储液器16的出口通过A截至阀11、过滤器15、示镜14、与膨胀阀13连接后再经B截至阀12与A单向阀7和B单向阀8的进口相连接。在空调水循环回路中，空调系统的回水管与板式换热器6的空调水流道进口相连接，板式换热器6的空调水流道出口与水-水换热器23的空调水流道进口相连接，水-水换热器23的空调水流道出口与空调系统进水管相连接。
在发动机系统部分，发动机的冷却水出口同烟气热换热器24冷却水流道的进口相连接，烟气热换热器24的冷却水流道出口同冷却水阀组22的a端相连接，冷却水阀组22的b端、c端和d端分别与水-水换热器23发动机冷却水流道进口、水-制冷剂换热器20的发动机冷却水流道进口和散热器19进口相连接。水-制冷剂换热器20的发动机冷却水流道出口、水-水换热器23的发动机冷却水流道的出口、散热器19的出口以及冷却水阀组22的e端均与发动机冷却水泵25的进口相连接。发动机冷却水泵25的出口与燃气发动机1的冷却水进口相连接。燃气发动机1通过排气烟道与烟气换热器24烟道进口相连接。风机17安装在散热器19和翅片管换热器18的上方，用于燃气发动机1的冷却水的散热和制冷剂与空气的热交换。
燃气发动机1和压缩机3通过离合器2进行轴连接。燃料供应管通过减压阀26与燃气发动机1的燃料进口相连接。阀组控制器27的3个输入端分别与室外温度传感器、翅片管出风温度传感器和发动机进水温度传感器的输出端电连接，另一个输入端与冷热运行模式切换开关电连接。阀组控制器27的3输出端分别与冷却水阀组22内部3个电磁阀的控制端相连接，另一个输出端与旁通电磁阀21的控制端相连接。
本发明机组在供热运行时有两种实施方式。
供热运行第一实施方式
如图3所示，本发明冷热水机组供热运行时的第一实施方式是发生在室外处于一般低温环境下。在这种供热方式中，四通阀5切换到供热模式，使得压缩机3排出的气体在板式换热器6中放热，制冷剂从板式换热器6流出后，经储液器16、过滤器15、示镜14、膨胀阀13后进入翅片管换热器18吸收空气热量。由于这种供热运行方式中，水-制冷剂换热器20中发动机冷却水流道内的水处于静止状态，为了防止换热器内的水结冰，在翅片管换热器18制冷剂流道两端设置了一个可双向流通的旁通电磁阀21，使得制冷剂通过该旁通电磁阀返回到四通阀5的C管。
在发动机冷却水回路中，通过阀组控制器27控制冷却水阀组22内部的三通阀，使得a端和b端接通。此时，经燃气发动机1的缸套和烟气换热器24加热过的冷却水，到水-水换热器23中将热量释放给空调水后返回燃气发动机1，实现燃气发动机1的余热利用。
供热运行第二实施方式
如图4所示，本发明冷热水机组的供热运行时的第二实施方式是发生在室外较低环境温度的场合。由于空气源热泵在低温下结霜频繁，热泵机组的性能系数会急剧下降，甚至不能制热。为保证机组在低温下仍然可以制热，可采用该实施方式。
在这一实施方式中，热泵系统的制冷剂循环方式同供热运行的第一实施方式基本相同。与第一种实施方式所不同的是，在这种室外较低环境温度下，通过阀组控制器27控制旁通电磁阀21关闭，制冷剂流过水-制冷剂换热器20后，经四通阀5和气液分离器4后返回压缩机3。
在发动机冷却水回路中，通过阀组控制器27将冷却水阀组22内部的三通阀切换，使得a端和c端接通。此时，将烟气换热器24和水-制冷剂换热器20连接，从而使得燃气发动机1、烟气换热器24和水-制冷剂换热器20组成一个回路。经燃气发动机1的缸套加热后的冷却水从燃气发动机1的缸套流出，进入烟气换热器24再次加热，然后通过水-制冷剂换热器20将热量释放给低压制冷剂后返回燃气发动机1，实现余热利用。
供冷运行实施方式
如图5所示，本发明冷热水机组的供冷运行时的实施方式是将四通阀切换到制冷模式，使得压缩机3的排气口和翅片管换热器18相连接，高温高压制冷剂通过翅片管换热器18向环境放热后，经储液器16、过滤器15、示镜14、膨胀阀13后进入板式换热器6吸收热量后经四通阀5、气液分离器4返回压缩机3。为避免水-制冷剂换热器20冷却水流道中静止的冷却水被压缩机所排出的高温高压的制冷剂加热，导致水蒸气产生，通过阀组控制器27将旁通电磁阀21打开，使得压缩机1出口的制冷剂旁通至翅片管换热器18。在制冷工况下，由于压差的作用，接在板式换热器6和翅片管换热器18之间的A单向阀和C单向阀导通，B单向阀和D单向阀不通，这样可保证了制冷剂始终从同一个方向通过膨胀阀13。
在制冷运行中，为了保证发动机能正常运行，且避免制冷运行时烟气换热器24内存有的积水被加热至沸腾。系统中接一发动机余热散热器19。散热器19同冷却水阀组22的e端和燃气发动机1的冷却水进口端相连接，且与发动机1、烟气换热器24组成一个散热回路，通过与室外空气进行热交换的方式释放掉燃气发动机1的余热。
阀组控制结构原理
如图2所示，阀组控制器27的输入信号为室外温度，翅片管换热器出口温度、发动机进水温度、机组的工作模式。具体实施过程如下：机组首先根据系统的工作模式确定机组处于供热或是制冷模式，当处于供热模式时，冷却水阀组22将a、b两端或a、c两端接通；当机组处于制冷模式时，冷却水阀组22将a、d两端接通。在制热模式下，首先冷却水阀组22将a、b两端接通，将余热附加给空调水。运行过程中，根据室外温度和翅片管18出口温度判断，若翅片管换热器出口温度过低，则将冷却水阀组22的a、c两端接通，使得发动机余热承担翅片管蒸发器18的部分热量，如翅片管换热器18出口温度不是很低，则将冷却水阀组22的a、b两端接通，将余热附加给空调水。当室外温度很低，且冷却水阀组22的a、c两端接通机组仍然处于结霜状况时，将冷却水阀组22的a、b两端端口接通，切换四通阀，使得热泵机组本身处于除霜运转。
无论在何种模式下工作，为保证发动机能正常高效地工作，进入发动机的冷却水温度不能低于80℃，当低于80℃时，将阀组22的a、e两端接通，直接将烟气换热器24出口的冷却水旁通回发动机，待发动机进水温度上升至85℃时，再通过阀组控制器27将冷却水阀组22切换到相应余热回收或散热位置。
对于旁通电磁阀21，只有在冷却水阀组22的a、c两端接通的状态下，才处于关闭状态。在其它情况下，该阀一律打开。发动机冷却水阀组22的这种切换控制模式保证了机组始终在高效安全的模式下运行。

Claims (4)

1.一种燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组，包括燃气发动机(1)、离合器(2)、压缩机(3)、气液分离器(4)、四通阀(5)、板式换热器(6)、A单向阀(7)、B单向阀(8)、C单向阀(9)、D单向阀(10)、A截至阀(11)、B截至阀(12)、膨胀阀(13)、示镜(14)、过滤器(15)、储液器(16)、风机(17)、翅片管换热器(18)、散热器(19)、烟气换热器(24)、冷却水泵(25)、燃气减压阀(26)，其特征在于还包括水-制冷剂换热器(20)、旁通电磁阀(21)、阀组(22)、水-水换热器(23)、阀组控制器(27)，燃气发动机部分和热泵部分的热交换通过水-制冷剂换热器(20)和水-水换热器(23)实现，燃气发动机(1)的冷却水流向通过由阀组控制器(27)控制的冷却水阀组(22)切换。
2.根据权利要求(1)所述的燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组，其特征是在热泵部分，压缩机(3)的出口与四通阀(5)的进口(D管)相连接，四通阀(5)的E管与板式换热器(6)制冷剂流道的一端相连接，板式换热器(6)制冷剂流道的另一端与A单向阀(7)的出口以及D单向阀(10)的进口端相连接，B单向阀(8)的出口和C单向阀(9)的进口端均与翅片管换热器(18)制冷剂流道的一端相连接，翅片管换热器(18)制冷剂流道另一端与水-制冷剂换热器(20)的制冷剂流道一端相连接，水-制冷剂换热器(20)制冷剂流道的另一端和四通阀(5)的C管相连接，在水-制冷剂换热器(20)制冷剂流道的进出端口处接有旁通电磁阀(21)，四通阀(5)出口(S管)与气液分离器(4)的进口相连接，气液分离器(4)的出口与压缩机(3)的进口相连接，C单向阀(9)和D单向阀(10)的出口均与储液器(16)的进口相连接，储液器(16)的出口通过A截至阀(11)、过滤器(15)、示镜(14)、与膨胀阀(13)连接后再经B截至阀(12)与A单向阀(7)和B单向阀(8)的进口相连接，在空调水循环回路中，空调系统的回水管与板式换热器(6)的空调水流道进口相连接，板式换热器(6)的空调水流道出口与水-水换热器(23)的空调水流道进口相连接，水-水换热器(23)的空调水流道出口与空调系统进水管相连接。
3.根据权利要求1所述的燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组，其特征是在燃气发动机系统部分，燃气发动机(1)的冷却水出口同烟气热换热器(24)冷却水流道的进口相连接，烟气热换热器(24)的冷却水流道出口同冷却水阀组(22)的a端相连接，冷却水阀组(22)的b端、c端和d端分别与水-水换热器(23)发动机冷却水流道进口、水-制冷剂换热器(20)的发动机冷却水流道进口和散热器(19)进口相连接，水-制冷剂换热器(20)的发动机冷却水流道出口、水-水换热器(23)的发动机冷却水流道的出口、散热器(19)的出口以及冷却水阀组(22)的e端均与发动机冷却水泵(25)的进口相连接，发动机冷却水泵(25)的出口与燃气发动机(1)的冷却水进口相连接，燃气发动机(1)通过排气烟道与烟气换热器(24)烟道进口相连接，风机(17)安装在散热器(19)和翅片管换热器(18)的上方，燃气发动机(1)和压缩机(3)通过离合器(2)进行轴连接，燃料供应管通过减压阀(26)与燃气发动机(1)的燃料进口相连接。
4.根据权利要求1所述的燃气发动机驱动的风冷热泵型冷热水机组，其特征是阀组控制器(27)的3个输入端分别与室外温度传感器、翅片管出风温度传感器和发动机进水温度传感器的输出端电连接，另一个输入端与冷热运行模式切换开关电连接，阀组控制器(27)的3输出端分别与冷却水阀组(22)内部3个电磁阀的控制端相连接，另一个输出端与旁通电磁阀(21)的控制端相连接。
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