[發明專利]一種帶機械過冷的高溫型燃氣熱泵系統

在審

• 申請號: 202110178293.2
• 申請日: 2021-02-09
• 公開（公告）號: CN112815578A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 劉猛;馮毅;徐櫟亞;唐繼旭;張劉海;張春路;何宇佳;曹祥
• 申請（專利權）人: 上海航天工業（集團）有限公司;同濟大學;上海航天智慧能源技術有限公司
• 主分類號: F25B30/02
• 分類號: F25B30/02;F25B30/06;F25B41/20;F25B43/00;F25B47/00;F25B47/02
• 代理公司: 上海世圓知識產權代理有限公司 31320
• 代理人: 陳穎潔;王佳妮

本發明的一種帶機械過冷的高溫燃氣熱泵系統，包括熱泵子系統、內燃機子系統、連動機組和供水流路；熱泵主循環是由包括低溫蒸發器的制冷劑通道、四通換向閥、氣液分離器、第一壓縮機、第一冷凝器的制冷劑通道、過冷器的高溫通道和第一節流閥通過管道依次串聯構成循環；機械過冷子循環是由包括所述過冷器的低溫通道、第二壓縮機、第二冷凝器和第二節流閥通過管道依次串聯構成循環；內燃機子系統由發動機、煙氣流路和冷卻液循環流路組成。本發明一次能源利用率高，能夠回收熱泵主循環的剩余熱量，提供更高的供熱溫度，系統換熱均勻性得到明顯改善，換熱不可逆損失減小，室外蒸發器不易結霜，發動機的可靠性和運行壽命得到顯著提高。

技術領域

本發明涉及一種燃氣熱泵系統，尤其是涉及一種帶機械過冷的高溫型燃氣熱泵系統。

背景技術

天然氣作為一種清潔能源在我國的能源變革中占有重要地位。我國正在穩步推進天然氣體制改革，采用高效節能技術提高能源利用率對于天然氣的應用和發展至關重要。

燃氣熱泵通過將發動機與蒸汽壓縮式循環裝置兩類成熟的技術進行整合，極大地拓展了燃氣技術的發展空間和市場需求。燃氣熱泵利用燃氣發動機驅動壓縮機，實現將熱量從低溫熱源向高溫熱源泵送，是提高一次能源利用率的高效節能裝置；同時燃氣內燃機產生的余熱可進一步用于供熱，熱能轉化效率高。

對于供熱需求超過80℃的工業流程，目前市面上的普通熱泵系統需要采用高成本的特種高溫壓縮機，二氧化碳等熱泵也由于高壓控制和高成本等難題還未大規模市場化。相比之下，燃氣熱泵的發動機余熱屬于高溫余熱范圍，若將余熱直接用于換熱流體加熱，可以進一步實現高溫或超高溫供熱。因此，在高溫工業流程中，燃氣熱泵具有明顯的技術和成本優勢。

然而，由于烘干等應用場景的特點，換熱流體通常采用循環制熱模式，進入燃氣熱泵的換熱流體溫度也會較高。因此，盡管燃氣熱泵的冷凝溫度可以低于供熱溫度，較高的進口流體溫度也會導致其達到約60℃。現有的燃氣熱泵系統通常采用單發動機帶動單壓縮機模式，對于單級熱泵系統，過高的閥前溫度將造成顯著的節流損失，降低系統能效，從而導致燃氣熱泵的一次能源利用效率降低。同時對于供回水溫差較大的應用場景，熱泵和發動機余熱的兩段式供熱仍不能很好地保證溫差場均勻性，從而造成較大的換熱不可逆損失。

另一方面，空氣源熱泵低溫下的結霜問題也是影響機組性能的重要難題。電驅熱泵冬季運行時需及時除霜，消耗額外的電力且影響制熱效果。一般情況下，每30～120分鐘需除霜一次，增加了10%的電耗量。

發明內容

為滿足高溫工業流程的供熱需求，提高燃氣熱泵機組能源利用效率，同時改善空氣源熱泵結霜情況，本發明提出了一種帶機械過冷的高溫型燃氣熱泵系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種帶機械過冷的高溫燃氣熱泵系統，其特征在于，包括熱泵子系統、內燃機子系統、連動機組和供水流路；

所述熱泵子系統由熱泵主循環和機械過冷子循環組成；所述熱泵主循環是由包括低溫蒸發器的制冷劑通道、四通換向閥、氣液分離器、第一壓縮機、第一冷凝器的制冷劑通道、過冷器的高溫通道和第一節流閥通過管道依次串聯組成，所述第一節流閥再與所述低溫蒸發器的制冷劑通道連接，構成循環；所述機械過冷子循環是由包括所述過冷器的低溫通道、第二壓縮機、第二冷凝器和第二節流閥通過管道依次串聯組成，第二節流閥再與所述過冷器的低溫通道連接，構成循環；

所述內燃機子系統由發動機、煙氣流路和冷卻液循環流路組成；所述煙氣流路是由發動機的排氣管、三元催化器的煙氣通道、第一煙氣換熱器的煙氣通道、第二煙氣換熱器的煙氣通道和所述低溫蒸發器的煙氣通道通過管道依次串聯組成，低溫煙氣最終從低溫蒸發器排出；所述冷卻液循環流路是由冷卻液換熱器的高溫通道、氣缸套、所述三元催化器的載冷劑通道、所述第一煙氣換熱器的載冷劑通道和冷卻液循環泵通過管道依次串聯組成，所述冷卻液循環泵再與所述冷卻液換熱器的高溫通道相連，構成循環；