一種用于集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱泵供熱機組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱泵供熱機組，包括內(nèi)燃機，內(nèi)燃機、壓縮機、冷凝器和煙氣余熱回收器依次連接，構成燃氣供暖熱水系統(tǒng)；冷凝器還與第一蒸發(fā)器連接，第一蒸發(fā)器回連至壓縮機，構成空氣源熱泵冷媒系統(tǒng)；煙氣余熱回收器設于內(nèi)燃機的煙氣管道上，煙氣余熱回收器的出水管路與供熱系統(tǒng)的供水管道連接，供熱系統(tǒng)將循環(huán)高溫水供給用戶。采用內(nèi)燃機驅(qū)動熱泵抽取空氣中的熱量，然后將余熱繼續(xù)用于供熱系統(tǒng)，其綜合熱能轉(zhuǎn)化率可達200％，熱能轉(zhuǎn)化率高。通過提高冷凝壓力，冷凝器的出水溫度可達到60℃以上，冷凝器出水再經(jīng)過設置在內(nèi)燃機排氣管道上的煙氣余熱回收器進一步吸收煙氣熱量，供水溫度最高可達85℃。
【專利說明】
一種用于集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱泵供熱機組
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種燃氣驅(qū)動空氣源熱栗供熱機組，特別是一種用于集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱栗供熱機組。
【背景技術】
[0002]燃氣引擎驅(qū)動熱栗(Gas engine driven Heat Pump縮寫為GHP)主要指應用于多聯(lián)式冷媒空調(diào)系統(tǒng)的多用途機組。其特點是以冷媒(制冷劑)為室內(nèi)機循環(huán)介質(zhì)，一般采用活塞壓縮機?，F(xiàn)有GHP技術可以通過空調(diào)方式用于室內(nèi)采暖，不能用于集中供熱系統(tǒng)，主要技術原因是受壓縮比和冷凝(蒸發(fā))壓力的限制，最佳冷凝溫度設計值是50°C左右，如果再通過板式換熱器制取熱水的話，實際供水溫度在45 °C左右，效率低，輸送成本高，無法滿足集中供熱的要求。
[0003]目前山東全省集中供熱平均普及率只有63%，比較發(fā)達的濟南市實際缺口大概有7000萬米2。一些影響供熱可持續(xù)發(fā)展的矛盾和問題也日益凸顯，制約了供熱事業(yè)的健康發(fā)展。主要表現(xiàn)在:我國是以燃煤為主的供熱國家，山東省不是產(chǎn)煤大省，熱電聯(lián)產(chǎn)總裝機容量卻是全國第一。這幾年鍋爐排煙采用了多種除塵、脫硫、脫銷技術措施，排放標準不斷修訂、越來越嚴，可是空氣污染卻越來越重。所以燃煤鍋爐為熱源的城市供熱不可能無限制發(fā)展，或者說是不可持續(xù)的，而全省集中供熱需求卻平均每年以4000多萬平方米速度增長，那么解決的辦法就是要靠創(chuàng)新，靠發(fā)展模式創(chuàng)新、靠技術創(chuàng)新，按照《供熱條例》提出的集中供熱必須鼓勵利用天然氣等清潔能源和太陽能、水能、生物質(zhì)能、地熱能等可再生能源發(fā)展供熱事業(yè)，完善供熱基礎設施配套。
[0004]目前大量應用于區(qū)域集中供熱的空氣源熱栗機組是以電為驅(qū)動能源，能效比大約在2-2.5之間，最高供水溫度為65°C，壓縮機以定頻渦旋壓縮機居多，容量小，應用于集中供熱時占地面積過大，在電網(wǎng)容量不足的地區(qū)用電來供暖不應提倡，而且，采用電作為驅(qū)動能源，用電量的增加意味著火電廠排放量的增加，增加了總污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種供熱溫度最高可達85°C、污染小、供熱成本低、能夠滿足集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱栗供熱機組。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
[0007]—種用于集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱栗供熱機組，包括內(nèi)燃機，所述內(nèi)燃機、壓縮機、冷凝器和煙氣余熱回收器依次連接，構成燃氣供暖熱水系統(tǒng);所述冷凝器還與第一蒸發(fā)器連接，第一蒸發(fā)器回連至壓縮機，構成空氣源熱栗冷媒系統(tǒng);所述煙氣余熱回收器設于內(nèi)燃機的煙氣管道上，煙氣余熱回收器的出水管路與供熱系統(tǒng)的供水管道連接，供熱系統(tǒng)將循環(huán)高溫水供給用戶。
[0008]優(yōu)選的，所述內(nèi)燃機的煙氣管道上還設有第二蒸發(fā)器，所述第二蒸發(fā)器一端與第一蒸發(fā)器連接，第二蒸發(fā)器的另一端與壓縮機連接；內(nèi)燃機的排煙先經(jīng)煙氣余熱回收器直接加熱供熱系統(tǒng)循環(huán)水后進入第二蒸發(fā)器，二次利用內(nèi)燃機煙氣的余熱。
[0009]所述內(nèi)燃機的煙氣管道還與第一蒸發(fā)器的除霜裝置連接；內(nèi)燃機煙氣的余熱還可以用于第一蒸發(fā)器的自動除霜，實現(xiàn)不停機除霜。
[0010]所述冷凝器和第一蒸發(fā)器之間設有節(jié)流閥；可選用電子膨脹閥或熱力膨脹閥，壓縮機內(nèi)的制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥進行節(jié)流和降壓。
[0011]供熱系統(tǒng)的回水管道與冷凝器連接，由供熱系統(tǒng)、冷凝器和煙氣余熱回收器構成循環(huán)供水回路;供熱系統(tǒng)的回水經(jīng)過冷凝器換熱升溫后再由煙氣余熱回收器進一步吸收煙氣的熱量，進一步升高水溫，供給用戶。
[0012]所述內(nèi)燃機帶有缸套冷卻系統(tǒng)，所述缸套冷卻系統(tǒng)的入口與供熱系統(tǒng)的回水管道連接，缸套冷卻系統(tǒng)的出口與煙氣余熱回收器的出水管路連接，缸套冷卻系統(tǒng)可直接用于供熱循環(huán)系統(tǒng)。煙氣余熱回收器的出水管路與缸套冷卻水管路并聯(lián)后與用戶供暖系統(tǒng)連接，將循環(huán)高溫水供給用戶。由于供熱系統(tǒng)循環(huán)水是經(jīng)過濾、軟化或電子水處理儀處理過的清潔水，可以直接進入內(nèi)燃機的缸套作為冷卻用水，即內(nèi)燃機的缸套冷卻系統(tǒng)采用供熱系統(tǒng)的回水作為冷卻水，經(jīng)過內(nèi)燃機缸套后的冷卻水與經(jīng)過熱栗系統(tǒng)的循環(huán)水并聯(lián)后一起進入供熱系統(tǒng)。由于系統(tǒng)回水溫度約為50°C左右，該溫度的回水作為內(nèi)燃機的冷卻水既可以直接對內(nèi)燃機進行合理的冷卻，無需其他設備和動力，冷卻后的水溫度約為80°C左右，可直接成為供水，可達到能源的合理利用?；蛘哒f經(jīng)由冷凝器、煙氣余熱回收器的水與缸套冷卻水并聯(lián)后和小區(qū)供熱系統(tǒng)串聯(lián)共同構成循環(huán)供水回路，這種方式比缸套冷卻水單獨循環(huán)、通過換熱器間接加熱供暖系統(tǒng)回水會更節(jié)省投資、減少電能消耗、使系統(tǒng)更加簡單化。
[0013]所述內(nèi)燃機和壓縮機之間設有無級變速器，內(nèi)燃機的機械能通過無級變速器傳輸給壓縮機。
[0014]所述無級變速器的傳動比為1-2.5;傳動比會直接影響機械效率，設置合適的傳動比可以確保供熱機組的高效率運行。
[0015]所述壓縮機為螺桿式壓縮機或渦旋式壓縮機。其中大容量低溫機組主要采用螺桿式壓縮機，以減少機頭臺數(shù);小容量高溫水供熱機組應選用多臺渦旋式壓縮機，可以提高壓縮比，提高冷凝壓力，達到提高供水溫度的目的。
[0016]本發(fā)明的工作原理為:
[0017]通過內(nèi)燃機提供動力驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，制冷劑經(jīng)過壓縮機壓縮后變成高溫高壓的制冷劑氣體，在流經(jīng)冷凝器時放熱，與冷凝器內(nèi)的供熱系統(tǒng)水進行熱交換，經(jīng)過熱交換后的制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥膨脹和降壓后流向蒸發(fā)器B，流經(jīng)蒸發(fā)器B的制冷劑吸收大量的空氣熱能，然后再流經(jīng)蒸發(fā)器A進一步吸收煙氣的熱能，從而使吸入壓縮機的制冷劑溫度提高，壓縮機吸入的制冷劑的溫度提高可以有效防止液擊。供熱系統(tǒng)循環(huán)水首先經(jīng)過冷凝器進行熱交換，此時，冷凝器的出水溫度可以超過60°C，吸熱升溫后的系統(tǒng)供水再經(jīng)過煙氣余熱回收器進一步吸收煙氣的熱量，水溫進一步升高，水溫可達85°C作用，然后供給熱用戶。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019]本發(fā)明采用內(nèi)燃機驅(qū)動熱栗抽取空氣中的熱量，然后將余熱繼續(xù)用于供熱系統(tǒng)，其綜合熱能轉(zhuǎn)化率可超過200%，熱能轉(zhuǎn)化率高。本發(fā)明通過提高冷凝壓力，可使冷凝器出水溫度達到60°C以上，冷凝器出水再經(jīng)過設置在內(nèi)燃機排氣管道上的煙氣余熱回收器進一步吸收煙氣熱量，采暖供水溫度最高可達85°C，是目前已批量生產(chǎn)的所有形式的熱栗機組無法達到的供熱溫度。本發(fā)明中內(nèi)燃機所用的天然氣屬于一次能源中最清潔的能源之一，本身污染低于發(fā)電污染，并且本發(fā)明消耗一次能源的量遠低于通過發(fā)電再驅(qū)動熱栗供熱的一次能源消耗量，其運行成本低。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明供熱機組的結(jié)構示意圖；
[0021 ]圖中，I是內(nèi)燃機，2是無級變速器，3是壓縮機，4是蒸發(fā)器A，5是蒸發(fā)器B，6是節(jié)流閥，7是冷凝器，8是煙氣余熱回收器。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]如圖1所示，一種用于集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱栗供熱機組，其包括帶有缸套冷卻裝置的內(nèi)燃機1、壓縮機3、冷凝器7、蒸發(fā)器、煙氣余熱回收器8。壓縮機3為螺桿式或渦旋式壓縮機，蒸發(fā)器包括蒸發(fā)器A4和蒸發(fā)器B5 ο內(nèi)燃機I的機械能輸出端通過無級變速器2與壓縮機3連接，煙氣余熱回收器8和蒸發(fā)器A4依次設置在內(nèi)燃機3的排氣管路上，用于吸收煙氣的熱能，蒸發(fā)器B5是吸收空氣中的熱能(僅部分時段用內(nèi)燃機尾氣除霜)。供熱系統(tǒng)的循環(huán)水一路先經(jīng)過冷凝器7，在冷凝器7內(nèi)進行換熱吸收熱量，然后再通過煙氣余熱回收器8吸收煙氣的熱量與另一路通過缸套被加熱的水混合后供給熱用戶。壓縮機3的制冷劑循環(huán)路線為:低溫低壓的制冷劑由壓縮機3壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器7后放熱，對冷凝器7中的供熱系統(tǒng)的循環(huán)水進行加熱，放熱后的制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥6膨脹、降壓后流向蒸發(fā)器B5，流經(jīng)蒸發(fā)器B5的制冷劑吸收大量的空氣熱能，然后再流經(jīng)蒸發(fā)器A4進一步吸收煙氣的熱能后進入壓縮機。
[0024]其中，蒸發(fā)器A4置于內(nèi)燃機煙氣管道上，靠近壓縮機3冷媒入口，主要吸收少量煙氣熱量以提高壓縮機回氣過熱度，使機器運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)；蒸發(fā)器B5主要用于吸收大量空氣中的熱能將液體冷媒變成氣體形成逆卡諾循環(huán)。煙氣余熱回收器7設于內(nèi)燃機的煙氣出口，吸收高溫煙氣熱量以提高供暖熱水溫度?？諝庠礋崂跸到y(tǒng)吸收空氣中的熱量用于加熱供暖熱水，同時最大限度地回收煙氣余熱和缸套水熱量，將空氣源熱栗和燃氣供暖相結(jié)合，滿足供熱系統(tǒng)熱量和溫度要求，提高了一次能源熱能轉(zhuǎn)化率。
[0025]本發(fā)明中的采暖系統(tǒng)供水首先經(jīng)過冷凝器7進行熱交換，此時，冷凝器7的出水溫度可達60°C左右，吸熱升溫后的系統(tǒng)供水再經(jīng)過煙氣余熱回收器8進一步吸收煙氣的熱量，水溫進一步升尚，水溫可達85 C左右。
[0026]本發(fā)明中內(nèi)燃機的缸套冷卻系統(tǒng)可采用現(xiàn)有技術中的冷卻系統(tǒng)，例如可采用單獨的換熱器及冷卻水供給系統(tǒng)對缸套進行冷卻。本實施例中，內(nèi)燃機的缸套冷卻系統(tǒng)采用供熱系統(tǒng)的回水作為冷卻水，經(jīng)過內(nèi)燃機缸套后的冷卻水進入供熱系統(tǒng)的供水管道。由于本發(fā)明中的系統(tǒng)回水溫度約為5 O °C左右，該溫度的回水可直接作為內(nèi)燃機缸套的冷卻水使用，無需其他設備和動力，且冷卻后的水溫度約為80°C左右，可直接成為供水，能夠節(jié)約能源，降低運行成本。
[0027]為提高吸熱效果，本發(fā)明中的蒸發(fā)器A4優(yōu)選雙螺紋管蒸發(fā)器。無級變速器2的傳動比優(yōu)選為:1-2.5，傳動比直接影響機械效率，但對余熱利用影響不大。熱負荷較小時，低傳動比燃氣機的輸出功率無法滿足壓縮機的功率需求，此時燃氣機會熄火或無法啟動。只有通過增大燃氣機的節(jié)氣門開度，提高燃氣機的轉(zhuǎn)速來滿足需要的熱負荷，但此時燃氣機已處于高速低效工作區(qū)，機組的經(jīng)濟性較差。本發(fā)明供熱機組將一次能源轉(zhuǎn)化為機械能和熱能，這兩部分能量都是被充分利用的。
[0028]本發(fā)明中，通過內(nèi)燃機提供動力驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，低溫的制冷劑經(jīng)過壓縮機壓縮后變成高溫高壓的制冷劑氣體，在流經(jīng)冷凝器時放熱，與冷凝器內(nèi)的系統(tǒng)供水進行熱交換，經(jīng)過熱交換后的制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流和降壓后流向蒸發(fā)器B，流經(jīng)蒸發(fā)器B的制冷劑吸收大量的空氣熱能，然后再流經(jīng)蒸發(fā)器A進一步吸收煙氣的熱能，從而使吸入壓縮機的制冷劑溫度提高，壓縮機吸入的制冷劑的溫度高有利于防止液擊(在這里壓力和溫度是成一一對應關系的，壓縮機不允許回氣中帶液體)，本發(fā)明供熱專用機組是專門向暖氣片形式的供暖系統(tǒng)提供熱水的，供水溫度最好在80°C左右，而其他多用途熱栗機組只能提供約60°C的熱水，如果供水溫度再低則只能用于地暖或中央空調(diào)系統(tǒng)。所以本機組一是提高冷凝壓力，冷凝壓力升高時，壓縮機吸入制冷劑溫度提高，排氣溫度也升高，壓縮機的壓縮比也增大。二是經(jīng)過熱栗冷凝器吸熱升溫后的出水，再經(jīng)過煙氣余熱回收器進一步吸收煙氣的熱量，水溫進一步升高，水溫可達85°C左右，然后供給熱用戶。
[0029]本發(fā)明的特點是只考慮冬季供熱工況，以使系統(tǒng)更簡化、效率更高、操作更簡單，其主要技術指標的優(yōu)劣主要與燃氣鍋爐的性能作對比。本發(fā)明的目的是將一次能源轉(zhuǎn)化為機械能和熱能，這兩部分能量都是被充分利用的。熱力學第一定律、(火用)分析、能級分析和熱經(jīng)濟學分析結(jié)果表明:燃氣機熱栗在供熱時的一次能源利用率為1.76，(火用)效率為29.12%。對比發(fā)現(xiàn)，燃氣機熱栗的一次能源利用率和(火用)效率均高于電動熱栗、燃氣鍋爐、燃煤鍋爐和電鍋爐;對燃氣機熱栗系統(tǒng)的能級分析也表示系統(tǒng)的能量利用過程比較合理;通過熱經(jīng)濟學的分析，得出燃氣機熱栗的供熱(火用)成本為11.2元/GJ，這個價格與現(xiàn)行集中供熱的價格相比還是很有優(yōu)勢的。這反映了燃氣機熱栗是一項高效節(jié)能技術。由于能級平衡理論分析考慮了(火無)的作用，而熱栗供暖時其性能系數(shù)的提高主要是利用了環(huán)境熱量，所以采用能級平衡理論來分析評價熱栗的性能。為了實際驗證燃氣機熱栗技術的可行性，需要搭建綜合實驗平臺。通過簡單試驗表明，燃氣機熱栗一次能源利用率PER在1.13?1.79之間。隨著轉(zhuǎn)速的降低，發(fā)動機效率增大;而系統(tǒng)的性能系數(shù)COP雖有下降，但下降不多，且在很大范圍內(nèi)保持不變。這說明燃氣機熱栗部分負荷特性好，可以很好的實現(xiàn)變速調(diào)節(jié)。
[0030]本發(fā)明的熱力學原理是將高品位的天然氣首先用來做功(熵增)，其在做功過程中產(chǎn)生的熱量基本沒有損失，或者說天然氣的熱值或發(fā)熱量并沒有變化。在標準工況(空氣干球/濕球溫度:7°C/6°C ;進水溫度40°C，出水溫度45°C)下，電動空氣源熱栗的能效比⑶P—般都在3.2以上，同時考慮回收天然氣的冷凝熱，而燃氣冷凝鍋爐效率都在0.9以上，理論上可以按燃氣發(fā)熱量的0.9回收其余熱，這樣可以計算出燃氣熱栗在標準工況下理論能效比為3.2+0.9 = 4.1，或者說其熱效率是410%。但在北方地區(qū)實際工況下，目前這種熱栗機組的能效比一般在2.0左右，而天然氣的綜合利用率在0.7左右，本裝置把空氣源熱栗和燃氣供暖技術結(jié)合起來，整個機組的實際熱效率就是270%左右。目前空氣源熱栗機組已被住建部列為可再生能源設備，天然氣又屬于集中供熱領域推廣應用的清潔能源，本機組推廣應用后至少可以節(jié)省燃氣耗量1/2。燃氣驅(qū)動空氣源熱栗供熱機組是一臺完整的成套設備，其體積略大于相同供熱量的燃氣鍋爐。由于用氣量較小，又不存在鍋爐的鍋筒等壓力容器，安全性大大優(yōu)于燃氣鍋爐，所以不需要按特種設備進行監(jiān)管，完全可以替代現(xiàn)有燃氣鍋爐。
[0031]本發(fā)明中的其它部分采用已知技術，在此不再贅述。
[0032]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權項】
1.一種用于集中供熱系統(tǒng)的燃氣驅(qū)動空氣源熱栗供熱機組，其特征是，包括內(nèi)燃機，所述內(nèi)燃機、壓縮機、冷凝器和煙氣余熱回收器依次連接，構成燃氣供暖熱水系統(tǒng);所述冷凝器還與第一蒸發(fā)器連接，第一蒸發(fā)器回連至壓縮機，構成空氣源熱栗冷媒系統(tǒng);所述煙氣余熱回收器設于內(nèi)燃機的煙氣管道上，煙氣余熱回收器的出水管路與供熱系統(tǒng)的供水管道連接，供熱系統(tǒng)將循環(huán)高溫水供給用戶。2.如權利要求1所述的供熱機組，其特征是，所述內(nèi)燃機的煙氣管道上設有第二蒸發(fā)器，所述第二蒸發(fā)器一端與第一蒸發(fā)器連接，第二蒸發(fā)器的另一端與壓縮機連接。3.如權利要求1或2所述的供熱機組，其特征是，所述內(nèi)燃機的煙氣管道還與第一蒸發(fā)器的除霜裝置連接。4.如權利要求2所述的供熱機組，其特征是，所述冷凝器和第一蒸發(fā)器之間設有節(jié)流閥。5.如權利要求1所述的供熱機組，其特征是，供熱系統(tǒng)的回水管道與冷凝器連接，由供熱系統(tǒng)、冷凝器和煙氣余熱回收器構成循環(huán)供水回路。6.如權利要求1或5所述的供熱機組，其特征是，所述內(nèi)燃機帶有缸套冷卻系統(tǒng)，所述缸套冷卻系統(tǒng)的入口與供熱系統(tǒng)的回水管道連接，缸套冷卻系統(tǒng)的出口與煙氣余熱回收器的出水管路連接。7.如權利要求1所述的供熱機組，其特征是，所述內(nèi)燃機和壓縮機之間設有無級變速器。8.如權利要求7所述的供熱機組，其特征是，所述無級變速器的傳動比為1-2.5。9.如權利要求1或2或7所述的供熱機組，其特征是，所述壓縮機為螺桿式壓縮機或渦旋式壓縮機。
【文檔編號】F25B27/00GK105841390SQ201610203393
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】韓廣鈞, 劉學來, 蘇保玲
【申請人】山東省食品發(fā)酵工業(yè)研究設計院, 韓廣鈞