专利名称：一种发动机驱动的三级压缩热泵装置的制作方法
技术领域：
本发明属于热泵利用，具体涉及一种发动机驱动的三级压缩热泵技术。
背景技术：
目前，我国建筑物的采暖供热，主要有锅炉房或热电厂供热、热泵供热等方式。锅炉房或热电厂供热大多靠直接燃烧化石燃料获取热量，这种供热方式不仅消耗了大量的不可再生能源，还排放大量的温室气体和污染物，造成了严重的环境污染。热泵供热在我国南方应用较多。它的缺点一是由于出水或出风温度较低，一般低于60°C,所以大多与风机盘管配合使用，系统复杂且初投资较高；二是在冬季温度比较低的北方运行时，效率较低，甚至无法正常运行；三是普通热泵出水温度一般较低，无法与目前北方普遍采用的末端暖气片 联合供热，在热源温度较低时，普通热泵提升温差太大的话会导致其运行效率很低且易出故障；四是现有热泵中大部分是电动的，由于我国电力结构中煤发电仍占相当大的比重，所以热泵消耗的大量的电力不仅引起电力负荷峰谷差等供电问题，还间接造成了大量温室气体和污染物的排放，加剧温室效应和环境污染。
发明内容本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种发动机驱动的三级压缩热泵装置，即通过以天然气、沼气、生物质柴油等清洁能源为燃料的发动机来驱动三级压缩式热泵，大幅提高低温热源条件下的热泵供热温度值，提供给现有末端暖气片进行室内供热，同时利用发动机余热制取生活热水，不仅提高了系统的用能效率，实现能源的高效综合利用，减少温室气体和环境污染物的排放，还实现了同一机组完成冬季制热和制取生活热水双重功能。本发明的的目的可以通过如下措施来达到一种发动机驱动的三级压缩热泵装置，其包括三级压缩热泵系统、发动机系统和水回路三部分，其特征在于所述的三级压缩热泵系统包括高压级循环系统、中压级循环系统和低压级循环系统，高压级压缩机、冷凝器、高压级节流阀、第一中间冷却器组成高压级制冷剂循环系统，高压级压缩机连接冷凝器，冷凝器连接高压级节流阀，高压级节流阀连接第一中间冷却器，第一中间冷却器连接高压级压缩机冲压级压缩机、第一中间冷却器、中压级节流阀、制冷剂加热器、第二中间冷却器组成中压级制冷剂循环系统，中压级压缩机连接第一中间冷却器，第一中间冷却器连接中压级节流阀，中压级节流阀连接制冷剂加热器，制冷剂加热器连接第二中间冷却器，第二中间冷却器连接中压级压缩机；低压级压缩机、第二中间冷却器、蒸发器、低压级节流阀、低压级制冷剂加热器组成低压级制冷剂循环系统，低压级压缩机连接第二中间冷却器，第二中间冷却器连接低压级节流阀，低压级节流阀连接低压级制冷剂加热器，低压级制冷剂加热器连接蒸发器，蒸发器连接低压级压缩机，发动机系统由一个发动机、一个发动机冷却换热器、一个烟气换热器、一个冷却水旁通阀、一个燃料调节阀组成，发动机连接发动机冷却换热器，发动机与发动机冷却换热器之间设有一冷却水旁通阀，发动机冷却换热器的出水口连接烟气换热器的进水口，烟气换热器连接发动机，发动机连接燃料调节阀，水侧回路由三通调节阀、第一水泵、第二水泵、第三水泵、分水器、集水器组成，集水器连接阀门，阀门连接分水器，分水器连接冷凝器进水口，冷凝器出水口连接三通第三调节阀，三通第三调节阀连接供热水出口、集水器，分水器连接补水口、用户回水管，分水器连接第三水泵，第三水泵连接发动机冷却换热器的进水口，发动机冷却换热器的出水口连接三通第二调节阀，三通第二调节阀连接集水器和烟气换热器的进水口，集水器连接三通第三调节阀，集水器连接热水口，集水器连接第一水泵，第一水泵连接低压级制冷剂加热器的进水口，低压级制冷剂加热器的出水口连接三通第一调节阀，集水器连接第二水泵，第二水泵连接制冷剂加热器的进水口，制冷剂加热器的出水口连接三通第一调节阀，三通第一调节阀连接分水器，发动机与压缩机之间传动连接。为了进一步实现本发明的目的，其特征在于所述的发动机系统中有两个以上的发动机，且每个发动机连接一发动机冷却换热器，每个发动机和发动机冷却换热器之间设一冷却水旁通阀，每个发动机冷却换热器出水口连接一烟气换热器进水口，每个烟气换热器连接一发动机，每个发动机连接一燃料调节阀，每个发动机冷却换热器进水口连接一水泵，·每个水泵与分水器连接，每个发动机冷却换热器出水口连接一三通调节阀，每个三通调节阀与集水器和每个烟气换热器进水口连接。为了进一步实现本发明的目的，其特征在于所述的发动机与压缩机之间通过皮带轮或齿轮组及离合器连接。本发明的技术原理是发动机驱动的三级压缩热泵装置由发动机系统、三级压缩热泵系统及相应的水回路三部分组成。发动机系统包括发动机、发动机冷却换热器、发动机烟气换热器、离合器以及水流旁通调节阀、燃料减压调节阀等附件；三级压缩热泵系统包括高压级压缩机、冷凝器、高压级节流阀、第一中间冷却器、低压级压缩机、低压级节流阀、蒸发器、低压级制冷剂加热器、中压级压缩机、第二中间冷却器、中压级节流阀、制冷剂加热器等。水回路包括三通调节阀、集水器、分水器、水泵组成。发动机系统和三级压缩热泵系统的压缩机之间通过齿轮或皮带传动连接。发动机系统可包括I台、2台或3台发动机，分别由I台发动机驱动3台压缩机、I台发动机驱动两台压缩机另一台驱动另外I台压缩机、3台发动机分别驱动3台压缩机，发动机与压缩机离合器之间采用齿轮或皮带传动连接。发动机的冷却余热和尾气余热分别由发动机冷却换热器和发动机尾气换热器回收利用。该装置制热运行时，回收的热量分成三部分一部分直接制取热水，一部分供给制冷剂加热器，用作低温热源加热制冷剂，另一部分进入冷凝器继续加热提升供热水的温度或与冷凝器出水并联进行供热。通过对发动机余热的回收与综合利用，不仅实现了燃料的高效利用，减少了温室气体与污染物的排放，还能改进热泵的低温工作性能，减少或避免了热泵在低温环境下因蒸发器结霜而影响制热，同时又增加系统的制热量。其中的发动机可以是专用燃料发动机，也可以是双燃料发动机；压缩机可以是开启式压缩机、螺杆压缩机、离心压缩机等；冷凝器可以采用水冷的管壳式、套管式、板式等形式的换热器；蒸发器可以风冷、水冷等形式；节流阀可以是毛细管、热力阀、电子膨胀阀等。本发明具有实质性特点和显著进步。本发明提出的发动机驱动三级压缩热泵装置，其中的压缩机动力供应不再用市电，而是由发动机提供压缩机的动力需求。其优点如下其一，除能实现制热运行外，还能回收发动机余热用于制热、制取生活热水和加热制冷齐U，为严寒季节和高寒地区提供了方便、清洁的采暖手段和舒适性条件；其二，以清洁能源为一次燃料，减少温室气体和污染物的排放，实现了燃料的高效综合利用；其三，该系统制热运行时能制取高温度的供热用水，能充分利用现有采暖设施供热，有效地克服了单级热泵循环制取中高温热水时因压缩比过大而导致的效率较低的缺点；该系统制冷运行时，在酷热和炎热天气下提供了节能、高效的空调装置。可见，本发明提出的发动机驱动三级压缩热泵装置，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。
图I为本发明一台发动机驱动压缩机的三级压缩热泵装置结构原理示意图。图2为本发明二台发动机驱动压缩机的三级压缩热泵装置结构原理示意图。 图3为本发明三台发动机驱动压缩机的三级压缩热泵装置结构原理示意图。图4a为本发明一台发动机与一台压缩机之间通过皮带轮连接的示意图；图4b为本发明一台发动机与两台压缩机之间通过皮带轮连接的示意图；图4c为本发明一台发动机与三台压缩机之间通过皮带轮连接的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的最佳实施方式做详细说明实施例I :如图I所示,一台发动机驱动的三级压缩热泵装置原理示意图。该装置由三级压缩热泵循环、发动机系统和水侧回路组成。三级压缩热泵装置包括高压级循环、中压级循环和低压级循环。高压级循环由高压级压缩机3-1、冷凝器4、高压级节流阀5-1、第一中间冷却器21-1组成；低压级循环由低压级压缩机3-2、蒸发器7、低压级节流阀5-2、第二中间冷却器21-2、低压级制冷剂加热器14-2组成；中压级循环由中压级压缩机3-3、中压级节流阀5-3、第一中间冷却器21-1、第二中间冷却器21-2、制冷剂加热器14-3组成。发动机系统包括发动机I、发动机冷却换热器9、烟气换热器8、冷却水旁通阀10组成。发动机I通过主动齿轮15-1、从动齿轮16-1、16-3、离合器2-1、2-3分别与压缩机3-1、3-3输入轴连接，通过主动齿轮15-2、从动齿轮16-2、离合器2-2与压缩机3-2输入轴连接。水侧回路由三通第二调节阀17-2、三通第三调节阀17-3、集水器12、分水器13、第一水泵20-1、第二水泵20-2、第三水泵20-3组成。装置运行时，制冷剂在蒸发器7中吸热后进入压缩机3-2压缩，变为中温中间压力的制冷剂过热气体后进入第二中间冷却器21-2冷却，与来自制冷剂加热器14-3的制冷剂混合换热，产生的饱和制冷剂蒸气进入中压级压缩机3-3压缩，变为制冷剂气体进入第一中间冷却器21-1，与来自高压级节流阀5-1的制冷剂混合换热后产生的饱和蒸气进入高压级压缩机3-1压缩，压缩后的高温高压制冷剂气体进入冷凝器4与水换热后冷凝，经高压级节流阀5-1节流后进入第一中间冷却器21-1，与中压级压缩机3-3排气混合换热后产生的饱和蒸气进入高压级压缩机3-1，而饱和液体经中间级节流阀5-3进一步节流后，进入制冷剂加热器14-3吸热再进入第二中间冷却器21-2，与压缩机3-2排气混合后，产生的饱和蒸气进入中压级压缩机3-3压缩，饱和液体则经低压级节流阀5-2节流后进入低压级制冷剂加热器14-2，在低压级制冷剂加热器14-2内被回收了发动机余热的热水加热，再回到蒸发器7吸热后进入低压级压缩机3-2继续新的循环。水侧回路中，发动机冷却换热器9出水在三通第二调节阀17-2处分成两路，一路直接进入集水器12，另一路进入烟气换热器8，出水进入集水器12。集水器12中的水一路直接用于制取生活热水，一路经三通第三调节阀17-3与冷凝器4出水混合后供给用户制热，一路经第一水泵20-1进入低压级制冷剂加热器14-2，一路经第二水泵20-2进入制冷剂加热器14-3，集水器12通过平衡管经阀门22与分水器13连接，包括供热和生活热水在内的用户回水进入集水器13，从制冷剂加热器14-2、14-3出来的水经三通第一调节阀17-1回到分水器13，分水器13的出水一路进入冷凝器4加热后经三通第三调节阀17-3与来自集水器12的一路出水混合后供热，一路经第三水泵20-3进入发动机冷却换热器9继续循环。分水器13通过补水管补水。实施例2 :如图2所示,两台发动机驱动的三级压缩热泵装置原理示意图。该装置由三级压缩热泵循环、发动机系统和水侧回路组成。三级压缩热泵装置组成和运行原理与图I完全一致。发动机系统包括发动机1-1、1_2、发动机冷却换热器9-1、9_2、烟气换热器
8-1、8-2、冷却水芳通阀10-1、10-2组成。发动机1_1通过王动齿轮15-1、从动齿轮16-1、
16-3、离合器2-1、2-3分别与压缩机3-1、3-3输入轴连接，发动机1_2通过主动齿轮15_2、从动齿轮16-2、离合器2-2与压缩机3-2输入轴连接。水侧回路由水侧三通第二调节阀
17-2、三通第四调节阀17-4、集水器12、分水器13、第一水泵20-1、第二水泵20-2、第三水泵20-3、第四水泵20-4组成。装置运行时，制冷剂循环与图I完全一致。水回路中，发动机冷却换热器9-1、9-2出水分别在三通第二调节阀17-2、三通第四调节阀17-4处分成两路，一路直接进入集水器12，另一路分别进入烟气换热器8-1、8-2，出水进入集水器12。集水器12中的水一路直接用于制取生活热水，一路经三通第三调节阀17-3与冷凝器4出水混合后供给用户制热，一路经第一水泵20-1进入低压级制冷剂加热器14-2，一路经第二水泵20-2进入制冷剂加热器14-3，集水器12通过平衡管经阀门22与分水器13连接，包括供热和生活热水在内的用户回水进入集水器13，从低压级制冷剂加热器14-2和制冷剂加热器14-3出来的水经三通第一调节阀17-1回到分水器13，分水器13的出水一路进入冷凝器4加热后经三通第三调节阀17-3与来自集水器12的一路出水混合后供热，一路经第三水泵20-3进入发动机冷却换热器9-2，一路经第四水泵20-4进入发动机冷却换热器9-1。实施例3 :如图3所示,三台发动机驱动的三级压缩热泵装置原理示意图。该装置由三级压缩热泵循环、发动机系统和水侧回路组成。三级压缩热泵装置组成和运行原理与图2完全一致。发动机系统包括发动机1-1、1-2、1-3、发动机冷却换热器9-1、9-2、9-3、烟气换热器8-1、8-2、8-3、冷却水旁通阀10-1、10-2、10-3组成。发动机1_1通过主动齿轮15_1、从动齿轮16-1、离合器2-1与压缩机3-1输入轴连接，发动机1-2通过主动齿轮15-2、从动齿轮16-2、离合器2-2与压缩机3-2输入轴连接，发动机1-3通过主动齿轮15_3、从动齿轮16-3、离合器2-3与压缩机3-3输入轴连接。水侧回路由水侧三通第一调节阀17-1、三通第二调节阀17-2、三通第三调节阀17-3、三通第四调节阀17-4、三通第五调节阀17-5、集水器12、分水器13、第一水泵20-1、第二水泵20-2、第三水泵20-3、第四水泵20_4、第五水泵20-5组成。装置运行时，制冷剂循环与图2完全一致。水回路中，发动机冷却换热器9-1、
9-2,9-3出水分别在三通第二调节阀17-2、三通第四调节阀17-4、三通第五调节阀17_5处分成两路，一路直接进入集水器12，另一路分别进入烟气换热器8-1、8-2、8-3，出水分别进入集水器12。集水器12中的水一路直接用于制取生活热水，一路经三通第三调节阀17-3与冷凝器4出水混合后供给用户制热，一路经第一水泵20-1进入低压级制冷剂加热器14-2，一路经第二水泵20-2进入制冷剂加热器14-3，集水器12通过平衡管经阀门22与分水器13连接，包括供热和生活热水在内的用户回水进入集水器13，从低压级制冷剂加热器14-2和制冷剂加热器14-3出来的水经三通第一调节阀17-1回到分水器13，分水器13的出水一路进入冷凝器4加热后经三通第三调节阀17-3与来自集水器12的一路出水混合后供热，一路经第三水泵20-3进入发动机冷却换热器9-2，一路经第四水泵20-4进入发动机冷却换热器9-1，一路经第五水泵20-5进入发动机冷却换热器9-3。上述实施例中，发动机与压缩机之间通过主动齿轮或齿轮组与从动齿轮连接进行动力传递，发动机与压缩机之间也可采用主动皮带轮和从动皮带轮皮带传动方式，以图4a为例进行说明即发动机I输出轴上装有主动带轮18，压缩机3输入轴与离合器2连接，离合器2与从动带轮19连接，从动带轮19与主动带轮18通过皮带13实现动力传递。以图4b为例进行说明即发动机I输出轴上装有主动带轮18，压缩机3-1、压缩机3-2输入轴分别与离合器2-1、离合器2-2连接，离合器2-1、离合器2-2另一端分别与从动带轮19-1、从动带轮19-2连接，从动带轮19-1、从动带轮19-2与主动带轮18通过皮带13实现动力传递。 以图4c为例进行说明即发动机I输出轴上装有主动带轮18，压缩机3-1、压缩机3-2、压缩机3_3输入轴分别与尚合器2_1、尚合器2_2、尚合器2_3连接，尚合器2_1、尚合器2_2、尚合器2-3另一端分别与从动带轮19-1、从动带轮19-2、从动带轮19-3连接，从动带轮19_1、从动带轮19-2、从动带轮19-3与主动带轮18通过皮带13实现动力传递。离合器是否接通决定与其连接的压缩机是否投入运行。本发明的三级压缩式热泵在进行制热运行时需要充注合适的制冷剂。水侧回路中三通调节阀旁通开度要根据装置制冷量、制热量及制冷剂过热度等参数情况进行综合调节。
权利要求1.一种发动机驱动的三级压缩热泵装置，其包括三级压缩热泵系统、发动机系统和水回路三部分，其特征在于所述的三级压缩热泵系统包括高压级循环系统、中压级循环系统和低压级循环系统，高压级压缩机(3-1)、冷凝器(4)、高压级节流阀(5-1)、第一中间冷却器(21-1)组成高压级制冷剂循环系统，高压级压缩机(3-1)连接冷凝器(4)，冷凝器(4)连接高压级节流阀(5-1)，高压级节流阀(5-1)连接第一中间冷却器(21-1)，第一中间冷却器(21-1)连接高压级压缩机(3-1);中压级压缩机(3-3)、第一中间冷却器(21-1)、中压级节流阀(5-3)、制冷剂加热器(14-3)、第二中间冷却器(21-2)组成中压级制冷剂循环系统，中压级压缩机(3-3)连接第一中间冷却器(21-1)，第一中间冷却器(21-1)连接中压级节流阀(5-3)，中压级节流阀(5-3)连接制冷剂加热器(14-3)，制冷剂加热器(14-3)连接第二中间冷却器(21-2)，第二中间冷却器(21-2)连接中压级压缩机(3-3);低压级压缩机(3-2)、第二中间冷却器(21-2)、蒸发器(7)、低压级节流阀(5-2)、低压级制冷剂加热器(14-2)组成低压级制冷剂循环系统，低压级压缩机(3-2)连接第二中间冷却器(21-2)，第二中间冷却器(21-2)连接低压级节流阀(5-2)，低压级节流阀(5-2)连接低压级制冷剂加热器(14-2)，低压级制冷剂加热器(14-2)连接蒸发器(7)，蒸发器(7)连接低压级压缩机(3-2)，发动机系统由一个发动机(I)、一个发动机冷却换热器(9)、一个烟气换热器(8)、一 个冷却水旁通阀(10)、一个燃料调节阀(11)组成，发动机(I)连接发动机冷却换热器(9)，发动机(I)与发动机冷却换热器(9)之间设有一冷却水旁通阀(10)，发动机冷却换热器(9)的出水口连接烟气换热器(8)的进水口，烟气换热器(8)连接发动机(I)，发动机(I)连接燃料调节阀(11)，水侧回路由三通调节阀、第一水泵(20-1)、第二水泵(20-2)、第三水泵(20-3)、分水器(13)、集水器(12)组成，集水器(12)连接阀门(22)，阀门(22)连接分水器(13)，分水器(13)连接冷凝器⑷进水口，冷凝器⑷出水口连接三通第三调节阀(17-3)，三通第三调节阀(17-3)连接供热水出口、集水器(12)，分水器(13)连接补水口、用户回水管，分水器(13)连接第三水泵(20-3)，第三水泵(20-3)连接发动机冷却换热器(9)的进水口，发动机冷却换热器(9)的出水口连接三通第二调节阀(17-2)，三通第二调节阀(17-2)连接集水器(12)和烟气换热器(8)的进水口，集水器(12)连接三通第三调节阀(17-3)，集水器(12)连接热水口，集水器(12)连接第一水泵(20-1)，第一水泵(20-1)连接低压级制冷剂加热器(14-2)的进水口，低压级制冷剂加热器(14-2)的出水口连接三通第一调节阀(17-1)，集水器(12)连接第二水泵(20-2)，第二水泵(20-2)连接制冷剂加热器(14_3)的进水口，制冷剂加热器(14-3)的出水口连接三通第一调节阀(17-1)，三通第一调节阀(17-1)连接分水器(13)，发动机(I)与压缩机之间传动连接。
2.根据权利要求I所述的一种发动机驱动的三级压缩热泵装置，其特征在于所述的发动机系统中有两个以上的发动机，且每个发动机连接一发动机冷却换热器，每个发动机和发动机冷却换热器之间设一冷却水旁通阀，每个发动机冷却换热器出水口连接一烟气换热器进水口，每个烟气换热器连接一发动机，每个发动机连接一燃料调节阀，每个发动机冷却换热器进水口连接一水泵，每个水泵与分水器连接，每个发动机冷却换热器出水口连接一三通调节阀，每个三通调节阀与集水器和每个烟气换热器进水口连接。
3.根据权利要求I所述的一种发动机驱动的三级压缩热泵装置，其特征在于所述的发动机与压缩机之间通过皮带轮或齿轮组及离合器连接。
4.根据权利要求I所述的一种发动机驱动的三级压缩热泵装置，其特征在于所述的发动机系统中包含一个以上的发动机，一台发动机可以驱动一台、两台或三台压缩机 。
专利摘要本实用新型公开了一种发动机驱动的三级压缩热泵装置，其包括发动机系统、三级压缩热泵系统及相应的水回路三部分。其特征在于所述的发动机系统包括至少一个发动机、发动机冷却换热器、发动机烟气换热器、离合器以及水流旁通调节阀、燃料减压调节阀等附件；三级压缩热泵系统包括高压级压缩机、冷凝器、高压级节流阀、第一中间冷却器、低压级压缩机、低压级节流阀、蒸发器、低压级制冷剂加热器、中压级压缩机、第二中间冷却器、中压级节流阀、制冷剂加热器等。水回路包括三通调节阀、集水器、分水器、水泵组成。发动机系统和三级压缩热泵系统的压缩机之间通过齿轮或皮带传动连接。本实用新型能提高燃料的利用效率，实现能源的高效利用，减少污染，还实现了同一机组完成制热、制取生活热水的双重功能。
文档编号F25B30/02GK202494245SQ20122012330
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者吴坤, 赵海波 申请人:烟台大学