CN105752310B - 一种船载热泵空调***及制热制冷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船载热泵空调***，包括压缩机、四通换向阀、船舱内换热器、节流阀、船舱外换热器、甲醇水储存容器、至少两个输送泵、至少两套甲醇水重整制氢发电模组、电力转换***、船舶推进***及空气余气混合器；甲醇水重整制氢发电模组整合有重整器及燃料电池，重整器产生的高温余气，排向空气余气混合器或外界；空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向船舱外换热器；燃料电池用于氢气与氧气发生电化学反应，产生电能输出；电力转换***用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电。本发明在制热工况下，室外空气低于‑5℃时，仍能正常高效工作，且蒸发器不会结霜。

Description

一种船载热泵空调***及制热制冷方法
技术领域
本发明涉及船舶空调技术领域，特别涉及一种船载热泵空调***及制热制冷方法。
背景技术
目前，民用渔船、游艇等中小型船舶主要以内燃机为动力，内燃机主要问题是燃料燃烧会产生污染环境的废气，燃油泄漏会污染水域，这些污染对于水产品养殖、生长水域或是优美环境的水上景区的影响要远远大于一般地区。而且内燃机工作时会发出很大噪音，给船上作业、休闲和休息带来干扰。为应对此问题，以燃料电池为船舶动力的技术逐渐开发出来。由于传统船舶空调在制热时能利用燃油发动机热量制热，而燃料电池船舶的空调***则难以利用发动机热量制热，不能提供作为船舶空调冬天采暖的热源，因此，现有技术中燃料电池船舶，需要采用热泵型空调***进行制热及制冷，而热泵型空调***空调的制热耗能较高。
船舶热泵型空调***原理就是利用逆卡诺原理，在制热工况下，船舱内换热器为冷凝器，船舱外换热器为蒸发器，蒸发器从室外空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给用热的船舱内空间，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。在制冷工况下，船舱外换热器为冷凝器，船舱内换热器为蒸发器，蒸发器从船舱内空间空气中的热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递至室外，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。然而，船舶热泵型空调***的缺点是船舱外空气温度越低时供热量越小，特别是当船舱外空气温度低于-5℃时，热泵就难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低。船舶热泵型空调***在制热工况下，蒸发器上会结霜，需要定期除霜，除霜模块技术可参照中国专利申请201210152219.4用于空气源热泵***的除霜方法、201410108455.5一种热泵空调除霜控制方法及热泵空调***，空气源热泵增加除霜模块之后，不但稳定性降低、维护成本增加，而且也损失相当大一部分能量。
中国专利申请201410259775.0公开了一种以燃料电池为船舶动力及热源的装置，其燃料电池由供氧回路、供氢回路、除氢回路、散热回路、电堆总成及控制***构成；该燃料电池为船舶动力及热源的装置包括小功率的电池单体串联组成的大功率燃料电池组，甲醇燃料储罐或氢气燃料储罐通过管道与燃料电池的重整器相通连，重整器与燃料电池相连，燃料罐与流体送泵进行连接，并装设有控制流量的流量计；船上用电设备为两类，包括直流电设备和交流电设备；燃料电池动力装置由燃料电池、电动机、变速箱和推进装置组成，燃料电池输出电源与逆变器相连，后与电动机连接，电动机通过连接连轴器连接变速箱，变速箱与推进装置的主轴相连；燃料电池组自带一套冷却***，设有冷却剂的循环管道和辐射器，在原辐射器外再增加并联一套辐射器，两套辐射器均设有两套辐射器切换截断阀，燃料电池纯净水出口与反应气体出口处的换热器相连接，其燃料电池排水口与集水器相连，集水器上设有溢流装置与下水道相连。燃料电池发电时产生的热量有一部分需要排出，以维持电池组正常工作的温度范围，燃料电池自带一套冷却***，通过冷却剂的循环和辐射器的辐射向外释放热量。供暖***设计是通过在原辐射器之外再并联一套辐射器，两套辐射器都有截断阀，可以通过阀门进行切换，平时由原冷却***运行散热，热量排向大气；若温度低船舱内需要供暖，则切换到向舱内散热的冷却***，以调节舱内温度，可以降低使用专用的调温设备（如空调）的能量消耗。然而，上述以燃料电池为船舶动力及热源的装置至少还具有如下缺失：其一、仅仅利用燃料电池发电时散发的热量，未利用重整器排出的高温余气热量，热量利用率低；其二、燃料电池发电时散发的热量，是通过冷却***直接向舱内散热的，其与船舶热泵型空调***是相互独立的，因此，当船舱外空气温度低时，船舶热泵型空调***仍然难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低，并且船舶热泵型空调***的蒸发器上仍然会存在结霜问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种船载热泵空调***，该热泵空调***能利用重整器排出的高温余气热量，在制热工况下，船舶外空气低于-5℃时，仍能正常高效工作，蒸发器上也不会结霜。为此，本发明还要提供一种该船载热泵空调***的制热制冷方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种船载热泵空调***，包括压缩机、四通换向阀、船舱内换热器、节流阀、船舱外换热器、甲醇水储存容器、至少两个输送泵、至少两套甲醇水重整制氢发电模组、电力转换***、船舶推进***及空气余气混合器，所述甲醇水重整制氢发电模组与输送泵的数量相匹配；所述压缩机、四通换向阀、船舱内换热器、节流阀与船舱外换热器之间形成热泵空调***的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢发电模组的重整器；所述甲醇水重整制氢发电模组整合有重整器及燃料电池，所述重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器或外界；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向船舱外换热器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换***用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电。
优选地，所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀，所述节流阀包括主毛细管和副毛细管，其中副毛细管与止回阀相并联；所述工质输送回路上还设有过滤器及***。
优选地，所述排气囱口与空气余气混合器之间设有换向阀，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向空气余气混合器，在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向外界。
优选地，所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃。
优选地，所述甲醇水重整制氢发电模组还整合有换热器，换热器安装于输送泵与重整器之间的输送管道上，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高，氢气温度降低。
优选地，所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：所述船载热泵空调***的制热制冷方法，包括以下步骤：
a.甲醇水重整制氢发电模组的重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.在制热工况下，船舱内换热器成为冷凝器，船舱外换热器成为蒸发器，高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外换热器，在船舱外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电；
c.在制冷工况下，船舱内换热器成为蒸发器，船舱外换热器成为冷凝器，高温余气排向外界；燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电。
优选地，热泵空调的压缩机及船舶推进***在工作过程中，将即时功率需求量反馈给船舶控制***，船舶控制***根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇和水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。
优选地，在制热工况下，温度传感器实时检测空气余气混合器中的混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在15～60℃内。
本发明的有益效果是：其一、本发明采用甲醇和水作为原料进行重整制氢，再利用燃料电池发电，无废渣和有害废气污染,清洁，不影响人体健康，甲醇来源广泛，是可再生能源，且重整器及燃料电池噪声小、耗能低；其二、在制热工况下，由于高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外换热器，此时，船舱外换热器为蒸发器，在船舱外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出，因此，在任何低温空气环境（例如-5℃以下的空气环境），热泵空调均能正常高效工作；其三、在制热工况下，由于船舱外换热器（即蒸发器）输入的是中温混合气体，因此也不会结霜，无需定期除霜；其四、本发明使重整器的高温余气热量得到利用，从而提高了甲醇水原料的利用效率，与此同时，高温余气与外界空气混合后，热泵空调能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热泵空调更节能省电。
附图说明
图1为本发明的整体结构方框示意图。
图2为图1中甲醇水重整制氢发电模组的结构方框示意图。
图3为甲醇水重整制氢发电模组的优选结构方框示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，一种船载热泵空调***，包括压缩机1、四通换向阀2、船舱内换热器3、节流阀4、船舱外换热器5、甲醇水储存容器6、至少两个输送泵7、至少两套甲醇水重整制氢发电模组8、电力转换***10、船舶推进***9及空气余气混合器11；所述压缩机1、四通换向阀2、船舱内换热器3、节流阀4与船舱外换热器5之间形成热泵空调的工质输送回路，在图1的工质输送回路中，虚线箭头表示制热工况，实线箭头表示制冷工况；所述甲醇水储存容器6储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵7用于将甲醇水储存容器6中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢发电模组8的重整器81；所述甲醇水重整制氢发电模组8整合有重整器81及燃料电池82，重整器81设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，重整器的结构可参照本申请人在此之前申请的中国专利申请201410311217.4、201410621689.X及201510476342.5，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，重整室内的温度为300-570℃温度，重整室内设有催化剂，在重整室内，甲醇与水蒸气在1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应***，反应方程为：(1)CH3OH→CO+2H2、(2)H2O+CO→CO2+H2 、(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2 ，重整反应生成的H2和CO2，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池82，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器81的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器11或外界；所述空气余气混合器11用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向船舱外换热器5；所述燃料电池82用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，在燃料电池82的阳极：2H2→4H++4e-，H2***成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板；在燃料电池82的阴极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O；所述电力转换***10用于将燃料电池82输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机1、输送泵7及船舶推进***9供电，还可为船内其他负载16供电；所述船舶推进***9用于驱动船舶行驶。
如图1所示，所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀12，所述节流阀4包括主毛细管41和副毛细管42，其中副毛细管42与止回阀12相并联；所述工质输送回路上还设有过滤器13及***14。
如图1所示，所述排气囱口与空气余气混合器11之间设有换向阀15，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀15后排向空气余气混合器11，高温余气与外界空气混合后，热泵空调能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热泵空调更节能省电，一般地，热泵空调利用的热量中，外界空气热量占比40%-90%，高温余气占比10%-60%。在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀15后排向外界。
如图1所示，所述空气余气混合器11设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器11，温度感应器用于检测空气余气混合器11内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃。
如图2和图3所示，所述输送泵7与重整器8之间的输送管道上设有换热器83，低温的甲醇和水原料在换热器83中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
上述船载热泵空调***的制热制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.甲醇水重整制氢发电模组的重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.在制热工况下，船舱内换热器成为冷凝器，船舱外换热器成为蒸发器，高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外换热器，在船舱外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电；
c.在制冷工况下，船舱内换热器成为蒸发器，船舱外换热器成为冷凝器，高温余气排向外界；燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电。
热泵空调的压缩机及船舶推进***在工作过程中，将即时功率需求量反馈给船舶控制***，船舶控制***根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇和水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。本发明采用至少两组甲醇水重整制氢发电模组，能极大减少空载，其整体耗能较小，甲醇和水原料消耗较低、利用率高；例如，若本发明设置100组甲醇水重整制氢发电模组，当即时功率需求量较小时，控制***只需要控制较少的甲醇水重整制氢发电模组（例如20组）运转；当即时功率需求量较大时，控制***则控制较多的甲醇水重整制氢发电模组（例如70组）运转。
优选地，在制热工况下，温度传感器实时检测空气余气混合器中的混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在15～60℃内。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种船载热泵空调***，其特征在于：包括压缩机、四通换向阀、船舱内换热器、节流阀、船舱外换热器、甲醇水储存容器、至少两个输送泵、至少两套甲醇水重整制氢发电模组、电力转换***、船舶推进***及空气余气混合器，所述甲醇水重整制氢发电模组与输送泵的数量相匹配；所述压缩机、四通换向阀、船舱内换热器、节流阀与船舱外换热器之间形成热泵空调***的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢发电模组的重整器；所述甲醇水重整制氢发电模组整合有重整器及燃料电池，所述重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器或外界，所述排气囱口与空气余气混合器之间设有换向阀，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向空气余气混合器，在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向外界；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向船舱外换热器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换***用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电。
2.根据权利要求1所述的船载热泵空调***，其特征在于：所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀，所述节流阀包括主毛细管和副毛细管，其中副毛细管与止回阀相并联；所述工质输送回路上还设有过滤器及***。
3.根据权利要求1所述的船载热泵空调***，其特征在于：所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为15～60℃。
4.根据权利要求1所述的船载热泵空调***，其特征在于：所述甲醇水重整制氢发电模组还整合有换热器，换热器安装于输送泵与重整器之间的输送管道上，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高，氢气温度降低。
5.根据权利要求1所述的船载热泵空调***，其特征在于：所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
6.权利要求1-5中任意一项所述船载热泵空调***的制热制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.甲醇水重整制氢发电模组的重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.在制热工况下，船舱内换热器成为冷凝器，船舱外换热器成为蒸发器，高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向船舱外换热器，在船舱外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电；
c.在制冷工况下，船舱内换热器成为蒸发器，船舱外换热器成为冷凝器，高温余气排向外界；燃料电池输出的电能经电力转换***转换后，为压缩机、输送泵及船舶推进***供电。
7.根据权利要求6所述船载热泵空调***的制热制冷方法，其特征在于：热泵空调的压缩机及船舶推进***在工作过程中，将即时功率需求量反馈给船舶控制***，船舶控制***根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇和水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。
8.根据权利要求6所述船载热泵空调***的制热制冷方法，其特征在于：在制热工况下，温度传感器实时检测空气余气混合器中的混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在15～60℃内。
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