一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112815578 A(43)申请公布日 2021.05.18

(21)申请号 202110178293.2(22)申请日 2021.02.09

(71)申请人 上海航天工业（集团）有限公司

地址 200235 上海市徐汇区漕溪路222号3

幢701-712室

申请人 同济大学　

上海航天智慧能源技术有限公司(72)发明人 刘猛　冯毅　徐栎亚　唐继旭　

张刘海　张春路　何宇佳　曹祥　(74)专利代理机构 上海世圆知识产权代理有限

公司 31320

代理人 陈颖洁　王佳妮(51)Int.Cl.

F25B 30/02(2006.01)F25B 30/06(2006.01)

权利要求书2页 说明书7页 附图2页

F25B 41/20(2021.01)F25B 43/00(2006.01)F25B 47/00(2006.01)F25B 47/02(2006.01)

CN 112815578 A()发明名称

一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统(57)摘要

本发明的一种带机械过冷的高温燃气热泵系统，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组和供水流路；热泵主循环是由包括低温蒸发器的制冷剂通道、四通换向阀、气液分离器、第一压缩机、第一冷凝器的制冷剂通道、过冷器的高温通道和第一节流阀通过管道依次串联构成循环；机械过冷子循环是由包括所述过冷器的低温通道、第二压缩机、第二冷凝器和第二节流阀通过管道依次串联构成循环；内燃机子系统由发动机、烟气流路和冷却液循环流路组成。本发明一次能源利用率高，能够回收热泵主循环的剩余热量，提供更高的供热温度，系统换热均匀性得到明显改善，换热不可逆损失减小，室外蒸发器不易结霜，发动机的可靠性和运行寿命得到显著提高。

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1.一种带机械过冷的高温燃气热泵系统，其特征在于，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组和供水流路；

所述热泵主循环是由包括低温所述热泵子系统由热泵主循环和机械过冷子循环组成；

蒸发器的制冷剂通道、四通换向阀、气液分离器、第一压缩机、第一冷凝器的制冷剂通道、过冷器的高温通道和第一节流阀通过管道依次串联组成，所述第一节流阀再与所述低温蒸发器的制冷剂通道连接，构成循环；所述机械过冷子循环是由包括所述过冷器的低温通道、第二压缩机、第二冷凝器和第二节流阀通过管道依次串联组成，所述第二节流阀再与所述过冷器的低温通道连接，构成循环；

所述内燃机子系统由发动机、烟气流路和冷却液循环流路组成；所述烟气流路是由所述发动机的排气管、三元催化器的烟气通道、第一烟气换热器的烟气通道、第二烟气换热器

低温烟气最终从低温蒸的烟气通道和所述低温蒸发器的烟气通道通过管道依次串联组成，

发器排出；所述冷却液循环流路是由冷却液换热器的高温通道、气缸套、所述三元催化器的载冷剂通道、所述第一烟气换热器的载冷剂通道和冷却液循环泵通过管道依次串联组成，所述冷却液循环泵再与所述冷却液换热器的高温通道相连，构成循环；

所述连动机组由第一电磁离合器、第二电磁离合器、第一皮带轮和第二皮带轮组成；所述第一电磁离合器与所述第一压缩机的输入轴相连，并通过所述第一皮带轮与所述发动机的输出轴相连；所述第二电磁离合器与所述第二压缩机的输入轴相连，并通过所述第二皮带轮与所述发动机的输出轴相连；

所述供水流路是由包含蓄热水箱、水泵、所述第一冷凝器的载冷剂通道、所述第二冷凝器的载冷剂通道、所述冷却液换热器的载冷剂通道和所述第二烟气换热器的载冷剂通道通过管道依次串联组成，再返回所述蓄热水箱。

2.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述低温蒸发器为制冷剂‑空气/烟气换热器，具备制冷剂通道和空气/烟气通道；所述过冷器为制冷剂‑制冷剂换热器，具备双制冷剂通道。

3.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述第一冷凝器和所述第二冷凝器为制冷剂‑载冷剂换热器，具有制冷剂通道和载冷剂通道；所述第一节流阀和所述第二节流阀为电子膨胀阀。

4.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述三元催化器具有烟气通道和载冷剂通道；所述第一烟气换热器和所述第二烟气换热器为载冷剂‑烟气换热器，具备载冷剂通道和烟气通道；所述冷却液换热器为制冷剂‑载冷剂换热器，具备双载冷剂通道。

5.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述第一压缩机为补气增焓压缩机，具有吸气口、排气口和补气口，此时，所述热泵主循环内设有闪蒸罐；所述第一节流阀先与所述闪蒸罐的进液口相连接，所述闪蒸罐的出液口与第三节流阀的进口相连接，所述第三节流阀的出口与所述低温蒸发器的制冷剂通道相连接；所述闪蒸罐的出气口与所述第一压缩机的补气口相连。

6.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述高温燃气热泵系统的工作过程为：燃气在所述发动机中燃烧并输出机械功，通过所述皮带轮和所述电磁离合器驱动所述第一压缩机和所述第二压缩机，带动热泵系统工作；在所述热泵主循环中，低温低压的液冷剂在所述低温蒸发器中吸热汽化，吸收环境空气的低品位热能，然后通过所述

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四通换向阀进入所述气液分离器，制冷剂气体经过所述第一压缩机压缩成为高温高压气体，高温高压气体在所述第一冷凝器中对回水加热，再经过所述过冷器被机械过冷子循环进一步冷却，最后通过所述第一节流阀重新变成低温低压的液体，重新进入所述低温蒸发器进行下一次循环；在所述机械过冷子循环中，低温低压的液态制冷剂在所述过冷器中蒸发吸热，回收所述热泵主循环的高温制冷剂的热量，再通过所述第二压缩机压缩成为高温高压气体，在所述第二冷凝器中对回水进行加热，最后通过所述第二节流阀变成低温低压的液态制冷剂，重新进入所述过冷器进行下一次循环。

7.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述烟气流路的工作过程为：所述发动机的排气管排出的高温烟气，首先进入所述三元催化器的烟气通道，经催化转化为二氧化碳、水和氮气，同时和冷却液换热；然后先进入所述第一烟气换热器的烟气通道与冷却液换热，再进入所述第二烟气换热器的烟气通道与回水换热，最后通入所述低温蒸发器的烟气通道，最后从所述低温蒸发器排出。

8.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述冷却液循环回路的工作过程为：低温冷却液进入所述气缸套为所述发动机换热降温，再依次经过所述三元催化器的载冷剂通道和所述第一烟气换热器的载冷剂通道吸收高温烟气的余热，再经所述冷却液循环泵送入所述冷却液换热器的高温通道，与从所述第二冷凝器出来的回水进行换热降温；然后重新进入所述气缸套进行下一次循环。

9.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，所述供水流路的工作过程为：回水首先通入所述蓄热水箱，然后经过所述水泵进入所述第一冷凝器的载冷剂通道，被所述热泵主循环一级加热；再进入所述第二冷凝器的载冷剂通道中被所述机械过冷子循环二级加热；随后送入所述冷却液换热器的载冷剂通道和所述第二烟气换热器的载冷剂通道，被继续加热至供热温度，最后进入所述蓄热水箱供出。

10.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，在除霜模式下，所述机械过冷子循环停止工作，所述热泵主循环的工作过程为：从所述第一压缩机排出的高温高压气体通过所述四通换向阀进入所述低温蒸发器进行冷凝放热，对所述低温蒸发器的盘管进行除霜；高压气体随后通过所述第二节流阀变为低温低压的液体，再进入所述第一冷凝器蒸发吸热，吸收回水的热量；最后经所述四通换向阀再次进入所述第一压缩机，重新压缩成为高温高压的气体进行下一次的循环。

11.根据权利要求1所述的高温燃气热泵系统，其特征在于，取消所述第二烟气换热器；此时，所述内燃机子系统由所述发动机、所述烟气流路和所述冷却液循环流路组成；所述烟气流路包括依次串联的所述发动机的排气管、所述三元催化器的烟气通道、所述第一烟气换热器的烟气通道和所述低温蒸发器的烟气通道；所述冷却液循环流路包括依次串联的所述冷却液换热器的高温通道、所述气缸套和所述冷却液循环泵，所述冷却液循环泵再与所述冷却液换热器的高温通道相连，构成循环；所述供水流路包含依次串联的所述蓄热水箱、所述水泵、所述第一冷凝器的载冷剂通道、所述第二冷凝器的载冷剂通道和所述冷却液换热器的载冷剂通道；随后依次与所述烟气换热器的载冷剂通道和所述三元催化器的载冷剂通道相连接，最后再返回所述蓄热水箱。

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一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统

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技术领域

[0001]本发明涉及一种燃气热泵系统，尤其是涉及一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统。

背景技术

[0002]天然气作为一种清洁能源在我国的能源变革中占有重要地位。我国正在稳步推进天然气改革，采用高效节能技术提高能源利用率对于天然气的应用和发展至关重要。[0003]燃气热泵通过将发动机与蒸汽压缩式循环装置两类成熟的技术进行整合，极大地拓展了燃气技术的发展空间和市场需求。燃气热泵利用燃气发动机驱动压缩机，实现将热量从低温热源向高温热源泵送，是提高一次能源利用率的高效节能装置；同时燃气内燃机

热能转化效率高。产生的余热可进一步用于供热，

[0004]对于供热需求超过80℃的工业流程，目前市面上的普通热泵系统需要采用高成本的特种高温压缩机，二氧化碳等热泵也由于高压控制和高成本等难题还未大规模市场化。相比之下，燃气热泵的发动机余热属于高温余热范围，若将余热直接用于换热流体加热，可以进一步实现高温或超高温供热。因此，在高温工业流程中，燃气热泵具有明显的技术和成本优势。

[0005]然而，由于烘干等应用场景的特点，换热流体通常采用循环制热模式，进入燃气热泵的换热流体温度也会较高。因此，尽管燃气热泵的冷凝温度可以低于供热温度，较高的进口流体温度也会导致其达到约60℃。现有的燃气热泵系统通常采用单发动机带动单压缩机模式，对于单级热泵系统，过高的阀前温度将造成显著的节流损失，降低系统能效，从而导致燃气热泵的一次能源利用效率降低。同时对于供回水温差较大的应用场景，热泵和发动机余热的两段式供热仍不能很好地保证温差场均匀性，从而造成较大的换热不可逆损失。[0006]另一方面，空气源热泵低温下的结霜问题也是影响机组性能的重要难题。电驱热泵冬季运行时需及时除霜，消耗额外的电力且影响制热效果。一般情况下，每30～120分钟需除霜一次，增加了10%的电耗量。发明内容

[0007]为满足高温工业流程的供热需求，提高燃气热泵机组能源利用效率，同时改善空气源热泵结霜情况，本发明提出了一种带机械过冷的高温型燃气热泵系统。[0008]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带机械过冷的高温燃气热泵系统，其特征在于，包括热泵子系统、内燃机子系

统、连动机组和供水流路；

所述热泵子系统由热泵主循环和机械过冷子循环组成；所述热泵主循环是由包括

低温蒸发器的制冷剂通道、四通换向阀、气液分离器、第一压缩机、第一冷凝器的制冷剂通道、过冷器的高温通道和第一节流阀通过管道依次串联组成，所述第一节流阀再与所述低温蒸发器的制冷剂通道连接，构成循环；所述机械过冷子循环是由包括所述过冷器的低温

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通道、第二压缩机、第二冷凝器和第二节流阀通过管道依次串联组成，第二节流阀再与所述过冷器的低温通道连接，构成循环；

所述内燃机子系统由发动机、烟气流路和冷却液循环流路组成；所述烟气流路是

由发动机的排气管、三元催化器的烟气通道、第一烟气换热器的烟气通道、第二烟气换热器的烟气通道和所述低温蒸发器的烟气通道通过管道依次串联组成，低温烟气最终从低温蒸发器排出；所述冷却液循环流路是由冷却液换热器的高温通道、气缸套、所述三元催化器的载冷剂通道、所述第一烟气换热器的载冷剂通道和冷却液循环泵通过管道依次串联组成，所述冷却液循环泵再与所述冷却液换热器的高温通道相连，构成循环；

所述连动机组由第一电磁离合器、第二电磁离合器、第一皮带轮和第二皮带轮组

成；所述第一电磁离合器与所述第一压缩机的输入轴相连，并通过第一皮带轮与所述发动机的输出轴相连；所述第二电磁离合器与所述第二压缩机的输入轴相连，并通过第二皮带轮与所述发动机的输出轴相连；所述发动机通过皮带轮和电磁离合器驱动第一压缩机和第二压缩机；

所述供水流路是由包含蓄热水箱、水泵、所述第一冷凝器的载冷剂通道、所述第二

冷凝器的载冷剂通道、所述冷却液换热器的载冷剂通道和所述第二烟气换热器的载冷剂通道通过管道依次串联组成，再返回所述蓄热水箱。

[0009]所述热泵主循环和所述机械过冷子循环的液冷剂可以是常规的人工合成制冷剂，如R410A，R134a，R1234yf等；也可以是天然制冷剂，如R744 (CO2)。若制冷剂为R744，则所述热泵主循环和所述机械过冷子循环的工作模式都为跨临界循环，放热过程具有温度滑移，同时所述机械过冷子循环对于热泵系统的能效提升更为显著。[0010]进一步地，具备制冷剂通道和空气/所述低温蒸发器为制冷剂‑空气/烟气换热器，烟气通道，常见类型为翅片管换热器。所述过冷器为制冷剂‑制冷剂换热器，具备双制冷剂通道，常见类型为板式换热器，套管式换热器等；所述过冷器的高温通道进口通过管道与所述主循环压缩机排气口相连，高温通道出口通过管道与所述第一节流阀连通；所述过冷器的低温通道进口通过管道与所述第二节流阀连通，低温通道出口通过管道与所述子循环压缩机的吸气口连通。[0011]进一步地，所述第一冷凝器和所述第二冷凝器为制冷剂‑载冷剂换热器，具有制冷剂通道和载冷剂通道，常见类型为板式换热器，套管式换热器等。所述第一节流阀和所述第二节流阀为电子膨胀阀等常见节流装置，用于通过控制出口过热度调节制冷剂流量。[0012]进一步地，所述三元催化器具有烟气通道和载冷剂通道，其烟气通道与所述发动机的排气管相连，通过氧化和还原作用将有害气体转变为无害的二氧化碳、水和氮气，载冷剂通道用于冷却液流动换热。所述第一烟气换热器和所述第二烟气换热器为载冷剂‑烟气换热器，具备载冷剂通道和烟气通道；由于烟气流量较小，常见类型可为套管换热器，板式换热器等。所述冷却液换热器为制冷剂‑载冷剂换热器，具备双载冷剂通道，常见类型为板式换热器，套管式换热器等。

[0013]在本发明的一个实施例中，所述第一压缩机为补气增焓压缩机，具有吸气口、排气口和补气口，此时，所述热泵主循环内设有闪蒸罐，用于经过一次节流后液态制冷剂和气态制冷剂的分离，闪蒸罐具有进液口、出液口和出气口；所述第一节流阀先与闪蒸罐的进液口相连接，所述闪蒸罐的出液口与第三节流阀的进口相连接，所述第三节流阀的出口与所述

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低温蒸发器的制冷剂通道相连接；所述闪蒸罐的出气口与所述第一压缩机的补气口相连。[0014]本发明所述的高温燃气热泵系统的工作过程为：燃气在发动机中燃烧并输出机械功，通过皮带轮和电磁离合器驱动第一压缩机和第二压缩机，带动热泵系统工作；在热泵主循环中，低温低压的液冷剂在低温蒸发器中吸热汽化，吸收环境空气的低品位热能，然后通过四通换向阀进入气液分离器，制冷剂气体经过第一压缩机压缩成为高温高压气体，高温高压气体在第一冷凝器中对回水加热，再经过过冷器被机械过冷子循环进一步冷却，最后通过第一节流阀重新变成低温低压的液体，重新进入低温蒸发器进行下一次循环；在机械过冷子循环中，低温低压的液态制冷剂在过冷器中蒸发吸热，回收热泵主循环的高温制冷剂的热量，再通过第二压缩机压缩成为高温高压气体，在第二冷凝器中对回水进行加热，最后通过第二节流阀变成低温低压的液态制冷剂，重新进入过冷器进行下一次循环。[0015]烟气流路的工作过程为：发动机的排气管排出的高温烟气首先进入三元催化器的烟气通道，经催化转化为无害的二氧化碳、水和氮气，同时和冷却液换热，然后先进入第一烟气换热器的烟气通道与冷却液换热，再进入第二烟气换热器的烟气通道与回水换热，最后通入低温蒸发器的烟气通道，提高低温蒸发器的蒸发温度，预防盘管结霜，最后从低温蒸发器排出。

[0016]冷却液循环回路的工作过程为：低温冷却液进入气缸套为发动机换热降温，再依次经过三元催化器的载冷剂通道和第一烟气换热器的载冷剂通道吸收高温烟气的余热，再经冷却液循环泵送入冷却液换热器的高温通道，与从第二冷凝器出来的回水进行换热降温；然后重新进入气缸套进行下一次循环。[0017]供水流路的工作过程为：回水首先通入蓄热水箱，然后经过水泵进入第一冷凝器的载冷剂通道，被热泵主循环一级加热，再进入第二冷凝器的载冷剂通道中被机械过冷子循环二级加热；随后送入冷却液换热器的载冷剂通道和第二烟气换热器的载冷剂通道，被继续加热至供热温度，最后进入蓄热水箱供出。[0018]本发明所述的高温燃气热泵系统，在极端工况长时间运行时，具有除霜需求。在除霜模式下，所述机械过冷子循环停止工作，所述热泵主循环的工作过程为：从第一压缩机排出的高温高压气体通过四通换向阀进入低温蒸发器进行冷凝放热，对盘管进行除霜，高压气体随后通过第二节流阀变为低温低压的液体，再进入第一冷凝器蒸发吸热，吸收回水的热量，最后经四通换向阀再次进入第一压缩机，重新压缩成为高温高压的气体进行下一次的循环。

[0019]本发明的特点包括：

（1）采用燃气机驱动热泵系统制热，产生适用于工业烘干的高温热水；（2）在主循

环冷凝器的出口复叠机械过冷子循环，回收主循环冷凝器的剩余热量，同时提供更高的供热温度；（3）基于温度场均匀性匹配原则，根据热泵机组和燃气机余热的不同供热温度水平，采用梯级加热模式来提高热水温度；（4）采用单台燃气机驱动两台压缩机；（5）将经过热回收的低温烟气（50～70℃）通入室外蒸发盘管，防止结霜。[0020]相比现有技术，本发明的有益效果为：

本发明采用内燃机驱动热泵吸收环境热量，同时回收的发动机高温余热，降低热

泵冷凝温度，一次能源利用率高且供水温度高；采用机械过冷子系统，能够回收热泵主循环的剩余热量，减小节流损失，对从主循环出来的热水进一步加热，提供更高的供热温度，进

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一步提高热泵系统能效；相比于单机系统还降低了主循环的冷凝温度；通过采用梯级加热模式，系统换热均匀性得到明显改善，换热不可逆损失减小，在同等供热温度下相比电驱热泵能效得到显著提升；由于两台压缩机的耦合关系，其容量调节特性保持一致，转速调节趋势相同，负荷运行特性好，可以实现稳定、高精度的能量调节；室外蒸发器不易结霜：利用低温烟气和发动机的余热维持室外侧的空气温度较高，显著延缓盘管霜堵，并保证在极低环境温度(‑20℃)下的正常运转；同时因机组启停次数减少，发动机的可靠性和运行寿命得到显著提高；除霜模式下，机组仅吸收发动机余热，不影响蓄热水箱的水温，能够较好地保证烘干过程的连续稳定性。

附图说明

[0021]图1为本发明实施例1的高温供热模式流程示意图；

图2为本发明实施例1的除霜模式流程示意图；图3为本发明实施例2的高温供热模式流程示意图；图4为本发明实施例3的高温供热模式流程示意图；图中1‑低温蒸发器，2‑四通换向阀（4个通道分别为2A、2B、2C、2D），3‑气液分离器，

4‑第一压缩机（4A‑吸气口，4B‑排气口，4C‑补气口），5‑第一冷凝器，6‑过冷器，7‑第二压缩机（7A为吸气口，7B为排气口），8‑第二冷凝器，9‑第二节流阀，10‑第一节流阀，11‑发动机，12‑气缸套，13‑三元催化器，14‑第一烟气换热器，15‑第二烟气换热器，16‑冷却液换热器，17‑冷却液循环泵，18‑水泵，19‑蓄热水箱，20‑第一电磁离合器，21‑第二电磁离合器，22‑第一皮带轮，23‑第二皮带轮，24‑闪蒸罐，25‑第三节流阀。具体实施方式

[0022]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。[0023]实施例1

一种带机械过冷的高温燃气热泵系统，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组

和供水流路，结构如图1所示。

[0024]所述热泵子系统由热泵主循环和机械过冷子循环组成；所述热泵主循环是由包括低温蒸发器1的制冷剂通道、四通换向阀2、气液分离器3、第一压缩机4、第一冷凝器5的制冷剂通道、过冷器6的高温通道和第一节流阀10通过管道依次串联组成，所述第一节流阀10再与所述低温蒸发器1的制冷剂通道连接，构成循环；将所述过冷器6设于第一冷凝器5的出口，用于制冷剂的进一步冷凝及过冷；所述机械过冷子循环是由包括所述过冷器6的低温通道、第二压缩机7、第二冷凝器8和第二节流阀9通过管道依次串联组成，第二节流阀9再与所述过冷器6的低温通道连接，构成循环；

所述内燃机子系统由发动机11、烟气流路和冷却液循环流路组成；所述烟气流路

第一烟气换热器14的烟气通道、第二烟是由发动机11的排气管、三元催化器13的烟气通道、

气换热器15的烟气通道和所述低温蒸发器1的烟气通道通过管道依次串联组成；所述冷却液循环流路是由冷却液换热器16的高温通道、气缸套12、所述三元催化器13的载冷剂通道、所述第一烟气换热器14的载冷剂通道和冷却液循环泵17通过管道依次串联组成，所述冷却液循环泵17再与所述冷却液换热器16的高温通道相连，构成循环；所述气缸套12是置于发

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动机11的气缸体孔中的一个圆筒形零件，上面由气缸盖压紧固定；活塞在其内孔作往复运动，其外有冷却水冷却；

所述连动机组由第一电磁离合器20、第二电磁离合器21、第一皮带轮22和第二皮

带轮23组成；所述第一电磁离合器20与所述第一压缩机4的输入轴相连，并通过第一皮带轮22与所述发动机11的输出轴相连；所述第二电磁离合器21与所述第二压缩机7的输入轴相连，并通过第二皮带轮23与所述发动机11的输出轴相连；所述发动机11通过皮带轮和电磁离合器驱动第一压缩机4和第二压缩机7；

所述供水流路是由包含蓄热水箱19、水泵18、所述第一冷凝器5的载冷剂通道、所

述第二冷凝器8的载冷剂通道、所述冷却液换热器16的载冷剂通道和所述第二烟气换热器15的载冷剂通道通过管道依次串联组成，再返回所述蓄热水箱19。[0025]进一步地，所述低温蒸发器1为翅片管换热器，具备制冷剂通道和空气/烟气通道。[0026]进一步地，所述过冷器6为套管式换热器，具备双制冷剂通道。[0027]进一步地，所述第一冷凝器5和所述第二冷凝器8为制冷剂‑载冷剂换热器，具有制冷剂通道和载冷剂通道，常见类型为板式换热器，套管式换热器等。[0028]进一步地，所述第一节流阀10和所述第二节流阀9为电子膨胀阀，用于通过控制出口过热度调节制冷剂流量。[0029]进一步地，所述三元催化器13具有烟气通道和载冷剂通道，其烟气通道与发动机的排气管相连，通过氧化和还原作用将有害气体转变为无害的二氧化碳、水和氮气，载冷剂通道用于冷却液流动换热。[0030]进一步地，所述第一烟气换热器14和所述第二烟气换热器15为载冷剂‑烟气换热器，具备载冷剂通道和烟气通道；由于烟气流量较小，常见类型可为套管换热器，板式换热器等。

[0031]进一步地，所述冷却液换热器16为制冷剂‑载冷剂换热器，具备双载冷剂通道，常见类型为板式换热器，套管式换热器等。

[0032]实施例1的带机械过冷的高温燃气热泵系统，具有高温供热和除霜两种模式，详细的工作流程如下：

一、高温供热模式，如图1所示，四通换向阀2的通道2A与通道2D连通，通道2B与通

道2C连通；

所述连动机组的工作过程为：燃气在发动机11中燃烧并输出机械功，通过第一皮

带轮22和第一电磁离合器20驱动第一压缩机4，通过第二皮带轮23和第二电磁离合器21驱动第二压缩机7，第一压缩机4和第二压缩机7带动热泵子系统工作。[0033]所述热泵系统的工作过程为：在热泵主循环中，低温低压的液冷剂在低温蒸发器1中吸热汽化，吸收环境空气的低品位热能，然后通过四通换向阀2进入气液分离器3中分离未气化的液体，防止压缩机吸气带液，制冷剂气体进入第一压缩机4压缩成为高温高压气体，高温高压气体在第一冷凝器5中对回水加热，再经过过冷器6被机械过冷子循环进一步冷却，最后通过第一节流阀10重新变成低温低压的液冷剂，重新进入低温蒸发器1进行下一次循环；在机械过冷子循环中，低温低压的液态制冷剂在过冷器6中吸热蒸发，回收热泵主循环的高温制冷剂流体的热量，再通过第二压缩机7压缩成为高温高压气体，在第二冷凝器8中对回水进行加热，最后通过第二节流阀9变成低温低压的液态制冷剂，重新进入

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过冷器6进行下一次循环。

[0034]供水流路的工作过程为：回水首先通入蓄热水箱19，然后经过水泵18进入第一冷凝器5的载冷剂通道，被热泵主循环一级加热，再进入第二冷凝器8的载冷剂通道中被机械过冷子循环二级加热；随后送入冷却液换热器16的载冷剂通道和第二烟气换热器15的载冷剂通道，被三级加热和四级加热至供热温度，最后进入蓄热水箱23供出。[0035]烟气流路的工作过程为：发动机11的排气管排出的高温烟气首先进入三元催化器13的烟气通道，经催化转化为无害的二氧化碳、水和氮气，同时和冷却液换热，然后先进入第一烟气换热器14的烟气通道与冷却液换热，再进入第二烟气换热器15的烟气通道与进一步加热回水，最后通入低温蒸发器1的烟气通道，提高低温蒸发器1的蒸发温度，预防盘管结霜，最后从低温蒸发器1排出。

[0036]冷却液循环回路的工作过程为：低温冷却液进入气缸套12为发动机11换热降温，再依次经过三元催化器13的载冷剂通道和第一烟气换热器14的载冷剂通道吸收高温烟气的余热，此时冷却液的温度已经升高，再经冷却液循环泵17送入冷却液换热器16的高温通道，与从第二冷凝器8出来的回水进行换热降温；然后重新进入气缸套12进行下一次循环。[0037]二、除霜模式

在本发明中，利用发动机的低温烟气的余热可显著延缓低温蒸发器1的盘管霜堵，

但在极端工况长时间运行时，机组仍有除霜需求。如图2所示，在除霜模式下，热泵主循环的四通换向阀2A与2B连通，2C与2D连通；

热泵主循环的工作过程为：从第一压缩机4排出的高温高压气体通过四通换向阀2

进入低温蒸发器1进行冷凝放热，对低温蒸发器1的盘管进行除霜，高压气体随后通过第二节流阀10变为低温低压的液体，再进入第一冷凝器5蒸发吸热，吸收回水的热量，最后经四通换向阀2再次进入第一压缩机4，重新压缩成为高温高压的气体进行下一次的循环。[0038]除霜模式下，机械过冷子循环停止工作，内燃机子系统的工作过程与高温供热模式相同。

[0039]供水流路的工作过程为：回水经水泵18送入第一冷凝器5的载冷剂通道为热泵系统提供除霜的热量，然后依次送入冷却液换热器16和第二烟气换热器15重新被升温，最后送回蓄热水箱19。因此在除霜模式中，热泵系统最终吸收内燃机余热进行除霜，热水承担热量输运的功能，蓄热水箱中的水温不受影响。[0040]实施例2

一种带机械过冷的高温燃气热泵系统，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组

和供水流路，结构如图3所示。[0041]与实施例1相比，实施例2所述第一压缩机4为补气增焓压缩机，除了具有吸气口4A和排气口4B，还增加了补气口4C；此时，所述热泵主循环内设有闪蒸罐24，用于经过一次节流后液态制冷剂和气态制冷剂的分离，所述闪蒸罐24具有进液口、出液口和出气口；所述第一节流阀10先与所述闪蒸罐24的进液口相连接，所述闪蒸罐24的出液口与第三节流阀25的进口相连接，所述第三节流阀25的出口与所述低温蒸发器1的制冷剂通道相连接；所述闪蒸罐24的出气口与所述第一压缩机4的补气口相连。所述第一节流阀10对制冷剂进行一次节流，节流后的制冷剂进入所述闪蒸罐24；所述第三节流阀25用于对所述闪蒸罐24中分离得到的液冷剂进行二次节流；所述第一压缩机4采用补气增焓压缩机可以实现两级压缩，

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从而降低压比，提升热泵系统的能效。

[0042]实施例2同样能实现高温供热和除霜两种模式，原理与实施例1相同。[0043]应当说明的是，在实施例2中，补气增焓不于通过增加闪蒸罐24来实现，也可以通过增加经济器实现。[0044]实施例3

一种带机械过冷的高温燃气热泵系统，包括热泵子系统、内燃机子系统、连动机组

和供水流路，结构如图4所示。[0045]与实施例1相比，热泵子系统保持不变，由于发动机余热属于高温余热范围，可进一步利用发动机的高温烟气提升供热温度。

[0046]所述内燃机子系统中取消了第二烟气换热器15，由所述发动机11、烟气流路和冷却液循环流路组成；

所述烟气流路包括依次串联的所述发动机11的排气管、所述三元催化器13的烟气

通道、所述第一烟气换热器14的烟气通道和所述低温蒸发器1的烟气通道；

所述冷却液循环流路包括依次串联的所述冷却液换热器16的高温通道、所述气缸

套12和所述冷却液循环泵17，所述冷却液循环泵17再与所述冷却液换热器16的高温通道相连，构成循环；

所述供水流路包含依次串联的所述蓄热水箱19、所述水泵18、所述第一冷凝器5的

载冷剂通道、所述第二冷凝器8的载冷剂通道和所述冷却液换热器16的载冷剂通道；随后依次与所述烟气换热器14的的载冷剂通道和所述三元催化器13的载冷剂通道相连接，被高温烟气进一步加热至超高温，最后再返回所述蓄热水箱19。[0047]实施例3能够产生90℃以上的超高温热水，由于燃气热泵的高效性，在高温工业领域将非常具有竞争力。

[0048]上述实施例中未完整展示制冷循环的所有部件，实施过程中，在制冷剂回路设置储液器、过滤器、干燥器等常见制冷辅件，均不能视为对本发明进行了实质性改进，应属于本发明保护范围。

[0049]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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图2

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图3

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