開循環空氣壓縮式或膨脹式制冷機的製作方法

2023-05-10 15:44:26 1

專利名稱：開循環空氣壓縮式或膨脹式制冷機的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用空氣(或其它氣體)作工質的開放循環的空氣壓縮式或膨脹式制冷機，它們都有相應的正循環。若結合各種回熱方式，它們的應用會更靈活或更有效；這裡所說的回熱方式，也可以與其他循環相結合。
以往出現過閉循環的空氣壓縮式制冷機，(請參考《工程熱力學》P177-179，中國建築工業出版1979年版；有關材料不再重複；下文中簡稱其為「閉空壓制冷機」。)和其他逆閉循環一樣它也有兩個熱換壁、四個換熱界膜；但因空氣的熱容量小、導熱性能差使其高低溫溫差大，製冷係數很低。又因為缺乏某些圓熱，使一些重要的性能如除溼性能難以提高，此外，以往還未見過空氣膨脹式制冷機，以及與其相應的正循環「冷」機；這就減少了一種可供選擇的應用方式。
本發明的目的，主要是提供一種逆開循環熱機。
本發明的目的是這樣實現的1、如果把閉空壓制冷機的冷室換熱器摘掉，令此端與冷室溝通，以便讓氣體工質直接從低溫熱源吸熱，在冷卻器一端就會出現高氣壓，這就構成了開循環空氣壓縮式制冷機(以下簡稱為「開空壓制冷機」)的基本形式。其正循環類似於燃氣輪機。
2、如果把閉空壓制冷機的冷卻器摘掉，令此端與大氣溝通，以便直接對大氣放熱，在冷室換熱器一端就會出與低於大氣壓的壓強，這就構成了開循環膨脹式制冷機(以下簡稱為「開空膨制冷機」)的基本形式，其正循環就是「冷」氣輪機-它吸入熱空氣，對冷水放熱來輸出動力。
上述兩種類型的制冷機其主要換熱器只有一個，其換熱器壁為一個，換熱界膜只有兩個，由此而產生的溫差損失最小，如果適度增大循環氣體的流量，∵T1』、T4、↑，T2、T4↓，∴它們的製冷數或能效比要比任何一種閉循環更高，蒸發器、冷凝器都與液體換熱者除外。因為它們很容易放熱，所以也可以當作高效率的熱泵，又因為使用了開循環，對空氣中含有的水蒸氣、塵土及噪聲等問題，往往需根據要求來解決。
下面將結合附圖來對本發明進行較詳細地說明。


圖1、開循環空氣壓縮式制冷機的基本構造；(a-工作原理圖；b-T-S圖)。
圖2、a，b可提高除溼效果的回熱器。
圖3、可降低壓縮-膨脹比的回熱器。
圖4、雙噴淋換熱器。
圖5、容積型膨脹機的排水裝置。
圖6、膨脹機、凝水器的化霜措施。
圖7、開循環空氣膨脹式制冷機的一種形式。
參照圖1a和《工程熱力學》P177的圖9-1相比，本圖的主要特點就是未裝冷室換熱器；所謂冷室，可以是普通空調房間、車廂、船艙、冰箱等。其工作原理是冷室內溫度為T1的空氣經壓縮機1後，溫度上升為T2；經冷卻器2放熱溫度降為T3；趨動膨脹機3後，溫度降到T4，又返回4。本圖是基本原理圖未標空氣過濾器、消聲器、凝水器及化霜措施等部件。
參照圖1b，本循環(開空膨制冷機與本循環類似，故省略)消耗的外界功量(面積12341)逆卡諾閉循環(面積12341)閉空壓製冷循環(面積12341)，而其製冷能力卻最大，所以其製冷係數最高。
參照圖2a，普通空調機降溫(顯熱)能力強，而除溼(潛熱)能力弱，這不但使外界輸入冷室的熱量(顯熱)增大，而且會讓很多人感到陰冷、潮悶。本圖的回熱方式可使更多的製冷能力用於除溼(潛熱)，而氣溫並不過低，但有效溫度(ETEffective Temdevatuve)適宜，最終得到一種使大多數人感到十分舒適的、類似秋高氣爽的環境；因外界輸入冷室的熱量減少、消失或可向外界輸出熱量，從而大幅度地降低功耗。在冬季本圖可向室內輸入溼熱空氣，當EF相等時可減少居室的熱損失，人也會很舒適，此時應將冷熱兩端對調。
本圖空氣的流通途徑是冷室4內溫度T1的空氣→濾清器1a(容積型如活塞式壓縮、膨脹機中往往不可缺少以免灰塵磨損；速度型-如透平式壓縮、膨脹機中通常可省去，以減少壓力損失)。→消聲器1b(它也可與1a共腔，若對噪聲無要求也可省去，以減少壓力損失。)→壓縮機1，升溫至T2→冷卻器2(水冷最好；但在缺水場合，使用風冷也可以。)降溫至T3→轉換閥2b→回熱器2a再降溫→膨脹機3，降溫至T4273K→凝水器3a(其內置有接觸面積很大，用易浸潤或親水材料製成的絲、網、板狀物，作為水的凝結核。)→回熱器2a，使升溫→消聲3b(若噪聲大，也可省去)→冷室4；當T4＝273K有使冷凝水結冰的趨勢時，調整2b或者2c的開度，避免結冰；若不使用2b、2c，改變壓縮、膨脹機的轉速也可避免結冰，但這不便於調整消除顯熱、潛熱的比例。膨脹機3、凝水器3a及回熱器2a流出的冷凝水最好不要丟棄，把它送至冷卻器2將有助於提高能效比。
參照圖2b顯然與圖2b相似的回熱器及其方式，也可以用於閉循環空調機，這可使流經蒸發器的空氣流量大為增加，空氣的溫度變化不大，而溼度大為降低。圖中，在普通空調機1-4(壓縮機1，冷凝器2，毛細管或膨脹閥3，蒸發器4。)前串入了回熱器5、轉換閥6，它們使出、入冷室7的空氣更容易變乾燥。
參照圖3，若壓縮、膨脹機的壓縮、膨脹比不夠大，或高、低溫熱源溫差太大，可在主換熱器(冷卻器)2之後串入輔換熱器(或稱回熱器)2a、其工作方式是冷室4、消聲器1a流來的冷空氣經換熱器2a預熱，再送入壓縮機1，冷卻器2，溫度仍罰高的空氣再以2a放熱降溫，去驅動膨脹機3，溫度將降到比1a流入的空氣更低的的程度，又經凝水器3a、消聲器3b返回4。採用上述措施後，可使制冷機在極寬的溫區內獲得適宜的溫度。在極低溫區1、若使用氫、氦等氣體做工質，為避免工質外溢和空氣的滲入，可令冷室4與外界隔絕(低溫熱源置於其內)，此時應讓4與一軟式儲氣袋連通，當制冷機停止氣體膨脹時多餘氣體進入氣袋，制冷機工作時氣體返回。
2、若氣體出現液化，膨脹機也可改由水輪機一類的動力機代潛；此時本圖與近似可逆循環熱機及其應用中的圖1b十分相似，(見中國專利局(11)公開號CN1061461A，(51INT，CI5)，F01K7/00，
公開日1992年5月27日)，區分僅在於將低溫熱源置於工質之內或外。
參照圖4，和空氣冷卻相比，噴淋水不但可以簡化構造，而且可以藉助眾多的水滴獲得很大的換熱面積。本圖給出了在冷卻器內、外都使用噴淋水來傳導熱量的方式，故名為雙噴淋。其工作方式是令壓縮機1送來的熱空氣在冷卻器2內放熱，再送至膨脹機3做功，1a、2a、3b、4的含義同圖2a、圖3，不再詳述；冷卻水經噴頭2a噴淋、吸熱後降到2的底部，大部分的水經管道2d進入噴頭2e，若2底部水位過高浮子閥2b開啟，將過多的水送入噴頭2c，2c、2e噴淋的水落入水盤2f，又被泵2g壓入2a。2g提供的壓強與2內的氣壓加上2a的阻力相匹配，2c、2e又藉助2內的壓強來噴水。
參照圖5，如果工作溫度較低，可能會在膨脹機內凝水；對容積型如活塞式膨脹機而言，汽缸內積存太多的水將是不利的。對應的措施有1、採用非浸潤或不親水的材料製作膨脹機。2、利用冷卻器的餘熱來加熱缸筒、汽缸蓋等部件，此種加熱方式與圖2a所述的回熱方式有些相似。3、令膨脹機內的積水能自動流向某一地段，並將其引出汽缸外，但又不影響膨脹機的工作。本圖藉助子閥來排水。圖中膨脹機的缸筒呈水平放置，缸筒下方靠近缸蓋的部位開有出水孔、管4，當3大部或接近全部水淹沒時，3浮起並將水經4排出。
對速度型膨脹機而言，排水方法有時與本圖相似，但大多數情況更為簡單，本文不再詳述。
參照圖6，如果工作溫度更低，如在冰箱等設備中，膨脹機及凝水器中還可能出現冰霜。對小型非連續工作的設備而言，可利用制冷機停止工作的間歇，把冷卻器的廢餘熱通入膨脹機、凝水器來化冰，可藉助閥門、熱管及蓄熱技術來達到這一目的。對大型、需連續工作的制冷機而言，可設置兩套膨脹機、凝水器；這兩套膨脹機、凝水器處於一套工作另一套化冰的狀態，化冰的熱量可取自冷卻器的餘熱。本圖給出了連續工作制冷機的一種結構，工作狀況是轉換閥2b處於令膨脹機3、凝水器3b開啟狀態；轉換閥3b輸出的低溫載熱液體，送往停止狀態的膨脹機3、凝水器3a去化冰；當3、3a化冰完畢後，可令其開啟，並令3、3a進入化冰狀態；冰化成的水也可送至冷卻器2(圖中未標)。還可設置幾套制冷機，利用冷卻器(可共用)的餘熱給停歇的機組除冰，原理同前，圖紙省略。若冷卻器末端溫度太低難於化冰，可將取熱裝置在冷卻器內前移，為此應設閥門來改變取熱的途徑；當所獲熱量仍不足以化冰時，則須從外界補入熱量，但這會影響製冷能力，通常應儘量避免使用。
參照圖7，前面所述的制冷機是用冷室內的氣體來作工質，但對使用冷凍水、冷凍液來作導熱介質的製冷系統，這就不太方便，此時應使用一種利用戶外空氣作工質的制冷機本圖相當於摘掉了冷卻器的″閉″空壓制冷機，這就構成了開空膨式制冷機。其工作過程是溫度為T3的外界空氣驅動膨脹機3，降溫至T4，在換熱器2內吸熱升溫至T1，被壓縮機1排放外界時，溫度上升到T2。
補充1.為避免玷汙凝水器中的凝結核，選用無油或少油潤滑技術的容積型壓縮、膨脹機將是有益的。
2.在未達到預定工況之前，尤其在具有回熱措施的制冷機中，常出現壓縮、膨脹比失調的現象，為些應設計出壓縮比或膨脹比可按要求而調整的壓縮機或膨脹機。
3.因為用膨脹機取代了節流閥(或稱膨脹閥)，開空壓制冷機可用於高效率的空分機。
4.開空膨脹式制冷機可用於低溫低壓、乾燥設備中，此時應將欲乾燥的物料置於密閉的冷室中，在膨脹機和冷室之間串入凝水器；如果冷空氣溫度過低，可令壓縮機流出的熱氣體，經過換熱器對冷室中的物料或氣體放熱，多餘熱量直接或間接排放到大氣。此時本制冷機仍是開循環的，因為a、物料與工質氣體直接接觸；b、即使高壓端不與大氣溝通，而通過換熱器，但換熱器壁也只有一個。開空壓制冷機可用於常溫(或高於常溫)，常壓乾燥設備中，此時令冷卻器對物料及乾冷氣體放熱，從凝水器中將水或其它液體排放掉。
5.當使用軸流風機這類多級串聯壓縮機及膨脹機時，不但可以實現絕熱壓縮+等溫壓縮，而且可以實現絕熱膨脹+介乎於絕熱膨脹和等溫膨脹之間的一種逐步降溫膨脹；這種膨脹是讓溫度較高的冷凍液(或其它導熱介質)先在中間級膨脹機中放熱，再逐步後移到未級放熱，從而增加了膨脹功、降低了壓縮功。
總結本發明公開了循環空氣壓縮和膨脹式制冷機的基本構思以及與之結合的消聲、除塵、凝水、排水、化冰等多種回熱方式等措施，實際應用時可將其靈活的組合，凡由此派生的實例，均應視為本發明之範籌，特此聲明。
權利要求
1.利用空氣或其它氣體作工質的逆半開循環熱機，它們和閉循環的空氣壓縮式制冷機有些相似，其特徵是把閉循環的空氣壓縮式制冷機的冷室換熱器摘掉，令此端與冷室溝通，實現了半開放循環，其主換熱器只剩下一個冷卻器，冷卻器內氣體的壓強高於冷室端氣體的壓強。
2.根據權利要求1所述裝置，在對噪聲要求較嚴格的場合，其特徵是在制冷機的進、排氣端，串入消聲裝置。
3.根據權利要求1所述裝置，若使用具有摩擦付的壓縮機和膨脹機，其特徵是可在制冷機的進氣端串入空氣或氣體濾清器。
4.根據權利要求1所述裝置，為使水或其它液體成分凝結出來，其特徵是在膨脹機後串入凝水器，其內裝有接觸面積很大的絲狀或網狀，板狀的工人凝結核。
5.根據權利要求1所述裝置，為排除容積型膨脹機內的凝結水，其特徵是在膨脹機內的適宜位置開有排水孔，該孔通入浮子閥，利用閥內水位來啟閉出水通道。
6.根據權利要求1所述裝置，其特徵是利用冷卻器的廢餘熱來熔化膨脹機，凝水器等處的冰霜。
7.根據權利要求1所述裝置，在斷續工作的制冷機中，其特徵是利用蓄熱器來儲存冷卻器的廢餘熱，藉助熱管適時的把廢餘熱導入需熔化冰霜的部位，例如膨脹機、凝水器等處。
8.根據權利要求1所述裝置，在需要連續製冷的場合，其特徵是利用工作中的冷卻器的廢餘熱去熔化停歇狀態的膨脹機、凝水器等處的冰霜。
9.根據權利要求1所述裝置，為了使大部分製冷能力用於除溼，其特徵是令凝水器排出的冷空氣或其它氣體，通過回熱器使進入膨脹機的熱空氣或其它氣體降溫，從而使較多的製冷能力用於除溼。
10.根據權利要求1所述裝置，可以降低壓縮比和膨脹比的措施，其特徵是通過回熱器使進入壓縮機的氣體與進入膨脹機的氣體進行換熱。
11.和閉循環空氣壓縮式制冷機相似的開循環空氣膨脹式制冷機，其特徵是把閉循環制冷機的冷卻器搞掉，令此端與外界溝通，其主換熱器只剩下一個冷室換熱器。
12.根據權利要求1所述裝置，在常壓乾燥設備中，其特徵是令冷卻器對凝水器排出的冷空氣或欲乾燥的物料進行加熱。
13.介乎於絕熱膨脹和等溫膨脹之間的一種膨脹方式，其特徵是令溫度較高的冷凍水或其它導熱介質，先在多級串聯膨脹機的前幾級放熱，然後逐級向後直至末級放熱。
全文摘要
本發明公開了內燃機和內冷機的逆開循環熱機，在很多領域它們有最高的製冷係數和能效比。除極低溫區外，其工質空氣的成本為0，而且還不汙染大氣。除基本構造外，還介紹了許多可供靈活選用的輔助技術，使之不但可在冰箱、冷庫、空調、熱泵等普通製冷設備中應用，還可為超導及空分技術打下良好的基礎。它們的生產技術簡便，製作材料易得且價廉，更便於維修，這將使其佔據很重要的地位，值得認真開發。
文檔編號F01K7/00GK1137094SQ9510535
公開日1996年12月4日 申請日期1995年5月26日 優先權日1995年5月26日
發明者王一況, 馮志清, 王綱, 程苑, 王瀟, 晏曉玲, 周榕 申請人:王一況