一種制冷機的製作方法
2023-12-03 21:29:31 2
專利名稱：一種制冷機的製作方法
技術領域：
本發明涉及製冷技術，屬機械工程領域制冷機技術。
背景技術：
製冷循環是制冷機發展的理論基礎，每一次新的製冷循環的發展應用，都 能帶動了製冷技術的飛躍，有力推動了社會進步發展。
當今製冷時代是以相變製冷循環為主的相變製冷時代，自從這個製冷時代 的主角之一製冷劑---氟利昂對臭氧層破壞行為被證實以後，氟利昂的限用和禁 用觀念日漸深得人心。全世界許多製冷專家都在努力開發氟利昂的替代品並已 產生多種新型無氟製冷劑。新型無氟製冷劑是否還有其它破壞自然環境的問題， 目前不得而知，但是每年成千上萬噸的化工合成製冷工質由世界各地化工廠被 生產製造出來就可以近似認為未來幾年每年將有成千上萬噸的化工物質在向大 氣排放，其隱患甚憂。有識之士都認為開發利用天然製冷劑的製冷循環，特別 是用空氣或水為製冷劑的製冷循環是最根本的阻止製冷工質破壞自然環境的辦 法。由於現有可用天然製冷劑的制冷機普遍效率較低，使得用天然製冷劑的制 冷機開發進程緩慢。本發明的目標正是希望提出一種可以使用天然製冷劑、制 冷效率較高的氣體制冷機。
逆卡諾循環是最好的製冷循環，誕生以來製冷學界鮮有人重視逆卡諾循環 中的二個等溫過程的利用方法即等溫壓縮過程和等溫膨脹過程的利用方法。本 發明人注意到等溫壓縮過程和等溫膨脹過程具有良好的熱能轉換價值，本發明 涉及的熱力循環則利用了這種價值。
本發明涉及的一種製冷循環由二個定壓回熱過程和二個多變過程組成(如
圖l所示)，這裡稱之為H製冷循環。需要說明的是H製冷循環與概括性逆卡諾 循環中的阿金森循環的不同點是二個多變過程與二個定溫過程的區別。與阿金 森循環相比，H循環更具有可操作意義，阿金森循環是H熱力循環的一個特例。
二個定壓回熱過程由一套回熱器(氣-一氣換熱器)實現。 二個多變過程分別是一個多變壓縮過程和一個多變膨脹過程，嚴格地說是 一個升溫壓縮過程和一個降溫膨脹過程。顯然，H循環在回熱器傳熱溫差足夠小時，可以逼近概括性逆卡諾循環。本發明人認為以空氣為製冷劑的H循環優
於目前公知的各類空氣製冷循環(如布雷頓循環)，可以作為空氣製冷技術的
一個發展方向。
發明內容
為實現H循環中的二個多變過程，本發明設計了一種實現多變膨脹過程的 多變膨脹機組和一種實現多變壓縮過程的多變壓縮機機組，同時還設計了取冷 的方法和取熱的方法。多變膨脹機組和多變壓縮機組組合為一個執行H循環的 氣體制冷機。
本發明的目標是提出 一種可以使用天然製冷劑、製冷效率較高的氣體制冷機。
圖l為H熱力循環的逆循環(H製冷循環)溫熵圖，箭頭指向為循環過程 方向，圖中1 —2為定壓升溫過程，2 —3為多變壓縮過程，3 —4為定壓降溫過 程，4 —l多變膨脹過程。
圖2為膨脹機示意圖，高壓氣體由下方箭頭指向進入膨脹機內，膨脹後由 下方箭頭指向離開膨脹機，驅動葉輪轉動軸，對外作功，同時吸收上方流入膨 脹機機體內之載冷劑的熱量Q (加熱)。載冷劑的流入流出方向與膨脹氣體走向相 同，膨脹氣體被載冷劑間接加熱，載冷劑自身也得到降溫。
圖3為圖2與圖6的連合體，形成機組，為多變膨脹機組示意圖。
圖4為壓縮機示意圖，低壓氣體由下方箭頭指向進入壓縮機內，被壓縮後 由下方箭頭指向離開壓縮機，外力驅動葉輪轉動軸，對氣體進行壓縮，同時氣 體被上方流入壓縮機機體的冷卻介質(載熱劑)的間接冷卻，排熱Q(放熱)。冷 卻介質的流入流出方向與氣體走向相同，氣體被壓縮機機體冷卻。
圖5為圖4與圖6的連合體，形成機組，為多變壓縮機組示意圖。
圖6為回熱器示意圖，冷熱氣體分別由相反箭頭指向流入流出回熱器進行 熱交換，回熱器是逆流型換熱器。
圖7為H循環的制冷機示意圖，為圖3與圖5的組合體。膨脹機和外力通
過轉動軸驅動壓縮機，制冷機對載冷劑實施製冷。
具體實施例方式
一膨脹機取冷方法和多變膨脹機組
如圖2所示，載冷劑(熱源)對膨脹機機體加熱，機體可設計成空心內腔 式，載冷劑在機體空心內腔內流動，載冷劑通過膨脹機機體與膨脹氣流熱交換。 內腔流道走向與膨脹氣流走向相同，形成順流換熱效果。機體尺寸要足夠大， 以便膨脹氣流與機體接觸面積足夠大，保證載冷劑順暢地將熱量傳遞給膨脹氣 流。膨脹機葉輪可設計成小葉多級式，或者直接參考螺杆結構，保證流道順長、 傳熱條件良好，使氣流膨脹時不斷吸收載冷劑的熱量。膨脹機進出口氣流分別 接入回熱器二個進出口，如圖3所示。回熱器尺寸要足夠大以便傳熱溫差較小， 等同於利用回熱器迫使膨脹過程逼近等溫。等溫膨脹過程中工質不但可以發出 最大的機械功，還可以吸收最大量的熱；膨脹過程越逼近等溫，膨脹過程的作 功量和吸熱量就越大。僅僅從回熱器的角度可看出，高壓端氣流是被從膨脹機 出來的低壓冷氣流冷卻後再進入膨脹機。由於回熱器有傳熱溫差，高壓端氣流 進入膨脹機時的溫度必然高於膨脹機出來的低壓冷氣流的溫度。將膨脹機和回 熱器合併為一個整體，這個整體稱為多變膨脹機組，機內膨脹氣流執行多變過 程。不難看出這個多變膨脹機組就是一個對載冷劑製冷的製冷源，當回熱器高、 低壓氣流的傳熱溫差足夠小時，這個多變膨脹機組就可視同為等溫膨脹機組。
取冷要點載冷劑不得在氣流非膨脹過程段取冷！ 二壓縮機取熱方法和多變壓縮機組
如圖4所示，載熱劑(冷卻源)由外部對壓縮機機體冷卻，機體可設計成空 心內腔式，載熱劑在機體空心內腔內流動，與壓縮氣流熱交換。內腔流道走向 務必與壓縮氣流走向相同，形成順流換熱效果。機體尺寸要足夠大，以便壓縮 氣流與機體接觸面積足夠大，保證載熱劑順暢吸收壓縮氣流熱量，同時大尺寸 可減低傳熱溫差。壓縮葉輪可設計成小葉多級式，或者直接參考長螺杆結構， 保證流道順長、傳熱條件良好，使氣流壓縮時不斷放熱並降溫。壓縮機進出口 氣流接入回熱器，如圖5所示。回熱器尺寸要足夠大以便傳熱溫差較小，等同 於利用回熱器迫使壓縮過程逼近等溫。等溫壓縮過程中工質不但可以消費最小 的機械功，還可以釋放出最大的熱；壓縮過程越逼近等溫，壓縮過程的耗功量 就越小、放熱量就越大。僅僅從回熱器的角度可看出，低壓端冷氣流冷卻從壓縮機出來的高壓熱氣流後自身得到升溫再進入壓縮機。由於回熱器有傳熱溫差， 低壓端氣流進入壓縮機時的溫度必然低於壓縮機出來的高壓氣流的溫度。將壓 縮機和回熱器合併為一個整體，不難看出這個整體就是一個多變壓縮機組，機 內壓縮氣流執行多變過程，也不難看出這個整體就是一個對載熱劑供熱的供熱 源。當回熱器高、低壓氣流的傳熱溫差足夠小時，多變壓縮機組就可視同為等 溫壓縮機。
取熱要點載熱劑不得在氣流非壓縮過程段取熱！ 三回熱器(氣一-氣換熱器，逆流換熱器)的結構設計要點(圖6):
熱學結構要求回熱器是逆流換熱器，可做成板式，管殼式或套管式等。流道 阻力要儘量搞小。需要強調的是回熱器的傳熱溫差越小，制冷機的製冷量越大。 回熱器的傳熱溫差決定了壓縮機和膨脹機的進出口溫差，也是壓縮和膨脹二個 多變過程多變指數的重要影響因數之一，因此回熱器的結構設計非常重要。 四理想H循環熱力過程分析(如圖l所示)
(參考工程熱力學龐麓鳴等，高等教育出版社1986 )
假設工質為理想氣體
多變熱力過程/^"=C (常數)
膨脹過程多變指數"，
壓縮過程多變指數"2
高低壓比；r-高壓P"低壓P,
氣體常數及 絕熱指數k
回熱器侍熱溫差formula see original document page 7膨脹功formula see original document page 7吸熱量formula see original document page 7壓縮功formula see original document page 8系統淨輸入功formula see original document page 8製冷係數formula see original document page 8結論
1) 壓比越高，製冷係數越高。
2) 回熱器傳熱溫差越小，製冷係數越高。
3) 回熱器傳熱溫差逼近零時，製冷係數f-^r,等於逆卡諾循環製冷係數。
乂2 A
五H循環氣體制冷機
如附圖7所示將多變膨脹機組和多變壓縮機組合即可成為執行H循環的氣 體制冷機。
制冷機採用閉式熱力H循環，工質為近似理想氣體，備選工質有空氣、氧 氣、二氧化碳、氮氣、氪、氬等天然工質。制冷機的低壓端為循環工質的基準 壓力，基準壓力決定了循環工質質量流量，也決定了制冷機的製冷總能力。基 準壓力越高，越有助於改善製冷工質的傳熱性能，有助於縮小制冷機的體積。 制冷機的高壓端為循環工質的限制壓力，它由制冷機材料的耐壓能力決定。本 發明人認為在等溫壓縮和等溫膨脹過程中，在設定好高壓後，高低壓比有一個 理論上的最佳值，使得H循環制冷機的"製冷量/體積"最佳。在設定好高壓後， 為使"製冷量/體積"最佳，實際H循環制冷機運行時要求高低壓比為2. 72—3. 5。 六 一種制冷機
執行H循環的氣體制冷機簡稱一種制冷機，這種制冷機的效率主要由下述因 素決定
① 回熱器傳熱溫差。
② 壓縮機內工質與栽熱劑(冷卻源)的傳熱溫差。③ 膨脹機內工質與栽冷劑的傳熱溫差。
④ 高低壓力比。
⑤ 壓縮機和膨脹機的有效效率。
權利要求
1一種制冷機，其主要特徵是它包括①膨脹機、②壓縮機、③回熱器、④循環工質等四大主要部件，膨脹機是加熱型膨脹機，壓縮機是冷卻型壓縮機，制冷機通過載冷劑對外供冷，制冷機通過冷卻源(載熱劑)散熱，該制冷機執行H熱力循環。
2、按照權利要求l所述的一種制冷機，其主要特徵是所述的回熱器是氣一氣 逆流換熱器，材質要求有較高的耐壓能力。
3、按照權利要求l所述的一種制冷機，其主要特徵是所述的膨脹機與按照權 利要求2所述的回熱器組合成為多變膨脹機組，多變膨脹機組實現吸收載冷 劑熱量和膨脹作功兩大功能。
4、權利要求3所述的多變膨脹機組，其主要特徵是載冷劑加熱膨脹機機體， 載冷劑熱能透過膨脹機機體傳遞給正在膨脹的循環工質，載冷劑同時降溫。 循環工質在膨脹過程中吸收載冷劑的熱量，循環工質同時對外作功，膨脹機 進出口氣流接入回熱器出進口，是一種加熱型膨脹機組。
5、權利要求l所述的壓縮機與權利荽求l所述的回熱器組合成為多變壓縮機組， 其主要特徵是多變壓縮機組實現排解循環工質的壓縮熱和製造高壓氣體之 兩大功能。
6、權利要求5所述的多變壓縮機組，其主要特徵是冷卻源(載熱劑)透過壓 縮機機體，對壓縮氣流間接冷卻。機體尺寸要足夠大，保證冷卻源順暢吸收 壓縮氣流熱量。壓縮機進出口氣流接入回熱器進出口，壓縮機和回熱器合併 為一個整體，這個整體構成多變壓縮機組，也是一種冷卻型壓縮機組。
7、按照權利要求l所述的一種制冷機，其主要特徵是所述的循環工質是空氣、 氧氣、二氧化碳、氮氣、氪、氬等氣體。
8、按照權利要求l所述的一種制冷機，其主要特徵是所述的載冷劑在所述的 膨脹機機體取冷。
9、按照權利要求1所述的一種制冷機，，其主要特徵是所述的冷卻源(載熱劑) 在壓縮機機體取熱。
10、按照權利要求1所述的制冷機，其主要特徵是所述的制冷機運行時，高低壓比為2.72—3.5。
全文摘要
一種制冷機，涉及製冷技術，屬機械工程領域制冷機技術。它包括壓縮機、膨脹機、回熱器、工質等四大主要部件。循環工質利用膨脹機機體吸收載冷劑熱量，循環工質利用壓縮機機體給載熱劑供熱。制冷機採用空氣等天然氣體工質，執行H熱力循環。本發明的願望是推出一種製冷效率較高的氣體制冷機，並改變空氣製冷技術應用落後的現狀。
文檔編號F25B1/00GK101298946SQ20081007108
公開日2008年11月5日 申請日期2008年5月20日 優先權日2008年5月20日
發明者洪國偉 申請人:洪國偉