一種熱泵的製作方法
2023-12-03 21:20:11 1
專利名稱：一種熱泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱泵技術，是一種節能供熱設備，屬機械工程領域。
背景技術：
制熱循環是熱泵技術發展的理論基礎。每一次新的制熱循環的發展應用， 都能帶動了熱泵技術的飛躍，有力推動了社會進步。
當今熱泵時代是以相變制熱循環為主的相變制熱時代，自從這個制熱時代 的主角之一熱泵工質一-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。全世界許多熱泵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熱泵工質，新型無氟熱泵工質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工質的熱泵循環，特 別是用空氣或水為熱泵工質的制熱循環是最根本的阻止熱泵工質破壞自然環境 的辦法。由於現有可用天然工質的熱力循環普遍制熱效率較低，使得用天然工 質的熱泵開發進程緩慢。本發明的目標正是希望推出一種可以使用天然工質、 制熱效率較高的熱泵。
逆卡諾循環是公知最好的熱泵循環，誕生以來物理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交換價值， 本發明涉及的熱力循環則利用了這種價值。
本發明涉及的一種制熱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熱力循環。需要說明的是H熱力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熱力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---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工質的H循環優於 目前公知的各類空氣循環(如布雷頓循環)，可以作為空氣熱泵技術的一個發 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
體熱泵。
執行H循環氣體熱泵，簡稱一種熱泵，發明目的是提出一種可以使用天然 工質、制熱效率較高的熱泵。
圖l為H循環的逆循環(H制熱循環)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，它是一種加熱型膨脹機。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之低位熱源(載冷劑)的熱量Q (加熱)。低位 熱源的流入流出方向與膨脹氣體走向相同，氣體被低位熱源間接加熱。 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，它是一種冷卻型壓縮機。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載熱劑(冷卻介質)的間 接冷卻，排熱Q(放熱)。載熱劑的流入流出方向與氣體走向相同，氣體在壓縮過 程中被壓縮機機體冷卻。
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循環的氣體熱泵示意圖，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，熱泵對載熱劑實施供熱。
具體實施方案
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)由外部對膨脹機機體加熱，機體可設計成空 心內腔式。載冷劑在膨脹機機體空心內腔內流動，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。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 (氣-一氣換熱器，逆流換熱器)，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。等溫過程中 工質不但可以釋放最大機械功，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。
載冷劑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 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。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(氣-一氣換熱器， 逆流換熱器)，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，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。不難看出多變壓縮機組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。
載熱劑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，熱泵的制熱量越大。 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PF"=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
回熱器傳熱溫差r3-r2=r4-7;=Ar 膨脹功釅formula see original document page 7吸熱量&=/ (r4-7;)(
壓縮功『,(r3-r2)
系統淨輸入功(耗功)『M=,,-r=i (r4-r。(^-
JUrd/7;)
制熱係數0^=1+^=1+
JU(r4/7;)
結論
1) 壓比越高，制熱係數越高。
2) 回熱器傳熱溫差越小，制熱係數越高。
3) 回熱器傳熱溫差逼近零時，制熱係數co/^;Ar，逼近逆卡諾循環制熱係數。
五H循環的熱泵
如圖7所示將膨脹機組和多變壓縮機組合即可成為執行H循環的熱泵。 熱泵採用閉式熱力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，均為天然工質。熱泵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，也決定了熱泵制熱的總能力。基準 壓力越高，越有助於改善熱泵工質的傳熱性能。熱泵的高壓端為循環工質的限 制壓力，它由熱泵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，當高壓確定以後，高低壓比有一個理論上的最佳值，使得H循環冷機 的"制熱量/體積"最佳，實際H循環熱泵運行時要求高低壓比為2.72—3.5。 六 一種熱泵
執行H循環的熱泵簡稱一種熱泵。這種熱泵的效率主要由下述因素決定
① 回熱器傳熱溫差。
② 壓縮工質與栽熱劑傳熱溫差。③ 膨脹工質與栽冷劑(低位熱源)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
1一種熱泵，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，熱泵通過載冷劑吸收低位熱源的熱，熱泵通過載熱劑對外傳遞熱能(供熱)，該熱泵執行H熱力循環。
2.按照權利要求l所述的回熱器，其主要特徵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1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，其主要特徵是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.按照權利要求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銜環工質，載冷劑同時降 溫。循環工質在膨脹過程中透過機體吸收載冷劑的熱量，循環工質同時對外 作功。膨脹機進出口氣流接入回熱器進出口，膨脹機和回熱器合併為一個整 體，這個整體構成多變膨脹機組，也是一種加熱型膨脹機組。
5.按照權利要求1所述的壓縮機與按照權利要求2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.按照權利要求5所述的多變壓縮機組，其主要特徵是載熱劑透過壓縮機機 體，與壓縮氣流間接熱交換後載熱劑升溫。機體尺寸要足夠大，'保證載熱劑 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所述的循環工質，其主要特徵是空氣、氧氣、二氧化碳、氮氣、氪、氬等氣體。
8 熱泵取冷方法，其主要特徵是載冷劑在膨脹機機體內取冷，取冷方法也是熱泵吸收外界熱能的方法。
9 熱泵取熱方法，其主要特徵是載熱劑在壓縮機機體內取熱，取熱方法也是熱泵供給外界熱能的方法。
10 按照權利要求1所述的熱泵，其主要特徵是熱泵運行時要求高低壓比為 2. 72—3. 5。
全文摘要
一種熱泵，是一種供熱裝置，涉及節能技術，屬機械工程領域。它包括壓縮機、膨脹機、回熱器、循環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。熱泵採用空氣等天然氣體工質，熱泵執行H熱力循環。本發明的願望是提出一種制熱效率較高的氣體熱泵，並改變空氣熱泵技術應用落後的現狀。
文檔編號F25B30/02GK101298949SQ20081007108
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