專利名稱：高能效采暖機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的新原理特別要說(shuō)明的是，此二原理已經(jīng)在本人的專著中出現(xiàn)。
目前廣泛使用的制冷機(jī)和空調(diào)器，它的工作是閉口過(guò)程，工質(zhì)——氟里昂在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)地變態(tài)流動(dòng)，與外界環(huán)境隔絕。這里提出的高能效采暖機(jī)是開口過(guò)程(開放式熱泵)，工質(zhì)——空氣取自環(huán)境，又在工藝流程的尾端回歸環(huán)境。
雙向空調(diào)器是夏可制冷冬可制熱的裝置，但其制熱的能效比并不理想，由于封閉式熱泵必須利用氟里昂作為工質(zhì)，蒸發(fā)器不便于吸收低溫環(huán)境的熱量，當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，就相當(dāng)不合算，甚至不如用電熱器直接加熱，這是空調(diào)器的制熱功能不能進(jìn)入千家萬(wàn)戶用于取暖的原因所在。
按照人們的習(xí)慣思維，一般的僅知道能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系——1∶1的關(guān)系，例如，將電能通過(guò)電熱器轉(zhuǎn)化為熱量的話，能效比不會(huì)超過(guò)1∶1，而本發(fā)明提供的以無(wú)處不在的空氣為工質(zhì)的這種采暖機(jī)，可令能效比達(dá)到1∶2——1∶3。
我的著作《壓縮與膨脹熱力學(xué)》一書已于2004年5月由中國(guó)水利水電出版社出版，并在全國(guó)發(fā)行，書號(hào)為ISBN7-5084-1947-2/N.5(目前本書已作了較大修改，將在今后再版)。本書提出了三個(gè)原理體系及其所屬的60余個(gè)方程式和關(guān)系式，其中包括構(gòu)成本發(fā)明所運(yùn)用的兩條原理——‘大氣壓力跟隨功原理’和‘功、熱對(duì)抗原理’，此二原理在運(yùn)用中均可使能效比大于1∶1。
由于此二原理不是現(xiàn)有科技，考慮到國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局審查上的方便，在‘在先申請(qǐng)’中已將此書一并寄去。以下對(duì)有關(guān)原理作如下簡(jiǎn)述。
1.大氣勢(shì)能可被借用的原理 大氣勢(shì)能可被借用的原理就是‘大氣壓力跟隨功原理’，是‘大氣壓力跟隨功原理’在壓縮和膨脹過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的功效。
在對(duì)環(huán)境氣體進(jìn)行壓縮時(shí)，首先是機(jī)械能的作用，但與此同時(shí)，大氣壓力也在伴隨活塞的推進(jìn)而跟進(jìn)，共同對(duì)氣體進(jìn)行壓縮——大氣壓力的跟隨作用，因?yàn)榛钊戏接幸粋€(gè)設(shè)想的大氣柱，氣柱一直延伸到大氣層頂，大氣柱亦在跟隨活塞下移，氣柱的下移就是它勢(shì)能的減少，氣柱勢(shì)能的減少量就是被壓縮氣體內(nèi)能的增加量。當(dāng)活塞返回時(shí)，氣體內(nèi)能的增量部分并未釋放，活塞的返回并不是被壓縮氣體的反推作用，而是機(jī)械慣性，也就是說(shuō)，活塞返回時(shí)，并沒有把下降的氣柱反推回原位，氣柱勢(shì)能并未在此時(shí)得到恢復(fù)，存入被壓縮氣體內(nèi)的氣柱勢(shì)能在維持著氣體的密度。雖然被壓縮氣體儲(chǔ)存的氣柱勢(shì)能最終是要釋放的，但那是氣柱勢(shì)能被我們利用之后的事兒，也就是此地借用彼地歸還。
在壓縮時(shí)，氣柱勢(shì)能與機(jī)械能一道做功，氣柱勢(shì)能同樣向外界提供熱量，那就是借用氣柱勢(shì)能提供的熱量。當(dāng)被壓縮氣體排至環(huán)境時(shí)，就可將大氣柱反推向原位，歸還氣柱勢(shì)能，氣柱勢(shì)能的歸還分兩步進(jìn)行，膨脹機(jī)中排出的冷空氣只能歸還一部分，另一部分由利用過(guò)的熱量進(jìn)行歸還，利用過(guò)的熱量仍可加熱冷空氣，因此‘大氣壓力跟隨功原理’在此情況下上升成為‘大氣勢(shì)能可被借用的原理’。
2.‘熱量的被運(yùn)送原理’?！疅崃康谋贿\(yùn)送原理’就是書中所說(shuō)的‘功、熱對(duì)抗’原理，具體地說(shuō)就是‘功、熱對(duì)抗原理’在壓縮與膨脹過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的功效。
熱量的被運(yùn)送原理不是現(xiàn)有的物理概念，但熱量的被運(yùn)送關(guān)系早已普遍存在于我們的實(shí)際生活中，只是尚未將實(shí)際事物提升為物理概念而已，比如目前廣泛使用的制冷設(shè)備，通過(guò)對(duì)制冷劑——氟里昂的壓縮與膨脹過(guò)程，把制冷器中的熱量運(yùn)送到外界，其能效比是大于1∶1的，甚至可達(dá)1∶4。
如欲闡明功熱對(duì)抗原理，還需首先闡述書中提出的‘溫位升遷功’原理，有溫升熱量才能被運(yùn)送。‘溫位升遷功’原理是一個(gè)實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，它是解釋和計(jì)算功熱對(duì)抗原理的基礎(chǔ)。
溫位升遷功原理氣體被壓縮后，除了能夠放出熱量外，還可做膨脹功，即‘可逆膨脹功’?！赡媾蛎浌Α汀疅崃俊叩目傊荡笥趬嚎s功，這個(gè)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于溫位升遷功原理。
熱量的溫位升遷功定義——溫位升遷功是指基礎(chǔ)熱量的溫位升遷所占用的那部分壓縮功。氣體在壓縮中，由于每單位容積中運(yùn)動(dòng)分子數(shù)的增加，導(dǎo)致溫度升遷。升遷功的作用是將基礎(chǔ)熱量的溫位向上推升，與此同時(shí)，升遷功亦轉(zhuǎn)化成為“熱量”的一部分，溫位升遷所接受的功只是壓縮功的一部分，壓縮功的另一部分儲(chǔ)存于氣體的密度變化中。
基礎(chǔ)熱量定義——基礎(chǔ)熱量即是被壓縮氣體環(huán)境溫度線以下的熱量；對(duì)于壓縮過(guò)程，基礎(chǔ)熱量等于‘等溫壓縮功’的值。在溫位升遷功作用下，基礎(chǔ)熱量具有被排出外界的趨勢(shì)。
在計(jì)算溫位升遷的程度時(shí)，是以一個(gè)階度為單位的。一個(gè)階度即是273.15K，因?yàn)樵诙ㄈ葸^(guò)程中溫度每升高273.15K，其做功能力就增加一個(gè)大氣壓。
為何要用溫位階度計(jì)量溫度。溫位階度原理是隱藏在查里定律的背后的原理。在徹底闡明溫位升遷功原理之前，必須首先闡明溫位階度概念，，為什么呢，以下作這樣一個(gè)比喻，基礎(chǔ)熱量就像池中水，從池中提取一桶水，這桶水露出水面時(shí)就出現(xiàn)了一個(gè)高度差h，此時(shí)我們對(duì)這桶水所做的功就是這桶水的重力與提升高度的積——1mgh。相似的，熱能的變化不能只論其熱量而不論其溫度變化。當(dāng)這桶水提升的高度為h的1/273時(shí)(當(dāng)然也可是1/x)，就相當(dāng)于將受壓縮氣體的溫度推升了1℃，也就是說(shuō)，273.15℃的溫升就相當(dāng)于水桶高度變化一個(gè)h。
在這里我們把基礎(chǔ)熱量視為物質(zhì)。壓縮中的熱量包括基礎(chǔ)熱量，也包括溫位升遷功轉(zhuǎn)化的熱量，當(dāng)溫位升遷功比例很小的時(shí)候，這個(gè)熱能的品位很低，隨著溫位升遷功比例的增加，熱能的品位逐漸升高。在那桶水露出水面時(shí)，對(duì)這桶水所做的功就是1mgh，此功只相當(dāng)于熱量的溫位升遷功，那桶水在尚未露出水面時(shí)的絕對(duì)勢(shì)能就相當(dāng)于基礎(chǔ)熱量。
這兩種過(guò)程所不同的是那桶水在露出水面后，它的勢(shì)能變化僅是對(duì)它所做的功，而不包括這桶水未露出水面時(shí)的絕對(duì)勢(shì)能；而被壓縮氣體‘出現(xiàn)的熱量’不但包括它的溫位升遷功轉(zhuǎn)化的熱量，而且包括它的基礎(chǔ)熱量。基礎(chǔ)熱量不是由壓縮功轉(zhuǎn)化來(lái)的，但它亦計(jì)入了‘顯熱量’的一部分。為什么基礎(chǔ)熱量亦能成為‘顯熱量’的一部分呢，因?yàn)榛A(chǔ)熱量等于等溫壓縮功的值，基礎(chǔ)熱量就是密度內(nèi)能變化所排擠的熱量QP，被排擠的熱量無(wú)路可逃，就成為高出常溫(T1)的熱量(浮現(xiàn)在常溫線以上的熱量)。
溫位升遷功關(guān)系式的至真原理在經(jīng)典力學(xué)中，重力是質(zhì)量m與重力加速度g的積mg，重力勢(shì)能是重力與高度h的積mgh。而這里提出的溫位升遷功原理與重力勢(shì)能十分相似。
①.連續(xù)壓縮熱量恒溫輸出時(shí)的溫位升遷功關(guān)系式 式中(T2-T1)相當(dāng)于那桶水提升的高度，

相當(dāng)于以h為單位的高度，Q0那桶水的重力mg，

相當(dāng)于那桶水提升后得到的勢(shì)能mgh。輸出熱量基本值Q0得到的升遷功LHS是以熱量來(lái)度量的，由于熱和功的單位相同，都是KJ(千焦耳)，又由于升遷功在推升溫度時(shí)已轉(zhuǎn)化為熱量，當(dāng)然的，升遷功亦已成為輸出熱量的一部分，(如果以示意圖表示的話，這個(gè)功量是一個(gè)巨型面積)，這是一個(gè)簡(jiǎn)單而深刻的原理。
②.定量壓縮(將一定量的氣體按壓縮比的要求進(jìn)行壓縮后，過(guò)程即告結(jié)束)，此時(shí)輸出熱量的溫位升遷功關(guān)系式為式中WY是多變過(guò)程壓縮功，WD是等溫過(guò)程壓縮功，(WY-WD)相當(dāng)于那桶水提升的高度，

相當(dāng)于以h為單位的高度，Q0是那桶水的重力mg，

相當(dāng)于那桶水提升后得到的勢(shì)能mgh，輸出熱量基本值Q0得到的升遷功LS是以熱量來(lái)度量的，同樣的，由于熱和功的單位相同，都是KJ(千焦耳)，又由于升遷功在提升溫度時(shí)已轉(zhuǎn)化為熱量，升遷功亦已成為輸出熱量的一部分。但由于輸出熱量基本值Q0是由小到大的積累——體系與外界出現(xiàn)溫差時(shí)，熱量就開始向外傳遞了。
溫位升遷功在推升溫度時(shí)，隨即轉(zhuǎn)化了熱量，溫位升遷功是壓縮功的一部分，因此，壓縮過(guò)程中，也只有這部分壓縮功——溫位升遷功轉(zhuǎn)化了熱量。
熱量與升遷功在絕熱壓縮中，基礎(chǔ)熱量也在接受壓縮功——溫位升遷功LS，且轉(zhuǎn)化為熱量，于是熱內(nèi)能亦增加此值，系統(tǒng)中的熱量Q是基礎(chǔ)熱量與升遷功的和，即Q＝Q0+LS。然而升遷功LS只是壓縮功的一小份，壓縮功的主值轉(zhuǎn)化了氣體的密度內(nèi)能ΛUM，密度內(nèi)能還可再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，讓它再去做功。這是‘開口式熱泵循環(huán)’具有高能效的原理之一。
功、熱對(duì)抗原理的三個(gè)支撐點(diǎn)1.壓縮過(guò)程的熱量等于壓縮功的值，這是熱力學(xué)現(xiàn)有公式早已確定的；2.常溫高密度氣體具有做功能力(放出熱后還能可逆做功)，這也是公認(rèn)的事實(shí)；3.溫位升遷功關(guān)系式和它表示在壓縮過(guò)程中，由于熱量的抗功能力低下，溫度變化只分享了少量的壓縮功。而且，通過(guò)一系列計(jì)算都證明了這個(gè)關(guān)系式的正確性，是經(jīng)得起考驗(yàn)的。
功、熱對(duì)抗原理亦可改為溫位升遷功原理，因?yàn)楫?dāng)我們明確了溫位升遷功只是壓縮功一部分時(shí)，密度內(nèi)能增加的問(wèn)題才能成立，才能突出熱量抗功能力低下，才能突出功熱對(duì)抗關(guān)系。但另一方面，溫位升遷功原理亦依賴于功和熱對(duì)抗關(guān)系，有了‘熱量抗功能力低下’這個(gè)問(wèn)題，才能突出溫位升遷功原理，所以還是稱為功、熱對(duì)抗原理為宜。因此，溫位升遷功原理又導(dǎo)致了‘壓縮與膨脹過(guò)程中熱量的被運(yùn)送原理’ 根據(jù)以上簡(jiǎn)述的‘大氣勢(shì)能可被借用的原理’(大氣壓力跟隨功原理)和熱量的被運(yùn)送原理(熱量的溫位升遷功原理)，構(gòu)想了‘超效采暖站’，該構(gòu)想曾經(jīng)是一篇論文，它的第一次出現(xiàn)是在‘中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)’2003年年會(huì)上，后于2004年又出現(xiàn)在《壓縮與膨脹熱力學(xué)》一書中，該構(gòu)想是一種向片區(qū)供熱的方案，該方案規(guī)模較大，不便于實(shí)施。后來(lái)為了實(shí)施上的方便，通過(guò)長(zhǎng)久計(jì)算和改進(jìn)，提出了小型的簡(jiǎn)單的新方案，這個(gè)新方案就是現(xiàn)在提出的專利申請(qǐng)，它已成為可以用于一個(gè)家庭的‘高能效采暖機(jī)’其結(jié)構(gòu)已經(jīng)不同于當(dāng)初提出的‘構(gòu)想中的超效采暖站’，因此，這里提出的‘高能效采暖機(jī)’仍然屬于發(fā)明。
三，

發(fā)明內(nèi)容
在技術(shù)背景中提到，利用江、河、湖、海水中熱量進(jìn)行取暖的系統(tǒng)，也是可行的方案，但在沒有江、河、湖、海的地方就無(wú)能為力了。而本發(fā)明對(duì)地區(qū)沒有要求，凡是有空氣的地方皆可制熱。
利用地?zé)崛∨隙〞?huì)有較高的能效比，但需要浩大的地下工程和大量的鋼材，投資太大。
中央空調(diào)器亦具有制熱功能，但當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)太不合算，不適用于我國(guó)北方大部分地區(qū)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種‘高能效采暖機(jī)’，這種采暖機(jī)在結(jié)構(gòu)上不但能夠利用“大氣勢(shì)能可以被借用的原理”，而且能夠利用“熱量可被運(yùn)送的原理”。這種采暖機(jī)最為突出的結(jié)構(gòu)特征是充分利用乏氣(輸出了熱量的被壓縮氣體)的壓力勢(shì)能，令這種壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并去帶動(dòng)一種初級(jí)壓縮機(jī)，對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行初步壓縮，即可減少電動(dòng)壓縮機(jī)的出力，因此輸出的熱量便可遠(yuǎn)大于電動(dòng)壓縮機(jī)輸出的功量。這種高能效采暖機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和工作情況將在‘


’之后詳述。
本人所著《壓縮與膨脹熱力學(xué)》一書在“構(gòu)想中的超效采暖站”的計(jì)算中，制熱的初步方案是，是將壓縮了的熱空氣在換熱器中加熱循環(huán)水，再讓循環(huán)水加熱暖氣包外面的自由空氣，這樣的過(guò)程，熱量通過(guò)了兩次傳遞，損失了較大的溫差，溫差的損失就是熱能的損失，是一種浪費(fèi)，影響制熱系數(shù)；另一方面，設(shè)備的復(fù)雜性和規(guī)模的龐大性給方案的實(shí)施帶來(lái)不便。
有鑒于此，本文簡(jiǎn)化了制熱裝置，在說(shuō)明書附圖1中令壓縮了的熱空氣通過(guò)暖氣包組(8)直接加熱室內(nèi)的自由空氣。
本發(fā)明的重要特點(diǎn)在于原理上的創(chuàng)新，1.大氣壓力跟隨功原理體系是實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，2.功、熱對(duì)抗原理，是對(duì)事實(shí)的科學(xué)歸納——它可由以下的現(xiàn)有公式歸納出來(lái) (1)絕熱過(guò)程的功 其中體積或 溫度或壓力 (2)多變過(guò)程的功 其中體積溫度壓力 過(guò)程中的熱量Q＝VC/V(T2-T1)或Q＝MCV(T2-T1) 這是不需要由實(shí)驗(yàn)證明的，它是熱力學(xué)應(yīng)該‘研究歸納’而尚未進(jìn)行研究歸納的東西。通過(guò)計(jì)算可知，溫度變化值與比熱容的積就是熱量，此熱量Q是等于全部壓縮功W的，若將這熱量放出后，被壓縮氣體的做功能力W/可由壓力P和體積V的變化算出，最后再求熱量Q與功量W/的和，此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，功和熱的總值大于壓縮功W。
這些現(xiàn)有公式，已用于以下能效比的計(jì)算中，當(dāng)然也應(yīng)用了本人提出的大氣壓力跟隨功原理的有關(guān)關(guān)系式。
四，

及能效比計(jì)算例 4.1附圖結(jié)構(gòu)說(shuō)明本發(fā)明附圖，不同于本人專著中的“構(gòu)想中的超效采暖站”示意圖，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很大改進(jìn)和簡(jiǎn)化，‘簡(jiǎn)化’具有重要意義，如果搞得規(guī)模很大，會(huì)令人望而卻步，不敢問(wèn)津，不利實(shí)施。簡(jiǎn)化的基本方案實(shí)現(xiàn)后再逐步完善，逐步完善也是事物發(fā)展的規(guī)律。簡(jiǎn)化的東西并不是初級(jí)的東西，由繁化簡(jiǎn)也是一種進(jìn)展，是需要付出代價(jià)的。
附圖1是高能效采暖機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖，附圖2是設(shè)置在壓縮機(jī)出口管道上的直接作用式壓力調(diào)節(jié)器(9)的示意圖。
在附圖1中，1-異步電動(dòng)機(jī)(三相或單相) 2-主壓縮機(jī) 3-主壓縮機(jī)葉輪 4-反饋力壓縮機(jī) 5-反饋力壓縮機(jī)葉輪 6-膨脹機(jī) 7-膨脹機(jī)葉輪 8-暖氣包組 9-壓力調(diào)節(jié)器 10-壓力表 11-軸承 12-自由空氣入口 13-壓縮空氣出口 14-膨脹機(jī)氣體入口 15-排氣 16-軸封 17-連接前后缸體的法蘭螺絲。
本設(shè)計(jì)的中心思想是反饋力的再利用，其核心結(jié)構(gòu)是，主壓縮機(jī)(2)與反饋力壓縮機(jī)(4)連接成一個(gè)聯(lián)立的氣缸，兩缸體由法蘭和螺絲(17)相連，前氣缸內(nèi)有主壓縮機(jī)葉輪(3)，后氣缸內(nèi)有反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)，葉輪(3)和葉輪(5)沒有機(jī)械連系，葉輪(3)與異步電動(dòng)機(jī)(1)同軸，但由前軸封(16)隔絕，葉輪(5)與膨脹機(jī)(6)同軸由后軸封(16)隔絕，形成兩級(jí)壓縮，氣體在兩級(jí)壓縮之間是直通的空間，初步壓縮與再壓縮都在聯(lián)立的缸體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)可令兩級(jí)壓縮機(jī)的出力按需要合理地分配，是令膨脹功反饋到系統(tǒng)力能輸入端的最為簡(jiǎn)單有效的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有葉輪式壓縮機(jī)分為離心式的和軸流式的，中小型設(shè)備采用離心式的，大中型設(shè)備采用軸流式的。
附圖2是一種直接作用式壓力調(diào)節(jié)器，可由國(guó)產(chǎn)XRM-1F1壓力調(diào)節(jié)器稍加變更而成，其中9.1-膜片 9.2-彈簧 9.3-調(diào)整螺絲 9.4-連桿 9.5-閥芯 9.6-主管道 9.7-導(dǎo)壓管 9.8-膜盒 調(diào)節(jié)對(duì)象中的壓力給定值是由彈簧(9.2)給定的，當(dāng)被調(diào)介質(zhì)的壓力大于給定值時(shí)，膜片(9.1)的作用力就大于彈簧(9.2)的作用力，此時(shí)與閥芯(9.5)相連的連桿(9.4)向下移動(dòng)，增加流通面積，直到閥前壓力減少到給定壓力為止。反之，當(dāng)調(diào)節(jié)對(duì)象中的壓力小于給定值時(shí)，膜片(9.1)上的作用力就小于彈簧(9.2)作用力，此時(shí)連桿(9.4)向上移動(dòng)，減少流通面積，直到閥前壓力上升到給定值為止，此時(shí)二力平衡。因此，這種調(diào)節(jié)器在任何時(shí)候都能保持相同的給定值。當(dāng)給定值需要調(diào)整時(shí)，可通過(guò)調(diào)整‘調(diào)整螺絲’(9.3)而實(shí)現(xiàn)。
4.2高能效采暖機(jī)是這樣工作的當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)(1)啟動(dòng)后，與電動(dòng)機(jī)(1)同軸的主壓縮機(jī)葉輪(3)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，自由空氣進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮氣體的壓力和溫度升高，并進(jìn)入暖氣包組(8)，大量的熱量從暖氣包組(8)散發(fā)出去。輸出了熱量的氣體仍具有相當(dāng)?shù)膲毫?高密度)，讓它到膨脹機(jī)(6)中去轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的機(jī)械能又帶動(dòng)與它同軸的反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)，對(duì)自由空氣進(jìn)行初步壓縮，繼而被主壓縮機(jī)葉輪(3)進(jìn)一步壓縮。
在壓縮空氣出口管道上安裝了壓力調(diào)節(jié)器(9)，它可使出口壓力控制在給定值上，因而可保證對(duì)氣體壓縮比的要求，進(jìn)而保證對(duì)氣體出口溫度的要求，壓力的控制靠的是調(diào)節(jié)閥門的開度，而且調(diào)節(jié)工作是自動(dòng)進(jìn)行的。
高能效制熱機(jī)可以間歇地工作，被調(diào)對(duì)象的溫度由‘溫度控制器’進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)溫度到達(dá)一定值(如22℃)時(shí)，自動(dòng)停機(jī)；當(dāng)被調(diào)對(duì)象溫度降低到一定值(如18℃)時(shí)又自動(dòng)啟動(dòng)。溫度控制器并未顯示在說(shuō)明書附圖中，因?yàn)檫@是現(xiàn)有科技，不要求專利保護(hù)。
4.3反饋力壓縮機(jī)能夠充分發(fā)揮反饋力的原理反饋力指的是可逆功再利用的能量。
三相或單相異步電動(dòng)機(jī)(1)的轉(zhuǎn)速是基本恒定的。這種電機(jī)具有轉(zhuǎn)差率，如果其同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，帶上負(fù)載后一般都在2900多轉(zhuǎn)份，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速亦有微小變化，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速基本恒定。這種轉(zhuǎn)速基本恒定的特征導(dǎo)致了這種電機(jī)具有另一個(gè)特征——電機(jī)的出力隨負(fù)載變化而自動(dòng)變化，不需要人工調(diào)整，這種特征在本方案得到了巧妙運(yùn)用。當(dāng)進(jìn)氣得到初步壓縮后，可自動(dòng)減輕主壓縮機(jī)(2)的出力，負(fù)載電流下降。
例如，在發(fā)電廠的試運(yùn)行中可以觀察到，三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的送風(fēng)機(jī)，當(dāng)送風(fēng)機(jī)風(fēng)門關(guān)閉時(shí)，雖然風(fēng)受到的阻力很大，但因送風(fēng)量為零，電流表指示亦為零，屬于空轉(zhuǎn)；當(dāng)風(fēng)門全開并對(duì)空排氣時(shí)，由于風(fēng)阻較小，電流表示值亦較小。送風(fēng)機(jī)的最大負(fù)荷表現(xiàn)在它既克服了相當(dāng)阻力又具有最大的送風(fēng)量。
在設(shè)備容量較小的時(shí)候，設(shè)計(jì)時(shí)可采用單相異步電動(dòng)機(jī)，單相異步電動(dòng)機(jī)亦具有同樣的特征——其出力也是隨負(fù)荷變化而自動(dòng)變化的。
在額定容量范圍內(nèi)，異步電動(dòng)機(jī)(1)的出力是由負(fù)荷決定的，無(wú)負(fù)荷即是空轉(zhuǎn)。在本方案中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)(1)尚未啟動(dòng)時(shí)，反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但如果有一種力推動(dòng)‘反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)’對(duì)氣體進(jìn)行了壓縮的話，主壓縮機(jī)葉輪(3)連同電動(dòng)機(jī)(1)也會(huì)被動(dòng)地旋轉(zhuǎn)，這時(shí)如果將出口壓力調(diào)定的足夠低，電動(dòng)機(jī)(1)也會(huì)達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。
在此情況下，如果啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)(1)，電動(dòng)機(jī)(1)將會(huì)仍然保持它的空轉(zhuǎn)，只是它會(huì)主動(dòng)奪擔(dān)了空載耗能。但是，正值此時(shí)如果增加氣體出口壓力，電動(dòng)機(jī)(1)將會(huì)自動(dòng)帶上增加的負(fù)荷，補(bǔ)充反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)動(dòng)力的不足，這就是異步電動(dòng)機(jī)的本能——其出力隨負(fù)荷變化而變化。
另一方面，暖氣包組(8)獻(xiàn)出熱量后，若將氣體排放出去而并不進(jìn)入膨脹機(jī)(7)的話，進(jìn)氣得不到初步壓縮，這個(gè)壓縮重?fù)?dān)必由電動(dòng)機(jī)(1)自動(dòng)承擔(dān)起來(lái)。在高能效采暖機(jī)的工作過(guò)程中，獻(xiàn)出熱量的氣體(14)要進(jìn)入膨脹機(jī)(7)并帶動(dòng)與其同軸的反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)。這種輔助壓縮將使乏氣的壓力勢(shì)能得到充分發(fā)揮。這里稱其為輔助壓縮是因其能源來(lái)自主壓縮機(jī)，沒有主壓縮機(jī)工作，就不存在乏氣的可逆做功能力。但在運(yùn)行起來(lái)之后，主壓縮機(jī)(2)的出力只是系統(tǒng)的力能補(bǔ)充。
關(guān)于反饋力壓縮機(jī)(4)如何才能發(fā)揮它的的反饋力，這種設(shè)計(jì)是十分勞神的工作，通過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)周旋之后，確定了這個(gè)簡(jiǎn)單方案。
4.4能效比計(jì)算例 在常規(guī)的采暖鍋爐中，供出的是熱水，為了防止汽化，溫度不能超過(guò)95℃，一般在90℃左右。從用戶返回的水，溫度約為50℃。本方案供出的是壓縮空氣，溫度可以提高，暫定為100℃，令熱空氣直接通過(guò)暖氣包組(8)加熱室內(nèi)的自由空氣。
‘大氣勢(shì)能可被借用的原理’和‘熱量可被運(yùn)送的原理’均具有大于1的能效比，兩者相乘時(shí)能效比應(yīng)該大增，但由于熱量不能夠全部輸出，能效比就要打折扣。
以下的計(jì)算，在方法上和程序上與書中的計(jì)算亦有所不同。
當(dāng)環(huán)境溫度足夠低，如為-30℃時(shí)，即T1＝243K。設(shè)P1＝101.325kpa，令V1＝2.92m3 V2＝1m3，才能使絕熱壓縮時(shí)溫升上限為T2＝T1(V1/V2)K-1＝243(2.92/1)0.4＝373K，即100℃。壓縮機(jī)出口氣體(13)的壓力 4.4.1按本文的方法求絕熱壓縮功。如按常規(guī)，由絕熱過(guò)程的公式求出的壓縮功，是定量壓縮的壓縮功，對(duì)于機(jī)器的連續(xù)運(yùn)行是不適用的，數(shù)據(jù)需要修正，修正過(guò)程是繁瑣的，而按本文的方法，可簡(jiǎn)便地求出連續(xù)壓縮的壓縮功。
等溫壓縮功 絕熱壓縮過(guò)程中熱量的溫位升遷功 連續(xù)的絕熱過(guò)程壓縮功W＝WD+LHS＝317.05+150.976＝468.03KJ 壓縮功中的大氣壓力跟進(jìn)功LG＝P1(V1-V2)＝101.325(2.92-1)＝194.544KJ 壓縮功中的機(jī)械功(包括溫位升遷功) LJ＝W-LG＝468.03-194.544＝273.49KJ 4.4.2暖氣包組(散熱器)進(jìn)口氣體參數(shù) 暖氣包組進(jìn)口參數(shù)P2＝454.15kpa T2＝373KV2＝1m3 關(guān)于暖氣包組出口氣體參數(shù)T3＝313K(設(shè)定)壓力和容積將按一定比率下降，計(jì)算過(guò)程如下 ①設(shè)壓縮比為Л，如壓縮是等溫過(guò)程，壓縮后的壓力PD＝P1Л＝101.3254×2.92＝295.869kpa ②絕熱壓縮時(shí)的壓力為P2＝P1V1T2/V2T1＝454.15kpa ③在壓縮中因溫度上升而導(dǎo)致的壓力升值為P2-PD＝454.15-295.869＝158.28kpa ④絕熱連續(xù)壓縮引起的溫升為T2-T1＝373-243＝130K ⑤溫度每升高1K引起的壓力變化為 ⑥在暖氣包中溫度降低為T2-T3＝373-313＝60K ⑦暖氣包中因溫度降低而導(dǎo)致的壓降 ⑧在動(dòng)態(tài)中壓力降低值僅為上述的二分之一，即PJ/2＝73.05/2＝36.535kpa(另一半由容積變化承擔(dān))所以壓力P3＝P2-PJ/2＝454.15-36.525＝417.625kpa ⑨壓力下降的比率為P3/P2＝417.5625/454.15＝0.91958 ⑩容積V亦按同一比率下降，即V3＝V2·P2/P2＝1×0.91958＝0.91958m3也就是膨脹機(jī)進(jìn)口參數(shù)為P3＝417.625kpa，V3＝0.91958m3 T3＝313K 4.4.3膨脹機(jī)出口參數(shù)為P4＝P1＝101.325kpa 4.4.4可逆絕熱膨脹功 其中大氣壓力跟出功LC＝P4(V4-V3)＝101.325(2.529-0.91958)＝163.075KJ 可反饋再利用的機(jī)械功LF＝WJP-LC＝319.475-163.0745＝156.40KJ需要向系統(tǒng)補(bǔ)給的功LB＝LG-LF＝273.49-156.40＝117.09KJ 4.4.5熱量系統(tǒng)內(nèi)受著排擠作用的熱量QP＝WJP＝468.03KJ 留存在體系內(nèi)的熱量QN＝V1C/V(T3-T1)＝2.92×0.926(313-243)＝189.2744KJ 暖氣包組(8)可輸出的熱量Q＝QP-QN＝468.03-189.2744＝278.76KJ 4.4.6能效比Kt＝Q/LB＝278.76/117.09＝2.3807 注將暖氣包組(8)尾部氣溫設(shè)定為313K(40℃)，它與10℃(283K)左右的室溫之間的溫差是30K，但這并不是溫差的全部，只表現(xiàn)在暖氣包組(8)的尾部，暖氣包組(8)前部與室溫之間的溫差是373-283＝90K，其平均溫差為(30+90)/2＝60K 制熱量是高于環(huán)境溫度的熱量。
現(xiàn)將幾例計(jì)算列于如下附表1中 附表1 由附表1可見，當(dāng)我們將壓縮后溫度T2定為373K時(shí)，制熱系數(shù)較高；當(dāng)我們?cè)诟奖?中將壓縮后溫度T2定為383K時(shí)，制熱系數(shù)略低。但是T2較高時(shí)，傳熱效果較好。
附表2 此外，壓縮機(jī)(2)和(4)的摩擦損耗是機(jī)械能轉(zhuǎn)化了熱量，對(duì)于制冷來(lái)說(shuō)，這熱量是白白地丟失了，但對(duì)于制熱來(lái)說(shuō)是可以設(shè)法利用的，只要對(duì)壓縮機(jī)(2)和(4)進(jìn)行保溫，便可使‘摩損熱’成為輸出熱量的一部分，由暖氣包組(8)供出；再就是流動(dòng)功，流動(dòng)功主要發(fā)生在暖氣包組(8)中，也會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量的，這熱量也是會(huì)由暖氣包組(8)供出的。這些熱量的利用并未包括在上述的計(jì)算中。
異步電動(dòng)機(jī)(1)的功率及輸出的熱功率前面并未提到功率問(wèn)題，沒有時(shí)間概念?，F(xiàn)假定異步電動(dòng)機(jī)(1)功率由系統(tǒng)的補(bǔ)給功確定，力能補(bǔ)給值是117KJ，如果這個(gè)補(bǔ)給值是每分鐘輸出的功量，那么每秒的功量為1.95KJ，其功率即為1.95KW，因此，可選2.4KW電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)輸出的熱功率為L(zhǎng)B·Kt＝1.95×2.381＝4.64KW。但是這里的計(jì)算只是示例，而并不是已經(jīng)確定的容量。
五，
具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的重要特殊性在于原理上的創(chuàng)新，其中大氣壓力跟隨功原理體系是實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，它已經(jīng)由本人的小型實(shí)驗(yàn)所證明，機(jī)械壓縮功可以顯示在電能表上，而大氣壓力(氣柱勢(shì)能)的跟進(jìn)雖然也做了功，但卻不會(huì)顯示在電能表上。
關(guān)于壓縮機(jī)(2)和(4)的選擇，對(duì)于小型設(shè)備采用離心式的，中大型設(shè)備采用軸流式的。
實(shí)施本發(fā)明的最好方式是求助于壓縮機(jī)制造廠，請(qǐng)制造廠按照發(fā)明人的意圖進(jìn)行制造，它不但是壓縮機(jī)(2)和(4)的特殊制造，同時(shí)要求膨脹機(jī)(6)也進(jìn)行特殊制造。
發(fā)明專利實(shí)施人的主要工作是組裝調(diào)試和研究改進(jìn)，基本上不進(jìn)行制造。
設(shè)備的選購(gòu)與訂貨 ①異步電動(dòng)機(jī)(1)的功率因數(shù)要高，功率因數(shù)高空載能耗小。
②異步電動(dòng)機(jī)(1)的容量不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低。
③壓縮機(jī)(2)和(4)以及膨脹機(jī)(6)需要在廠家特殊訂貨。
④直接作用式壓力調(diào)節(jié)器(9)亦需要在廠家特殊訂貨。
⑤壓縮機(jī)(2)和(4)以及膨脹機(jī)(6)等機(jī)械傳動(dòng)部件應(yīng)有較高的機(jī)械效率，以降低空載能耗。
⑥暖氣包組(8)的尾部熱流體溫度T/2的控制靠的是暖氣包的構(gòu)造和數(shù)量， ⑦室溫控制器在實(shí)施時(shí)配制。
前景本發(fā)明不但是高能效采暖機(jī)的開發(fā)應(yīng)用問(wèn)題，還有更多用處，有待今后開發(fā)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明高能效采暖機(jī)是令被壓縮氣體的壓力勢(shì)能反饋再用的室內(nèi)取暖裝置，其特征是被壓縮的工質(zhì)是環(huán)境氣體，異步電動(dòng)機(jī)(1)驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)(2)，主壓縮機(jī)(2)與反饋力壓縮機(jī)(4)連接成一個(gè)聯(lián)立氣缸，兩缸體由法蘭和螺絲(17)相連，前氣缸內(nèi)有主壓縮機(jī)葉輪(3)，后氣缸內(nèi)有反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)，葉輪(3)和葉輪(5)沒有機(jī)械連系，葉輪(3)與異步電動(dòng)機(jī)(1)同軸而不通氣——由軸封(16)隔絕，葉輪(5)與膨脹機(jī)(6)同軸而不通氣——亦由軸封(16)隔絕，形成兩級(jí)壓縮，兩級(jí)間是直通的空間，初步壓縮與再壓縮都在聯(lián)立的缸體內(nèi)，被壓縮氣體的壓力由壓力調(diào)節(jié)器(9)自動(dòng)調(diào)節(jié)，具有一定壓力和溫度的氣體進(jìn)入暖氣包(8)放出熱量后，又到膨脹機(jī)(6)中去膨脹并推動(dòng)其中葉輪(7)，葉輪(7)又帶動(dòng)反饋力壓縮機(jī)葉輪(5)對(duì)進(jìn)氣(12)進(jìn)行初步壓縮，繼而由葉輪(3)進(jìn)行再壓縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能效采暖機(jī)，其特征是，調(diào)節(jié)器(9)是由國(guó)產(chǎn)XRM-1F1型直接作用式壓力調(diào)節(jié)器的變更設(shè)計(jì)，是包括雙座閥在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)器(9)安裝在主管道(9.6)上，閥前主管道(9.6)上引出的導(dǎo)壓管(9.7)與膜盒(9.8)的上端相連，膜盒(9.8)內(nèi)的彈性膜片(9.1)下面通過(guò)連桿(9.4)與閥芯(9.5)相連，閥芯(9.5)的下端與彈簧(9.2)接觸，彈簧(9.2)的彈力可由調(diào)整螺絲(9.3)調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能效采暖機(jī)，其特征是異步電動(dòng)機(jī)(1)既可是三相異步電動(dòng)機(jī)，亦可是單相異步電動(dòng)機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能效采暖機(jī)，其特征是主壓縮機(jī)(2)與反饋力壓縮機(jī)(4)既可采用離心式的，也可采用軸流式的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能效采暖機(jī)，，其特征是暖氣包組(8)中流通的工質(zhì)是被壓縮的環(huán)境氣體，其最佳結(jié)構(gòu)將在實(shí)施中通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后研究確定。
全文摘要
這種高能效采暖機(jī)是令被壓縮氣體的壓力勢(shì)能反饋再用的室內(nèi)取暖裝置，是根據(jù)在對(duì)環(huán)境氣體進(jìn)行壓縮與膨脹的過(guò)程中大氣勢(shì)能可被借用的原理和熱量可被運(yùn)送的原理設(shè)計(jì)的，既環(huán)保又節(jié)能，能效比可達(dá)1∶2-1∶3。其結(jié)構(gòu)如附圖所示，異步電動(dòng)機(jī)(1)啟動(dòng)后，與其同軸的主壓縮機(jī)(2)工作，被壓縮氣體在暖氣包(8)中放出大部分熱量，此后該氣體的壓力還可推動(dòng)膨脹機(jī)(6)，膨脹機(jī)(6)又帶動(dòng)反饋力壓縮機(jī)(4)，反饋力壓縮機(jī)(4)與膨脹機(jī)(6)同軸，而與主壓縮機(jī)(2)同在聯(lián)立的氣缸內(nèi)，但無(wú)機(jī)械聯(lián)系。由于異步電動(dòng)機(jī)的出力隨負(fù)荷變化而變化，故可使反饋力充分發(fā)揮作用。在氣體出口管道上有壓力調(diào)節(jié)器(9)，將壓力自動(dòng)控制在給定值上。
文檔編號(hào)F24D5/00GK101158486SQ20071009593
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者宋學(xué)讓 申請(qǐng)人:宋學(xué)讓