專利名稱：一種新型制冷方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型制冷方法及裝置。
背景技術(shù)：
圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓縮機1、冷凝器4、節(jié)流閥5、蒸發(fā)器6構(gòu)成，其中節(jié)流閥5可由膨脹機代替。系統(tǒng)中的制冷工質(zhì)經(jīng)壓縮機1壓縮后進入冷凝器4冷凝放熱，然后在節(jié)流閥5的控制下進入蒸發(fā)器6蒸發(fā)——實現(xiàn)制冷，蒸發(fā)后的工質(zhì)再次被壓縮機1壓縮后進入冷凝器4，如此往復(fù)完成制冷循環(huán)?，F(xiàn)有蒸汽壓縮式制冷裝置通常以電能轉(zhuǎn)換為機械能的方式來實現(xiàn)壓縮制冷，不能依靠熱能制冷。在能源日漸緊張和昂貴的今天，如何利用自然界存在的大量低溫?zé)嵩磳崿F(xiàn)制冷，以便降低其它能源的消耗甚至替代其它能源，成為制冷行業(yè)研究的一個課題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種可直接利用壓縮后的工質(zhì)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃坎⑽諢崃亢蟮墓べ|(zhì)的一部分熱能轉(zhuǎn)換為機械能的新型制冷方法及裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種新型制冷方法，該方法包括以下步驟首先使工質(zhì)吸收熱源熱量升溫升壓，然后膨脹輸出軸功，再冷凝放熱，后經(jīng)節(jié)流后蒸發(fā)實現(xiàn)制冷，蒸發(fā)后的工質(zhì)被壓縮完成一個工作循環(huán)。
進一步，所述工質(zhì)膨脹輸出的軸功為該工質(zhì)被壓縮提供動力。
一種實現(xiàn)上述方法的裝置，該裝置由加熱器、膨脹機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、壓縮機構(gòu)成，加熱器依次連接膨脹機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和壓縮機，壓縮機連接所述加熱器，該膨脹機上設(shè)有輸出軸。
進一步，所述輸出軸通過傳動系與所述壓縮機相連接。
進一步，所述輸出軸通過傳動系與發(fā)電機相連接，該發(fā)電機與所述壓縮機相連接，該發(fā)電機以發(fā)出的電能驅(qū)動所述壓縮機工作。
采用上述結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明裝置增設(shè)了加熱器和膨脹機，在現(xiàn)有的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)過程中加入了在加熱器中對工質(zhì)加熱的過程和使工質(zhì)在膨脹機內(nèi)將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的過程，該機械能直接或間接地驅(qū)動壓縮機工作以維持整個循環(huán)。本裝置中利用工質(zhì)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃框?qū)動壓縮機工作，有利于太陽能、地?zé)岬鹊蜏責(zé)嵩吹拈_發(fā)和利用，與現(xiàn)有制冷系統(tǒng)相比不但節(jié)約電能，而且具有體積小、熱效率高、可直接進行熱能轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，另外，工質(zhì)在膨脹機內(nèi)輸出的機械能還能為其它系統(tǒng)提供動力。


圖1為現(xiàn)有制冷系統(tǒng)構(gòu)成原理圖；圖2本發(fā)明制冷系統(tǒng)構(gòu)成原理圖；圖3為理想狀態(tài)工質(zhì)p-h圖。
具體實施例方式
本發(fā)明一種新型制冷方法，該方法包括以下步驟首先使工質(zhì)在加熱器2內(nèi)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃可郎厣龎?，然后在膨脹機3內(nèi)膨脹作功驅(qū)動膨脹機輸出軸功，該膨脹機3的輸出軸既可通過聯(lián)軸器或齒輪等傳動系與壓縮機1動力相連驅(qū)動壓縮機工作，也可與發(fā)電機相連，然后由發(fā)電機輸出的電能帶動壓縮機1工作，或直接將機械能輸出。膨脹后的工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥5進入蒸發(fā)器6蒸發(fā)實現(xiàn)制冷，蒸發(fā)后的工質(zhì)被壓縮機1壓縮完成一個循環(huán)，工質(zhì)的流動方向如圖2中箭頭所示，工質(zhì)的變化過程如圖3所示；所述低溫?zé)嵩纯梢允翘柲?，也可以采用地?zé)岬葻嵩础?br> 如圖2所示，實現(xiàn)上述方法的裝置，該裝置由加熱器2、膨脹機3、冷凝器4、節(jié)流閥5、蒸發(fā)器6、壓縮機1構(gòu)成，加熱器依次連接膨脹機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和壓縮機，壓縮機連接所述加熱器，該膨脹機上設(shè)有可通過聯(lián)軸器或齒輪等傳動系與壓縮機或發(fā)電機或其它系統(tǒng)相連接的輸出軸。該膨脹機3的輸出軸既可通過聯(lián)軸器或齒輪等傳動系與壓縮機1動力相連，也可與發(fā)電機相連，然后由發(fā)電機輸出的電能推動壓縮機1工作，或通過聯(lián)軸器或齒輪等傳動系將機械能輸出。節(jié)流閥5同樣可由膨脹機代替，熱源可以是太陽能，也可以采用地?zé)岬葻嵩础＜訜崞?中的工質(zhì)在溫度為Th的熱源加熱下升溫升壓，進入并驅(qū)動膨脹機3輸出機械能，該機械能直接帶動(或通過發(fā)電來驅(qū)動)壓縮機1工作。工質(zhì)從膨脹機3輸出后進入冷凝器4冷凝(實現(xiàn)供熱)，并在節(jié)流閥5的控制下進入蒸發(fā)器6蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后的工質(zhì)由壓縮機1壓縮，工質(zhì)溫度、壓力再次升高，隨后在熱源2加熱下溫度進一步升高，為下一次循環(huán)作好準(zhǔn)備，如此循環(huán)。
本發(fā)明制冷系統(tǒng)既可以熱源為能源進行制冷(熱)，也可以將熱源熱量通過膨脹機轉(zhuǎn)化為機械能輸出。
結(jié)合如圖3所示工質(zhì)p-h圖，進一步說明本發(fā)明的工作原理和工作點的設(shè)置方法。
設(shè)工質(zhì)經(jīng)過加熱器2時流入及流出的質(zhì)量是穩(wěn)定相等的，于是工質(zhì)在加熱器2中吸收外界熱量被加熱時，其比體積始終不變。圖2中，用1-2段表示在加熱器2中工質(zhì)沿等比體積線升溫至T2的加熱過程，吸收外界熱量Q1＝h2-h1。加熱后的工質(zhì)經(jīng)膨脹機3將一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能We1，沿等熵線從工作點2到達工作點3，溫度降低至T3，輸出的機械能We1＝h2-h3。工質(zhì)進入冷凝器4釋放熱量Q2＝h4-h3(即供熱量)，除了初始段外，基本上是等溫過程，溫度為T4，這時工質(zhì)從工作點3越過工作點7到達工作點4，并經(jīng)節(jié)流閥5等熵膨脹至工作點5，溫度由T4降至T5。工質(zhì)隨后進入蒸發(fā)器6吸收外界熱量Q3＝h6-h5(即制冷量)，到達工作點6，實現(xiàn)了制冷。此后工質(zhì)經(jīng)壓縮機1升溫升壓，從工作點6越過工作點7回到工作點1，完成一個工作循環(huán)。壓縮所消耗的能量Wc＝h1-h6。這里，Wc是由We1提供的。膨脹機3的輸出軸，既可通過聯(lián)軸器或齒輪等傳動系與壓縮機1動力相連，也可與發(fā)電機相連，然后再用發(fā)出的電能推動壓縮機1工作。
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，有下式所述關(guān)系Q1+Q3＝Q2+(We1-Wc)(1)因Wc是由We1提供，所以系統(tǒng)運行的基本條件是We1≥Wc即h2-h3≥h1-h6設(shè)加熱器熱源溫度為Th、冷凝器的外界溫度為Toh、蒸發(fā)器的外界溫度為Tol，系統(tǒng)運行的必要條件是Th＞T2、Toh＜T4、Tol＞T5且T2＞T4＞T5而Th＞Toh＞Tol則是客觀約束條件。
綜上所述，結(jié)合圖2看出，在現(xiàn)有技術(shù)中，壓縮制冷的本質(zhì)是由7-4-5-6-7所構(gòu)成的循環(huán)。本發(fā)明的理論核心是在該工質(zhì)的循環(huán)過程中，增加了加熱段1-2和膨脹段2-3，同時又將冷凝過程7-4由工作點7延伸至3，將壓縮過程6-7由工作點7延伸至1，改變了現(xiàn)有技術(shù)中1、3點應(yīng)重合于7構(gòu)成封閉循環(huán)的理論基礎(chǔ)。顯然由7-1-2-3-7構(gòu)成的循環(huán)是熱機循環(huán)，但在本發(fā)明中各工藝流程階段并不存在實際的工作點7，無法把工質(zhì)在設(shè)備中的循環(huán)過程分解為制冷循環(huán)和熱機循環(huán)兩個部分。因此，本發(fā)明通過六個過程綜合實現(xiàn)了熱機循環(huán)和制冷循環(huán)兩個部分。
從應(yīng)用的角度看，熱量Q1是本發(fā)明裝置工作時所消耗的能源；當(dāng)把本裝置作為熱泵時，Q2就是本發(fā)明裝置的供熱量；當(dāng)把本裝置作為制冷機組時，Q3就是所需要的制冷量；當(dāng)需要本裝置輸出軸功(機械能)時，其輸出機械能為W＝We1-Wc，Wc是膨脹機輸出的軸功中必須用以壓縮機工作所消耗的能量。
當(dāng)膨脹機輸出的機械功全部用來推動壓縮機時We1＝Wc式(1)簡化為Q1+Q3＝Q2(2)或Q3＝Q2-Q1(3)顯然，Q2-Q1≥0時，式(2)有意義，本發(fā)明裝置可用于制冷。制冷效率ηol是ηol＝Q3/Q1(4)或代入(3)得ηol＝(Q2-Q1)/Q1(5)這是一個重要結(jié)論當(dāng)Q2＞2Q1時，制冷效率ηol＞1。結(jié)合圖2可知，當(dāng)h3＝h1且We1＝Wc時，本發(fā)明有著與蒸汽壓縮制冷裝置一樣的制冷效率。同理可得制熱效率ηoh是ηoh＝Q2/Q1(6)或代入(2)得ηoh＝(Q3+Q1)/Q1(7)即本發(fā)明在任何時候始終有制熱效率ηoh＞1。同樣，當(dāng)h3＝h1且We1＝Wc時，本發(fā)明有著與蒸汽壓縮熱泵一樣的制熱效率。
當(dāng)使用本發(fā)明裝置輸出機械能時，其機械效率ηm是ηm＝(We1-Wc)/Q1(8)結(jié)合圖2可將式(8)改寫為ηm＝〔h2-h3-(h1-h6)〕/(h2-h1)或ηm＝1-(h3-h6)/(h2-h1)(9)也就是說，向左調(diào)整工作點1和工作點3，或向右調(diào)整工作點2和工作點6都有利于提高機械效率ηm。從目前已有的工質(zhì)看，在2相交的等比體積線1-2總在等熵線3-2之上，且有T4＞T5，故工作點6總在工作點3的左邊且不重合，即總有h3＞h6。又因為總有Q1＝h2-h1＞0，所以總有機械效率ηm＜1。為了獲得軸功輸出，即ηm＞0，從式(9)得(h2-h1)＞(h3-h6)(10)這是實用中設(shè)計本發(fā)明裝置的關(guān)鍵。不滿足式(10)的含義從式(8)已經(jīng)看出，若ηm＜0，說明We1＜Wc。當(dāng)實際設(shè)計過程中通過調(diào)整工作點1、工作點3和工作點6，都不能滿足式(10)時，只能提高T2，即向右調(diào)整工作點2，這實際上是要求提高加熱器熱源的溫度Th。但必須注意Th是可以獲得的熱源溫度，從本發(fā)明的愿望出發(fā)，應(yīng)該是Th越低越好。
顯然，本發(fā)明裝置的冷、熱、軸功聯(lián)產(chǎn)的綜合效率η是η＝ηol+ηoh+ηm也就是說，利用溫度Th的熱源做能源，通過本發(fā)明裝置可同時獲得冷、熱和軸功，其效率分別是ηol、ηoh和ηm，綜合效率是η。
權(quán)利要求
1.一種新型制冷方法，其特征在于該方法包括以下步驟首先使工質(zhì)吸收熱源熱量升溫升壓，然后膨脹輸出軸功，再冷凝放熱，后經(jīng)節(jié)流后蒸發(fā)實現(xiàn)制冷，蒸發(fā)后的工質(zhì)被壓縮完成一個工作循環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種新型制冷方法，其特征在于所述工質(zhì)膨脹輸出的軸功為該工質(zhì)被壓縮提供動力。
3.一種實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于該裝置由加熱器、膨脹機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、壓縮機構(gòu)成，加熱器依次連接膨脹機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和壓縮機，壓縮機連接所述加熱器，該膨脹機上設(shè)有輸出軸。
4.如權(quán)利要求3所述的一種實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于所述輸出軸通過傳動系與所述壓縮機相連接。
5.如權(quán)利要求3所述的一種實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于所述輸出軸通過傳動系與發(fā)電機相連接，該發(fā)電機與所述壓縮機相連接，該發(fā)電機以發(fā)出的電能驅(qū)動所述壓縮機工作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型制冷方法及裝置，該方法包括以下步驟首先使工質(zhì)吸收熱源熱量升溫升壓，然后膨脹輸出軸功，再冷凝放熱，后經(jīng)節(jié)流后蒸發(fā)實現(xiàn)制冷，蒸發(fā)后的工質(zhì)被壓縮完成一個工作循環(huán)。本發(fā)明制冷系統(tǒng)通過六個步驟的循環(huán)綜合完成了熱機循環(huán)和制冷循環(huán)，有利于太陽能、地?zé)岬葴囟容^低的熱源在采暖制冷方面的開發(fā)利用，并且與現(xiàn)有制冷系統(tǒng)相比不但節(jié)約電能，而且具有體積小、熱效率高、可直接進行熱能轉(zhuǎn)換等優(yōu)點。
文檔編號F25B27/00GK1667332SQ200510068019
公開日2005年9月14日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者陳志 申請人:陳志