專利名稱：用于空氣調(diào)節(jié)或產(chǎn)生水的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷卻、典型的空氣調(diào)節(jié)的具有設(shè)備的裝置，該設(shè)備包括相互連接的膨脹機(jī)、壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器與外部加熱源，例如太陽能板，相連接。
背景技術(shù)：
空氣調(diào)節(jié)裝置的數(shù)量在飛速的增加?？紤]到世界范圍的減少二氧化碳排放的目標(biāo)，這種機(jī)器能量消耗的減少是極度重要的。通常地，當(dāng)太陽光很強時，用于空氣調(diào)節(jié)的能量消耗是最大的。因此，期望轉(zhuǎn)換太陽能來冷卻空氣。特別 地，期望使用以水作為工作流體的常用的太陽能加熱系統(tǒng)。相同的發(fā)明人在國際專利申請W02007/038921公開了用于空氣調(diào)節(jié)的高性能系統(tǒng)。雖然比起現(xiàn)有技術(shù)此系統(tǒng)有若干優(yōu)點，有關(guān)效率提高的研究仍然在持續(xù)。其他公開包括 Shaw 的 US4086072 和 Benson 的 US6581384。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的目的是改進(jìn)現(xiàn)有的、使用熱能，例如來自太陽能加熱器的熱能，供給的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。特別地，旨在提供一種系統(tǒng)，其在啟動方面得到改進(jìn)。本發(fā)明進(jìn)一步目標(biāo)為提供一種具有進(jìn)一步優(yōu)化的能量效率的系統(tǒng)。下列闡述的用于冷卻的裝置實現(xiàn)了本目標(biāo)。該裝置包括用于傳輸流體的設(shè)備，例如泵，更準(zhǔn)確地說用于驅(qū)動流體經(jīng)過加熱循環(huán)的設(shè)備，和用于對加熱循環(huán)中的流體進(jìn)行加熱的外部熱源。該裝置包括具有膨脹機(jī)殼體的膨脹機(jī)，該膨脹機(jī)殼體具有面向膨脹設(shè)備的內(nèi)側(cè)，優(yōu)選地，該膨脹設(shè)備為在膨脹機(jī)殼體內(nèi)部的第一膨脹機(jī)渦輪，并且該膨脹機(jī)殼體具有對立的外側(cè)。該膨脹機(jī)具有連接至加熱循環(huán)的膨脹機(jī)入口，以接收為氣相的流體，該流體由外部熱源加熱，通過膨脹該流體來驅(qū)動膨脹機(jī)。進(jìn)一步地，該裝置包括具有壓縮機(jī)殼體的壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)殼體具有面向壓縮設(shè)備的內(nèi)側(cè)，優(yōu)選地，該壓縮設(shè)備為在壓縮機(jī)殼體內(nèi)部的第一壓縮機(jī)渦輪，并且該壓縮機(jī)殼體具有對立的外側(cè)。該壓縮機(jī)具有壓縮機(jī)入口和壓縮機(jī)出口，該壓縮機(jī)由膨脹機(jī)驅(qū)動，將工作流體從低壓的壓縮機(jī)入口氣體壓縮成高壓的壓縮機(jī)出口氣體。通過在熱交換器中的能量轉(zhuǎn)移，冷凝器將來自膨脹機(jī)、或來自壓縮機(jī)、或來自兩者的工作流體冷凝為較低溫度的第二流體。通過來自另一熱交換器中第三流體的能量轉(zhuǎn)移，蒸發(fā)器將來自冷凝器的工作流體蒸發(fā)，在第三流體中實現(xiàn)了期望的冷卻效果。該第三流體可用于空氣調(diào)節(jié)。此外，通過載熱介質(zhì)與膨脹機(jī)殼體的外側(cè)的熱接觸，外部熱源用于將熱量轉(zhuǎn)移至膨脹機(jī)殼體。例如，此載熱介質(zhì)是與膨脹機(jī)殼體的外側(cè)熱接觸的電熱源。優(yōu)選地，此載熱介質(zhì)是流體。例如,該膨脹機(jī)在液體緩沖槽內(nèi)部,該槽含有與外部熱源熱連接和與膨脹機(jī)殼體的外側(cè)熱接觸的液體，該液體把熱量轉(zhuǎn)移至膨脹機(jī)殼體。通過提供載熱介質(zhì)，優(yōu)選地，為具有與膨脹機(jī)殼體熱接觸的液體的液體緩沖槽，將該膨脹機(jī)加熱至適合于工作流體的膨脹工藝的溫度，以防止由于冷的殼體導(dǎo)致膨脹機(jī)中的工作流體溫度迅速下降。在啟動階段，由于冷的膨脹機(jī)殼體而導(dǎo)致的這種溫度下降，風(fēng)險很大且為極度危險，因為該溫度下降可引起膨脹機(jī)中工作流體的冷凝，這會損壞膨脹機(jī)，例如渦輪葉片。
如上述的，優(yōu)選的膨脹機(jī)為渦輪膨脹機(jī)，例如具有徑式渦輪或軸式渦輪。同樣，優(yōu)選的壓縮機(jī)是渦輪壓縮機(jī)，例如具有徑式渦輪或軸式渦輪。盡管，對于渦輪膨脹機(jī)和/或渦輪壓縮機(jī)，該原理特別有用，即使當(dāng)使用其它的、更傳統(tǒng)類型的膨脹機(jī)和/或壓縮機(jī)時，該載熱介質(zhì)，例如，在緩沖槽中的液體也可優(yōu)勝地應(yīng)用于上述系統(tǒng)中。
為了也同樣地加熱壓縮機(jī)，可選擇地，壓縮機(jī)也可同樣地具有載熱介質(zhì)，例如在壓縮機(jī)殼體的外側(cè)上的電加熱器。特別地,該壓縮機(jī)可在液體緩沖槽內(nèi)部,該液體緩沖槽具有與壓縮機(jī)殼體的外側(cè)熱接觸的液體，用于將熱量轉(zhuǎn)移至壓縮機(jī)殼體。
在又一實施方式中，該裝置進(jìn)一步地具有在緩沖槽內(nèi)部的第一熱交換器，其與緩沖槽中的液體和至膨脹機(jī)入口的流體連接熱接觸，用于將熱從緩沖槽中的液體提供至加熱循環(huán)中的流體。此第一熱交換器不僅確保了膨脹機(jī)的殼體，也確保了進(jìn)入膨脹機(jī)的流體可在啟動前預(yù)加熱至相同的溫度。所以，該液體緩沖槽提供了使裝置平緩運行的熱穩(wěn)定系統(tǒng)。
在再一實施方式中，第一熱交換器也具有連接至壓縮機(jī)出口的流體，用于將熱量從高壓的壓縮機(jī)出口流體轉(zhuǎn)移至膨脹機(jī)入口的加熱循環(huán)上游中的流體。優(yōu)選地，壓縮機(jī)出口流體和膨脹機(jī)入口流體之間沒有混合。
根據(jù)本發(fā)明，在流體進(jìn)入膨脹機(jī)前，熱轉(zhuǎn)移至該流體。所以，在緩沖槽中的液體，可將流體加熱至第一溫度，尤其是在啟動的時候，流體在第一熱交換器中加熱至第二溫度，甚至更高溫度。部分多余的熱量可另外轉(zhuǎn)移至液體緩沖槽中的液體。這種設(shè)備意味著對外部加熱源的加熱能力有更適度的要求。
例如，第一加熱源可為太陽能加熱器，其將流體循環(huán)中的流體加熱并且蒸發(fā)至大約溫度為100°c，壓力為I巴。經(jīng)過外部加熱器后，至少部分的該流體可仍然為液相，并且為了使該流體在進(jìn)入膨脹機(jī)前達(dá)到氣態(tài)，可增加在第一熱交換器中該流體的溫度。
外部加熱源可使流體循環(huán)中的流體溫度達(dá)到100°C左右，或更低或更高，例如在70°C和120°C之間或90°C和110°C之間，其使該系統(tǒng)適于太陽能加熱器和其他具有相當(dāng)?shù)蜏囟鹊脑O(shè)施。例如，可使用來自中心加熱工廠或來自工業(yè)工廠的廢水。
熱交換器也可以是依靠拋物線型太陽能收集器的太陽能板，或其他使流體達(dá)到高達(dá)500°C溫度的廢熱?？蓪碜栽搾佄锞€`形太陽能收集器的高溫度進(jìn)行熱交換，以達(dá)至膨脹機(jī)的最佳進(jìn)入條件。
另外，根據(jù)本發(fā)明，該裝置適用于將水作為工作流體，這是簡化的要素。
作為又一替換方案或另外的其他加熱源，該外部熱源可包括連接至第一熱交換器的電加熱器，用于對膨脹機(jī)入口的加熱循環(huán)上游中的流體進(jìn)行加熱。在啟動階段，這種情況下的這種電加熱器的價值尤其重要，其中進(jìn)入膨脹機(jī)入口的該工作流體必須為氣體形式。也可使用電加熱器，尤其在啟動階段，用于加熱液體槽中的液體。
在又一實施方式中，膨脹機(jī)渦輪為第一膨脹機(jī)渦輪，壓縮機(jī)渦輪為第一壓縮機(jī)渦輪，并且第一壓縮機(jī)渦輪，例如:通過常用的軸，機(jī)械連接至第一壓縮機(jī)渦輪，以同步驅(qū)動壓縮機(jī)渦輪和第一膨脹機(jī)渦輪。
該系統(tǒng)可擴(kuò)展為多于一對的這種膨脹機(jī)/壓縮機(jī)。所以，在又一實施方式中，該裝置包括各自具有第二膨脹機(jī)渦輪和第二壓縮機(jī)渦輪的至少另一膨脹機(jī)和至少另一壓縮機(jī)。這兩個第二渦輪相互機(jī)械連接并同步旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)與第一膨脹機(jī)渦輪和第一壓縮機(jī)渦輪的旋轉(zhuǎn)相獨立。所以，一旦兩個串聯(lián)接的膨脹機(jī)(一個上游膨脹機(jī)和一個下游膨脹機(jī))和兩個串聯(lián)接的壓縮機(jī)(一個上游壓縮機(jī)和一個下游壓縮機(jī))，通過各自的渦輪軸作配對(pair-wise)連接，來自上游膨脹機(jī)和下游壓縮機(jī)的兩個高壓渦輪就會各自相連接，并且來自下游膨脹機(jī)和上游壓縮機(jī)的低壓渦輪各自相連接。在一實施方式中，第一膨脹機(jī)出口具有至第二膨脹機(jī)入口的膨脹機(jī)流體連接，并且第一壓縮機(jī)出口具有至第二壓縮機(jī)入口的壓縮機(jī)流體連接。所以，兩個或更多的膨脹機(jī)串聯(lián)接，兩個或更多的壓縮機(jī)也一樣。在一實施方式中，膨脹機(jī)具有第一膨脹機(jī)階段和第二膨脹機(jī)階段，可選地，可有更多的階段，并且具有將熱轉(zhuǎn)移至氣態(tài)流體的加熱裝置，該氣態(tài)流體在不同的膨脹機(jī)階段之間。這可用于提高膨脹機(jī)的效率。該兩階段式膨脹機(jī)(或具有多階段的膨脹機(jī))用于減少濕膨脹的風(fēng)險。即使在熱帶條件下，雙重壓縮會產(chǎn)生足夠的出口壓力，用于冷凝階段。但是，串連接不是必需的。成對的膨脹機(jī)/壓縮機(jī)設(shè)備，也能在緩沖槽內(nèi)部，以并聯(lián)的方式工作。在另一實施方式中，來自膨脹機(jī)的流體和來自壓縮機(jī)的流體通過閥混合，該閥優(yōu)選為減壓閥。有利地，該混合在膨脹機(jī)流體進(jìn)入壓縮機(jī)之前，并且在壓縮機(jī)流體穿過冷凝器之后完成。所以，該混合閥連接至冷凝器上游的膨脹機(jī)流體，且連接至冷凝器下游的壓縮機(jī)流體。

但是，優(yōu)選地，用于膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的流體循環(huán)是分開的。此外，在加熱循環(huán)中用于膨脹機(jī)工作流體的冷凝器不需要與用于來自壓縮機(jī)的工作流體的冷凝器一樣。例如，該裝置包括第一冷凝器和第二冷凝器；該第一冷凝器用于冷凝來自膨脹機(jī)出口的工作流體，而該第二冷凝器用于冷凝來自壓縮機(jī)出口的工作流體。在又一實施方式中，該裝置包括另一蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器用于在工作流體進(jìn)入壓縮機(jī)之前蒸發(fā)該工作流體。該蒸發(fā)器具有至壓縮機(jī)流體連接的流體連接，用于將來自該蒸發(fā)器的流體添加至來自第一壓縮機(jī)出口的流體。所以，已蒸發(fā)的流體進(jìn)入兩個串聯(lián)接的壓縮機(jī)之間?？蛇x擇地，加熱循環(huán)具有連接至燃料槽的液體的第一流體連接，用于接收工作流體，該工作流體來自在膨脹機(jī)入口的液體槽上游中的液體。所以，在槽中的液體是工作流體的一部分。例如，加熱循環(huán)包括至膨脹機(jī)出口的下游的液體槽的第二流體連接，用于將工作流體遞送回液體槽中的液體。作為進(jìn)一步的改進(jìn),可選擇地,該加熱循環(huán)包括液體槽外部的另一熱交換器，該熱交換器一側(cè)通過第二流體連接，連接至燃料槽，并且該熱交換器另一側(cè)具有至壓縮機(jī)出口的另一流體連接，用于在工作流體再進(jìn)入液體槽之前，將熱量從來自壓縮機(jī)出口的工作流體轉(zhuǎn)移至加熱循環(huán)的工作流體。如果膨脹機(jī)的流體循環(huán)從壓縮機(jī)的流體循環(huán)中分離，可在第一冷凝器下游和第二冷凝器上游設(shè)置另一熱交換器。出人意料地發(fā)現(xiàn)，此設(shè)備相對于輸入熱能，可產(chǎn)生多達(dá)4-8%的冷卻能力。
在又一實施方式中，外部熱源包括太陽能加熱板，該加熱板具有至液體槽的流體連接，用于將熱的液體從太陽能板送到槽中。另外，該太陽能板流體不與液體緩沖槽中的液體混合，但是具有至液體槽內(nèi)部的熱交換器的液體連接，僅通過熱交換器將熱量從太陽能加熱板的流體轉(zhuǎn)移至液體槽中的液體。
可選擇地，外部熱源包括內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)直接或通過機(jī)械的和/或電的中間設(shè)備提供熱量。例如，使用來自內(nèi)燃機(jī)和/或內(nèi)燃機(jī)廢氣的余熱進(jìn)行加熱。
在特殊的實施方式中，內(nèi)燃機(jī)為發(fā)動機(jī)，其作為車輛的一部分，連接至車輛的推進(jìn)設(shè)備。
例如，該裝置與這種車輛組合。膨脹機(jī)包括連接至發(fā)電機(jī)的渦輪，用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，并電連接至電動機(jī)，通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能驅(qū)動該電動機(jī)。該電動機(jī)可輪流用于各種設(shè)備，例如幫助車輛的推進(jìn)。在輪式車輛中，例如，可使用廢氣向電動機(jī)提供能量，其提供給車輪額外的動力。在船上，可將額外的能量用于螺旋漿渦輪機(jī)或水力渦輪機(jī)，并且，在飛機(jī)中，提供額外的能量給螺旋漿。
—般地，如果膨脹機(jī)和/或壓縮機(jī)的軸連接至發(fā)電機(jī)，該裝置可用于產(chǎn)生電力。例如，從其中產(chǎn)生的電能可用于驅(qū)動電動機(jī)。
又一實施方式中，來自車輛中內(nèi)燃機(jī)的熱能可用于驅(qū)動裝置，以在連接到膨脹機(jī)和/或壓縮機(jī)軸的發(fā)電機(jī)中提供電能。利用這電能，可使用電動機(jī)幫助驅(qū)動車輛的車輪。
所以，可回收利用來自引擎的熱能，熱量，以及來自廢氣的動能，以減少車輛的燃料消耗，而這些能量通常是車輛的廢產(chǎn)物。
同樣，來自膨脹機(jī)和/或壓縮機(jī)的軸可連接至電動機(jī)以驅(qū)動軸。
在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，可將壓強保持在2個大氣壓以下或最高1.5個大氣壓。
優(yōu)選地，膨脹機(jī)是渦輪式膨脹機(jī)，例如其具有每分鐘50，000和250，000轉(zhuǎn)之旋轉(zhuǎn)速度。驅(qū)動機(jī)，優(yōu)選的為電動機(jī)，可用于額外驅(qū)動膨脹機(jī)和壓縮機(jī)，或作為發(fā)電機(jī)為自身裝置中的電組件提供電能。
優(yōu)選的工作流體為水，然而，也可使用其他工作流體。例如，包括異丁烷、丁烷、氨、油、Aspen Temper-20、Aspen Temper-40、Aspen Temper-55、氯化 丐、Dowtherm J>DowthermQ、乙醇、乙二醇、Freezium、氯化鎂、氯化I丐、鎂、碳酸鉀、丙二醇、氯化鈉、Syltherm XLT>ThermogenVP1869、Tyxo fit、氮氣、二氧化碳、包括 HCFC、CFC 或 HC 的冷卻劑、R134a 或 R407或其組合。
根據(jù)本發(fā)明，裝置的冷卻功率可有大范圍的變化，例如，其可為10、20kW，甚至高達(dá)50kffo
當(dāng)水是制冷劑時，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中的蒸發(fā)過程會產(chǎn)生蒸餾水。這些蒸餾水可用于噴灑冷凝器，使能量傳輸?shù)男矢?，也提供更高的COP值。
膨脹機(jī)和/或壓縮機(jī)可為軸式型或徑式型渦輪，或結(jié)合兩種原理的形式。
根據(jù)本發(fā)明，該裝置可不僅用于冷卻，例如，空氣調(diào)節(jié)，也可用于提供蒸餾水，例如，用于增濕至冷凝器的空氣或用作飲用水。


參考附圖，本發(fā)明將得到更具體的闡述，其中圖1為國際專利申請W02007/038912的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的圖；圖2示出了可選擇的實施方式，該實施方式具有分別用于膨脹機(jī)和壓縮機(jī)循環(huán)的分開的冷凝器；圖3圖示了與圖1類似的圖，但其具有根據(jù)本發(fā)明的、在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)周圍的緩沖槽；圖4示出了兩對型渦輪系統(tǒng)和在緩沖槽內(nèi)的內(nèi)部熱交換器；圖5圖示了又一實施方式，其使用連接至兩個壓縮機(jī)之間管道的附加冷卻循環(huán)；圖6圖示了由連接至外部熱源的熱交換器加熱的緩沖槽；圖7示出了分別用于膨脹機(jī)循環(huán)和壓縮機(jī)循環(huán)單獨的冷凝器，但其使用共用的冷凝風(fēng)扇；圖8示出了在渦輪軸上運行的電動機(jī)/發(fā)電機(jī)(MG)；圖9圖示了實施方式，其中膨脹機(jī)并聯(lián)運行，以充分利用緩沖槽中低至+55°C的低溫能量；圖10示出了位于太陽能收集器后邊的冷凝器，用于將熱轉(zhuǎn)移至太陽能板；圖11圖示了圖4另 一系統(tǒng)的H/log P圖，其中水(R718)作為工作流體。
具體實施例方式圖1圖示了如國際專利申請W02007/038912公開的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)和循環(huán)在下文具體闡述，以便于之后對本發(fā)明的理解。熱源1，例如:太陽能加熱器或來自加熱裝置的廢水，提供了熱能，該熱能轉(zhuǎn)移至熱交換器2中的工作流體，該工作流體優(yōu)選為水。例如在大氣壓下，在管道3中有來自液體泵4的工作流體。相對低的大氣壓使系統(tǒng)對于太陽能加熱器是有效的。通過接收熱交換器2中的熱能，加熱密封的液體，例如加熱至100°C。加熱的液體從管道5導(dǎo)向膨脹機(jī)7，其中該液體膨脹且將能量從工作流體轉(zhuǎn)移至膨脹機(jī)7中。膨脹機(jī)7可為運轉(zhuǎn)速度為160，OOOrpm的渦輪膨脹機(jī)。接收到來自工作流體的能量之后，膨脹機(jī)7通過軸10，驅(qū)動連接至膨脹機(jī)的渦輪壓縮機(jī)9。作為典型的制冷循環(huán)的一部分，壓縮機(jī)9將工作流體從氣態(tài)壓縮為中壓氣體。來自壓縮機(jī)9的輸出流體流經(jīng)管道21進(jìn)入第一熱交換器22，其中熱能從壓縮機(jī)出口流體轉(zhuǎn)移至來自熱交換器2、流經(jīng)管道5的流體。當(dāng)水作為工作流體，在壓縮機(jī)9出口的溫度典型地為200°C，且太陽能熱交換器2的溫度為100°c左右，這保證了顯著的能量轉(zhuǎn)移，能量是從壓縮機(jī)9流體，轉(zhuǎn)移至來自太陽能熱交換器2的熱流體。這熱能轉(zhuǎn)移是系統(tǒng)高冷卻性能的主要原因。在第一熱交換器22之后、來自壓縮機(jī)9、在導(dǎo)管23中的工作流體，以及來自膨脹機(jī)7、在導(dǎo)管24中的工作流體，在考慮了可能不同的壓力，通過閥25混合之前，在冷凝器13中，由環(huán)境大氣進(jìn)行冷卻?；旌系墓ぷ髁黧w被分開為第一部分和第二部分，該第一部分進(jìn)入管道16中循環(huán)再用，該第二部分在蒸發(fā)器18中蒸發(fā)。蒸發(fā)器18由壓縮機(jī)9驅(qū)動，壓縮機(jī)9通過槽15吸取來自蒸發(fā)器18的氣體。蒸發(fā)器18中蒸發(fā)的和由此冷卻的氣體用于冷卻空氣流19，例如用于房屋中的空氣調(diào)節(jié)。
現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)具有高效工作的優(yōu)點，即使外部的加熱器為100°C或更低的溫度。國際專利申請W02007/038912闡述了進(jìn)一步的優(yōu)點和進(jìn)一步的實施方式。
圖2圖示了在圖1的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，作了微少修改的實施方式。在圖1，來自膨脹機(jī)7在導(dǎo)管24中的工作流體，通過閥25與來自壓縮機(jī)9在管線23中的工作流體相結(jié)合，然而，在圖2，并不是這樣的。在圖2中，用于膨脹機(jī)7和壓縮機(jī)9的工作流體循環(huán)是各自分開的。所以，有一個循環(huán)24、16、3、5，是用于膨脹機(jī)的，而另一個循環(huán)21、23、31，是用于壓縮機(jī)9的。熱交換器仍然有可能與冷凝器13使用同一把風(fēng)扇，但是，如圖2圖示，也有可能使用兩個分開的冷凝器13a、13b，這兩個分開的冷凝器各自具有獨立的風(fēng)扇，其中冷凝器13a用于膨脹機(jī)流體循環(huán)24、16、3、5，而另一冷凝器13b則用于壓縮機(jī)流體循環(huán)21、23、31。
總體來說，此實施方式可定義為用于冷卻的裝置，包括:
-流體泵4，用于通過加熱循環(huán)5、7、24、16、4、3，進(jìn)行流體傳輸；
-外部熱源1、2，用于為加熱循環(huán)5、7、24、16、4、3中的流體加熱；
-膨脹機(jī)7，該膨脹機(jī)有膨脹機(jī)入口和膨脹機(jī)出口，該膨脹機(jī)入口具有至外部熱源1、2的流體連接5，以接收氣態(tài)的流體，通過膨脹該流體以驅(qū)動膨脹機(jī)7 ；
-壓縮機(jī)9,該壓縮機(jī)有壓縮機(jī)入口和壓縮機(jī)出口，該壓縮機(jī)由膨脹機(jī)7驅(qū)動,用于將工作流體從低壓的壓縮機(jī)入口氣體壓縮為高壓的壓縮機(jī)出口氣體；
-第一熱交換器22，該第一熱交換器具有至壓縮機(jī)出口的流體連接21，并且該第一交換器連接至膨脹機(jī)入口，將熱量從高壓的壓縮機(jī)出口氣體轉(zhuǎn)移至加熱循環(huán)中的流體；
-冷凝器13a、13b，通過能量轉(zhuǎn)移，該冷凝器用于將來自壓縮機(jī)9或膨脹機(jī)或兩者的工作流體凝縮為低溫的第二流體；
-蒸發(fā)器18，通過來自第三流體19的能量轉(zhuǎn)移，該蒸發(fā)器用于將來自冷凝器13a、13b的工作流體蒸發(fā)，并在第 三流體19中實現(xiàn)期望的冷卻效果；
其中第一熱交換器22連接至外部熱源1、2和膨脹機(jī)7入口之間的加熱循環(huán)。
此外，可選擇地，如圖示的，該系統(tǒng)可包括一個冷凝器13b和另一冷凝器13a，該冷凝器13b用于來自壓縮機(jī)的流體，而另一冷凝器13a，通過能量轉(zhuǎn)移，將來自膨脹機(jī)7的工作流體凝縮為低溫的流體。
如發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的，可改進(jìn)國際專利申請W02007/038912的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和圖2的系統(tǒng)，尤其是在啟動情形下，那時膨脹機(jī)是冷的，其可引起冷凝，最壞的情況是可損壞高速渦輪。改進(jìn)方法為加熱膨脹機(jī)7的渦輪殼體，典型地，該殼體為金屬殼體，并且可選擇地，還可加熱壓縮機(jī)9的殼體。加熱殼體會防止進(jìn)入渦輪的流體凝縮。
原則上，加熱殼體可以多種方式完成，包括電加熱?？傮w來說，此實施方式可定義為用于冷卻的裝置，其包括 :
-流體泵4，用于通過加熱循環(huán)5、7、24、16、4、3，進(jìn)行流體傳輸；
-外部熱源1、2，用于為加熱循環(huán)5、7、24、16、4、3中的流體加熱；
-膨脹機(jī)7，該膨脹機(jī)具有膨脹機(jī)入口和膨脹機(jī)出口，該膨脹機(jī)入口具有至外部熱源1、2的流體連接5，以接收氣態(tài)的流體，通過膨脹該流體以驅(qū)動膨脹機(jī)7 ；
-壓縮機(jī)9,該壓縮機(jī)具有壓縮機(jī)入口和壓縮機(jī)出口，該壓縮機(jī)被膨脹機(jī)7驅(qū)動,用于將工作流體從低壓的壓縮機(jī)入口氣體壓縮為高壓的壓縮機(jī)出口氣體；
-第一熱交換器22，該第一熱交換器具有至壓縮機(jī)出口的流體連接21，并且該第一熱交換器連接至膨脹機(jī)入口，將熱量從高壓的壓縮機(jī)出口氣體轉(zhuǎn)移至在加熱循環(huán)中的流體；-冷凝器13a、13b，通過能量轉(zhuǎn)移，該冷凝器用于將來自壓縮機(jī)9或膨脹機(jī)或兩者的工作流體凝縮為低溫的第二流體；-蒸發(fā)器18，通過來自第三流體19的能量轉(zhuǎn)移，該蒸發(fā)器用于將來自冷凝器13a、13b的工作流體蒸發(fā)，并在第三流體19中實現(xiàn)期望的冷卻效果；-該第一熱交換器22連接至外部熱源1、2和膨脹機(jī)7入口之間的加熱循環(huán)；其中膨脹機(jī)和/或壓縮機(jī)具有被外部加熱源加熱的殼體，該外部加熱源優(yōu)選為與殼體熱接觸的電加熱器。參考圖3，其闡述了優(yōu)選的加熱方法，其主要圖示了如國際專利申請W02007/038912中的相同原理。然而，熱源I不對圖1的熱交換器2進(jìn)行加熱，而是對在壓縮機(jī)殼體和膨脹機(jī)7殼體周圍的、緩沖槽20中的液體進(jìn)行加熱。對壓縮機(jī)9的殼體進(jìn)行加熱是可選的，但這是優(yōu)選的。在槽中設(shè)置第一熱交換器22，也是可選項，但也是優(yōu)選的。在槽中的液體與膨脹機(jī)7的殼體熱接觸，以及可選地，如圖示的，也與壓縮機(jī)9和熱交換器22的殼體熱接觸。通過與所有這三個元件熱接觸，保證了它們有相等的溫度，其有助于防止在啟動情形下的冷凝。作為熱源 ，通過熱源I的供給管Ia和排出管lb，把熱的液體供應(yīng)至緩沖槽20。另一選擇為，熱交換 器(未示出，但圖7以標(biāo)記42圖示了其原理)可用于來自熱源的液體和緩沖槽20內(nèi)部液體之間的熱轉(zhuǎn)移。熱源的例子為太陽能加熱板和由中央供暖設(shè)備或工業(yè)工廠供應(yīng)的廢水。此外或另一選擇，電加熱器或其他類型的熱源也可用于加熱緩沖槽中的液體。例如，在早晨，當(dāng)太陽能加熱板仍然較冷，并且逐漸地變熱時，為了促進(jìn)簡單的啟動，而又免除在膨脹機(jī)中冷凝的風(fēng)險，可使用電加熱源來加熱緩沖槽中的液體。圍繞膨脹機(jī)7，可選地，圍繞壓縮機(jī)9，以及再可選地，圍繞一個或多個連接至膨脹機(jī)7和壓縮機(jī)9的熱交換器設(shè)置液體緩沖槽20，這原理也適用于國際專利申請W02007/038912中已圖示的所有其他實施方式，該國際申請包括了其圖10中所示的蒸餾水生產(chǎn)系統(tǒng)。除了闡述的噴射系統(tǒng)，這種蒸餾水也可用于其他目的。其同樣也可用于飲用水生產(chǎn)系統(tǒng)的一部分。此外，該原理也能在其他現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中使用，特別地，在國際專利申請W02007/038912的背景技術(shù)中討論的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)。圖4圖示了又一實施方式，其中的原理是使用了具有兩個分開的冷凝器13a和13b，雖然這對于此實施方式或者下列實施方式中的緩沖槽溶液不是必需的，如此，也可使用具有如圖1的單一冷凝器13的原理。圖4中的系統(tǒng)具有緩沖槽2，該緩沖槽2設(shè)置在具有兩個膨脹機(jī)7'、7"、兩個壓縮機(jī)9'、9"和若干個熱交換器22、27、41的系統(tǒng)周圍。第一對的膨脹機(jī)7'和壓縮機(jī)9"通過第一旋轉(zhuǎn)軸10'連接以同步驅(qū)動，并且第二對的膨脹機(jī)7"和壓縮機(jī)9'通過第二旋轉(zhuǎn)軸10"連接以同步驅(qū)動。第一膨脹機(jī)7'通過管道26連接至第二膨脹機(jī)7"，使液體從第一膨脹機(jī)7'流向第二膨脹機(jī)。在第一壓縮機(jī)9'和第二壓縮機(jī)9"之間也設(shè)置有管道連接6。
熱的液體I流經(jīng)緩沖槽20對系統(tǒng)進(jìn)行加熱。在緩沖槽20內(nèi)部，作為工作流體的液體，通過吸入系統(tǒng)8，例如過濾系統(tǒng)被弓I出，并且通過管道11傳輸至泵4，泵4驅(qū)動工作流體貫通膨脹機(jī)循環(huán)。
在工作流體流經(jīng)第二膨脹機(jī)7"、管道24、冷凝器13、管道3和熱交換器40，以通過連接28再進(jìn)入緩沖槽20之前，工作流體從泵4輸送至第一膨脹機(jī)7'，之后該流體進(jìn)入管道26和熱交換器27。
緩沖槽20的作用，如同液體分離器一樣，其中工作流體從流體引入口 8進(jìn)入膨脹機(jī)7'，將熱交換器22和27中出現(xiàn)液滴的風(fēng)險最小化。
用于工作流體的單獨的壓縮機(jī)循環(huán)是封閉的循環(huán)，且不與膨脹機(jī)循環(huán)混合連接。在壓縮機(jī)循環(huán)中，流體從第一壓縮機(jī)9'，經(jīng)過壓縮機(jī)流體連接6，被驅(qū)往第二壓縮機(jī)9"，之后來自該流體的熱量轉(zhuǎn)移至在第一熱交換器22中的膨脹機(jī)流體，該膨脹機(jī)流體也可將熱量轉(zhuǎn)移至緩沖槽20中的液體。熱交換器22的用途，還結(jié)合了圖1中的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)，進(jìn)行了闡述。在熱交換器22之后，在壓縮機(jī)循環(huán)中的工作流體經(jīng)過管道23傳輸至熱交換器27中，其與兩個膨脹機(jī)7'、7"之間的流體熱連通。該壓縮機(jī)流體經(jīng)過連接29流出緩沖槽，并且流經(jīng)熱交換器40、冷凝器13b、管道31、和熱交換器41進(jìn)入第一壓縮機(jī)。
為了優(yōu)化裝置的效率，熱交換器41防止液滴進(jìn)入第一壓縮機(jī)9'。此外，熱交換器41的作用是使來自第二壓縮機(jī)9"出口流體具有更高溫度，其增加了熱交換器22和27的效率。
在緩沖槽20的入口 28之前，通過使用壓縮機(jī)循環(huán)中、在熱交換器27之后留下的余熱，熱交換器40對膨脹機(jī)循環(huán)的管道3中的工作流體進(jìn)行重新加熱。此極大地將COP提高了 8-12%。特別地，在蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)9'之前，使用緩沖槽20中的直接熱量使蒸汽過熱，在啟動程序中使用在管線31上的熱交換器41。然而,熱交換器41也可用于正常運營中，以恢復(fù)工作流體循環(huán)的能量。
圖5與圖4大部分是一樣的，除了在壓縮機(jī)流體循環(huán)中的附加冷卻循環(huán)18a，該附加冷卻循環(huán)18a通過管道12連接至冷凝水，該冷凝水來自在冷凝器13b之后的分離器15。來自管道12、冷凝器18a和管道17的流體在分離器15A中蒸發(fā)，并被引導(dǎo)到管道14中，與壓縮機(jī)流體混合，該壓縮機(jī)流體在兩個壓縮機(jī)9'、9"之間的壓縮機(jī)流體連接6中。附加的流體通過管道26進(jìn)入分離器中。
如圖6所示，為了將膨脹機(jī)流體循環(huán)與來自熱源的流體分開，可使用熱交換器42，將來自外部熱源I的能量傳遞到緩沖槽。
圖7與圖6的實施方式很相似，該實施方式具有分開的冷凝器13a和13b，用于各自的膨脹機(jī)循環(huán)和壓縮機(jī)循環(huán)，但使用共用的風(fēng)扇43來冷凝各自獨立的流體。
圖8與圖4的實施方式很相似，然而，其具有發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)(MG),該發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)(MG)連接至第一和第二膨脹機(jī)/壓縮機(jī)對的旋轉(zhuǎn)軸10'、10"。這提供了可能性，即:由發(fā)動機(jī)主動地驅(qū)動軸，和/或由發(fā)電機(jī)發(fā)電。該發(fā)動機(jī)可用于啟動程序中，使軸旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)壓縮機(jī)渦輪出口蒸汽的較高溫度，并由此加熱膨脹機(jī)入口流體，以實現(xiàn)有效的渦輪運作。當(dāng)裝置上產(chǎn)生的冷卻能力超過所需時，制造電力的發(fā)電機(jī)功能就能被使用，和/或作為自身裝置單元，去驅(qū)動 電組件。
圖9圖示了一個系統(tǒng)，其中膨脹機(jī)7'、7"不是串聯(lián)地被驅(qū)動，而是并聯(lián)地被驅(qū)動。第一膨脹機(jī)7'通過熱交換器22和管道11，接收來自吸入系統(tǒng)8的工作流體，并且第二膨脹機(jī)7"通過圖示的類似的管11'和類似的熱交換器22'，接收來自吸入系統(tǒng)8的流體。這提供了可能性，在緩沖槽中使用低至55°C的低溫能源。膨脹機(jī)7'、7"的出口流體，在管道24中接合在一起，并且在冷凝器13a中進(jìn)一步冷凝。圖10圖示了位于太陽能收集器Γ后面的冷凝器13a'、13b'，以獲得太陽能收集器P更高的效能，并且將任何冷凝器風(fēng)扇的電能消耗量減至最小。由對流產(chǎn)生的天然空氣流將熱從冷凝器13a'、13b'轉(zhuǎn)移至收集器I'。圖11是H/log P圖表，該圖表顯示了，當(dāng)使用來自熱交換器40中的壓縮機(jī)循環(huán)的余熱時，用于膨脹機(jī)循環(huán)的、帶有冷凝器的壓縮機(jī)過程，以及用于壓縮機(jī)循環(huán)的、帶有冷凝器的膨脹機(jī)過程，該余熱在進(jìn)入緩沖槽20之前，轉(zhuǎn)移至管道3中的流體。對在來自壓縮機(jī)9'、9"，并經(jīng)過熱交換器22和27后的蒸汽中剩余能量的使用，會導(dǎo)致來自冷凝器13a、13b，并在熱交換器40中的返回流體加熱。這進(jìn)一步增加了裝置的效率，且將來自太陽能板的必要能量需求減少 了 3-4%。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻的裝置，包括: 設(shè)備(4 )，所述設(shè)備用于通過加熱循環(huán)(5、7、24、16、4、3 )進(jìn)行流體傳輸； 外部熱源(1、2)，所述外部熱源用于為加熱循環(huán)(5、7、24、16、4、3)中的流體加熱； 膨脹機(jī)(7)，所述膨脹機(jī)具有膨脹機(jī)殼體，所述膨脹機(jī)殼體具有面向第一膨脹設(shè)備的內(nèi)偵牝所述第一膨脹設(shè)備在膨脹機(jī)殼體內(nèi)部，并且所述膨脹機(jī)殼體具有對立的外側(cè)，所述膨脹機(jī)具有連接至加熱循環(huán)(5、7、24、16、4、3)的膨脹機(jī)入口，用以接收氣相的流體，所述流體被外部熱源(I)加熱，并通過膨脹所述流體來驅(qū)動膨脹機(jī)(7')； 壓縮機(jī)(9)，所述壓縮機(jī)具有壓縮機(jī)殼體，所述壓縮機(jī)殼體具有面向第一壓縮設(shè)備的內(nèi)側(cè)，所述第一壓縮設(shè)備在壓縮機(jī)殼體內(nèi)部，并且所述壓縮機(jī)殼體具有對立的外側(cè)，所述壓縮機(jī)具有壓縮機(jī)入口和壓縮機(jī)出口，所述壓縮機(jī)由膨脹機(jī)(7)驅(qū)動，將工作流體從低壓的壓縮機(jī)入口氣體壓縮為高壓的壓縮機(jī)出口氣體； 冷凝器(13、13a、13b)，通過在熱交換器中的能量轉(zhuǎn)移，所述冷凝器(13、13a、13b)將來自膨脹機(jī)(7)的工作流體或來自壓縮機(jī)(9)的工作流體或兩者冷凝為較低溫度的第二流體； 蒸發(fā)器(18)，通過來自另一熱交換器中的第三流體(19)的能量轉(zhuǎn)移，所述蒸發(fā)器將來自冷凝器(13、13a、13b)的工作流體蒸發(fā)，并且在第三流體(19)中實現(xiàn)了期望的冷卻效果； 其特征在于，通過載熱介質(zhì)與膨脹機(jī)(7)殼體外側(cè)的熱接觸，外部熱源(1，2)將熱能轉(zhuǎn)移至膨脹機(jī)(7)殼體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述膨脹機(jī)(7)在液體緩沖槽(20)內(nèi)，所述液體緩沖槽(20)含有與外部熱源(1、2)熱連接、且與膨脹機(jī)(7)殼體的外側(cè)熱接觸的液體，所述液體將熱量轉(zhuǎn)移至膨脹機(jī)(7)殼體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述壓縮機(jī)(9)也在液體緩沖槽(20)內(nèi)，所述液體緩沖槽(20)含有與壓縮機(jī)(9)殼體的外側(cè)熱接觸的液體，所述液體將熱量轉(zhuǎn)移至壓縮機(jī)殼體(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述膨脹設(shè)備為膨脹機(jī)渦輪，并且所述壓縮機(jī)設(shè)備為壓縮機(jī)渦輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述裝置進(jìn)一步具有在所述緩沖槽(20)內(nèi)部的第一熱交換器(22)，該第一交換器與所述緩沖槽(20)中的液體以及至所述膨脹機(jī)(7)入口的流體連接(21)熱接觸，以將熱量從緩沖槽中的液體提供至加熱循環(huán)(5、7、24、16、4、3)中的流體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述第一熱交換器(22)也具有至壓縮機(jī)(9)出口的流體連接(21)，使熱量從高壓的壓縮機(jī)(9)出口氣體轉(zhuǎn)移至在加熱循環(huán)中的流體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述外部熱源(I)包括連接至第一熱交換器(22)的電加熱器，用于對膨脹機(jī)(7)入口的加熱循環(huán)(5、7、24、16、4、3)上游中的流體進(jìn)行加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中的任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述膨脹機(jī)(7、7丨)渦輪為第一膨脹機(jī)渦輪，以及所述壓縮機(jī)渦輪為第一壓縮機(jī)渦輪，其中，所述第一壓縮機(jī)渦輪機(jī)械連接至第一壓 縮機(jī)(9、9")渦輪，以同步驅(qū)動所述壓縮機(jī)渦輪和所述第一膨脹機(jī)(7、7丨)渦輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括各自具有第二膨脹機(jī)(7")渦輪和第二壓縮機(jī)(9')渦輪的另一膨脹機(jī)(7")和另一壓縮機(jī)(9')，所述兩個第二渦輪相互機(jī)械連接并同步旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)與第一膨脹機(jī)(7 ')渦輪和第一壓縮機(jī)(9")渦輪的旋轉(zhuǎn)相獨立，其中，所述第一膨脹機(jī)(7)出口具有至第二膨脹機(jī)(7〃)入口的膨脹機(jī)流體連接(26、27)，以及所述第一壓縮機(jī)(9 ')出口具有至第二壓縮機(jī)(9〃)入口的壓縮機(jī)流體連接(6)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，包括另一蒸發(fā)器(18a)，所述蒸發(fā)器(18a)用于在工作流體進(jìn)入壓縮機(jī)(9")之前蒸發(fā)工作流體，其特征在于，所述蒸發(fā)器(18a)具有至壓縮機(jī)流體連接(6)的流體連接(14)，用于將來自所述蒸發(fā)器(18a)的流體添加至來自第一壓縮機(jī)(9 ’ )出口的流體。
11.根據(jù)權(quán)利要求2至10的任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述加熱循環(huán)(8、4、22、26、24、13、3、40)具有至燃料槽(20)中液體的第一流體連接(8)，用以接收工作流體，所述工作流體來自在膨脹機(jī)(J ')入口的液體槽(20 )上游中的液體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述加熱循環(huán)(8、4、22、26、24、13、3、40)包括至膨脹機(jī)(7〃 )出口的液體槽(20)下游的第二流體連接(28)，用以將工作流體輸送回液體槽(20)中的液體；其中，所述加熱循環(huán)(8、4、22、26、24、13、3、40)包括在液體槽(20 )外側(cè)的另一熱交 換器(40 )，所述熱交換器(40 ) 一側(cè)通過第二流體連接(28 )連接至燃料槽(20 )，以及所述熱交換器(40 )另一側(cè)具有至壓縮機(jī)(9 ")出口的另一流體連接(29 )，用以在工作流體再進(jìn)入液體槽(20)之前，將熱量從來自壓縮機(jī)(9")出口的工作流體轉(zhuǎn)移至加熱循環(huán)(8、4、22、26、24、13、3、40)的工作流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括第一冷凝器(13a)和第二冷凝器(13b)，所述第一冷凝器(13a)用于將來自膨脹機(jī)(7")出口的工作流體冷凝，所述第二冷凝器(13b)用于將來自壓縮機(jī)(9")出口的工作流體冷凝，其中，所述另一熱交換器(40)設(shè)在所述第一冷凝器(13a)的下游和第二冷凝器(13b)的上游。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至13中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述外部熱源(I)包括太陽能加熱板，所述太陽能加熱板具有至液體槽(20)的流體連接(la、lb)，用以將來自太陽能板的加熱液體提供至槽(29)，或其中，太陽能板具有至液體槽(20)中的熱交換器(32)的液體連接，用于將熱量從太陽能加熱板的流體轉(zhuǎn)移至液體槽(20)中的液體。
15.根據(jù)權(quán)利要求2至14中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述外部熱源包括來自內(nèi)燃機(jī)的余熱或來自內(nèi)燃機(jī)廢氣的熱量或其兩者。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)燃機(jī)為發(fā)動機(jī)，所述發(fā)動機(jī)作為車輛的一部分，且連接至車輛的推進(jìn)裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的、與車輛組合的裝置，其特征在于，所述膨脹機(jī)包括連接至發(fā)電機(jī)的渦輪，所述渦輪驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，其中，所述發(fā)電機(jī)電連接至電動機(jī)，所述電動機(jī)連接至推進(jìn)設(shè)備，以通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能驅(qū)動推進(jìn)設(shè)備。
18.使用根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一權(quán)利要求所述的裝置，產(chǎn)生蒸餾水。
全文摘要
一種裝置，包括主要用于空氣調(diào)節(jié)的具有膨脹機(jī)/壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷凝器和蒸發(fā)器的冷卻設(shè)備。外部熱源將熱量轉(zhuǎn)移至膨脹機(jī)殼體。例如，此載熱介質(zhì)是與膨脹機(jī)殼體外側(cè)熱接觸的電熱源。另一選擇為，膨脹機(jī)在外部加熱的液體緩沖槽內(nèi)部。
文檔編號F25B27/00GK103229005SQ201180015303
公開日2013年7月31日 申請日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月17日
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