專利名稱：能量轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用混合介質(zhì)將熱能從一個低溫?zé)嵩磦魉偷揭粋€高溫?zé)嵩茨芰哭D(zhuǎn)換裝置的改進(jìn)，以便提高這種能量轉(zhuǎn)換裝置的熱能傳輸性能，改進(jìn)蒸發(fā)器的冷凝器的性能，并且降低該裝置的生產(chǎn)成本。此外，本發(fā)明在一個廣闊范圍內(nèi)，甚至是部分負(fù)載的情況也能改善性能，本發(fā)明還提供一種具有熱能發(fā)動機(jī)功能的高效率，多功能能量轉(zhuǎn)換裝置。
熱泵和致冷機(jī)這樣一類將熱能從一個低溫?zé)嵩磦魉偷揭粋€高溫?zé)嵩吹难b置，主要包括以下類型(1)壓縮類裝置，它可以使用氟里昂，氨等單組分介質(zhì)，也可使用具有相同沸點(diǎn)的各種致冷劑載體混合而成的共沸混合介質(zhì)[逆向蘭金(Rankine)循環(huán)]；(2)另一種壓縮類裝置，它使用一種具有不同沸點(diǎn)的各種致冷劑載體混合而成的非共沸混合介質(zhì)，以便改善逆蘭金循環(huán)的高溫性能[洛侖茲(Lorentz)循環(huán)]；(3)吸收類裝置，它把致冷劑載體與吸收劑例如氨與水，水與鋰的溴化物L(fēng)iBr結(jié)合起來(吸收循環(huán))。
直到今天，在實行逆蘭金循環(huán)的壓縮型熱泵和致冷機(jī)中，性能系數(shù)的改善是有限的，特別是當(dāng)熱源的溫度改變增大時，性能系數(shù)就變小。為了消除這一缺點(diǎn)，發(fā)展了洛侖茲循環(huán)的壓縮型熱泵和致冷機(jī)，它們使用一種具有不同沸點(diǎn)的各種致冷劑載體混合而成的非共沸混合介質(zhì)。這種循環(huán)的壓縮型熱泵和致冷機(jī)建立于這樣一種概念當(dāng)介質(zhì)在蒸發(fā)器和冷凝器中發(fā)生相變時，溫度就會改變，而熱源的溫度改變與此相適應(yīng)，這就增加了在蒸發(fā)器和冷凝器中的有效能量，并減少了壓縮機(jī)所做的功，從而使性能系數(shù)大為增加。
然而，使用非共沸混合介質(zhì)有害地降低了在蒸發(fā)器和冷凝器中的傳熱效率，增加了冷凝壓力，降低了蒸發(fā)壓力并且增加了冷凝器所做的功。所述傳熱效率的降低在冷凝器的出口處特別明顯。這是因為，容易冷凝的高沸點(diǎn)介質(zhì)首先在冷凝器中凝結(jié)，而難于冷凝的低沸點(diǎn)介質(zhì)大量滯留在冷凝器的出口處。所以，曾有過這樣一種方法把冷凝器分成多級，以便將介質(zhì)分離成在每一級中已凝結(jié)的冷凝物以及在每一段中未被冷凝的氣化物，只有在熱源處沒有冷凝的氣化物被再次冷凝，并重復(fù)這些步驟。然而，甚至在這種情況下，呈未冷凝氣化物狀態(tài)的低沸點(diǎn)介質(zhì)的聚集也逐漸增加，并且，如果試圖將氣化物在一定溫度的熱源處完全冷凝，冷凝壓力就會被迫升高。所以帶來的弊病是，壓縮機(jī)的動力不能充分地降低，在蒸發(fā)器中也會發(fā)生同樣的情況。
在吸收型熱泵和致冷機(jī)中，與上述壓縮型裝置相比較性能系數(shù)變小了。在這種循環(huán)中，已研究并發(fā)展了三組分循環(huán)等多效能吸收循環(huán)GAX(即發(fā)生器—吸收器—熱交換器循環(huán))，以便利用吸收器排出的一部分熱量來加熱回收器，減少回收器的熱容量，但是不可能得到比上述壓縮型裝置更高的性能系數(shù)。
還曾進(jìn)一步研究和發(fā)展了壓縮—吸收型氫化物裝置，它把一個壓縮型裝置和一個吸收型裝置結(jié)合在一起，但仍保留著上述問題，即在使用混合介質(zhì)的情況下，冷凝器和蒸發(fā)器的性能差，整個裝置的性能也達(dá)不到期望值并且結(jié)構(gòu)不緊湊。
另一方面，在已有技術(shù)的熱泵和致冷機(jī)中，在使用混合介質(zhì)的情況下部分負(fù)載是由控制工作介質(zhì)的循環(huán)量并進(jìn)一步控制混合介質(zhì)的成分來控制的，然而，改變循環(huán)量會導(dǎo)致性能惡化，成分控制困難及設(shè)備龐大等一系列重要問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能克服已有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，改善熱泵和致冷機(jī)的性能系數(shù)，保持在一個廣闊范圍中部分負(fù)載時的性能，并能減少安裝費(fèi)用。
本發(fā)明的特征如下本發(fā)明涉及一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它包括一個蒸發(fā)器，一臺壓縮機(jī)，一個冷凝器，一個氣化物—液體分離器，一個膨脹裝置，一個減壓閥，一個混合器或者阻尼器，還有一個熱交換環(huán)路；所述蒸發(fā)器使一種工作流體與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換；所述壓縮機(jī)被連接在蒸發(fā)器的流體排出側(cè)，以便壓縮排出的流體；所述冷凝器與壓縮機(jī)排出側(cè)相連，用來使從壓縮機(jī)排出的流體與高溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換；所述氣—液分離器與冷凝器排出側(cè)相連；而所述膨脹裝置被連結(jié)到氣液分離器的氣化排出側(cè)以便膨脹排出的氣化物；所述減壓閥與氣—液分離器的液體排出側(cè)相連，用來使液體減壓，所述混合器或者吸收器用來使膨脹裝置排出的膨脹后的氣化物跟來自減壓閥的經(jīng)過減壓的液體混合；而所述熱交換環(huán)路由管道連接而成，用來蒸發(fā)混合器或者與蒸發(fā)器在一起的吸收器排出的流體。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它包括一個蒸發(fā)器，一臺壓縮機(jī)，一個冷凝器，一個氣化物—液體分離器，一個膨脹裝置，一個混合器或者吸收器，一個回收器，還有一個熱交換環(huán)路；所述蒸發(fā)器是使一種工作流體與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換；所述壓縮機(jī)被連接在蒸發(fā)器的流體排出側(cè)，以便壓縮排出的流體；所述冷凝器與壓縮機(jī)排出側(cè)相連，用來使從壓縮機(jī)排出的流體與高溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換；所述氣—液分離器與冷凝器排出側(cè)連結(jié)；而所述膨脹裝置被連結(jié)到氣—液分離器的氣化物排出側(cè)以便膨脹排出的氣化物；所述混合器或者吸收器用來使來自膨脹裝置的已膨脹氣化物與流體混合，所述流體是從氣—液分離器排出后又通過一個回收器和一個減壓閥傳送過來的；所述回收器用來使混合器或者吸收器排出的流體與從氣—液分離器排出的液體進(jìn)行熱交換；而所述熱交換環(huán)路由管道連接而成，用來蒸發(fā)從回收器排到蒸發(fā)器的流體，使該流體借助于管路與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換。
作為本發(fā)明工作流體的一個最佳實施例，可以從氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物中選用。此處推薦使用的氟里昂32和氟里昂134a是不可能破壞臭氧層的流體。
本發(fā)明涉及的能量轉(zhuǎn)換裝置是一種能量系統(tǒng)，它能利用河水、地下水、空氣、太陽能、湖水、海水、地?zé)?、工廠排離的熱水和蒸氣、熱能站和原子能電站排放的熱量、城市排放熱量(例如污水處理廠、垃圾處理廠、輸變電所、地下城鎮(zhèn)、地下鐵道、計算機(jī)中心、冷藏倉庫、液態(tài)天然氣以及液化石油氣)等等。
在本發(fā)明實施中，可用一臺膨脹渦輪機(jī)來做膨脹裝置。其特點(diǎn)是在所述膨脹渦輪機(jī)上連結(jié)著一臺發(fā)電機(jī)，以便在能量轉(zhuǎn)換的同時產(chǎn)生電能，增加能量轉(zhuǎn)換的效率。此外，一臺壓縮機(jī)也被連結(jié)到所述膨脹裝置上，以便利用轉(zhuǎn)動能量來驅(qū)動壓縮機(jī)，從而增加能量利用率。


圖1畫出作為本發(fā)明一個最佳實施例的一個能量轉(zhuǎn)換循環(huán)裝置。
圖2畫出作為本發(fā)明另一個最佳實施例的一個能量轉(zhuǎn)換循環(huán)裝置。
在這兩張圖中1是一個低溫?zé)嵩矗?是一個高溫?zé)嵩矗?是工作流體管路，4是一個蒸發(fā)器，5是一臺壓縮機(jī)，6是一個冷凝器，7是一個氣化物—液體分離器，8是一個減壓閥，9是一個混合器，10是一個膨脹裝置，而11是一個回收器。
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明最佳實施例進(jìn)行詳細(xì)敘述圖1是一張詳細(xì)的管路連接圖，一個低溫?zé)嵩?被連結(jié)到使低溫?zé)嵩?與高溫?zé)嵩?進(jìn)行熱交換的蒸發(fā)器4上，而蒸發(fā)器4又借助于流經(jīng)蒸發(fā)器4的工作流體管道3與一臺壓縮機(jī)5、一個冷凝器6以及一個氣—液分離器7相連，所述冷凝器6用于高溫?zé)嵩?的熱交換，由氣—液分離裝置7分離出的氣化物通過管路3被送往一個膨脹裝置10(例如是一臺膨脹渦輪機(jī))，而由膨脹裝置10排出的氣化物被傳送到一個混合器9中，從氣—液分離器7中排出的液體經(jīng)過減壓閥8和管路3也被送到混合器9之中，而從混合器9排出的流體由管路再度送入蒸發(fā)器4。這就是圖1所示的循環(huán)。
如果情況需要，在工作中提供多個蒸發(fā)器4、冷凝器6以及膨脹裝置10是行之有效的。此外如圖2所示，在減壓閥8和氣—液分離裝置7之間安裝一個回收熱量用的回收裝置11，可使熱量回收率顯著提高。
在所介紹的實施例中，工作流體氣化物包括一種混合物，該混合物由具有不同沸點(diǎn)的2至3種成分組成，該氣化物被添加到冷凝器6中。所述工作流體氣化混合物在冷凝器6處與高溫?zé)嵩?進(jìn)行熱交換，并已冷凝到完全凝結(jié)狀態(tài)之前的兩相狀態(tài)，然后被送入氣—液分離器7。氣—液分離器7把混合物分離成氣化物和液體，然后液體被送往減壓閥8，氣化物被送往膨脹裝置10?；旌衔镏械囊后w經(jīng)減壓閥8減壓后被送入混合器9。另一方面，混合物中的氣化物在膨脹裝置中膨脹后也被送入混合器9，與在壓閥8中減壓后的液體進(jìn)行混合。從混合器流出的液體進(jìn)入一個蒸發(fā)器4，與低溫?zé)嵩?進(jìn)行熱交換并且氣化。最后氣態(tài)混合物被壓縮機(jī)5重新送入冷凝器6。
除非完全凝結(jié)的低沸點(diǎn)介質(zhì)的氣化物在冷凝器前后幾乎一樣多，否則就要在冷凝器6之后安裝一個氣—液分離器，以便從含有許多高沸點(diǎn)介質(zhì)的液體中分離出含有許多低沸點(diǎn)介質(zhì)的氣化物。含有許多低沸點(diǎn)介質(zhì)的氣化物由一個膨脹裝置10回收來作為能量，而含有許多高沸點(diǎn)介質(zhì)的液體用一個減壓閥8進(jìn)行減壓復(fù)原，或者用一個回收裝置11(參見圖2)進(jìn)行回收。其結(jié)果是，冷凝器6和蒸發(fā)器4的熱轉(zhuǎn)換性能提高，并且整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊。
這種裝置的工作流體最佳實施例，是氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物。其最佳混合比取決于使用溫度和壓力。在使用氨和水的混合物的情況下，使用的溫度越高，混合比中水越多。而在使用氟里昂32和氟里昂134a的情況下，使用的溫度越高，混合比中氟里昂134a越多。就氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物來說，氨和水的混合物比氟里昂32和氟里昂134a的混合物能適應(yīng)更高的溫度范圍。
通過膨脹裝置10獲得的能量，能通過在膨脹裝置(譬如說一臺渦輪機(jī))上附加一臺發(fā)電機(jī)的辦法轉(zhuǎn)變成電能，在另一方面，所述電能可用作壓縮機(jī)5所需電能的一部分并能改善性能系數(shù)。此外，還可通過將膨脹裝置10連接到壓縮機(jī)5上的方法，使壓縮機(jī)5所需的能量進(jìn)一步減少，從而進(jìn)一步導(dǎo)致性能系數(shù)的改善。應(yīng)該指出，提供一個膨脹裝置來替代一個減壓閥8，或者用一個減壓閥來替代一個膨脹裝置10，都可能是行之有效的。
從氣—液分離器7的混合物液體中分離出氣化物的比例隨著下列因素的改變而改變。壓力、溫度、工作流體的流量以及氣—液分離器7的氣—液分離性能。借助于改變氣—液分離率，就能控制在膨脹裝置10中的功W與在蒸發(fā)器4中的熱負(fù)載Q的比率。也就是說，當(dāng)預(yù)料功W的比率大時，可將從氣—液分離器7中分離出的氣化物減少。從另一方面來說，在控制熱負(fù)載的情況下，不必象以前那樣控制工作流體的流量，只需相應(yīng)于一個固定流量，改變氣—液分離器中氣化物對液體的分離率就可以了。因此，對于一個廣闊范圍的部分負(fù)載來說，控制負(fù)載而不減少整個熱效率，是做得到的。
本發(fā)明的這種裝置是行之有效的，因為(1)在白天可利用廉價儲存的壓縮空氣，其方法是用半夜電力作為壓縮機(jī)5的動力源，另外，在起到一臺熱泵和一臺致冷機(jī)作用的同時還能發(fā)電；(2)在起到熱泵和致冷機(jī)作用的同時還能有效地利用其它能量并發(fā)電，例如利用車輛引擎動力作為壓縮機(jī)5的動力源，在起到小汽車空調(diào)作用的同時發(fā)電。
從上面的介紹可以明顯看出，由于在冷凝器6后面安裝了一臺氣—液分離器7，使得含有許多低沸點(diǎn)介質(zhì)的氣化物，在氣—液分離器作用下，從含有許多高沸點(diǎn)介質(zhì)的液體中分離出來，所述含有許多低沸點(diǎn)介質(zhì)的氣化物被一臺膨脹裝置10回收作為動力，而含有許多高沸點(diǎn)介質(zhì)的液體被一個減壓閥8減壓復(fù)原，或者由一臺回收器11進(jìn)行熱回收，從而提高了傳熱性能，并且能增加能量轉(zhuǎn)換裝置的效率，本發(fā)明在這方面的效益是十分顯著的。
作為一個實例，在至今尚在使用的洛侖茲循環(huán)熱泵中，使用氟里昂32和氟里昂134a的混合物，在高溫?zé)嵩慈肟跍囟?0℃、高溫?zé)嵩闯隹跍囟?0℃、低溫?zé)嵩慈肟跍囟?0℃、低溫?zé)嵩闯隹跍囟?0℃的情況下，傳熱性能(熱通過系數(shù)×傳熱面積/排熱量)在蒸發(fā)器4處為0.15(1/K)，在冷凝器6處為0.15K，氟里昂32的質(zhì)量成分為0.2kg/kg，其理論性能系數(shù)約為4.7，而本發(fā)明裝置在相同條件下該系數(shù)變成5.1左右，在這種情況下，性能系數(shù)大約增加了8％。
此外，傳統(tǒng)的熱泵和致冷機(jī)具有不少問題，例如在部分負(fù)載之類情況下系統(tǒng)性能低下，本發(fā)明能使這些問題得到改善，只需控制氣—液分離器7的分離率即可。這意味著，工作流體的流量不需改變，只是改變氣—液分離器7的分離率即可。要減少熱負(fù)載Q的比率，就要增加分離器7分離出的氣化物的比率。反之，要增大熱負(fù)載Q的比率，就要減少分離器7分離出的氣化物的比率。
作為一個實例，在本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換器中，使用氟里昂32和氟里昂134a的混合物，高溫?zé)嵩慈肟跍囟?0℃，高溫?zé)嵩闯隹跍囟?0℃，低溫?zé)嵩慈肟跍囟?0℃，低溫?zé)嵩闯隹跍囟?0℃，在蒸發(fā)器4處傳熱性能為0.15(1/K)，冷凝器6處傳熱性能為0.15K，在分離器7入口處氟里昂32的質(zhì)量成分為0.5kg/kg，當(dāng)分離器氣—液分離率(液體質(zhì)量/流入物總量)由0.1上升到0.8時，冷凝器出口處的熱負(fù)載從1kw變?yōu)?.66kw，此時該熱泵的理論性能系數(shù)的變化很小，其值基本恒定。
權(quán)利要求
1.一種能量轉(zhuǎn)換裝置它包括一蒸發(fā)器，一壓縮機(jī)，一冷凝器，一氣化物—液體分離器，一膨脹裝置，一減壓閥，一混合器或者吸收器，還有一熱交換環(huán)路；所述蒸發(fā)器使工作流體與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交0；所述壓縮機(jī)被連接在蒸發(fā)器的流體排出側(cè)，以便壓縮排出的流體；所述冷凝器與壓縮機(jī)排出側(cè)相連，用來使壓縮機(jī)排出的流體與高溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換；所述氣—液分離器與冷凝器排出側(cè)連結(jié)；而所述膨脹裝置被連結(jié)到氣—液分離器的氣化物排出側(cè)，以便膨脹排出的氣化物；所述減壓閥與氣—液分離器的液體排出側(cè)相連，用來使液體減壓；所述混合器或者吸收器用來使膨脹裝置排出的膨脹后的氣化物跟來自減壓閥的經(jīng)過減壓的液體混合；而所述熱交換環(huán)路由管道連接而成，用來蒸發(fā)混合器或者與蒸發(fā)器在一起的吸收器排出的流體。
2.一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它包括一個蒸發(fā)器，一壓縮機(jī)，一冷凝器，一氣化物—液體分離器，一膨脹裝置，一混合器或者吸收器，一回收器，還有熱交換環(huán)路；所述蒸發(fā)器使一種工作流體與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換；所述壓縮機(jī)被連接在蒸發(fā)器的流體排出側(cè)，以便壓縮排出的流體；所述冷凝器與壓縮機(jī)排出側(cè)相連，用來使從壓縮機(jī)排出的流體與高溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換；述氣—液分離器與冷凝器排出側(cè)連結(jié)；而所述膨脹裝置被連結(jié)到氣—液分離器的氣化物排出側(cè)以便膨脹排出的氣化物；所述混合器或者吸收器用來使來自膨脹裝置的已膨脹氣化物與流體混合，所述流體是從氣—液分離器出后又通過一個回收器和一個減壓閥傳送過來的；所述回收器用來使混合器或者吸收器排出的流體與從氣—液分離器排出的液體進(jìn)行熱交換；而所述熱交換環(huán)路由管道連接而成，用來蒸發(fā)從回收器排到蒸發(fā)器的流體，使該流體借助于管路與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征為，所述工作流體根據(jù)使用條件的不同，從氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物中選用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征為，所述膨脹裝置是一臺與發(fā)電機(jī)相連的膨脹渦輪機(jī)，并且能量轉(zhuǎn)換和動力產(chǎn)生是同時實現(xiàn)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征為，在所述氣化物—液體分離器作用下，含有許多低沸點(diǎn)介質(zhì)的氣化物從含有許多高沸點(diǎn)介質(zhì)的液體中分離出來。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征為，所述壓縮機(jī)也被連結(jié)到所述膨脹裝置上。
全文摘要
本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換裝置的改進(jìn)，所述能量轉(zhuǎn)換裝置使用一種混合介制，將熱能從低溫?zé)嵩磦魉偷礁邷責(zé)嵩矗员闾岣吣芰哭D(zhuǎn)換效率，改善蒸發(fā)器和冷凝器的性能，并且降低該裝置的生產(chǎn)成本。此外，本發(fā)明在部分負(fù)載時也能改善性能。所述能量轉(zhuǎn)換裝置包括蒸發(fā)器，壓縮機(jī)、冷凝器、氣—液分離器、膨脹裝置、減壓閥以及熱交換環(huán)路，還可以包括一個回收器，所述壓縮機(jī)被連結(jié)到所述膨脹裝置(例如一臺渦輪機(jī))上。
文檔編號F25B41/00GK1128842SQ9511735
公開日1996年8月14日 申請日期1995年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月20日
發(fā)明者池上康之, 上原春男 申請人:佐賀大學(xué)