專利名稱：一種熱泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱泵技術(shù)，是一種節(jié)能供熱設(shè)備，屬機(jī)械工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
制熱循環(huán)是熱泵技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)。每一次新的制熱循環(huán)的發(fā)展應(yīng)用， 都能帶動了熱泵技術(shù)的飛躍，有力推動了社會進(jìn)步。
當(dāng)今熱泵時代是以相變制熱循環(huán)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(zhì)一-氟利昂對臭氧層破壞行為被證實(shí)以后，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(fā)氟利昂的替代品并 已產(chǎn)生多種新型無氟熱泵工質(zhì)，新型無氟熱泵工質(zhì)是否還有其它破壞自然環(huán)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(zhì)由世界各地化工 廠被生產(chǎn)制造出來就可以近似認(rèn)為未來幾年每年將有成千上萬噸的化工物質(zhì)在 向大氣排放，其隱患甚憂。有識之士都認(rèn)為開發(fā)利用天然工質(zhì)的熱泵循環(huán)，特 別是用空氣或水為熱泵工質(zhì)的制熱循環(huán)是最根本的阻止熱泵工質(zhì)破壞自然環(huán)境 的辦法。由于現(xiàn)有可用天然工質(zhì)的熱力循環(huán)普遍制熱效率較低，使得用天然工 質(zhì)的熱泵開發(fā)進(jìn)程緩慢。本發(fā)明的目標(biāo)正是希望推出一種可以使用天然工質(zhì)、 制熱效率較高的熱泵。
逆卡諾循環(huán)是公知最好的熱泵循環(huán)，誕生以來物理學(xué)界鮮有人重視逆卡諾 循環(huán)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(fā)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(fā)明涉及的熱力循環(huán)則利用了這種價值。
本發(fā)明涉及的一種制熱循環(huán)由二個定壓回?zé)徇^程和二個多變過程組成(如
圖l所示)，這里稱之為H熱力循環(huán)。需要說明的是H熱力循環(huán)與概括性逆卡諾
循環(huán)中的阿金森循環(huán)的不同點(diǎn)是二個多變過程與二個定溫過程的區(qū)別。與阿金 森循環(huán)相比，H熱力循環(huán)更具有可操作意義，阿金森循環(huán)是H熱力循環(huán)的一個特例。
二個定壓回?zé)徇^程由一套回?zé)崞?氣---氣換熱器)實(shí)現(xiàn)。 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(yán)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(huán)在回?zé)崞鱾鳠釡夭钭銐?br> 小時，可以逼近概括性逆卡諾循環(huán)。本發(fā)明人認(rèn)為以空氣為工質(zhì)的H循環(huán)優(yōu)于 目前公知的各類空氣循環(huán)(如布雷頓循環(huán))，可以作為空氣熱泵技術(shù)的一個發(fā) 展方向。

發(fā)明內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)H循環(huán)中的二個多變過程，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)多變膨脹過程的
多變膨脹機(jī)組和一種實(shí)現(xiàn)多變壓縮過程的多變壓縮機(jī)組，同時還設(shè)計(jì)了取冷的 方法和取熱的方法。多變膨脹機(jī)組和多變壓縮機(jī)組組合為一個執(zhí)行H循環(huán)的氣
體熱泵。
執(zhí)行H循環(huán)氣體熱泵，簡稱一種熱泵，發(fā)明目的是提出一種可以使用天然 工質(zhì)、制熱效率較高的熱泵。


圖l為H循環(huán)的逆循環(huán)(H制熱循環(huán))溫熵圖，箭頭指向?yàn)檠h(huán)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(jī)示意圖，它是一種加熱型膨脹機(jī)。高壓氣體由下方箭頭指向 進(jìn)入膨脹機(jī)內(nèi)，膨脹后由下方箭頭指向離開膨脹機(jī)，驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動軸，對外作 功，同時吸收上方流入膨脹機(jī)機(jī)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(jī)組，為多變膨脹機(jī)組示意圖。 圖4為壓縮機(jī)示意圖，它是一種冷卻型壓縮機(jī)。低壓氣體由下方箭頭指向 進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)，被壓縮后由下方箭頭指向離開壓縮機(jī)，外力驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動軸， 對氣體進(jìn)行壓縮，同時氣體被上方流入壓縮機(jī)機(jī)體的載熱劑(冷卻介質(zhì))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(jī)機(jī)體冷卻。
圖5為圖4與圖6的連合體，形成機(jī)組，為多變壓縮機(jī)組示意圖。 圖6為回?zé)崞魇疽鈭D，冷熱氣體分別由相反箭頭指向流入流出回?zé)崞鬟M(jìn)行 熱交換，回?zé)崞魇悄媪餍蛽Q熱器。
圖7為H循環(huán)的氣體熱泵示意圖，為圖3與圖5的組合體。膨脹機(jī)和外力通過轉(zhuǎn)動軸驅(qū)動壓縮機(jī)，熱泵對載熱劑實(shí)施供熱。
具體實(shí)施方案
一膨脹機(jī)取冷方法和多變膨脹機(jī)組
如圖2所示，載冷劑(熱源)由外部對膨脹機(jī)機(jī)體加熱，機(jī)體可設(shè)計(jì)成空 心內(nèi)腔式。載冷劑在膨脹機(jī)機(jī)體空心內(nèi)腔內(nèi)流動，與膨脹氣流熱交換，內(nèi)腔流 道走向與膨脹氣流走向相同形成順流換熱。機(jī)體尺寸要足夠大，以便膨脹氣流 與機(jī)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(jī)葉 輪可設(shè)計(jì)成小葉多級式，或者直接參考螺桿結(jié)構(gòu)，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(jī)進(jìn)出口氣流分別接入回?zé)崞?二個進(jìn)出口 (氣-一氣換熱器，逆流換熱器)，如圖3所示，回?zé)崞鞒叽缫銐?大以便傳熱溫差較小，等同于利用回?zé)崞髌仁古蛎涍^程逼近等溫。等溫過程中 工質(zhì)不但可以釋放最大機(jī)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?zé)崞鞯慕嵌瓤煽闯?，高壓端氣?是被從膨脹機(jī)出來的低壓冷氣流冷卻后再進(jìn)入膨脹機(jī)。由于回?zé)崞饔袀鳠釡夭睿?高壓端氣流進(jìn)入膨脹機(jī)時的溫度必然高于膨脹機(jī)出來的低壓冷氣流的溫度。將 膨脹機(jī)和回?zé)崞骱喜橐粋€整體，這個整體稱為多變膨脹機(jī)組，機(jī)內(nèi)膨脹氣流 執(zhí)行多變過程。不難看出這個多變膨脹機(jī)組就是一個對載冷劑制冷的制冷源， 當(dāng)回?zé)崞鞲?、低壓氣流的傳熱溫差足夠小時，這個多變膨脹機(jī)組就可視同為等 溫膨脹機(jī)組。
載冷劑取冷要點(diǎn)載冷劑不得在氣流非膨脹過程段取冷！ 二壓縮機(jī)取熱方法和多變壓縮機(jī)組
如圖4所示，載熱劑(冷卻源)由外部對壓縮機(jī)機(jī)體冷卻，機(jī)體可設(shè)計(jì)成空 心內(nèi)腔式，載熱劑在機(jī)體空心內(nèi)腔內(nèi)流動，與壓縮氣流熱交換。內(nèi)腔流道走向 與壓縮氣流走向相同，形成順流換熱效果。機(jī)體尺寸要足夠大，以便壓縮氣流 與機(jī)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(shè)計(jì) 成小葉多級式，或者直接參考長螺桿結(jié)構(gòu)，保證流道順長、傳熱條件良好，使 氣流壓縮時不斷放熱并降溫。壓縮機(jī)進(jìn)出口氣流接入回?zé)崞?氣-一氣換熱器， 逆流換熱器)，如圖5所示，回?zé)崞鞒叽缫銐虼?，以便傳熱溫差較小，等同于利用回?zé)崞髌仁箟嚎s過程逼近等溫。等溫壓縮過程中工質(zhì)不但可以消費(fèi)最小的
機(jī)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?zé)崞鞯慕嵌瓤煽闯?，低壓端冷氣流冷卻從壓縮機(jī) 出來的高壓熱氣流后自身得到升溫再進(jìn)入壓縮機(jī)。由于回?zé)崞饔袀鳠釡夭?，?壓端氣流進(jìn)入壓縮機(jī)時的溫度必然低于壓縮機(jī)出來的高壓氣流的溫度。將壓縮 機(jī)和回?zé)崞骱喜橐粋€整體，這個整體就是一個多變壓縮機(jī)組，機(jī)內(nèi)壓縮氣流 執(zhí)行多變過程。不難看出多變壓縮機(jī)組就是一個對載熱劑供熱的供熱源，當(dāng)回 熱器高、低壓氣流的傳熱溫差足夠小時，多變壓縮機(jī)組就可視同為等溫壓縮機(jī)。
載熱劑取熱要點(diǎn)載熱劑不得在氣流非壓縮過程段取熱！ 三回?zé)崞?氣-一氣換熱器，逆流換熱器)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)(圖6):
熱學(xué)結(jié)構(gòu)要求回?zé)崞魇悄媪鲹Q熱器，可做成板式，管殼式或套管式等，流道 阻力要盡量搞小。需要強(qiáng)調(diào)的是回?zé)崞鞯膫鳠釡夭钤叫?，熱泵的制熱量越大?回?zé)崞鞯膫鳠釡夭顩Q定了壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的進(jìn)出口溫差，也是壓縮和膨脹二個 多變過程多變指數(shù)的重要影響因數(shù)之一，因此回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。 四理想H循環(huán)熱力過程分析(如圖l所示)
(參考工程熱力學(xué)龐麓鳴等，高等教育出版社1986 )
假設(shè)工質(zhì)為理想氣體
多變熱力過程PF"=C (常數(shù))
膨脹過程多變指數(shù)、
壓縮過程多變指數(shù)"2
高低壓比？r-高壓P"低壓P,
氣體常數(shù)及 絕熱指數(shù)k
回?zé)崞鱾鳠釡夭顁3-r2=r4-7;=Ar 膨脹功釅<formula>formula see original document page 7</formula>吸熱量&=/ (r4-7;)(
壓縮功『,(r3-r2)
系統(tǒng)凈輸入功(耗功)『M=,,-r=i (r4-r。(^-
JUrd/7;)
制熱系數(shù)0^=1+^=1+
JU(r4/7;)
結(jié)論
1) 壓比越高，制熱系數(shù)越高。
2) 回?zé)崞鱾鳠釡夭钤叫?，制熱系?shù)越高。
3) 回?zé)崞鱾鳠釡夭畋平銜r，制熱系數(shù)co/^;Ar，逼近逆卡諾循環(huán)制熱系數(shù)。
五H循環(huán)的熱泵
如圖7所示將膨脹機(jī)組和多變壓縮機(jī)組合即可成為執(zhí)行H循環(huán)的熱泵。 熱泵采用閉式熱力H循環(huán)，工質(zhì)為近似理想氣體，備選工質(zhì)有空氣、氧氣、 二氧化碳、氮?dú)?、氪、氬等，均為天然工質(zhì)。熱泵的低壓端為循環(huán)工質(zhì)的基準(zhǔn) 壓力，基準(zhǔn)壓力決定了循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量，也決定了熱泵制熱的總能力?；鶞?zhǔn) 壓力越高，越有助于改善熱泵工質(zhì)的傳熱性能。熱泵的高壓端為循環(huán)工質(zhì)的限 制壓力，它由熱泵材料的耐壓能力決定。本發(fā)明人認(rèn)為在等溫壓縮和等溫膨脹 過程中，當(dāng)高壓確定以后，高低壓比有一個理論上的最佳值，使得H循環(huán)冷機(jī) 的"制熱量/體積"最佳，實(shí)際H循環(huán)熱泵運(yùn)行時要求高低壓比為2.72—3.5。 六 一種熱泵
執(zhí)行H循環(huán)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?zé)崞鱾鳠釡夭睢?br> ② 壓縮工質(zhì)與栽熱劑傳熱溫差。③ 膨脹工質(zhì)與栽冷劑(低位熱源)傳熱溫差。
④ 高低壓力比。
⑤ 壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的有效效率。
權(quán)利要求
1一種熱泵，其主要特征是它包括①膨脹機(jī)、②壓縮機(jī)、③回?zé)崞鳌ⅱ苎h(huán)工質(zhì)等四大主要部件，膨脹機(jī)是加熱型膨脹機(jī)，壓縮機(jī)是冷卻型壓縮機(jī)，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(zhí)行H熱力循環(huán)。
2.按照權(quán)利要求l所述的回?zé)崞鳎渲饕卣魇菤庖粴饽媪鲹Q熱器，材質(zhì)要求有較高的耐壓能力。
3.按照權(quán)利要求1所述的膨脹機(jī)與按照權(quán)利要求2所述的回?zé)崞鹘M合成為多變膨脹機(jī)組，其主要特征是多變膨脹機(jī)組實(shí)現(xiàn)吸收載冷劑熱量和膨脹作功兩大功能。
4.按照權(quán)利要求3所述的多變膨脹機(jī)組，其主要特征是載冷劑加熱膨脹機(jī)機(jī) 體，載冷劑熱能透過膨脹機(jī)機(jī)體傳遞給正在膨脹的銜環(huán)工質(zhì)，載冷劑同時降 溫。循環(huán)工質(zhì)在膨脹過程中透過機(jī)體吸收載冷劑的熱量，循環(huán)工質(zhì)同時對外 作功。膨脹機(jī)進(jìn)出口氣流接入回?zé)崞鬟M(jìn)出口，膨脹機(jī)和回?zé)崞骱喜橐粋€整 體，這個整體構(gòu)成多變膨脹機(jī)組，也是一種加熱型膨脹機(jī)組。
5.按照權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)與按照權(quán)利要求2所述的回?zé)崞鹘M合成為多變 壓縮機(jī)組，其主要特征是多變壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)排解循環(huán)工質(zhì)的壓縮熱和制造 高壓氣體之兩大功能。
6.按照權(quán)利要求5所述的多變壓縮機(jī)組，其主要特征是載熱劑透過壓縮機(jī)機(jī) 體，與壓縮氣流間接熱交換后載熱劑升溫。機(jī)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(jī)進(jìn)出口氣流接入回?zé)崞鬟M(jìn)出口，壓縮機(jī)和回 熱器合并為一個整體，這個整體構(gòu)成多變壓縮機(jī)組，也是一種冷卻型壓縮機(jī) 組。
7.按照權(quán)利要求l所述的循環(huán)工質(zhì)，其主要特征是空氣、氧氣、二氧化碳、氮?dú)狻㈦?、氬等氣體。
8 熱泵取冷方法，其主要特征是載冷劑在膨脹機(jī)機(jī)體內(nèi)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，其主要特征是載熱劑在壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)取熱，取熱方法也是熱泵供給外界熱能的方法。
10 按照權(quán)利要求1所述的熱泵，其主要特征是熱泵運(yùn)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(jié)能技術(shù)，屬機(jī)械工程領(lǐng)域。它包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、回?zé)崞鳌⒀h(huán)工質(zhì)等四大主要部件。循環(huán)工質(zhì)利用膨脹機(jī)機(jī)體吸收載冷劑熱量，循環(huán)工質(zhì)利用壓縮機(jī)機(jī)體給載熱劑供熱。熱泵采用空氣等天然氣體工質(zhì)，熱泵執(zhí)行H熱力循環(huán)。本發(fā)明的愿望是提出一種制熱效率較高的氣體熱泵，并改變空氣熱泵技術(shù)應(yīng)用落后的現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者洪國偉 申請人:洪國偉