專利名稱：一種制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制冷技術(shù)，屬機(jī)械工程領(lǐng)域制冷機(jī)技術(shù)。
背景技術(shù)：
制冷循環(huán)是制冷機(jī)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，每一次新的制冷循環(huán)的發(fā)展應(yīng)用，都 能帶動了制冷技術(shù)的飛躍，有力推動了社會進(jìn)步發(fā)展。
當(dāng)今制冷時(shí)代是以相變制冷循環(huán)為主的相變制冷時(shí)代，自從這個(gè)制冷時(shí)代 的主角之一制冷劑---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。全世界許多制冷專家都在努力開發(fā)氟利昂的替代品并已 產(chǎn)生多種新型無氟制冷劑。新型無氟制冷劑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制冷工質(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)利用天然制冷劑的制冷循環(huán)，特別 是用空氣或水為制冷劑的制冷循環(huán)是最根本的阻止制冷工質(zhì)破壞自然環(huán)境的辦 法。由于現(xiàn)有可用天然制冷劑的制冷機(jī)普遍效率較低，使得用天然制冷劑的制 冷機(jī)開發(fā)進(jìn)程緩慢。本發(fā)明的目標(biāo)正是希望提出一種可以使用天然制冷劑、制 冷效率較高的氣體制冷機(jī)。
逆卡諾循環(huán)是最好的制冷循環(huán)，誕生以來制冷學(xué)界鮮有人重視逆卡諾循環(huán) 中的二個(gè)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轉(zhuǎn)換價(jià)值，本發(fā)明 涉及的熱力循環(huán)則利用了這種價(jià)值。
本發(fā)明涉及的一種制冷循環(huán)由二個(gè)定壓回?zé)徇^程和二個(gè)多變過程組成(如
圖l所示)，這里稱之為H制冷循環(huán)。需要說明的是H制冷循環(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(gè)多變過程與二個(gè)定溫過程的區(qū)別。與阿金 森循環(huán)相比，H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(gè)特例。
二個(gè)定壓回?zé)徇^程由一套回?zé)崞?氣-一氣換熱器)實(shí)現(xiàn)。 二個(gè)多變過程分別是一個(gè)多變壓縮過程和一個(gè)多變膨脹過程，嚴(yán)格地說是 一個(gè)升溫壓縮過程和一個(gè)降溫膨脹過程。顯然，H循環(huán)在回?zé)崞鱾鳠釡夭钭銐蛐r(shí)，可以逼近概括性逆卡諾循環(huán)。本發(fā)明人認(rèn)為以空氣為制冷劑的H循環(huán)優(yōu)
于目前公知的各類空氣制冷循環(huán)(如布雷頓循環(huán))，可以作為空氣制冷技術(shù)的
一個(gè)發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)H循環(huán)中的二個(gè)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)機(jī)組，同時(shí)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(gè)執(zhí)行H循環(huán)的 氣體制冷機(jī)。
本發(fā)明的目標(biāo)是提出 一種可以使用天然制冷劑、制冷效率較高的氣體制冷機(jī)。


圖l為H熱力循環(huán)的逆循環(huán)(H制冷循環(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，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(shí)吸收上方流入膨 脹機(jī)機(jī)體內(nèi)之載冷劑的熱量Q (加熱)。載冷劑的流入流出方向與膨脹氣體走向相 同，膨脹氣體被載冷劑間接加熱，載冷劑自身也得到降溫。
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，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(shí)氣 體被上方流入壓縮機(jī)機(jī)體的冷卻介質(zhì)(載熱劑)的間接冷卻，排熱Q(放熱)。冷 卻介質(zhì)的流入流出方向與氣體走向相同，氣體被壓縮機(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)的制冷機(jī)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)，制冷機(jī)對載冷劑實(shí)施制冷。
具體實(shí)施例方式
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)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，載冷劑在機(jī)體空心內(nèi)腔內(nèi)流動，載冷劑通過膨脹機(jī)機(jī)體與膨脹氣流熱交換。 內(nèi)腔流道走向與膨脹氣流走向相同，形成順流換熱效果。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(shí)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)崞鞫€(gè)進(jìn)出口，如圖3所示?；?zé)崞鞒叽缫銐虼笠员銈鳠釡夭钶^小， 等同于利用回?zé)崞髌仁古蛎涍^程逼近等溫。等溫膨脹過程中工質(zhì)不但可以發(fā)出 最大的機(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?，高壓端氣流是被從膨脹機(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?，高壓端氣?進(jìn)入膨脹機(jī)時(shí)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 熱器合并為一個(gè)整體，這個(gè)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(gè)多變膨脹機(jī)組就是一個(gè)對載冷劑制冷的制冷源，當(dāng)回?zé)崞鞲摺?低壓氣流的傳熱溫差足夠小時(shí)，這個(gè)多變膨脹機(jī)組就可視同為等溫膨脹機(jī)組。
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 務(wù)必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，同時(shí)大尺寸 可減低傳熱溫差。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(shí)不斷放熱并降溫。壓縮機(jī)進(jìn)出口 氣流接入回?zé)崞鳎鐖D5所示。回?zé)崞鞒叽缫銐虼笠员銈鳠釡夭钶^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，還可以釋放出最大的熱；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)崞饔袀鳠釡夭睿?低壓端氣流進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)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€(gè)整體，不難看出這個(gè)整體就是一個(gè)多變壓縮機(jī)組，機(jī) 內(nèi)壓縮氣流執(zhí)行多變過程，也不難看出這個(gè)整體就是一個(gè)對載熱劑供熱的供熱 源。當(dāng)回?zé)崞鞲?、低壓氣流的傳熱溫差足夠小時(shí)，多變壓縮機(jī)組就可視同為等 溫壓縮機(jī)。
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?，制冷機(jī)的制冷量越大。 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(gè) 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/^"=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)崞魇虩釡夭?lt;formula>formula see original document page 7</formula>膨脹功<formula>formula see original document page 7</formula>吸熱量<formula>formula see original document page 7</formula>壓縮功<formula>formula see original document page 8</formula>系統(tǒng)凈輸入功<formula>formula see original document page 8</formula>制冷系數(shù)<formula>formula see original document page 8</formula>結(jié)論
1) 壓比越高，制冷系數(shù)越高。
2) 回?zé)崞鱾鳠釡夭钤叫。评湎禂?shù)越高。
3) 回?zé)崞鱾鳠釡夭畋平銜r(shí)，制冷系數(shù)f-^r,等于逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)。
乂2 A
五H循環(huán)氣體制冷機(jī)
如附圖7所示將多變膨脹機(jī)組和多變壓縮機(jī)組合即可成為執(zhí)行H循環(huán)的氣 體制冷機(jī)。
制冷機(jī)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、氬等天然工質(zhì)。制冷機(jī)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，也決定了制冷機(jī)的制冷總能力。基 準(zhǔn)壓力越高，越有助于改善制冷工質(zhì)的傳熱性能，有助于縮小制冷機(jī)的體積。 制冷機(jī)的高壓端為循環(huán)工質(zhì)的限制壓力，它由制冷機(jī)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，在設(shè)定好高壓后，高低壓比有一個(gè) 理論上的最佳值，使得H循環(huán)制冷機(jī)的"制冷量/體積"最佳。在設(shè)定好高壓后， 為使"制冷量/體積"最佳，實(shí)際H循環(huán)制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)要求高低壓比為2. 72—3. 5。 六 一種制冷機(jī)
執(zhí)行H循環(huán)的氣體制冷機(jī)簡稱一種制冷機(jī)，這種制冷機(jī)的效率主要由下述因 素決定
① 回?zé)崞鱾鳠釡夭睢?br> ② 壓縮機(jī)內(nèi)工質(zhì)與栽熱劑(冷卻源)的傳熱溫差。③ 膨脹機(jī)內(nèi)工質(zhì)與栽冷劑的傳熱溫差。
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
1一種制冷機(jī)，其主要特征是它包括①膨脹機(jī)、②壓縮機(jī)、③回?zé)崞?、④循環(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)，制冷機(jī)通過載冷劑對外供冷，制冷機(jī)通過冷卻源(載熱劑)散熱，該制冷機(jī)執(zhí)行H熱力循環(huán)。
2、按照權(quán)利要求l所述的一種制冷機(jī)，其主要特征是所述的回?zé)崞魇菤庖粴?逆流換熱器，材質(zhì)要求有較高的耐壓能力。
3、按照權(quán)利要求l所述的一種制冷機(jī)，其主要特征是所述的膨脹機(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，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、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循環(huán)工質(zhì)，載冷劑同時(shí)降溫。 循環(huán)工質(zhì)在膨脹過程中吸收載冷劑的熱量，循環(huán)工質(zhì)同時(shí)對外作功，膨脹機(jī) 進(jìn)出口氣流接入回?zé)崞鞒鲞M(jìn)口，是一種加熱型膨脹機(jī)組。
5、權(quán)利要求l所述的壓縮機(jī)與權(quán)利荽求l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、權(quán)利要求5所述的多變壓縮機(jī)組，其主要特征是冷卻源(載熱劑)透過壓 縮機(jī)機(jī)體，對壓縮氣流間接冷卻。機(jī)體尺寸要足夠大，保證冷卻源順暢吸收 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?zé)崞骱喜?為一個(gè)整體，這個(gè)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所述的一種制冷機(jī)，其主要特征是所述的循環(huán)工質(zhì)是空氣、 氧氣、二氧化碳、氮?dú)?、氪、氬等氣體。
8、按照權(quán)利要求l所述的一種制冷機(jī)，其主要特征是所述的載冷劑在所述的 膨脹機(jī)機(jī)體取冷。
9、按照權(quán)利要求1所述的一種制冷機(jī)，，其主要特征是所述的冷卻源(載熱劑) 在壓縮機(jī)機(jī)體取熱。
10、按照權(quán)利要求1所述的制冷機(jī)，其主要特征是所述的制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，高低壓比為2.72—3.5。
全文摘要
一種制冷機(jī)，涉及制冷技術(shù)，屬機(jī)械工程領(lǐng)域制冷機(jī)技術(shù)。它包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、回?zé)崞?、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。制冷機(jī)采用空氣等天然氣體工質(zhì)，執(zhí)行H熱力循環(huán)。本發(fā)明的愿望是推出一種制冷效率較高的氣體制冷機(jī)，并改變空氣制冷技術(shù)應(yīng)用落后的現(xiàn)狀。
文檔編號F25B1/00GK101298946SQ20081007108
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