CN101865566A - 一种太阳能驱动的vm循环热泵*** - Google Patents

Abstract

一种太阳能驱动的VM循环热泵***，它包括VM循环热泵***、太阳能热水***、送热回路和送冷回路；在循环热泵***中的热气缸与热回热器之间设置热源换热器，所述热源换热器与太阳能热水***中的储水器构成一个热交换循环***，完成两个***之间的能量传递。本发明在需要空调制冷时，可利用太阳能作为驱动能源驱动VM循环热泵工作来达到制冷送热的目的。利用太阳能，清洁、安全、可靠，不用担心能源的短缺和造成的环境污染。本发明可广泛用于工业、商业及民用的集中制冷、供热***中。

Description

一种太阳能驱动的VM循环热泵***

技术领域

本发明涉及一种VM循环热泵，尤其是一种利用太阳能作为驱动能源的VM循环热泵，属于热泵技术领域。

背景技术

太阳能作为一种洁净的可再生能源，能就地开发利用，具有取之不尽、用之不竭，不会污染环境和破坏生态平衡等特点。每天到达地球表面的太阳辐射能为5.57×10¹⁸MJ，相当于190万亿吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56×10⁴倍。利用太阳能作为热泵的驱动能源，主要有两条途径，一是先实现光-电转换，再用电力驱动常规压缩式热泵机组；二是进行光-热转换，用热作为驱动能源。前者***比较简单，但大功率太阳能发电价格昂贵，目前实用性较差；后者除了制冷空调之外，还可结合供热利用，但转换效率不高。

维勒米尔(Vuilleumier，以下简称VM)循环本质上是热能驱动的斯特林循环，是Vuilleumier在1918年提出的。基于VM循环热泵的性能系数COP可达到1.6，与目前直燃机1.56的综合COP相当，而燃气锅炉一般效率在0.9左右。VM循环热泵具有很多优点，比如转速比较低、轴承负荷轻、密封要求低、磨损小、振动小、噪声低、寿命长，且只需要少量的机械动力，甚至还可以输出一定量的轴功率。同时，由于它采用氮气、氦气等作为工质，无臭氧层破坏和温室效应。

目前，普通热泵***中大都采用普通压缩机提供循环动力，如采用太阳能驱动的VM循环热泵，对于缓解能源供需矛盾，减少环境污染，具有很强的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用太阳能作为驱动能源、同时能提供制冷空调和热水用途的太阳能驱动的VM循环热泵***。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种太阳能驱动的VM循环热泵***，它包括VM循环热泵***、太阳能热水***、送热回路和送冷回路；所述VM循环热泵***由冷气缸，冷推移活塞，冷回热器，热气缸、热推移活塞、热回热器、冷量换热器、冷却器、室温腔以及推移活塞的驱动连杆机构、驱动电机组成，所述冷推移活塞的右侧和热推移活塞的左侧腔室构成室温腔，冷推移活塞的左侧和热推移活塞的右侧通过左右两段管路与室温腔相通，在左段管路中设置冷回热器，在右段管路中设置热回热器；驱动电机通过驱动连杆机构驱动冷推移活塞和热推移活塞；所述驱动连杆机构是同一曲轴，所述曲轴使冷气缸、热气缸在活塞运动中总工作容积不变；

所述太阳能热水***由太阳能集热器、循环水泵、热水储水器组成，所述太阳能集热器、循环水泵和热水储水器组成一个热水加热循环***；

所述送热回路由冷却器、送热回路循环泵和送热交换器组成，所述冷却器设置在连接热气缸的右段管路内，送热交换器产生的热量通过附设的送热风机吹送出去；

所述送冷回路由冷量交换器、送冷回路循环泵和送冷交换器组成，所述冷量交换器设置在连接冷气缸的左段管路内，送冷交换器产生的冷空气通过附设的送冷风机吹送出去。

上述太阳能驱动的VM循环热泵***，在所述热气缸与热回热器之间设置热源换热器，所述热源换热器与储水器、水泵构成一个热交换循环***。

上述太阳能驱动的VM循环热泵***，在连接冷气缸的左段管路内设置第二冷却器，所述第二冷却器与冷却器串联。

上述太阳能驱动的VM循环热泵***，所述冷回热器、热回热器中装有填料，所述填料为400目的青铜丝网。这种填料在300K时比热容为3.4J/(cm³·K)，它可以满足换热的容量需要。

上述太阳能驱动的VM循环热泵***，增设辅助热源，，所述辅助热源与热水储水器并连，所述辅助热源为电加热器或加热锅炉。

上述太阳能驱动的VM循环热泵***，所述太阳能热水***的热水储水器上设有日用热水出口。

本发明利用太阳能热水***与VM循环热泵技术，夏天需要空调制冷时，可利用太阳能作为驱动能源驱动VM循环热泵工作来达到制冷送热的目的。利用太阳能，清洁、安全、可靠，不用担心能源的短缺和造成的环境污染。同时，热水储水器具有良好的保温效果，可保证储水器内的水温保持一定的温度，减小热量的损失。

另外，本发明还具有如下优点：

1、直接利用太阳能作为驱动热能，有利于资源的循环利用；

2、本发明采用的工质是氮气、氦气等，不会对环境产生污染与破坏，不会产生因替代氟利昂制冷剂引发的问题；

3、整个装置寿命长，循环热泵内气体总容积在工作中处于恒定状态，工作腔中各部分只有流动阻力形成的压差，且转速较低，因而轴承负荷轻，密封要求低、磨损小、振动小、噪声低、寿命长；

4、性能系数比目前直燃型吸收式机组高。

本发明可广泛用于工业、商业及民用的集中制冷、供热***中。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明太阳能驱动VM循环热泵***图；

图2～图5是VM循环热泵工作过程中各冲程的状态示意图。

图中各标号为：1、冷气缸；2、冷推移活塞；3、冷回热器；4、热气缸；5、热推移活塞；6、热回热器；7、冷量换热器；8、冷却器；9、驱动连杆机构；10、热源换热器；11、集热器；12、循环水泵；13、热水储水器；14水泵；15、截止阀；16、热水出口；17、辅助热源；18、驱动电机。

具体实施方式

本发明利用太阳能热水***与VM循环热泵技术的结合实现本发明的目的，在夏天，当需要空调制冷时，可利用太阳能作为驱动能源驱动VM循环热泵工作来制冷，在其他季节，只要有阳光，也可以充分利用这些能量。

如图1所示，整个***由VM循环热泵***和太阳能热水***构成。VM循环热泵***由冷气缸1，冷推移活塞2，冷回热器3，热气缸4、热推移活塞5、热回热器6、冷量换热器7、冷却器8、室温腔23以及推移活塞的驱动连杆机构9、驱动电机18组成，热气缸4与热回热器6之间设置一热源换热器10，与太阳能热水***组成循环回路。在管路上设置循环水泵14和截止阀15，通过循环水泵将储水器内已经加热的热水输送到热源换热器中，利用热源换热器与热气缸内的气体进行热交换，提高热气缸内气体的温度，完成能量转移的过程。其中冷气缸和热气缸中的气体是吸热的，而室温腔内的气体是放热的。通过调节截止阀的开度来调节流量，进而调节进入热源换热器中的水温。流经热源换热器的水经过换热后回到储水器中，如此反复，循环不已。

***在开始工作时需要驱动电机提供少量(小型机在10W以下)的机械动力。在***正常运行期间，当热推移活塞处于它的最左端附近时，热气缸的体积较大，其中的气体量也较多，***内的平均温度就较高，压力也就较高。相反，当热推移活塞处于它的最右端时，热气缸的体积接近于零，机内工质的平均温度和压力比都比较低，这样，热气缸就起了驱动的作用。

太阳能热水***工作过程。

太阳能集热器将太阳能传递给通过集热器中的水，使流经集热器的水温升高。通过水泵将水箱中的水不断的输送到集热器，而加热后的水流回到储水箱中，如此往复循环，使储水器内的水始终保持一定的温度。储水箱的下部设热水出口以提供热水。太阳能热水***通过热源换热器10向VM循环热泵***传递能量。

在冷回热器3、热回热器6中装有填料，所述填料为高目数：400目(每英寸400个孔)，高热容其在300K时体积比热容为3.4J/(cm³·K)的青铜丝网填料。在制冷过程中，冷热气流交替流过，以填料丝网为中介实现冷热气流之间的热量交换，利用这些回热器起到储存和回收冷量的作用。

增设的辅助热源17可以采用电加热或锅炉加热。当太阳能不足时，辅助加热设备还可以提供热量，加热热水，使循环能够顺利进行而不影响***使用。

VM循环热泵的四个工作过程分别如图2～图5所示。

过程1-2：热推移活塞5向右运动，冷推移活塞2向左运动，冷气缸1和热气缸4容积同时减小；冷气缸1中的部分气体通过冷量换热器7吸热，然后经冷回热器3被其中的填料加热到室温温度T_a，进入室温腔23。而原来处于热气缸4内的气体通过热回热器6，由填料冷却到室温温度T_a，进入室温腔。在这个过程中，气体在冷量换热器中吸热，有制冷效应。

过程2-3：冷推移活塞2继续向左移动，热推移活5塞向左运动，热气缸4增大，冷气缸1减小。冷气缸中所留气体经历与过程1-2大致相同的过程；而室温腔中的部分气体由热推移活塞2推过热回热器6时，被填料加热到接近于高温T_h进入热气缸4。

过程3-4：两个推移活塞运动使冷气缸1和热气缸4容积同时增大，室温腔内的部分气体通过冷回热器3被填料冷却到温度接近T_c0，进入冷气缸1，而在热侧，部分室温腔气体经热回热器6时被填料加热到温度接近T_h，进入热气缸4。

过程4-1：冷推移活塞2继续左移，直至左止点，而热推移活塞5则向右移动到中间位置，冷气缸1增加到最大，而热气缸4减小。热气缸4中部分气体经过热回热器6时向填料放热，温度降低到接近T_a进入到室温腔；同时部分室温腔的气体通过冷回热器3时被填料冷却到温度接近T_c0，进入冷气缸1。此过程中气体在冷量换热器7中吸收热量产生制冷效应。

综合上述各过程，太阳能驱动VM循环热泵的工质分别从低温热源和高温热源吸热，而向处于室温的冷却器8放热。

现以一套70m²的住宅为例。假设VM循环热泵可为房间提供7000W的制冷量，即冷气缸的吸热量Q_c＝7KW。设室温T_a＝303K，热气缸中气体能达到的温度T_h＝370K，冷气缸中气体能达到的温度T_c＝280K，则VM循环热泵高温热源吸收的热量由

可得Q_h＝2742W。设该循环热泵工作时间为10小时，则需要太阳能提供热量Q＝2742×10＝27420W·h＝27.42KW·h＝62712kJ。

集热器采用热管真空管太阳能集热器，平均集热效率55％，均日辐照量14.88MJ。

由Q＝CmΔt可得，用水量m＝62712÷4.2÷(100-15)＝176kg

太阳能集热器安装角度为40°，集热器安装斜面上的太阳能辐射量约为水平面上的1.3倍。则每平方米集热器表面上每日有效得热量为：14.88×10³KJ×1.3×55％＝10639.2KJ，太阳能集热器安装面积：F＝62712÷10639.2＝9.3m²。

本发明除了在夏季制冷外，还可以一年四季供应热水，达到一机多用，实现综合利用太阳能的目的。

Claims (6)

1.一种太阳能驱动的VM循环热泵***，其特征在于，它包括VM循环热泵***、太阳能热水***、送热回路和送冷回路；所述VM循环热泵***由冷气缸(1)，冷推移活塞(2)，冷回热器(3)，热气缸(4)、热推移活塞(5)、热回热器(6)、冷量换热器(7)、冷却器(8)、室温腔(23)以及推移活塞的驱动连杆机构(9)、驱动电机(18)组成，所述冷推移活塞的右侧和热推移活塞的左侧腔室构成室温腔(23)，冷推移活塞的左侧和热推移活塞的右侧通过左右两段管路与室温腔(23)相通，在左段管路中设置冷回热器(3)，在右段管路中设置热回热器(6)；驱动电机(18)通过驱动连杆机构(9)驱动冷推移活塞(2)和热推移活塞(5)；所述驱动连杆机构是同一曲轴，所述曲轴使冷气缸、热气缸在活塞运动中总工作容积不变；

所述太阳能热水***由太阳能集热器(11)、循环水泵(12)、热水储水器(13)组成，所述太阳能集热器(11)、循环水泵(12)和热水储水器(13)组成一个热水加热循环***；

所述送热回路由冷却器(8)、送热回路循环泵(19)和送热交换器(20)组成，所述冷却器设置在连接热气缸的右段管路内，送热交换器产生的热量通过附设的送热风机吹送出去；

所述送冷回路由冷量交换器(7)、送冷回路循环泵(21)和送冷交换器(22)组成，所述冷量交换器(7)设置在连接冷气缸的左段管路内，送冷交换器产生的冷空气通过附设的送冷风机吹送出去。

2.根据权利1所述的太阳能驱动的VM循环热泵***，其特征在于，在所述热气缸(4)与热回热器(6)之间设置热源换热器(10)，所述热源换热器(10)与储水器(13)、水泵(14)构成一个热交换循环。

3.根据权利1或2所述的太阳能驱动的VM循环热泵***，其特征在于，在连接冷气缸的左段管路内设置第二冷却器(8-1)，所述第二冷却器与冷却器(8)串联。

4.根据权利3所述的太阳能驱动的VM循环热泵***，其特征在于，所述冷回热器(3)、热回热器(6)中装有填料，所述填料为400目的青铜丝网。

5.根据权利4所述的太阳能驱动的VM循环热泵***，其特征在于：增设辅助热源(17)，所述辅助热源与热水储水器并连，所述辅助热源为电加热器或加热锅炉。

6.根据权利5所述的太阳能驱动的VM循环热泵***，其特征在于：所述太阳能热水***的热水储水器(13)上设有日用热水出口(16)。

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