CN104019576A - 一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构及方法，其中的一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构，包括高压液体泵、气体放大器、冷凝换热器、节流阀、蒸发器、高压汽化器。该热泵循环比同样使用热能驱动的吸收式热泵的优点是通过充分发挥气体放大器的10~100倍的放大作用，可以实现较高的效率；工质流体在压力驱动下***循环速度加快；***只需要一种机械循环泵，动力需求减少；单一工质一次实现蒸发冷凝过程，***结构大大简化。该循环比吸收式热泵的不同点还有工作压力分别处于高压和低压状态。

Description

一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构及方法

技术领域

本发明涉及射流热泵循环，具体涉及一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构及方法。

背景技术

热泵（英语：Heat Pump）热泵是一种利用某种形式的能量驱动的装置，使热量从某种场合或介质转移到另外的场合或介质中的热能搬运装置。通常利用该技术实现不容易被利用的低温热能，转移到高温热源中进行再利用。热泵按照其技术原理区分有很多种，常见的有压缩式热泵、吸收式热泵、半导体热泵、热管热泵等。热泵工作通常都需要有驱动能源。根据驱动能量来源划分，则有热源驱动、机械动力驱动、电能驱动几大类。

压缩式热泵是利用机械能（如电机、内燃机等）带动压缩机，强制工作介质冷媒（如氟利昂、氨、二氧化碳等）进行气体、液体相变，通过介质以不同形式流动，利用相变过程吸热、放热实现热量随介质流动而转移，实现将低温热源的热量“逆”转移到高温热源中，实现再利用，驱动的动能也转化为热量一并到达输出端；

吸收式热泵是利用高温热能驱动蒸发、凝结循环过程，利用不同状态液体、气体转移，利用不同压力下介质的沸点不同，实现较高温度下凝结释放热量、较低温度下蒸发吸收热量，实现将低温热源的热量“逆”转移到高温热源中，实现再利用，驱动的热能也同样传递到输出端；

半导体热泵则是利用一种具有特殊电流、热流功能的PN结，实现根据电流驱动，实现PN结一侧的热量转移到另外一侧的的特殊能力，用电流作为能源驱动，实现将低温热源的热量“逆”转移到高温热源中，实现再利用，同时驱动电能也转化为热能同时到达目的端；

热管热泵则是利用真空环境下工作媒体（冷媒）蒸发过程吸热汽化，在另一端遇冷凝结，通过重力或毛细作用回流到蒸发端实现循环，同时从高温到低温传导大量热量。这种热管热泵虽然实现的还是高温到低温传热，和自然传热不同之处是具有数十倍甚至数百倍以上的导热效率；

除半导体热泵之外，其它几乎所有的热泵的工作机理在某种意义上来讲都是相同或相似，即通过工作介质（冷媒）的搬运、流动，实际上实现其所带热能的转移和吸收、释放。它们都要采用某种方式强迫介质实现在较低温度环境下汽化吸热，到了较高温度环境下被强迫凝结放热，实现热量随介质的转移而转移。

根据热力学第二定律，热量从高温热源到低温热源都可以实现自然传导，热管热泵可以在不需要能源驱动的情况下实现高效率的、快速的热量自然传导。其它热泵都是希望通过将低温热源中的热源，“逆向”搬运到高温热源中，实现热能的再利用、能量的“放大”利用目的。

根据逆卡诺循环的效率公式：COP=T2/dT。其中T2是热泵热量输出的目标温度，dT是热源和目标温度之间的温差。从公式中可以看出，由于热源不可能是绝对零度（0K），因此能效COP理论值一定是大于100%。而且温差越小，能效比越高；目标温度越高，同样温差，能效比越高。显然，热泵是一个节能减排的非常重要的手段，如果应用得当，可以让各行业的用能状况发生巨大的变化，为解决人类能源危机做出巨大的贡献！目前采用压缩式、吸收式热泵的输出目标温度已经可以超过100℃，完全可以应用在众多的高耗能行业，如食品、药品、造纸、轮胎、化工等等领域，实现高耗能环节的大比例节能！

进入20世纪70年代以后，世界各国都在进一步研究有关射流引流、真空理论，通过对一些细节的研究，如喷口形状、方式、脉动等等因素的研究实践，取得了一定的成果。比如和人类生活密切相关的无叶片风扇，以及工业化应用的气体放大器。

气体放大器原理是当高压气体通过气体放大器 0.05～0.1毫米的环形窄缝后喷出，通过科恩达效应原理及气体放大器特殊的几何形状，最大10~100倍的低压气体可被吸入，并与原始高压气体一起从气体放大器出口吹出。近两年来气体放大器（空气放大器）应用领域迅速扩展，常用大比例节约压缩空气，并且利用压缩空气实现吹尘、吸尘、物料运送等工业应用，技术成熟稳定。这种应用方式下较典型的被吸入的介质是空气或水蒸气。如入口气体是低温、低压蒸汽（可压缩流体），驱动气流是高温、高压过热蒸汽，在高温蒸汽从环形喷口喷出时，会膨胀、降温、降压，同时与低温、低压蒸汽混合，达到热量、动量平衡，最终气流是中温、中压混合蒸汽，从出口排出。

发明内容

本发明为利用射流技术，进一步改善热泵的效率，拓展热泵应用领域，提出一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构，包括高压液体泵、气体放大器、冷凝换热器、节流阀、蒸发器、高压汽化器、气体放大器高压驱动气体输入口及气体放大器气体吸入口；所述高压液体泵输出端连接高压汽化器；所述高压汽化器输出端连接气体放大器高压驱动气体输入口；所述气体放大器输出端连接冷凝换热器；所述冷凝换热器输出端分别连接高压液体泵和节流阀；所述节流阀输出端连接蒸发器；所述蒸发器输出端连接气体放大器气体吸入口。

根据本发明的又一方面，提供了一种热能驱动蒸汽射流热泵循环方法，包括以下步骤：

S1，采用高压液体泵赋予冷媒流体动能，输送给高压汽化器；

S2，高压汽化器内热源将冷媒升温汽化，形成高压、高温冷媒蒸汽，并输送到气体放大器，通过气体放大器高压气体输入口进入，驱动气体放大器工作；

S3，气体放大器工作，气体放大器气体吸入口产生抽吸作用，形成的负压会促使蒸发器里的冷媒能在低温、低压情况下吸热、汽化，并被气体放大器从气体放大器气体吸入口吸入；在气体放大器喉管中和高温、高压冷媒蒸汽混合升温、增压，待被压入冷凝换热器后，冷凝、放热；

S4，进入冷凝换热器后进行热交换，蒸汽冷媒降温，凝结释放大量热量，实现了热量从蒸发器到冷凝换热器的转移；

S5，冷媒从冷凝换热器出口出来后，大部分直接被高压液体泵抽吸、加压进入下一个工作循环；少量冷媒经节流阀限制，进入内部低压的蒸发器，通过低压吸热、蒸发、汽化，通过气体放大器抽真空作用吸出，经气体放大器气体吸入口吸入，进入下一个工作循环。

 

本发明的优点：

这个循环和吸收式热泵的共同点都是用热量驱动循环，都是借助高温热源实现对低温热量的再利用。该循环比吸收式热泵的优点是通过充分发挥气体放大器的10~100倍的放大作用，可以实现较高的效率；压力驱动下，***循环速度加快；***只需要一种机械循环泵，动力需求减少；单一工质，一次蒸发冷凝过程，***结构大大简化。该循环比吸收式热泵的不同点还有工作压力分别处于高压和低压状态。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构示意图；

图2是本发明的一种热能驱动蒸汽射流热泵循环方法流程图。

附图说明：

1为高压液体泵、2为气体放大器、3为冷凝换热器、4为节流阀、5为蒸发器、6为高压汽化器、7为气体放大器高压驱动气体输入口及8为气体放大器气体吸入口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1，如图1所示的一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构，包括高压液体泵1、气体放大器2、冷凝换热器3、节流阀4、蒸发器5、高压汽化器6、气体放大器高压驱动气体输入口7及气体放大器气体吸入口8；所述高压液体泵1输出端连接高压汽化器6；所述高压汽化器6输出端连接气体放大器高压驱动气体输入口7；所述气体放大器2输出端连接冷凝换热器3；所述冷凝换热器3输出端分别连接高压液体泵1和节流阀4；所述节流阀4输出端连接蒸发器5；所述蒸发器5输出端连接气体放大器气体吸入口8。

实施例2

参考图2，如图2所示的一种热能驱动蒸汽射流热泵循环方法，包括以下步骤：

S1，采用高压液体泵1赋予冷媒流体动能，输送给高压汽化器6；

S2，高压汽化器6内热源将冷媒升温汽化，形成高压、高温冷媒蒸汽，并输送到气体放大器2，通过气体放大器高压气体输入口7进入，驱动气体放大器2工作；

S3，气体放大器2工作，气体放大器气体吸入口8产生抽吸作用，形成的负压会促使蒸发器5里的冷媒能在低温、低压情况下吸热、汽化，并被气体放大器2从气体放大器气体吸入口吸入；在气体放大器2喉管中和高温、高压冷媒蒸汽混合升温、增压，待被压入冷凝换热器3后，冷凝、放热；

S4，进入冷凝换热器3后进行热交换，蒸汽冷媒降温，凝结释放大量热量，实现了热量从蒸发器5到冷凝换热器3的转移；

S5，冷媒从冷凝换热器3出口出来后，大部分直接被高压液体泵1抽吸、加压进入下一个工作循环；少量冷媒经节流阀4限制，进入内部低压的蒸发器5，通过低压吸热、蒸发、汽化，通过气体放大器2抽真空作用吸出，经气体放大器气体吸入口8吸入，进入下一个工作循环。

该热能驱动蒸汽射流热泵利用热源驱动得到气态射流产生的“带动”作用形成对冷媒的抽吸、挤压作用，在蒸发器、冷凝器部位形成压力差，利用不同压力下冷媒介质的沸点不同，实现较低温度、低压下蒸发吸收热量，较高温度、高压下凝结释放热量，实现将低温热源的热量“逆”转移到高温热源中，实现部分低位热量再利用，驱动的热源热能也同样传递到输出端。

本发明中的高压汽化器用于将液体汽化为气体，也是一种锅炉，即使改变为利用锅炉产生蒸汽，也不影响本发明；在本发明基础上依据众所周知的知识，根据实际需要，增加冷媒过滤、储存、转储、真空保持等附加装置，均不影响本发明；在冷媒汽化过程中，显然存在完全气化、汽化、汽液混合等状态，均可以实现气体放大器驱动作用，也不影响本发明。

这个循环和吸收式热泵的共同点都是用热量驱动循环，都是借助高温热源实现对低温热量的再利用。该循环比吸收式热泵的优点是通过充分发挥气体放大器的10~100倍的放大作用，可以实现较高的效率；压力驱动下，***循环速度加快；***只需要一种机械循环泵，动力需求减少；单一工质，一次蒸发冷凝过程，***结构大大简化。该循环比吸收式热泵的不同点还有工作压力分别处于高压和低压状态。该专利如用于某些场合，可以高效率同时实现冷媒的再循环和热回收，如火力发电工艺、造纸蒸汽利用等环节，大幅度提高能源、热能的利用效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种热能驱动蒸汽射流热泵循环结构，其特征在于，包括高压液体泵（1）、气体放大器（2）、冷凝换热器（3）、节流阀（4）、蒸发器（5）、高压汽化器（6）、气体放大器高压驱动气体输入口（7）及气体放大器气体吸入口（8）；所述高压液体泵（1）输出端连接高压汽化器（6）；所述高压汽化器（6）输出端连接气体放大器高压驱动气体输入口（7）；所述气体放大器（2）输出端连接冷凝换热器（3）；所述冷凝换热器（3）输出端分别连接高压液体泵（1）和节流阀（4）；所述节流阀（4）输出端连接蒸发器（5）；所述蒸发器（5）输出端连接气体放大器气体吸入口（8）。

2.一种热能驱动蒸汽射流热泵循环方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采用高压液体泵（1）赋予冷媒流体动能，输送给高压汽化器（6）；

S2，高压汽化器（6）内热源将冷媒升温汽化，形成高压、高温冷媒蒸汽，并输送到气体放大器（2），通过气体放大器高压气体输入口（7）进入，驱动气体放大器（2）工作；

S3，气体放大器（2）工作，气体放大器气体吸入口（8）产生抽吸作用，形成的负压会促使蒸发器（5）里的冷媒能在低温、低压情况下吸热、汽化，并被气体放大器（2）从气体放大器气体吸入口吸入；在气体放大器（2）喉管中和高温、高压冷媒蒸汽混合升温、增压，待被压入冷凝换热器（3）后，冷凝、放热；

S4，进入冷凝换热器（3）后进行热交换，蒸汽冷媒降温，凝结释放大量热量，实现了热量从蒸发器（5）到冷凝换热器（3）的转移；

S5，冷媒从冷凝换热器（3）出口出来后，大部分直接被高压液体泵（1）抽吸、加压进入下一个工作循环；少量冷媒经节流阀（4）限制，进入内部低压的蒸发器（5），通过低压吸热、蒸发、汽化，通过气体放大器（2）抽真空作用吸出，经气体放大器气体吸入口（8）吸入，进入下一个工作循环。