CN113669945A - 废热循环冷却*** - Google Patents

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CN113669945A CN202010465706.0A CN202010465706A CN113669945A CN 113669945 A CN113669945 A CN 113669945A CN 202010465706 A CN202010465706 A CN 202010465706A CN 113669945 A CN113669945 A CN 113669945A
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Abstract

本申请实施例公开了一种废热循环冷却***，包括：珀尔帖设备、废热循环利用回路和处理器。珀尔帖设备包括热端和靠近室内的冷端，所述冷端与冷却管连接，设在所述冷却管的侧边的风扇用于将空气吹拂所述冷却管以使冷却后的空气吹入到室内；废热循环利用回路包括储液罐、锅炉、涡轮、发电机以及冷凝器，所述储液罐、所述锅炉、所述涡轮、所述冷凝器通过管道依次连接形成封闭的循环回路；其中，所述储液罐用于存储从所述冷凝器回流的流体并使部分流体流入所述锅炉；所述锅炉用于利用所述热端的热量加热流入到所述锅炉的流体以产生蒸汽，所述蒸汽用于驱动所述涡轮旋转以带动所述发电机发电；所述冷凝器用于将从所述涡轮逸进所述冷凝器中的蒸汽冷凝成液体以回流到所述储液罐中。处理器用于控制所述珀尔帖设备和所述废热循环利用回路。本申请实施例可以有效利用制冷产生的废热，提高制冷效率。

Description

废热循环冷却***
技术领域
本申请实施例涉及制冷技术领域，尤其涉及一种废热循环冷却***。
背景技术
冷却设备是现代社会必不可少的控制环境条件的装置，其在家庭、工业场所、运输、存储等环境中都随处可见。特别是在世界上热带的区域，空调、冰箱等冷却设备的使用变得越来越普遍。使用空调、冰箱来保持凉爽的能源约占全球建筑用电量的五分之一，占当今全球总用电量的10％。这些冷却设备利用电能将环境中的热量从内部区域交换到外部区域中，从而实现冷却室内环境的效果。
在现有的冷却设备中，均包括冷端和热端。冷端包括蒸发器和风扇，风扇将空气吹入冷盘管，并通过风扇将冷却的风吹入到室内。热侧包括压缩机、冷凝器和另一个风扇，用于将压缩机制冷剂排出的热空气排到室外。
但是现有的冷却***具有一些影响环境的副作用，例如：在运行过程中***产生的废热会排出到室外，影响室外环境；压缩机所利用的制冷剂排出或泄漏有可能损伤大气的臭氧层或加剧温室效应。
发明内容
本发明实施例提供一种废热循环冷却***，以解决或缓解现有技术中的一项或更多项技术问题。
作为本发明实施例的一个方面，本发明实施例提供一种废热循环冷却***，包括：珀尔帖设备、废热循环利用回路和处理器。珀尔帖设备包括热端和靠近室内的冷端，其中，所述冷端与冷却管连接，设在所述冷却管的侧边的风扇用于将空气吹拂所述冷却管来冷却空气并将冷却后的空气吹入到室内。废热循环利用回路包括储液罐、锅炉、涡轮、发电机以及冷凝器，其中，所述储液罐、所述锅炉、所述涡轮、所述冷凝器通过管道依次连接形成封闭的循环回路；所述储液罐用于存储从所述冷凝器回流的流体；所述锅炉与所述热端接触，用于利用所述热端的热量对从所述储液罐流入到所述锅炉的流体加热以产生蒸汽，所述蒸汽用于驱动所述涡轮旋转以带动所述发电机发电；所述冷凝器用于将从所述涡轮逸进所述冷凝器中的蒸汽冷凝成液体以回流到所述储液罐中。所述处理器用于控制所述珀尔帖设备和所述废热循环利用回路。
在一些实施例中，所述废热循环利用回路还包括设在以下至少一个位置上的阀：所述储液罐与所述锅炉之间、所述锅炉与所述涡轮之间、所述涡轮与所述冷凝器之间、所述冷凝器与所述储液罐之间；所述处理器与所述阀的控制端连接，用于控制所述阀的打开与关闭。
在一些实施例中，所述***还包括设在所述锅炉内和所述涡轮的出气口的压力传感器、以及设在所述锅炉和所述涡轮之间的第一阀；所述压力传感器用于检测所述锅炉内的压力和所述涡轮的出气口的压力，并传送给与所述压力传感器连接的所述处理器；所述处理器用于计算所述锅炉内的压力与所述涡轮的出气口的压力的差值，并在所述差值等于或大于能驱动所述涡轮的压力最小值时，打开所述第一阀以释放所述蒸汽来驱动所述涡轮。
在一些实施例中，所述***还包括与所述处理器连接且分别设在所述储液罐、所述冷凝器和所述锅炉中的液位传感器、设在所述冷凝器的出口处的第二阀、以及设在所述储液罐与所述锅炉之间的第三阀；所述处理器用于确定所述储液罐的液位是否在安全液位范围内，并根据确定结果控制所述***；所述处理器用于确定所述冷凝器的液位是否达到设定的液位阈值，以及如果所述冷凝器的液位达到该液位阈值时打开所述第二阀使流体从所述冷凝器流出并回流到所述储液罐中；所述处理器用于确定所述锅炉的液位是否低于设定的液位阈值，以及如果所述锅炉的液位低于该液位阀值，打开第三阀以使流体从所述储液罐流出并流入到所述锅炉中。
在一些实施例中，所述***还包括设在所述储液罐与所述锅炉之间的泵，所述处理器与所述泵的控制端连接，所述处理器用于在所述第三阀打开时，打开所述泵将流体从所述储液罐泵入到所述锅炉中。
在一些实施例中，所述***还包括与所述处理器连接且分别设在所述锅炉、所述冷凝器、所述冷端和所述热端的温度传感器；所述处理器用于控制所述锅炉、所述冷凝器、所述冷端和所述热端的温度达到设定的温度范围，以保证所述***正常运行。
在一些实施例中，所述处理器还用于控制所述风扇的风速，以调节通过所述冷却管的气流的流速。
在一些实施例中，所述废热循环利用回路还包括所述发明机的电流输出端连接的电能量存储器，用于存储所述发电机产生的电能。
在一些实施例中，所述废热循环利用回路还包括设在所述发电机的电流输出端与所述能量存储器之间的功率调节器，用于调节输入所述能量存储器的电流的功率。所述功率调节器还用于与外部供电设备连接，并调节输出到所述***的电流的功率，以为所述***供电。
在一些实施例中，所述***还包括用于容纳所述废热循环利用回路的外壳。
本发明实施例采用电力供电的环保的冷却***。***利用珀尔帖设备代替压缩机来冷却环境，并将其产生的热能经过锅炉传导给吸热的流体，使流体可以蒸发成蒸汽。然后，蒸汽进入涡轮机驱动其旋转并带动发电机发电。从而***中产生的废热能够用于发电，以循环利用电能。这样，废热不再散发到环境中，减少对环境的副作用并提高冷却效率。
与现有的空调相比，本发明实施例的***不需要压缩机来进行制冷，而是采用珀尔帖设备来制冷。而且，通过改变珀尔帖设备这一关键部件的数量可以获得较大的冷却功率，成本更低，效率更高，使用寿命更长。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。
图1示出了根据本发明实施例的废热循环冷却***的控制框图。
图2示出了根据本发明实施例的废热循环冷却***的结构图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
作为一种示例性的实施方式中，图1示出了根据本发明实施例的废热循环冷却***的控制框图。图2示出了根据本发明实施例的废热循环冷却的结构图。本发明实施例的废热循环冷却***可以应用在诸如冰箱、空调、车辆空调的设备中，甚至可以应用在便携式冷却风扇中。
如图2所示，废热循环冷却***可以包括：珀尔帖设备3、废热循环利用回路21和用于控制珀尔帖设备3和废热循环利用回路21的处理器12。珀尔帖设备3包括热端32和靠近室内的冷端31，冷端31与冷却管1连接。处理器12可以控制供电开关的打开与关闭，为珀尔帖设备3供电。当珀尔帖设备3工作时，珀尔帖设备3通过电热效应产生一个热端32和一个冷端31。热端32产生的热量等于珀尔帖设备3的功耗与冷端31产生的冷却量之和。以P表示珀尔帖设备3的功耗，以Qh表示热端32产生的热量，以Qc表示冷端31产生的冷却量。这三者的单位均为瓦特。这样，热端32产生的热量Qh＝P+Qc。对于如此大的热量能够进行再次循环利用，可以有效地提高冷却效率。
对于冷端31，冷端31与冷却管1接触，在冷端31发冷时，冷却管1的温度也随之降低。冷却管1的侧边设有风扇2。也可以设有多个风扇2。风扇2将空气流吹拂冷却管1来冷却并使冷却后的空气吹入到室内，使室内环境温度下降，达到降温的效果。
对于热端32，废热循环利用回路21可以包括储液罐15、锅炉13、涡轮11、发电机10以及冷凝器6等。储液罐15、锅炉13、涡轮11、冷凝器6通过管道7依次连接形成封闭的循环回路。锅炉13与珀尔帖设备3的热侧接触。管道7内物质以流体和蒸汽两种形态在管道7内循环流动。流体是一种可以吸热的液体，例如沸点低于100℃的流体。其可以作为热交流过程的介质。储液罐15可以存储从冷凝器6回流的流体。当锅炉13的流体变少了时，储液罐中的部分流体可以流入到锅炉13中。锅炉13利用热端32产生的热量对流入到锅炉13的流体加热，以产生蒸汽。锅炉13内部的气压逐渐增大，蒸汽可以从锅炉13中逸出，并穿过管道7进入到涡轮11中，驱动涡轮11旋转以带动发电机10发电。发电机10产生的电能可以为珀尔帖设备3、处理器12以及***内的其他部件供电。然后，蒸汽可以从涡轮11逸出，并穿过管道7进入到冷凝器6中。冷凝器6将蒸汽冷凝成液体。当液体溢满时，将会回流到储液罐15中。
为了提高工作效率，***内可以设置多个珀尔帖设备3、多个废热循环利用回路21，以及回路中的各部件也可以是多个。
废热循环利用回路21可以设置多个阀来控制回路的流体或蒸汽的流动。
例如，在锅炉13与涡轮11之间的管道7中、锅炉13的出口或涡轮11的进口可以设置一个阈，称其为第一阀41。在冷凝器6与储液罐15之间的管道7中、冷凝器6的出口或储液罐15的入口可以设置一个阈，称其为第二阀42。在储液罐15与锅炉13之间的管道7中、储液罐15的出口或锅炉13的进口可以设置一个阈，称其为第三阀43。在涡轮11与冷凝器6之间的管道7中、涡轮11的出口或冷凝器6的进口可以设置一个阀，称其为第四阀44。
在***中可以设置多个压力传感器18、温度传感器16以及液位传感器17。处理器12与这些传感器连接，根据传感器的反馈来控制***的热交换过程。
压力传感器18可以分别设置在锅炉13内和在涡轮11的出气口。处理器12通过锅炉13内的压力传感器18可以检测到锅炉13的压力，以及通过涡轮11的出气口的压力传感器18可以检测到涡轮11的出气口的压力，然后计算两者之差。一旦两者的压力差等于或小于驱动涡轮11的压力最小值，处理器12打开第一阀41，释放蒸汽来驱动涡轮11。然后，涡轮11驱动发电机10发电。驱动涡轮11和发电机10之后，大部分蒸发的吸热流体返回到其液体形式。然后，吸热流体通过一个或多个管子流入冷凝器6。
压力传感器18可以设置在冷却管1的表面。处理器12通过冷却管1的压力传感器18检测到冷却这一侧的风压，进而控制风扇2的风速，进而控制穿过冷却管1的空气的流速。
液位传感器17可以设置在储液罐15、冷凝器6以及锅炉13中。
处理器12通过储液罐15的液位传感器17可以检测到储液罐15的液位。如果储液罐15的液位不在安全范围内，则处理器12打开或关闭***内的一个或多个阈来调整储液罐15的液位。例如，如果储液罐15的液位过高，则关闭第二阀42并打开第三阀43，储液罐15的流体可以流入到锅炉13中，并阻止冷凝器6的流体回流到储液罐15中。如果储液罐15的液位过低，则打开第二阀42并关闭第三阀43，冷凝器6的流体可以回流到储液罐15中，且阻止储液罐15的流体流入到锅炉13中。
处理器12可以通过冷凝器6的液位传感器17检测到冷凝器6的液位。如果冷凝器6的液位达到液位阈值时，处理器12打开第二阀42使流体从冷凝器6流出并回流到储液罐中。其中，冷凝器6的出口可以设在冷凝器6的一定高度处，当冷凝器6的液位到达这个出口的位置时，第二阀42可以自行打开，流体回流到储液罐15中。
处理器12通过锅炉13的液位传感器17检测到锅炉13的液位。锅炉13中的流体会随着加热蒸发而逐渐减少。当其液位低于设定的液位阈值时，处理器12打开第三阀43，流体从储液罐15流出并流入到锅炉13中。在一些实施方式中，可以在储液罐15与锅炉13之间的管道7中设置泵14。处理器12可以控制泵14的打开与关闭，并可以由发电机10、能量存储器9或者外部供电设备供电。当第三阀43打开时，处理器12可以同时打开泵14，使储液罐15中的流体可以快速泵进到锅炉13中。如果储液罐15内的流体的液位高于设定的液位阈值，处理器12可以停止泵14工作并关闭第三阀43。
温度传感器16可以设在锅炉13、冷凝器6、冷端31和热端32。处理器12可以通过这些温度传感器检测锅炉13、冷凝器6、冷端31和热端32温度，以控制他们的温度落在设定的温度范围，以保证***正常运行。
废热循环利用回路21还可以包括与发电机10的电流输出端连接的一个或多个能量存储器9，用于存储发电机10产生的电能。能量存储器9可以输出电流给珀尔帖设备3、泵14、处理器12进行供电。发电机10产生的电能除了存储在能量存储器9中之外，还可以直接为***供电。
废热循环利用回路21还可以包括功率调节器8。功率调节器8可以设有多个电源输入端，分别与发电机10、外部供电设备、能量存储器9等的电源输出端连接，功率调节器8设有多个电源输出端，分别与能量存储器9、珀尔帖设备3、泵14、处理器12等的电源输入端连接。功率调节器8可以调节输入到其中的电流的功率，为***及***中各组件供电或能量存储。
废热循环冷却***还可以具有一个外壳5。此外壳5将废热循环利用回路21封闭起来，可防止制冷过程中，热量泄漏到外壳5的外部。
在本发明实施例中，废热循环冷却(WHRC)***可以在内部将热能转换为有用的能源，以供其消耗和/或存储，否则将被浪费掉，倾倒到可能导致全球变暖的环境中。在将捕获的热能转化为有用功时，可以回收一部分废热能，以提高冷却效率。
珀尔帖设备3现在是WHRC***的一部分，而不是在传统空调冷却***内部所使用的压缩机，这减少了具有压缩机的传统冷却***的寿命。WHRC***的另一个好处是，由于冷却能力可以随流体回路的数量而成倍增加，因此WHRC***可以满足不同的冷却需求。因此，本发明的实施例将应用于各种应用，例如家用空调、冰箱、商业供暖、通风和空调(HVAC)、工业冷冻机等。WHRC***的额外好处是节省了能源成本，它的运行是因为它捕获了余热，以将其再生为电能，从而存储到其能量存储和/或自身消耗中。
本发明实施例具有以下有益效果：
1.此冷却***具有不使用压缩机的珀尔帖设备，珀尔帖设备可以提供热电效应来冷却环境。当珀尔帖设备通电时，风扇吹过与珀尔帖设备的冷侧接触的冷却管时，风扇会吹送空气。设备的热侧与锅炉接触，使内部的吸收热量的沸腾沸腾。
2.该冷却***由沸点低于100℃的吸热流体组成，该流体通过利用冷却***内的相变而作为热交换过程的介质进行循环。流体从热侧吸收热能并蒸发成气体。然后，气体进入涡轮和发电机中以发电，该电能将被***消耗和/或存储在电池中。接下来，蒸气进入冷凝器，并变回流体，该流体将流入储液罐。储液罐中的流体将泵入锅炉进行循环。该冷却***能够在冷却过程中将废热排出，以产生能量。
3.该冷却***安装了涡轮和发电机，从蒸汽状态的吸热流体中回收热能，并将其转化为电能。这样可以在冷却***内进行热回收过程。***不会产生废热。
4.***中的电子控制单元(ECU)或处理器将利用来自液位、温度和压力传感器的信号来控制阀门和泵，这些传感器会为热交换过程、珀尔帖设备和功率调节器生成并监控流体流量。它可以防止流体泄漏、过压和过热情况，以提供安全保护。
5.根据热电效应，以瓦特为单位的珀尔帖设备热侧产生的热量(Qh)等于以瓦特为单位的珀尔帖设备的功耗(P)与以瓦特为单位的珀尔帖器件的冷端产生的冷却量(Qc)之和。Qh＝P+Qc。该冷却***可以通过在运行期间捕获Qh来完成能量再生过程。因此，热量不会泄漏到外部区域。这能够消除环境的人为加热。
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种废热循环冷却***，其特征在于，包括：
珀尔帖设备，其包括热端和靠近室内的冷端，其中，所述冷端与冷却管连接，设在所述冷却管的侧边的风扇用于将空气吹拂所述冷却管以使冷却后的空气吹入到室内；
废热循环利用回路，其包括储液罐、锅炉、涡轮、发电机以及冷凝器，其中，所述储液罐、所述锅炉、所述涡轮、所述冷凝器通过管道依次连接形成封闭的循环回路；所述储液罐用于存储从所述冷凝器回流的流体；所述锅炉与所述热端接触，用于利用所述热端的热量对所述锅炉的流体加热以产生蒸汽，所述蒸汽用于驱动所述涡轮旋转以带动所述发电机发电；所述冷凝器用于将从所述涡轮逸进所述冷凝器中的蒸汽冷凝成液体以回流到所述储液罐中；
处理器，用于控制所述珀尔帖设备和所述废热循环利用回路。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述废热循环利用回路还包括设在以下至少一个位置上的阀：所述储液罐与所述锅炉之间、所述锅炉与所述涡轮之间、所述涡轮与所述冷凝器之间、所述冷凝器与所述储液罐之间；
所述处理器与所述阀的控制端连接，用于控制所述阀的打开与关闭。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述***还包括设在所述锅炉内和所述涡轮的出气口的压力传感器、以及设在所述锅炉和所述涡轮之间的第一阀；
所述压力传感器，用于检测所述锅炉内的压力和所述涡轮的出气口的压力，并传送给所述处理器；
所述处理器用于计算所述锅炉内的压力与所述涡轮的出气口的压力的差值，并在所述差值等于或大于能驱动所述涡轮的压力最小值时，打开所述第一阀以释放所述蒸汽来驱动所述涡轮。
4.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述***还包括与所述处理器连接且分别设在所述储液罐、所述冷凝器和所述锅炉中的液位传感器、设在所述冷凝器的出口处的第二阀、以及设在所述储液罐与所述锅炉之间的第三阀；
所述处理器用于确定所述储液罐的液位是否在安全液位范围内，并根据确定结果控制所述***；
所述处理器用于确定所述冷凝器的液位是否达到设定的液位阈值，以及如果所述冷凝器的液位达到该液位阈值时打开所述第二阀使流体从所述冷凝器流出并回流到所述储液罐中；
所述处理器用于确定所述锅炉的液位是否低于设定的液位阀值，以及如果所述锅炉的液位低于该液位阈值，打开第三阀以使流体从所述储液罐流出并流入到所述锅炉中。
5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述***还包括设在所述储液罐与所述锅炉之间的泵，所述处理器与所述泵的控制端连接，所述处理器用于在所述第三阀打开时，打开所述泵将流体从所述储液罐泵入到所述锅炉中。
6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括与所述处理器连接且分别设在所述锅炉、所述冷凝器、所述冷端和所述热端的温度传感器；所述处理器用于控制所述锅炉、所述冷凝器、所述冷端和所述热端的温度达到安全温度范围，以保证所述***正常运行。
7.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述处理器还用于控制所述风扇的风速，以调节通过所述冷却管的气流的流速。
8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述废热循环利用回路还包括与所述发电机的电源输出端连接的能量存储器，用于存储所述发电机产生的电能。
9.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述废热循环利用回路还包括设在所述发电机的电流输出端与所述能量存储器之间的功率调节器，用于调节输入所述能量存储器的电流的功率；
所述功率调节器还用于与外部供电设备连接，并调节输出到所述***的电流的功率。
10.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括用于容纳所述废热循环利用回路的外壳。
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