CN1786622A - 多级组合能量交换机及能量交换方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及蒸汽压缩式循环和热机技术领域的装置，尤指一种用于汽轮机或其它蒸汽压缩式循环和热机的多级组合能量交换机及能量交换方法。该装置由压缩机、冷凝器、蒸发器、电动机、水泵、热机及发电机等部件组成，并设有四组并行连接的压缩循环装置，该方法通过四组并行连接的压缩循环装置的压缩循环组合，将第二组、第三组及第四组压缩循环装置的蒸发器和冷凝器合并，进行能量交换，经过热机输出功和电能。本发明的优点是：不需要任何燃料或外功，即可从低温热源吸收能量转变成高温热源，再通过热机和电机转变成电能的能量交换机，解决了工质、压缩机性能及环境温度等技术问题，并具有提高热效率及热机效率等特点。

Description

多级组合能量交换机及能量交换方法

技术领域

本发明涉及一种蒸汽压缩式循环和热机的技术领域，尤指一种用于汽轮机或其它蒸汽压缩式循环和热机的多级组合能量交换机。

背景技术

自然界，如地球内部，大气及天然水源中都蕴藏着巨大的能量，某地工厂生产中也排放大量的余热；但所有这些热量的品位底，即热量的温度水平比人们需要的，因此难以直接利用.热泵相当于热源的采掘机械.它消耗一部分高级能量(电能.或机械能)，通过热力循环，把自然环境(水.空气.大地)或生产排放余热中贮存的能量加以挖掘；从中吸取热量然后把它泵送到人门需用的较高温度体系中，达到制取生级热量的目的.

热泵的经济性用制热系数COP表示，它是消耗单位W_S所得到共热量Q₁

         COP＝Q₁/W_S                     式(5-65)

可逆热泵(逆卡诺循环)的制热系数

         COP＝T₂/(T₂-T₁)                式(5-66)

式(5-66)说明，可逆热泵的制热系数只与高温源温度T₂与低温源T₁有关，而与工质性质无关；当高温源的温T₂一定时，其性能系数与高底温源的温差(T₂-T₁)成反比，此温差越小，消耗单位外功所得的热量越多，采用热泵使余热升级越合算。

因为Q₁＝Q₀+W_S，即从低温源传给工质的热量Q₀和消耗的机械工W_S之和等于供给高温的热量Q₁，可以导出制热系数与制冷系数的关系.

                      COP＝Q₀+W_S.

由上式可知，COP永远大于1，制冷系数为4个热泵，其制热系数为5，即供热量Q₁是压缩机消耗量W_S的5倍，也就是消耗1kJ的功可以得到5kJ的热量，这比直接燃料燃烧或电加热获得热量更加有利.因此，热泵是一种比较合理的供热装置，是一种节能设备，当然，是否采用热泵，还要看驱动压缩机的机械能或电能的费用.

热泵可以用作住房和工业建筑物室温调节，冬天升温，夏天降温，在冬季，热泵从环境中吸收热量，并将热量传给住房难或建筑物，这个过程是由制冷剂通过装于地下或露于空气的蒸发器吸收环境热量进行蒸发；制冷剂蒸气经压缩机压缩到这样一个压力，即可在高于室温的温度下被空气或水冷疑，在冷疑时传递给空气或水的热量又用来对室内或建筑物进行加热升温，使室内温度高于室外.在夏季，热泵作为制冷机使用，即制冷剂反向流动，制冷剂低温从房内的空气吸热，在高温下排向室外的空气或地下蓄热设备，使室内温度低于室外，起降温的作用.这样，热泵可以一机两用。

人们为了在自然环境中得到高级能源进行深入研究，并取得成果，例如风力发电.光电效应及江河截流发电.它们优点是不需要任何燃料，所以对环境没有污染，但是投资较大，且发电量有限.目前主要还是以燃料燃烧产生动力，其优点输出功率大，但还是消耗能源(如石油.煤)，对环境也有污染.人们为了更好利用能源提高效率动了不少脑筋，如热电厂以燃料燃烧中得到高级能源再通过热机转变成机械能，排出余热用来供暖.用热泵吸收余热将温度再提高用来供暖以上方法都为了更好利用能源.减少能量损失，但是对环境污染没有根本解决办法，也是产生温室效应的主要原因，为了保护环境，把燃料电池运用到交通工具上，但是其价格昂贵，加燃料也不方便；难以普及.如何不用任何燃料或外功，从低温热源吸收能量转变成高温热源，再通过热机和电机转变成电能，也就是要解决的技术方案。

目前工业热泵输出温度在150℃左右，这与制冷剂所能承受的温度有关.实际上当制冷剂蒸发温度与环境温度越接近时，热交换越差.制冷或制热效果越差；假设一台空调制冷剂蒸发温度为5℃.室内外温度为30℃.热交换较好.制冷或制热效果较好，经蒸发吸热后制冷剂的温度(也就是过热温度)为25℃左右.冷凝放热后制冷剂的温度(也就是过冷温度)为35℃左右，根据逆卡诺循环，其性能系数与高底温源的温差(T₂-T₁)成反比也就是说蒸发吸热后的温度与冷凝放热后的温差不大，制冷或制热效果较好.当室内温度不断下降并接近制冷剂蒸发温度5℃，此时能量交换较差，蒸发吸热后的温度与冷凝放热后的温差较大.制冷或制热效果差，相当于增加功耗，当制冷量或制热量保持不变时，蒸发吸热后的温度与冷凝放热后的温差越大，消耗的功也就越大.如果想从自然环境中吸热后得到350℃---550℃高温，必定消耗大量的功，不如直接用电或燃料燃烧加热得到.这也就低级能源无法转变成高级能源的主要原因，热泵也就是压缩机主要用于制冷和制热，随着技术的发展效力越来越高.如果热泵功耗为1那么它的制热量是热泵功耗的5倍，如果能够将5倍热泵的能量转变成机械能再转变电能，一部分用来为维持热泵正常运转，一部分用来供电，也就是说不断从自然环境中(如地球内部，大气及天然水源)吸收能量，.自然环境中的能量是取之不尽，所以确保低温热源的供应，使***设备不断从低温热源吸热转变成高温热源，再通过现有技术转变成电能，一部分用来为维持热泵正常运转，一部分用来供电，当然对温度有一定的要求，如果温度过低难以维持热机(如汽轮机以下就以汽轮机为例)正常运转.温度及压力越高效率也越高，与热机性能及效率有关.根据中国电力出版社实用热工基础134页蒸汽初温对循环热效率影响.当初温为摄氏350度时，它的循环热效率为0.355，当初温为摄氏550度时，它的循环热效率为0.389.相当于1kJ能量只有0.355kJ能量转变成机械能，因为常温下普通热泵输出温度在60-90℃左右，要想达到350℃至550℃的高温，并且热泵的制热量必须达到自身功耗的三倍以上，因为它的循环热效率为0.355假设热泵的功耗为1那么它制热量为3，3*0.355＝1.065的能量转变机械能，基本上只能维持热泵运转.没有功输出，所以提高制热量很有必要，并且要达到350℃至550℃的高温。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种不用任何燃料或外功，从低温热源吸收能量转变成高温热源，再通过热机和电机转变成电能的多级组合能量交换机。

本发明要解决的技术问题是：要解决如何不用任何燃料或外功，从低温热源吸收能量转变成高温热源，即可输出功或电能的问题，要解决工质、压缩机性能、热效率、热机效率及环境温度等技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置由压缩机、冷凝器、蒸发器、电动机、水泵、热机及发电机等部件组成，其设有四组并行连接的压缩循环装置或n组并行连接的压缩循环装置等组成，其中：

每一组压缩循环装置左侧设有膨胀机及过冷器，右侧设有过热器及压缩机，上部设有冷凝蒸发器，下部设有蒸发器，其第一组压缩循环装置、第二组压缩循环装置、第三组压缩循环装置及第四组压缩循环装置之间的左侧均通过过冷器相互并行连接，其第一组、第二组、第三组及第四组压缩循环装置之间的右侧通过过热器相互并行连接，每一组压缩循环装置中的膨胀机、蒸发器、过热器、冷凝蒸发器及过冷器之间为依次串行连接；其第二组、第三组及第四组压缩循环装置的压缩机和电动机串行连接在其右侧的冷凝蒸发器和过热器之间；热机循环部分的过冷器和冷凝蒸发器之间串接有水泵，过冷器和过热器之间串接有热机，且热机和发电机相连接。

所述的多级组合能量交换机的第一组压缩循环装置的左侧设有一个调节阀，调节阀串接在过冷器和膨胀机之间，为低级能源变成高级能源，为热机利用。

所述的多级组合能量交换机的第一组压缩循环装置内的工质为空调用的制冷剂；第二组压缩循环装置内的工质为水和乙醇；第三组、第四组压缩循环装置内的工质均为水，不需燃料或外功。

所述的多级组合能量交换机的压缩循环装置为四组或四组以上并行连接的压缩循环装置。

一种多级组合能量交换机的能量交换方法，该方法通过四组并行连接的压缩循环装置的压缩循环组合，将第二组、第三组及第四组压缩循环装置的蒸发器和冷凝器合并，进行能量交换，为低级能源变成高级能源，经过热机输出功和电能，其能量交换的具体步骤是：

步骤1.吸收能量

第一组压缩循环装置从环境中吸收能量；

步骤2.压缩循环

第二组压缩循环装置，通过蒸发器和冷凝器进行能量交换，使排出温度升高；

步骤3.压缩循环

第三组压缩循环装置，通过蒸发器和冷凝器进行能量交换，使排出温度进一步升高；

步骤4.检查和判断

第四组压缩循环装置，通过蒸发器和冷凝器进行能量交换，使排出温度更高，检查和判断其达到热机能够利用的温度为止。

本发明的有益效果是：本***设备不需要任何燃料或外功，即可从低温热源吸收能量转变成高温热源，再通过热机和电机转变成电能的能量交换机，解决了工质、压缩机性能及环境温度等技术问题，并提高了热效率及热机效率。

附图说明

下面结合附图说明和实施例对本发明进一步说明。

附图1为本发明整体结构示意图；

附图标号说明：

1-膨胀机；

2-调节阀；

3-蒸发器；

4-冷凝蒸发器；

5-压缩机；

6-电动机；

7-过冷器；

8-水泵；

9-过热器；

10-热机；

11-发电机；

具体实施方式：

现在制冷与热泵技术已经相当成熟，有很多种循环制冷方式，根据制冷的程度来选择循环制冷方式.有单级制冷循环和多级制冷循环；深度制冷循环及复叠式制冷循环等.所谓单级制冷循环，是单个压缩机组成的制冷循环.由于单级制冷循环所达到温度并不是很低，所以利用多级制冷循环达到更低的温度.多级制冷循环也就是多个压缩机相配合来达到更低的温度.但是大部分制冷循环都离不开制冷剂，制冷剂特性各不相同.目前理想的制冷剂并没有，一是要制冷剂在同一压力下沸点要低，二要它的临界温度和临界压力要高，三是要它对环境没有影响，四是要它无毒不易燃.所以目前理想的制冷剂并没有，根据制冷或制热的程度选择相对合适制冷剂.在制冷过程中，人们需要什么样低温都能达到什么样低温，在制热过程中，人们需要什么样高温并没有达到什么样高温，一是因为温差越大，能量消耗也越大，二是因为制冷剂无法如此高温.同样是消耗能量，不如燃料燃烧加热得到或通过内燃机直接转变机械能.所以人们认为对(高温)制热的研究意义不大.但是对制冷的研究也跟制热有相当大的关系，一边吸收能量另一边必定放出能量，也就是说在制冷的同时也在制热，只不过制热的温度远达不到要求.在复叠式制冷循环也是制冷循环的一种，就以复叠式制冷循环为例，假定三个单级压缩组合复叠式制冷循环中，蒸发器的温度已经很低，蒸发温度可达到--120℃，如果有回热循环；那么压缩机排出温度可达180℃左右，如果此时将蒸发器放入25℃左右水流中那么热交换相当强烈，所吸取能量相当多；根据制冷剂流量，比热，温差，就可以算出它所吸收能量是多少.功率1000瓦压缩机；制冷剂循环流量约为0.06kg/s，平均比热约为1.54kJ(kg/K)蒸发器过热度约140K，把它们相乘就是所吸收能量，所吸收能量为12.94kJ/s.1瓦＝1J/s，得出所吸收能量12.94kw.但随着蒸发温度升高，所吸收能量也随之减少，如果采用回热循环过热度会更高.当能量交换达到热平衡之后，过热度约为50K.也就是说过热温度比蒸发温度高50℃.此时所吸收能量约为4.62kw，压缩机总功率约1kw.它的制冷效率4.62制热量效率5.62那么冷凝器温度大概是多少，环境温度为25℃蒸发器过热温度约为20℃压缩机排出温度95℃温差75℃，经过三个压缩机压缩升温冷凝器温度约为225℃，这时还未达到要求.还要增加一组或二组压缩循环.必需再提高它的效率.

请参阅附图1所示，本发明装置由压缩机、冷凝器、蒸发器、电动机、水泵、热机及发电机等部件组成，设有四组并行连接的压缩循环装置或n组并行连接的压缩循环装置组成，其中：

每一组压缩循环装置左侧设有膨胀机(1)及过冷器(7)，右侧设有过热器(9)及压缩机(5)，上部设有冷凝蒸发器(4)，下部设有蒸发器(3)，其第一组压缩循环装置、第二组压缩循环装置、第三组压缩循环装置及第四组压缩循环装置之间的左侧均通过过冷器(7)相互并行连接，其第一组、第二组、第三组及第四组压缩循环装置之间的右侧通过过热器(9)相互并行连接，每一组压缩循环装置中的膨胀机(1)、蒸发器(3)、过热器(9)、冷凝蒸发器(4)及过冷器(7)之间为依次串行连接；其第二组、第三组及第四组压缩循环装置的压缩机(5)和电动机(6)串行连接在其右侧的冷凝蒸发器(4)和过热器(9)之间；热机循环部分的过冷器(7)和冷凝蒸发器(4)之间串接有水泵(8)，过冷器(7)和过热器(9)之间串接有热机(10)，且热机(10)和发电机(11)相连接。

所述的多级组合能量交换机的第一组压缩循环装置的左侧设有一个调节阀(2)，调节阀(2)串接在过冷器(7)和膨胀机(1)之间，把低级能源变成高级能源，能够使热机利用。

所述的多级组合能量交换机的第一组压缩循环装置内的工质为空调用的制冷剂；第二组压缩循环装置内的工质为水和乙醇；第三组、第四组压缩循环装置内的工质均为水，是不需要任何燃料或外功，即可输出功或电能。

所述的多级组合能量交换机的压缩循环装置为四组或四组以上并行连接的压缩循环装置。

一种多级组合能量交换机的能量交换方法，该方法通过四组并行连接的压缩循环装置的压缩循环组合，将第二组、第三组及第四组压缩循环装置的蒸发器(3)和冷凝器合并，进行能量交换，为低级能源变成高级能源，经过热机输出功和电能；

其能量交换的具体步骤是：

步骤1.吸收能量

第一组压缩循环装置从环境中吸收能量；

步骤2.压缩循环

第二组压缩循环装置，通过蒸发器(3)和冷凝器进行能量交换，使排出温度升高；

步骤3.压缩循环

第三组压缩循环装置，通过蒸发器(3)和冷凝器进行能量交换，使排出温度进一步升高；

步骤4.检查和判断

第四组压缩循环装置，通过蒸发器(3)和冷凝器进行能量交换，使排出温度更高，检查和判断其达到热机能够利用的温度为止。

如图1所示，在四组压缩循环中，每一组左边都有膨胀机及过冷器右边是过热器及压缩机.上边是冷凝器，下边是蒸发器.冷凝器和蒸发器合并一起称：冷凝蒸发器.第一组左边有一个调节阀.当压缩机工作时，蒸发器不断的从环境中吸收能量.冷凝蒸发器温度升高.为了使冷凝温度过冷.提高制冷效果，从蒸发器分流一部分工质(进行能量交换的物质如：制冷用的制冷剂，汽轮机用的水蒸汽)经过每一组的过冷器，经过吸热升温再经过每一组的过热器.然后通过冷却电动机回到第一组的蒸发器出口处使蒸发温度过热.在压缩循环中排出温度会从第一组的低温升高到第四组的高温.所以工质不会在经过第一个过冷器后使温度过高会使下一个过冷器无法过冷同样不会在经过第四组过热器使温度过低会使下一个过热器无法过热.在经过过热器的热交换后，蒸发器过热温度都相应的提高压缩机排出温度会更高；第一组蒸发器过热温度可达到50℃--70℃那么第四组压缩机排出温度350℃--370℃左右.为了降低功耗提高效率，压缩机功率可以由大到小，假定第一组压缩机功率为1000瓦，第二组压缩机功率为第一组4/5或5/6左右即800瓦，第三组压缩机的功率为第二组的4/5或5/6左右即640瓦，第四组压缩机功率为第三组的4/5或5/6左右即512瓦.这可以减少启动时间，升温较快，并且第二，.三.四组压缩排出温度会更高一些.这是因为功率大的压缩机制热量大于功率小的制冷量.所以在经过冷凝蒸发器后温度不断升高，当升高到制热量等于制冷量时达到热平衡.此时温度不再升高，如果压缩机制冷功率相等冷凝蒸发器的热量与冷量相差不大，温度升高较慢，并且达到热平衡之后，温度不高.所以压缩机功率要依次适当缩小.

影响热效率几个主要因素.一是蒸发器所吸取能量多少，直接关系到整个***是否能够正常运转并输出功.影响蒸发器所吸取能量多少的主要原因是工质的特性.所以选择适合各组压缩循环的工质相当重要.第一组可以用空调用的工质(也就是制冷剂)，因为第一组的蒸发温度与空调的蒸发温度相差不大.第二组冷凝温度和蒸发温度在200℃--50℃左右，可以用水作为工质.水蒸发温度较高；所以水的汽化率不高.必需掺入一定量其它物质，如乙醇以提高水溶液的汽化率，第三，第四组冷凝温度和蒸发温度相对较高，可以用水作为工质.

二是压缩机性能，目前压缩机种类很多，并且效率也很高.这四组压缩循环都可以采用半封闭涡旋式压缩机.也就是电动机和压缩机分开，以免电动机过热烧毁线路.如果能够自动变频，就可以根据每一组循环量需要调节功率的大小.效率会更高.

三是绝热系数也就是热效率，除蒸发器与外界有热交换外，其它部分与外界都是绝热过程.直接关系到热效率高低，如果哪一部分需要冷却.绝对不允许把高于外界温度多于能量排出.通过热或过冷循环来吸取多于的能量.那么它的绝热系数是多少，就以矿渣棉为绝热材料它的热导率为0.058w/(m.k，)，厚度为0.06m，与外界接触面积约4m²，平均温差180℃左右它的热流量696瓦左右.整个***制热量为6500瓦左右，绝热系数等于(6500-696)/6500＝0.89.也就是说1000瓦的功只有890瓦有用，必定要有能量损失.但可以在高温部分增加绝热材料的厚度，提高绝热系数.

四是热机的效率，效率的高低影响输出功的高低，选择效率高性能好的热机很必要.在350℃--400℃时，汽轮机效率只有0.355-0.389.但是它所排出的泛汽能量被过冷器吸收，再经过热器吸收压缩升温后，泛汽的能量重新被汽轮机利用，再次强调绝对不允许把高于外界温度多于能量排出.

五是环境温度，环境温度越高效率也就越高，也就是说夏季效率较高，冬季效率偏低.

整个***设备输出功等于制热量乘以绝热系数减去自身的功耗，制热量等于制冷量(也就是从环境中吸取的能量)加自身功耗，制冷量的多少与压缩机.工质.换热设备.热机密切相关.，目前压缩机性能相当高，并且可以与膨胀机合并，降低了自身功耗，提高了效率.换热设备可以根据需要制定，工质种类很多，选择适合各组压缩循环的工质，制冷量可以达到第一组功率的3-5倍，汽轮机效率直接影响制冷量的多少，如果效率低，那么产生的泛汽温度较高.在冷却过程中消耗的冷量就大，过冷循环中可以通过调节阀调节冷量多少，过冷循环中通过冷量多，那么通过蒸发器的冷量也就少.但过冷循环又是提高制冷效率一种装置，假设第一组工质的流量为1，那么蒸发器工质的流量加过冷循环工质的流量等于1，过冷循环工质的流量不超过第一组工质的流量1/2.那么对整个***设备的效率影响不大.如果汽轮机采用多级抽气回热循环(根据中国电力出版社实用热工基础144页)那么经过冷器的泛汽量减少，需要的冷量减少，制冷量不会有太大降低.如果采用性能较好的制冷设备，再加膨胀机节约一部分功耗.制冷量可以达到自身功耗四倍多，减去过冷循环和过冷循环需要一部分冷量，制冷量是自身功耗3.5倍左右.制热量为3.5*1000+2952＝6452瓦，输出功率等于制热量乘以绝热系数减去自身的功耗即6452*0.89-2952-2790瓦左右，相当于***设备功率是多少输出功率也就是多少.

***设备起动时，必须提供电能，***设备起动后不须要提供电能，并可以输出电能.如果与电动汽车组合，不仅动力互补，并且能不间断冲电.如果将***设备功率扩大若干倍就可以成为发电厂，蒸发器可以设置在海水里或水流动的江河里.因为海水的环境温度较为稳定.并且能量取之不完

因为***设备不需要任何燃料，如果采用环保工质，那么对环境也就没有什么污染.节省了能源.

只要制冷量不变，其它过程又是绝热过程，那么能量不可能无缘无故的消失，只有以功的形式输出.

制冷量的多少与整个***的性能密切相关，就以目前技术制冷量可以达到自身功耗2-4倍或以上，就可以输出功，只不过是输出的功率大小不同.

当然可以对***设备进行优化和调整，使效率更高，一些数据和工质是提供参考的，但性质不变，属于压缩循环.

Claims (5)

1、一种多级组合能量交换机，该装置有压缩机、冷凝器、蒸发器、电动机、水泵、热机及发电机，其特征在于：设有四组并行连接的压缩循环装置，其中：

每一组压缩循环装置左侧设有膨胀机(1)及过冷器(7)，右侧设有过热器(9)及压缩机(5)，上部设有冷凝蒸发器(4)，下部设有蒸发器(3)，其第一组压缩循环装置、第二组压缩循环装置、第三组压缩循环装置及第四组压缩循环装置之间的左侧均通过过冷器(7)相互并行连接，其第一组、第二组、第三组及第四组压缩循环装置之间的右侧通过过热器(9)相互并行连接，每一组压缩循环装置中的膨胀机(1)、蒸发器(3)、过热器(9)、冷凝蒸发器(4)及过冷器(7)之间为依次串行连接；其第二组、第三组及第四组压缩循环装置的压缩机(5)和电动机(6)串行连接在其右侧的冷凝蒸发器(4)和过热器(9)之间；热机循环部分的过冷器(7)和冷凝蒸发器(4)之间串接有水泵(8)，过冷器(7)和过热器(9)之间串接有热机(10)，且热机(10)和发电机(11)相连接。

2、根据权利要求1所述的多级组合能量交换机，其特征在于：所述的第一组压缩循环装置的左侧设有一个调节阀(2)，调节阀(2)串接在过冷器(7)和膨胀机(1)之间，为低级能源变成高级能源，为热机利用。

3、根据权利要求1所述的多级组合能量交换机，其特征在于：所述的第一组压缩循环装置内的工质为空调用的制冷剂；第二组压缩循环装置内的工质为水和乙醇；第三组、第四组压缩循环装置内的工质均为水，不需燃料或外功。

4、根据权利要求1所述的多级组合能量交换机，其特征在于：

所述的压缩循环装置为四组或四组以上并行连接的压缩循环装置。

5、一种多级组合能量交换机的能量交换方法，其特征在于：该方法通过四组并行连接的压缩循环装置的压缩循环组合，将第二组、第三组及第四组压缩循环装置的蒸发器(3)和冷凝器合并，进行能量交换，为低级能源变成高级能源，经过热机输出功和电能，其能量交换的具体步骤是：

步骤1.吸收能量

第一组压缩循环装置从环境中吸收能量；

步骤2.压缩循环

第二组压缩循环装置，通过蒸发器(3)和冷凝器进行能量交换，使排出温度升高；

步骤3.压缩循环

第三组压缩循环装置，通过蒸发器(3)和冷凝器进行能量交换，使排出温度进一步升高；

步骤4.检查和判断

第四组压缩循环装置，通过蒸发器(3)和冷凝器进行能量交换，使排出温度更高，检查和判断其达到热机能够利用的温度为止。