CN101158486A - 高能效采暖机 - Google Patents

Abstract

这种高能效采暖机是令被压缩气体的压力势能反馈再用的室内取暖装置，是根据在对环境气体进行压缩与膨胀的过程中大气势能可被借用的原理和热量可被运送的原理设计的，既环保又节能，能效比可达1∶2－1∶3。其结构如附图所示，异步电动机(1)启动后，与其同轴的主压缩机(2)工作，被压缩气体在暖气包(8)中放出大部分热量，此后该气体的压力还可推动膨胀机(6)，膨胀机(6)又带动反馈力压缩机(4)，反馈力压缩机(4)与膨胀机(6)同轴，而与主压缩机(2)同在联立的气缸内，但无机械联系。由于异步电动机的出力随负荷变化而变化，故可使反馈力充分发挥作用。在气体出口管道上有压力调节器(9)，将压力自动控制在给定值上。

Description

高能效采暖机

一，技术领域

本发明提供的高能效采暖机是一种室内取暖装置，旨在用于一套居室的取暖，并欲发展成为一栋楼房的取暖装置。高能效指的是能效比(投入的能量和制取的热量)大于1∶1的关系。高能效采暖机制热的功用与空调设备近似，但空调器在制热方面能效比太低，不适合也不可能大面积推广应用。

二，背景技术

现有的取暖手段主要依靠采暖锅炉，燃料燃烧释放的热量以水为载体通过管道分发流向各用户，燃料的燃烧存在一个突出的矛盾——污染严重，国家为了治理污染，取缔了分散的小锅炉，进行集中供热，改善了污染状况。但在集中供热的尝试中，新的矛盾出现了，由于热量易于散失，因供热管路过长导致热量的无谓损耗。

早在20世纪50年代，《知识就是力量》杂志提及过一种方案，题目是‘被人们遗忘了的方案’说的是用4℃的海水加热工质(如氟里昂)，然后用热泵将工质进一步升温，送入暖气包，供室内取暖。近年来国内出现了类似的采暖系统，并已付诸实施，河北省秦皇岛昌浦集团有限公司研发了一种利用江、河、湖、海2℃水中的热量，利用热泵，通过输入少量高品位能源(电能)，实现低品位热能向高品位热能转移，升温后，进行供热(或供冷)。

再就是“海水中央空调”技术，又被称为海水热泵技术。世界利用海水作热泵热源起源于20世纪70年代。目前“海水中央空调”技术已经在我国沿海地区的大连、烟台、青岛等地应用，夏可制冷，冬可制热。热泵机组的耗能只相当于普通空调的四分之一。

另一种较为节能的采暖方法是利用地下热源，将建筑物底下深挖，让工质在地下吸收热量，再将升了温的工质进行压缩升温，送入暖气包中向室内放热。这种方法已在北京、辽宁、山东、河北等地实施应用，这种方法虽然也有弊端，但也是节能之举。

压缩空气制冷循环：近年来在科研上有用压缩空气制冷的，用来液化气体，也有较好的能效比。但却没有用来制热的。

在热工技术发展史上，曾经出现过以空气为工质的设想，但因设备占有较大空间，热量易于散失，感到不便，便被放弃。放弃是有背景的，当时人们尚未认识到两个关键性原理——压缩与膨胀过程中存在的‘大气压力跟随功原理’和‘功、热对抗原理’。

本发明涉及的新原理：特别要说明的是，此二原理已经在本人的专著中出现。

目前广泛使用的制冷机和空调器，它的工作是闭口过程，工质——氟里昂在系统内循环地变态流动，与外界环境隔绝。这里提出的高能效采暖机是开口过程(开放式热泵)，工质——空气取自环境，又在工艺流程的尾端回归环境。

双向空调器是夏可制冷冬可制热的装置，但其制热的能效比并不理想，由于封闭式热泵必须利用氟里昂作为工质，蒸发器不便于吸收低温环境的热量，当环境温度低于-5℃时，就相当不合算，甚至不如用电热器直接加热，这是空调器的制热功能不能进入千家万户用于取暖的原因所在。

按照人们的习惯思维，一般的仅知道能量的转化关系——1∶1的关系，例如，将电能通过电热器转化为热量的话，能效比不会超过1∶1，而本发明提供的以无处不在的空气为工质的这种采暖机，可令能效比达到1∶2——1∶3。

我的著作《压缩与膨胀热力学》一书已于2004年5月由中国水利水电出版社出版，并在全国发行，书号为ISBN7-5084-1947-2/N.5(目前本书已作了较大修改，将在今后再版)。本书提出了三个原理体系及其所属的60余个方程式和关系式，其中包括构成本发明所运用的两条原理——‘大气压力跟随功原理’和‘功、热对抗原理’，此二原理在运用中均可使能效比大于1∶1。

由于此二原理不是现有科技，考虑到国家知识产权局审查上的方便，在‘在先申请’中已将此书一并寄去。以下对有关原理作如下简述。

1.大气势能可被借用的原理：

大气势能可被借用的原理就是‘大气压力跟随功原理’，是‘大气压力跟随功原理’在压缩和膨胀过程中表现出来的功效。

在对环境气体进行压缩时，首先是机械能的作用，但与此同时，大气压力也在伴随活塞的推进而跟进，共同对气体进行压缩——大气压力的跟随作用，因为活塞上方有一个设想的大气柱，气柱一直延伸到大气层顶，大气柱亦在跟随活塞下移，气柱的下移就是它势能的减少，气柱势能的减少量就是被压缩气体内能的增加量。当活塞返回时，气体内能的增量部分并未释放，活塞的返回并不是被压缩气体的反推作用，而是机械惯性，也就是说，活塞返回时，并没有把下降的气柱反推回原位，气柱势能并未在此时得到恢复，存入被压缩气体内的气柱势能在维持着气体的密度。虽然被压缩气体储存的气柱势能最终是要释放的，但那是气柱势能被我们利用之后的事儿，也就是此地借用彼地归还。

在压缩时，气柱势能与机械能一道做功，气柱势能同样向外界提供热量，那就是借用气柱势能提供的热量。当被压缩气体排至环境时，就可将大气柱反推向原位，归还气柱势能，气柱势能的归还分两步进行，膨胀机中排出的冷空气只能归还一部分，另一部分由利用过的热量进行归还，利用过的热量仍可加热冷空气，因此‘大气压力跟随功原理’在此情况下上升成为‘大气势能可被借用的原理’。

2.‘热量的被运送原理’。‘热量的被运送原理’就是书中所说的‘功、热对抗’原理，具体地说就是‘功、热对抗原理’在压缩与膨胀过程中表现出来的功效。

热量的被运送原理不是现有的物理概念，但热量的被运送关系早已普遍存在于我们的实际生活中，只是尚未将实际事物提升为物理概念而已，比如目前广泛使用的制冷设备，通过对制冷剂——氟里昂的压缩与膨胀过程，把制冷器中的热量运送到外界，其能效比是大于1∶1的，甚至可达1∶4。

如欲阐明功热对抗原理，还需首先阐述书中提出的‘温位升迁功’原理，有温升热量才能被运送。‘温位升迁功’原理是一个实质性创新，它是解释和计算功热对抗原理的基础。

温位升迁功原理：气体被压缩后，除了能够放出热量外，还可做膨胀功，即‘可逆膨胀功’。‘可逆膨胀功’和‘热量’二者的总值大于压缩功，这个问题的实质在于温位升迁功原理。

热量的温位升迁功定义——温位升迁功是指基础热量的温位升迁所占用的那部分压缩功。气体在压缩中，由于每单位容积中运动分子数的增加，导致温度升迁。升迁功的作用是将基础热量的温位向上推升，与此同时，升迁功亦转化成为“热量”的一部分，温位升迁所接受的功只是压缩功的一部分，压缩功的另一部分储存于气体的密度变化中。

基础热量定义——基础热量即是被压缩气体环境温度线以下的热量；对于压缩过程，基础热量等于‘等温压缩功’的值。在温位升迁功作用下，基础热量具有被排出外界的趋势。

在计算温位升迁的程度时，是以一个阶度为单位的。一个阶度即是273.15K，因为在定容过程中温度每升高273.15K，其做功能力就增加一个大气压。

为何要用温位阶度计量温度。温位阶度原理是隐藏在查里定律的背后的原理。在彻底阐明温位升迁功原理之前，必须首先阐明温位阶度概念，，为什么呢，以下作这样一个比喻，基础热量就像池中水，从池中提取一桶水，这桶水露出水面时就出现了一个高度差h，此时我们对这桶水所做的功就是这桶水的重力与提升高度的积——1mgh。相似的，热能的变化不能只论其热量而不论其温度变化。当这桶水提升的高度为h的1/273时(当然也可是1/x)，就相当于将受压缩气体的温度推升了1℃，也就是说，273.15℃的温升就相当于水桶高度变化一个h。

在这里我们把基础热量视为物质。压缩中的热量包括基础热量，也包括温位升迁功转化的热量，当温位升迁功比例很小的时候，这个热能的品位很低，随着温位升迁功比例的增加，热能的品位逐渐升高。在那桶水露出水面时，对这桶水所做的功就是1mgh，此功只相当于热量的温位升迁功，那桶水在尚未露出水面时的绝对势能就相当于基础热量。

这两种过程所不同的是：那桶水在露出水面后，它的势能变化仅是对它所做的功，而不包括这桶水未露出水面时的绝对势能；而被压缩气体‘出现的热量’不但包括它的温位升迁功转化的热量，而且包括它的基础热量。基础热量不是由压缩功转化来的，但它亦计入了‘显热量’的一部分。为什么基础热量亦能成为‘显热量’的一部分呢，因为基础热量等于等温压缩功的值，基础热量就是密度内能变化所排挤的热量Q_P，被排挤的热量无路可逃，就成为高出常温(T₁)的热量(浮现在常温线以上的热量)。

温位升迁功关系式的至真原理：在经典力学中，重力是质量m与重力加速度g的积mg，重力势能是重力与高度h的积mgh。而这里提出的温位升迁功原理与重力势能十分相似。

①.连续压缩热量恒温输出时的温位升迁功关系式 $L_{\mathrm{HS}}=Q_0\frac{T_2-T_1}{T_H}$

式中(T₂-T₁)相当于那桶水提升的高度，

相当于以h为单位的高度，Q₀那桶水的重力mg，相当于那桶水提升后得到的势能mgh。输出热量基本值Q₀得到的升迁功L_HS是以热量来度量的，由于热和功的单位相同，都是KJ(千焦耳)，又由于升迁功在推升温度时已转化为热量，当然的，升迁功亦已成为输出热量的一部分，(如果以示意图表示的话，这个功量是一个巨型面积)，这是一个简单而深刻的原理。

②.定量压缩(将一定量的气体按压缩比的要求进行压缩后，过程即告结束)，此时输出热量的温位升迁功关系式为 $L_{\mathrm{SS}}=Q_0\frac{W_Y-W_D}{W_D}.$ 式中W_Y是多变过程压缩功，W_D是等温过程压缩功，(W_Y-W_D)相当于那桶水提升的高度，

相当于以h为单位的高度，Q₀是那桶水的重力mg，

相当于那桶水提升后得到的势能mgh，输出热量基本值Q₀得到的升迁功L_S是以热量来度量的，同样的，由于热和功的单位相同，都是KJ(千焦耳)，又由于升迁功在提升温度时已转化为热量，升迁功亦已成为输出热量的一部分。但由于输出热量基本值Q₀是由小到大的积累——体系与外界出现温差时，热量就开始向外传递了。

温位升迁功在推升温度时，随即转化了热量，温位升迁功是压缩功的一部分，因此，压缩过程中，也只有这部分压缩功——温位升迁功转化了热量。

热量与升迁功：在绝热压缩中，基础热量也在接受压缩功——温位升迁功L_S，且转化为热量，于是热内能亦增加此值，系统中的热量Q是基础热量与升迁功的和，即Q＝Q₀+L_S。然而升迁功L_S只是压缩功的一小份，压缩功的主值转化了气体的密度内能ΛU_M，密度内能还可再转化为机械能，让它再去做功。这是‘开口式热泵循环’具有高能效的原理之一。

功、热对抗原理的三个支撑点：1.压缩过程的热量等于压缩功的值，这是热力学现有公式早已确定的；2.常温高密度气体具有做功能力(放出热后还能可逆做功)，这也是公认的事实；3.温位升迁功关系式 $L_{\mathrm{HS}}=Q_0\frac{T_2-T_1}{T_H}$ 和 $L_s=Q_0\frac{W_Y-W_D}{W_D},$ 它表示在压缩过程中，由于热量的抗功能力低下，温度变化只分享了少量的压缩功。而且，通过一系列计算都证明了这个关系式的正确性，是经得起考验的。

功、热对抗原理亦可改为温位升迁功原理，因为当我们明确了温位升迁功只是压缩功一部分时，密度内能增加的问题才能成立，才能突出热量抗功能力低下，才能突出功热对抗关系。但另一方面，温位升迁功原理亦依赖于功和热对抗关系，有了‘热量抗功能力低下’这个问题，才能突出温位升迁功原理，所以还是称为功、热对抗原理为宜。因此，温位升迁功原理又导致了‘压缩与膨胀过程中热量的被运送原理’

根据以上简述的‘大气势能可被借用的原理’(大气压力跟随功原理)和热量的被运送原理(热量的温位升迁功原理)，构想了‘超效采暖站’，该构想曾经是一篇论文，它的第一次出现是在‘中国工程热物理学会’2003年年会上，后于2004年又出现在《压缩与膨胀热力学》一书中，该构想是一种向片区供热的方案，该方案规模较大，不便于实施。后来为了实施上的方便，通过长久计算和改进，提出了小型的简单的新方案，这个新方案就是现在提出的专利申请，它已成为可以用于一个家庭的‘高能效采暖机’其结构已经不同于当初提出的‘构想中的超效采暖站’，因此，这里提出的‘高能效采暖机’仍然属于发明。

三，发明内容

在技术背景中提到，利用江、河、湖、海水中热量进行取暖的系统，也是可行的方案，但在没有江、河、湖、海的地方就无能为力了。而本发明对地区没有要求，凡是有空气的地方皆可制热。

利用地热取暖肯定会有较高的能效比，但需要浩大的地下工程和大量的钢材，投资太大。

中央空调器亦具有制热功能，但当环境温度低于-5℃时太不合算，不适用于我国北方大部分地区。

本发明设计了一种‘高能效采暖机’，这种采暖机在结构上不但能够利用“大气势能可以被借用的原理”，而且能够利用“热量可被运送的原理”。这种采暖机最为突出的结构特征是充分利用乏气(输出了热量的被压缩气体)的压力势能，令这种压力势能转化为机械能，并去带动一种初级压缩机，对进气进行初步压缩，即可减少电动压缩机的出力，因此输出的热量便可远大于电动压缩机输出的功量。这种高能效采暖机的具体结构和工作情况将在‘附图说明’之后详述。

本人所著《压缩与膨胀热力学》一书在“构想中的超效采暖站”的计算中，制热的初步方案是，是将压缩了的热空气在换热器中加热循环水，再让循环水加热暖气包外面的自由空气，这样的过程，热量通过了两次传递，损失了较大的温差，温差的损失就是热能的损失，是一种浪费，影响制热系数；另一方面，设备的复杂性和规模的庞大性给方案的实施带来不便。

有鉴于此，本文简化了制热装置，在说明书附图1中令压缩了的热空气通过暖气包组(8)直接加热室内的自由空气。

本发明的重要特点在于原理上的创新，1.大气压力跟随功原理体系是实质性创新，2.功、热对抗原理，是对事实的科学归纳——它可由以下的现有公式归纳出来

(1)绝热过程的功 $W=\frac{1}{K-1}(P_1{V}_1-P_2{V}_2)$

其中：体积 $V_2=V_1{\left(\frac{P_1}{P_2}\right)}^{\frac{1}{K}}$ 或 $V_2=V_1{\left(\frac{T_1}{T_2}\right)}^{\frac{1}{K-1}}$

温度 $T_2=T_1{\left(\frac{V_1}{V_2}\right)}^{K-1}$ 或 $T_2=T_1{\left(\frac{P_2}{P_1}\right)}^{\frac{K-1}{K}}$ 压力 $P_2=P_1{\left(\frac{T_2}{T_1}\right)}^{\frac{K}{K-1}}$

(2)多变过程的功 $W=\frac{1}{m-1}(P_1{V}_1-P_2{V}_2)$

其中：体积 $V_2=V_1{\left(\frac{P_1}{P_2}\right)}^{\frac{1}{m}}$ 温度 $T_2=T_1{\left(\frac{V_1}{V_2}\right)}^{m-1}$ 压力 $P_2=P_1{\left(\frac{V_1}{V_2}\right)}^m$

过程中的热量Q＝VC^/ _V(T₂-T₁)或Q＝MC_V(T₂-T₁)

这是不需要由实验证明的，它是热力学应该‘研究归纳’而尚未进行研究归纳的东西。通过计算可知，温度变化值与比热容的积就是热量，此热量Q是等于全部压缩功W的，若将这热量放出后，被压缩气体的做功能力W^/可由压力P和体积V的变化算出，最后再求热量Q与功量W^/的和，此时可以发现，功和热的总值大于压缩功W。

这些现有公式，已用于以下能效比的计算中，当然也应用了本人提出的大气压力跟随功原理的有关关系式。

四，附图说明及能效比计算例

4.1附图结构说明：本发明附图，不同于本人专著中的“构想中的超效采暖站”示意图，本发明在结构上进行了很大改进和简化，‘简化’具有重要意义，如果搞得规模很大，会令人望而却步，不敢问津，不利实施。简化的基本方案实现后再逐步完善，逐步完善也是事物发展的规律。简化的东西并不是初级的东西，由繁化简也是一种进展，是需要付出代价的。

附图1是高能效采暖机的主体结构示意图，附图2是设置在压缩机出口管道上的直接作用式压力调节器(9)的示意图。

在附图1中，1-异步电动机(三相或单相)  2-主压缩机  3-主压缩机叶轮  4-反馈力压缩机  5-反馈力压缩机叶轮  6-膨胀机  7-膨胀机叶轮  8-暖气包组  9-压力调节器  10-压力表  11-轴承  12-自由空气入口  13-压缩空气出口  14-膨胀机气体入口  15-排气  16-轴封  17-连接前后缸体的法兰螺丝。

本设计的中心思想是反馈力的再利用，其核心结构是，主压缩机(2)与反馈力压缩机(4)连接成一个联立的气缸，两缸体由法兰和螺丝(17)相连，前气缸内有主压缩机叶轮(3)，后气缸内有反馈力压缩机叶轮(5)，叶轮(3)和叶轮(5)没有机械连系，叶轮(3)与异步电动机(1)同轴，但由前轴封(16)隔绝，叶轮(5)与膨胀机(6)同轴由后轴封(16)隔绝，形成两级压缩，气体在两级压缩之间是直通的空间，初步压缩与再压缩都在联立的缸体内。这种结构可令两级压缩机的出力按需要合理地分配，是令膨胀功反馈到系统力能输入端的最为简单有效的结构。

现有叶轮式压缩机分为离心式的和轴流式的，中小型设备采用离心式的，大中型设备采用轴流式的。

附图2是一种直接作用式压力调节器，可由国产XRM-1F1压力调节器稍加变更而成，其中9.1-膜片  9.2-弹簧  9.3-调整螺丝  9.4-连杆  9.5-阀芯  9.6-主管道  9.7-导压管  9.8-膜盒

调节对象中的压力给定值是由弹簧(9.2)给定的，当被调介质的压力大于给定值时，膜片(9.1)的作用力就大于弹簧(9.2)的作用力，此时与阀芯(9.5)相连的连杆(9.4)向下移动，增加流通面积，直到阀前压力减少到给定压力为止。反之，当调节对象中的压力小于给定值时，膜片(9.1)上的作用力就小于弹簧(9.2)作用力，此时连杆(9.4)向上移动，减少流通面积，直到阀前压力上升到给定值为止，此时二力平衡。因此，这种调节器在任何时候都能保持相同的给定值。当给定值需要调整时，可通过调整‘调整螺丝’(9.3)而实现。

4.2高能效采暖机是这样工作的：当异步电动机(1)启动后，与电动机(1)同轴的主压缩机叶轮(3)开始运转，自由空气进入压缩机，被压缩气体的压力和温度升高，并进入暖气包组(8)，大量的热量从暖气包组(8)散发出去。输出了热量的气体仍具有相当的压力(高密度)，让它到膨胀机(6)中去转化，转化的机械能又带动与它同轴的反馈力压缩机叶轮(5)，对自由空气进行初步压缩，继而被主压缩机叶轮(3)进一步压缩。

在压缩空气出口管道上安装了压力调节器(9)，它可使出口压力控制在给定值上，因而可保证对气体压缩比的要求，进而保证对气体出口温度的要求，压力的控制靠的是调节阀门的开度，而且调节工作是自动进行的。

高能效制热机可以间歇地工作，被调对象的温度由‘温度控制器’进行调控，当温度到达一定值(如22℃)时，自动停机；当被调对象温度降低到一定值(如18℃)时又自动启动。温度控制器并未显示在说明书附图中，因为这是现有科技，不要求专利保护。

4.3反馈力压缩机能够充分发挥反馈力的原理：反馈力指的是可逆功再利用的能量。

三相或单相异步电动机(1)的转速是基本恒定的。这种电机具有转差率，如果其同步转速为3000转/分，带上负载后一般都在2900多转份，当负载变化时，转速亦有微小变化，也就是说转速基本恒定。这种转速基本恒定的特征导致了这种电机具有另一个特征——电机的出力随负载变化而自动变化，不需要人工调整，这种特征在本方案得到了巧妙运用。当进气得到初步压缩后，可自动减轻主压缩机(2)的出力，负载电流下降。

例如，在发电厂的试运行中可以观察到，三相异步电动机带动的送风机，当送风机风门关闭时，虽然风受到的阻力很大，但因送风量为零，电流表指示亦为零，属于空转；当风门全开并对空排气时，由于风阻较小，电流表示值亦较小。送风机的最大负荷表现在它既克服了相当阻力又具有最大的送风量。

在设备容量较小的时候，设计时可采用单相异步电动机，单相异步电动机亦具有同样的特征——其出力也是随负荷变化而自动变化的。

在额定容量范围内，异步电动机(1)的出力是由负荷决定的，无负荷即是空转。在本方案中，当电动机(1)尚未启动时，反馈力压缩机叶轮(5)不会转动，但如果有一种力推动‘反馈力压缩机叶轮(5)’对气体进行了压缩的话，主压缩机叶轮(3)连同电动机(1)也会被动地旋转，这时如果将出口压力调定的足够低，电动机(1)也会达到很高的转速。

在此情况下，如果启动电动机(1)，电动机(1)将会仍然保持它的空转，只是它会主动夺担了空载耗能。但是，正值此时如果增加气体出口压力，电动机(1)将会自动带上增加的负荷，补充反馈力压缩机叶轮(5)动力的不足，这就是异步电动机的本能——其出力随负荷变化而变化。

另一方面，暖气包组(8)献出热量后，若将气体排放出去而并不进入膨胀机(7)的话，进气得不到初步压缩，这个压缩重担必由电动机(1)自动承担起来。在高能效采暖机的工作过程中，献出热量的气体(14)要进入膨胀机(7)并带动与其同轴的反馈力压缩机叶轮(5)。这种辅助压缩将使乏气的压力势能得到充分发挥。这里称其为辅助压缩是因其能源来自主压缩机，没有主压缩机工作，就不存在乏气的可逆做功能力。但在运行起来之后，主压缩机(2)的出力只是系统的力能补充。

关于反馈力压缩机(4)如何才能发挥它的的反馈力，这种设计是十分劳神的工作，通过长期反复周旋之后，确定了这个简单方案。

4.4能效比计算例：

在常规的采暖锅炉中，供出的是热水，为了防止汽化，温度不能超过95℃，一般在90℃左右。从用户返回的水，温度约为50℃。本方案供出的是压缩空气，温度可以提高，暂定为100℃，令热空气直接通过暖气包组(8)加热室内的自由空气。

‘大气势能可被借用的原理’和‘热量可被运送的原理’均具有大于1的能效比，两者相乘时能效比应该大增，但由于热量不能够全部输出，能效比就要打折扣。

以下的计算，在方法上和程序上与书中的计算亦有所不同。

当环境温度足够低，如为-30℃时，即T₁＝243K。设P₁＝101.325kpa，令V₁＝2.92m³  V₂＝1m³，才能使绝热压缩时温升上限为T₂＝T₁(V₁/V₂)^K-1＝243(2.92/1)^0.4＝373K，即100℃。压缩机出口气体(13)的压力

$P_2=\frac{P_1{V}_1{T}_2}{V_2{T}_1}=\frac{101.325\×2.92\×373}{1\×243}=454.15\mathrm{kpa}$

4.4.1按本文的方法求绝热压缩功。如按常规，由绝热过程的公式求出的压缩功，是定量压缩的压缩功，对于机器的连续运行是不适用的，数据需要修正，修正过程是繁琐的，而按本文的方法，可简便地求出连续压缩的压缩功。

等温压缩功 $W_D=P_1{V}_1\ln \frac{V_2}{V_1}=101.325\×2.92\ln \frac{1}{2.92}=317.05\mathrm{KJ}$

绝热压缩过程中热量的温位升迁功

$L_{\mathrm{HS}}=W_D\frac{T_2-T_1}{T_H}=317.05\frac{373-243}{273}=150.976\mathrm{KJ}$

连续的绝热过程压缩功W＝W_D+L_HS＝317.05+150.976＝468.03KJ

压缩功中的大气压力跟进功L_G＝P₁(V₁-V₂)＝101.325(2.92-1)＝194.544KJ

压缩功中的机械功(包括温位升迁功)

L_J＝W-L_G＝468.03-194.544＝273.49KJ

4.4.2暖气包组(散热器)进口气体参数：

暖气包组进口参数：P₂＝454.15kpa T₂＝373K    V₂＝1m³

关于暖气包组出口气体参数：T₃＝313K(设定)压力和容积将按一定比率下降，计算过程如下：

①设压缩比为Л，如压缩是等温过程，压缩后的压力P_D＝P₁Л＝101.3254×2.92＝295.869kpa

②绝热压缩时的压力为P₂＝P₁V₁T₂/V₂T₁＝454.15kpa

③在压缩中因温度上升而导致的压力升值为P₂-P_D＝454.15-295.869＝158.28kpa

④绝热连续压缩引起的温升为T₂-T₁＝373-243＝130K

⑤温度每升高1K引起的压力变化为 $P_{1K}=\frac{P_2-P_D}{T_2-T_1}=\frac{158.28}{130}=1.2175\mathrm{kpa}/K$

⑥在暖气包中温度降低为T₂-T₃＝373-313＝60K

⑦暖气包中因温度降低而导致的压降

$P_J=\frac{P_2-P_D}{T_2-T_1}(T_2-T_3)=1.2175\×60=73.05\mathrm{kpa}$

⑧在动态中压力降低值仅为上述的二分之一，即P_J/2＝73.05/2＝36.535kpa(另一半由容积变化承担)所以压力P₃＝P₂-P_J/2＝454.15-36.525＝417.625kpa

⑨压力下降的比率为P₃/P₂＝417.5625/454.15＝0.91958

⑩容积V亦按同一比率下降，即V₃＝V₂·P₂/P₂＝1×0.91958＝0.91958m³也就是膨胀机进口参数为P₃＝417.625kpa，V₃＝0.91958m³  T₃＝313K

4.4.3膨胀机出口参数为P₄＝P₁＝101.325kpa

$T_4=T_3{\left(\frac{P_4}{P_3}\right)}^{\frac{K-1}{K}}=313{\left(\frac{101.325}{417.625}\right)}^{0.285714}=313\×0.6672=208.8434K$

$V_4=V_3{\left(\frac{T_3}{T_4}\right)}^{\frac{1}{K-1}}=0.91958{\left(\frac{313}{208.834}\right)}^{2.5}=0.91958\×2.75016=2.529m^3$

4.4.4可逆绝热膨胀功

$W_{\mathrm{JP}}=W_{\mathrm{JP}}=\frac{1}{K-1}(P_3{V}_3-P_4{V}_4)=2.5(417.625\×0.91958-101.325\×2.529)=319.475\mathrm{KJ}$

其中：大气压力跟出功L_C＝P₄(V₄-V₃)＝101.325(2.529-0.91958)＝163.075KJ

可反馈再利用的机械功L_F＝W_JP-L_C＝319.475-163.0745＝156.40KJ需要向系统补给的功L_B＝L_G-L_F＝273.49-156.40＝117.09KJ

4.4.5热量：系统内受着排挤作用的热量Q_P＝W_JP＝468.03KJ

留存在体系内的热量Q_N＝V₁C^/ _V(T₃-T₁)＝2.92×0.926(313-243)＝189.2744KJ

暖气包组(8)可输出的热量Q＝Q_P-Q_N＝468.03-189.2744＝278.76KJ

4.4.6能效比K_t＝Q/L_B＝278.76/117.09＝2.3807

注：将暖气包组(8)尾部气温设定为313K(40℃)，它与10℃(283K)左右的室温之间的温差是30K，但这并不是温差的全部，只表现在暖气包组(8)的尾部，暖气包组(8)前部与室温之间的温差是373-283＝90K，其平均温差为(30+90)/2＝60K

制热量是高于环境温度的热量。

现将几例计算列于如下附表1中

附表1

压缩比(Л)	P1环境气压(kpa)	V1取样气体体积(m3)	t1环境气体温度(℃)	P2压缩后压力(kpa)	T2压缩后温度(k)	T3暖气包(换热器)尾部温度(k)	P3暖气包(换热器)出口压力(kpa)	V3暖气包(换热器)气体出口气体容积(m3)	V4膨胀后体积(m3)	制热系数(Kt)
											2.92	101.325	2.92	-30	454.15	373	313	417.625	0.9196	2.5288	2.381
2.64	101.325	2.64	-20	394.40	373	313	362.675	0.9196	2.2864	2.492
											2.40	101.325	2.40	-10	344.89	373	313	317.077	0.9194	2.0766	2.629
2.18	101.325	2.18	0	301.80	373	313	277.526	0.9196	1.8886	2.848
											2.09	101.325	2.09	5	284.14	373	313	261.290	0.9196	1.809	2.993

由附表1可见，当我们将压缩后温度T₂定为373K时，制热系数较高；当我们在附表2中将压缩后温度T₂定为383K时，制热系数略低。但是T₂较高时，传热效果较好。

附表2

压缩比(Л)	P1环境气压(kpa)	V1取样气体体积(m3)	t1环境气体温度(℃)	P2压缩后压力(kpa)	T2压缩后温度(k)	T3暖气包(换热器)尾部温度(k)	P3暖气包(换热器)出口压力(kpa)	V3暖气包(换热器)气体出口气体容积(m3)	V4膨胀后体积(m3)	制热系数(Kt)
											3.120	101.325	3.120	-30	498.38	383	313	452.82	0.9086	2.6472	2.318
2.820	101.325	2.820	-20	432.56	383	313	393.03	0.9860	2.3927	2.408
											2.560	101.325	2.560	-10	377.80	383	313	343.27	0.9086	2.1722	2.530
2.333	101.325	2.333	0	331.74	383	313	301.40	0.9086	1.9794	2.733
											2.230	101325	2.230	5	311.42	383	313	283.00	0.9087	1.8926	2.815

此外，压缩机(2)和(4)的摩擦损耗是机械能转化了热量，对于制冷来说，这热量是白白地丢失了，但对于制热来说是可以设法利用的，只要对压缩机(2)和(4)进行保温，便可使‘摩损热’成为输出热量的一部分，由暖气包组(8)供出；再就是流动功，流动功主要发生在暖气包组(8)中，也会转化为热量的，这热量也是会由暖气包组(8)供出的。这些热量的利用并未包括在上述的计算中。

异步电动机(1)的功率及输出的热功率：前面并未提到功率问题，没有时间概念。现假定异步电动机(1)功率由系统的补给功确定，力能补给值是117KJ，如果这个补给值是每分钟输出的功量，那么每秒的功量为1.95KJ，其功率即为1.95KW，因此，可选2.4KW电动机系统输出的热功率为L_B·K_t＝1.95×2.381＝4.64KW。但是这里的计算只是示例，而并不是已经确定的容量。

五，具体实施方式

本发明的重要特殊性在于原理上的创新，其中大气压力跟随功原理体系是实质性创新，它已经由本人的小型实验所证明，机械压缩功可以显示在电能表上，而大气压力(气柱势能)的跟进虽然也做了功，但却不会显示在电能表上。

关于压缩机(2)和(4)的选择，对于小型设备采用离心式的，中大型设备采用轴流式的。

实施本发明的最好方式是求助于压缩机制造厂，请制造厂按照发明人的意图进行制造，它不但是压缩机(2)和(4)的特殊制造，同时要求膨胀机(6)也进行特殊制造。

发明专利实施人的主要工作是组装调试和研究改进，基本上不进行制造。

设备的选购与订货：

①异步电动机(1)的功率因数要高，功率因数高空载能耗小。

②异步电动机(1)的容量不能过大，过大会导致功率因数降低。

③压缩机(2)和(4)以及膨胀机(6)需要在厂家特殊订货。

④直接作用式压力调节器(9)亦需要在厂家特殊订货。

⑤压缩机(2)和(4)以及膨胀机(6)等机械传动部件应有较高的机械效率，以降低空载能耗。

⑥暖气包组(8)的尾部热流体温度T^/ ₂的控制靠的是暖气包的构造和数量，

⑦室温控制器在实施时配制。

前景：本发明不但是高能效采暖机的开发应用问题，还有更多用处，有待今后开发。

Claims (5)

1.本发明高能效采暖机是令被压缩气体的压力势能反馈再用的室内取暖装置，其特征是被压缩的工质是环境气体，异步电动机(1)驱动主压缩机(2)，主压缩机(2)与反馈力压缩机(4)连接成一个联立气缸，两缸体由法兰和螺丝(17)相连，前气缸内有主压缩机叶轮(3)，后气缸内有反馈力压缩机叶轮(5)，叶轮(3)和叶轮(5)没有机械连系，叶轮(3)与异步电动机(1)同轴而不通气——由轴封(16)隔绝，叶轮(5)与膨胀机(6)同轴而不通气——亦由轴封(16)隔绝，形成两级压缩，两级间是直通的空间，初步压缩与再压缩都在联立的缸体内，被压缩气体的压力由压力调节器(9)自动调节，具有一定压力和温度的气体进入暖气包(8)放出热量后，又到膨胀机(6)中去膨胀并推动其中叶轮(7)，叶轮(7)又带动反馈力压缩机叶轮(5)对进气(12)进行初步压缩，继而由叶轮(3)进行再压缩。

2.根据权利要求1所述的高能效采暖机，其特征是，调节器(9)是由国产XRM-1F1型直接作用式压力调节器的变更设计，是包括双座阀在内的整体结构，调节器(9)安装在主管道(9.6)上，阀前主管道(9.6)上引出的导压管(9.7)与膜盒(9.8)的上端相连，膜盒(9.8)内的弹性膜片(9.1)下面通过连杆(9.4)与阀芯(9.5)相连，阀芯(9.5)的下端与弹簧(9.2)接触，弹簧(9.2)的弹力可由调整螺丝(9.3)调整。

3.根据权利要求1所述的高能效采暖机，其特征是异步电动机(1)既可是三相异步电动机，亦可是单相异步电动机。

4.根据权利要求1所述的高能效采暖机，其特征是主压缩机(2)与反馈力压缩机(4)既可采用离心式的，也可采用轴流式的。

5.根据权利要求1所述的高能效采暖机，，其特征是暖气包组(8)中流通的工质是被压缩的环境气体，其最佳结构将在实施中通过反复实验后研究确定。

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