CN101298946A

CN101298946A - 一种制冷机

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Publication number: CN101298946A
Application number: CNA2008100710823A
Authority: CN
Inventors: 洪国伟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: CN100590371C

Abstract

一种制冷机，涉及制冷技术，属机械工程领域制冷机技术。它包括压缩机、膨胀机、回热器、工质等四大主要部件。循环工质利用膨胀机机体吸收载冷剂热量，循环工质利用压缩机机体给载热剂供热。制冷机采用空气等天然气体工质，执行H热力循环。本发明的愿望是推出一种制冷效率较高的气体制冷机，并改变空气制冷技术应用落后的现状。

Description

一种制冷机

技术领域

本发明涉及制冷技术，属机械工程领域制冷机技术。

背景技术

制冷循环是制冷机发展的理论基础，每一次新的制冷循环的发展应用，都能带动了制冷技术的飞跃，有力推动了社会进步发展。

当今制冷时代是以相变制冷循环为主的相变制冷时代，自从这个制冷时代的主角之一制冷剂---氟利昻对臭氧层破坏行为被证实以后，氟利昻的限用和禁用观念日渐深得人心。全世界许多制冷专家都在努力开发氟利昻的替代品并已产生多种新型无氟制冷剂。新型无氟制冷剂是否还有其它破坏自然环境的问题，目前不得而知，但是每年成千上万吨的化工合成制冷工质由世界各地化工厂被生产制造出来就可以近似认为未来几年每年将有成千上万吨的化工物质在向大气排放，其隐患甚忧。有识之士都认为开发利用天然制冷剂的制冷循环，特别是用空气或水为制冷剂的制冷循环是最根本的阻止制冷工质破坏自然环境的办法。由于现有可用天然制冷剂的制冷机普遍效率较低，使得用天然制冷剂的制冷机开发进程缓慢。本发明的目标正是希望提出一种可以使用天然制冷剂、制冷效率较高的气体制冷机。

逆卡诺循环是最好的制冷循环，诞生以来制冷学界鲜有人重视逆卡诺循环中的二个等温过程的利用方法即等温压缩过程和等温膨胀过程的利用方法。本发明人注意到等温压缩过程和等温膨胀过程具有良好的热能转换价值，本发明涉及的热力循环则利用了这种价值。

本发明涉及的一种制冷循环由二个定压回热过程和二个多变过程组成(如图1所示)，这里称之为H制冷循环。需要说明的是H制冷循环与概括性逆卡诺循环中的阿金森循环的不同点是二个多变过程与二个定温过程的区别。与阿金森循环相比，H循环更具有可操作意义，阿金森循环是H热力循环的一个特例。

二个定压回热过程由一套回热器(气---气换热器)实现。

二个多变过程分别是一个多变压缩过程和一个多变膨胀过程，严格地说是一个升温压缩过程和一个降温膨胀过程。显然，H循环在回热器传热温差足够小时，可以逼近概括性逆卡诺循环。本发明人认为以空气为制冷剂的H循环优于目前公知的各类空气制冷循环(如：布雷顿循环)，可以作为空气制冷技术的一个发展方向。

发明内容

为实现H循环中的二个多变过程，本发明设计了一种实现多变膨胀过程的多变膨胀机组和一种实现多变压缩过程的多变压缩机机组，同时还设计了取冷的方法和取热的方法。多变膨胀机组和多变压缩机组组合为一个执行H循环的气体制冷机。

本发明的目标是提出一种可以使用天然制冷剂、制冷效率较高的气体制冷机。

附图说明

图1为H热力循环的逆循环(H制冷循环)温熵图，箭头指向为循环过程方向，图中1→2为定压升温过程，2→3为多变压缩过程，3→4为定压降温过程，4→1多变膨胀过程。

图2为膨胀机示意图，高压气体由下方箭头指向进入膨胀机内，膨胀后由下方箭头指向离开膨胀机，驱动叶轮转动轴，对外作功，同时吸收上方流入膨胀机机体内之载冷剂的热量Q(加热)。载冷剂的流入流出方向与膨胀气体走向相同，膨胀气体被载冷剂间接加热，载冷剂自身也得到降温。

图3为图2与图6的连合体，形成机组，为多变膨胀机组示意图。

图4为压缩机示意图，低压气体由下方箭头指向进入压缩机内，被压缩后由下方箭头指向离开压缩机，外力驱动叶轮转动轴，对气体进行压缩，同时气体被上方流入压缩机机体的冷却介质(载热剂)的间接冷却，排热Q(放热)。冷却介质的流入流出方向与气体走向相同，气体被压缩机机体冷却。

图5为图4与图6的连合体，形成机组，为多变压缩机组示意图。

图6为回热器示意图，冷热气体分别由相反箭头指向流入流出回热器进行热交换，回热器是逆流型换热器。

图7为H循环的制冷机示意图，为图3与图5的组合体。膨胀机和外力通过转动轴驱动压缩机，制冷机对载冷剂实施制冷。

具体实施方式：

一膨胀机取冷方法和多变膨胀机组：

如图2所示，载冷剂(热源)对膨胀机机体加热，机体可设计成空心内腔式，载冷剂在机体空心内腔内流动，载冷剂通过膨胀机机体与膨胀气流热交换。内腔流道走向与膨胀气流走向相同，形成顺流换热效果。机体尺寸要足够大，以便膨胀气流与机体接触面积足够大，保证载冷剂顺畅地将热量传递给膨胀气流。膨胀机叶轮可设计成小叶多级式，或者直接参考螺杆结构，保证流道顺长、传热条件良好，使气流膨胀时不断吸收载冷剂的热量。膨胀机进出口气流分别接入回热器二个进出口，如图3所示。回热器尺寸要足够大以便传热温差较小，等同于利用回热器迫使膨胀过程逼近等温。等温膨胀过程中工质不但可以发出最大的机械功，还可以吸收最大量的热；膨胀过程越逼近等温，膨胀过程的作功量和吸热量就越大。仅仅从回热器的角度可看出，高压端气流是被从膨胀机出来的低压冷气流冷却后再进入膨胀机。由于回热器有传热温差，高压端气流进入膨胀机时的温度必然高于膨胀机出来的低压冷气流的温度。将膨胀机和回热器合并为一个整体，这个整体称为多变膨胀机组，机内膨胀气流执行多变过程。不难看出这个多变膨胀机组就是一个对载冷剂制冷的制冷源，当回热器高、低压气流的传热温差足够小时，这个多变膨胀机组就可视同为等温膨胀机组。

取冷要点：载冷剂不得在气流非膨胀过程段取冷！

二压缩机取热方法和多变压缩机组：

如图4所示，载热剂(冷却源)由外部对压缩机机体冷却，机体可设计成空心内腔式，载热剂在机体空心内腔内流动，与压缩气流热交换。内腔流道走向务必与压缩气流走向相同，形成顺流换热效果。机体尺寸要足够大，以便压缩气流与机体接触面积足够大，保证载热剂顺畅吸收压缩气流热量，同时大尺寸可减低传热温差。压缩叶轮可设计成小叶多级式，或者直接参考长螺杆结构，保证流道顺长、传热条件良好，使气流压缩时不断放热并降温。压缩机进出口气流接入回热器，如图5所示。回热器尺寸要足够大以便传热温差较小，等同于利用回热器迫使压缩过程逼近等温。等温压缩过程中工质不但可以消费最小的机械功，还可以释放出最大的热；压缩过程越逼近等温，压缩过程的耗功量就越小、放热量就越大。仅仅从回热器的角度可看出，低压端冷气流冷却从压缩机出来的高压热气流后自身得到升温再进入压缩机。由于回热器有传热温差，低压端气流进入压缩机时的温度必然低于压缩机出来的高压气流的温度。将压缩机和回热器合并为一个整体，不难看出这个整体就是一个多变压缩机组，机内压缩气流执行多变过程，也不难看出这个整体就是一个对载热剂供热的供热源。当回热器高、低压气流的传热温差足够小时，多变压缩机组就可视同为等温压缩机。

取热要点：载热剂不得在气流非压缩过程段取热！

三回热器(气---气换热器，逆流换热器)的结构设计要点(图6)：

热学结构要求回热器是逆流换热器，可做成板式，管壳式或套管式等。流道阻力要尽量搞小。需要强调的是回热器的传热温差越小，制冷机的制冷量越大。回热器的传热温差决定了压缩机和膨胀机的进出口温差，也是压缩和膨胀二个多变过程多变指数的重要影响因数之一，因此回热器的结构设计非常重要。

四理想H循环热力过程分析(如图1所示)：

(参考【工程热力学】庞麓鸣等，高等教育出版社1986)

假设工质为理想气体：

多变热力过程PVⁿ＝C(常数)

膨胀过程多变指数n₁

压缩过程多变指数n₂

高低压比π＝高压P₂/低压P₁

气体常数R

绝热指数k

回热器传热温差T₃-T₂＝T₄-T₁＝ΔT

膨胀功

W = \frac{n_{1} R}{n_{1} - 1} (T_{4} - T_{1})

吸热量

Q_{L} = R (T_{4} - T_{1}) (\frac{n_{1}}{n_{1} - 1} - \frac{k}{k - 1})

压缩功

W_{t} = \frac{n_{2} R}{n_{2} - 1} (T_{3} - T_{2})

系统净输入功

W_{Nt} = W_{t} - W = R (T_{4} - T_{1}) (\frac{n_{2}}{n_{2} - 1} - \frac{n_{1}}{n_{1} - 1})

制冷系数

ϵ = \frac{Q_{L}}{W_{Nt}} = \frac{\frac{n_{1}}{n_{1} - 1} - \frac{k}{k - 1}}{\frac{n_{2}}{n_{2} - 1} - \frac{n_{1}}{n_{1} - 1}} = \frac{1 - \frac{n_{1} - 1}{k - 1}}{\frac{n_{1} - 1}{n_{2} - 1} - 1} = \frac{1 - \frac{l_{n} (T_{4} / T_{1})}{(1 - 1 / k) l_{n} π}}{\frac{l_{n} (T_{4} / T_{1})}{l_{n} (T_{3} / T_{2})} - 1}

结论：

1)压比越高，制冷系数越高。

2)回热器传热温差越小，制冷系数越高。

3)回热器传热温差逼近零时，制冷系数

ϵ = \frac{T_{1}}{T_{2} - T_{1}},

等于逆卡诺循环制冷系数。

五H循环气体制冷机：

如附图7所示：将多变膨胀机组和多变压缩机组合即可成为执行H循环的气体制冷机。

制冷机采用闭式热力H循环，工质为近似理想气体，备选工质有：空气、氧气、二氧化碳、氮气、氪、氩等天然工质。制冷机的低压端为循环工质的基准压力，基准压力决定了循环工质质量流量，也决定了制冷机的制冷总能力。基准压力越高，越有助于改善制冷工质的传热性能，有助于缩小制冷机的体积。制冷机的高压端为循环工质的限制压力，它由制冷机材料的耐压能力决定。本发明人认为在等温压缩和等温膨胀过程中，在设定好高压后，高低压比有一个理论上的最佳值，使得H循环制冷机的“制冷量/体积”最佳。在设定好高压后，为使“制冷量/体积”最佳，实际H循环制冷机运行时要求高低压比为2.72-3.5。

六一种制冷机：

执行H循环的气体制冷机简称一种制冷机，这种制冷机的效率主要由下述因素决定：

①回热器传热温差。

②压缩机内工质与栽热剂(冷却源)的传热温差。

③膨胀机内工质与栽冷剂的传热温差。

④高低压力比。

⑤压缩机和膨胀机的有效效率。

Claims

1一种制冷机，其主要特征是：它包括：①膨胀机、②压缩机、③回热器、④循环工质等四大主要部件，膨胀机是加热型膨胀机，压缩机是冷却型压缩机，制冷机通过载冷剂对外供冷，制冷机通过冷却源(载热剂)散热，该制冷机执行H热力循环。

2按照权利要求1所述的一种制冷机，其主要特征是：所述的回热器是气--气逆流换热器，材质要求有较高的耐压能力。

3按照权利要求1所述的一种制冷机，其主要特征是：所述的膨胀机与按照权利要求2所述的回热器组合成为多变膨胀机组，多变膨胀机组实现吸收载冷剂热量和膨胀作功两大功能。

4权利要求3所述的多变膨胀机组，其主要特征是：载冷剂加热膨胀机机体，载冷剂热能透过膨胀机机体传递给正在膨胀的循环工质，载冷剂同时降温。循环工质在膨胀过程中吸收载冷剂的热量，循环工质同时对外作功，膨胀机进出口气流接入回热器出进口，是一种加热型膨胀机组。

5权利要求1所述的压缩机与权利要求1所述的回热器组合成为多变压缩机组，其主要特征是：多变压缩机组实现排解循环工质的压缩热和制造高压气体之两大功能。

6权利要求5所述的多变压缩机组，其主要特征是：冷却源(载热剂)透过压缩机机体，对压缩气流间接冷却。机体尺寸要足够大，保证冷却源顺畅吸收压缩气流热量。压缩机进出口气流接入回热器进出口，压缩机和回热器合并为一个整体，这个整体构成多变压缩机组，也是一种冷却型压缩机组。

7按照权利要求1所述的一种制冷机，其主要特征是：所述的循环工质是空气、氧气、二氧化碳、氮气、氪、氩等气体。

8按照权利要求1所述的一种制冷机，其主要特征是：所述的载冷剂在所述的膨胀机机体取冷。

9按照权利要求1所述的一种制冷机，，其主要特征是：所述的冷却源(载热剂)在压缩机机体取热。

10按照权利要求1所述的制冷机，其主要特征是：所述的制冷机运行时，高低压比为2.72-3.5。