CN101317047A - 基于稀有气体的柏努利热泵和方法 - Google Patents

Abstract

热泵将热量从源头移动到较温热的散热器，其中柏努利热泵通过下面方式实现这种移动，即通过降低通常较温热的散热流的部分中的温度。热量自发地从通常较冷的热源流流动到散热器流的局部寒冷的部分，其是文丘里管的颈部。这个温度降低是由于随机气体微粒运动(温度和压力)的柏努利转换成定向运动(流)而造成的。本发明是一种柏努利热泵，其中，向文丘里管颈部中的热传递使用了稀有气体的不寻常的热力传递特性。稀有气体，特别是它们的混合物，具有不同寻常的小的普朗特数，并且从而有助于随机微粒运动(热量)相对于定向微粒运动的扩散(粘度)的扩散，粘性摩擦造成了柏努利热泵消耗的大部分热量。

Description

基于稀有气体的柏努利热泵和方法

技术领域

本发明涉及热泵——将热量从热源移动到温热的散热器(heat sink)的装置，更具体的是涉及柏努利(Bernoulli)热泵和方法。

背景技术

热机将热量从源头移动到散热器。通过区分热量移动的方向，热机可以被分为两种基本类型。热量自发地“向下”流动，也就是朝着较低温度流动。对于水的流动，“向下的”热量流动可用于产生机械功，例如像内燃机所表示的。将热量“向上”移动的装置，也就是朝着较高温度移动的装置，被称为热泵。热泵必须消耗能量。冰箱和空调是热泵的实例。通常使用的热泵使用的工作流体(气体或者液体)的温度在一范围上改变，该范围包括源头和散热器的温度，热量在所述源头和散热器之间被泵送。这个温度变化通常通过压缩工作流体来实现。柏努利热泵通过使用公知的柏努利原理实现了所需要的温度变化，根据该原理，随机分子运动(温度和压力)被转变成定向运动(宏观流体流动)，同时保持整体动能不变。通常当流体流动的横截面面积减小时发生柏努利转换，如在文丘里管形的管道中，其中，流体流动的横截面面积沿着流动路径经过最小值。流体可以是气体或者液体。现有的这种实例由C.H.Barkelew在美国专利3,049,891中描述，名为“Cooling by flowing gas atsupersonic velocity”，10/21/60；并且由V.C.Williams在美国专利3,200,607中描述，名为”Space Conditioning Apparatus”，11/7/63。

随着横截面面积减小，如在花园用软管喷嘴中，定向运动必须被增大从而保持恒定的质量通量(mass flux)。通过在温度和压力中反映出的随机分子运动的局部降低，这种转换自发地发生，也就是不需要另外的能量。然而压缩消耗能量，柏努利转换不需要。虽然柏努利转换本身不消耗能量，但是流体喷嘴状结构(nozzling)通常意味着散热流内强烈的速度梯度。速度梯度意味着粘滞损失。因此，在柏努利热泵的发展中关键的挑战是发现并且使用有助于热传递同时使粘滞损失最小化的结构和材料。

近来在热声应用中已经发现，稀有气体的混合物具有异常小的粘性。这种发展的讨论和另外的参考可以参见M.E.H.Tijani，J.C.H.Zeegers and A.T.A.M.de Waele，“Prandtl number andthermoacoustic refrigerators”，Journal of the AcousticSociety of America，112，No.1，pp.134-143，(July，2002)。

对于热泵来说，通常的效率度量(metric)是“性能系数”(CoP)，其是热流量(heat-transfer rate)与所消耗能量的比率。在柏努利热泵中，能量消耗的主要来源是文丘里管颈部内的粘滞摩擦，在其处，流动速度最大。驱动热传递的温差和粘性耗散与流速的平方成比例。工作流体的两个特性对于柏努利热泵的效率是至关重要的：它的导热率和它的粘性。气体的无量纲特性，称为普朗特数，是最基本的这两个特性的比率。CoP因此可以直接受益于使用具有小的普朗特数的材料。Tijani等在热声装置中的上述发现，即稀有气体的混合物具有不寻常小的普朗特数，现在已经根据本发明被应用，这种发现的新的应用改进了柏努利热泵和方法的操作。

发明内容

因此本发明的主要目的是提供一种操作柏努利热泵等的新的和改进的方法，并且产生新的泵设备，其提供了有效的热传递，同时使粘性流体流动损失最小化。

另一个目的是提供稀有气体在柏努利热泵中的新的使用，并且优选的是这种和其它气体的混合物，所述混合物提供了具有不同质量的气体成分(原子，分子)——相对轻和相对重——在泵的流体流动操作中产生了显著低的普朗特数。

另一个目的是提供这样一种新的柏努利热泵，其中，向文丘里管颈部中的热传递使用了稀有气体的不寻常的热力传输特性。

下面将详细描述其它和另外的目的，并且在权利要求中充分限定。

然而，总的来说，根据它的较宽的方面中的一个，本发明包括一种柏努利热泵，其中，热量被传递到喷嘴式(nozzled)散热流体流的颈部中，平衡热传递和粘滞损失的方法，包括：使一种或多种稀有气体作为所述散热流流动穿过颈部，同时热量被传递到其处。

从设备的观点，本发明的方法可以利用热泵实施，该热泵包括：

·热源流体流，

·散热流体流，与所述热源流体流良好的热接触，

·鼓风机构，保持所述热源和散热流体流，

·至少一个具有可变横截面的固体管道，其将文丘里管形状施加在所述散热流上，和

·其中所述散热流体流包括至少1％摩尔分数的稀有气体作为一种成分。

优选的并且最好的实施方式下面充分描述。

根据本发明的另一个方面，工作流体可以包括基本的(elemental)稀有气体。因为普朗特数与具体的热量成比例，其依次与工作流体中可用于吸收能量的自由度(degrees of freedom)的数目成比例，对于包括相对简单微粒的气体来说，普朗特数已经相对小。包括最简单微粒的气体是稀有气体。因此，利用稀有气体的这些不寻常的热力传输特性，甚至基本稀有气体现在已经证实对于作为柏努利热泵的工作流体是有吸引力的，并且它们因此对于本发明的目的是优选的。

本发明因此构思一种柏努利热泵，其中，散热流体流——“工作流体”——事实上优选包括显著部分的稀有气体或者稀有气体的混合物，轻的和重的；并且通常，相对轻和相对重的气体成分的混合物，下面进行解释。

附图说明

下面参考附图描述本发明，附图中：

图1是一剖视图，示出了文丘里喷嘴中的流体温度和速度，其中，优选稀有气体是流体的组成成分，用于实现本发明的目的。

图2是自形成的文丘里管结构。

图3是随机-到-定向运动的柏努利转换图。

图4是本发明的优选的热泵，其中，从热源流向图1的散热文丘里管的颈部的热传递提供了可与本发明的优选稀有气体方法流动一起使用的泵送。

图5示出了封闭无管道的柏努利热泵，可与稀有气体流体等一起使用。

图6是图2和图5中显示的环形的涡轮类型泵。

图6a是包括环形涡轮的盘的俯视图。

图6b是示出环形涡轮的叶片的盘的侧视图。

图7是闭合的基于管道的柏努利热泵，用于与本发明的稀有气体流体流一起使用。

具体实施方式

在本发明的实施例中，使得流体流采用文丘里管形状，其基本形式在图1的横截面变化的固体管道中示出，包括文丘里管道的入口喷嘴部分1，相对缓慢的高温流体流4被压力驱动到所述入口喷嘴部分1中，汇聚到中间的颈部2中，颈部2具有减小的或者缩减的横截面，流5作为相对快速和冷却的流体流通过扩张型(diverging)喷嘴部分3离开，并且其中，在扩张型喷嘴或者扩散部分3中，柏努利转换反向进行，产生了与入口1类似的缓慢的流6，但是被传递到文丘里管颈部中的流的热量所加热。鼓风机构，如图7所示，可用于产生压差，所述压差保持热源和散热流体流良好的热接触，这是众所周知的；或者用于从出口或者从排出口牵引散热流，或者用于将散热流推动到文丘里管的入口中。

可替换的是，喷嘴状结构可以是流体对于低压区域的自组织(self-organized)(无管道的(duct-free))响应，所述低压区域由泵保持。图2示出了这种自形成的文丘里管，其中，所述流沿着文丘里管流的进入转换“喷嘴”部分1被引导进入颈部2中，并且从此通过扩张型“喷嘴”部分3。在这个操作中，环形涡轮9维持穿过盘7中圆周孔隙的流动，所述盘7围绕竖直轴线8旋转，并且更具体的在图6a和6b中示出，其中，虚线15表示侧视图的平面。环形涡轮9的叶片在图6b中以14示出。图5中，定子11隔离所述散热流，并且提供了定子换热器12，换热器12将热量从散热流中去除。当环形涡轮9维持穿过在这个闭合的无管道的柏努利操作热泵结构中的所述盘设备的流动时，热源流以10示出，平行于旋转盘7的旋转轴线8。

文丘里管基本上可以是一维或者二维的。例如，穿过花园用软管喷嘴的流动的特征基本上可以是一维的，具有流动线(line offlow)。另一方面，图1所示的结构可以延伸到与图1平面垂直的第三维中，从而产生二维文丘里管、喷嘴和流动层(sheet of flow)。所需要的喷嘴状结构可以通过下面的方式实现，即使用压差来驱动流体穿过横截面变化的管道。

然而，在所有情况中，喷嘴状结构对于柏努利热泵的操作是很重要的，因为质量守恒要求流速增大从而保持通过横截面减小区域的恒定的质量通量。柏努利原理的“魔力”在于由增大的流动速度表示的能量增加是以与流体微粒的随机运动相关的能量为代价获得的。也就是说，随着流动速度增大，温度和压力降低。图3示出了柏努利转换可以在流体微粒的速度分布方面被描述。在这个分布方面，均值(流动速度)是以方差(温度)为代价而增大的。

当我们允许第二流体流、热源流将热量传递到喷嘴散热流5的柏努利冷却颈部中时，喷嘴变成热泵。一种这样的结构在图4中示出，其中，热源流垂直于图中的平面被引导。

由柏努利热泵提出的基本的挑战涉及将热量传递到喷嘴散热流的颈部中。因为热平衡消除了在紧靠流体-固体交界面的附近处散热流和固体的相对运动，因此这是一个挑战。这是所谓的“非滑动边界条件”。虽然固体可以将热量从热源流传导到与散热流的交界面，从而通过散热流对流离开，但是热量必须穿过边界层，所述边界层将固体和散热流的冷的核心分开。虽然边界层非常薄，但是构成所述层的流体既不快速移动也不必然是冷的。

为了穿过边界层，热量必须被引导通过(也就是扩散)边界层。边界层的厚度通过散热流流体的粘度控制，并且导热性的有效性通过它的导热率被控制。因此毫不奇怪的是，工作流体粘度与它的导热率的无量纲的比率是重要的设计参数。

柏努利热泵的操作因此代表了两个类似的物理效果之间的竞争。这两个效果，导热率和粘性，反映出散热流内的宏观特性的扩散(diffusion)。二者的区别仅在于发生扩散的宏观特性。也许毫不奇怪的是，所述两个相对扩散的量是通过柏努利转换而连接的量；也就是说，随机和定向微粒运动。导热率是温度的扩散(随机运动)，而粘度是流动速度的扩散(定向运动)。导热率控制优点(热传递)，而粘度控制所消耗热量的成本(粘性损失)。优点与成本的比率，优选如上所述，称为“性能系数”(CoP)，并且基本上与导热率和粘度的比率成比例，其与之前讨论的称为“普朗特数”的无量纲气体特性是相反的。

如上所述，之前提到的Tijani等进行的最近的研究，特别涉及热声制冷，已经显示出，适当使用的稀有气体的混合物具有异常小的普朗特数。这促进了这样的想法，即也许这种混合物也可以是用于柏努利泵中工作(散热)流体的有吸引力的选择物。这种混合物的关键特性是成分稀有气体原子和分子的质量差。例如，氙的原子量比氦大三十倍。同样，相对集中的轻的和重的原子的普朗特数的变化显著地非线性。也就是说，相比于在纯的气体的普朗特数的任何类型的简单平均的基础上所预期的，混合物的普朗特数显著更低。为了本发明的目的，散热流体流优选包括至少1％摩尔分数的稀有气体作为成分——单独的稀有气体元素，或者两种或多种稀有气体的组合，例如上述的较重的氙和较轻的氦，或者氦和一个或多个较重稀有气体元素的混合物等。

作为根据本发明的方法用于柏努利热泵的工作流体，稀有气体同样是有吸引力的，因为它们是惰性的。因此，它们释放到大气中不具有普通冷却剂的有害作用。

作为本发明的柏努利热泵的工作流体，稀有气体同样是有吸引力的，因为构成所述气体的单独原子不具有这样的内部结构，其能够在感兴趣的温度范围中吸收能量。这种自由度的数目直接进入具体的热量中，其依次进入普朗特数和与特定流动速度相关的温度降低。

虽然普通流体例如周围空气用作热源流和散热流允许柏努利热泵作为开放系统工作，但是稀有气体或者基于稀有气体的混合物的使用意味着系统必须被闭合。也就是说，散热流必须在闭合的循环中工作，其中，在返回到文丘里管之前，热量从散热流传递到另一个散热器。这种闭合系统的实例在上述的图5和图6中示出。

另外的变形对于本领域技术人员是显而易见的，并且被认为是落在权利要求限定的本发明的实质和范围内。

Claims (23)

1.在一种柏努利热泵中，其中，热量被传递到喷嘴式散热流体流的颈部中，平衡热传递和粘滞损失的方法，包括：使一种或多种稀有气体作为所述散热流流动穿过所述颈部，同时热量被传递到其处。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散热流包括至少1％摩尔分数的稀有气体作为成分。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述稀有气体成分包括至少1％摩尔分数的稀有气体元素。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述稀有气体成分包括多种稀有气体元素的混合物。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多种稀有气体元素的混合物包括氦和一种或多种较重的稀有气体元素的混合物。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述气体混合物包括相对轻的和重的气体元素成分。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，散热流通过由在所述流上推动产生的压差而保持。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，散热流通过由在所述流上牵引产生的压差而保持。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，散热流体流在闭合的循环中工作，在所述闭合循环中，在返回到初始的散热流之前，热量从散热流被传递到另一个散热器。

10.在一种柏努利热泵中，其中，热量被传递到喷嘴式散热流体流的颈部中，平衡热传递和粘滞损失的方法，包括：使相对轻的和重的气体元素成分的混合物作为所述散热流流动穿过所述颈部，同时热量被传递到其处。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述混合物包括稀有气体。

12.一种热泵，包括：

.热源流体流，

.散热流体流，与所述热源流体流良好的热接触，

.鼓风机构，保持所述热源和散热流体流，

.具有变化横截面的至少一个固体管道，其将文丘里管形状施加在所述散热流上，和

.其中，所述散热流体流包括至少1％摩尔分数的稀有气体作为成分。

13.如权利要求12所述的热泵，其特征在于，所述散热流的所述稀有气体成分包括至少1％摩尔分数的单独的稀有气体元素。

14.如权利要求12所述的热泵，其特征在于，所述散热流的所述稀有气体成分包括至少两种1％摩尔分数的稀有气体元素。

15.如权利要求12所述的热泵，其特征在于，所述散热流的所述稀有气体成分包括氦和较重稀有气体元素的至少1％摩尔分数的混合物。

16.如权利要求12所述的热泵，其特征在于，所述散热流包括氦和至少两种不同的较重稀有气体元素的至少1％摩尔分数的混合物。

17.如权利要求12所述的热泵，其特征在于，所述鼓风机构将所述散热流从至少一个所述文丘里管的排出口牵引。

18.如权利要求12所述的热泵，其特征在于，所述鼓风机构将所述散热流推动到至少一个所述文丘里管的入口中。

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