CN101329121A - 主动结冰式热泵系统及节能方法 - Google Patents

Abstract

一种主动结冰式热泵系统及节能方法，属于制冷系统的节能增效技术领域。该方法依靠空气水混合工质热泵系统在膨胀器内吸收水的液化热、凝固热，并将其转变为机械功，抵消系统输入的压缩功，提高系统的能效比，以空气、水自然工质作为制冷剂，真正做到零污染、零排放，价格低廉，节能环保。该系统包括：环境空气(1)、雾化喷嘴(2)、压缩膨胀器(3)、冷凝热交换器(4)、载热剂(5)、收集器(6)、冰水分离器(7)、给水(8)、阀门(9)、储水箱(10)、压力泵(11)。水的密度导热系数远大于空气，由于利用了自然环境中贮量巨大的水的全部能量，包括显热、相变潜热，以及湿空气的全热，该方法及系统使热泵的效率提高，节能减排，所谓主动式结冰是指结冰是利用能量的一个重要方式，毋须如同目前通用热泵的被动除冰霜需消耗额外的热量。

Description

主动结冰式热泵系统及节能方法

技术领域

本发明的主动结冰式热泵系统，属于空调制冷的节能增效技术领域。

背景技术

中国政府提出，2010年主要污染物排放总量要比2005年减少10％。这是中国政府全面落实科学发展观的重大举措，得到了国际社会的高度赞赏。研究认为，由于中国经济的高速增长和污染减排政策实施机制比较薄弱，SO₂减排过分倚重火电厂脱硫工程，城镇污水管网建设严重滞后，工业COD减排缺乏有效方案，因此，实现减排目标有希望但难度非常大，取得环境质量的同步改善十分困难，持续稳定减排更是一个长期的任务。

热泵具有可以将环境或其他热源的能量通过制冷技术由低温泵入到高温空间或物体，其制热系数总是大于1，与直接将电能、化学能等转化为热能相比具有很高的优势，比如锅炉中燃料燃烧放热，放出的热能通过受热面传递给水，使水汽化产生蒸汽，实际上，锅炉中的燃料并不能完全燃烧，且燃烧后所放出的热能也不能全部得到利用，所以锅炉的热效率总是低于100％。目前利用热泵技术可将热效率提高至1以上，在某些工况下据称可高达6以上。由于热泵技术的热源主要来自于环境的水的显热、湿空气的显热或全热，受环境温度的影响特大，随着环境温度的降低，热效率大大降低，一方面热泵系统的压缩机的效率降低，另一方面低于零度水热源由于相变结冰已不能使用，空气热源由于水的凝华由水蒸气固化成冰聚于空气换热器的管壁及翅片上，使其不能正常工作，需要除冰，除冰期间，热泵系统不能正常供热，因此一般而言低于零下10℃，空气源热泵的热效率很低，再加上除冰时间无法供热，综合效率与直接燃烧的加热器相比，已无多大优势，低温下甚至采用辅助电加热的方式来供热，此时已非热泵，这是能源效率利用很低的一种方式。另外，热泵系统的制冷剂多为卤化烃，尽管有些已不含氯原子，对大气臭氧层没有破坏作用，但对温室效应的贡献却不小，且由石油炼制而成，价格高，节能环保压力仍然不小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能高效的主动结冰式热泵系统。

一种主动结冰式热泵系统及节能方法，其特征在于：

使用空气水作为混合工质制冷剂，依靠环境空气、水蒸气、水在低温条件下放热，进而液化、凝固放出大量潜热，且这些热量通过膨胀做功转化为机械功，抵消系统输入的压缩功，从而提高热泵效率。

一种主动结冰式热泵系统，其特征在于组成如下：

第一雾化喷嘴空气入口与环境空气相通，水入口与水箱相连，出口与压缩膨胀器压缩器进口相连，压缩器出口部分工质与冷凝热交换器的热边相连；冷边为载热剂，载热剂吸收冷凝热交换器的热边制冷剂空气、水的能量后，供热于用户；另一部分工质与储水箱上部相连，为储水箱加压。冷凝热交换器的冷边出口连接用于收集冷凝热交换器热边的混合工质制冷剂相变凝结水的收集器，收集器的制冷剂出口与第二雾化喷嘴空气入口相连所述收集器排水口与储水箱连接或直接与外界相连；水箱另一出水口经压力泵与第二雾化喷嘴水入口相连，第二雾化喷嘴的出口与压缩膨胀器膨胀器进口相连，膨胀器出口与冰水分离器相连，冰水分离器出口与外界相通。

本技术采用空气水作为制冷剂，利用干空气的显热以及水的显热与潜热，颠覆传统热泵对冰的处理方式，采用主动结冰的方式利用同时吸收环境空气水的所有能量，由于水相变蕴藏很大能量，因此本热泵于传统热泵相比具有很大优势。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

图2是热力循环流程原理图

图中标号名称：1、环境空气，2、雾化喷嘴，3、压缩膨胀器，4、冷凝热交换器，5、载热剂，6、收集器，7、冰水分离器，8、水，9、阀门，10、储水箱，11、压力泵

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的系统示意图。环境空气1与来自储水箱10的水8在第一雾化喷嘴入口处混合后在第一雾化喷嘴的出口处形成雾化水进入压缩膨胀器3压缩器进口，雾化水在压缩器内经压缩变成汽化水，成为湿空气制冷工质的一部分。湿空气从压缩器出口部分进入冷凝热交换器4的热边，冷边为载热剂5，载热剂5吸收冷凝热交换器4的热边制冷剂空气、水的能量后，供热于用户；另一部分旁通进储水箱10上部为其加压，提供动力。冷凝热交换器4的热边的制冷剂进入收集器6，部分水凝结后被收集器6收集，可以排掉，亦可以回收至储水箱10，剩余的制冷剂进入第二雾化喷嘴入口，与来自储水箱10的水经压力泵11加压后混合，形成饱和湿空气及雾化水的混合物，由第二雾化喷嘴的出口处进入压缩膨胀器3膨胀器进口，在膨胀器中，气体由于膨胀而降温，有一部分水蒸气要冷凝为水，并在温度进一少降到冰点以下时，凝结为冰粒或雪花。膨胀作功后空气放出显热，部分水放出全热，由压缩膨胀器3压缩器回收膨胀功，制冷剂由压缩膨胀器3膨胀器出口后，进入冰水分离器7分离其中的冰水后，空气直接排入环境中。

图2是热力循环流程原理图。气流在压缩膨胀器3的压缩器前的①点处于环境状态，先按相变成分为水来介绍，由雾化喷嘴喷出的雾状水，使得气流在①’点时变为过饱和状态，然后进入压缩膨胀器3的压缩器中。气流在被压缩过程中产生的压缩热使得雾状水迅速汽化。因为汽化需要吸收潜热，所以使得压缩过程在较低的温度下进行，其排气温度要比压缩干空气时的温度低得多。在不考虑气体和外界进行的热交换及系统内部各种损失所加给气流的热量时，对混合工质的压缩过程可以认为是等熵压缩过程。但对于干空气而言，因为存在水的相变吸热，所以其压缩过程为多变压缩过程，多变指数小于空气绝热指数k值，一般为1.4。压缩器喷水量增多时，排气温度降低，压缩功减少。一般压缩器喷水至②点排气达到饱和状态。

在冷凝热交换器4中，饱和的气流被载热剂5带走热量而冷却。在这降温过程中，水蒸气要冷凝，并放出潜热。冷凝水被收集器6收集起来，排放或靠系统自身的压力进入储水箱10，进而靠水泵11驱动加压而送到雾化喷嘴。分离出冷凝水后的气流，在③点处于该处温度下的饱和状态。这时向进入膨胀器前的气流喷入雾化水，使之到③’点处时达到过饱和状态，然后进入膨胀器。

在膨胀器中，气体由于膨胀而降温，有一部分水蒸气要冷凝为水，并在温度进一步降到冰点以下时，凝结为冰粒或雪花。因为水的冷凝而在膨胀器中放出气化潜热和融化热，使整个气流温度比干空气膨胀时有所提高，气流膨胀程度也随之增加，所以膨胀器所回收的膨胀功也增大。但出口④点气流混合物的总焓值仍比干空气膨胀时要小。

气流经过④点进入环境中，如图2所示，在环境中，气流吸收热量，温度升高和所含的冰融化，并有部分的水汽化，此热泵系统原为开式系统，但从热力循环的角度分析，可以想象为一闭式热力循环系统，④点的气流与环境热交换后和环境的状态一样，在这里环境作为一热阻为零的热交换器，④点的气流回复为环境状态，即①点状态，这样便完成了整个热力循环。

下面来较详细地分析新热力循环的各个过程。

理论分析

以实例计算表达之。

如图2所示。计算理想流程参数的情况下：所有机械效率，η＝1.0；流阻为零。已知条件有：t₁＝26℃，t₃＝37℃，t₄＝-4℃，p₁＝0.1MPa，压缩比π＝3，制冷剂为工质和水，①点、②点、③点工质处于饱和状态。

1)①点参数

由t₁＝26℃得到饱和水蒸气分压力：

P_1wv＝3.327kPa

利用含湿量计算公式求得d₁(d_1wv)：

$d_1=0.622\×\frac{3327}{100000-3327}=0.0214\mathrm{kg}/\mathrm{kg}$

根据混合气体的焓的计算式可求出h₁：

h₁＝1.01×26+(1.86×26+2500)×0.0214＝80.8kJ/kg

2)①’点参数

在①’点前喷水d_1w的水，认为t₁＝t_1w＝t′₁，因而由t_1w＝26℃可到：①’点水的比焓，h′_1w＝108.8kJ/kg；①’点水的比熵，s′_1w＝0.3807kJ/(kg·K)。

①’点与①点存在如下关系：

p′₁＝p₁   p′_1wv＝p_1wv

p′_1a＝p₁-p_1wv

d′_1ww＝d_1wv＝d₁

由于喷水量d_1w未知，由比焓和比熵的计算式分别得到①’点的比焓和比熵：

h′₁＝80.8+108.8d_1w

s′₁＝1.8847+0.3805d_1w

3)②的参数

假设t₂＝62.1℃，可得：②点的饱和水蒸气分压力，p_2wv＝21.731kPa。由压缩比π＝3得到②点的压力，p₂＝π×p₁＝0.3MPa。计算②点的含湿量d₂(d_2wv)：

$d_2=0.622\×\frac{21731}{300000-21731}=0.0486\mathrm{kg}/\mathrm{kg}$

由水的质量守恒求得d_1w：

d_1w＝d₂-d₁＝0.0272kg/kg

从而可得①’点的比熵为：

s′₁＝1.8847+0.3805×0.0272＝1.895kJ/(kg·K)

由比焓和比熵的计算式分别得到②点的比焓和比熵：

h₂＝1.01×62.1+(2500+1.86×62.1)×0.0486＝189.8kJ/kg

$s_2=s_{2a}^0-\mathrm{Rg}\×\ln \left(\frac{p_2-p_{2\mathrm{wv}}}{p_0}\right)+s_{2\mathrm{wv}}\×d_{2\mathrm{wv}}$

$=1.8129-0.28704\×\ln \left(\frac{300000-21731}{98000}\right)+7.8749\×0.0486$

$=1.895\mathrm{kJ}/(\mathrm{kg}\·K)$

所得结果与①’点的比熵相对比，两者相接近，认为所取t₂符合要求，如果两者相差较大，则重新取t₂的值，重复(2)、(3)步骤知道接近为止。此时①’点的比焓如下：

h′₁＝80.8+108.8×0.0272＝83.8kJ/kg

4)③点参数

由t₃＝37℃，查饱和水蒸气分压力表得：

p_3wv＝6.213KPa

有p₃＝p₂，利用含湿量计算公式求得d₃(d_3wv)：

$d_3=0.622\×\frac{6213}{300000-6213}=0.0132\mathrm{kg}/\mathrm{kg}$

根据混合气体的比焓计算式可求出h₃：

h₃＝1.01×37+(1.84×37+2500)×0.0132＝71.2kJ/kg

5)③’点参数

同①’点，认为t_3w＝t′₃＝t₃＝37℃，且③’点与③点存在如下关系：

p′₃＝p₃       p′_3wv＝p_3wv

p′_3a＝p₃-p_3wv

d′_3wv＝d_3wv＝d₃

查表得：③’点水的比焓，h′_3w＝154.9kJ/kg；③’点水的比熵，s′_3w＝0.5319kJ/(kg·K)。

根据比焓和比熵的计算式分别得到③’点的比焓和比熵：

h′₃＝71.2+154.9d_3w

s′₃＝1.5287+0.5319d_3w

6)④点参数

对于④点，有p₄＝p₁，由t₄＝-4℃可得到：

p_4wv＝0.448kPa

利用含湿量计算公式求得d₄：

$d_4=0.622\×\frac{448}{100000-448}=0.0028\mathrm{kg}/\mathrm{kg}$

在此状态点，有部分水冷凝为冰。根据熵的定义 $\mathrm{dS}=\frac{\mathrm{dQ}}{T},$ 可分别求出t₄＝-4℃时水蒸气的比熵s_4wv＝9.1818kJ/(kg·K)和冰的比熵s_4wi＝-1.1966kJ/(kg·K)。根据t＜0℃时比焓和比熵的计算式分别得到③’点的比熵：

$s_4=s_{4a}^0-\mathrm{Rg}\×\ln \left(\frac{p_4-p_{4\mathrm{wv}}}{p_0}\right)+d_4\×s_{4\mathrm{wv}}+s_{4\mathrm{wi}}\×(d_3-d_4+d_{3w})$

$=1.6127-1.1966(0.0104+d_{3w})$

根据膨胀过程为等熵过程有s₄＝s′₃，结合步骤(5)可求得③’的喷水量d_3w：

d_3w＝0.0414kg/kg

从而得到③’点的比焓和比熵：

h′₃＝71.2+154.9d_3w＝71.2+154.9×0.0414＝77.6kJ/kg

s′₃＝1.5287+0.5319d_3w＝1.5287+0.5319×0.0414＝1.551kJ/(kg·K)

④点的比焓和比熵，其中比焓包括冰的焓值：

h₄＝1.01×t₄+(2500+1.86t₄)×d₄-(d₃+d_3w-d₄)×(334.7-2.017×t₄)

  ＝-14.6kJ/kg

s₄＝1.6127-1.1966(0.0104+d_3w)

  ＝1.6127-1.1966(0.0104+0.0419)＝1.551kJ/(kg·K)

7)性能参数计算

压缩功：

N_c＝(h₂-h′₁)＝106.0kJ/kg

膨胀功：

N_e＝(h′₃-h₄)＝92.2kJ/kg

循环功：

N_a＝N_c-N_e＝(h₂-h′₁)-(h′₃-h₄)＝13.8kJ/kg

系统制热量：

q_k＝h₂-h₃+(d₂-d₃)(h_1w)＝207.1kJ/kg

制热系数：

${\mathrm{\η}}_a=\frac{q_0}{(h_2-h_1^{\′})-(h_3^{\′}-h_4)}=15.0.$

Claims (3)

1.一种主动结冰式热泵系统，其特征在于组成如下：

第一雾化喷嘴空气入口与环境空气相通，水入口与水箱(10)相连，出口与压缩膨胀器(3)压缩器进口相连，压缩器出口工质部分与冷凝热交换器(4)的热边相连，冷边为载热剂(5)，载热剂(5)吸收冷凝热交换器(4)的热边制冷剂空气、水的能量后，供热于用户；另一部分与储水箱(10)上部相连；冷凝热交换器(4)的冷边出口连接用于收集冷凝热交换器(4)热边的混合工质制冷剂相变凝结水的收集器(6)，收集器(6)的制冷剂出口与第二雾化喷嘴空气入口相连，所述收集器(6)排水口与储水箱(10)连接或直接与外界相连；水箱(10)另一出水口经压力泵(11)与第二雾化喷嘴(2)水入口相连，第二雾化喷嘴(2)的出口与压缩膨胀器(3)膨胀器进口相连，膨胀器(3)出口与冰水分离器(7)相连，冰水分离器出口(7)与外界相通；给水(8)通过阀门阀门(9)进入储水箱(10)。

2.根据权利要求1主动结冰式热泵系统，其特征在于：所述储水箱(10)的给水(8)为高于环境温度经过加热的水。

3.一种主动结冰式热泵节能方法，其特征在于：使用空气水作为混合工质制冷剂，依靠环境空气、水蒸气、水在低温条件下放热，进而液化、凝固放出大量潜热，且这些热量通过膨胀做功转化为机械功，抵消系统输入的压缩功，从而提高热泵效率。

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