CN102077038A - 用于从第一介质向第二介质传递热量的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从第一相对较冷介质向第二相对较热介质传递热量的方法和装置(1),包括可旋转地安装在框架(2)中的气密转子(4),还包括安装在转子(4)内部的:压缩机(10);第一换热器(8),用于将热量从流体传递给第二介质,并定位成离转子(4)的旋转轴线相对较远;膨胀腔室(11),用于使得流体膨胀;以及槽道(14),用于将膨胀的流体从膨胀腔室(11)传送给压缩机(10),其中,第一换热器(8)与槽道(14)热隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从相对较冷的第一介质向相对较热的第二介质传递热量的方法和装置。
背景技术
US4107944涉及一种用于产生加热和冷却的方法和装置,即通过使得工作流体在由转子承载的通道内循环,使得所述工作流体在其中压缩,以及在除热换热器中从所述工作流体中除去热量和在加热换热器中向所述工作流体中加入热量,所有换热器都由所述转子承载。工作流体密封于其中,并且工作流体可以是合适的气体,例如氮气。还提供工作流体换热器以在转子内在两种所述工作流体流之间进行换热。
US4005587涉及一种用于将热量从低温热源输送至更高温度散热器中的方法和装置,使用通过离心力而在旋转转子中压缩的可压缩工作流体,同时伴随温度提高。热量从加热的工作流体传递给处于更高温度的散热器,且在膨胀和冷却之后,热量从更冷的热源加入工作流体中。在转子内提供冷却,以便控制工作流体密度,从而有助于工作流体循环。
由US3828573、US3933008、US4060989和US3931713可知类似的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高效产生高温介质和/或低温介质的方法。
因此,本发明的方法包括:使得所容纳量的可压缩流体绕旋转轴线旋转;沿远离旋转轴线的方向压缩该流体;从压缩的流体向相对较热的第二介质传递热量;使得流体沿朝着旋转轴线的方向膨胀;从第一介质向流体传递热量,同时至少基本防止在膨胀的流体和压缩的流体之间进行热量传递。
在一个方面,热量在膨胀的过程中从第一介质传递给流体。
在还一方面,流体至少基本等熵地压缩和/或至少基本等温地(isothermically)膨胀。
在还一方面,至少基本等压地使得热量从压缩的流体传递给第二相对较热的介质,即在流体中的压力在热量传递过程中保持至少基本恒定。
在还一方面,流体在膨胀之后在压缩之前加热。在该阶段加入热量将减小供给转子的功的量(相对于从压缩流体传递给第二介质的热量)。
在还一方面,该方法包括通过包含在第二介质中的热量来在热转换循环中产生功,例如使用斯特林发动机。
产生的功的至少一部分能够用于使得所容纳量的流体旋转。还有,热转换循环的至少一部分剩余热量可以用于在膨胀之后和在压缩之前加热流体。因此,获得的组合方法具有产生的功和输入的热量的增大比率。
在还一方面,该方法用于例如在空调系统中提供冷却,且热量在压缩过程中从流体传递给相对较热的介质,并在膨胀过程中或在膨胀之后和在压缩之前传递给流体。
本发明的方法能够以相对较高的效率来产生热、冷和/或功。
本发明的方法可以至少局部通过从周围环境获取和/或温度至少与周围环境的温度基本相等的介质来操作。
通过本发明获得的热和冷介质也可以例如用于加热或冷却建筑物,或者在更大规模上用于通过例如Carnot循环或“蒸汽循环”来发电。
本发明还涉及一种用于从相对较冷的第一介质向相对较热的第二介质传递热量的装置,它包括可旋转地安装在框架中的气密转子,还包括安装在转子内部的:压缩机;第一换热器,用于将热量从流体传递给第二介质,并定位成离转子的旋转轴线相对较远;膨胀腔室,用于使得流体膨胀;以及槽道,用于将膨胀的流体从膨胀腔室传送给压缩机,其中,第一换热器与槽道热隔离。
在一个方面,该装置包括第二换热器,该第二换热器与膨胀腔室热连接,或者形成膨胀腔室的一部分。
在还一方面,第一换热器用于至少基本等压地将热量从压缩的流体传递给相对较热的第二介质。因此,在一个实施例中,第一换热器平行于气密转子的旋转轴线延伸,即处于离所述轴线至少基本恒定的距离,从而避免或减少势能的波动和流体压力的波动。在一个方面,换热器的截面面积和形状在它的大部分或全部长度上恒定。
在还一方面,至少一个换热器与建筑物例如房屋或办公室的加热系统和/或空调系统连接。
在还一方面,通常当本发明用于工业规模时,至少一个换热器与用于产生功的循环连接。该循环可以包括:蒸发器或过热器,该蒸发器或过热器与高温换热器热连接;冷凝器,该冷凝器与低温换热器热连接;以及热机。周围环境通常将用作散热器,但是也可以作为高温热源(当循环的工作温度足够低时)。
在还一方面,可压缩流体是气体,例如包含或基本由单原子元素构成,具有的原子量(Z)≥18,例如氩气,或者≥36,例如氪气和氙气。
根据本发明的至少一些方面,与只受到地球重力的柱相比,使用人造重力以减小可压缩流体的柱的长度,且大气由允许在流体中有更大温度梯度的气体来代替。混合可以用于提高在流体内的热传导。
在本发明的框架中,将“梯度”定义为在从一点通向另一点时(例如沿柱体的径向)观察到的特征的量的连续或台阶状增大或减小。还有,术语“压缩机”包括用于增加流体的密度的任何叶轮。
为了完整,应当知道,DE3238567涉及一种用于产生温度差以便加热或冷却的装置。在外力的作用下,在气体中形成温度差。通过利用离心力和通过高分子量的气体,该效果增大至这样的程度,它对于技术上的使用很重要。
WO03/095920涉及一种用于传输热能的方法,其中,热能通过第一换热器(4、4a、4b)而传输至旋转离心机的内部腔室(3)中,在内部腔室(3)中提供了气态的能量传递介质,且热量通过第二换热器(5;5a、5b)而从离心机(2)排出。通过在平衡状态下在转子(12)内部提供气态能量传递介质以及通过将热流径向定向成朝外方向,可以大大降低使用的能量。对于WO03/095920的发明,重要的是防止对流(第2页,最后一句)。
US3902549涉及一种安装成用于高速旋转的转子。在它的中心布置了热能源,而在它的周边布置有换热器。提供了腔室来容纳气体物质,该气体物质可以根据它在腔室中的位置来从热能源接收热量或向换热器输出热量。
WO2006/119946涉及用于利用流动(通常是气体或蒸气)的原子或分子来从第一区域(71)向第二区域(72)传递热量的装置(70)和方法,其中,在一个实施例中,原子/分子的无序运动(该无序运动通常通过简单的分子运动而阻碍热量的传递)这样克服,即通过使用优选是细长的纳米尺寸限制件(33)(例如碳纳米管)来排列原子/分子以及然后使它们受到沿要传递热量的方向的加速力。加速力优选是向心力。在可选实施例中,在纳米尺寸限制件中的分子(4c)可以布置成通过与细长限制件的伸长方向垂直地振动而传递热量。
JP61165590和JP58035388涉及旋转类型热管。US4285202涉及用于能量转换的工业方法,它包括至少一个步骤,该步骤包括向存在的工作流体进行作用,以便产生压缩或膨胀。
附图说明
下面将参考附图更详细地介绍本发明,附图示意表示了适用于小型用途的本发明第一装置的剖视图,在该实施例中用于加热和/或冷却房屋。
图1表示了适用于小型用途的本发明第一装置的剖视图,在该实施例中用于加热和/或冷却房屋。
图2表示了包括压缩机的本发明第一装置的剖视图,该压缩机可以相对于气密转子独立地驱动。
图3A和3B是本发明的方法的视图。
具体实施方式
图1中所示的装置1包括:静止的基部框架2,该基部框架2牢固地定位在地板上;气密的外壳3,该外壳3牢固地安装在框架2上;以及转子4,该转子4例如通过空心轴5和合适的轴承(例如滚珠轴承6)而安装在外壳3内和基部框架2内。轴承可以位于外壳的外部,以便于维护和更换。
转子4的直径在30至100厘米的范围内,在该实例中为50cm。转子4的壁以自身已知的方式来绝热。装置1还包括驱动装置,在该实例中为电马达7,以便使得转子以在从1500至9000RPM的范围内的速度旋转。可以通过降低外壳3中的压力(例如至真空)来降低损耗。
转子4包含两个换热器8、9、压缩机10、膨胀腔室11、绝热器12以及用于供给液体的导管13。
绝热器12包括与轴5同轴延伸的环形空心本体。为了提高绝热,环形本体可以容纳绝缘材料或真空。绝热器12和轴5确定了第一环形和同轴的腔室14,该腔室14形成在膨胀腔室11的出口和压缩机10的进口之间的流体连接。
压缩机10包括多个叶片15,并由转子4的端壁和绝热器12的弯曲端壁来界定。
绝热器12和转子4的内壁确定了第二环形和同轴的腔室16,该腔室16形成在压缩机10的出口和膨胀腔室11的进口之间的流体连接。一个换热器8安装在该第二腔室16内部。在该实例中,换热器8包括与转子4的旋转轴线(R)同轴的盘管17,并通过可旋转的流体接头18而与供给源13A和出口13B连接。
膨胀腔室11包括多个叶片(未示出),并因此用作涡轮。另一个换热器9集成在膨胀腔室11中,并通过可旋转流体接头而与供给源13C和出口13D连接。
在该实例中,转子4充满6巴压力的氙气(在环境温度下和当转子未旋转时)。
使得转子4旋转将在流体中产生径向温度梯度,且根据转子4的角速度,温度差(ΔT)在从10至200℃的范围内。该梯度通过在压缩机10中的基本等熵压缩而放大,这又产生或保持流体在转子内部的循环。
在本发明的方法和装置中用于产生或加强循环的其它方式包括:
一个或多个轴向风扇位于例如用于从膨胀腔室向压缩机传送膨胀的流体的槽道中;
使用包括至少两级的压缩机,典型地同轴的分转子,一级与膨胀腔室的相同轴线连接;
例如通过一个或多个珀尔贴(Peltier)元件来预先加热相对较冷的第一介质。
相对较热的压缩流体流过第二环形腔室16,从而向换热器8内的介质传递热量。在该实例中,介质是以逆流流过换热器8的水。加热的水可以用于壳体的中心加热。
在传递热量之后,流体从转子4的周边朝着旋转轴线膨胀,从而使得温度降低至低于环境温度。在膨胀过程中,流体通过在膨胀腔室11中的换热器9和处于环境温度的介质(例如来自周围的水)或处于更高温度的介质(例如来自另一装置的排气)来加热。
最后,膨胀的流体通过第一环形腔室14流向压缩机10的进口。附加的热量可以从例如流过空心轴5的介质传递给流体。在可选实例中,用于驱动转子的至少一个电马达安装在轴内部,这样,该马达的散热传递给流体。通过绝热器基本防止在压缩的流体和膨胀的流体之间的回热换热。
本发明的方法和装置能够以相对高效率地产生热、冷和/或功。
在还一实施例中,压缩机包括一转子,该转子可以以比主转子更高的角速度来旋转。在该实施例中,都旋转的两个转子的平均角速度确定了温度差,即当平均角速度增加时,加热的介质(例如用于中心加热的水)的温度提高。在转子的速度之间的差异确定了装置的热输出。因此,它例如可以在相对较低温度下产生高的热量输出。通常,当离开装置的(相对较热)介质的温度处于与用途(例如中心加热)所需温度相等的温度时效率更高。
图2中表示了该实施例的一个实例。下面集中介绍与图1所示实施例的差异。
图2中所示的装置1的外壳3包括外壳3,该外壳3又包括由绝热材料(例如纤维增强聚合物)制造的中心部分3A和由金属例如铝制造的端部壳体3B。外壳3通过轴5而可旋转地安装在框架(未示出)内,并有例如55cm的直径。转子4是外壳3的中心部分3A的集成部分,并包含两个换热器8、9、压缩机10、膨胀腔室11、绝热器12和用于供给液体的导管13。
绝热器12包括与轴5同轴延伸的环形空心本体。为了加强绝热,环形本体可以包含绝热材料。轴5为空心,并通过在它的壁中的狭槽5A而形成在膨胀腔室11的出口和压缩机10的进口之间的流体连接。压缩机10可旋转地安装在轴5上,包括多个叶片15,并由转子4的端壁来界定。
确定于中心部分3A中的同轴腔室16形成在压缩机10的出口和膨胀腔室11的进口之间的流体连接。同轴腔室的截面面积和环形形状在它的长度上恒定。一个换热器8包围该第二腔室16。在该实例中,换热器8包括:多个轴向延伸管17,用于与同轴腔室16中的流体进行逆流换热;以及绝热返回管(未示出),该绝热返回管通过可旋转流体接头而分别与供给源13A和出口13B连接。
膨胀腔室11包括多个叶片(未示出),并因此用作涡轮。另一个换热器9集成在膨胀腔室11中,并通过可旋转流体接头而与供给源13C和出口13D连接。
在该实例中,转子4充满10巴压力的氙气(在环境温度下和当转子未旋转时)。
该装置的循环在图3A和3B中所示,并包括通过压缩机(10)进行的等熵压缩(1-2)、在第二腔室(16)中进行的等压换热(2-3)以及在膨胀腔室(11)中进行的等温膨胀(3-1)。
在另一实施例中,本发明的装置主要布置成例如在空调系统中提供冷却,且流体的循环反向。热量在流体的压缩过程中例如通过在压缩腔室(11)中的换热器(9)而从流体传递给相对较热介质,并在膨胀过程中或者在膨胀之后和压缩之前例如通过换热器(图中未示出)而传递给流体,该换热器在装置的轴(5)中或附近,并与要冷却的介质连接。
在还一实施例中,装置包括串联或并联连接的两个或更多转子。例如,在包括两个串联转子的结构中,来自第一转子的加热介质供给第二转子的低温换热器。因此,当与第一转子中的热量传递相比时,在第二转子中传递给高温换热器的热量大大增加。来自第一转子的、冷却的介质可以用作冷却剂,例如在空调中。
本发明并不局限于上述实施例,它们可以在权利要求的范围内以多种方式变化。例如,其它介质例如二氧化碳、氢气和CF4可以用于转子的换热器中。
Claims (15)
1.一种从相对较冷的第一介质向相对较热的第二介质传递热量的方法,包括:
使得所容纳量的可压缩流体绕旋转轴线旋转;
因此沿远离旋转轴线的方向压缩该流体;
从压缩的该流体向该第二介质传递热量;
使得该流体沿朝着旋转轴线的方向膨胀;
从该第一介质向该流体传递热量;
同时至少基本防止在膨胀的该流体和压缩的该流体之间进行热量传递。
2.根据权利要求1所述的方法,其中:热量在膨胀的过程中从该第一介质传递给该流体。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中:该流体至少基本等熵地压缩和/或至少基本等温地膨胀。
4.根据前述任意一个权利要求所述的方法,其中:至少基本等压地使得热量从压缩的该流体传递给相对较热的该第二介质。
5.根据前述任意一个权利要求所述的方法,其中:在膨胀之后在压缩之前加热该流体。
6.根据前述任意一个权利要求所述的方法,其中:该第一介质从周围环境获取,和/或温度至少基本等于周围环境的温度。
7.根据前述任意一个权利要求所述的方法,其中:压缩和膨胀通过以不同速率旋转的单独叶轮来进行。
8.根据前述任意一个权利要求所述的方法,其中:可压缩流体包含或基本由单原子元素构成,具有的原子量(Z)≥18,优选是≥36。
9.一种用于从相对较冷的第一介质向相对较热的第二介质传递热量的装置(1),包括可旋转地安装在框架(2)中的气密转子(4),还包括安装在转子(4)内部的:
压缩机(10);
第一换热器(8),用于将热量从流体传递给该第二介质,并定位成离转子(4)的旋转轴线相对较远;
膨胀腔室(11),用于使得该流体膨胀;以及
槽道(14),用于将膨胀的流体从膨胀腔室(11)传送给压缩机(10),
其中,第一换热器(8)与槽道(14)热隔离。
10.根据权利要求9所述的装置(1),还包括:第二换热器(9),该第二换热器与膨胀腔室(11)热连接,或者形成膨胀腔室的一部分。
11.根据权利要求9或10所述的装置(1),其中:压缩机(10)包括转子,该转子可相对于主转子(4)旋转。
12.根据权利要求9-11中任意一个所述的装置(1),其中:第一换热器(8)用于至少基本等压地将热量从压缩的该流体传递给相对较热的第二介质。
13.根据权利要求12所述的装置(1),其中:第一换热器(8)平行于气密转子(4)的旋转轴线延伸。
14.包括至少一个马达(7),用于驱动转子,其中,马达(7)安装在转子(3)内部,并与用于从膨胀腔室(11)向压缩机(10)传送膨胀流体的槽道(14)热连接。
15.根据权利要求9-14中任意一个所述的装置(1),其中:一个或多个换热器包括板换热器。
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