CN102538268A - 液体活塞单热源制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体活塞单热源制冷系统，包括气液缸、液压动力机构和液体工质回送系统，在气液缸上设液体工质出口和液体工质回流口，液体工质出口与液压动力机构的动力液体入口连通，液压动力机构的液体出口与液体工质回送系统连通，液体工质回送系统与液体工质回流口连通，在气液缸内的气体工质的区域内设高压液体回流口，液压动力机构的液体出口与液体工质高压回送系统连通，液体工质高压回送系统的高压液体出口与高压液体回流口连通，在高压液体回流口和液压动力机构的液体出口之间的液体通道上设液体工质吸热制冷器。本发明省略了传统制冷系统的活塞曲柄连杆机构，可制造出不消耗燃料对外输出功的高效制冷系统。

Description

液体活塞单热源制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷领域，尤其是一种液体活塞单热源制冷系统。

背景技术

制冷技术及装备目前被广泛应用，但其耗功大，为此，人类消耗了大量能源，也对环境造成了严重污染。如果能够发明一种以环境作为高温热源（即被冷却降温的目标热源），并通过内部系统构造一个低温热源，并以此低温热源作为制冷冷源从环境吸热，换句话说，不需要耗功就可以制冷，这将具有划时代的意义。

发明内容

要想利用环境作为高温热源，在制冷系统内构建一个低温热源，唯一的方法就是将来自于环境的气体、或将在环境中吸热的气体、进行绝热深度压缩或进行近似绝热深度压缩，在深度压缩过程中被压缩的气体的压力和温度均大幅度提高，向被深度压缩的气体内混入液体（含临界状态），液体与气体发生传热相变成气体，使压力升高、温度小幅升高或不升高或下降，然后进行绝热膨胀作功，膨胀作功的量大于压缩过程的功耗，所以系统可以对外输出动力，作功完了时的气体温度下降到低于压缩前的温度，至少部分气体发生液化，这样就构建了一个新的低温热源。如果从表面上看，这个过程违反了热力学的相关定律，但是详细分析，可知在向高温高压气体内混入液体（含临界状态）时，压力会大幅升高，压力的升高会导致膨胀作功完了时的气体温度大幅下降，这一过程的实质是利用了传质过程和传热过程的互换，用传质过程替换了传热过程，从而实现了构建低温热源的目的，这一低温热源可以作为制冷过程的冷源。

向被深度压缩的气体内混入液体（含临界状态）的量应满足液体气化后气相总摩尔数n、温度T和气体常数R的乘积大于混入液体前的此乘积。在向被深度压缩的气体内混入液体（含临界状态）的过程中，应尽可能维持恒容状态。

深度压缩需要很高的压力，用传统活塞和曲柄连杆机构很难实现，因此，需要发明一种新型活塞。为此，本发明采用了液体活塞。

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

一种液体活塞单热源制冷系统，包括气液缸、液压动力机构和液体工质回送系统，在所述气液缸上设液体工质出口和液体工质回流口，所述液体工质出口与所述液压动力机构的动力液体入口连通，所述液压动力机构的液体出口与所述液体工质回送系统连通，所述液体工质回送系统与所述液体工质回流口连通，在所述气液缸内的所述气体工质的区域内设高压液体回流口，所述液压动力机构的液体出口与液体工质高压回送系统连通，所述液体工质高压回送系统的高压液体出口与所述高压液体回流口连通，在所述高压液体回流口和所述液压动力机构的液体出口之间的液体通道上设液体工质吸热制冷器，在所述气液缸内的液体工质的作用与传统活塞式发动机中的活塞的密封和传力作用相同，在所述气液缸内的气体工质和所述液体工质的相互作用关系与传统活塞式发动机中的气态工质和活塞的作用关系相同，在一个工作循环的某一过程中所述气体工质对所述液体工质施压迫使所述液体工质推动所述液压动力机构作功，在同一个工作循环的另一过程中所述液体工质回送系统将所述液体工质经所述液体工质回流口回流到所述气液缸内实现对所述气体工质的压缩冲程，当所述气体工质被压缩到设定程度时，高压液体工质经液体工质高压回送系统和所述高压液体回流口被回送到所述气液缸的所述气体工质的区域内与所述气体工质混合传热发生气化降温增压对所述液体工质施压进入下一循环，所述液压动力机构作功过程输出的功大于系统压缩等耗功过程的功耗，所述液压动力机构对系统外作功；

所述液压动力机构、所述液体工质回送系统和所述液体工质高压回送系统受过程控制机构控制实现协调工作。

在所述气液缸的中下部设气体工质吸热制冷器。

在所述液压动力机构、所述液体工质回送系统、所述液体工质出口和所述液体工质回流口所构成的所述液体工质的流通通道上设液体工质吸热制冷器。

在所述气液缸上设气体工质导出口，在所述气体工质导出口处设气体工质导出控制阀，在所述气液缸上设气体工质导入口，在所述气体工质导入口处设气体工质导入控制阀，所述气体工质导出口经连通通道与所述气体工质导入口连通，在所述连通通道上设气体工质吸热制冷器；

所述气体工质导出控制阀、所述气体工质导入控制阀、所述液压动力机构、所述液体工质回送系统和所述液体工质高压回送系统受过程控制机构控制实现协调工作达到在所述气液缸内膨胀作功降温的所述气体工质在所述气体工质吸热制冷器内吸热升温后再被吸入所述气液缸再次被压缩的目的。

在所述气液缸上设进气道，在所述进气道上设进气门，所述气液缸上设排气道，在所述排气道上设排气门，所述进气道与中低温气体源连通，在所述排气道上设气体工质吸热制冷器；

所述进气门、所述排气门、所述液压动力机构、所述液体工质回送系统和所述液体工质高压回送系统受过程控制机构控制实现协调工作达到在所述气液缸内膨胀作功降温的所述气体工质在所述气体工质吸热制冷器内吸热升温后排放。

在所述气液缸的中上部设气体工质吸热低品位热源加热器。

在所述液压动力机构、所述液体工质回送系统、所述液体工质出口和所述液体工质回流口所构成的所述液体工质的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器。

在所述液压动力机构和所述高压液体回流口之间的所述液体工质的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器。

本发明中所述液压动力机构对外输出的功以飞轮蓄能的形式或以蓄能罐的形式或以蓄电池的蓄电形式或对电网供电的形式存储，供所述液体活塞单热源制冷系统的气体压缩过程和其他耗功过程使用。

本发明所公开的液体活塞单热源制冷系统在压缩冲程完了时的压力大于等于3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16. 5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa或60MPa。

本发明的原理是将气体深度压缩，使其温度和压力大幅度上升后混入液体（含临界状态），使压力进一步提高而温度的增幅较小或不升温或降温，然后进行绝热膨胀对外作功。由于膨胀过程的起始压力在相当程度上大于压缩终了时的压力，所以气体膨胀作功的量大于或接近压缩过程的功耗，为此，系统可以对外输出动力，至少系统可以不耗功，或只耗极少量的功。膨胀作功完了后的气体的温度低于压缩开始时的气体温度，所以相当多了一个低温热源，可以利用低温气体作为制冷过程的冷源，吸热升温后再进行压缩构成闭合循环，也可以将低温气体排放到低品位热源中，重新从低品位热源中吸入气体进行压缩，构成开路循环。在利用低温气体从低品位热源吸热，吸热后再进行压缩构成闭合循环的结构中，低品位热源的热量可以先被吸收到所述液体工质中，再利用所述液体工质对膨胀作功降温后的所述气体工质进行加热后再进行压缩。在制冷过程中，相当于从低品位热源吸热，或者在所述气体工质在所述气体工质吸热制冷器内吸热后和/或所述液体工质所述液体工质吸热制冷器中吸热后再从低品位热源中吸取热量。

本发明中所谓的低品位热源指海水、地热、尾气、工厂余热以及太阳能集热系统等一切可以对本发明所公开的传统活塞单热源闭合制冷系统中的工质提供热量的热源。

本发明所谓的中低温气体源是指来自于环境和/或来自于低品位热源的气体，或温度与环境或低品位热源相近的气体。

本发明所谓的液体工质吸热制冷器是指由所述液体工质对被制冷目标热源（例如房间、冷库等）进行制冷的热交换器；所谓的气体工质吸热制冷器是指由所述气体工质对被制冷目标热源（例如房间、冷库等）进行制冷的热交换器。

本发明所公开的液体活塞单热源制冷系统设置所述气体工质吸热低品位热源加热器和所述液体工质吸热低品位热源加热器的目的是为了给被压缩之前的气体工质或液体工质提供一定的热量使其升温，以满足本发明所公开的液体活塞单热源制冷系统循环的需要，提高制冷效果。当被制冷热源的温度较低时，这两个加热器尤为重要。

本发明中的所谓液压动力系统是指一切可以利用液体压力产生动力同时具备利用动力产生液体泵效应的系统，如液压马达、液压缸等，在所述液压动力系统的动力轴上可设蓄能飞轮。本发明所公开液体活塞发动机充分利用了所述液压动力系统的优势取代了固体活塞曲柄连杆机构，可以大幅度提高发动机的效率，大幅度降低发动机的体积和质量。

为了使所谓的液压动力系统连续对外输出动力，可以在发动机内设置两个或多个气液缸对，所有气液缸对并联设置，所有气液缸对中的一部分与另一部分工作相位不同。所述气液缸对的工作模式包括：压缩—喷液—作功—升温过程（冲程），所谓工作相位不同是指处于不同工作过程，所谓升温过程是指所述气体工质直接吸收低温热源的余热或所述气体工质经液体工质间接吸收低温热源的余热或者从低温热原重新吸入气体工质的过程。

本发明所谓的“工作循环的某一过程”可以是传统意义上所说的发动机冲程，也可以是指工作循环中的某一阶段。

本发明的所谓协调工作是指为保证只有液体工质直接与液压动力机构接触，推动液压动力机构作功过程所需要的按逻辑关系的工作过程；所谓气液缸是指可以利用气体工质对液体工质加压并可以将液体工质压出、可以将液体工质回流、可以将低压气体工质排出的容器；所谓液体工质回送系统是指能够把来自于液压动力机构液体出口的液体工质回送到所述气液缸内的系统，可以是由回流控制阀（一般可用逆止阀）和蓄能储罐构成，也可以是由泵、储罐和回流控制阀构成，还可以是其他形式的系统，但是所述液体工质回流系统应具备泵、阀和液体储存功能。

本发明中所谓的液体工质是指一切可以用于推动液压动力机构的液体，如水、油、液压油、液体二氧化碳、液氮、液氦、氟里昂等；所谓气体工质是指一切可以从环境直接或间接吸热并可参与本发明所公开的传统活塞单热源闭合制冷系统循环过程的气体。所谓气体工质和所谓液体工质可以是同一种的物质的两种不同状态，也可以是不同物质。当所述气体工质和所述液体工质设为不同物质时，所述气体工质要选择不发生相变的气体。根据液压领域公知技术，在必要的地方可设泵、阀、储液罐、蓄能罐和传感器等。

本发明所公开的液体活塞单热源制冷系统，在不设所述进气道和所述排气道的机构中，所述气体工质处于完全密封状态，因此可以使所述气体工质在非工作状态下仍然处于高压状态，故可以使用优质气体工质，如氦气等。

本发明中，可根据液压领域的公知技术，在适当的位置设其他控制阀、蓄能储罐、泵、传感器等必要装置。

本发明所公开的液体活塞单热源制冷系统在开始工作时，需要启动马达转动所述液压动力机构的动力轴。由于系统需要协调工作，必须在系统内设蓄能罐或飞轮蓄能机构或与电源连接或蓄电池，以为压缩等耗功过程提供动力。

在本发明中，所述液压动力机构可以设为两个或多个，所有所述液压动力机构可以分别独立设置，也可以设置成一体式，每个所述液压动力机构的功率可以设为不同或相同。

本发明中与高温高压气体工质混合的所述液体工质的量应尽可能多但要保证完全气化没有过剩液体，其潜热小者为好，其温度越高越好，最好是处于临界状态。

本发明的有益效果如下:

本发明省略了传统制冷系统的活塞曲柄连杆机构，可制造出不消耗燃料对外输出功的高效制冷系统。

附图说明

图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；

图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；

图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；

图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；

图6所示的是本发明实施例6的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的液体活塞单热源制冷系统，包括气液缸1、液压动力机构2和液体工质回送系统3，在所述气液缸1上设液体工质出口4和液体工质回流口5，所述液体工质出口4与所述液压动力机构2的动力液体入口连通，所述液压动力机构2的液体出口与所述液体工质回送系统3连通，所述液体工质回送系统3与所述液体工质回流口5连通，在所述气液缸1内的所述气体工质7的区域内设高压液体回流口9，所述液压动力机构2的液体出口与液体工质高压回送系统8连通，所述液体工质高压回送系统8的高压液体出口与所述高压液体回流口9连通，在所述高压液体回流口9和所述液压动力机构2的液体出口之间的液体通道上设液体工质吸热制冷器8001，在所述气液缸1内的液体工质6的作用与传统活塞式发动机中的活塞的密封和传力作用相同，在所述气液缸1内的气体工质7和所述液体工质6的相互作用关系与传统活塞式发动机中的气态工质和活塞的作用关系相同，在一个工作循环的某一过程中所述气体工质7对所述液体工质6施压迫使所述液体工质6推动所述液压动力机构2作功，在同一个工作循环的另一过程中所述液体工质回送系统3将所述液体工质6经所述液体工质回流口5回流到所述气液缸1内实现对所述气体工质7的压缩冲程，当所述气体工质7被压缩到设定程度时，高压液体工质经液体工质高压回送系统8和所述高压液体回流口9被回送到所述气液缸1的所述气体工质7的区域内与所述气体工质7混合传热发生气化降温增压对所述液体工质6施压进入下一循环，所述液压动力机构2作功过程输出的功大于系统压缩等耗功过程的功耗，所述液压动力机构2对系统外作功；

所述液压动力机构2、所述液体工质回送系统3和所述液体工质高压回送系统8受过程控制机构14控制实现协调工作。

实施例2

如图2所示的液体活塞单热源制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述气液缸1的中下部设气体工质吸热制冷器8005，在所述气液缸1的中上部设气体工质吸热低品位热源加热器9001。

实施例3

如图3所示的液体活塞单热源制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述液压动力机构2、所述液体工质回送系统3、所述液体工质出口4和所述液体工质回流口5所构成的所述液体工质6的流通通道上设液体工质吸热制冷器8001，在所述液压动力机构2和所述高压液体回流口9之间的所述液体工质6的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器9003。

实施例4

如图4所示的液体活塞单热源制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述气液缸1上设气体工质导出口1001，在所述气体工质导出口1001处设气体工质导出控制阀1002，在所述气液缸1上设气体工质导入口2001，在所述气体工质导入口2001处设气体工质导入控制阀2002，所述气体工质导出口1001经连通通道1020与所述气体工质导入口2001连通，在所述连通通道1020上设气体工质吸热制冷器8005；

所述气体工质导出控制阀1002、所述气体工质导入控制阀2002、所述液压动力机构2、所述液体工质回送系统3和所述液体工质高压回送系统8受过程控制机构14控制实现协调工作，达到在所述气液缸1内膨胀作功降温的所述气体工质7在所述气体工质吸热制冷器8005内吸热升温后再被吸入所述气液缸1再次被压缩的目的。

实施例5

如图5所示的液体活塞单热源制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述液压动力机构2、所述液体工质回送系统3、所述液体工质出口4和所述液体工质回流口5所构成的所述液体工质6的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器9003。

实施例6

如图6所示的液体活塞单热源制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述气液缸1上设进气道101，在所述进气道101上设进气门102，所述气液缸1上设排气道103，在所述排气道103上设排气门104，所述进气道101与中低温气体源连通，在所述排气道103上设气体工质吸热制冷器8005；

所述进气门102、所述排气门104、所述液压动力机构2、所述液体工质回送系统3和所述液体工质高压回送系统8受过程控制机构14控制实现协调工作达到在所述气液缸1内膨胀作功降温的所述气体工质7在所述气体工质吸热制冷器8005内吸热升温后排放。 

Claims (9)

1.一种液体活塞单热源制冷系统，包括气液缸（1）、液压动力机构（2）和液体工质回送系统（3），其特征在于：在所述气液缸（1）上设液体工质出口（4）和液体工质回流口（5），所述液体工质出口（4）与所述液压动力机构（2）的动力液体入口连通，所述液压动力机构（2）的液体出口与所述液体工质回送系统（3）连通，所述液体工质回送系统（3）与所述液体工质回流口（5）连通，在所述气液缸（1）内的所述气体工质（7）的区域内设高压液体回流口（9），所述液压动力机构（2）的液体出口与液体工质高压回送系统（8）连通，所述液体工质高压回送系统（8）的高压液体出口与所述高压液体回流口（9）连通，在所述高压液体回流口（9）和所述液压动力机构（2）的液体出口之间的液体通道上设液体工质吸热制冷器（8001）；所述液压动力机构（2）、所述液体工质回送系统（3）和所述液体工质高压回送系统（8）受过程控制机构（14）控制实现协调工作。

2.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：所述液压动力机构（2）、所述液体工质回送系统（3）和所述液体工质高压回送系统（8）受过程控制机构（14）控制实现协调工作，实现在一个工作循环的某一过程中所述气体工质（7）对所述液体工质（6）施压迫使所述液体工质（6）推动所述液压动力机构（2）作功，在同一个工作循环的另一过程中所述液体工质回送系统（3）将所述液体工质（6）经所述液体工质回流口（5）回流到所述气液缸（1）内实现对所述气体工质（7）的压缩冲程，当所述气体工质（7）被压缩到设定程度时，高压液体工质经液体工质高压回送系统（8）和所述高压液体回流口（9）被回送到所述气液缸（1）的所述气体工质（7）的区域内与所述气体工质（7）混合传热发生气化降温增压对所述液体工质（6）施压进入下一循环，所述液压动力机构（2）作功过程输出的功大于系统压缩等耗功过程的功耗，所述液压动力机构（2）对系统外作功。

3.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：在所述气液缸（1）的中下部设气体工质吸热制冷器（8005）。

4.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：在所述液压动力机构（2）、所述液体工质回送系统（3）、所述液体工质出口（4）和所述液体工质回流口（5）所构成的所述液体工质（6）的流通通道上设液体工质吸热制冷器（8001）。

5.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：在所述气液缸（1）上设气体工质导出口（1001），在所述气体工质导出口（1001）处设气体工质导出控制阀（1002），在所述气液缸（1）上设气体工质导入口（2001），在所述气体工质导入口（2001）处设气体工质导入控制阀（2002），所述气体工质导出口（1001）经连通通道（1020）与所述气体工质导入口（2001）连通，在所述连通通道（1020）上设气体工质吸热制冷器（8005）；

所述气体工质导出控制阀（1002）、所述气体工质导入控制阀（2002）、所述液压动力机构（2）、所述液体工质回送系统（3）和所述液体工质高压回送系统（8）受过程控制机构（14）控制实现协调工作。

6.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：在所述气液缸（1）上设进气道（101），在所述进气道（101）上设进气门（102），所述气液缸（1）上设排气道（103），在所述排气道（103）上设排气门（104），所述进气道（101）与中低温气体源连通，在所述排气道（103）上设气体工质吸热制冷器（8005）；

所述进气门（102）、所述排气门（104）、所述液压动力机构（2）、所述液体工质回送系统（3）和所述液体工质高压回送系统（8）受过程控制机构（14）控制实现协调工作。

7.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：在所述气液缸（1）的中上部设气体工质吸热低品位热源加热器（9001）。

8.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：在所述液压动力机构（2）、所述液体工质回送系统（3）、所述液体工质出口（4）和所述液体工质回流口（5）所构成的所述液体工质（6）的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器（9003）。

9.如权利要求1所述液体活塞单热源制冷系统，其特征在于：在所述液压动力机构（2）和所述高压液体回流口（9）之间的所述液体工质（6）的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器（9003）。

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