CN103148645B - 一种冷力循环制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷力循环制冷装置，采用低温液态制冷剂经液态循环泵增压的方法补充冷量，经回冷器升高温度后，经膨胀机降压、降温后为冷单元提供冷量，再经回冷器返回制冷剂贮罐，从而形成制冷剂的冷力循环回路。本发明无需传统蒸汽压缩式制冷装置中的循环冷却水系统，维修及运行成本下降较多，相同制冷量的机组，节能率较传统提高30%以上，经济、社会、环保效益显著。

Description

一种冷力循环制冷装置

技术领域

本发明涉及一种冷力循环制冷装置，具体属制冷技术领域。

背景技术

现代制冷技术作为一门科学，是十九世纪中期和后期发展起来的，在此之前，追溯到人类的祖先，人们很早就懂得冷的利用和简单的人工制冷了：用地窖作冷贮室，用泉水冷却贮藏室已有5000年之久的历史。

二十世纪后，制冷技术有了更大的发展：1910年家用冰箱问世，1917年在美国开始作为商品投放市场。1930年，氟利昂制冷工质的出现和氟利昂制冷机的使用给制冷技术带来新的变革。二十世纪七十年代，人们对混合工质进行了大量的研究，并开始使用共沸混合工质，为蒸汽压缩式制冷机的发展开辟了新的道路。制冷技术发展到今天，已经从保存食品和调节一定空间的温度，扩展、渗透到国民经济的各个部门，并与人们的日常生活有了更加紧密的联系：

1、商业

制冷技术在商业上的应用主要是对易腐食品(如鱼、肉、蛋、果类、蔬菜等)进行冷加工、冷藏及冷藏运输，以减少生产和分配中的食品耗损，保证各个季节市场的合理销售。现代化的食品工业，从食品生产、贮运到销售已经形成一条完整的冷链。所采用的制冷装置有冷库、冷藏汽车、冷藏船以及冷藏列车等。另外还有供食品零售商店、食堂、餐厅等用的商品冷藏柜、各类冷饮设备和各种带有制冷设备的商品陈列柜。

2、降温和空气调节

为生活用的舒适性空调，例如宾馆、剧场、地下地铁、大型公共建筑、汽车、飞机座舱、办公室。居民住宅等的空调设备，为人们提供了适宜的生活和工作环境，不仅有益于身心健康，而且可以提高生产和工作效率。

3、工业生产

机械制造中，对钢进行低温处理(-70℃～-90℃)，可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度；在机器的装配过程中，利用低温能方便实现过盈配合。化学工业中，借助于制冷，可以使气体液化，混合气分离，带走化学反应中的反应热。盐类结晶、润滑油脱脂需要制冷；石油裂解、合成橡胶、合成树脂、燃料、化肥的生产需要制冷，天然气液化、贮运也需要制冷。在钢铁工业中，高炉鼓风需要用制冷的方法先将其除湿，然后再送入高炉，以降低焦化比，保证铁水质量，一般大型高炉需几千千瓦冷量。

4、农牧业

利用制冷对农作物种子进行低温处理，创造人工气候室育秧，保存良种精液以便进行人工配种等等。

5、建筑工程

利用制冷可实现冻土法开采土方。在挖掘矿井、隧道、建筑江河堤坝时，或在泥沼、砂水处掘进时，可采用冻土法使工作面不坍塌，保证施工安全。拌合混凝土时，用冰代替水，借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热，可以制出大型的独柱混凝土构件，可有效地避免大型构件因得不到充分散热而产生内应力和裂缝等缺陷。

6、国防工业

高寒条件下工作的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需作环境模拟实验；航空仪表、火箭、导弹中的控制仪表，也需要地面模拟高空低温条件进行性能实验，所有这些都需要制冷为其提供实验的环境条件。原子能反应堆的控制也需要制冷。

7、医疗卫生

冷冻手术，如心脏、外科、肿瘤、白内障、扁桃体的切除，皮肤和眼球的移植手术及低温麻醉等，均需要制冷技术。除了低温保存疫苗、药品外，医药中还用冻结真空干燥法保存血液及皮肤。

此外，在微电子技术、能源、新型原材料、宇宙开发、生物技术这些尖端科学领域中，制冷技术也有重要的应用。

各种制冷方法，概括起来，可分为两大类：输入功实现制冷和输入热量实现制冷。蒸汽压缩式制冷、热电制冷属于输入功制冷，吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷属于输入热量实现制冷。

传统制冷技术的研究内容可概括为以下三个方面：

1)研究获得低温的方法和有关的机理以及相应的制冷循环，并对制冷循环进行热力学的分析和计算。

2)研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工质。机械制冷要通过制冷剂热力状态的变化才能实现，所以，制冷剂的热物理性质是进行循环分析和计算的基础。此外，为了使制冷剂能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学性质。

3)研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备，它们的工作原理、性能分析、结构设计计算以及各种制冷装置的流程组织、系统配套计算。此外，还有热绝缘问题、制冷设备的自动化问题，等等。

上述前两个方面构成制冷的理论基础，即传统的制冷原理的研究内容，第三方面涉及到具体的机器、设备和装置。

传统制冷理论的主要基础是热力学，即采用同温差的卡诺逆循环分析制冷循环过程，制冷循环的经济性指标是制冷系数，就是得到的收益和耗费的代价之比值，并且以大气环境温度T₀与温度为T_C低温热源(如冷库)之间的一切制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数为最高：

${\mathrm{\ϵ}}_c={\left(\mathrm{COP}\right)}_{R,C}=\frac{q_2}{w_0}=\frac{T_c}{T_0-T_c}---\left(1\right)$

上式中的ε_c为制冷系数，q₂为循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功。

实际上，卡诺在“关于热动力的见解”的论文中，得出的结论为：“在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机，以可逆热机的效率为最高。”即被后人称之为卡诺定理，按理想气体状态方程进行整理得出的卡诺循环的热效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_2}{T_1}---\left(\text{2}\right)$

公式(2)中的高温热源的温度T₁与低温热源的温度为T₂均高于大气环境温度T₀，并可以得出以下几点重要结论：

1)卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质吸热和放热时的温度，提高T₁和T₂，可以提高热效率。

2)卡诺循环的热效率只能小于1，绝不能等于1，因为T₁＝∞或T₂＝0都不可能实现。这就是说，在循环发动机中即使在理想情况下，也不可能将热能全部转化为机械能，热效率当然更不可能大于1。

3)当T₁＝T₂时，循环热效率等于0，它表明，在温度平衡的体系中，热能不可能转化为机械能，热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，从而验证了借助单一热源连续做功的机器是制造不出的，或第二类永动机是不存在的。

4)卡诺循环及其热效率公式在热力学的发展上具有重大意义。首先，它奠定了热力学第二定律的理论基础；其次，卡诺循环的研究为提高各种热动力机热效率指出了方向，近可能提高工质的吸热温度和尽可能降低工质的放热温度，使放热在接近可自然得到的最低温度即大气温度时进行。卡诺循环中所提出的利用绝热压缩以提高气体吸热温度的方法，至今在以气体为工质的热动力机中仍普遍采用。

5)卡诺循环的极限点是大气环境温度，对低于环境温度的制冷过程循环，卡诺循环并没有给出明确的答案。

由于制冷系数的不完善性，国内外众多的学者对其进行研究，并提出了完善建议。马一太等在《制冷与热泵产品的能效标准研究和循环热力学完善度的分析》中结合Curzon和Ahlborn把有温差传热这个不可逆过程引入热力循环的分析，以及由此创建的有限时间热力学的启发，结合CA循环效率，提出了CA正循环的热力学完善度，使制冷和热泵产品的能效研究有了一定程度的进展。

但是运用热力学的基本理论并不能对制冷循环做出简洁、明了、直观的解释。爱因斯坦曾对经典热力学做过评价：“一种理论，其前提越简单，所涉及的事物越多，其适应范围愈广泛，它给人们的印象就越深刻。”对制冷领域的理论解释，也应继承和发扬这个优点。

因此如何对制冷循环进行研究，真正找到制冷循环的理论基础，并在此理论基础上提出新的制冷循环装置应用于实际中，并有效减低能源的消耗，成为制冷技术领域研究的难点。

发明内容

本发明的目的就是为解决卡诺定理应用于制冷装置及制冷循环理论分析的不完善性，提出对应于热力学理论的新的制冷理论即冷力学理论，对于低于大气环境温度的环境称之为冷源，相对于高于环境温度的热源；相应于热能、热量，提出对应的冷能、冷量概念。所述的制冷装置，是指消耗机械功来实现冷能从大气环境向低温冷源或者从低温冷源向更低温冷源的转移。在实现冷能转换时，均需要某些物质作为制冷装置的工作物质，称为制冷工质。所述的制冷工质，是指在标准状态下沸点小于-10℃的单一组分的低沸点工质，或以标准状态下沸点小于-10℃的低沸点工质为制冷剂为主的混合制冷工质。

制冷过程中冷能的传递遵循能量转化和守恒定律。

为描述制冷过程中冷量传递的方向、条件和限度，提出冷力学第二定律：冷力学第二定律的实质跟热力学第二定律的实质是一样的，同样遵循“能质衰贬原理”，即不同形式的冷能，在转换成功量的能力上是有“质”的差别的；即使是同一种形式的冷能，其存在状态不同时，它的转换能力也不同的。一切冷能传递的实际过程，总是朝着能质下降的方向进行，一切冷能总会自发向大气环境方向转换。冷能能质的提高过程不可能自动、单独地进行，一个能质的提高的过程必然伴随着另一个能质的下降的过程同时发生，这个能质下降的过程就是实现能质升高过程的必要的补偿条件，即以能质下降为代价、作为补偿来推动能质升高过程的实现。在实际过程中，作为代价的能质下降过程，必须足以补偿能质升高的过程，以满足总的能质必定下降的普遍规律。因此，在一定的能质下降的补偿条件下，能质升高的过程必然有一个最高的理论限度。只有在完全可逆的理想条件下，才能达到这个理论限度，这时，能质升高值正好等于能质下降的补偿值，使总的能质保持不变。可见，可逆过程是纯理想化的能质守恒过程；在不可逆过程中总的能质必然下降；在任何情况下都不可能实现使孤立系统总的能质升高的过程。这就是能质衰贬原理的物理内涵，是冷力学第二定律的实质，也是热力学第二定律的实质，它揭示了一切宏观过程必须遵循的、有关过程进行方向、条件及限度的客观规律。

描述冷力学第二定律的基本公式为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_{c1}}---\left(3\right)$

公式(3)中，Tc2＜Tc1＜To，To为环境温度，均为开氏温标。

相对环境温度To而言，冷源在Tc1、Tc2下的最大冷效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c1}}{T_0}---\left(4\right)$

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_0}---\left(5\right)$

假设为q₂循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功，则在冷源温度为Tc1时：

$w_0=(1-\frac{T_{c1}}{T_0})q_2---\left(6\right)$

同样，在冷源温度为Tc2时：

$w_0=(1-\frac{T_{c2}}{T_0})q_2---\left(7\right)$

从公式(4)至(7)不难看出，冷力学的效率为0到1之间，由于实际过程中不可逆性的不可避免，制冷循环效率是小于1的；环境温度To确定时，冷源温度越低，输入同样的功，获得的制冷量越多，从而为构造新的制冷循环指明了方向。

需要说明的是：

(1)冷量是自发从低温冷源向环境温度传递的；

(2)不可能把冷量从低温冷源传到更低的冷源而不引起其他变化；

(3)冷量从低温冷源传递向环境时，与外界交换的功量为w₀，其中包含对环境所做的无用功p₀(V₀-V_c)，p₀为大气压力，Vo为环境温度下的体积，Vc为冷源温度下的体积，所能做的最大可逆有用功为：

${\left(W_u\right)}_{\max }=W_0-p_0(V_0-V_c)=(1-\frac{\mathrm{Tc}}{\mathrm{To}})Q_0-p_0(V_0-V_c)$

(4)冷量从低温冷源传递向环境时，向环境传递的无用能为：

向环境传递的无用功为：p₀(V₀-V_c)

对应于热量的有用能“”、无用能“烬”，对热量、冷量取水火会意，对于冷量的有用能，取名为“冷量涟”，冷量向环境传递的无用能称为“冷量浕”，“浕”读音为“尽”。

(5)冷能向环境温度传递时，向外做功的最佳型式为采用塞贝克(Seebeck)效应的温差发电机，即冷力发电机；

(6)冷力学中能量必须、也必然要符合能量转化和守恒定律；

(7)通过借鉴有限时间热力学的构思，可以发展有限时间冷力学基本理论；

(8)不能脱离环境来评价冷量的品位；

(9)冷力学和热力学是能量学中的两个分支，既存在对立的一面，又存在着统一的一面：低温制冷循环中，在遵循冷力学第二定律的前提下，在低温环境下构造的制冷剂工质的循环过程又遵循朗肯循环原理，重新又回到卡诺定律，恰好符合中国传统美学中阴中有阳、阴阳相济的原理。

从上述理论基础可以看出，假设的冷力学具有和热力学对称的理论框架体系，符合科学美学的基本原则，即相反相成、对称原则。

基于上述基本原理，本发明提出基于上述冷力学基本原理，构筑不同于传统的冷力循环制冷方法及装置。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种冷力循环制冷装置，其特征在于：

从制冷剂贮罐1出来的液体制冷剂2，经液体循环泵3增压后，经回冷器4形成气态制冷剂5，经膨胀机6、用冷单元8、回冷器4、节流阀10，返回制冷剂贮罐1，从而形成制冷工质的冷力循环回路。

所述的制冷工质即制冷剂，是指在标准状态下沸点小于-10℃的单一组分的低沸点制冷工质，或以标准状态下沸点小于-10℃的低沸点制冷工质为主的混合制冷工质。

所述的膨胀机6的制动设备7采用风机、液压泵或压气机。

所述的回冷器4即传统制冷循环中所谓的回热器、热交换器，采用管壳式换冷器、板翅式换冷器、微通道换冷器或其他型式的换冷器，其结构与传统制冷循环中的管壳式换热器、板翅式换热器、微通道换热器等的结构相同或相似。

所述的制冷剂贮罐1采用绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光砂等隔热保冷材料。

本发明的装置同样适用于开式冷力制冷系统：即经膨胀机6、用冷单元降压、降温的制冷剂再外供用于其他用冷单元，向制冷剂贮罐1补充相同质量、数量的液态制冷剂2，从而形成制冷剂的平衡；可以与蒸汽朗肯循环中的背压供热机组进行类比。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的传统制冷循环中的成熟技术进行配套。

设有与本发明的制冷循环装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、节能效果显著：取消传统制冷循环中的蒸汽压缩机，利用液体的接近不可压缩流体的性质，采用低温液体循环泵进行增压并补充冷量，结合冷力学第二定律，能够有效提高制冷循环的效率，与传统制冷装置相比，相同制冷量的节能率可达30％以上。

2、无需传统蒸汽压缩式制冷循环中的冷凝器及其配套的冷却水系统，流程设置更加简洁，更符合节能环保原则。

3、膨胀机、回冷器可以封存在一个装置中，跑冷损失减少。

4、设备的维修工作量较传统的制冷循环有极大程度的降低，可以方便地采用无油润滑技术，消除传统蒸汽压缩机润滑油的变质以及对制冷循环的影响。

5、传热强化：较传统的制冷循环技术，可以更方便地采用强化传冷元件，制冷设备及其制冷效率更加紧凑、高效。。

附图说明

图1是本发明的一种冷力循环制冷装置流程示意图。

图1中：1-制冷剂贮罐，2-液体制冷剂，3-液体循环泵，4-回冷器，5-气态制冷剂，6-膨胀机，7-制动设备，8-用冷单元，9-节流阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，一种冷力循环制冷装置，具体实施例如下：

制冷剂采用液氮。

从制冷剂贮罐1出来的液体制冷剂2，经液体循环泵3增压后，经回冷器4形成气态制冷剂5，经膨胀机6、用冷单元8、回冷器4、节流阀10，返回制冷剂贮罐1，从而形成制冷工质的冷力循环回路。

所述的膨胀机的制动设备采用液压泵，作为液氮的增压泵。

所述的回冷器4采用传统的板翅式换热器或微通道换热器。

所述的制冷剂贮罐1采用绝热真空容器，采用珠光砂为隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的传统制冷循环中的成熟技术进行配套。

设有与本发明的制冷循环装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。

Claims (5)

1.一种冷力循环制冷装置，其特征在于：

所述的冷力循环，是指从制冷剂贮罐（1）出来的液体制冷剂（2），经液体循环泵（3）增压后，经回冷器（4）形成气态制冷剂（5），经膨胀机（6）、用冷单元（8）、回冷器（4），返回制冷剂贮罐（1），从而形成制冷工质的冷力循环回路；

所述的制冷剂（2）即制冷工质，是指在标准状态下沸点小于-10℃的单一组分的低沸点制冷工质，或以标准状态下沸点小于-10℃的低沸点制冷工质为主的混合制冷工质。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

设有节流阀（9）：

从制冷剂贮罐（1）出来的液体制冷剂（2），经液体循环泵（3）增压后，经回冷器（4）形成气态制冷剂（5），经膨胀机（6）、用冷单元（8）、回冷器（4）、节流阀（9），返回制冷剂贮罐（1），从而形成制冷工质的冷力循环回路。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述的膨胀机（6）的制动设备（7）采用风机、液压泵或压气机。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述的装置同样适用于开式制冷系统：即经膨胀机（6）降压、降温的制冷剂外供用于其他用冷单元，向制冷剂贮罐（1）补充相同质量的液态制冷剂（2），从而形成制冷剂的平衡。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述的装置同样适用于开式制冷系统：即经膨胀机（6）降压、降温的制冷剂外供用于其他用冷单元，向制冷剂贮罐（1）补充相同质量的液态制冷剂（2），从而形成制冷剂的平衡。