CN105546877A - 重力场低品位热源转换装置及方法 - Google Patents

重力场低品位热源转换装置及方法 Download PDF

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    • F25B41/40—Fluid line arrangements

Abstract

本发明公开了一种重力场低品位热源转换装置，包括内置工质的高位蒸发器(4)、低位冷凝器(1)、液泵(2)和低位加热器(3)；所述高位蒸发器(4)的蒸发管道、低位冷凝器(1)的冷凝管道、液泵(2)、低位加热器(3)的加热管道之间依次连接后形成闭环；所述高位蒸发器(4)位于高位；低位冷凝器(1)、液泵(2)和低位加热器(3)位于低位；所述高位与低位之间差距大于等于100米。

Description

重力场低品位热源转换装置及方法
技术领域
本发明涉及动力设备技术领域，具体为一种重力场低品位热源转换装置及方法。
背景技术
空调工程中大量存在对低品位冷源(15～25℃)的客观需求，同时环境中也经常存在着大量低品位热源(<50℃)，如何利用这些低品位热源来得到低品位冷源是可再生能源利用的一个重要方向，但这当中存在的主要挑战是，由于热源品味较低，可资用的传递势差小，因此就对系统的可逆性就提出了更高的要求。
目前热-冷转换的主要方式有两种，一种是利用吸收式制冷循环来实现这种转换，但由于吸收式制冷循环中存在五个传热过程和两个传质过程，使得系统不仅复杂，而且不可逆损失较大，因此不适合于低品位热源—低品位冷源的转换过程。
另外一种可能的方案是利用喷射式制冷循环来实现热—冷转换，这种方案虽然系统较简单，但喷射器中的混合过程和高速流动过程会产生更大的不可逆损失，效率很低，因此也不合适。
为此，有必要提出一种简单易行，效率较高的系统形式来通过对低品位热源的利用以直接获取低品位冷源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的重力场低品位热源转换装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种重力场低品位热源转换装置，包括内置工质的高位蒸发器、低位冷凝器、液泵和低位加热器；所述高位蒸发器的蒸发管道、低位冷凝器的冷凝管道、液泵、低位加热器的加热管道之间依次连接后形成闭环。
作为本发明所述的重力场低品位热源转换装置的改进：所述高位蒸发器位于高位；低位冷凝器、液泵和低位加热器位于低位。
作为本发明所述的重力场低品位热源转换装置的进一步改进：所述高位与低位之间差距大于等于100米。
作为本发明所述的重力场低品位热源转换装置的进一步改进：所述高位蒸发器、低位冷凝器、液泵和低位加热器之间的闭环系统内的工质为制冷工质。
作为本发明所述的重力场低品位热源转换装置的进一步改进：所述低位冷凝器排放给外部中温冷源；低位加热器从外部低温热源吸热；高位蒸发器由外部高温热源供热。
重力场低品位热源转换方法：从高位蒸发器的蒸发管道流出的低压气液混合物在重力和压差的共同作用下绝热流动到低位冷凝器的冷凝管道时被增压到中压，重力势能降低，温度升高；中压气液混合物在低位冷凝器中向外部中温冷源放热后，变成中温中压液体；中温中压液体进入液泵后被加压到高压，成为高压下的过冷液，之后高压过冷液进入低位加热器的加热管道，吸收外部高温热源放出的热量后，成为饱和液体(或干度较低的气液混合物)，该饱和液体(或干度较低的气液混合物)在重力和压差的共同作用下绝热流动到高位蒸发器的蒸发管道进口时，温度降低到低温，重力势能增加，压力降低到低压，成为低温低压的气液混合物；低温低压的气液混合物进入高位蒸发器的蒸发管道，吸收外部低温热源的热量后变成低压气液混合物；该低压气液混合物从高位蒸发器的蒸发管道流出后再流向低位冷凝器，如此循环。
本发明与现有热转换器相比，具有以下优点：
1)不需要膨胀阀。
2)能自行回收膨胀功。
3)系统环节少，效率高。
4)利用重力场实现对工质的膨胀和压缩。
5)适合于利用低品位热源(<50℃)来获取低品位冷源(15～25℃)。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的主要结构示意图。
具体实施方式
实施例1、图1给出了一种重力场低品位热源转换装置及方法。
该重力场低品位热源转换装置由内置工质的高位蒸发器4、低位冷凝器1、液泵2和低位加热器3构成；其中，高位蒸发器4的蒸发管道的一端通过管道与低位冷凝器1的冷凝管道的一端相连接，其低位冷凝器1的冷凝管道的另外一端设置液泵2，通过液泵2连接有低位加热器3的加热管道一端，而低位加热器3的加热管道另外一端通过其他的管道与高位蒸发器4的蒸发管道的另外一端相连通。即本发明的装置通过高位蒸发器4、低位冷凝器1、液泵2和低位加热器3之间依次连接后形成的闭环系统构成。
而其中，以上所述的高位蒸发器4位于高位，低位冷凝器1、液泵2和低位加热器3位于低位。高位与低位之间差距大于等于100米。以上高位蒸发器4、低位冷凝器1、液泵2和低位加热器3之间的闭环系统内的工质为制冷工质。并且低位冷凝器1排放给外部中温冷源；低位加热器3从外部低温热源吸热；高位蒸发器4由外部高温热源供热。
本发明的具体使用方式如下：
从高位蒸发器4的蒸发管道流出的干度较高的低压气液混合物在重力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到低位冷凝器1的冷凝管道时被增压到中压，重力势能降低，温度升高；
中压气液混合物在低位冷凝器1中向外部中温冷源放热后，变成中温中压液体；
中温中压液体进入液泵2后被加压到高压，成为高压下的过冷液，之后高压过冷液进入低位加热器3的加热管道，吸收外部高温热源放出的热量后，成为饱和液体(或干度较低的气液混合物)，该饱和液体(或干度较低的气液混合物)在重力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到高位蒸发器4的蒸发管道进口时，温度降低到低温，重力势能增加，压力降低到低压，成为低温低压的气液混合物；
低温低压的气液混合物进入高位蒸发器4的蒸发管道，吸收外部低温热源的热量后变成干度较高的低压气液混合物。
该干度较高的低压气液混合物从高位蒸发器4的蒸发管道流出后再流向低位冷凝器1，如此循环。
实施实例1的计算参数见表1针对1kg工质R22。设计条件为：工质为R22，系统高位与低位的垂直高差为100m，低位加热器温度/压强为37℃/1.419Mpa，低位冷凝器温度/压强为30.7℃/1.209Mpa，高位蒸发器温度/压强为为20.4℃/0.915Mpa，液泵功耗为0.18kJ/kg，低品位热源消耗量为8kJ/kg,低品位冷源供应量为7.51kJ/kg，系统COP(定义为高位蒸发器制冷量与液泵功耗及低位加热器耗热量之和的比值)为0.92。
由此可见，本发明通过重力场作用，实现了低品位热源向低品位冷源的转换，系统环节简单，只有液体压缩过程、传热过程和流动过程，无吸收过程、混合过程和节流过程等不可逆损失较大的环节，较好地适应了低品位热源/低品位冷源转换时对传递可逆性的较高要求，有效实现了本发明的初衷。
以上实施实例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。
表1实施实例1的热力计算结果(针对1kg工质R22)
项目 实施实例1 单位
做功工质 R22 -----
垂直高度差 100 m
低位加热器温度 37 ℃
低位加热器压强 1.419 Mpa
低位加热器出口干度 0 -----
高位蒸发器温度 20.4 ℃
高位蒸发器压强 0.915 Mpa
高位蒸发器进口干度 0.1076 -----
高位蒸发器出口干度 0.1477 -----
低位冷凝器温度 30.7 ℃
低位冷凝器压强 1.209 Mpa
低位冷凝器进口干度 0.0886 -----
低位冷凝器出口干度 0 -----
液泵出口温度 30.84 ℃
液泵出口压强 1.419 Mpa
液泵耗功 0.18 kJ/kg
低位加热器耗热量 8 kJ/kg
高位蒸发器制冷量 7.51 kJ/kg
冷凝器排热 15.69 kJ/kg
COP 0.92 -----
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.重力场低品位热源转换装置，包括内置工质的高位蒸发器(4)、低位冷凝器(1)、液泵(2)和低位加热器(3)；其特征是：所述高位蒸发器(4)的蒸发管道、低位冷凝器(1)的冷凝管道、液泵(2)、低位加热器(3)的加热管道之间依次连接后形成闭环。
2.根据权利要求1所述的重力场低品位热源转换装置，其特征是：所述高位蒸发器(4)位于高位；低位冷凝器(1)、液泵(2)和低位加热器(3)位于低位。
3.根据权利要求2所述的重力场低品位热源转换装置，其特征是：所述高位与低位之间差距大于等于100米。
4.根据权利要求3所述的重力场低品位热源转换装置，其特征是：所述高位蒸发器(4)、低位冷凝器(1)、液泵(2)和低位加热器(3)之间的闭环系统内的工质为制冷工质。
5.根据权利要求4所述的重力场低品位热源转换装置，其特征是：所述低位冷凝器(1)排放给外部中温冷源；
低位加热器(3)从外部低温热源吸热；
高位蒸发器(4)由外部高温热源供热。
6.重力场低品位热源转换方法，其特征是：从高位蒸发器(4)的蒸发管道流出的低压气液混合物在重力和压差的共同作用下绝热流动到低位冷凝器(1)的冷凝管道时被增压到中压，重力势能降低，温度升高；
中压气液混合物在低位冷凝器(1)中向外部中温冷源放热后，变成中温中压液体；
中温中压液体进入液泵(2)后被加压到高压，成为高压下的过冷液，之后高压过冷液进入低位加热器(3)的加热管道，吸收外部高温热源放出的热量后，成为饱和液体，该饱和液体在重力和压差的共同作用下绝热流动到高位蒸发器(4)的蒸发管道进口时，温度降低到低温，重力势能增加，压力降低到低压，成为低温低压的气液混合物；
低温低压的气液混合物进入高位蒸发器(4)的蒸发管道，吸收外部低温热源的热量后变成低压气液混合物；
该低压气液混合物从高位蒸发器(4)的蒸发管道流出后再流向低位冷凝器(1)，如此循环。
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