CN106662370A - 多级热机 - Google Patents

Abstract

描述了一种多级热机，其具有：蒸发器、冷凝器、膨胀器级；蒸气压缩级；用来保持流体气相的箱，压缩机级适于压缩在压力高于发生膨胀的压力的相邻箱中的气相以及将压缩流体移动到处于更高压力的下一相邻箱，膨胀器级适于使每个箱中的压缩流体的一部分膨胀，以使较低压力的相邻箱中的流体膨胀，压缩机和膨胀器部段适于以最高压力向冷凝器输出气相并且以最低压力向蒸发器输出液相，冷凝器的输出被回馈到处于最高压力的箱并且蒸发器的输出被回馈到处于最低压力的箱。

Description

多级热机

技术领域

本发明涉及一种紧凑且可扩展的多级热机，诸如热泵或者以类似方式的朗肯循环发电机；一种使用这种热机来升高介质温度的过程和这种热机用来将来自可再生能源的热能变换为更高温度的用途或者在冷却方法或设施中变换为更低温度的用途。本发明还包括加热和冷却的方法和设施的组合。如果需要冷却和加热，可以使用多级热泵的冷却能量和加热能量。冷却设施也是热泵。

背景技术

热泵用来使热量从低温水平到更高(可用)温度水平，例如使来自大地或地下水的热升高到用于地板下供暖的可用温度水平。商业系统也被称作单级热泵，参看图1。在蒸发器与冷凝器之间设有一个级(一个压缩机和一个膨胀阀)。

图2示出了对于具有拱顶状区域(所谓的液体-蒸气拱顶)的单级热泵循环的log p与h关系的理论曲线图，其中p是压力并且h是焓；并且，该单级热泵的循环中：具有指向右边的箭头的下水平线表示蒸发步骤，之后是压缩步骤，冷凝步骤(具有指向左的箭头的上水平线)和最终在恒定焓下的膨胀(具有指向上的箭头的竖直线)。比拱顶状区域(所谓的液体-蒸气拱顶)内的焓更低的焓(即，其左边)的液体以饱和液体与饱和蒸气的混合物存在于拱顶状区域中并且蒸气以比拱顶区域内的焓更高的焓(即，其右边)存在。临界点是拱顶区域的顶点，其中蒸气存在于其左边的非拱顶状区域，蒸气存在于其右边的非拱顶状区域并且超临界流体存在于临界点上方。

对于更大温升，即，在热源温度与热泵输出温度之间的差异，可以使用两级热泵，其包括额外的中间压力级、两个压缩机和两个膨胀阀。两级的优点在于必须由压缩机中每一个实现的压力比为单级系统的压力比的一半。而且，可以冷却在第一级中压缩的气体，因此在第二级的气体密度增加并且温度降低。然后可以改进第二压缩步骤的性能。

然而，由于涉及到投资成本，两级系统仅用于高温升。仅出于能量考虑，两级系统也能用于较低温升。图3示出了对于具有与图2相同的液体-蒸气拱顶的两级热泵循环的logp与h关系的理论曲线图，其中p是压力并且h是焓。也已知三级系统用于低温应用。级数越多，热泵的性能就越高，但是缺陷在于所需投资显著也增加。

GB 2049901A公开了一种热泵设备，包括：多个单独热泵回路，所述回路中每一个适于使传热流体循环通过并且每个包括相应蒸发器装置和冷凝器装置，以及用于将待加热的质量流引导成与串联的所述冷凝器装置中每一个成热交换关系的装置，其中当与通过相应热泵回路的冷凝器装置循环的流体成热交换关系时，待加热的质量流的温度升高。为了提高效率，使用多个单独和连续热泵回路，其压缩机具有共同驱动装置，而冷凝器相对于待加热的流串联，以便通过与在泵回路中流动的介质热交换而造成其温度升高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种诸如多级热泵的替代的多级热机或方法、冷却设施或方法、冷却设施和加热设施或方法的组合和以类似方式的多级朗肯循环发电机。

本发明的实施例的优点在于对介质的压缩以不同步骤进行，提高了理论压缩效率。

本发明的实施例的另一优点在于，在每个压缩机步骤之后，液体介质通过蒸发其一小部分而冷却，并且混合在相应步骤中膨胀之后所产生的蒸气。因此，由于压缩单位体积有更多的质量，液体介质具有更高密度，并且运输更大质量。特别地，在这些级中至少一个中，压缩步骤使压缩流体蒸气处于过热状态。通过与从更高级回馈的蒸发流体混合而冷却这种过热蒸气，使得流体回到非过热或饱和状态或者与之接近的状态。特别地，本发明的实施例的多级热泵受到控制，使得这些级中的至少一级接近饱和地操作。优选地，在所有级中存在压缩，并且从更高压力箱返回的流体的某些膨胀接近饱和地操作。

本发明的实施例的另一优点在于，在其中存在从更高级回馈的流体的一部分的中间膨胀的每个级，所形成的蒸气不仅接近饱和而且在高压力下立即提取并且压缩回到下一级(最后达到最高压力，即，冷凝器压力)。因此，这些气体无需从最低压力(蒸发器压力)压缩到最高压力(冷凝器压力)。在这些级中使用更小压缩比意味着每个压缩机更高效地操作。

本发明的实施例的又一优点在于，在冷却液体介质时，能逐步进行热交换，由此在冷却介质与待冷却介质之间的温差大致恒定。相同的推理也可适用于加热液体介质。

本发明的实施例的另一优点在于，冷却能被递送给在不同温度下的不同冷却消费装置。在最低温度下的冷却由Tx递送，在更高温度的冷却由适当箱中的流体递送。相同推理也可以适用于加热在不同温度下的不同消费装置。

本发明的再一优点在于，粗略计算，在多级系统中COP(性能系数，为递送热功率(即，所产生的热)与所需压缩机功率(即，压缩机的电力消耗)之间的比)可以为单级系统的COP的二倍。多级系统因此将消耗单级系统能量的一半。相同的推理适用于利用压缩机的冷却设施，因为压缩机冷却设施的工作原理与用于热机诸如多级热泵或者以类似方式多级朗肯循环发电机或者加热和冷却方法和设施的组合的原理相同。如果需要冷却和加热，可以使用多级热泵的冷却能量和加热能量。冷却设施也是热泵。

本发明的实施例的又一优点在于提高蒸气压缩效率。

本发明的实施例的第一方面在于提供一种诸如多级热泵(例如，加热设施或者冷却设施或者加热设施与冷却设施的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机的多级热机，其包括：蒸发器和冷凝器；膨胀器部段，其包括多于两个膨胀器级；压缩机部段，其包括多于两个蒸气压缩级，蒸气压缩级与膨胀器部段协作；用来保持流体的气相(例如G1至Gx)和液相(例如L1至Lx)的x个箱，其中x为至少三(例如，T1至Tx)；膨胀器部段具有x-1个膨胀阀(例如，V1至Vx-1)，压缩机部段适于压缩在每个箱中的气相并且传递到具有更高压力的相邻箱，其中发生膨胀，并且将压缩流体移动到更高压力的下一相邻箱，膨胀器部段适于通过箱的膨胀阀(V)使每个箱中的压缩流体(液体)的一部分膨胀，以使在更低压力的相邻箱中的流体膨胀，压缩机和膨胀器部段适于向冷凝器输出最高压力的气相并且向蒸发器输出最低压力的液相，冷凝器的输出回馈到最高压力的箱(T1)并且蒸发器的输出回馈到最低压力的箱(Tx)。可选地，诸如多级热泵(例如，加热设施或冷却设施或者加热设施与冷却设施的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机的所述多级热机构成多个蒸发器-压缩机-冷凝器-膨胀器模块，其基本上彼此相同。特别地，诸如多级热泵(例如，加热设施或冷却设施或者加热设施与冷却设施的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机的多级热机可以包括三个或更多的箱，这些箱集成为一个整体，而不是单独热机回路诸如多级热泵回路(例如加热回路或冷却回路或者加热回路与冷却回路的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机回路的集合。实际上，存在包括子回路的一个多级热机回路，比如多级热泵(例如，加热设施或冷却设施或者加热设施与冷却设施的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机回路。

本发明的实施例的另一方面在于，在至少一个箱中的蒸气压缩使得压缩蒸气处于过热状态，并且来自处于更高压力的相邻箱的流体在处于较低压力的至少一个箱中膨胀使得这个较低压力的箱中的蒸气处于饱和或接近饱和状态。优选地，在其中使从较高压力箱返回的某些液体膨胀的每个压缩级中，这种膨胀的冷却效果使得在该箱中的蒸气饱和或者接近饱和。因此，在任何箱或每个箱中，液体和/或蒸气级可以在液体蒸气拱顶内。

本发明的实施例的另一方面在于，使在每个压缩机的吸入侧的蒸气变成饱和或接近饱和状态，因为这将提高蒸气压缩效率。

本发明的实施例的第二方面在于提供一种用于升高或降低介质温度的过程，所述过程包括以下步骤：使所述介质在根据本发明的第一方面的诸如多级热泵(例如，加热设施或冷却设施或者加热设施与冷却设施的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机的多级热机中经受多次蒸发-压缩-冷凝-膨胀循环。

因此，本发明的实施例提供一种在多级热机中升高或降低介质温度的过程，多级热机包括蒸发器和冷凝器；膨胀器部段，其包括多于两个膨胀器级；压缩机部段，其包括多于两个蒸气压缩级，蒸气压缩级与膨胀器部段合作；用来保持流体的气相(例如G1至Gx)和液相(例如L1至Lx)的x个箱，其中x为至少三(例如，T1至Tx)；膨胀器部段具有x-1个膨胀阀(例如，V1至Vx-1)，该方法包括：将第一箱中的气相压缩到更高压力并且将压缩流体移动到处于更高压力的第二下一相邻箱。膨胀器部段适于使第二下一相邻箱的中压缩流体(液体)的一部分通过箱的膨胀阀(V)膨胀，以使较低压力的第一箱中的流体膨胀，压缩机和膨胀器部段适于向冷凝器输出处于最高压力的气相以及向蒸发器输出处于最低压力的液相，冷凝器的输出被回馈到最高压力的箱(T1)，而蒸发器的输出被回馈到最低压力的箱(Tx)。

在处于较低压力的第一箱中的流体的膨胀使处于较低压力的第一箱中的蒸气处于饱和状态或接近饱和状态。

至少一个箱中的蒸气压缩使被压缩的蒸气处于过热状态。

在存在使从较高压力箱返回的某些液体膨胀的任何或每个压缩级中，这种膨胀的冷却效果保持该箱中的蒸气饱和或接近饱和。

每个箱或任何箱可以具有压力和/或温度和/或液位传感器和可控制的膨胀阀；该方法还包括根据所述传感器中至少一个的输出来调节该可控制的阀，以维持每个箱中的液位并且维持每个箱中的蒸气处于饱和状态或接近饱和状态。

该方法可包括由单个马达在轴向驱动一组或全部压缩机。

该方法可包括：在压力容器与在多级热机的每个级的压缩机中的压力步级(pressure step)之间设置直接连接。

该方法还可包括加热或冷却液体介质，由此能逐步进行热交换，这样在冷却或加热介质与待冷却或待加热的介质之间的温差大致恒定。

该方法还可包括：将冷却能量或加热能量递送到不同温度下的不同消费装置。

该方法的另一方面是使在每个压缩机的吸入侧的蒸气变成饱和状态或接近饱和状态，因为这将提高蒸气压缩效率。

本发明的实施例的第三方面在于提供根据本发明的第一方面的诸如多级热泵(例如，加热设施或冷却设施或者加热和冷却设施的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机的多级热机的如下用途，其用于将来自可再生能源或余热的热变换成更高温度。

本发明的实施例的第四方面在于提供根据本发明的第一方面的诸如多级热泵(例如，加热设施或冷却设施或者加热设施与冷却设施的组合)或者以类似方式多级朗肯循环发电机的多级热机的如下用途，其用于变换余热，例如来自废水的热。

本发明的实施例的第五方面在于提供根据本发明的第一方面的多级热泵在冷却应用或者加热和冷却的组合中的用途。

本发明的特别且优选的方面在所附独立和附属权利要求中陈述。附属权利要求的特点可适当地与独立权利要求的特点组合且与其它附属权利要求的特点组合，而不是只是如权利要求中明确地陈述。

结合附图理解，通过下文的详细描述，本发明的上述和其它特征、特点和优点将会变得显然，附图以举例说明的方式说明本发明的原理。仅出于举例说明目的给出这些描述，但不限制本发明的范围。下文所引用的附图标记参考附图。

附图说明

图1是现有技术所谓的单级热泵的示意图。在蒸发器与冷凝器之间仅设有一个级(一个压缩机和一个膨胀阀)。

图2是对于单级热泵循环的log p与h关系的理论曲线图，其中p是压力并且h是焓。

图3是对于两级热泵循环的log p与h关系的理论曲线图，其中p是压力并且h是焓。

图4是根据本发明的一实施例的八级热泵系统的示意图，八级热泵系统包括压力容器、压缩机和集成为单个设施的膨胀系统、冷凝器、蒸发器，并且压缩机由单个马达在轴向驱动。

图5是对于八级热泵循环的log p与h关系的理论曲线图，其中p是压力并且h是焓。

图6是根据本发明的一实施例的十级热泵系统的示意图，具有用来保持流体的气相G1至G10和液相L1至L10的箱T1至T10和膨胀阀V1至V9、冷凝器、蒸发器，且压缩机由单个马达在轴向驱动。

在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或类似元件。

具体实施方式

现将关于特定实施例且参看附图来描述本发明，但本发明并不限于此而是仅受权利要求限制。所描述的附图只是示意性的而不是限制性的。在附图中，出于说明目的，元件中某些的大小可被夸大且并未按照比例绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于本发明实践的实际缩小。

而且在说明书和权利要求中的术语第一、第二，第三和类似术语用于区分类似元件且无需描述在时间上、空间上、等级上或者任何其它方式的顺序。应了解如此使用的术语可在适当情况下互换且本文所描述的本发明的实施例能够以本文所描述和图示的顺序之外的其它顺序来操作。

此外，在说明书和权利要求中使用术语顶部、底部、上方、下方和类似术语是出于描述目的且并不必然描述相对位置。应了解如此使用的术语可在适当情况下互换且本文所描述的本发明的实施例能够以本文所描述和图示的顺序之外的其它顺序来操作。

应当注意的是在权利要求中所用的术语“包括”不应被理解为限于下文所列出的装置；其并不排除其它元件或步骤。其因此应被理解为规定所参考的陈述的特点、整体、步骤或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特点、整体、步骤或部件或其群组的存在或添加。因此，表述“包括装置A与B的设备”的范围应不限于仅由部件A与B组成的设备。其表示关于本发明，设备的仅相关的部件是A与B。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例，但可以指相同实施例。而且，特定特点、结构或特征可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合，如将对本公开所属领域的普通技术人员显然。

同样，应了解在本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各种特点有时在单个实施例、附图或其描述中集合在一起用于使本公开表述流畅并且辅助理解各种发明方面的一个或多个方面。但此公开内容的方法不应被理解为反映所要求保护的本发明需要比每个权利要求中明确地陈述的更多特点的意图。相反，如所附权利要求所反映的那样，本发明的方面在于少于单个前面公开的实施例的所有特点。因此，在发明详述后的权利要求由此明确地合并到此详细描述内，且每个权利要求独立地代表本发明的单独实施例。

而且，虽然本文所描述的某些实施例包括某些特点而不是包括于其它实施例中的其它特点，不同实施例的特点的组合意味在本发明的范围内，且形成不同实施例，如本领域技术人员所理解。举例而言，在所附权利要求中，所主张的实施例中的任何实施例可以有任何组合使用。

在本文所提供的描述中，陈述了多种具体细节。但是，应了解可在无这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它情形中，并未详细地示出熟知的方法、结构和技术以便不混淆对本说明书的理解。

提供以下术语以辅助理解本发明。

定义

如在公开本发明中使用的，热泵是从较冷储集器向较热储集器(或者从较热储集器向较冷储集器)传热(热能或冷能)的装置，在该过程中消耗机械能。主要目的可以是加热该热储集器或者对冷储集器制冷。加热和冷却方法或设施以及加热方法或冷却方法和设施的组合都包括于本发明的范围内。例如，多级热泵可以用于对冷却器储集器进行冷却(热并非浪费在环境中)。

如在被公开为本发明的实施例中的集成多级热泵是具有多个蒸发-压缩-冷凝-膨胀循环的模块的热泵，从而提供可易于膨胀的紧凑热泵。这种设施可以具有一个蒸发器和一个冷凝器，但是具有多个压缩机和膨胀阀。用于处于高压的一个或多个级的压缩机可以小于用于处于较低压力的一级或多级的压缩机，因为在高压下蒸气密度较低。

如在公开本发明时所用的，压缩机是用于升高气体或蒸气压力的机器

如在公开本发明时所用的，冷凝器是传热装置，传热装置将热力学流体从其蒸气相还原到其液相，诸如在蒸气压缩制冷设备或冷凝蒸汽电力设备中。

如在公开本发明时所用的，蒸发器是下面这样的许多装置中的任何装置：其中通过添加热而使液体变成蒸气状态，例如蒸馏器、蒸馏室、干燥器、水纯化器或制冷系统元件，其中蒸发以低压且因此以低温进行。

如在公开本发明时所用的，膨胀系统是气体-液体回收系统，其中，通过将液体馏分快速减压来获得冷却效果。

如在公开本发明时所用的，大地涵盖在地表下方的每种固体或熔融物。

现将通过详细描述本发明的若干实施例来描述本发明。显然，本发明的其它实施例可以根据本领域技术人员已知的知识来配置而不偏离本发明的真实精神或教导内容，本发明仅受到所附权利要求限制。特别地，将参考多级热泵来描述实施例，但是本领域技术人员将认识到教导内容可以适用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵、以类似方式多级朗肯循环发电机或其它类型的热机。

热泵

根据本发明的第一方面的优选实施例，用于加热或冷却或者加热与冷却组合的一体式多级热泵包括：蒸发器和冷凝器；膨胀器部段，其包括多于两个膨胀器级；压缩机部段，其包括多于两个蒸气压缩级，蒸气压缩级与膨胀器部段相协作；用于保持气相(例如，G1至G10，但可以使用更多或更少)和液相(例如，L1至L10，但可以使用更多或更少)的至少三个箱(例如，T1至T10，但也可以使用更多或更少)，压缩机部段具有膨胀阀(例如，V1至V9，但可以使用更多或更少)，压缩机部段适于压缩在每个箱(Tx+1，其中x是在1与9之间的整数，但是可以使用更多或更少)中的气相(Gx+1)并且将压缩流体移动到处于更高压力的相邻箱(Tx)，膨胀器部段适于通过该箱的膨胀阀(Vy)使在每个箱(Ty，其中y是在1与9之间的整数，但是可以使用更多或更少)中的压缩流体(液体Ly)的一部分膨胀，以使处于较低压力的相邻箱(Ty+1)中的流体膨胀，压缩机和膨胀器部段适于以最高压力向冷凝器输出气相和以最低压力向蒸发器输出液相，冷凝器的输出被回馈到处于最高压力的箱(T1)，而蒸发器的输出被回馈到处于最低压力的箱(T10)。

本发明的实施例的另一方面在于，在至少一个箱中对蒸气的压缩使被压缩蒸气处于过热状态，并且使处于较低压力的相邻箱中的流体膨胀，使得这个较低压力箱中的蒸气处于饱和状态或接近饱和状态。优选地，在存在使从较高压力箱返回的某些流体膨胀的每个压缩级中，这种膨胀的冷却效果使在箱中的蒸气保持处于饱和或者接近饱和。特别地，每个箱可以包括压力、温度和液位传感器以及可控制的膨胀阀。设置控制器，其适于根据传感器的输出来调节该可控制的阀，来维持每个箱中的液位并保持每个箱的蒸气处于饱和状态或接近饱和状态。

本发明的实施例的另一方面在于，使每个压缩机的吸入侧的蒸气变得饱和或接近饱和状态，因为这将提高蒸气的压缩效率。根据本发明的第一方面的本发明的另一优选实施例，压缩机部段包括由单个马达轴向地驱动的多个压缩机。所有压缩机或者某些压缩机可以由一个马达和轴向轴驱动。压缩机未必由轴向轴驱动。

图4是八级热泵系统的示意图，其包括集成到根据本发明的单个设施内的压力容器(用于保持气相G1至G9和液相L1至L9的箱T1至T9)、由单个马达轴向地驱动的压缩机、膨胀系统(膨胀阀V1至V7)、冷凝器、蒸发器。与单独的压力容器、压缩机和膨胀系统的经典布置相比，投资成本显著减少。通过标准化，级的数量且因此温升(或者用于冷却的散热器)可易于扩展。不同压缩步级在此处简单地由轴向驱动的风扇描述，但是不同的系统也是可能的。

根据本发明的第一方面的另一优选实施例，对于多级热泵的每个级，在压力容器与压缩机中的压力步级之间设置直接连接。

根据本发明的第一方面的再一优选实施例，多级热泵是集成的。

图5是对于具有与图2和图3的相同液体-蒸气拱顶的八级热泵循环的log p与h关系的理论曲线图，其中p是压力并且h是焓。提供的级数越多，压缩就越靠近在共存区域(在气体侧)中进行，并且膨胀越靠近在共存区域(在液体侧)中进行。

图6是根据本发明的十级热泵系统的总体示意图，其具有用于保持流体的气相G1至G10和液相L1至L10的箱T1至T10和膨胀阀V1至V9、冷凝器、蒸发器，并且压缩机由单个马达驱动(但是也可以使用更多马达，例如，一组压缩机可以各由一个马达驱动)。其包括在左侧的冷凝器和在右侧上的蒸发器。冷凝器被馈送有系统流体的气相，比如高压的氨，而蒸发器被馈送有来自泵的液相。

多级热泵的用途

本发明的第三方面在于提供根据本发明的第一方面的多级热泵(例如，用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵)的如下用途，其用于从可再生能源、余热和废水提取热(热能或冷能)。

本发明的第四方面在于提供根据本发明的第一方面的多级热泵(例如，用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵)的如下用途，其用于从废水或其它余热提取热(例如热能或冷能)。

根据本发明的第三方面的优选实施例，可再生能源选自：周围空气、淡水、海水、地下水和大地。

根据本发明的实施例的多级热泵(例如，用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵)被认为是用于例如在太阳能锅炉中从可再生能源和在水平或竖直地源热泵(GSHP)中从周围、地下水和大地提取热(例如，热能或冷能)的设施的一体部分。来自大地的热能由挖入到地热热源内的相当浅的钻孔或很深的钻孔提供。为了压缩机相当有限的电力消耗，可以将在空气、淡水、海水、地下水和大地中提供的热(例如，热能或冷能)变换为在可用温度的热(例如，冷能或热能)。通过使用根据本发明的实施例的多级热泵(例如，用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵)，相比于单级热泵所需的电力消耗，能显著地减少电力消耗，这提高了从可再生能源或其它热源提取能量的效率。热泵(例如，用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵)可以用来加热(或冷却)在住宅小区、办公室、医院和工业中的建筑物。除了对建筑物的加热(或冷却)之外，热泵(例如，用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵)也可以用来将低级废热(热能或冷能)的温度升高或降低到可用的温度水平。现被处理的废热(热能或冷能)的一部分可以用于该过程或者在其温度更高(或更低)的情况下用于提供中央加热(或冷却)，由此可以使用根据本发明的实施例的热泵(例如，用于加热或冷却或者加热与冷却的组合的多级热泵)。提供集成多级系统的本发明的实施例扩展了应用可能性并节省能量。

除了加热应用场合之外，根据本发明的热泵可以用于冷却应用场合，例如住宅、商业、HVAC和空调。利用多级冷却系统，与传统单级冷却系统相比，能降低电力消耗。

此外，根据本发明的热泵可以用于加热和冷却应用，例如，具有太阳辐射的办公室的冷却部分和无太阳辐射的办公室的加热部分。

类似于多级热泵，本发明还包括多级朗肯循环发动机。在此使用多个循环也得到更高效率。利用相同量的余热或地热热量，因此能生产出更多的电。在朗肯循环中存在四个过程。

过程1：工作流体从低压被泵送到高压。因为在流体此级中是液体，泵需要的输入能量几乎没有。

过程2：高压液体进入锅炉，其中，该液体以恒定压力由内部热源加热变成干燥饱和蒸气或过热蒸气。

过程3：干燥饱和蒸气通过涡轮膨胀，发电。这降低了蒸气的温度和压力，并且可能发生某些冷凝。

过程4：湿蒸气然后进入冷凝器，其中，湿蒸汽以恒定压力被冷凝，以变成饱和液体。

还有利的是，使压缩机的吸入侧的蒸气变得饱和或接近饱和状态，因为这将提高蒸气压缩效率。

在理想朗肯循环中，泵和涡轮将是等熵的，即，泵和涡轮将不生成熵并且因此使净工作输出最大。过程1-2和3-4将由T-S图上的竖直线表示并且更接近类似卡诺循环的过程。此处示出的朗肯循环防止蒸气在涡轮中膨胀后止于过热区域，而这会减少冷凝器所移除的能量。

应了解尽管在本文中关于根据本发明的装置讨论了优选实施例、具体构造和配置以及材料，在不偏离本发明的范围和精神的情况下能做出各种形式和细节的变化或修改。例如，上文所给出的任何形式只是说明可以使用的过程。可以从框图添加或删除功能并且操作可以在功能框之间互换。可以从本发明的范围内描述的方法添加或删除步骤。

Claims (31)

1.一种多级热机，包括：

蒸发器和冷凝器；

膨胀器部段，所述膨胀器部段包括多于两个膨胀器级；

压缩机部段，所述压缩机部段包括多于两个蒸气压缩级，所述蒸气压缩级与所述膨胀器部段相协作；

用来保持流体的气相(例如G1至Gx)和液相(例如L1至Lx)的x个箱，其中x为至少三(例如，T1至Tx)；

所述膨胀器部段具有x-1个膨胀阀(例如，V1至Vx-1)，所述压缩机部段适于将来自第一箱的气相压缩至更高压力，并且使所述压缩流体移动到处于更高压力的第二下一邻近箱；所述膨胀器部段适于使来自所述第二下一相邻箱的所述压缩流体(液体)的一部分移动通过所述箱的所述膨胀阀(V)，以使处于较低压力的所述第一箱中的流体膨胀，所述压缩机和膨胀器部段适于以最高压力向所述冷凝器输出气相并且以最低压力向所述蒸发器输出液相，所述冷凝器的输出被回馈到所述最高压力的箱(T1)，而所述蒸发器的输出被回馈到所述最低压力的箱(Tx)，其中在所述较低压力的第一箱中的流体的膨胀使所述该后一箱中的蒸气处于饱和状态或接近饱和状态。

2.根据权利要求1所述的多级热机，其特征在于，在每个压缩机的吸入侧的蒸气被变成饱和状态或接近饱和状态。

3.根据权利要求1所述的多级热机，其特征在于，适于使得对来自所述第一箱的蒸气压缩使所述压缩蒸气处于过热状态。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多级热机，其特征在于，适于使得在将从较高压力箱返回的某些液体膨胀的每个压缩级处，这种膨胀的冷却效果将所述箱中的蒸气保持在饱和或接近饱和。

5.根据权利要求4所述的多级发动机，其特征在于，每个箱具有压力和/或温度和/或液位传感器以及可控制的膨胀阀；所述热机还包括控制器，所述控制器适于根据所述传感器中至少一个的输出来调节所述可控制的阀，以维持每个箱中的液位并且将每个箱中的蒸气维持于饱和状态或接近饱和状态。

6.根据前述权利要求中任一项所述的多级热机，其特征在于，所述压缩机部段包括由单个马达轴向地驱动的一组或全部压缩机。

7.根据前述权利要求中任一项所述的多级热机，其特征在于，在所述压力容器与所述多级热机的每个级的压缩机中的压力步级之间设置有直接连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的多级热机，其特征在于，所述多级热机是集成的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的多级热机，其特征在于，所述多级热机是多级热泵或者以类似方式为多级朗肯循环发动机。

10.根据前述权利要求中任一项所述的多级热机，其特征在于，适于使得在加热或冷却液体介质时，能逐步进行热交换，由此在冷却或加热介质与待冷却或待加热的介质之间的温差大致恒定。

11.根据前述权利要求中任一项所述的多级热机，其特征在于，适于使得冷却能量或加热能量被递送到处于不同温度的不同消费装置。

12.一种用于升高或降低介质温度的过程，所述过程包括以下步骤：使所述介质在根据权利要求1至11中任一项所述的多级热机中经历多个蒸发-压缩冷凝-膨胀循环。

13.对根据权利要求1至11中任一项所述的多级热机的用途，用于将来自可再生能源的热能变换为更高温度或更低温度。

14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述可再生能源选自：周围空气、淡水、海水、地下水和大地。

15.对根据权利要求1至11中任一项所述的多级热机的用途，其用于将来自余热例如废水的热变换为更高温度或更低温度。

16.一种多级热机，包括：

蒸发器和冷凝器；

膨胀器部段，所述膨胀器部段包括多于两个膨胀器级；

压缩机部段，所述压缩机部段包括多于两个蒸气压缩级，所述蒸气压缩级与所述膨胀器部段相协作；

用来保持流体的气相(例如G1至Gx)和液相(例如L1至Lx)的x个箱，其中x为至少三(例如，T1至Tx)；

所述膨胀器部段具有x-1个膨胀阀(例如，V1至Vx-1)，所述压缩机部段适于将来自第一箱的气相压缩至更高压力并且使所述压缩流体移动到处于更高压力的第二下一邻近箱；所述膨胀器部段适于使来自所述第二下一相邻箱的所述压缩流体(液体)的一部分移动通过所述箱的所述膨胀阀(V)，以使所述较低压力的第一箱中的流体膨胀，所述压缩机和膨胀器部段适于以最高压力向所述冷凝器输出气相并且以最低压力向所述蒸发器输出液相，所述冷凝器的输出被回馈到所述最高压力的箱(T1)，而所述蒸发器的输出被回馈到所述最低压力的箱(Tx)。

17.根据权利要求16所述的多级热机，其特征在于，其中在所述较低压力的第一箱中的流体的膨胀使该后一箱中的蒸气处于饱和状态或接近饱和状态。

18.根据权利要求17所述的多级热机，其特征在于，使来自所述第一箱的蒸气压缩使所述压缩蒸气处于过热状态。

19.根据权利要求17或18所述的多级热机，其特征在于，在使从较高压力箱返回的某些液体膨胀的每个压缩级处，这种膨胀的冷却效果使所述箱中的蒸气保持饱和或接近饱和。

20.根据权利要求19所述的多级发动机，其特征在于，每个箱具有压力和/或温度和/或液位传感器以及可控制的膨胀阀；所述热机还包括控制器，所述控制器适于根据所述传感器中至少一个的输出来调节所述可控制的阀，以维持每个箱中的液位并且使每个箱中的蒸气维持处于饱和状态或接近饱和状态。

21.根据权利要求16至20中任一项所述的多级热机，其特征在于，所述压缩机部段包括由单个马达轴向地驱动的一组或全部压缩机。

22.根据权利要求16至21中任一项所述的多级热机，其特征在于，在所述压力容器与所述多级热机的每个级的压缩机中的压力步级之间设置有直接连接。

23.根据权利要求16至22中任一项所述的多级热机，其特征在于，所述多级热机是集成的。

24.根据权利要求16至23中任一项所述的多级热机，其特征在于，所述多级热机是多级热泵或者以类似方式为多级朗肯循环发动机。

25.根据权利要求16至24中任一项所述的多级热机，其特征在于，在加热或冷却液体介质时，能逐步进行热交换，由此在冷却或加热介质与待冷却或待加热的介质之间的温差大致恒定。

26.根据权利要求16至25中任一项所述的多级热机，其特征在于，冷却能量或加热能量被递送到处于不同温度的不同消费装置。

27.根据权利要求16至26中任一项所述的多级热机，其特征在于，在每个压缩机的吸入侧的蒸气被变成饱和状态或接近饱和状态。

28.一种用于升高或降低介质温度的过程，所述过程包括以下步骤：使所述介质在根据权利要求16至27中任一项所述的多级热机中经历多个蒸发-压缩冷凝-膨胀循环。

29.对根据权利要求16至27中任一项所述的多级热机的用途，其用于将来自可再生能源的热能变换为更高温度或更低温度。

30.根据权利要求29所述的用途，其特征在于，所述可再生能源选自：周围空气、淡水、海水、地下水和大地。

31.对根据权利要求16至27中任一项所述的多级热机的用途，其用于将来自余热例如废水的热变换为更高温度或更低温度。