CN106679213B - 压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统，包括超重力产生机构和有工质流动的制冷装置，超重力产生机构包括旋转底座和转轴；转轴设置在旋转底座的轴心位置；制冷装置为由第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机和冷凝器通过管道依次连接后构成的闭环结构；第一蒸发器设置在旋转底座的轴心位置，第二蒸发器、压缩机和冷凝器设置在旋转底座的边缘位置；第一蒸发器出口和第二蒸发器进口连接；第二蒸发器出口和压缩机进口连接；压缩机出口和冷凝器进口连接；冷凝器出口和第一蒸发器进口连接。本发明还同时提供了利用上述系统进行的压缩驱动的双温超重力制冷热泵方法。
Description
技术领域
本发明涉及制冷热泵技术领域，具体是一种压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统及方法。
背景技术
在空调制冷/热泵系统中，常涉及双温热源，即要求制冷系统提供两个蒸发温度。为了实现这一目标，最简单的方法是将制冷剂分别膨胀降压到两个蒸发压力下，从而得到两个蒸发温度，然后再让两股不同蒸发压力下的冷剂蒸汽混合，再通过一个压缩机压缩增压，这种方法的缺点是较高压力的冷剂蒸汽和较低压力的冷剂蒸汽混合时，存在混合损失；为了回收较高压力冷剂蒸汽的能量，一种改进方法是将较高压力的冷剂蒸汽通入喷射器，让其引射较低压力的冷剂蒸汽，混合后得到中压冷剂蒸汽，从而可以减少压缩机的耗功量。
但是，蒸汽喷射器中混合过程的动能损失仍然存在，为了避免这种混合损失，申请号为(CN201511026099.3)的专利申请提供了一种超重力热驱动制冷装置，其利用超重力旋转，将惯性势能和压能进行相互转换，没有膨胀阀的节流损失和不同压力冷剂蒸汽的混合损失，具有较好的节能潜力，但该专利采用热驱动，且只能提供一个蒸发温度，不能满足用一个电压缩机驱动来实现双温冷源的需求。因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统及方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统，包括超重力产生机构和有工质流动的制冷装置；所述超重力产生机构包括旋转底座和转轴；所述转轴设置在旋转底座的轴心位置；所述制冷装置为由第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机和冷凝器通过管道依次连接后构成的闭环结构；
所述第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机和冷凝器都固定设置在旋转底座上；所述第一蒸发器设置在旋转底座的轴心位置，第二蒸发器、压缩机和冷凝器设置在旋转底座的边缘位置；
所述第一蒸发器的第一蒸发器出口通过管道和第二蒸发器的第二蒸发器进口连接；所述第二蒸发器的第二蒸发器出口通过管道和压缩机的压缩机进口连接；所述压缩机的压缩机出口通过管道和冷凝器的冷凝器进口连接；所述冷凝器的冷凝器出口通过管道和第一蒸发器的第一蒸发器进口连接。
作为本发明的压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统的改进：所述第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机和冷凝器设置在相同的回转半径上。
作为本发明的压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统的进一步改进：第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机、冷凝器及管道内部所采用的工质为制冷工质。
本发明还同时提供了一种压缩驱动的双温超重力制冷热泵方法，包括以下步骤：
转轴带动第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机、冷凝器和旋转底座以相同转速同轴旋转；
第一蒸发器的蒸发管道中的制冷剂混合物从第一蒸发器出口流出，通过管道从旋转底座轴心位置向旋转底座边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第二蒸发器进口；在流动过程中第一蒸发压力下的制冷剂混合物被增压到第二蒸发器的蒸发压力，惯性势能降低，温度升高到第二蒸发器的蒸发压力对应的第二蒸发温度，成为第二蒸发压力下的制冷剂混合物，之后通过第二蒸发器进口进入第二蒸发器的蒸发管道；
第二蒸发器的蒸发管道中的第二蒸发压力下的制冷剂混合物吸收通过第二蒸发器的外部热源的热量后，变成第二蒸发压力下的饱和制冷剂气体；
第二蒸发器的蒸发管道中的第二蒸发压力下的饱和制冷剂气体从第二蒸发器出口流出，通过管道流动到压缩机进口，进入压缩机；在压缩机中第二蒸发器压力下的饱和制冷剂气体被绝热压缩到冷凝器压力，同时温度升高，变成冷凝压力下的饱和制冷剂气体；
压缩机中的冷凝压力下的饱和制冷剂气体从压缩机出口流出，通过管道流动到冷凝器进口，进入冷凝器的冷凝管道；在冷凝器的冷凝管道中冷凝器压力下的饱和制冷剂气体向通过冷凝器的外部冷源放出热量后，变成冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物；
冷凝器中的冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物从冷凝器出口流出，沿着管道从旋转底座边缘位置向轴心位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第一蒸发器的第一蒸发器进口；在流动过程中冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物被降压到第一蒸发器蒸发的蒸发压力，惯性势能增加，温度降低到第一蒸发器的蒸发压力对应的第一蒸发温度，成为第一蒸发压力下的制冷剂混合物，之后通过第一蒸发器进口进入第一蒸发器的蒸发管道；
第一蒸发器的蒸发管道中的第一蒸发压力下的制冷剂混合物吸收通过第一蒸发器的外部热源的热量后，同时干度增加，变成制冷剂混合物；
第一蒸发器的蒸发管道中的制冷剂混合物从第一蒸发器出口流出，通过管道从旋转底座轴心位置向旋转底座边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第二蒸发器进口，如此循环。
本发明与已有的制冷系统相比，具有如下技术优势：
1、相比于常规双温制冷/热泵系统，本发明不需要膨胀阀，不存在不同蒸发压力下冷剂蒸汽的混合损失；
2、相比于热驱动超重力制冷系统，本发明可由一个压缩机驱动，同时提供两个冷源(第一蒸发器和第二蒸发器各提供一个冷源)，也可以用于同时提供一个冷源和一个热源(第一蒸发器提供冷源，冷凝器提供热源)。
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为本发明压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统，如图1所示，包括超重力产生机构和有工质流动的制冷装置，超重力产生机构包括旋转底座1和转轴2，转轴2能带动旋转底座1转动。制冷装置为第一蒸发器3、第二蒸发器4、压缩机5和冷凝器6通过管道依次连接后构成的闭环结构，转轴2和第一蒸发器3都设置在旋转底座1的轴心位置。第二蒸发器4、压缩机5和冷凝器6都固定设置在旋转底座1的边缘且处于相同的回转半径上，利用离心力对制冷工质进行绝热压缩。第一蒸发器3、第二蒸发器4、压缩机5和冷凝器6都机械固定在旋转底座1上，转轴2能带动旋转底座1、第一蒸发器3、第二蒸发器4、压缩机5和冷凝器6以相同转速同轴旋转，第一蒸发器3、第二蒸发器4、压缩机5和冷凝器6为运动部件。
第一蒸发器3的第一蒸发器出口32通过管道和第二蒸发器4的第二蒸发器进口41连接，第一蒸发器3和第二蒸发器4都有外部热源通道用于向流过蒸发管道的制冷工质放热；第二蒸发器4的第二蒸发器出口42通过管道和压缩机5的压缩机进口51连接，压缩机5为本发明制冷循环提供驱动力；压缩机5的压缩机出口52通过管道和冷凝器6的冷凝器进口61连接，冷凝器6设置有外部冷源通道用于吸收流过冷凝管道的制冷工质的热量；冷凝器6的冷凝器出口62通过管道和第一蒸发器3的第一蒸发器进口31连接。
第一蒸发器3、第二蒸发器4、压缩机5、冷凝器6及管道内部所采用的工质为制冷工质，如R134a等，通过旋转使得在管道内流动的制冷工质产生沿径向增加的离心压力(离旋转底座1的轴心越远，压力越大)。
本发明的工作过程如下：
转轴2带动第一蒸发器3、第二蒸发器4、压缩机5、冷凝器6和旋转底座1以相同转速同轴旋转；
第一蒸发器3的蒸发管道中的制冷剂混合物从第一蒸发器出口32流出，通过管道从旋转底座1轴心位置向旋转底座1边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第二蒸发器进口41；在流动过程中第一蒸发压力下的制冷剂混合物被增压到第二蒸发器4的蒸发压力，惯性势能降低，温度升高到第二蒸发器4的蒸发压力对应的第二蒸发温度，成为第二蒸发压力下的制冷剂混合物，之后通过第二蒸发器进口41进入第二蒸发器4的蒸发管道；
第二蒸发器4中的第二蒸发压力下的制冷剂混合物吸收通过第二蒸发器4的外部热源的热量后，变成第二蒸发压力下的饱和制冷剂气体；
第二蒸发器4中的第二蒸发压力下的饱和制冷剂气体从第二蒸发器出口42流出，通过管道流动到压缩机进口51，进入压缩机5；在压缩机5中第二蒸发器压力下的饱和制冷剂气体被绝热压缩到冷凝器压力，同时温度升高，变成冷凝压力下的饱和制冷剂气体；
压缩机5中的冷凝压力下的饱和制冷剂气体从压缩机出口52流出，通过管道流动到冷凝器进口61，进入冷凝器6的冷凝管道。在冷凝器6的冷凝管道中冷凝器压力下的饱和制冷剂气体向通过冷凝器6的外部冷源放出热量后，变成冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物；
冷凝器6中的冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物从冷凝器出口62流出，沿着管道从旋转底座1边缘位置向轴心位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第一蒸发器3的第一蒸发器进口31；在流动过程中冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物被降压到第一蒸发器蒸发3的蒸发压力，惯性势能增加，温度降低到第一蒸发器3的蒸发压力对应的第一蒸发温度，成为第一蒸发压力下的制冷剂混合物，之后通过第一蒸发器进口31进入第一蒸发器3的蒸发管道；
第一蒸发器3的蒸发管道中的第一蒸发压力下的制冷剂混合物吸收通过第一蒸发器3的外部热源的热量后，同时干度增加，变成制冷剂混合物；
第一蒸发器3的蒸发管道中的制冷剂混合物从第一蒸发器出口32流出，通过管道从旋转底座1轴心位置向旋转底座1边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第二蒸发器进口41，如此循环。
本发明可以同时提供两个冷源(第一蒸发器和第二蒸发器各提供一个冷源)，也可以提供一个冷源和一个热源(第一蒸发器提供冷源，冷凝器提供热源)。
实施例1的计算参数见表1(针对1kg工质R134a)。设计条件为：工质为R134a，冷凝温度40℃，第一蒸发温度-3℃，第二蒸发温度9.5℃，回转直径为1m。实施例1计算得到的系统COP(定义为第一蒸发器3和第二蒸发器4总吸热量与压缩机5理论功耗之比)为7.8，此时的转速为1910转/分，第一蒸发器3和第二蒸发器4吸热量分别为58.23kJ/kg和89.55kJ/kg，冷凝器6排热量为166.73kJ/kg，传递的惯性势能为4.996kJ/kg。相比现有的采用两个膨胀阀的双温制冷系统(见表1，其COP为4.98)，实施例1的COP提升了56.6％，由此可见，本发明在超重力制冷系统中通过一个压缩机5实现了双温冷源输出，且COP相对于传统的双温制冷系统得到大幅提高，有效实现了本发明的初衷。
对比例1：当蒸发温度或冷凝温度变化时，可以通过调整转轴2的转速和压缩机5输入功来适应工况的变化，如冷凝温度不变，第一蒸发温度降低10℃时，计算结果见表1。
当冷凝温度不变而蒸发温度降低10℃时，对比例1所需要传递的惯性势能从4.996kJ/kg增加到7.358kJ/kg，此时只需将压缩机5的输入功从18.96kJ/kg增加到23.09kJ/kg，同时改变旋转底座1的转速从1910转/分到2318转/分即可实现在该工况下的稳定运行，非常方便。
表1实施例1的热力计算结果(针对1kg工质R134a)
以上实施例中，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。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。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 (4)
1.压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统，其特征在于：包括超重力产生机构和有工质流动的制冷装置；所述超重力产生机构包括旋转底座(1)和转轴(2)；所述转轴(2)设置在旋转底座(1)的轴心位置；所述制冷装置为由第一蒸发器(3)、第二蒸发器(4)、压缩机(5)和冷凝器(6)通过管道依次连接后构成的闭环结构；
所述第一蒸发器(3)、第二蒸发器(4)、压缩机(5)和冷凝器(6)都固定设置在旋转底座(1)上；所述第一蒸发器(3)设置在旋转底座(1)的轴心位置，第二蒸发器(4)、压缩机(5)和冷凝器(6)设置在旋转底座(1)的边缘位置；
所述第一蒸发器(3)的第一蒸发器出口(32)通过管道和第二蒸发器(4)的第二蒸发器进口(41)连接；所述第二蒸发器(4)的第二蒸发器出口(42)通过管道和压缩机(5)的压缩机进口(51)连接；所述压缩机(5)的压缩机出口(52)通过管道和冷凝器(6)的冷凝器进口(61)连接；所述冷凝器(6)的冷凝器出口(62)通过管道和第一蒸发器(3)的第一蒸发器进口(31)连接。
2.根据权利要求1所述的压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统，其特征在于：所述第二蒸发器(4)、压缩机(5)和冷凝器(6)设置在相同的回转半径上。
3.根据权利要求2所述的压缩驱动的双温超重力制冷热泵系统，其特征在于：第一蒸发器(3)、第二蒸发器(4)、压缩机(5)、冷凝器(6)及管道内部所采用的工质为制冷工质。
4.压缩驱动的双温超重力制冷热泵方法，其特征在于包括以下：
转轴(2)带动第一蒸发器(3)、第二蒸发器(4)、压缩机(5)、冷凝器(6)和旋转底座(1)以相同转速同轴旋转；
第一蒸发器(3)的蒸发管道中的制冷剂混合物从第一蒸发器出口(32)流出，通过管道从旋转底座(1)轴心位置向旋转底座(1)边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第二蒸发器进口(41)；在流动过程中第一蒸发压力下的制冷剂混合物被增压到第二蒸发器(4)的蒸发压力，惯性势能降低，温度升高到第二蒸发器(4)的蒸发压力对应的第二蒸发温度，成为第二蒸发压力下的制冷剂混合物，之后通过第二蒸发器进口(41)进入第二蒸发器(4)的蒸发管道；
第二蒸发器(4)的蒸发管道中的第二蒸发压力下的制冷剂混合物吸收通过第二蒸发器(4)的外部热源的热量后，变成第二蒸发压力下的饱和制冷剂气体；
第二蒸发器(4)的蒸发管道中的第二蒸发压力下的饱和制冷剂气体从第二蒸发器出口(42)流出，通过管道流动到压缩机进口(51)，进入压缩机(5)；在压缩机(5)中第二蒸发器压力下的饱和制冷剂气体被绝热压缩到冷凝压力，同时温度升高，变成冷凝压力下的饱和制冷剂气体；
压缩机(5)中的冷凝压力下的饱和制冷剂气体从压缩机出口(52)流出，通过管道流动到冷凝器进口(61)，进入冷凝器(6)的冷凝管道；在冷凝器(6)的冷凝管道中冷凝压力下的饱和制冷剂气体向通过冷凝器(6)的外部冷源放出热量后，变成冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物；
冷凝器(6)中的冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物从冷凝器出口(62)流出，沿着管道从旋转底座(1)边缘位置向轴心位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第一蒸发器(3)的第一蒸发器进口(31)；在流动过程中冷凝压力下的液态制冷剂或制冷剂混合物被降压到第一蒸发器蒸发(3)的蒸发压力，惯性势能增加，温度降低到第一蒸发器(3)的蒸发压力对应的第一蒸发温度，成为第一蒸发压力下的制冷剂混合物，之后通过第一蒸发器进口(31)进入第一蒸发器(3)的蒸发管道；
第一蒸发器(3)的蒸发管道中的第一蒸发压力下的制冷剂混合物吸收通过第一蒸发器(3)的外部热源的热量后，同时干度增加，变成制冷剂混合物；
第一蒸发器(3)的蒸发管道中的制冷剂混合物从第一蒸发器出口(32)流出，通过管道从旋转底座(1)轴心位置向旋转底座(1)边缘位置流动，在离心力和压差的共同作用下在管道中绝热流动到第二蒸发器进口(41)，如此循环。
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