CN1066815C - 能量转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能量转换装置的改进，所述能量转换装置使用一种混合介制，将热能从低温热源传送到高温热源，以便提高能量转换效率，改善蒸发器和冷凝器的性能，并且降低该装置的生产成本。此外，本发明在部分负载时也能改善性能。所述能量转换装置包括蒸发器，压缩机、冷凝器、气-液分离器、膨胀装置、减压阀以及热交换环路，还可以包括一个回收器，所述压缩机被连结到所述膨胀装置(例如一台涡轮机)上。

Description

能量转换装置

本发明涉及一种利用混合介质将热能从一个低温热源传送到一个高温热源能量转换装置的改进，以便提高这种能量转换装置的热能传输性能，改进蒸发器的冷凝器的性能，并且降低该装置的生产成本。此外，本发明在一个广阔范围内，甚至是部分负载的情况也能改善性能，本发明还提供一种具有热能发动机功能的高效率，多功能能量转换装置。

热泵和致冷机这样一类将热能从一个低温热源传送到一个高温热源的装置，主要包括以下类型：(1)压缩类装置，它可以使用氟里昂，氨等单组分介质，也可使用具有相同沸点的各种致冷剂载体混合而成的共沸混合介质[逆向兰金(Rankine)循环]；(2)另一种压缩类装置，它使用一种具有不同沸点的各种致冷剂载体混合而成的非共沸混合介质，以便改善逆兰金循环的高温性能[洛仑兹(Lorentz)循环]；(3)吸收类装置，它把致冷剂载体与吸收剂例如氨与水，水与锂的溴化物LiBr结合起来(吸收循环)。

直到今天，在实行逆兰金循环的压缩型热泵和致冷机中，性能系数的改善是有限的，特别是当热源的温度改变增大时，性能系数就变小。为了消除这一缺点，发展了洛仑兹循环的压缩型热泵和致冷机，它们使用一种具有不同沸点的各种致冷剂载体混合而成的非共沸混合介质。这种循环的压缩型热泵和致冷机建立于这样一种概念：当介质在蒸发器和冷凝器中发生相变时，温度就会改变，而热源的温度改变与此相适应，这就增加了在蒸发器和冷凝器中的有效能量，并减少了压缩机所做的功，从而使性能系数大为增加。

然而，使用非共沸混合介质有害地降低了在蒸发器和冷凝器中的传热效率，增加了冷凝压力，降低了蒸发压力并且增加了冷凝器所做的功。所述传热效率的降低在冷凝器的出口处特别明显。这是因为，容易冷凝的高沸点介质首先在冷凝器中凝结，而难于冷凝的低沸点介质大量滞留在冷凝器的出口处。所以，曾有过这样一种方法：把冷凝器分成多级，以便将介质分离成在每一级中已凝结的冷凝物以及在每一段中未被冷凝的气化物，只有在热源处没有冷凝的气化物被再次冷凝，并重复这些步骤。然而，甚至在这种情况下，呈未冷凝气化物状态的低沸点介质的聚集也逐渐增加，并且，如果试图将等气化物在一定温度的热源处完全冷凝，冷凝压力就会被迫升高。所以带来的弊病是，压缩机的动力不能充分地降低，在蒸发器中也会发生同样的情况。

在吸收型热泵和致冷机中，与上述压缩型装置相比较性能系数变小了。在这种循环中，已研究并发展了三组分循环等多效能吸收循环GAX(即发生器-吸收器-热交换器循环)，以便利用吸收器排出的一部分热量来加热回收器，减少回收器的热容量，但是不可能得到比上述压缩型装置更高的性能系数。

还曾进一步研究和发展了压缩—吸收型氢化物装置，它把一个压缩型装置和一个吸收型装置结合在一起，但仍保留着上述问题，即：在使用混合介质的情况下，冷凝器和蒸发器的性能差，整个装置的性能也达不到期望值并且结构不紧凑。

另一方面，在已有技术的热泵和致冷机中，在使用混合介质的情况下部分负载是由控制工作介质的循环量并进一步控制混合介质的成分来控制的，然而，改变循环量会导致性能恶化，成分控制困难及设备庞大等一系列重要问题。

本发明的一个目的是：提供一种能量转换装置，它能克服已有技术的上述缺点，改善热泵和致冷机的性能系数，保持在一个广阔范围中部分负载时的性能，并能减少安装费用。

本发明的特征如下：

本发明涉及一种能量转换装置，它包括一个蒸发器，一台压缩机，一个冷凝器，一个气化物—液体分离器，一个膨胀装置，一个减压阀，一个混合器或者阻尼器，还有一个热交换环路；所述蒸发器使一种工作流体与低温热源进行热交换；所述压缩机被连接在蒸发器的流体排出侧，以便压缩排出的流体；所述冷凝器与压缩机排出侧相连，用来使从压缩机排出的流体与高温热源进行热交换；所述气-液分离器与冷凝器排出侧相连；而所述膨胀装置被连结到气液分离器的气化排出侧以便膨胀排出的气化物；所述减压阀与气-液分离器的液体排出侧相连，用来使液体减压，所述混合器或者吸收器用来使膨胀装置排出的膨胀后的气化物跟来自减压阀的经过减压的液体混合；而所述热交换环路由管道连接而成，用来蒸发混合器或者与蒸发器在一起的吸收器排出的流体。

本发明的另一个目的是提供一种能量转换装置，它包括一个蒸发器，一台压缩机，一个冷凝器，一个气化物—液体分离器，一个膨胀装置，一个混合器或者吸收器，一个回收器，还有一个热交换环路；所述蒸发器是使一种工作流体与低温热源进行热交换；所述压缩机被连接在蒸发器的流体排出侧，以便压缩排出的流体；所述冷凝器与压缩机排出侧相连，用来使从压缩机排出的流体与高温热源进行热交换；所述气-液分离器与冷凝器排出侧连结；而所述膨胀装置被连结到气-液分离器的气化物排出侧以便膨胀排出的气化物：所述混合器或者吸收器用来使来自膨胀装置的已膨胀气化物与流体混合，所述流体是从气-液分离器排出后又通过一个回收器和一个减压阀传送过来的；所述回收器用来使混合器或者吸收器排出的流体与从气-液分离器排出的液体进行热交换；而所述热交换环路由管道连接而成，用来蒸发从回收器排到蒸发器的流体，使该流体借助于管路与低温热源进行热交换。

作为本发明工作流体的一个最佳实施例，可以从氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物中选用。此处推荐使用的氟里昂32和氟里昂134a是不可能破坏臭氧层的流体。

本发明涉及的能量转换装置是一种能量系统，它能利用河水、地下水、空气、太阳能、湖水、海水、地热、工厂排离的热水和蒸气、热能站和原子能电站排放的热量、城市排放热量(例如污水处理厂、垃圾处理厂、输变电所、地下城镇、地下铁道、计算机中心、冷藏仓库、液态天然气以及液化石油气)等等。

在本发明实施中，可用一台膨胀涡轮机来做膨胀装置。其特点是：在所述膨胀涡轮机上连结着一台发电机，以便在能量转换的同时产生电能，增加能量转换的效率。此外，一台压缩机也被连结到所述膨胀装置上，以便利用转动能量来驱动压缩机，从而增加能量利用率。

图1画出作为本发明一个最佳实施例的一个能量转换循环装置。

图2画出作为本发明另一个最佳实施例的一个能量转换循环装置。

在这两张图中：1是一个低温热源，2是一个高温热源，3是工作流体管路，4是一个蒸发器，5是一台压缩机，6是一个冷凝器，7是一个气化物-液体分离器，8是一个减压阀，9是一个混合器，10是一个膨胀装置，而11是一个回收器。

下面结合附图，对本发明最佳实施例进行详细叙述：

图1是一张详细的管路连接图，一个低温热源1被连结到使低温热源1与高温热源2进行热交换的蒸发器4上，而蒸发器4又借助于流经蒸发器4的工作流体管道3与一台压缩机5、一个冷凝器6以及一个气-液分离器7相连，所述冷凝器6用于高温热源2的热交换，由气-液分离装置7分离出的气化物通过管路3被送往一个膨胀装置10(例如是一台膨胀涡轮机)，而由膨胀装置10排出的气化物被传送到一个混合器9中，从气-液分离器7中排出的液体经过减压阀8和管路3也被送到混合器9之中，而从混合器9排出的流体由管路再度送入蒸发器4。这就是图1所示的循环。

如果情况需要，在工作中提供多个蒸发器4、冷凝器6以及膨胀装置10是行之有效的。此外如图2所示，在减压阀8和气-液分离装置7之间安装一个回收热量用的回收装置11，可使热量回收率显著提高。

在所介绍的实施例中，工作流体气化物包括一种混合物，该混合物由具有不同沸点的2至3种成分组成，该气化物被添加到冷凝器6中。所述工作流体气化混合物在冷凝器6处与高温热源2进行热交换，并已冷凝到完全凝结状态之前的两相状态，然后被送入气-液分离器7。气-液分离器7把混合物分离成气化物和液体，然后液体被送往减压阀8，气化物被送往膨胀装置10。混合物中的液体经减压阀8减压后被送入混合器9。另一方面，混合物中的气化物在膨胀装置中膨胀后也被送入混合器9，与在压阀8中减压后的液体进行混合。从混合器流出的液体进入一个蒸发器4，与低温热源1进行热交换并且气化。最后气态混合物被压缩机5重新送入冷凝器6。

除非完全凝结的低沸点介质的气化物在冷凝器前后几乎一样多，否则就要在冷凝器6之后安装一个气-液分离器，以便从含有许多高沸点介质的液体中分离出含有许多低沸点介质的气化物。含有许多低沸点介质的气化物由一个膨胀装置10回收来作为能量，而含有许多高沸点介质的液体用一个减压阀8进行减压复原，或者用一个回收装置11(参见图2)进行回收。其结果是，冷凝器6和蒸发器4的热转换性能提高，并且整个装置结构紧凑。

这种装置的工作流体最佳实施例，是氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物。其最佳混合比取决于使用温度和压力。在使用氨和水的混合物的情况下，使用的温度越高，混合比中水越多。而在使用氟里昂32和氟里昂134a的情况下，使用的温度越高，混合比中氟里昂134a越多。就氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物来说，氨和水的混合物比氟里昂32和氟里昂134a的混合物能适应更高的温度范围。

通过膨胀装置10获得的能量，能通过在膨胀装置(譬如说一台涡轮机)上附加一台发电机的办法转变成电能，在另一方面，所述电能可用作压缩机5所需电能的一部分并能改善性能系数。此外，还可通过将膨胀装置10连接到压缩机5上的方法，使压缩机5所需的能量进一步减少，从而进一步导致性能系数的改善。应该指出，提供一个膨胀装置来替代一个减压阀8，或者用一个减压阀来替代一个膨胀装置10，都可能是行之有效的。

从气-液分离器7的混合物液体中分离出气化物的比例随着下列因素的改变而改变。压力、温度、工作流体的流量以及气-液分离器7的气-液分离性能。借助于改变气-液分离率，就能控制在膨胀装置10中的功W与在蒸发器4中的热负载Q的比率。也就是说，当预料功W的比率大时，可将从气-液分离器7中分离出的气化物减少。从另一方面来说，在控制热负载的情况下，不必象以前那样控制工作流体的流量，只需相应于一个固定流量，改变气-液分离器中气化物对液体的分离率就可以了。因此，对于一个广阔范围的部分负载来说，控制负载而不减少整个热效率，是做得到的。

本发明的这种装置是行之有效的，因为：(1)在白天可利用廉价储存的压缩空气，其方法是用半夜电力作为压缩机5的动力源，另外，在起到一台热泵和一台致冷机作用的同时还能发电；(2)在起到热泵和致冷机作用的同时还能有效地利用其它能量并发电，例如利用车辆引擎动力作为压缩机5的动力源，在起到小汽车空调作用的同时发电。

从上面的介绍可以明显看出，由于在冷凝器6后面安装了一台气-液分离器7，使得含有许多低沸点介质的气化物，在气-液分离器作用下，从含有许多高沸点介质的液体中分离出来，所述含有许多低沸点介质的气化物被一台膨胀装置10回收作为动力，而含有许多高沸点介质的液体被一个减压阀8减压复原，或者由一台回收器11进行热回收，从而提高了传热性能，并且能增加能量转换装置的效率，本发明在这方面的效益是十分显著的。

作为一个实例，在至今尚在使用的洛仑兹循环热泵中，使用氟里昂32和氟里昂134a的混合物，在高温热源入口温度40℃、高温热源出口温度60℃、低温热源入口温度10℃、低温热源出口温度20℃的情况下，传热性能(热通过系数×传热面积/排热量)在蒸发器4处为0.15(1/K)，在冷凝器6处为0.15K，氟里昂32的质量成分为0.2kg/kg，其理论性能系数约为4.7，而本发明装置在相同条件下该系数变成5.1左右，在这种情况下，性能系数大约增加了8％。

此外，传统的热泵和致冷机具有不少问题，例如在部分负载之类情况下系统性能低下，本发明能使这些问题得到改善，只需控制气-液分离器7的分离率即可。这意味着，工作流体的流量不需改变，只是改变气-液分离器7的分离率即可。要减少热负载Q的比率，就要增加分离器7分离出的气化物的比率。反之，要增大热负载Q的比率，就要减少分离器7分离出的气化物的比率。

作为一个实例，在本发明能量转换器中，使用氟里昂32和氟里昂134a的混合物，高温热源入口温度40℃，高温热源出口温度60℃，低温热源入口温度10℃，低温热源出口温度20℃，在蒸发器4处传热性能为0.15(1/K)，冷凝器6处传热性能为0.15K，在分离器7入口处氟里昂32的质量成分为0.5kg/kg，当分离器气-液分离率(液体质量/流入物总量)由0.1上升到0.8时，冷凝器出口处的热负载从1kw变为2.66kw，此时该热泵的理论性能系数的变化很小，其值基本恒定。

Claims (6)

1．一种能量转换装置，其特征是它包括：一蒸发器，一压缩机，一冷凝器，一气化物-液体分离器，一膨胀装置，一减压阀，一混合器或者吸收器，还有一热交换环路；所述蒸发器使工作流体与低温热源进行热交换；所述压缩机被连接在蒸发器的流体排出侧，以便压缩排出的流体；所述冷凝器与压缩机排出侧相连，用来使压缩机排出的流体与高温热源进行热交换；所述气-液分离器与冷凝器排出侧连结；而所述膨胀装置被连续到气-液分离器的气化物排出侧，以便膨胀排出的气化物；所述减压阀与气-液分离器的液体排出侧相连，用来使液体减压；所述混合器或者吸收器用来使膨胀装置排出的膨胀后的气化物跟来自减压阀的经过减压的液体混合；而所述热交换环路由管道连接而成，用来蒸发混合器或者与蒸发器在一起的吸收器排出的流体。

2．根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征是从混合器或者吸收器排出的流体与从气-液分离器排出的液体在所述回收器中进行热交换。

3．根据权利要求1或2所述的能量转换装置，其特征是所述工作流体根据使用条件的不同，从氨和水的混合物以及氟里昂32和氟里昂134a的混合物中选用。

4．根据权利要求1或2所述的能量转换装置，其特征是所述膨胀装置是一台与发电机相连的膨胀涡轮机，并且能量转换和动力产生是同时实现的。

5．根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征是在所述气化物-液体分离器作用下，含有许多低沸点介质的气化物从含有许多高沸点介质的液体中分离出来。

6．根据权利要求1或2所述的能量转换装置，其特征是所述压缩机也被连结到所述膨胀装置上。

Images