CN106989072A - 热力泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热力泵系统，包括内部灌装有流体介质的泵体，所述泵体的两端分别具有介质入口和介质出口，特征在于，所述泵体包括整体呈双层螺旋套管状的主体结构，以及依赖并形成于所述主体结构上的螺旋式内导流通道和螺旋式外导流通道，所述螺旋式内导流通道与所述螺旋式外导流通道间隔于主体结构内螺旋壁的内外两侧；电热元件密封埋设于所述主体结构内螺旋壁预留孔位中，所述主体结构内螺旋壁上设有流体通孔。本发明热利用率提高了25%以上，结构更加简单合理，坚固耐用免维护、无摩擦震动、无噪音和化学污杂，应用范围广泛。

Description

热力泵系统

技术领域

本发明涉及一种能量转换装置，具体的说，是一种能够将热能中的一部分直接转化为液压能、促进热能利用的热力泵系统，属于热交换装置技术领域。

背景技术

目前用于热能转换和传递的装置主要包括热泵、热管、机械泵、电热器等。此类热交换装置虽然都能转换传递热能，但是都具有耗能大、热利用率低、结构复杂、能量的交换和传递率不足的致命缺陷。

我国是人均资源贫乏的国家，但浪费尤其是能源浪费巨大。单从煤炭消耗分析，从90年的10亿吨，增至2015年的40多亿吨，且随着城市化的发展，煤炭的需求量会持续不断的增加，因此产生资源加速枯竭、空气、水土污染加重等诸多不利因素，严重影响我国可持续发展战略和人民的身体健康。

以我国北方冬季取暖采取的漫灌式集体供暖为例，据统计，我国每年冬季用于供暖的用煤量达到15亿吨，粗略统计每年浪费1/2煤炭，耗能相当大，对资源造成了浪费，对环境造成了污染。

公开号CN2112025U是申请人于1992年申请的实用新型专利，其专利名称为“涡流式导流泵”。该专利公开的技术内容主要解决了热量载体介质从无序到有序的问题，但由于热源装置设在泵体外部，仅有轴向导流件，因此该技术方案公开的导流泵能量传递和转换率均偏低。

此后，申请人一直致力于此类能够将热能转换为液压能的热力泵研究。

2004年8月11日，申请人申请了一种名为“热力泵”的发明专利申请，其授权公告号为CN100410548C。该专利公开的技术方案基于先前“涡流式导流泵”，提供了一种结构更加合理、传递转换能量速度更快、节能和传热效果更好的热量交换传递装置。其结构主要是在泵体内依次布置了热源装置和轴向导流件，并在泵体内壁与轴向导流件之间设计了径向导流件。以此加强热交热和传递效果。

此后，上述“热力泵”在应用过程中，依然存在着一些技术弊端，经研究其主要原因在于泵体设计的轴向导流和径向导流结构的衔接性不良，对其内部的导热介质难以提供一个连续性的轴向循环空间，介质受到的阻尼比较大，因而导致了导热介质在泵体内的连续性不强，轴向推力不足，循环能力差，热能利用率不足，泵体产生的液压能难以满足实际的动力需求。

鉴于上述背景，申请人又经过多年的潜心研究，提出本申请的热力泵系统。

发明内容

本发明旨在解决针对现有热力泵存在的热交换率低、耗能大、污染严重、资源浪费等主要技术缺陷，进而提供一种具有结构设计科学合理、传递转换热能速度更快、无机械性摩擦和噪音、节能显著、高效环保的热力泵系统。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

热力泵系统，包括内部灌装有流体介质的泵体3，所述泵体3的两端分别具有介质入口1和介质出口2，特殊之处在于，所述泵体3包括整体呈双层螺旋套管状的主体结构4，以及依赖并形成于所述主体结构4上的：

螺旋式内导流通道4-1，轴向形成于所述主体结构4的中部，其一端与所述介质入口1相通，另一端与所述介质出口2相通；

螺旋式外导流通道4-2，螺旋盘绕于所述螺旋式内导流通道4-1的外围并与其保持同一螺旋方向；所述螺旋式内导流通道4-1与所述螺旋式外导流通道4-2分别间隔于主体结构内螺旋壁4-3的内外两侧；

电热元件5，密封埋设于所述主体结构内螺旋壁4-3预留孔位中，对所述主体结构及其两侧的螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2内的流体介质提供加热；

所述主体结构内螺旋壁4-3上设有用于连通所述螺旋式内导流通道4-1与螺旋式外导流通道4-2的流体通孔4-4。

所述螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2在轴向上的截面形状可以为连续的波浪段或连续的锯齿段；

当所述螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2在轴向上的截面形状为连续的波浪段时，所述波浪段具有一波谷低点X，与所述波谷低点X相邻的两侧高点分别定义为第一波峰高点Y和第二波峰高点Y1，以分别经过波谷低点X和第一波峰高点Y的两垂直轴线的交点为原点O，则OY大于零，所述原点O至所述波谷低点X的距离OX应小于两个相邻波谷低点之间的距离XX1，所述波谷低点X与第一波峰高点Y之间为弧线段，所述波谷低点X与所述第二波峰高点Y1之间为直线段或弧线段；

当所述螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2在轴向上的截面形状为连续的锯齿段时，所述锯齿段具有一齿根点Z，与所述齿根点Z相邻的两侧高点分别定义为第一齿尖点H和第二齿尖点H1；以分别经过齿根点Z和第一齿尖点H的两垂直轴线的交点为原点O，则原点O至第一齿尖点H之间的距离应大于零，即OH＞0；所述原点O至所述齿根点Z之间的距离OZ大于等于零或小于零，即OZ≥0或OZ＜0；所述原点O至齿根点Z之间的距离OZ应小于两个相邻齿根点之间的距离ZZ1，即OZ< ZZ1；所述齿根点Z与所述第一齿尖点H之间为直线段，所述齿根点Z与所述第二齿尖点H1之间为直线段。

所述螺旋式外导流通道4-2形成于由所述主体结构4围设而成的螺旋管腔内，其外周由主体结构外套筒4-5包覆密封。

进一步的，为了加强所述泵体3的保温性能，所述外套筒4-5的外壁包覆有保温隔热层7；在所述保温隔热层7的外周设有作为防护层的外壳体8。

作为优选的结构，所述流体通孔4-4设有两个，分别开设于邻近于介质入口1和介质出口2的主体结构内螺旋壁4-3上；

所述泵体3的主体结构4采用的是超导温陶瓷材料；所述电热元件5采用的是电热丝；所述流体介质采用的是水；

所述螺旋式内导流通道4-1、螺旋式外导流通道4-2及电热元件5在整个泵体3中的螺旋方向和螺纹升角均保持一致。

所述泵体3的两侧端面分别设有密封圈9。

一种供热装置或散热装置，特殊之处在于，采用上述的热力泵系统，所述供热装置或散热装置可以是锅炉、地暖、床具或热水器。

本发明的一种热力泵系统，与采用传统热交换方式的热泵、热管、机械泵、电热器等热交换装置相比，热利用率大大提高，在现有具有轴向导流件和径向导流件的热力泵的基础上，将热利用率提高了25%以上，其特点是结构更加简单合理，坚固耐用免维护、无摩擦震动、无噪音和化学污杂，应用范围广泛，科技生命力持久，可用于保健床具、地暖、电热水器、锅炉改造等诸多领域，可替代集体供暖、空调等热利用方式，适用于居户、企事业单位、敬老院、边防极地卡所、宇宙飞船等需要改变生存条件的所有区域。

附图说明

图1：本发明的热力泵系统半剖结构示意图；

图2：实施例1中截面形状为波浪段的导流通道结构示意图；

图3：实施例2中截面形状为波浪段的导流通道结构示意图

图4：实施例3中截面形状为锯齿段的导流通道结构示意图；

在图中，1、介质入口，2、介质出口，3、泵体，4、主体结构，4-1、螺旋式内导流通道，4-2、螺旋式外导流通道，4-3、主体结构内螺旋壁，4-4、流体通孔，4-5、主体结构外套筒，5、电热元件，7、保温隔热层，8、外壳体，9、密封圈，X、波谷低点，Y、第一波峰高点，Y1、第二波峰高点，O、原点，Z、齿根点，H、第一齿尖点，H1、第二齿尖点。

具体实施方式

下面就附图1-4对本发明热力泵系统作以下详细说明。

实施例1

一种热力泵系统，由一端具有介质入口1、另一端具有介质出口2、内部灌装有流体介质的泵体3，以及包绕在所述泵体3外周的保温隔热层7和外壳体8组合而成，其中所述泵体3的主体结构4采用超导温陶瓷材料，其整体呈双层的螺旋套管状，围绕所述主体结构4的形状及结构，形成了泵体3的螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2，内、外两个螺旋的导流通道在轴向的主体结构上形成了双层的螺旋导流通道；其中，所述螺旋式内导流通道4-1位于所述主体结构4的中部，由呈螺旋结构的主体结构内螺旋壁4-3围设而成，其一端与所述介质入口1相连通，另一端与所述介质出口2相连通；所述螺旋式外导流通道4-2基于所述主体结构内螺旋壁4-3在所述螺旋式内导流通道4-1的外围形成了与其保持同一螺旋方向的外层螺旋通道；内外两层螺旋导流通道之间由主体结构内螺旋壁4-3间隔。在所述主体结构内螺旋壁4-3均匀开设有用于埋设电热元件5的预留线孔，所述预留线孔以同样的螺旋角度和方向盘绕在所述主体结构内螺旋壁4-3内，作为电热元件5的电热丝密封埋置于所述预留线孔内，用以向内外两层的导流通道中的流体介质提供加热。在双层的螺旋导流通道之间的主体结构内螺旋壁4-3上开设有用以贯通两导流层的流体通孔4-4，所述流体通孔4-4设有两个，分别设在介质入口处和介质出口处。所述螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2在轴向上的截面形状为连续的波浪段；所述波浪段具有一波谷低点X，与所述波谷低点X相邻的两侧高点分别定义为第一波峰高点Y和第二波峰高点Y1，以分别经过波谷低点X和第一波峰高点Y的两垂直轴线的交点为原点O，则OY大于零，所述原点O至所述波谷低点X的距离OX应小于两个相邻波谷低点之间的距离XX1，所述波谷低点X与第一波峰高点Y之间为弧线段，所述波谷低点X与所述第二波峰高点Y1之间为直线段。所述螺旋式外导流通道4-2呈螺旋盘绕在所述主体结构内螺旋壁4-3外围的管腔结构，其外周由主体结构外套筒4-5包覆密封。在所述泵体3两端面设有密封圈9进行密封。所述螺旋式内导流通道4-1、螺旋式外导流通道4-2及电热元件5在整个泵体3中的螺旋方向、螺纹升角均保持一致。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于

所述螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2在轴向上的截面形状为连续的波浪段，所述波浪段具有一波谷低点X，与所述波谷低点X相邻的两侧高点分别定义为第一波峰高点Y和第二波峰高点Y1，以分别经过齿根点Z和第一齿尖点H的两垂直轴线的交点为原点O，则OY大于零，所述原点O至所述波谷低点X的距离OX应小于两个相邻波谷低点之间的距离XX1，所述波谷低点X与第一波峰高点Y之间为弧线段，所述波谷低点X与所述第二波峰高点Y1之间为弧线段。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于

所述螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2在轴向上的截面形状为连续的锯齿段；所述锯齿段具有一齿根点Z，与所述齿根点Z相邻的两侧高点分别定义为第一齿尖点H和第二齿尖点H1；以分别经过齿根点Z和第一齿尖点H的两垂直轴线的交点为原点O，则原点O至第一齿尖点H之间的距离应大于零，即OH＞0；所述原点O至所述齿根点Z之间的距离OZ大于等于零或小于零，即OZ≥0或OZ＜0；所述原点O至齿根点Z之间的距离OZ应小于两个相邻齿根点之间的距离ZZ1，即OZ< ZZ1；所述齿根点Z与所述第一齿尖点H之间为直线段，所述齿根点Z与所述第二齿尖点H1之间为直线段。

以下对本发明的热力泵系统的工作过程及设计原理作详细的描述：

将本发明的热力泵系统的介质入口1和介质出口2与散热装置相连，形成的是一个封闭的串并联回路。当此回路中的流体导热水处于自然平衡状态时，回路中的水处于静态无序的非循环状态，其内能处于无序紊乱的状态；而当电热元件5通电加热时，水分子在微观上发生了剧烈的运动变化，内能剧增，水分子在螺旋式内导流通道4-1和螺旋式外导流通道4-2构成的双层螺旋管路的结构作用下，发生了连续的轴向涡流和径向涡流，产生了有序的轴向运动，由此而产生液压推力，在轴向涡流和径向涡流的协同作用下，产生的类似龙卷风的螺旋涡流，使泵体对内部介质产生了泵送效应，促使介质从介质入口方向向介质出口方向流动。在整个工作过程中，该热力泵的电热元件与介质之间的温差越大，介质的流速越快，泵吸效果越好，即泵送的吸力大小与温差大小成正比。

本发明的热力泵系统，通过在泵体上形成的双层螺旋状导流通道，给泵体内部的流体介质提供了一个连续性强且能够产生泵吸效果的轴向导流空间，将流体介质的旋转运动转换成热量载体的有序的轴向直线运动，在这个过程中，流体介质在泵体内做强制性流动，微观状态下，流体介质分子的无序运动逐渐向有序的运动方向转变。

本发明的热力泵系统与传统换热装置相比，将热能直接转化为液压能的能力大大提高，转换过程中热能损耗小，利用率高。本明的热力泵除了能够应用在现有热泵、热管所涉及的领域外，还能够广泛的应用于不允许有机械摩擦和化学污染的领域，例如人们所用的床具上。因为这种热力泵可以用水作为介质，并且运行过程中无任何机械摩擦，所以不产生噪音，是目前用于床具加热的最理想装置。

经实验表明，将本发明的热力泵应用于床具散热板的加热，能够使床体散热板的表面温度达到40度以上，则一昼夜的耗电量不足0.4度，只相当于一个15瓦灯泡一昼夜的耗电量。如果将本发明的热力泵应用于现有电加热热水器上，至少节电20%-25%。如果将本发明热力泵用于锅炉、散热器等热交换传递装置上，节能效果将会提高20%左右。

根据实验验证，以下给出本发明的热力泵系统与传统供热方式在各种指标中的性能对比：

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Claims (10)

1.热力泵系统，包括内部灌装有流体介质的泵体（3），所述泵体（3）的两端分别具有介质入口（1）和介质出口（2），特征在于，所述泵体（3）包括整体呈双层螺旋套管状的主体结构（4），以及依赖并形成于所述主体结构（4）上的：

螺旋式内导流通道（4-1），轴向形成于所述主体结构（4）的中部，其一端与所述介质入口（1）相通，另一端与所述介质出口（2）相通；

螺旋式外导流通道（4-2），螺旋盘绕于所述螺旋式内导流通道（4-1）的外围并与其保持同一螺旋方向；所述螺旋式内导流通道（4-1）与所述螺旋式外导流通道（4-2）分别间隔于主体结构内螺旋壁（4-3）的内外两侧；

电热元件（5），密封埋设于所述主体结构内螺旋壁（4-3）预留孔位中，对所述主体结构及其两侧的螺旋式内导流通道（4-1）和所述螺旋式外导流通道（4-2）内的流体介质提供加热；

所述主体结构内螺旋壁（4-3）上设有用于连通所述螺旋式内导流通道（4-1）与所述螺旋式外导流通道（4-2）的流体通孔（4-4）。

2.如权利要求1所述的热力泵系统，特征在于

所述螺旋式内导流通道（4-1）和螺旋式外导流通道（4-2）在轴向上的截面形状为连续的波浪段或连续的锯齿段。

3.如权利要求2所述的热力泵系统，特征在于

所述螺旋式内导流通道（4-1）和螺旋式外导流通道（4-2）在轴向上的截面形状为连续的波浪段，所述波浪段具有一波谷低点（X），与所述波谷低点（X）相邻的两侧高点分别定义为第一波峰高点（Y）和第二波峰高点（Y1），以分别经过波谷低点（X）和第一波峰高点（Y）的两垂直轴线的交点为原点（O），则原点至第一波峰高点Y之间的距离大于零，即OY＞0；所述原点O至所述波谷低点X的距离OX应小于两个相邻波谷低点之间的距离XX1，即OX<XX1；所述波谷低点X与第一波峰高点Y之间为弧线段，所述波谷低点X与所述第二波峰高点Y1之间为直线段或弧线段。

4.如权利要求2所述的热力泵系统，特征在于

所述螺旋式内导流通道（4-1）和螺旋式外导流通道（4-2）在轴向上的截面形状为连续的锯齿段，所述锯齿段具有一齿根点（Z），与所述齿根点（Z）相邻的两侧高点分别定义为第一齿尖点（H）和第二齿尖点（H1）；以分别经过齿根点（Z）和第一齿尖点（H）的两垂直轴线的交点为原点（O），则原点（O）至第一齿尖点（H）之间的距离应大于零，即OH＞0；所述原点（O）至所述齿根点（Z）之间的距离（OZ）大于等于零或小于零，即OZ≥0或OZ＜0；所述原点（O）至齿根点（Z）之间的距离（OZ）应小于两个相邻齿根点之间的距离（ZZ1），即OZ< ZZ1；所述齿根点（Z）与所述第一齿尖点（H）之间为直线段，所述齿根点（Z）与所述第二齿尖点（H1）之间为直线段。

5.如权利要求3或4所述的热力泵系统，特征在于

所述螺旋式外导流通道（4-2）形成于由所述主体结构（4）围设而成的螺旋管腔内，其外周由主体结构外套筒（4-5）包覆密封。

6.如权利要求5所述的热力泵系统，特征在于

所述主体结构外套筒（4-5）的外壁包覆有保温隔热层（7）；在所述保温隔热层（7）的外周设有作为防护层的外壳体（8），所述泵体（3）的两侧端面分别设有密封圈（9）。

7.如权利要求6所述的热力泵系统，特征在于

所述流体通孔（4-4）设有两个，分别开设于邻近于介质入口（1）和介质出口（2）的主体结构内螺旋壁（4-3）上。

8.如权利要求7所述的热力泵系统，特征在于

所述泵体（3）的主体结构（4）采用的是超导温陶瓷材料；所述电热元件（5）采用的是电热丝，所述流体介质采用的是水。

9.如权利要求8所述的热力泵系统，特征在于

所述螺旋式内导流通道（4-1）、螺旋式外导流通道（4-2）及电热元件（5）在整个泵体（3）中的螺旋方向和螺纹升角均保持一致。

10.采用权利要求1-9任一权利要求所述热力泵系统作为供热源的供热装置或散热装置。