CN108489127B - 一种以水作制冷剂的压缩式制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以水作制冷剂的压缩式制冷机，它是由蒸发器、由初加热的热压缩器和高温加热的热压缩器组成的热压缩器、冷凝器、屏蔽风机（加压风机）组成的主体全部装置在一个相互联通的高真空的筒体内，由真空泵抽真空，保持整个筒体均处于高度真空状态。本发明利用冷剂水蒸汽的热压缩冷涨、加热过程中压力、温度、密度为单一函数的物理特性，在热压缩器内以加热替代机械压缩，加温加压至冷凝温度再由风机抽出至冷凝器。冷凝器冷凝出来的水流回蒸发器经水泵加压喷发，成冷剂水蒸汽。

Description

一种以水作制冷剂的压缩式制冷机

技术领域

本发明涉及一种个以水作制冷剂的压缩式制冷机。

背景技术

压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机。在现有技术中压缩制冷循环均是制冷剂在蒸发器内吸热蒸发成为冷剂蒸汽，再经机械式压缩机将冷剂蒸汽压缩成高温高压的气体状态进入冷凝器，由冷却水将高温高压的冷剂蒸汽降温后变成为高压低温液态状态。再经过节流装置回到蒸发器中蒸发。传统的压缩式蒸汽制冷循环中制冷剂是制冷装置中工作流体，它在制冷系统中循环流动。通过自身热力状态的循环变化不断与外界发生能量交换，达到制冷的目的。

近百年来，人类活动大量使用各种类型的制冷剂对地球大气中的臭氧层造成破坏，已引起世界环保的高度重视。保护臭氧层的全球合作始于1985年，保护臭氧层维也纳公约的协商与缔结。此后在联合国环境规划署（UNEP）的倡议下召开了一系列会议签定一系列淘汰和限制一些类型的制冷剂的协议（文献1 xia peter 离心式冷水机组的设计及制冷剂的选择 冷冻空调标准与检测 2004 125）。制冷剂的替代已成为世界共同关注的课题，但是至今仍没有发明出理想的制冷剂。文献1在总结世界各国科学家们对制冷剂的研究成果写到“综上所述，完美理想的制冷剂是不存在的，必须有所折中”。

比较各种类型制冷剂文献2（俞炳丰 中央空调新技术及其应用 化学工业出版社2004 11）提出，无论从哪个角度来说，水都是一种安全的天然制冷剂。它的效率和热交换性能都很合理。一些机构已经在实验室中建立并测试了水作为制冷剂的样机。水用作制冷剂的一个巨大挑战是如何处理低压及高容积流量的问题。压缩机和机组的体积都比现有机组大很多。因此安装时占地面积和机组材料成本都很高。文献2认为，在短期内天然制冷剂很难广泛应用于商业空调设备中。比较传统制冷剂用水作制冷剂的压缩蒸汽制冷剂耗电量将增大250%以上。因此对于传统溴化锂制冷机厂的专家已下定论，以水作制冷剂只有二种形式：1）是蒸喷制冷2）是溴化锂吸收制冷制冷。蒸喷制冷要耗费大量蒸汽，现已基本淘汰，唯有溴化锂吸收机组，但是溴化锂吸收式制冷机因制冷机因制冷效率逐年下降也基本上被淘汰。

发明内容

本发明的目的正是在完善的解决水制冷剂带来的低压和高容积等问题的前提下，提供一种用水做为制冷剂、且具有结构简单、体积较小、并可大幅度降低能耗的压缩式蒸汽制冷机。

本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

本发明的以水作制冷剂的压缩式制冷机包括通过中上部为百叶窗结构的百叶档板、中下部设置有通道的隔板分割成左、中、右三个腔体的真空筒体，在左腔体设置有由冷媒水与冷凝水热交换的冷凝水热交换器和高压喷水系统组合成的蒸发器，在中间腔体内设置有由上至下布置的由初加热的热压缩器和高温加热的热压缩器组成的热压缩器，在初加热的热压缩器和高温加热的热压缩器之间设置有百叶档板，在右腔体下部用于连通中间腔体的通道口处设置有用于保持真空输送冷剂蒸汽的屏蔽风机，右腔体的上部为设置有第一表冷器和第二表冷器的冷凝器，冷凝器底部设置有与屏蔽风机相连通的进风口、以及通往左腔体下部的管道（在右腔底部安装的屏蔽风机通过通道将在高温热压缩器内的冷剂蒸汽抽出送到冷凝器内）；在真空筒体顶部设置有真空泵。

本发明中所述初加热的热压缩器和高温加热的热压缩器均是由与热源相连的加热管束组成；所述初加热的热压缩器的加热管束的一个管口通过管路、水泵与表冷器的一个管口相连，所述加热管束的另一个管口通过管路、加热源与表冷器另一个管口相连，组成的一个封闭系统，主要利用表冷器的回热热量；所述高温加热的热压缩器的加热管束的进出管口之间通过管路、水泵、加热源相连接，组成的封闭系统；所述初加热的热压缩器的加热源、高温加热的热压缩器的加热源可以为热水、蒸汽、燃气、电或太阳能中的任意一种热源。

所述冷凝器中的第一表冷器所交换的热能量用于初加热的热压缩器，冷凝器中的第二表冷器22将热能量用于供卫生热水，第一、二表冷器所冷凝出来的水通过底部连通管道流回到蒸发器内。

本发明的有益效果如下：

（一）大幅度降低能耗

压缩制冷机主要消耗功在于将制冷剂从蒸发器中的蒸发压力压缩到冷凝压力所消耗的功，制冷理论循环中制冷压缩循环机输送制冷剂所消耗的功称为理论功，由于制冷剂在节流过程中不作外功，因此压缩机所消耗的理论功即等于制冷循环的理论功。

压缩机消耗功与输气量和压缩比成正比函数，同样制冷量压缩比确定的条件下输气量极大的影响压缩机消耗功。与传统制冷剂的压缩机相比较，水作制冷剂压缩比相差不大，但输气量要远远大于传统制冷剂。因此用机械压缩作功消耗功能巨大。

本发明利用水蒸汽在一定的温度下压力、温度、密度为单一函数，即用加热水蒸汽来替代机械压缩，只用少量的热能量就能让作为制冷剂的冷剂水蒸汽在加热后收缩升温到冷凝压力。在实验室内对比测试，同样制冷量用水作制冷剂加热压缩冷剂蒸汽和用传统HCFC22制冷机机械压缩制冷机二者所消耗能相比较，用热压缩冷剂水蒸汽所消耗的电量仅为制冷机的百分之二十。

本发明与同样以水作制冷剂的溴化锂机相比较，同等条件下同样的蒸汽温度和同样的冷凝温度。本发明只需要在特定的设施内直接将冷剂水蒸汽加热到冷凝温度，而溴化锂制冷机冷机冷剂水蒸汽由溴化锂浓溶液吸收，水蒸汽被吸收后释放热量还原成液体水分子。吸收了水分子的浓溴化锂变成淡溴化锂溶液，进入发生器被加热，淡溴化锂溶液的水分子在受热后再次吸收汽化潜热蒸发，变成高温水蒸汽冷凝。冷剂水蒸汽由蒸发温度加热到冷凝温度所消耗加热量与由水蒸发到冷凝温度所需热量相差水的汽化潜热，差距非常大。相比之下，溴化锂制冷剂耗热量远远大于热压缩制冷机。

（二）缩小制冷机体积

冷剂水蒸汽由蒸发温度压缩到冷凝温度，本发明采用直接加热的方式，只要在蒸发器一侧装置加热热压缩器，冷剂水蒸汽由蒸发器流入热压缩器的动力是依靠热压缩内的热管道在一定条件下形成热引力场。不需要外部作功，同时冷剂水蒸汽在热压缩器内体积逐步减少。所以热压缩的体积小于蒸发器，与传统溴化锂制冷机相比，由于结构简单，体积也减小。

（三）性能稳定

本发明热压缩制冷剂与传统的机械压缩式制冷机相比，热压缩制冷机没有动力机件磨损及故障。与传统的溴化锂制冷机相比，热压缩制冷机没有溴化锂溶液氧化变质而降低制冷效率的问题。所以较传统制冷机性能稳定。

（四）环境保护

本发明热压缩制冷机是以水作制冷剂，从根本上解决了制冷剂污染环境的问题。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例（附图）作进一步描述：

如图1所示，本发明的以水作制冷剂的压缩式制冷机包括通过中上部为百叶窗结构的百叶档板10、中下部设置有通道14的隔板分割成左、中、右三个腔体的真空筒体，在左腔体设置有由冷媒水与冷凝水热交换的冷凝水热交换器8和高压喷水系统7组合成的蒸发器1，在中间腔体内设置有由上至下布置的由初加热的热压缩器2和高温加热的热压缩器2'组成的热压缩器，在初加热的热压缩器2和高温加热的热压缩器2'之间设置有百叶档板12，在右腔体下部用于连通中间腔体的通道14口处设置有用于保持真空输送冷剂蒸汽的屏蔽风机4，右腔体的上部为设置有第一表冷器16和第二表冷器22的冷凝器3，冷凝器3底部设置有与屏蔽风机4相连通的进风口、以及通往左腔体下部的管道17（在右腔底部安装的屏蔽风机通过通道14将在高温热压缩器内的冷剂蒸汽抽出送到冷凝器3内）；在真空筒体顶部设置有真空泵15。

本发明中所述初加热的热压缩器2和高温加热的热压缩器2'均是由与热源相连的加热管束9、11组成；所述初加热的热压缩器2的加热管束9的一个管口通过管路、水泵19与表冷器16的一个管口相连，所述加热管束9的另一个管口通过管路、加热源18与表冷器16另一个管口相连，组成的一个封闭系统，主要利用表冷器16的回热热量；所述高温加热的热压缩器2'的加热管束11的进出管口之间通过管路、水泵21、加热源20相连接，组成的封闭系统；所述初加热的热压缩器2的加热源18、高温加热的热压缩器2'的加热源20可以为热水、蒸汽、燃气、电或太阳能中的任意一种热源。

所述冷凝器3中的第一表冷器16所交换的热能量用于初加热的热压缩器2，冷凝器3中的第二表冷器22将热能量用于供卫生热水，第一、二表冷器16、22所冷凝出来的水通过底部连通管道17流回到蒸发器1内。

所述高压喷水系统7是由设置在冷凝水热交换器8上方的通过管路、高压水泵5与真空筒体底部的循环水相连的喷头6组成。

进一步说，本发明由蒸发器1、由初加热的热压缩器2和高温加热的热压缩器2'组成的热压缩器、冷凝器3、屏蔽风机（加压风机）4组成的主体全部装置在一个相互联通的高真空的筒体内，由真空泵15抽真空，保持整个筒体均处于高度真空状态。

所述高压喷水系统7在制冷循环运行时高压喷水系统中的高压水泵5将蓄存在真空筒体底部的循环水抽出加压输送到喷头6处，喷头6由多个独立喷嘴均匀布置在蒸发器的上部。喷头6相当于传统压缩蒸汽式制冷机节流阀，在蒸发器内根据制冷量均匀配置，在冷凝水热交换器（蒸发器）8顶部喷成雾状，在高度真空的蒸发器内，细小的水滴在低温下蒸发，吸收汽化潜热。蒸发器内喷嘴喷发的水量远远大于蒸发的水量，大部分剩余下来得水滴因被吸收热量而降温，低温的水通过冷凝水热交换器（蒸发器）8将冷媒水降温后带至用户。

由水和水蒸汽热力性质可知，冷剂水蒸汽在低温下密度非常小，如按照传统的压缩式制冷机，则需要一个非常大体积的压缩机。为了更清楚说明问题，由水和水蒸汽热力性质图标查出（参考文献3：水和水蒸汽热力性质图表 中国电力出版社 1996 范仲元）。下列数据一台100万大卡的制冷机制冷过程。蒸发器内真空度0.001MPa，蒸发温度7℃，冷剂蒸汽密度137.8m³/kg。100万大卡制冷量需要1685kg/h水蒸发成冷剂水蒸汽。这些冷剂水蒸汽体积217365m³/h。如此大的冷剂蒸汽体积要压缩到80℃的冷凝温度水蒸气。水蒸气压力0.047MPa，密度3.4m³/kg，总体积5729m³/h。其中压力增加47倍，体积缩小41倍。传统的离心式压缩机。则需要一台5m直径的巨型离心机，其电机输入功率高达1200KW。

以分子自身为参考系描述冷剂水蒸汽的物理现象。冷剂水蒸汽为气态水分子，分子间相互引力小于动力。气态分子要排除地球引力场影响独立存在，必需有一个固体边界与空气隔离。分子以恒定的加速度运动。依相对性原理，独立存在的冷剂水蒸气与一个处于均匀的恒定引力场影响下的惯性系对于描述物理现象是等价的。我们可以将独立存在的水蒸汽视为一个引力场来描述其物理现象。在水蒸汽引力场内，冷剂水蒸气的温度、密度、压强收受到引力影响。引力可以是周边的压强或内部的热源。即可以用一个温度场来代替引力场。

冷剂水蒸气在一般高温下，由于汽化水分子自身的汽化潜热能较大，在冷剂水蒸气引力场内以热源作引力源，热源传递给汽化水分子热能提高其能级的热量，汽化水分子因提高能级增加分子动能量，但分子的所增加不能够达到汽化水分子在该温度场下的平衡只有增加汽化水分子密度以保持在该分子能级下的分子间的压力。因而当热源所形成的温度场在没有达到汽化水分子该温度下所具有能级的饱和密度即压力时，该温度场即成为引力场，吸引周边低于该温度能级的汽化水分子直到达饱和密度。换句话说热源提供的热能除满足引力场汽化水分子提高能级用去的热能外仍有多余的热能量。这部分热能量即为引力场的引力。吸引外部的汽化水分子进入直到热引力与汽化水分子自身的汽化潜热平衡，此时该引力场的水蒸汽处在饱和状态。冷剂水蒸气的这一特征与空气物质不一样。空气如以热源作引力源。空气接受热能后动力增加，排斥随之增加，压强增加将一部分气态分子排挤出外，物质密度减少。冷剂蒸汽引力场以热源作引力源，热能增加。温度增加的主要来源是引入更多的汽化水分子，引力热能增加，密度增加。水蒸气这一特征早已为学术界定论，在国际水蒸气性质图表上（参考文献3：水和水蒸汽热力性质图表 中国电力出版社 1996范仲元）非常详细的确定每一个温度下，水蒸气压强与热能量，密度的精确数值。水蒸气性质图表上可查知100万大卡制冷机1685kg/h，冷剂水蒸气由0.001MPa，7℃压缩到80℃0.047MPa所需要热能量。

7℃ 2514.41KJ/kg

80℃ 2643.75KJ/kg

（2643.75-2514.41）×1685=217991KJ=61KW

为了验证水蒸气性质本发明经过热压缩水蒸气实验证明在一定条件下，以热源作为冷剂水蒸气的引力源，可以将冷剂水蒸气从低温、低压状态浓缩到冷凝温度和密度。

本发明中所述热压缩器与蒸发器装置在同一高度真空的筒体内，热压缩根据压缩量（即加热的温度）分成多级，即如图1所示的初加热的热压缩器2（第一级）和高温加热的热压缩器2'（第二级）。按上述分析只要第一级热压缩器温度场高于蒸发器温度场，第二级热压缩器温度场温度高于第一级热压缩温度场温度，蒸发器内的冷剂水蒸汽就可以逐步的引入到第一、第二级热压缩器内。

每一级压缩器均由百叶档板和加热管束组成，百叶挡板起到隔离由冷剂蒸汽带入的细小水滴，同时阻隔加热管发射出的辐射热。其中初加热的热压缩器2（第一级）由加热管束9、中上部为百叶窗结构的百叶档板10的百叶窗部分组成。其中：中上部为百叶窗结构的百叶档板10的百叶窗部分的面积与蒸发器中冷凝水热交换器8面积相等，所以有足够大的空间引入蒸发器产生的密度极低的冷剂水蒸汽。初加热的热压缩器2的加热管束9由多根无缝钢管组成，钢管之间的空隙与加热管敷设形成一温度场，当温度场的能级与相应的水蒸气密度大于蒸发器冷剂水蒸汽的密度时，加热管束9所形成温度场对蒸发器中的冷剂水蒸汽即形成引力场，将冷剂蒸汽引入到加热管束9中的空隙内，冷剂水蒸汽的密度不断地加大，一直加热管束温度场相应的水蒸汽密度为止。加热管束9的热源由冷剂器内的表冷器16和辅助加热器18。通过管道联接与水泵19组成。一个封闭的加热系统，运行时表冷器16冷凝蒸汽吸收汽化潜热获得热量。再由辅助加热器18补充稳定加热系统的热水温度，保持加热管束9所形成温度场场稳定。

高温加热的热压缩器2'（第二级）由百叶档板12加热管束11组成。第二级加热系统由水泵21、高温加热源20、加热管束11组成。第二级加热系统所形成的温度场温度要高于第一级温度场温度达设定的冷凝温度。

冷凝蒸汽由蒸发器流入热压缩器的动力是来自热压缩器内形成的引力场。热压缩场与蒸发器均不需要运动件对冷凝蒸汽施加压力。同时冷剂蒸汽在热压缩器内密度增加即体积减小，所以第一级热压缩的体积小于蒸发器。第二级热压缩的体积小于第一级热压缩器体积。

由水和水蒸气热力性质了解到水蒸气中的汽化水分子在一定的温度场内分子的排斥力（动力）要小于引力场进入加热器内的汽化水分子。如没有大于引力场引力的外力不可能脱离引力场。为了将第二级加热器的水蒸气吸引出来送到冷凝器内必须设置第三极机械压缩式引力场。

图1中所示13是第三级压缩式引力场。与第一级、第二级相同均装置同一个高真空的筒体内。第三级压缩式引力场是利用外部机械方式传递给冷剂蒸汽中的汽化水分子动力，使之有足够的动量流过冷凝器中的表冷器。第三级压缩式引力场由通道14、屏蔽风机4组成。第三级压缩引力场负担非常小，由蒸发器产生的冷剂蒸汽经第一级、第二级热压缩后已达到冷凝温度和密度。如前例100万大卡制冷机冷剂蒸汽已压缩到80℃。冷剂水蒸汽压力0.0047MPa，密度3.4m³/kg,总体积5729m³/h。压缩引力场的屏蔽风机只需将5729m³/h，水蒸气提升0.0002MPa足以克服冷凝器中的表冷器阻力即可消耗电机功率约0.3千瓦。

冷剂蒸汽在高温加热的热压缩器2'内热压缩到冷凝温度后由屏蔽风机4抽出加压送到冷凝器3内。冷凝蒸汽通过冷凝器3内装置的第一、二表冷器16、22被冷却凝结成水落入底部，再由装置在底部的管道17流回蒸发器1的水池内。

Claims (1)

1.一种以水作制冷剂的压缩式制冷机，其特征在于：它包括通过中上部为百叶窗结构的百叶档板（10）、中下部设置有通道（14）的隔板分割成左、中、右三个腔体的真空筒体，在左腔体设置有由冷媒水与冷凝水热交换的冷凝水热交换器（8）和高压喷水系统（7）组合成的蒸发器（1），在中间腔体内设置有由上至下布置的由初加热的热压缩器（2）和高温加热的热压缩器（2'）组成的热压缩器，在初加热的热压缩器（2）和高温加热的热压缩器（2'）之间设置有百叶档板（12），在右腔体下部用于连通中间腔体的通道（14）口处设置有用于保持真空输送冷剂蒸汽的屏蔽风机（4），右腔体的上部为设置有第一表冷器（16）和第二表冷器22的冷凝器（3），冷凝器（3）底部设置有与屏蔽风机（4）相连通的进风口、以及通往左腔体下部的管道（17）；在真空筒体顶部设置有真空泵（15）；所述初加热的热压缩器（2）和高温加热的热压缩器（2'）均是由与热源相连的加热管束（9、11）组成；所述初加热的热压缩器(2)的加热管束（9）的一个管口通过管路、水泵（19）与表冷器（16）的一个管口相连，所述加热管束（9）的另一个管口通过管路、加热源（18）与表冷器（16）另一个管口相连，组成的一个封闭系统，主要利用表冷器（16）的回热热量；所述高温加热的热压缩器（2'）的加热管束（11）的进出管口之间通过管路、水泵（21）、加热源（20）相连接，组成的封闭系统；所述初加热的热压缩器（2）的加热源（18）、高温加热的热压缩器（2'）的加热源（20）可以为热水、蒸汽、燃气、电或太阳能中的任意一种热源；所述冷凝器（3）中的第一表冷器（16）所交换的热能量用于初加热的热压缩器（2），冷凝器（3）中的第二表冷器（22）将热能量用于供卫生热水，第一、二表冷器（16、22）所冷凝出来的水通过底部连通管道17流回到蒸发器（1）内；所述高压喷水系统（7）是由设置在冷凝水热交换器（8）上方的通过管路、高压水泵（5）与真空筒体底部的循环水相连的喷头（6）组成。