CN111503998B - 一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，包括冷水罐、热水罐、压缩机、连通管，冷水罐内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成冷水区和冷气区，热水罐内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成热水区和热气区，冷水罐罐体侧壁上设有第一接口，热水罐罐体侧壁上设有第二接口，连通管连接冷气区和热水罐罐内，连通管通路上设置从冷气区抽气并向热水罐压送的压缩机；冷水罐、热水罐、压缩机、连通管所有与装置周围大气接触的表面均设有绝热层。冷水罐还包括可沿其罐体内壁滑动的第一活塞，第一接口设置在第一活塞上；热水罐还包括可沿其罐体内壁滑动的第二活塞，第二接口设置在第二活塞上。

Description

一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置

技术领域

本发明涉及冷热水制取装置领域，具体是一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置。

背景技术

传统上，冷水和热水的制取都是分开进行的，热水通过燃气、电能直接加热的方式提供能量，而冷水的话，则需要通过类似冰箱的制冷循环进行冷水制取。

电加热消耗的能量直接是将水温升高所需要的能量，能量消耗大，而冰箱制冷循环中，又需要使用到例如氟利昂等制冷剂进行作业，虽然国际上已经签署条约限制氟利昂等损坏大气层的物质使用，但是，还是无法完全禁止掉，使用制冷剂进行制冷循环，都会或多或少带来环境危害。

在一些场合、情景中，需要获得冷水和热水，例如大型商场或者楼宇内，有的中央空调可以使用冷水进行整楼降温，同时，楼内人员也需要使用热水，如果能有一种清洁低消耗的方式同时制取冷水热水，那么不仅保护环境，也能大大减少能量消耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，包括冷水罐、热水罐、压缩机、连通管，冷水罐内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成冷水区和冷气区，热水罐内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成热水区和热气区，冷水罐罐体侧壁上设有第一接口，热水罐罐体侧壁上设有第二接口，连通管连接冷气区和热水罐罐内，连通管通路上设置从冷气区抽气并向热水罐压送的压缩机；冷水罐、热水罐、压缩机、连通管所有与装置周围大气接触的表面均设有绝热层。

进一步的，冷水罐还包括可沿其罐体内壁滑动的第一活塞，第一接口设置在第一活塞上；热水罐还包括可沿其罐体内壁滑动的第二活塞，第二接口设置在第二活塞上。

进一步的，压缩机为隔膜式容积泵。

进一步的，压缩机机头部分置于热水罐内且位于连通管的末端。

进一步的，压缩机包括泵头、进口、进口阀、出口阀和出口；

泵头包括内部的泵腔和设置在泵腔两侧的第一隘口和第二隘口，第一隘口朝向泵腔的一侧设置进口阀，进口阀包括阀球、弹簧和弹簧支架，弹簧支架从泵腔内壁延伸而出并在中间位置设置朝向第一隘口的弹簧，弹簧端部连接阀球并将阀球往第一隘口抵紧，第一隘口背离泵腔的一侧延伸而出作为进口，进口连接连通管；

第二隘口背离泵腔的一侧设置出口阀，出口阀具有与进口阀相同的结构且阀球往第二隘口抵紧，第二隘口背离泵腔的一侧再往外延伸而出作为出口，出口直连热水罐内部空间。

进一步的，连通管包括位于冷水罐内的盘管段，冷水罐内注水时，盘管段上端抵触第一活塞下表面，盘管段上紧邻第一活塞的端部侧面设有过流孔。

进一步的，盘管段外表还设有翅片。

进一步的，连通管还包括位于冷水罐和热水罐之间的软管段。

进一步的，软管段为金属嵌丝软管，软管段内外所能承受的压差至少为1个大气压。

作为优化，冷水罐和热水罐侧壁上带有刻度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过两个罐体建立与外界绝热隔离的两个区域，通过连通管和压缩机连接在一起，压缩机抽取制冷区域的水蒸气排往通往制热区域，制冷区域的温度直至降低至目标温度的饱和蒸气压，而冷水区的内能连同压缩机的做功能量全部转移至热水区成为其内能，从而只通过压缩机的运行就能获得低于室温的冷水和高于室温的热水，一体式制取，能量不散发往周围大气，压缩机只提供“搬运”热量所需要的能量，消耗很少，在一些同时需要冷水热水的场合或者情景下，节能环保。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的基础原理示意图；

图2为本发明注水时活塞所在位置以及冷水罐、热水罐状态示意图；

图3为图2中的视图A；

图4为本发明压缩机的结构示意图；

图5为本发明运行时活塞所在位置以及冷水罐、热水罐状态示意图。

图中：1-冷水罐、101-冷水区、102-冷气区、11-第一接口、12-第一活塞、2-热水罐、201-热水区、202-热气区、21-第二接口、22-第二活塞、3-压缩机、30-泵头、301-泵腔、302-第一隘口、303-第二隘口、31-进口、32-进口阀、321-阀球、322-弹簧、323-弹簧支架、33-出口阀、34-出口、4-连通管、41-盘管段、411-过流孔、42-软管段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，包括冷水罐1、热水罐2、压缩机3、连通管4，冷水罐1内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成冷水区101和冷气区102，热水罐2内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成热水区201和热气区202，冷水罐1罐体侧壁上设有第一接口11，热水罐2罐体侧壁上设有第二接口21，连通管4连接冷气区102和热水罐2罐内，连通管4通路上设置从冷气区102抽气并向热水罐2压送的压缩机3；冷水罐1、热水罐2、压缩机3、连通管4所有与装置周围大气接触的表面均设有绝热层。

冷水罐1内分隔出的两个区域冷水区101、冷气区102中，冷水区101就是用于存放待制取的冷水所在的区域，同理，热水区201是存放待制取热水所在的区域，冷气区102提前抽空使得该区域只存留水蒸气，热气区同理，空气被抽送走只存留水蒸气。

水在不同温度下具有不同的饱和蒸气压，0℃水饱和蒸汽压为0.61kPa，20℃水饱和蒸气压为2.34kPa，30℃为4.25kPa，40℃为7.38kPa，以5℃、0.87kPa为例，简而言之饱和蒸气压就是：封闭空间内，5℃的水上方空间区域的水蒸气分压如果低于0.87kPa，那么就会有一部分水汽化提高上方空间水蒸气分压，如果上方空间全部是水蒸气，那么水蒸气分压就等于上方空间压力。结合水汽化过程需要吸热，虽然汽化热随水温不同而有所变化，但是变化不大，本申请在后续分析时，在0~60℃范围内取2400kJ/kg的近似值，后续分析还需要用到的一个参数是比热容，在0~60 ℃附近近似取4.2kJ/（kg*℃），

考虑初始时冷水区101和热水区201内都是20℃的室温水，因为冷气区102和热气区202内只存留水蒸气，所以，水气平衡后，存留2.34kPa的水蒸气，然后，通过压缩机抽取冷气区102内的水蒸气送往热水罐2内，冷气区102内气压降低，冷水区101表面的水汽化进行弥补，汽化吸热这部分热量吸取自冷水区101内的水体，汽化吸热过程使得冷水区101内水温降低，冷气区102内重新建立起的饱和蒸气压低于2.34kPa，通过在冷水罐1侧壁设置压力传感器检测冷气区102内的压力，在压力没有降低到指定压力时，持续地对冷气区102进行抽气，直至到达指定压力，然后压缩机3停机，这个指定压力对应所需要的目标冷水的压力，例如，期望获得0℃的冷水，则设置截止压力为0.61kPa，冷水区101水温尚未达到0℃时，会持续的有水体蒸发而让冷气区102的压力高于0.61kPa，直至水汽化带走了足够的内能使得冷水区101的水体降温至0℃，此时冷气区在0.61kPa下建立的饱和蒸汽平衡，压力传感器检测到压力，然后压缩机停机。

因为装置与大气接触的表面设置了绝热层，所以，冷水区101温度的降低所丢失的热量只能传递到热水罐2内，顺带着还有压缩机做功所赋予的能量都用于热水罐2内水体的温度升高。

设冷水区101和热水区201都是1L水，冷气区102和热气区202都存留0.5L空间来容纳蒸汽；

考察冷水区101水体所丢失的能量：

W=c*m*Δt=4.2kJ/（kg*℃）*1kg*20℃=84kJ。

忽略压缩机的做功、并先行认为从冷水区101蒸发出来并带出汽化热的水蒸气在经历压缩机3后全部液化放出汽化热，则热水区201的升温等于冷水区101的降温，即热水区201温度到达40℃，

为了验证“从冷水区101蒸发出来并带出汽化热的水蒸气在经历压缩机3后全部液化放出汽化热”这一假设，我们考察84kJ所能蒸发出的水的质量：

m从冷水罐转移到热水罐的水的质量=84kJ/（2400kJ/kg） =0.035kg，

换为物质的量就是：0.035kg*1000/18g/mol约等于1.94mol，而0.5L的空间不可能容纳2mol水蒸气，因为水蒸气饱和蒸气压和温度之间不是简单函数关系，所以不能直接求得最终有多少mol的水蒸气在热气区建立了多大的压力区域，只能通过迭代的方式逼近实际值：

根据理想气体状态方程，原先存留在热气区202的水蒸气摩尔量为：2.34*10^3*0.5*10^-3/8.314/293=4.8*10^-4mol，

假设从冷水罐1过来的蒸汽只有部分液化释放汽化热来加热热水区201水至30℃，其上方热气区202的压力在4.25kPa建立平衡，此区间所能包含的水蒸气摩尔量为：4.25*10^3*0.5*10^-3/8.314/303=8.4*10^-4mol，也就是说，相比于1.94mol而言，热气区202所能容纳的水蒸气是微乎其微的，所以，绝大部分从冷水罐1转移到热水罐2的水蒸气实际上都是液化放热的，放出约84kJ的热量加热热水区201的水至40℃，前述假设是成立的。

实际上，冷气区102和热气区202的大小对于热量转移影响不大，冷气区102的大小影响单周期内冷气区102的水蒸气转移量，而热气区202只有扩大至热水区201的1000倍以上时，才能在数量级上出现从冷水罐1转移过来的水蒸气大部分不液化而不放出汽化热的情况。

可以预见的是，冷水区101的温度可以通过冷气区102的压力较为精准的调节，而受到计算误差的限制和不方便计算压缩机3做功的能量增加，无法准确获得热水区的温度，但是，以上述近似计算方法计算获得的热水区201温度与实际获得温度通过实验测定发现误差在2℃以内，绝热层做的较好，则热水区201最终温度较高。

如图2所示，冷水罐1还包括可沿其罐体内壁滑动的第一活塞12，第一接口11设置在第一活塞12上；热水罐2还包括可沿其罐体内壁滑动的第二活塞22，第二接口21设置在第二活塞22上。

第一活塞12和第二活塞22的设置并将第一接口11设置在第一活塞12上、第二接口21设置在第二活塞22上可以充分排尽冷水罐1和热水罐2内的空气，如图2所示，将第一活塞12和第二活塞22分别推送到一定位置，然后通过第一接口11往内注水，水体弥漫开来，从第一接口11处排出冷水罐1内的所有空间空气，从第二接口21处排出热水罐2内所有空间的空气，连通管4和压缩机3内的空气视高低位置分别浮往冷水罐1或热水罐2，注水完毕后成为图2所示的状态，之后，第一接口11和第二接口12通过阀门或者开关的方式封闭，然后将第一活塞11、第二活塞22拉动，在冷水区101上方建立冷气区102，在热水区201上方建立热气区202，成为图5状态，图5下热水罐2进行了上下翻转，在后续分析压缩机3时会阐述翻转目的，如此建立的冷气区102和热气区202可以确保区域内只存留水蒸气，保证在注水过程全部排出装置内空气。

实际上，装置内存留空气的话，只会影响做功时间，因为空气占据了冷气区101的部分空间，所以，同一时间周期内，压缩机3只能从冷气区抽取较少摩尔量的水蒸气，增长冷热水制取时间。

装置内空气的排出还可以通过水蒸气吹扫的方式，即不设置活塞结构，而是在图1结构下，注水完成后，通过第一接口11吹入大量水蒸气，让装置内空余空间的原始空气从第二接口21排出。

如图2、4所示，压缩机3为隔膜式容积泵。隔膜式容积泵可以针对水汽混合物进行压缩转移，常见的例如螺杆泵、爪型泵不太适合含水汽的介质输送，而且，不方便排出泵内空间的空气，隔膜泵可以通过加压注水的方式的排出泵内空气。

如图2所示，压缩机3机头部分置于热水罐2内且位于连通管4的末端，压缩机3做功轴从热水罐2侧壁贯穿延伸而出，贯穿位置设置动密封，这样电机就置于水体外，也可以是压缩机的动力源也置于热水罐内，但这样的话，电机的密封性要进行可靠设计。从冷水罐1转移至热水罐2的水蒸气在压缩机3内进行的压缩，大量的液化热也是在这里进行释放，加热压缩机3机头，而压缩机3又不能连续升温过高，所以，将压缩机3机头部分置于热水罐2内，将机头壁面上的热量直接通过热传导的方式传递给热水区201水体。

如图4所示，压缩机3包括泵头30、进口31、进口阀32、出口阀33和出口34；

泵头30包括内部的泵腔301和设置在泵腔301两侧的第一隘口302和第二隘口303，第一隘口302朝向泵腔301的一侧设置进口阀32，进口阀32包括阀球321、弹簧322和弹簧支架323，弹簧支架323从泵腔301内壁延伸而出并在中间位置设置朝向第一隘口302的弹簧322，弹簧322端部连接阀球321并将阀球321往第一隘口302抵紧，第一隘口302背离泵腔301的一侧延伸而出作为进口31，进口31连接连通管4；

第二隘口303背离泵腔301的一侧设置出口阀33，出口阀33具有与进口阀32相同的结构且阀球往第二隘口303抵紧，第二隘口303背离泵腔301的一侧再往外延伸而出作为出口34，出口34直连热水罐2内部空间。

连通管4还包括位于冷水罐1和热水罐2之间的软管段42。

进口阀32和出口阀33是一个单向阀，根据隔膜做功的不同周期，启闭不同的阀门，实现气体输送，如图2所示，初始化注水时，应当使得进口31在下，而出口34在上，这样的放置方式，可以通过第一接口11压力注水的方式，将装置内的空气（包括隔膜泵内的空气全部排尽），压力注水时，水体依次流过第一接口11、冷水区101、连通管4、进口31、进口阀32、泵腔301、出口阀33、出口34、热水区201、第二接口21，进口阀32、出口阀33通过注水压力顶开，这一注水路径上，不存在向上隆起的“穹顶”结构，即不存在空气死角，全部注水完毕后，关闭第一接口11和第二接口21，然后拉动活塞，构造冷气区102和热气区202，应当注意的时，在运行时，应当将出口34在下而进口31在上，因为水蒸气在泵腔301内压缩时会液化为水，如果出口34保持在上，那么泵腔301内的液化形成的水无法及时排出，影响下一周期的吸气过程，进口31和出口34倒置，可以通过整体倒置热水罐2的方式，倒置后如图5所示，出口34在下，泵腔内出现液化水后，积聚在泵腔301下部，能在隔膜的这一压缩周期内直接排往热水区201。软管段42可以方便热水罐2倒置时，保持连通管4的连通。

如图2、3所示，连通管4包括位于冷水罐1内的盘管段41，冷水罐1内注水时，盘管段41上端抵触第一活塞12下表面，盘管段41上紧邻第一活塞12的端部侧面设有过流孔411。

冷气区102内水蒸气被抽走后，与冷气区102接触的冷水区101表面水体汽化成为水蒸气构件饱和平衡，蒸发的是表层水，所以，汽化热的吸收也是从表面附近的水体吸收的，初始降温发生在这一位置，连同重新建立饱和平衡的冷气区102水蒸气温度逐渐变低，虽然水具有导热性，但是导热系数并不是很高，所以，可能出现下层水温尚高而表层水体温度较低的情况，比方初始是均匀20℃，经历一定装置作业后，上层水体降温至5℃，而下层水体还只降温到10℃，为了克服水温不均匀的问题，通过将从冷气区102抽送的水蒸气通过盘管41引流穿过冷水区101下层水体，让较低温5℃的水蒸气冷却下层10℃的水体，使得冷水区101水温均匀，为了使得冷水区101温度更加均匀地下降，可以在冷水罐1外部设置一个震动台，在压缩机3运行时，轻微振动冷水罐1使得冷水区101传热加快。过流孔411是初始化注水时候冷水区101往盘管41内流动的通道，第一活塞12初始时也是下移至与盘管41顶端接触的位置，隔膜泵开机一段时间后，首先会抽送连通管4、隔膜泵泵腔内、以及冷水区101没过过流孔411的表层水，全部排往热水区201后，即进行正式的冷热水制取。

盘管段41外表还设有翅片。翅片帮助热交换。

软管段42为金属嵌丝软管，软管段42内外所能承受的压差至少为1个大气压。软管段42为了方便热水罐2倒置，需要保持柔性，但是，软管段42内最低的气体压力是目标冷水温度的饱和蒸气压，例如0℃时候的0.61kPa，软管段42外部是被柔性隔热层隔开的大气压，所以，为了不至于管道被压扁，需要使用嵌丝金属软管来具备抵抗内外压差的能力，1个大气压的压力承受值可以对应极低的饱和蒸汽温度。

冷水罐1和热水罐2侧壁上带有刻度。刻度显示出活塞在一定位置下，热水罐、冷水罐内的空间大小，使用时将第一活塞12和第二活塞22推动到一定位置上，然后进行注水过程，这样可以设定冷水罐1和热水罐2内的注水体积比，当然，应当将连通管4和压缩机3内空间的水体全部算在热水罐2的水体体积内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述冷热水一体制取装置包括冷水罐(1)、热水罐(2)、压缩机(3)、连通管(4)，所述冷水罐(1)内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成冷水区(101)和冷气区(102)，所述热水罐(2)内部充水并在水体上部留出空置空间分别构成热水区(201)和热气区(202)，所述冷水罐(1)罐体侧壁上设有第一接口(11)，所述热水罐(2)罐体侧壁上设有第二接口(21)，所述连通管(4)连接冷气区(102)和热水罐(2)罐内，连通管(4)通路上设置从冷气区(102)抽气并向热水罐(2)压送的压缩机(3)；所述冷水罐(1)、热水罐(2)、压缩机(3)、连通管(4)所有与装置周围大气接触的表面均设有绝热层；

所述冷水罐(1)还包括可沿其罐体内壁滑动的第一活塞(12)，所述第一接口(11)设置在第一活塞(12)上；所述热水罐(2)还包括可沿其罐体内壁滑动的第二活塞(22)，所述第二接口(21)设置在第二活塞(22)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述压缩机(3)为隔膜式容积泵。

3.根据权利要求2所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述压缩机(3)机头部分置于热水罐(2)内且位于连通管(4)的末端。

4.根据权利要求2所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述压缩机(3)包括泵头(30)、进口(31)、进口阀(32)、出口阀(33)和出口(34)；

所述泵头(30)包括内部的泵腔(301)和设置在泵腔(301)两侧的第一隘口(302)和第二隘口(303)，所述第一隘口(302)朝向泵腔(301)的一侧设置进口阀(32)，所述进口阀(32)包括阀球(321)、弹簧(322)和弹簧支架(323)，所述弹簧支架(323)从泵腔(301)内壁延伸而出并在中间位置设置朝向第一隘口(302)的弹簧(322)，所述弹簧(322)端部连接阀球(321)并将阀球(321)往第一隘口(302)抵紧，所述第一隘口(302)背离泵腔(301)的一侧延伸而出作为进口(31)，所述进口(31)连接连通管(4)；

所述第二隘口(303)背离泵腔(301)的一侧设置出口阀(33)，所述出口阀(33)具有与进口阀(32)相同的结构且阀球往第二隘口(303)抵紧，所述第二隘口(303)背离泵腔(301)的一侧再往外延伸而出作为出口(34)，所述出口(34)直连热水罐(2)内部空间。

5.根据权利要求1所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述连通管(4)包括位于冷水罐(1)内的盘管段(41)，冷水罐(1)内注水时，所述盘管段(41)上端抵触第一活塞(12)下表面，盘管段(41)上紧邻第一活塞(12)的端部侧面设有过流孔(411)。

6.根据权利要求5所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述盘管段(41)外表还设有翅片。

7.根据权利要求4所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述连通管(4)还包括位于冷水罐(1)和热水罐(2)之间的软管段(42)。

8.根据权利要求7所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述软管段(42)为金属嵌丝软管，软管段(42)内外所能承受的压差至少为1个大气压。

9.根据权利要求1所述的一种基于压缩机原理的冷热水一体制取装置，其特征在于：所述冷水罐(1)和热水罐(2)侧壁上带有刻度。

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