CN1137094A - 开循环空气压缩式或膨胀式制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内燃机和内冷机的逆开循环热机，在很多领域它们有最高的制冷系数和能效比。除极低温区外，其工质空气的成本为0，而且还不污染大气。除基本构造外，还介绍了许多可供灵活选用的辅助技术，使之不但可在冰箱、冷库、空调、热泵等普通制冷设备中应用，还可为超导及空分技术打下良好的基础。它们的生产技术简便，制作材料易得且价廉，更便于维修，这将使其占据很重要的地位，值得认真开发。

Description

开循环空气压缩式或膨胀制冷机

本发明涉及利用空气(或其它气体)作工质的开放循环的空气压缩式或膨胀式制冷机，它们都有相应的正循环。若结合各种回热方式，它们的应用会更灵活或更有效；这里所说的回热方式，也可以与其他循环相结合。

以往出现过闭循环的空气压缩式制冷机，(请参考《工程热力学》P177-179，中国建筑工业出版1979年版；有关材料不再重复；下文中简称其为“闭空压制冷机”。)和其他逆闭循环一样它也有两个热换壁、四个换热界膜；但因空气的热容量小、导热性能差使其高低温温差大，制冷系数很低。又因为缺乏某些圆热，使一些重要的性能如：除湿性能难以提高，此外，以往还未见过空气膨胀式制冷机，以及与其相应的正循环“冷”机；这就减少了一种可供选择的应用方式。

本发明的目的，主要是提供一种逆开循环热机。

本发明的目的是这样实现的：

1、如果把闭空压制冷机的冷室换热器摘掉，令此端与冷室沟通，以便让气体工质直接从低温热源吸热，在冷却器一端就会出现高气压，这就构成了开循环空气压缩式制冷机(以下简称为“开空压制冷机”)的基本形式。其正循环类似于燃气轮机。

2、如果把闭空压制冷机的冷却器摘掉，令此端与大气沟通，以便直接对大气放热，在冷室换热器一端就会出与低于大气压的压强，这就构成了开循环膨胀式制冷机(以下简称为“开空膨制冷机”)的基本形式，其正循环就是“冷”气轮机-它吸入热空气，对冷水放热来输出动力。

上述两种类型的制冷机其主要换热器只有一个，其换热器壁为一个，换热界膜只有两个，由此而产生的温差损失最小，如果适度增大循环气体的流量，∵T1’、T4、↑，T2、T4↓，∴它们的制冷数或能效比要比任何一种闭循环更高，蒸发器、冷凝器都与液体换热者除外。因为它们很容易放热，所以也可以当作高效率的热泵，又因为使用了开循环，对空气中含有的水蒸气、尘土及噪声等问题，往往需根据要求来解决。

下面将结合附图来对本发明进行较详细地说明。

图1、开循环空气压缩式制冷机的基本构造；(a-工作原理图；b-T-S图)。

图2、a，b可提高除湿效果的回热器。

图3、可降低压缩-膨胀比的回热器。

图4、双喷淋换热器。

图5、容积型膨胀机的排水装置。

图6、膨胀机、凝水器的化霜措施。

图7、开循环空气膨胀式制冷机的一种形式。

参照图1a和《工程热力学》P177的图9-1相比，本图的主要特点就是未装冷室换热器；所谓冷室，可以是普通空调房间、车厢、船舱、冰箱等。其工作原理是：冷室内温度为T1的空气经压缩机1后，温度上升为T2；经冷却器2放热温度降为T3；趋动膨胀机3后，温度降到T4，又返回4。本图是基本原理图未标空气过滤器、消声器、凝水器及化霜措施等部件。

参照图1b，本循环(开空膨制冷机与本循环类似，故省略)消耗的外界功量(面积12341)<逆卡诺闭循环(面积12341)<闭空压制冷循环(面积12341)，而其制冷能力却最大，所以其制冷系数最高。

参照图2a，普通空调机降温(显热)能力强，而除湿(潜热)能力弱，这不但使外界输入冷室的热量(显热)增大，而且会让很多人感到阴冷、潮闷。本图的回热方式可使更多的制冷能力用于除湿(潜热)，而气温并不过低，但有效温度(ET：Effective Temdevatuve)适宜，最终得到一种使大多数人感到十分舒适的、类似秋高气爽的环境；因外界输入冷室的热量减少、消失或可向外界输出热量，从而大幅度地降低功耗。在冬季本图可向室内输入湿热空气，当EF相等时可减少居室的热损失，人也会很舒适，此时应将冷热两端对调。

本图空气的流通途径是：冷室4内温度T1的空气→滤清器1a(容积型如活塞式压缩、膨胀机中往往不可缺少以免灰尘磨损；速度型-如透平式压缩、膨胀机中通常可省去，以减少压力损失)。→消声器1b(它也可与1a共腔，若对噪声无要求也可省去，以减少压力损失。)→压缩机1，升温至T2→冷却器2(水冷最好；但在缺水场合，使用风冷也可以。)降温至T3→转换阀2b→回热器2a再降温→膨胀机3，降温至T4273K→凝水器3a(其内置有接触面积很大，用易浸润或亲水材料制成的丝、网、板状物，作为水的凝结核。)→回热器2a，使升温→消声3b(若噪声大，也可省去)→冷室4；当T4＝273K有使冷凝水结冰的趋势时，调整2b或者2c的开度，避免结冰；若不使用2b、2c，改变压缩、膨胀机的转速也可避免结冰，但这不便于调整消除显热、潜热的比例。膨胀机3、凝水器3a及回热器2a流出的冷凝水最好不要丢弃，把它送至冷却器2将有助于提高能效比。

参照图2b：显然与图2b相似的回热器及其方式，也可以用于闭循环空调机，这可使流经蒸发器的空气流量大为增加，空气的温度变化不大，而湿度大为降低。图中，在普通空调机1-4(压缩机1，冷凝器2，毛细管或膨胀阀3，蒸发器4。)前串入了回热器5、转换阀6，它们使出、入冷室7的空气更容易变干燥。

参照图3，若压缩、膨胀机的压缩、膨胀比不够大，或高、低温热源温差太大，可在主换热器(冷却器)2之后串入辅换热器(或称回热器)2a、其工作方式是：冷室4、消声器1a流来的冷空气经换热器2a预热，再送入压缩机1，冷却器2，温度仍罚高的空气再以2a放热降温，去驱动膨胀机3，温度将降到比1a流入的空气更低的的程度，又经凝水器3a、消声器3b返回4。采用上述措施后，可使制冷机在极宽的温区内获得适宜的温度。在极低温区：

1、若使用氢、氦等气体做工质，为避免工质外溢和空气的渗入，可令冷室4与外界隔绝(低温热源置于其内)，此时应让4与一软式储气袋连通，当制冷机停止气体膨胀时多余气体进入气袋，制冷机工作时气体返回。

2、若气体出现液化，膨胀机也可改由水轮机一类的动力机代潜；此时本图与<近似可逆循环热机及其应用>中的图1b十分相似，(见中国专利局(11)公开号CN1061461A，(51INT，CI5)，F01K7/00，公开日1992年5月27日)，区分仅在于将低温热源置于工质之内或外。

参照图4，和空气冷却相比，喷淋水不但可以简化构造，而且可以借助众多的水滴获得很大的换热面积。本图给出了在冷却器内、外都使用喷淋水来传导热量的方式，故名为双喷淋。其工作方式是：令压缩机1送来的热空气在冷却器2内放热，再送至膨胀机3做功，1a、2a、3b、4的含义同图2a、图3，不再详述；冷却水经喷头2a喷淋、吸热后降到2的底部，大部分的水经管道2d进入喷头2e，若2底部水位过高浮子阀2b开启，将过多的水送入喷头2c，2c、2e喷淋的水落入水盘2f，又被泵2g压入2a。2g提供的压强与2内的气压加上2a的阻力相匹配，2c、2e又借助2内的压强来喷水。

参照图5，如果工作温度较低，可能会在膨胀机内凝水；对容积型如：活塞式膨胀机而言，汽缸内积存太多的水将是不利的。对应的措施有：1、采用非浸润或不亲水的材料制作膨胀机。2、利用冷却器的余热来加热缸筒、汽缸盖等部件，此种加热方式与图2a所述的回热方式有些相似。3、令膨胀机内的积水能自动流向某一地段，并将其引出汽缸外，但又不影响膨胀机的工作。本图借助子阀来排水。图中膨胀机的缸筒呈水平放置，缸筒下方靠近缸盖的部位开有出水孔、管4，当3大部或接近全部水淹没时，3浮起并将水经4排出。

对速度型膨胀机而言，排水方法有时与本图相似，但大多数情况更为简单，本文不再详述。

参照图6，如果工作温度更低，如在冰箱等设备中，膨胀机及凝水器中还可能出现冰霜。对小型非连续工作的设备而言，可利用制冷机停止工作的间歇，把冷却器的废余热通入膨胀机、凝水器来化冰，可借助阀门、热管及蓄热技术来达到这一目的。对大型、需连续工作的制冷机而言，可设置两套膨胀机、凝水器；这两套膨胀机、凝水器处于一套工作另一套化冰的状态，化冰的热量可取自冷却器的余热。本图给出了连续工作制冷机的一种结构，工作状况是：转换阀2b处于令膨胀机3、凝水器3b开启状态；转换阀3b输出的低温载热液体，送往停止状态的膨胀机3、凝水器3a去化冰；当3、3a化冰完毕后，可令其开启，并令3、3a进入化冰状态；冰化成的水也可送至冷却器2(图中未标)。还可设置几套制冷机，利用冷却器(可共用)的余热给停歇的机组除冰，原理同前，图纸省略。若冷却器末端温度太低难于化冰，可将取热装置在冷却器内前移，为此应设阀门来改变取热的途径；当所获热量仍不足以化冰时，则须从外界补入热量，但这会影响制冷能力，通常应尽量避免使用。

参照图7，前面所述的制冷机是用冷室内的气体来作工质，但对使用冷冻水、冷冻液来作导热介质的制冷系统，这就不太方便，此时应使用一种利用户外空气作工质的制冷机：本图相当于摘掉了冷却器的″闭″空压制冷机，这就构成了开空膨式制冷机。其工作过程是：温度为T3的外界空气驱动膨胀机3，降温至T4，在换热器2内吸热升温至T1，被压缩机1排放外界时，温度上升到T2。

补充：

1.为避免玷污凝水器中的凝结核，选用无油或少油润滑技术的容积型压缩、膨胀机将是有益的。

2.在未达到预定工况之前，尤其在具有回热措施的制冷机中，常出现压缩、膨胀比失调的现象，为些应设计出压缩比或膨胀比可按要求而调整的压缩机或膨胀机。

3.因为用膨胀机取代了节流阀(或称膨胀阀)，开空压制冷机可用于高效率的空分机。

4.开空膨胀式制冷机可用于低温低压、干燥设备中，此时应将欲干燥的物料置于密闭的冷室中，在膨胀机和冷室之间串入凝水器；如果冷空气温度过低，可令压缩机流出的热气体，经过换热器对冷室中的物料或气体放热，多余热量直接或间接排放到大气。此时本制冷机仍是开循环的，因为：a、物料与工质气体直接接触；b、即使高压端不与大气沟通，而通过换热器，但换热器壁也只有一个。开空压制冷机可用于常温(或高于常温)，常压干燥设备中，此时令冷却器对物料及干冷气体放热，从凝水器中将水或其它液体排放掉。

5.当使用轴流风机这类多级串联压缩机及膨胀机时，不但可以实现绝热压缩+等温压缩，而且可以实现绝热膨胀+介乎于绝热膨胀和等温膨胀之间的一种逐步降温膨胀；这种膨胀是让温度较高的冷冻液(或其它导热介质)先在中间级膨胀机中放热，再逐步后移到未级放热，从而增加了膨胀功、降低了压缩功。

总结：本发明公开了循环空气压缩和膨胀式制冷机的基本构思以及与之结合的消声、除尘、凝水、排水、化冰等多种回热方式等措施，实际应用时可将其灵活的组合，凡由此派生的实例，均应视为本发明之范筹，特此声明。

Claims (13)

1.利用空气或其它气体作工质的逆半开循环热机，它们和闭循环的空气压缩式制冷机有些相似，其特征是：把闭循环的空气压缩式制冷机的冷室换热器摘掉，令此端与冷室沟通，实现了半开放循环，其主换热器只剩下一个冷却器，冷却器内气体的压强高于冷室端气体的压强。

2.根据权利要求1所述装置，在对噪声要求较严格的场合，其特征是：在制冷机的进、排气端，串入消声装置。

3.根据权利要求1所述装置，若使用具有摩擦付的压缩机和膨胀机，其特征是：可在制冷机的进气端串入空气或气体滤清器。

4.根据权利要求1所述装置，为使水或其它液体成分凝结出来，其特征是：在膨胀机后串入凝水器，其内装有接触面积很大的丝状或网状，板状的工人凝结核。

5.根据权利要求1所述装置，为排除容积型膨胀机内的凝结水，其特征是：在膨胀机内的适宜位置开有排水孔，该孔通入浮子阀，利用阀内水位来启闭出水通道。

6.根据权利要求1所述装置，其特征是：利用冷却器的废余热来熔化膨胀机，凝水器等处的冰霜。

7.根据权利要求1所述装置，在断续工作的制冷机中，其特征是：利用蓄热器来储存冷却器的废余热，借助热管适时的把废余热导入需熔化冰霜的部位，例如：膨胀机、凝水器等处。

8.根据权利要求1所述装置，在需要连续制冷的场合，其特征是：利用工作中的冷却器的废余热去熔化停歇状态的膨胀机、凝水器等处的冰霜。

9.根据权利要求1所述装置，为了使大部分制冷能力用于除湿，其特征是：令凝水器排出的冷空气或其它气体，通过回热器使进入膨胀机的热空气或其它气体降温，从而使较多的制冷能力用于除湿。

10.根据权利要求1所述装置，可以降低压缩比和膨胀比的措施，其特征是：通过回热器使进入压缩机的气体与进入膨胀机的气体进行换热。

11.和闭循环空气压缩式制冷机相似的开循环空气膨胀式制冷机，其特征是：把闭循环制冷机的冷却器搞掉，令此端与外界沟通，其主换热器只剩下一个冷室换热器。

12.根据权利要求1所述装置，在常压干燥设备中，其特征是：令冷却器对凝水器排出的冷空气或欲干燥的物料进行加热。

13、介乎于绝热膨胀和等温膨胀之间的一种膨胀方式，其特征是：令温度较高的冷冻水或其它导热介质，先在多级串联膨胀机的前几级放热，然后逐级向后直至末级放热。

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