CN1138159A - 全开放逆循环热机的原理及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了使用空气作工质的全开放逆循环热机的基本原理，以及提高其效率及应用范围的措施。它将改变在制冷、泵热领域内，闭循环优于开循环的认识。在飞机密封舱、冷冻—保温、冰箱，空气分离等场合，本发明所述的热机，将以高效率、长寿命、易维护、低成本、低污染等优势占据广泛的市场，值得努力开发。

Description

全开放逆循环热机的原理及应用

本发明涉及用空气作工质的全开放逆循环热机，可用于制冷、供热或空气分离，其正循环对应于燃气轮机。

虽然半开循环空气压缩式制冷机(见中国专利局申请号：95105353.1《开循环空气压缩或膨胀式制冷机》)比闭循环制冷机的换热界膜减少了一半，但还有两个，这仍会产生温差损失，使制冷机及热泵的效率难于达到它们可能达到的顶峰。

本发明的目的，主要是提供没有主换热器(指冷室换热器和冷却器，各种回热器及蓄热器除外。)的全开放逆循环热机的基本原理、应用方法及提高其效率的有关措施。

本发明的目的是这样实现的：

把空气压缩式制冷机(见《工程热力学》P177-179，中国建筑工业出版社1979年版)的冷室换热器和冷却器全部摘掉，当冷却端通向大气、冷室端通向一个可以密闭的空腔中时，腔内出现低气压、低气温，这就构成了制冷机；当冷室端通向大气、冷却端通向一个可以密闭的空腔中时，腔内出现高气压、高气温，这就构成了热泵；用几个转换阀使热机的冷却端、冷室端对调，就可使用同一热机完成制冷和泵热这两种功能；所谓空腔，可以是飞机的密封舱、冷冻--保温车箱及冰箱等设备。因为没有主换热器及其带来的温差损失，如果适度增加循环空气的流量，空气载热能力差的缺陷也被克服了，其制冷系数或能效比将比任何一种闭循环更高。

因为使用了开放循环，针对由此而产生的问题，可采取对应措施，如：

1.噪声，在要求严格的场合，可在相关部位串入消声器，或采用其它方法使之削弱。

2、灰尘，如果压缩机、膨胀机不耐磨，或不希望腔内空气有太多的灰尘，可在相关部位串入空气滤清器。

3、冷凝水，出现冷凝水将会降低制冷机的部分制冷能力，但把这部分水甚至更多的补给水送到压缩机去设法降温，又会提高制冷机的制冷能力；容积型膨胀机的排水法，请参考《开循环空气压缩式或膨胀式制冷机》一文。

4、结冰霜，常用的电热化冰法并不理想，后文将专门介绍更好的化冰法。

以下将结合附图进行说明：

图1、制冷机；

图2、热泵；

图3、低压强差的回热器；

图4、高除湿效果的回热器；

图5a、单向导热的热管；

图5b、利用热管实现合适的等温压缩；

图6a、b、化霜蓄热装置。

参照图1，腔外空气驱动膨胀机3后，空气中部分水蒸气进入过饱和状态，让它们先通过凝水器2a，借助2a内的人工凝结核(人工凝结核可用与空气有较大接触面积的丝、絮、网或其它形状的物体构成，其材料最好是易浸润或亲水性的)使水凝结；再送往空腔2，与其内空气混合、吸热，吸热后的混合空气又被压缩机1排放到大气，气压上升、气温提高。

参照图2，假如空腔是在高空飞行的飞机，压缩机1把舱外的低压冷空气压入机舱2内，气温、气压上升，放热后的混合气驱动膨胀机3后返回舱外，这可能在3及其附近出现冰霜，需使用少量热量使之熔化。

小结：综合图1、2，它们以极低的能耗、重量和体积，可完成机舱内的制冷、供热、换气、维持适当的气压等多项功能。如果车辆、房屋或床也能采取密封措施，那么其用途也会更广泛。

参照图3，如果腔内、外的压强差太大，当热机停止时，会使空气大量的进入或排出空腔，或因压缩机、膨胀机无法提供足够的压强差，这时必需采取回热措施。图中，换热器4使进入膨胀机3的空气预冷，又使进入压缩机1的空气预热，从而可以用较低的压强差，使2获得必要的低温；反之，如果向2供热，借助转换阀，4也可发挥相同的功效。

参照图4，更好的空调方式，在夏季是向空腔2提供干爽的空气，这可以充分发挥人体蒸发水份，自行调节适宜的体温的生理特性，此时尽管湿度计的干球温度较高，但有效温度ET(Effective)却较低，这将大幅度的减少外界输入腔内的热量，甚至可以使腔内热量向外输出，从而获得最高的节能效果。

在冬季，令热机向腔内泵热，同进向腔内蒸发水份，可以用较低的干球温度，获得较高的有效温度ET，这既可以让人感到温暖舒适，又可减少热损失。

图中，回热器4进入膨胀机3的空气预冷，(此时可能有部分水在4内凝结出来。)又使凝水器2a送入空腔2的空气回热，从而用很少的制冷能力把更多的水份凝结出来。当冷凝水有结冰的倾向时，调节换向阀5、改变回热量、避免3、2及附近部位结冰。冬季供热时，4可使更多的水份凝结，将冷凝水送到压缩机1的气流通道内蒸发，最终让腔2维持较高的湿度。

参照图5a，在管状或其它形状的密闭容器的下部，装有甲醇、水等液体，作为沸腾、蒸发区，它可以吸热；中部如果不换热，可进行绝热处理；上部作为冷凝放热区；管内壁是光滑的，不放置具有毛细作用的吸液心，这就是重力辅助热管或称热虹吸管(除专著外，其它书籍也有介绍，见《实用余热回收和利用技术》中译本，日本山本格原著，机械工业出版社93.12版)。

这种热管有良好的单向导热特性，它可以把热很好的从下部输往上部，当上、下部等温，或上部比下部热时，停止传热。这些特性将在下文中应用。

参照图5b，使用等温或近似的等温压缩，对各种制冷机都有良好的效果。通常在等温压缩之前，还有一段绝热压缩，但有时甚至在压缩之前就应该对热气流降温，此后，无疑应全部为等温压缩。因为绝热压缩与等温压缩的边界是不固定的，如何准确的只把压缩热输出到外界，不把外界的热量输入到压缩机，是尽力增加等温压缩的关键。

图中，多级串联压缩机1的前、中部气道内，装有若干根热管2的吸热区，2上部的放热区放在喷淋冷却塔8内；利用2的单向导热特性，可以自动的、适时的从任一压缩级中，把热量送往8，并从这一级开始进行等温压缩，而不会反向传热。 1的后部使用了水冷换热器3(当然也可由热管代替)，冷却水被泵4送往喷头5喷淋，落入水盘6最后返回4；风扇7提供风冷，借助水滴的放热和蒸发，获得更低的水温。

参照图6a，普通冰箱大多采用电热化霜，这不但费电，而且降低了制冷能力。如果用冷凝器来供热，因为除霜、制冷是在同时进行，这又相互矛盾。本图借助热虹吸管的原理，把若干根盲管1(或其它形状的容器)通入阀2，1放在2的下部，1内充有作为蓄热主体兼工质的液体；2的上部通往若干根盲管3(或其它形状的容器)。把吸热区1放在膨胀机进气道或压缩机的适宜部位内，制冷机工作时，关闭阀门2，1就吸热、升温；制冷机停止时，开启2，在需化冰部位的放热区3就冷凝、放热，1内工质因汽化、放热而降温，当冰熔化后，关闭阀2然后才准许制冷机启动，当制冷机再次工作时，1内冷工质使它所在部位的气体降温，显然1内所充工质的总热容量应大于化冰所需的总热量。

参照图6b，本图是上图的一种变形，把普通冰箱冷凝器的末段1插入容器2，2中充有作为蓄热液兼工质的液体，2的上部通往阀3，阀3的上部联接放热管4，把4放置在需化冰的部位。冰箱停止时，开启阀3，2内工质降温，4使冰熔化，冰熔化后，关闭阀3；冰箱工作时，2内工质使冷凝器1内工质获得更低的温度；显然容器2的外表面应作绝热处理。

小结：图6a、图6b所示的化冰方法，非但不降低制冷能力，反而会有助于制冷，选用适宜的电磁阀，可将启、闭阀门的电力消耗减少到最低的限度。同理，在使用几组制冷机、连续制冷的系统中，可利用热管从工作中的制冷机里取热，去化停止的制冷机里的冰，这又使工作中的制冷机能够更好的制冷。

总结：

1、本发明不但给出了全开放循环制冷机或热泵的基本原理，而且介绍了与之相关的许多应变措施，将它们灵活的组合可以有更广泛的应用，这些均属本发明之权益。

2、通过本发明，再次提示了这样一个道理：在热泵和制冷机中，效能更高的循环方式是半开放或全开放的。只有闭循环最优越的认识，是否不全面？

Claims (10)

1、和闭循环“空气压缩式制冷机”相似的开循环制冷机，其特征是：令压缩机、膨胀机的高压端与大气沟通，压缩机、膨胀机的低压端与可以密闭的空腔沟通，所谓空腔可以是飞机机舱、冷藏--保温车箱、电冰箱等各种设备。

2、和闭循环“空气压缩式制冷机”相似的开循环热泵，其特征是：令压缩机、膨胀机的低压端与大气沟通，压缩机、膨胀机的高压端与可以密闭的空腔沟通，所谓空腔可以是飞机机舱、冷藏--保温车箱等各种设备。

3、根据权利要求1、2所述，用同一组压缩机、膨胀机来完成制冷和供热功能的措施，其特征是：利用换向阀来使空腔内的气压低于或高于大气的压强。

4、根据权利要求1、2所述，可以降低空腔与大气之间的压强差，或可以使用低压缩比的压缩机和低膨胀比的膨胀机的回热措施，其特征是：借助换热器，使空腔流往压缩机的气流，与大气流往膨胀机的气流之间进行换热，使前者升温、后者降温。

5、根据权利要求1所述，可以让过饱和蒸汽凝结成水的装置，其特征是：在其内装有接触面积很大的丝、网、板或其它形状的物体。

6、根据权利要求1所述，可以把更多的制冷能力用于除湿的回热措施，其特征是：借助换热器，在凝水器流往空腔的气流，与大气流往膨胀机的气流之间进行换热，使前者升温、后者降温。

7、根据权利要求1、6所述，可以防止凝水器、膨胀机、回热器等部位结冰的调节措施，其特征是：调节除湿回热器的回热量。

8、尽量增多等温压缩、避免把外界热量输入到压缩机的措施，其特征是：把具有单向导热特性的热管的吸热段(沸腾、蒸发区)，放在多级串联压缩机的需要利用这一特性的放热部位，将热管的放热段(冷凝区)放在冷却介质中。

9、在断续工作的制冷机中，既可以化冰又有助于制冷的措施，其特征是：把某种液体作为主要的蓄热物兼工质，在类似于热虹吸管的装置中加入阀门，当制冷机工作时，关闭阀门，让蓄热物从压缩过程或是冷却器、冷凝器的末段及膨胀机的进气通道等处去吸热，当制冷机停止时，开启阀门，让蓄热液气化，在需熔冰处释放冷凝热。

10、在使用几组制冷机连续工作的制冷设备中，化冰的措施，其特征是：从工作中的制冷机的相关部位，如膨胀机的进气道、冷凝器或冷却器的某一部位取出热，去熔化停止工作的制冷机中的冰。

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