CN113818941A - 一种高效制冷的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效制冷的方法及装置，该方法利用液态或气液混合态工质转化为低压气体工质的过程，进行吸热制冷、能量转化和低压气体工质增压子过程，包括以下4个主过程：由气液混合态工质状态点A转化为低压气体工质状态点B的工质吸热和向动力转化装置转化的动力转化主过程；由低压气体工质状态点B转化为高压气体工质状态点C的动力转化装置能量向工质转化的增压主过程；由高压气体工质状态点C转化为高压液态工质状态点D的液化主过程；由高压液态工质状态点D转化为气液混合态工质状态点A的节流主过程；所述动力转化主过程包括工质汽化、对外吸热的子过程和工质体积膨胀向动力转化装置转化为机械能或其它能量的子过程，提高效率。

Description

一种高效制冷的方法及装置
技术领域
本发明涉及利用热能获取动力提高制冷效率的方法及系统，具体涉及利用同一个热力循环系统提高制冷剂气体压力或输出动力的高效制冷方法及装置。
背景技术
液体变为气体时，体积膨胀数十至百倍，当热量不断补充时，具有做功能力；但汽化所需热量远大于汽化输出的膨胀功，能耗与膨胀功的比值太大，能量利用率低。传统火力发电把水汽化为蒸汽，然后继续加热至数百摄氏度，提高过热蒸汽的压力，再进行气-气膨胀，输出动力，从而提高发电效率和燃料热量的利用率。传统火力发电主要是利用汽化过程推动过热气体做气-气膨胀功，体现为做功过程气体状态迅速变化；本发明的汽化膨胀做功，主要体现为做功过程中，气体在做功装置内的状态变化不明显。
正向与逆向循环：高压液态工质吸热汽化为高压过热气态工质，高压过热气态工质做功后，冷却为低压液态工质，低压液态工质加压为高压液态工质的循环过程是正向循环系统，通常为做功系统；低压液态工质吸热汽化后，压缩为高压气态工质，高压气态工质液化后，降压为低压液体工质的循环过程为逆向循环系统，通常为制冷或热泵系统，通常逆向循环不对外做功，本发明属于逆向循环且对外做功系统。
现有利用空气热量做功的设备中，通常有三种(三种都是两个系统)，本发明为一个系统进行制冷或制热。
第一种是采用热泵系统驱动正向循环的动力系统，制冷或热泵系统不对外做功；正向循环的动力系统对外做功或发电，如图1；本发明的逆向循环系统没有技术相关性。
第二种是采用热泵系统驱动逆向循环的动力系统；参见图2；两个系统均为逆向循环系统，其制冷或热泵系统不对外做功，但可以选择制冷或制热用途；逆向循环的动力系统只对外做功或发电，不制冷或制热，其目的是为了发电，与本发明一个逆向系统制冷和做功不同。且方法存在主动消耗动力的问题，因热泵系统的作用仅是提高了热源的温度或降低了冷源的温度，为动力系统的工质汽化和液化服务。例如，授权公告号为CN105042939B的发明专利公开了“一种利用低温介质获取冷气、电能的方法及其装置”属于第二种，制冷用途系统+逆向循环做功系统，存在所述主动消耗动力，而且采用了同温度的水为冷凝和汽化的介质，还存在传热总温差大的问题。
第三种是两个动力系统相互驱动。参见图3，包括一个逆向循环动力系统和一个正向循环动力系统，存在如下两个主要问题：(1)存在两个系统工质之间的传热总温差大、逆向循环系统输入功率可能自身输出功率的问题，该系统是逆向循环系统同时用于正向系统的工质汽化和液化，工质之间存在两个传热温差，逆向循环系统自身液化温度最高、自身汽化温度最低，逆向循环系统需要克服两个传热温差的增压消耗。(2)存在逆向循环系统效率低、体积大的问题，逆向循环系统的压缩比大，压缩能效比低，而且同样的动力输出时，装置的体积大。
进一步地，前述三种设备的动力系统都存在没法再叠加使用或叠加使用效果更差的问题，只有热泵(热源)系统可以叠加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种利用同一个热力循环系统提高制冷剂气体压力或输出动力的高效制冷的方法。
本发明的第二个目的在于提供一种用于实现上述高效制冷的方法的装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高效制冷的方法，利用液态或气液混合态工质转化为低压气体工质的过程，进行吸热制冷、能量转化和所述低压气体工质增压子过程，所述增压子过程结束时，气体工质的压力高于所述气液混合态工质的汽化压力，工质至少包括以下4个热力状态点A、B、C和D的依次转化的主过程：
由气液混合态工质状态点A转化为低压气体工质状态点B的工质吸热和工质能量向动力转化装置转化的动力转化主过程；由所述低压气体工质状态点B转化为高压气体工质状态点C的动力转化装置能量向工质转化的增压主过程；由所述高压气体工质状态点C转化为高压液态工质状态点D的液化主过程；由高压液态工质状态点D转化为气液混合态工质状态点A的节流主过程；
所述动力转化主过程包括工质汽化、对外吸热的子过程，实现制冷效果，也包括工质体积膨胀向动力转化装置转化为机械能或其它能量的子过程，实现动力输出。
本发明的一个优选方案，其中，通过动力转化装置利用该子过程汽化膨胀后的工质对增压主过程前的低压气体工质进行预压缩，实现动力输出，减少外部动力输入，降低能耗。
本发明的一个优选方案，其中，所述动力转化主过程中，工质吸热量高于常规的制冷蒸发过程，提高制冷能力或制热能力。
本发明的一个优选方案，其中，所述动力转化主过程包括但不限于气液混合态的汽化、气体过热、气体状态变化较小的做功和气体降压膨胀子过程；所述气液混合态的汽化温度根据所述吸热对象的温度调节；所述气液混合态的汽化和气体过热子过程，工质实现制冷效果；所述气体状态变化较小的做功和气体降压膨胀子过程，工质实现做功效果。
进一步，所述气体状态变化较小的做功子过程的压力与所述增压起始压力相近，提高能量的转化效率。
本发明的一个优选方案，其中，所述动力转化装置包括但不限于发电机、发动机、动力机械。进一步，所述动力转化装置的背压可由其它装置形成，还可以由环境空气形成。
本发明的一个优选方案，其中，所述增压主过程包括动力转化装置提供增压动力和增压装置补充增压两个子过程。
进一步，所述动力转化装置提供增压动力的子过程结束时，工质的压力高于所述液态或气液混合态工质转化前的压力；
当动力转化装置的动力大于增压主过程所需的动力时，所述增压装置补充增压子过程不发生，多余的动力可以作为其它用途。
一种高效制冷的装置，包括用于实现工质热力循环的依次设置的冷凝器、膨胀阀、蒸发器、做功与增压一体化装置以及压缩机，其中，所述冷凝器用于实现由高压气体工质状态点C转化为高压液体工质状态点D的液化主过程，所述膨胀阀用于实现由所述高压液态工质状态点D转化为气液混合态工质状态点A的节流主过程，所述蒸发器用于实现由气液混合态工质状态点A转化为低压气体工质状态点B的工质吸热和工质能量向动力转化装置转化的动力转化主过程，所述做功与增压一体化装置用于实现由低压气体工质状态点B转化为高压气体工质状态点D的增压主过程，工质对外做功压力与增压起始压力相近，所述压缩机用于实现增压主过程的补充；
所述冷凝器与所述蒸发器之间设置有所述做功与增压一体化装置，液态工质在所述蒸发器中汽化时膨胀直接推动所述做功与增压一体化装置对外做功。
本发明的一个优选方案，其中，所述做功与增压一体化装置和压缩机设置在冷凝器与蒸发器之间，所述做功与增压一体化装置的一端与蒸发器连接，另一端分别通过旁通管和压缩机与冷凝器连接。
本发明的一个优选方案，其中，所述做功与增压一体化装置增压使所述低压气体工质状态点B的压力高于所述气液混合态工质状态点A的压力。
本发明的一个优选方案，其中，若增压子过程不能实现工质压力等于或高于高压气体工质状态点C，则由所述压缩机补充增压，若所述优先增压子过程实现工质压力等于高压气体工质状态点C，多余的能量用作其它用途。本发明的一个优选方案，其中，所述高效制冷的装置作为制冷系统使用时，其冷凝放热的对象可以是外部环境或其它特定对象；所述外部环境主要是环境空气或水资源等自然资源；所述特定对象可以是其它设备的废弃冷量，还可以作为其它热泵制热系统的汽化吸热对象。
本发明的一个优选方案，其中，所述高效制冷的装置作为热泵制热系统使用时，其蒸发吸热的对象可以是外部环境或其它特定对象；所述外部环境主要是环境空气或水资源等自然资源；所述特定对象可以是其它设备的废弃热量，还可以作为其它制冷系统的冷凝放热对象。
本发明的一个优选方案，其中，所述高效制冷的装置包括低温侧工作系统和高温侧工作系统，其中低温侧工作系统的冷凝放热工质与高温侧工作系统的蒸发吸热工质互为换热对象，可以叠加使用，提高工作的温差。通过上述结构，多个相同原理的系统可以不消耗外部的动力，逐级叠加使用。一般来说，冷凝温度或蒸发温度于外部热源的温差约8℃，本发明每个系统的动力输出全部用于增压消耗，形成冷凝温度与蒸发温度的差值高于15℃，相当于为另一个系统提供了比外部热源更有的热源。当系统1为低温系统，系统2为高温系统时，两个系统之间有一侧的液化工质与汽化工质换热，当作为制冷使用，系统1的蒸发侧为制冷对象，系统2的冷凝侧为环境空气；当作为制热使用，系统1的蒸发侧为环境空气，系统2的冷凝侧为制热对象。还可以是更多个系统的叠加。
优选地，所述工质增压的方式可以是机械压缩或吸收式液体混合物的加热等。
本发明的一个优选方案，其中，所述做功与增压一体化装置是往复式活塞气缸装置；所述活塞的背压可以调节。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过动力转化装置利用该子过程汽化膨胀后的工质对增压主过程前的低压气体工质进行预压缩，实现动力输出，减少外部动力输入，降低能耗。
2、只有一个逆向循环系统，做功净量大，增压能力强。
3、因为液态变为气态的体积变化大，且利用做功与增压一体化的活塞气缸机构实现工质对外做功压力与增压起始压力相近，提高能量的转化效率。
4、同一个热力循环系统提高制冷剂气体压力或输出动力，而且多个相同原理的系统可以不消耗外部的动力，逐级叠加使用，扩大蒸发和冷凝的温度差，最终实现无动力输入的大温差制冷系统。
附图说明
图1为本发明第一种实施方式的工质循环的压焓图，其中，工质所处各点的位置分别代表：1为所述低压气体(做功的终点、增压的起点)，2为所述高压气体(增压终点、冷凝起点、冷凝器进口)，3为所述高压液体(可包括过冷的冷凝终点、液体降压起点、节流元件进口)，4为所述气液混合工质(节流终点、汽化起点、蒸发器的进口)，5’为等压汽化终点(等压过热起点)，5为等压过热终点(做功起点，做功装置的进口)，5和1的压力相近，E为所述优先增压的终点，中压气体工质(离开气缸，补充增压的起点)。
图1中，工质状态变化过程分别代表：1-2为所述低压气体工质转化为高压气体工质的增压主过程，1-E为所述优先增压子过程，E-2为所述补充增压子过程；2-2’为所述冷凝放热过程的过热气体工质冷却过程，2’-3’为所述冷凝放热过程的气液混合态的液化过程；3’-3为所述冷凝放热过程的液体过冷子过程；3-4为所述的液体降压子过程；4-5’为所述气液混合态的等压汽化子过程；5’-5为所述气体等压过热子过程；5-1为所述气体状态变化较小的做功子过程。
图2为本发明中的第一种具体的工质流程原理简图。
图3为本发明中的第二种具体的工质流程原理简图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1和图2，本实施例的高效制冷方法中，工质在密闭系统内循环工作，工质在循环中至少包括以下4个热力状态点A、B、C和D的依次循环转化的主过程：
由气液混合态工质状态点A转化为低压气体工质状态点B的工质吸热和工质能量向动力转化装置转化的动力转化主过程；由所述低压气体工质状态点B转化为高压气体工质状态点C的动力转化装置能量向工质转化的增压主过程；由所述高压气体工质状态点C转化为高压液态工质状态点D的液化主过程；由高压液态工质状态点D转化为气液混合态工质状态点A的节流主过程。所述动力转化主过程包括工质汽化、对外吸热的子过程，实现制冷效果，也包括工质体积膨胀向动力转化装置转化为机械能或其它能量的子过程，实现动力输出；所述动力转化装置的能量优先用于增压主过程，减少外部动力输入，具有更低的外部能耗。所述动力转化主过程中，工质吸热量高于常规的制冷蒸发过程，具有更强制冷能力和制热能力。
参见图1和图2，本实施例的高效制冷装置包括用于实现工质热力循环的依次设置的冷凝器、膨胀阀、蒸发器、做功与增压一体化装置以及压缩机，其中，所述冷凝器用于实现由高压气体工质状态点C转化为高压液体工质状态点D的液化主过程，所述膨胀阀用于实现由所述高压液态工质状态点D转化为气液混合态工质状态点A的节流主过程，所述蒸发器用于实现由气液混合态工质状态点A转化为低压气体工质状态点B的工质吸热和工质能量向动力转化装置转化的动力转化主过程，所述做功与增压一体化装置用于实现由低压气体工质状态点B转化为高压气体工质状态点D的增压主过程，并实现工质对外做功压力与增压起始压力相近(由于在做功过程中受到做功速度与汽化速度的影响，难以获得绝对不变的压力值，因此会不可避免地导致压力产生波动，本实施例中的“相近”是指非主动地去改变压力，但涵盖不可避免的压力波动的情况，保持两者压力趋于相同)，所述压缩机用于实现增压主过程的补充；所述冷凝器与所述蒸发器之间设置有所述做功与增压一体化装置，液态工质在所述蒸发器中汽化时膨胀直接推动所述做功与增压一体化装置对外做功，做功完毕后，所述做功与增压一体化装置优先对工质进行增压，优先增压使所述低压气体工质状态点B的压力高于所述气液混合态工质状态点A的压力，若所述优先增压子过程不能实现工质压力等于或高于高压气体工质状态点C，则由所述压缩机补充增压，若所述优先增压子过程实现工质压力等于高压气体工质状态点C，多余的能量用作其它用途。
具体地，所述工质是制冷剂R507；工质汽化温度更低时，可采用二氧化碳工质。
参见图1，5和1的状态相近，近似重合，图中以重合表示，5-1为所述工质状态变化较小的做功过程；参见图2，由供气储气罐7的气体工质进入做功与增压一体化装置11的气缸10推动活塞1完成工质做功过程。所述供气储气罐7与所述气缸10之间设有做功供气阀8。所述做功与增压一体化装置11可以设有多个气缸10和对应的做功供气阀8，联动使用，用于控制做功的供气节奏和供气终点压力，形成持续做功的动作。所述联动使用可以是机械装置控制，也可以是电气系统控制。
参见图1，点1到点2为所述低压气体工质的增压过程；参见图2，由做功与增压一体化装置11的活塞1的返程完成。
参见图2，所述低压气体工质在气缸10内完成做功过程时，所述活塞1.n返程，对所述低压气体工质进行压缩；当做功与增压一体化装置11的动力消耗完毕时，打开排气阀9，把中压气体工质E排向压缩机13，直至活塞返程完毕，下一个做功过程开始时，关闭所述排气阀9，打开所述做功供气阀8；若做功与增压一体化装置11的动力消耗没有完毕，当所述低压气体工质转化为所述高压气体工质时，打开所述排气阀9和旁通阀2，把所述高压气体工质排向冷凝器3，直至活塞返程完毕，下一个做功过程开始时，关闭所述排气阀9，打开所述做功供气阀8，此种情况，所述高压气体工质不流经压缩机13，多余的能量可用作其它用途。
参见图1，点2到点3为所述高压气体工质转化为液体工质的冷凝放热过程；参见图2，由冷凝器完成。
参见图2，储液器4用于暂时储存液体工质，所述液体工质从所述冷凝器3流进所述储液器4。
参见图1，点3到点4为所述液体工质的降压子过程，参见图2，由节流元件(膨胀阀5)完成。
参见图2，所述膨胀阀5对所述液体工质进行降压，工质发生首次膨胀，降压后的工质流入蒸发器6。所述储液器4的出口与所述膨胀阀5的入口连接。
参见图1，点4到点5为等压过程，其中4-5’为所述气液混合态的等压汽化子过程；5’-5为所述气体等压过热子过程；参见2，由蒸发器完成，工质进行吸热膨胀，同时实现动力输出。
参见图2，所述首次膨胀的工质在所述蒸发器6内进行吸热，实现全部汽化并过热；所述过热的气体工质依次流经供气储气罐7、所述做功供气阀8，所述做功与增压一体化装置11的气缸10，推动活塞1完成动力输出。
参见图2，所述供气罐7用于稳定动力输出的供气压力，其出口与所述做功与增压一体化装置11的入口连接，前述两者中间设置做功供气阀8。
参见图2，所述活塞1的另一面与所述背压储气罐12之间相通，用于调节活塞做功的背压和防止工质泄露向环境等，具体背压可以为比大气压力稍高，所述背压也可以是直接与大气相连。
所以，本工质工作流程原理中采用液体汽化膨胀对外做功的动力输出总量分为活塞对外做功的量，动力输入总量可分为三部分。
参见图1，输出过程5-1，即所述气体状态变化较小，近似等压推动活塞过程的功，近似为过程4-5的膨胀功；
参见图1，输入的第一部分是优先增压子过程1-E的消耗；输入的第一部分是补充增压子过程E-2的消耗；输入的第三部分是蒸发器吸热和冷凝器放热时，风机的消耗。
因此，当过程4-5的膨胀功小于前述3者的消耗时，整个系统为节能系统；而当过程4-5的膨胀功大于前述3者的消耗时，整个系统为一个动力正输出系统。
综上所述，本发明是一个“吸热量大于常规制冷装置”的系统，多出的吸热量为节能的量。
本实施例中，存在几个关键点为：
(1)做功的压力为制冷剂的汽化压力；
(2)做功的背压小于制冷剂汽化的压力。
下面以一组量化数据对本实施例做进一步的描述。
以图1的工质流程为例，工质(R507)在各状态点的数值化关系表如下：
Figure BDA0003270959820000111
本实施例，用途为制冷或热泵，假设工质汽化温度为0℃，液化温度为30℃，蒸发和冷凝的温差30℃，背压为105kPa(1.04倍大气压)，各点的状态参数仅需两个数据，可以查表得其它所有参数，所有假设数据在应用中均可容易实现。
本实施例，单位质量工质的动力输入量和输出量数据：
(1)总输入量＝焓2-焓1，过程1-2的输入量为27.13kJ/kg；
(2)总输出量＝等压膨胀输出量＝(压力5-背压)*(比容5-比容3)，过程3-5的输出量为16.13kJ/kg；
(3)总输出量(2)/总输入量(1)＝16.13/27.13＝59.4％。相当于节能了59.4％。
若取背压为真空，总输出量更高。
实施例2
参见图3，与上述实施例1不同的是，本实施例中采用了叠加系统，低温侧系统的冷凝器3与高温侧系统的蒸发器26为同一个换热器，低温侧系统放热对象为高温侧系统的汽化工质，高温侧系统的吸热对象为低温侧系统的冷凝工质，所述同一换热器可以为板式换热器、套管式换热器或管壳式换热器等。
根据实施例1的计算、表和热力学的知识可推断，(压力2-背压)*(比容2-比容3)＝18.6 kJ/kg，在0和30℃，实施例1的工质做功能力为16.13和18.6kJ/kg，在0～30℃增压过程每提高1℃，消耗的动力为27.13kJ/kg/30℃＝0.90kJ/kg·℃；工质做功的优先增压能力大约为17～20℃。把低温系统设计为0～17℃，高温侧系统设计为11～30℃，两系统的换热温差为6℃，相当于构造出了实施例1的制冷或制热系统，但增压动力大幅降低，甚至无需增压动力。
根据0～30℃内工质做功的优先增压能力大约为17～20℃，可以粗略地推断为在-10～50℃范围内变化不大，可以构成更多系统的叠加，实现无增压动力输入。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效制冷的方法，其特征在于，利用液态或气液混合态工质转化为低压气体工质的过程，进行吸热制冷、能量转化和所述低压气体工质增压子过程，所述增压子过程结束时，气体工质的压力高于所述气液混合态工质的汽化压力，工质至少包括以下4个热力状态点A、B、C和D的依次转化的主过程：
由气液混合态工质状态点A转化为低压气体工质状态点B的工质吸热和工质能量向动力转化装置转化的动力转化主过程；由所述低压气体工质状态点B转化为高压气体工质状态点C的动力转化装置能量向工质转化的增压主过程；由所述高压气体工质状态点C转化为高压液态工质状态点D的液化主过程；由高压液态工质状态点D转化为气液混合态工质状态点A的节流主过程；
所述动力转化主过程包括工质汽化、对外吸热的子过程，实现制冷效果，也包括工质体积膨胀向动力转化装置转化为机械能或其它能量的子过程，实现动力输出。
2.根据权利要求1所述的高效制冷的方法，其特征在于，通过动力转化装置利用该子过程汽化膨胀后的工质对增压主过程前的低压气体工质进行预压缩，实现动力输出，减少外部动力输入，降低能耗。
3.根据权利要求1所述的高效制冷的方法，其特征在于，所述动力转化主过程中，工质吸热量高于常规的制冷蒸发过程，提高制冷能力或制热能力。
4.根据权利要求1所述的高效制冷的方法，其特征在于，所述气体状态变化较小的做功子过程的压力与所述增压起始压力相近，提高能量的转化效率。
5.根据权利要求1所述的高效制冷的方法，其特征在于，所述增压主过程包括动力转化装置提供增压动力和增压装置补充增压两个子过程。
6.根据权利要求5所述的高效制冷的方法，其特征在于，所述动力转化装置提供增压动力的子过程结束时，工质的压力高于所述液态或气液混合态工质转化前的压力；
当动力转化装置的动力大于增压主过程所需的动力时，所述增压装置补充增压子过程不发生。
7.一种高效制冷的装置，其特征在于，包括用于实现工质热力循环的依次设置的冷凝器、膨胀阀、蒸发器、做功与增压一体化装置以及压缩机，其中，所述冷凝器用于实现由高压气体工质状态点C转化为高压液体工质状态点D的液化主过程，所述膨胀阀用于实现由所述高压液态工质状态点D转化为气液混合态工质状态点A的节流主过程，所述蒸发器用于实现由气液混合态工质状态点A转化为低压气体工质状态点B的工质吸热和工质能量向动力转化装置转化的动力转化主过程，所述做功与增压一体化装置用于实现由低压气体工质状态点B转化为高压气体工质状态点D的增压主过程，工质对外做功压力与增压起始压力相近，所述压缩机用于实现增压主过程的补充；
所述冷凝器与所述蒸发器之间设置有所述做功与增压一体化装置，液态工质在所述蒸发器中汽化时膨胀直接推动所述做功与增压一体化装置对外做功。
8.根据权利要求7所述的高效制冷的装置，其特征在于，所述做功与增压一体化装置和压缩机设置在冷凝器与蒸发器之间，所述做功与增压一体化装置的一端与蒸发器连接，另一端分别通过旁通管和压缩机与冷凝器连接。
9.根据权利要求7所述的高效制冷的装置，其特征在于，所述做功与增压一体化装置增压使所述低压气体工质状态点B的压力高于所述气液混合态工质状态点A的压力。
10.根据权利要求7所述的高效制冷的装置，其特征在于，所述高效制冷的装置包括低温侧工作系统和高温侧工作系统，其中低温侧工作系统的冷凝放热工质与高温侧工作系统的蒸发吸热工质互为换热对象，叠加使用，提高工作的温差。
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