CN1215143A - 汽提式热泵、热泵制冷机、热泵发动机、热泵能源机、热泵锅炉、氨和尿素工艺 - Google Patents

Abstract

本汽提式热泵有五大用途:1.热泵空调冰箱两用机,因节能数量大及－60℃的速冻冷箱的优势而取代目前的冰箱、空调、中央空调、大型冷库。热泵深冷机因大量节能,取代目前的空分制氧等。2.热泵发动机热效率达80%以上,无声、无毒气体,取代目前的助动车,汽车、火车、轮船、飞机、航天飞机作动力(飞机除高速飞行亦实现垂直起降)。热力发电可翻三倍。热泵能源机利用空气热量(或地下核爆炸的热水)大规模生产燃料氢及人造石油;4.热泵锅炉供热效率高、二氧化碳及氮不再排放;5.本氨及尿素是换代的工艺。

Description

汽提式热泵、热泵制冷机、热泵发动机、热泵能源机、热泵锅炉、氨和尿素工艺

本汽提式热泵是新式热泵，原理是制冷剂液体(或化合物)通过汽提(分压降低，总压不变)而蒸发(或分解)而制冷，低于环境温度的制冷剂能吸周围的热量，因大量利用周围环境的热量，因而大量节能，本机有着广泛的应用；可开发出热泵制冷机，热泵发动机，热泵能源机，热泵锅炉，热泵氨和尿素工艺，这里提出三种热泵制冷机：

(一)二氧化碳热泵制冷机。制冷剂为二氧化碳，扩散剂为空气，吸收剂为含有30％氯化钙的水溶液。本制冷原理与氨扩散吸收式制冷机有相似之处，即液体制冷剂不是通过减压汽化制冷的(然后又通过压缩制冷剂气体，冷却后制成液体)；而是通过汽提填充扩散剂，使制冷剂液体分压降低(起到减压作用)使制冷剂液体汽化而制冷。为了使制冷过程持续地进行，制冷汽化后，混杂着扩散剂物质需进行分离；吸收剂是以30％氯化钙水溶液(可在-50℃操作，水不至冷冻成冰)。本制冷剂是无毒的二氧化碳；水吸收二氧化碳是物理吸收，在加压、低温下，吸收很易进行；在减压(二氧化碳气提鼓泡)；另方面用电炉(或废热)加热(溶液温度控制在50℃以下)。二氧化碳从水中解吸出来，二氧化碳冷凝(用吸收剂冷却)成液体，制冷如此循环下去。此制冷机可开发出广泛使用的家用空调冰箱两用机和中央空调及大型冷库；以下介绍热泵空调冰箱两用机。图上1-汽提塔；2-吸收塔(有高效的波纹填料)；3-冷凝器；4-发生器；5-气液分离器；6-电炉；7-电动机；8-循环鼓风机；9-循环鼓风机；10-电动机；11-冷气鼓风机；12-密封金属壳；13-冰箱吸热蛇管；14-空调吸热片，15-两用机支架和外壳。

系统压力为73～75kg/cm²，为防止高压气体的泄漏，高压鼓风机3和电动机用金属外壳密封，壳内充入75kg/cm²的二氧化碳。此机制冷剂是二氧化碳，扩散剂是空气，吸收剂是30％氯化钙的水溶液；二氧化碳在冷凝器3中冷凝成液体，通过U形管进入汽提塔1，沿着塔内许多管的内壁成膜往下流；经过吸收塔2清除了二氧化碳的空气进入鼓风机9加压后，进入汽提塔进行汽提蒸发制冷；-60℃以下的混合气体，进入吸收塔2与不锈钢丝制的波纹填料接触，吸收热量，水溶液在-50℃以上；从气液分离器5通过U形管，水溶液进入吸收塔2，通过波纹填料把热量传给混合冷气，使50℃的水溶液迅速降温至30℃以下，吸收混合冷气中的二氧化碳；水溶液不断从冷凝器3管间流入发生器4底部；吸收塔2负担着传质和传热的重任，尽寸应大一些；50℃二氧化碳用鼓风机8送入冷凝器管内，管外的-30℃以下的水溶液吸收热量，二氧化碳迅速低于30℃而凝结成液体，水溶液吸收热量后，温度可达30℃以下，进入发生器4；在电炉6(具有自动控温器)或炉灶气废热加热下，溶液温度达50℃；鼓风机把一部分二氧化碳送入发生器4底部，沿着许多小口径的营子鼓泡汽提，把溶液中的二氧化碳解吸出来；此外，通过气流把水冲刷至气液分离器5；所以容器4直径小，象管状。因二氧化碳对钢铁有腐蚀性，宜用不锈钢制造容器和管道。冷空气用循环鼓风机11来循环，把冷气鼓入汽提塔管间，吸收其冷量；-60℃以下的冷气进入冰箱顶部蛇管吸收冰箱内的热量，使冰箱在-55℃以下，这是速冻的高级冰箱；温度在-10℃左右进入空调吸热片，使室温在20℃左右；自动控制活门，调节进入吸热片的冷气量进行空调。本机可使用废热，即发生器制成交换器，管间通入60℃左右的废气；管内则是水溶液的吸热，解吸二氧化碳。热泵空调冰箱可作上下布置、即上箱为热泵部分，下箱为冰箱冷藏部分。本机利用废热时，不必电炉加热，锅炉废热可为中央空调或大型冷库提供热源。本制冷亦可为现有车辆、轮船提供废气空调。

(二)氮热泵深冷机。制冷剂为氮，扩散剂为氢(或氦)吸收剂为液体甲烷(甲烷临界压力45.8大气压，临界温度-83℃)系统压力为34大气压。制冷温度可达-190℃。

(三)氢热泵制冷机。制冷剂为氢，扩散剂为氦，吸收剂为液氮，系统压力118大气。制冷温度可达-250℃。

2、热泵发动机

(一)热泵助动车，摩托车发动机。图2热泵助动车，摩托车发动示意图。1-油节制器；2-空气滤清器；3 -火管锅炉兼热交换器；4-二氧化碳涡轮；5-发电机；6-蓄电瓶；7-二氧化碳冷凝器；8-二氧化碳凝结泵；9-汽提塔；10-冷交换器；11-吸收塔；12-发生器；13-循环鼓风机；14-热交换器；15-气液分离器；16-驱动电动机；17-鼓风机；18-输油泵；19-齿轮；20-火花塞；21-油喷咀。

本二氧化碳热泵发动动机与二氧化碳制冷有相同之处，不同在于本机用凝结泵，把液体二氧化碳升高压力，把热泵制冷系统73kg/cm²提高至150kg/cm²以上，以满足发动机的需求；从气液分离出来的二氧化碳进入火管锅炉兼热交器3，在D换热器中，吸收热量，温度达70°左右；然后进入火管锅炉内的管A。空气经滤清器，进入鼓风机17，鼓入火管锅炉兼热交换器3的夹套中吸收其废热，经D-C-B-A夹套，空气温度达500℃以上，(当第一次点火起动之后，不必起动点火了)。进燃烧室内，环形气室，再从气室小孔喷入燃烧室与气体油燃烧；液体燃料(可用人造石油、柴油等一切可燃液体)经节制器(由汽化器改制而成，不再与空气混合，油被吸入泵加压后，由喷咀20，喷入油汽化室(用其金属壁加热使油汽化)，由油汽化室小喷入燃烧室(冷起动时，需用火花塞点火)。A是火管锅炉，里面是软水，只生产加压热水，而不产生蒸汽，锅炉里有加热蛇管，把从D来的二氧化碳加热至250℃以下，火管锅炉是100大气压的水，水温达270℃，热量不断由蛇管中的二氧化碳带走。使用火管锅炉的目的是使燃烧在较低温度中进行，减少氧化氮的生成；另一个目的是，燃烧温度若在2000℃左右易损坏设备，用火管锅炉降低废气温度后，才用不锈钢热交换器B-C-D；在火管锅炉A蛇管中的二氧化碳加热至250℃，进入C末部管间，温度上升至400℃左右进入B末部，在此热交换至650℃进入涡轮作功，带动发电机发电；最后温度在40℃左右，压力73大气压进入冷凝器7，凝成液体二氧化碳。由于系统在高压中操作，为防止二氧化碳泄漏涡轮不可直接驱动车辆，而是带动其发电机，用金属壳把涡轮与发电机密闭起来，(金属壳内充填二氧化碳气体至100大气左右)，产生的电力，再带动电动机驱动车辆。本机除适用于助动车、摩托车，亦适用于汽车、火车、轮船、飞机作动力。

(二)热泵汽车、拖拉车、火车、轮船、发电等发动机。图3，热泵汽车、拖拉机、火车、轮船、发电等发动机示意图。1-火管锅炉兼热交换器；2-涡轮；3-发电机；4-汽提塔；5-气液分离器；6-冷交换器；7-环鼓风机；8-吸收塔；9-发生器；10-氮鼓风机；11-空气加热蛇管(铜制)；12-电动机；13-油泵；14-鼓风；15-凝结泵；16-离合器。

本机与图2相似的原理，不同在于本机用氮作制冷剂(亦是涡轮工质)，氢(或氦)作扩散剂，液体甲烷作吸收剂，热泵系统应密封在金属壳，用低压氮(或二氧化碳)充填其间，系统压力可在150大气压以上，氮的临界压力为34大气压，临界温度为-146℃。

原子能和火力发电厂，火管锅炉兼热交换器是立式的。

(三)热泵汽车、火车、轮船、发电等发动机中的磁流体发电机。图4，热泵磁流体发电机。发电时的感应电动势，ε=BLu，高压高温的氮在电离室存在强电场时，使其产生电子和离子，当在发电通道迅速减压和热膨胀，速度是相当大的，发电效率一定很高，这种发电设备比涡轮和发电机组成本低很多。设备轻很多，适用于车辆、轮船、飞机等。

图4：1-火管锅炉兼热交换器；2-电离室；3-若干个发电通道的集合体；4-冷凝器(汽提塔)；5-凝结泵；6-冷交换器；7-循环鼓风机；8-吸收塔；9-发生器；10-循环鼓风机；11-废气加热器；12-气液分离器；13-电动机；14-油泵；15-鼓风机；16-火花塞；17-凝结器。

对于大型的火力及原子能发电厂，火管锅炉兼换热器和发电通道是立式的。

(四)热泵飞机，航天飞机电火箭发动机。

目前的喷气式飞机喷气温度达550℃热效率低，涡轮风扇发动机比冲为4000～5000；火箭比冲只有400，火箭热效率低得很，开发本电火箭发动机是必要的。由于热泵发动机的热效率很高，而且能利用周围环境的热量，本电火箭发动机是合理的。

图5A电火箭发动机示意图：1-蓄电瓶：2-感应圈；3-电动巧克；4-离子加速器；5-向后和向下喷气的尾喷管；6-冷交换器；7-电动机；8-压气机；9-燃烧室；10-火筒锅炉兼热交换器；11-涡轮；12-发电机；13-汽提塔：14-循环鼓风机；15-凝结泵；16-冷交换器；17-吸收塔；18-发生器；19-氮鼓风机；20加热蛇管(铜制)；21-气液分离器。

燃气通过热交换，温度下降可达-50℃以下，在强电场的作用下，废气产生电子和离子；右壁为正极，左壁为负极(面向尾部)；上为N极，下为S极的离子加速器，其磁流体受到磁场力的作用，安培力F=ILB，由于高压下，离子密度大，电阻小，电流大。强大作用力，推动离子向尾部加速运动，通过电动巧克3。高速离子由尾喷管5喷出，使飞机向前或向上飞行。电火箭亦可用于汽车、火车、轮船等喷气推动。

图5B，用磁流体发电的电火箭发动机。B与A的原理相同，不同在于前者B用磁流体发电，A为涡轮带动发电机发电。A与B图中只有两个数字代表不同的设备。B图中，11-电离室；12-磁流体发电装置，总之，热泵发动机就是具有热泵制冷的蒸汽轮机；前述的二氧化碳热泵发动，是以二氧化为工质的汽轮机；从热泵锅炉产生的高温(650℃)高压的二氧化碳气体，在二氧化碳汽轮机上作功，蒸汽压力已降低到二氧化碳临界压力73～75大气，温度为40℃左右、进入冷凝器冷凝成液体二氧化碳(冷凝热则被吸收剂，含存30％的氯化钙的水所吸收，用于二氧化碳在吸收剂中的介吸)，目前的水蒸汽轮机的蒸汽冷凝热不能利用这就是本热泵发动机的优越之处；此外，目前的水蒸汽轮机所需的蒸汽是水经过燃料燃烧加热汽化的；本热泵发动机的二氧化碳液体蒸发成气体不是消耗燃料热量的，而是通过空气的汽提，使二氧化碳蒸发(吸收周围环境的热量，即制冷)这与水蒸汽轮机相比又是一次大节能。二氧化碳气体被-50℃的水溶液吸收利用废热又一次节能，加热和减压(汽提减压)下二氧化碳释放出来，通过热泵锅炉加热成高温高压的二氧化碳气体进入氧化碳气轮机作功而发电；因高压为防止二氧化碳泄漏，用金属壳把二氧化碳轮机和发电机密闭，壳内充入高压的二氧化碳气体。由于二氧化碳、空气和水是安全物质，此机是安全的。

氮热泵发动机是具有氮热泵制冷的蒸汽轮机；氮热泵制冷机的制冷剂是氮，扩散剂是氢(或氦)，吸收剂是液体甲烷，虽然氢和甲烷可燃物质(通过密封在金属壳内充填二氧化碳或氮而防火)氮蒸汽可膨胀至-140℃，吸收周围空气的热量是相当多的，是比二氧化碳热泵发动机热效率更高的热泵发动机。

氮热泵(或二氧化碳热泵)电火箭发动机是把热泵发动机产生的电力用于加速燃气离子，然后喷气作功、喷气温度低所以热损失小，热效率高，是未来飞机的发动机(可作垂直起降)。

3、热泵能源机。

前述热泵发动机首先发电，然后用电动驱动车辆；如产生的电力不驱动车辆用于水电解制氢；氢作燃料，或进一步加工或人造石油，这就是热泵能源机。除了用周围环境气温发电，利亦用地下核爆炸制造热水用于发电，具体作法是：用石油钻井机钻入地下500公尺或更深，把核弹制成小于钻井直径，把核弹吊装在地下500公尺以下，充入水，离地面300公尺用混泥土封闭，有导管通地面，核爆后，可注入高压水，然后取热水发电。

4、热泵锅炉。前述二氧化碳或氮高温高压产生于火管锅炉兼热交换器，当这些热气加热其热量载体氮取代水蒸汽，用于供热，其效率也是高的，因为液体的汽化不再消耗燃料，这种节能的，产生二氧化碳或氮热气，用于供热的锅炉称为热泵锅炉，这种锅炉可与生产氢的热泵能源机和中央空调或大型冷库联合，即把多余的热气用于产生电力，电力则用于电解水生产燃料氢。所有热泵锅炉的废气二氧化碳或氮都进行冷却回收，二氧化碳和氮用于上述热泵工业，不排入大气。

5、热泵氨和尿素工艺。

当合成氨厂生产水蒸汽的锅炉，用产生高温高压的二氧化碳或氮的热泵锅炉所取代；由于廉价取得低温，液氮的产生非常容易，用液氮洗涤、精制合成氨气体，成本低廉、工艺简单，合成氨压力可用低压150大气压力下进合成产生的氨，可用低温使氨凝结，使氨与合成气分离。这种合成氨生产成本低。

图6，热泵尿素工艺流程图。1-尿素合成塔；2-氨提塔；3-氨加热器；4-二氧化碳汽提塔；5-低压分解塔；6-低压吸收塔；7-高压洗涤塔；8-液氨压缩机；9-甲铵泵；10-二氧化碳压缩机；11-加压离心泵。

一般汽提法尿素工艺，需要提供200℃的蒸汽，所产生的汽提气体在高压的甲铵冷凝器中冷凝，生产低温的水蒸汽，蒸汽无法在汽提中应用；本工艺是用氨和二氧化碳双汽提，在汽提塔的管内进行汽提，汽提出来的混合气体，进入同一塔的管间进行冷凝，甲氨冷凝放热，提供了汽提所需的热量，因此，不再提供高压蒸气，使尿素生产的蒸汽消耗大量减少。因为在较低温度下汽提减少了尿素设备的腐蚀。生产过程：加压离心泵11，把尿液加压10大气压以上送入氨提塔2，进行氨提；汽提气进入管间，冷凝成甲铵进入塔4的管间；汽提后的尿液时入二氧化碳汽提塔4，用二氧化碳气体汽提，产生汽提气体进入管间，冷凝成甲铵，尿液减压至低压4.5kg/cm²；进入低压分解塔5；塔4管间的汽提气体进入低压分解塔5的管间，进一步冷凝成甲铵，产生的热量为低压分解所用；以上的甲铵冷凝热原来不能被尿液中的甲铵分解所利用，利用汽提与冷凝在同一塔内进行，这是一种汽提式热泵，除了利用了冷凝热也提高了设备利用率，上述工艺与氨提法相比，节省了中压分解塔和中压吸收塔。本工艺条件采用氨提法的工艺条件，151kg/cm²,183℃,NH₃/CO₂=3.4；转化率60％。这是一种先进的尿素工艺，能耗低，设备不易腐蚀。

Claims (8)

1．汽提式热泵、热泵制冷机、热泵发动机、热泵能源机、热泵锅炉、氨和尿素工艺是新式的热泵和它的具体应用，其特征在于：

(一)新式热泵是汽提式的，由于汽提使制冷大量节能，有了冷态的工质才能吸周围环境的气温所携带的能量；这种节能的制冷与氨扩散吸收式制冷机相似，不同在于，本制冷工质是无毒的二氧化碳(或氮、氢)；二氧化碳热泵的制冷剂是二氧化碳，扩散剂是空气，吸收剂是含有30％氯化钙的水溶液。氮热泵的制冷剂是氮，扩散剂是氢(或氦)，吸收剂是液体甲烷；氢热泵的制冷剂是氢，扩散剂是氦，吸收剂是液氮。本扩散的方法是用扩散剂作汽提剂，这种制冷是大功率的；本制冷的吸收是物理吸收，分解时所需热量极少，(因鼓入大量制冷剂起了减压作用)。

(二)热泵制冷机能利用一般制冷机不能利用的能量，利用汽提制冷，使吸收在低温下很易进行；介吸时溶液温度低于环境温度，因此，溶液容易吸收周围环境的温度所携带的能量。

(三)热泵发动机是具有热泵制冷的汽轮机，利用制冷剂工质吸收燃料燃烧的热量(在热泵锅炉中进行)，在高温高压下膨胀作功；由于制冷剂能膨胀到很低温度，废气所带走的物理热大为减少，因此，热效率大为增加；由于制冷剂必须在临界压力的条件下工作，泄漏制汽剂是不允许的，因此，制冷剂推动涡轮产生的功率不宜直接输出，而带动发电机产生电能，涡轮与发电机用金属壳封闭，并在壳内充填制冷剂避免制冷剂泄漏。电能再使电动机作功而驱动车辆。热泵发动机除可利用高温度高压的制冷剂推动发动机；进而发电；亦适于把高温高压的制冷剂，在强电场中产生电子和离子，在磁流体发电装置中发电。目前，喷气发动机和火箭发动机排气温度很高，热效率很低。本热泵电火箭，利用制冷剂吸收燃气温度所携带的热能，转变成电能；废气排气温度很低，在强电场作用下产生电子和离子，在直线加速器中，受磁场的作用而产生安培力、在安培力的推动下，废气离子加速、最终以很大的加速度喷气作功、因而热效率很高。

(四)热泵能源机利用热泵制冷剂的临界温度很低的物质作工质如氮、氢等，除吸收燃料燃烧的热量，亦吸收周围环境的热量或吸收地下核爆炸产生热水的热量产生的电能，除直接作功外，可把电能用于水的电解生产氢，氢用作燃料；亦可加工成人造石油。这是大功率的，能满足人类对能源的需求。

(五)热泵锅炉利用热泵制冷机的制冷剂工质，生产高温高压的热气，热气加热载热体氮可以代替水蒸汽供热，最后还可进一步膨胀作功产生电能，用电解水的方法生产燃料氢。热泵锅炉同时与中央空调或大型冷库联合。二气化碳和氮回收利用，不再排放。

(六)热泵氨和尿素工艺利用热泵锅炉供热，利用热泵深冷机，很易获得低温，利用液氮洗涤，精制合成气；利用低温分离合成气中的氨；氨在低压150大气压下合成。热泵尿素工艺，利用气提法，使尿液能吸周围的热量；把汽提气引入汽提塔的管间，则能将甲铵生成热为尿液汽提所利用，因而降低尿素生产的蒸汽消耗。

2、根据权利要求1述的热泵制冷机。(一)热泵空调冰箱两用机，以二氧化碳作制冷剂，含30％氯化钙的水溶液作吸收剂，空气作扩散剂；(二)氮热泵深冷机以氮作制冷剂，氢(或氦)作扩散剂；液体甲烷作吸收剂。(三)氢热泵深冷机以氢作制冷剂；氦作扩散剂，液氮作吸收剂。

3、根据权利要求1所述热泵助动车，摩托车发动机具有二氧化碳作制冷剂，空气作扩散剂。含30％氯化钙的水溶液作吸收剂；首先产生电能，再用电动机驱动车辆。

4、根据要求1所述，汽车、拖拉机、火车、轮船、发电等发动机，具有氮热泵制冷的氮蒸汽轮机，首先产生电能，再用电动机驱动车辆，(发电发动机则直接输出电功率)；发电有两种：一、涡轮推动发电机；二、氮热泵制冷机中的氮，在强电场中形成磁流体做功而发电。

5、根据权利要求1所述，热泵电火箭发动机具有氮热泵制冷机(或二氧化碳热泵制冷机)利用氮(或二氧化碳)吸收燃烧的热转变成电能、再使废气电离成电子和离子，在加速器中加速后喷气作功。

6、根据权利要求1所述热泵能源机，利用氮(或氢)热泵制冷机的氮(或氢)制冷剂，吸收燃烧的热能和吸收周围环境热量或地下核爆炸产生的热水的热量，转变成电能，用于水电解制氢或加工成人造石油。

7、根据权利要求1所述热泵锅炉，用二氧化碳或氮吸收燃烧的热量，加热其载热体氮代替水蒸汽供热，用氮(或二氧化碳)热泵制冷机除供热，还可以生产氢(或人造石油)，二氧化碳和氮不排放。热泵锅炉和中央空调或大型冷库联合。

8、根据权利要求1所述，热泵氨和尿素工艺，前者利用氮热泵制造深冷精制合成气和氨分离，后者则利用汽提吸收甲铵生成热，即管内汽提，管间冷凝。是能耗低的氨和尿素工艺。

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