CN1281135A - 分离热管型热喷射式制冷和供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的分离热管型热喷射式制冷和供热系统包括一热端装置和一通过中间管道连接于热端装置的主热管。主热管包括蒸发端、冷凝端和绝热段。一基本设置在绝热段内的内置引射器包括一吸入腔、一两相喷管、一扩压管。在蒸发端内设有一蒸发器,在冷凝端内设有一冷凝器。本发明的制冷和供热系统可利用工业余热或太阳能等低焓热能来制冷或供热,其结构简单,运行方便,性能系数较高,并且体积小巧。

Description

分离热管型热喷射式制冷和供热系统
本发明涉及热喷射式制冷和供热系统，特别是涉及一种分离热管型热喷射式制冷和供热系统。
传统的蒸汽喷射式制冷机是以热能为动力、以液体制冷剂蒸发吸热来制冷的。蒸汽喷射式制冷机主要由喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵等组成，通常是以水作为单一循环工质来进行喷射制冷。其缺点如下：利用高温、高压蒸汽来制冷，其焓值很高，因而造成巨大的能量浪费；一般需要多级喷嘴逐级降压喷射，使设备复杂化且占据较大空间；蒸发和冷凝均需在较高真空度下进行；冷凝量巨大，因而冷却设备庞大。由于存在上述缺陷，所以这种蒸汽喷射式制冷机目前已基本被淘汰。
为实现太阳能制冷，目前有很多人都致力于应用氟利昂工质进行喷射制冷的研究，但所获得的制冷性能系数(COP)较低，故也未得到广泛应用。
本发明将热管应用到制冷和供热领域。热管和分离型热管系统原是一种采用相变强化传热原理的新型传热元件和换热装置，被广泛用于工业、电子和航天业中。热管是一种结构简单而小巧、传热效率高的传热元件。其构造为两端封闭、能耐受压力的圆形金属管，内壁装镶以多层金属细网或其它毛细管物体(称为“管芯”)，管中充以少量水、制冷剂或其它适当的工作液体。当热管的一端受热而另一端被冷却时，液体在受热端内吸热汽化，蒸汽流至另一端冷凝放热，冷凝后的液体由管内壁处管芯的毛细管作用又渗回热端，如此循环不已，从而使热量不断地从高温处传至低温处。在可以利用重力作用使冷凝液从冷端流回热端时，可以不用管芯。另外，所谓分离型热管就是将热端和冷端分开设置，并以管道相互连接，特别适用于冷、热端距离较远的场合。
目前已有人发明了热管活塞式发动机、热管透平机等，但还没有见到过有关热管制冷或供热技术的报导。
本发明的目的在于，提供一种可利用工业余热或太阳能等低焓热能来制冷或供热的热喷射式制冷和供热系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种分离热管型热喷射式制冷和供热系统，它包括：一构成分离型热管热端的热端装置；一通过中间管道连接于所述热端装置的主热管，它构成了分离型热管的冷端。所述主热管包括：一蒸发端；一与所述蒸发端相对的冷凝端；一位于所述蒸发端和冷凝端之间的绝热段；一基本设置在所述绝热段内的内置引射器，它包括一连通于所述蒸发端的吸入腔、一通过管道连接于所述热端装置并伸入吸入腔的两相喷管、一连通于吸入腔的混合管以及一连通于混合管的扩压管；一设置在所述蒸发端内的蒸发器，它具有可提供制冷用冷水的出口；一设置在所述冷凝端内的冷凝器，它具有可提供供热用热水的出口；以及一设置在所述蒸发端和冷凝端之间的连通细管。所述系统还包括一连通于所述冷凝端的真空泵。
由于采用分离热管的结构以及特殊的两相喷嘴，本发明的制冷和供热系统可以借助低焓的工业余热、太阳能等能源，直接利用过冷热水(压力较高但温度低于该压力下饱和温度的水)进行两相喷射来实现制冷和制热，是一项节约能源、具有可持续发展意义的能源利用新技术。与传统设备相比，该制冷和供热系统的结构简单、运行方便、性能系数较高、并且体积小巧。因此，可以将它广泛地应用于工厂、大楼、医院、宾馆等场合的制冷、供热及空调服务，是一种极具开发和应用前景的制冷和供热系统。
下面将通过一较佳实施例及其附图来详细地描述本发明。
图1是根据本发明一实施例的分离热管型喷射制冷和供热系统的示意图；
图2是热水喷射制冷过程的焓熵图；
图3是图1中两相喷管的剖视图。
图1示出了根据本发明一较佳实施例的分离热管型喷射制冷和供热系统10。为方便起见，下文中温度、压力的下标B、E、C分别是锅炉、蒸发器、冷凝器的缩写。
系统10是由一个主热管A和一个热端装置B组成，中间由管道连接，这样就构成了一个分离型热管。热端装置B可以是工业余热热水集热箱、太阳能集热器热水罐、或其它任何方式形成的热水源。主热管A构成了分离型热管的冷端，而且其本身也是一个热管。连接管道上设有泵5，用于将冷凝水增压回到热端装置B。主热管A由蒸发端1、绝热段3和冷凝端4组成。绝热段3可防止蒸发端1与冷凝端4之间通过壁面进行热传导。在绝热段3内设有一内置引射器2，它自上而下地包括吸入腔2a、两相喷管2b、混合管2c和扩压管2d。吸入腔2a连通于蒸发端1。两相喷管2b通过管道连接于热端装置B，并伸入吸入腔2a内。混合管2c连通于吸入腔2a，扩压管2d连通于混合管2c。在蒸发端1中设有蒸发用水，蒸发盘管8置于液面L1下方，通过换热在出口处提供制冷用冷水。冷凝端4内有冷凝水，冷凝盘管6置于液面L2下方，冷凝盘管6的出水可提供供热用热水。冷凝端4的液面L2上方的空间连接于一小型真空泵7。在蒸发端1和冷凝端4之间设有一根连通细管9，它可以将冷凝端4中的冷凝水输送至蒸发端1，通过一定的高度形成压差而达到节流或压力平衡。
下面将说明系统10的工作过程。
驱动热水(按照不同的需要，温度tB可以是65～120℃，压力PB可以是2～6×105Pa)从热端装置B进入主热管A中的引射器2，从两相喷管2b高速喷出，造成吸入腔2a形成接近真空的低压，使蒸发端内的水蒸发成饱和蒸汽，被吸入混合管2c。由喷管喷出的高速两相射流与从吸入腔吸入的饱和蒸汽在混合管内混合，再经扩压管2d增压至PC并进入冷凝端4。从扩压管2d喷出的湿蒸汽在冷凝盘管6的作用下，在冷凝端4中凝结。与此同时，真空泵7将冷凝端内的不凝性气体排出而维持所需的真空度或压力PC。冷凝液经泵5增压回到热端装置B，形成一个封闭的工作过程。从蒸发盘管8的出口处排出的水即是温度为TE的制冷用冷水，这样就形成了一个热水喷射制冷循环。从冷凝盘管6的出口排出的水的温度是TC，可作供热用热水。
当以供热为主要目的时，例如通过使喷管2b的位置进一步变动(调节流速、压力)，就能使TC升高，于是形成一个可供应较高温度热水的热泵循环。为更方便地实现这一功能，可以设置一个喷管升降装置(图中未示)来控制喷管2b的高度。
下面将结合图2的焓熵图来进一步描述系统10的工作原理和过程。
根据本发明的分离热管型热喷射式制冷和供热系统的热力过程在焓熵图上完全是在湿蒸汽区(即饱和线以下部分)进行，而传统的热蒸汽喷射制冷是在图中曲线右侧的过热取进行，从热力学的角度来看是完全不同的。
如图2所示，在分离型热管的热端B，经水泵增压(C’→P)，加热(P→B’)的过冷热水在A点进入特殊设计的喷管并膨胀(A→B’→①)，在出口处形成雾状高速喷流，此时在热管蒸发端压力PE下蒸发的饱和蒸汽在E”点进入吸入腔2a并膨胀到PS(E”→②)。状态为①和②的二股两相汽流在混合管内进行动量、热量交换的混合，因有损失，最后在点④的状态下进入扩压管2d(④→C)并增压至PC，然后进入热管冷凝端4，通过冷凝盘管6冷凝放热(C→C’)。状态为C’的冷凝水在热管冷凝端底部分两股流出。一部分冷凝水由泵5增压到压力PB，重复加热至B’，再次作为驱动热水。另一部分冷凝水通过连通细管9，借助压差(PC-PE)上升进入蒸发端1。细管9的高度取决于压差(PC-PE)和管阻力。在蒸发端1内，水在压力P下吸热蒸发，使进入蒸发盘管8的水冷却成为冷冻水供制冷或空调用。当把系统作为热泵使用时，通过调节PC和PE，在同样过程下将PC提高，使进入冷凝盘管6的水升温而达到供热水的要求。
图3是图1系统中所采用的两相喷管2b的剖视图。该喷管具有特殊设计的形状，其喉部具有一定长度S1-S2(而不是通常缩放喷管的过渡面)，其长度约为直径的10～15倍。
虽然上面已结合一较佳实施例对本发明进行了描述，但应该理解，熟悉本技术领域的人员在不偏离本发明实质的基础上仍可作出各种变型。例如，当把热端装置B置于足够高的位置(如将太阳能集热器热水罐置于屋面上)并将主热管A置于地面或低处时，形成落差压力PC，冷凝水可借助虹吸回到热端装置B，这样就可以省却真空泵5。另外，还可以在各管道上设置适当的阀或泵，以更好地调节压力，例如在细管9上设置一节流阀。因此，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1．一种分离热管型热喷射式制冷和供热系统，其特征在于，它包括：
一构成分离型热管热端的热端装置(B)；
一通过中间管道连接于所述热端装置(B)的主热管(A)，它构成了分离型热管的冷端，所述主热管(A)包括：
一蒸发端(1)；
一与所述蒸发端(1)相对的冷凝端(4)；
一位于所述蒸发端(1)和冷凝端(4)之间的绝热段(3)；
一基本设置在所述绝热段(3)内的内置引射器(2)，它包括一连通于所述
蒸发端(1)的吸入腔(2a)、一通过管道连接于所述热端装置(B)并伸入吸入腔
(2a)的两相喷管(2b)、一连通于吸入腔(2a)的混合管(2c)以及一连通于混合管
(2c)的扩压管(2d)；
一设置在所述蒸发端(1)内的蒸发器(8)，它具有可提供制冷用冷水的出
口；
一设置在所述冷凝端(4)内的冷凝器(6)，它具有可提供供热用热水的出
口；以及
一设置在所述蒸发端(1)和冷凝端(4)之间的连通细管(9)；以及
一连通于所述冷凝端(4)的真空泵(7)。
2．如权利要求1所述的制冷和供热系统，其特征在于，在所述热端装置(B)和所述主热管(A)之间的连接管道上设有一泵(5)。
3．如权利要求1所述的制冷和供热系统，其特征在于，它还包括一喷管升降装置。
4．如权利要求1所述的制冷和供热系统，其特征在于，所述两相喷管(2d)喉部的长度与直径之比是10～15。
5．如权利要求1所述的制冷和供热系统，其特征在于，所述热端装置(B)是太阳能集热器热水罐。
6．如权利要求1所述的制冷和供热系统，其特征在于，所述热端装置(B)是工业余热热水源。
7．如权利要求1所述的制冷和供热系统，其特征在于，所述热端装置(B)所用热水的温度(tB)是65～120℃，压力(PB)是2～6×105Pa。
8．如权利要求1所示的制冷和供热系统，其特征在于，在所述连通细管(9)上设有一节流阀。
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