CN1335923A - 由氨循环回路与二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种将天然介质的氨和二氧化碳组合起来加以利用,而能够进行冷却(冷冻)或加热(暖风)的新型的热泵系统。本发明的热泵系统(1)的特征是,由氨循环回路(2)和二氧化碳循环回路(3)组合而成,二氧化碳循环回路(3)中不必安装压缩机,而利用使循环回路内的二氧化碳介质形成落差而产生的自然循环现象,加之对循环回路内的一部分进行加热或冷却从而使二氧化碳介质循环,并且,氨循环回路(2)的构成部件设置在离开进行目标的冷却和加热的设备的场所。
Description
技术领域
本发明涉及利用天然介质的热泵系统，特别是涉及使用天然介质的氨和二氧化碳却能够实现经济实用性的新型的热泵系统。
背景技术
为了防止对地球周围的臭氧层造成破坏和地球出现暖化现象，在蒙特利尔协议和防止地球温暖化京都会议中，就禁止或削减使用含氟氯化碳(CFC)、氢化含氟氯化碳(HCFC)、氢化氟代烃(HFC)等制冷剂的目标作出了决议。CFC、HCFC、HFC分别被称作特定卤化碳、指定卤化碳、替代卤化碳，对其具体的限制是，对于特定卤化碳，到1995年末完全禁止使用，对于指定卤化碳，预定到2020年完全禁止使用，而对于替代卤化碳，向大气中的排放也受到严格限制。这样，在冷冻空调设备等的热泵系统中，使用氨、二氧化碳、空气、水等天然介质就变得必要了。
但是，氨具有毒性，使用上受到很多限制，例如，若要在包括非特定大客流的超级市场的商品陈列橱、饭店等在内的各种大厦的空调的蒸发器等中使用，安全上、经营上存在着难度。
而作为二氧化碳气体，其临界温度(31.1℃)低、常温下的饱和压力高(作为一个例子，例如：在31.1℃时，大约为75kg/cm2Abs)，因此，在蒸发温度较高的空调用冷冻设备中使用时效率差，不利于使用。而当因此而必须使用压缩机时，相关设备要有较高的耐压性能，因而不仅重量重而且价格高；由于存在这样的问题，作为利用氨和二氧化碳的二元冷冻装置等的热泵系统，尽管理论上可行，但实用上存在着问题，目前的现状是几乎未得到采用。
本发明是基于对上述背景的认识而尝试性地开发的一种新型的热泵系统，即，将氨和二氧化碳等存在于自然界中、能够有机地重复循环的天然介质组合起来加以利用，而对氨的缺点——毒性问题和二氧化碳的缺点——常温下饱和压力高等所带来的问题加以解决，并使其达到经济实用，使之能够进行冷却(冷冻)和加热(暖风)。
发明的公开
即，权利要求1所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统属于由以氨为介质的氨循环回路和以二氧化碳为介质的二氧化碳循环回路组合而成的、可进行冷却或加热的热泵系统，其特征是，所说二氧化碳循环回路是在不安装压缩机的状态下进行自然循环。
根据该发明，由二氧化碳循环回路内不需要安装旨在使二氧化碳介质进行循环的压缩机，因此，不会形成大的动力负荷，而且不必使用任何压力容器，能够提供廉价的热泵系统。
权利要求2所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统是在前述权利要求1所说的要点的基础上，具有如下特征而成，即，所说不安装压缩机的情况下二氧化碳介质的循环是利用使二氧化碳循环回路内的二氧化碳介质形成落差而产生的自然循环现象，加之对二氧化碳循环回路内的一部分进行加热或冷却而实现的。
根据该发明，是通过对落差加以利用的自然循环现象，加之对二氧化碳循环回路内的一部分进行加热或冷却而使二氧化碳介质循环的，因此，能够可靠且高效率地运行。
权利要求3所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统是在前述权利要求1或2所说的要点的基础上，具有如下特征而成，即，所说二氧化碳循环回路由冷却运行时起作用的二氧化碳冷冻循环回路和加热运行时起作用的二氧化碳加热循环回路构成，并且，该二氧化碳冷冻循环回路是将使二氧化碳蒸发而对目标进行冷却的蒸发器安装在比将二氧化碳介质冷却、液化的级联冷凝器低的位置上而成，而二氧化碳加热循环回路是将使二氧化碳凝结而对目标进行加热的散热器即冷却运行时的所说蒸发器安装在比将二氧化碳介质加热、气化的吸热器高的位置上而成，冷却运行时，使所说氨循环回路工作而通过级联冷凝器，将二氧化碳冷冻循环回路中的二氧化碳介质冷却、液化，而加热运行时，通过吸热器将二氧化碳加热循环回路中的二氧化碳介质加热、使之蒸发，从而使二氧化碳循环回路中的二氧化碳介质循环。
根据该发明，级联冷凝器和二氧化碳循环回路侧的对目标进行冷却或加热的蒸发器或散热器可以由管材和板材等构成。
权利要求4所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统是在前述权利要求1、2或3所说的要点的基础上，具有如下特征而成，即，所说氨循环回路的构成部件设置在离开对目标进行冷却和加热的蒸发器或散热器的场所。
根据该发明，将氨循环回路的构成部件设置在例如户外或屋顶等远离对目标进行冷却和加热的设备的场所，因此，能够切实保证安全。
权利要求5所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统是在前述权利要求1、2、3或4所说的要点的基础上，具有如下特征而成，即，在所说二氧化碳循环回路内设有对二氧化碳介质的循环进行二次助力的液泵。
根据该发明，与以相同目的而使用的氨作为制冷剂的盐水冷却器(利用显热者)相比，能够以极小的液泵动力负荷辅助二氧化碳介质进行循环，能够使二氧化碳介质的循环更为可靠。
附图的简单说明
图1是对本发明的热泵系统的实施形式1以摘要形式加以展示的流向图。
图2是对本发明的热泵系统的实施形式2以摘要形式加以展示的流向图。
图3是对二氧化碳循环回路内设置对二氧化碳介质的循环进行二次助力的液泵的实施形式以摘要形式加以展示的流向图。
图4是对一个冷冻循环回路(冷冻·加热循环回路)内设置多个目标的蒸发器(散热器)的实施形式以摘要形式展示的流向图。
图5是对氨循环回路内设有储热装置的实施形式以摘要形式加以展示的流向图。
图6是对二氧化碳循环回路内的吸热器上，将氨循环回路的排热(凝结热)作为热源加以利用的实施形式以摘要形式加以展示的流向图。
实施发明的最佳形式
下面，对本发明的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统1结合图示的实施形式进行说明。该热泵系统1并不限于专用于进行冷冻的冷冻系统，也包括可有选择地进行冷冻和加热的冷冻·加热系统，例如，可应用于冷藏库和超级市场的商品陈列冷冻橱，这一点自不待言，而且，还能够应用于饭店和各种办公大厦等空调所必需的暖风装置等中。下面，就本发明的热泵系统1，将作为专门的冷冻装置而加以应用的形式作为实施形式1进行说明，将作为可有选择地进行冷冻和加热的冷冻·加热装置加以应用的形式作为实施形式2进行说明。实施形式1
在该实施形式中，作为热泵系统1，是专门只进行冷冻的，如图1所示，由高段一侧的氨循环回路2与低段一侧的二氧化碳循环回路3组合而成。
氨循环回路2，作为一个例子，以具有压缩机4、冷凝器5、膨胀阀6、级联冷凝器7而成，实质上是通过该级联冷凝器7，对二氧化碳循环回路3内的二氧化碳进行冷却。此外，作为该氨循环回路2，由于介质是具有毒性的氨，故尽可能减少其封入量，同时，将构成氨循环回路2的部件设置在作为一个例子的户外或屋顶，使之远离商品陈列冷冻橱等目标的蒸发器。
而二氧化碳循环回路3，作为一个例子，除了上述级联冷凝器7之外，还具有节流阀8、蒸发器9而成，该循环回路中的例如节流阀8和蒸发器9或者仅蒸发器9设置在室内，通过风扇9a对商品陈列橱等进行冷却。为了以蒸发器9部分对目标进行冷却，将级联冷凝器7设置在比蒸发器9高的位置上，在它们之间形成二氧化碳介质的落差。
下面，对热泵系统1的冷却原理进行说明。首先，在氨循环回路2中，受到压缩机4压缩的气态的氨在通过冷凝器5时，被冷却水或空气冷却而成为液体，变成液体的氨。通过膨胀阀6膨胀到与所需低温相应的饱和压力之后，在级联冷凝器7处蒸发而变成气体。此时，氨吸收二氧化碳循环回路3内二氧化碳的热量而使之液化。
另一方面，在二氧化碳循环回路3中，经级联冷凝器7冷却而液化的液化二氧化碳靠对落差加以利用的自然循环现象而下降，流经节流阀8而进入对目标进行冷却的蒸发器9内，在这里受热蒸发而变成气体再次返回级联冷凝器7中。
而对落差加以利用的自然循环现象本身，通常已为人们所知，例如在对精密机械零部件等进行冷却的热管等中，也利用了同样的原理。但是，这种热管，仅限于使工作液(介质)进行循环，并不附带有进一步的冷却作用。对此，作为本发明，并不是仅仅存在对落差加以利用的自然循环现象，而且还具有如下特征性结构，即，通过对液体的循环量进行控制而冷却或加热二氧化碳介质从而积极地使介质进行循环。实施形式2
在该实施形式中，热泵系统1是能够有选择地进行冷冻和加热的系统，如图2所示，由氨循环回路2和二氧化碳循环回路3组合而成，而作为氨循环回路2，与实施形式1大致相同，故在此省略其说明，而对二氧化碳循环回路3进行说明。
二氧化碳循环回路3具有冷却运行时起作用的二氧化碳冷冻循环回路3A和加热运行时起作用的二氧化碳加热循环回路3B。其中，二氧化碳冷冻循环回路3A与上述实施形式1大致相同，除了级联冷凝器7之外，还具有节流阀8、蒸发器9A；而二氧化碳加热循环回路3B具有节流阀8、散热器9B、吸热器10。而该吸热器10是例如利用锅炉等对二氧化碳加热循环回路3B内的二氧化碳进行加热而使之蒸发的装置。蒸发器9A和散热器9B实质上是同一个设备，而在冷却运行和加热运行时的作用不同，故在此赋予了不同的编号。此外，在二氧化碳冷冻循环回路3A和二氧化碳加热循环回路3B二者的连接部上，作为一个例子，设有如图2所示的切换阀11a、11b、12a、12b。
并且，二氧化碳循环回路3中的例如节流阀8和蒸发器9A(散热器9B)、或者仅蒸发器9A(散热器9B)设置在室内，通过风扇9a进行目标的冷却和加热。而级联冷凝器7设置在比进行目标的冷却的蒸发器9A高的位置例如屋顶上，并且，吸热器10设置在比进行目标的加热的散热器9B低的位置例如地下。通过这样构成，在级联冷凝器7和蒸发器9A之间、以及吸热器10和散热器9B之间形成了落差。
下面，对热泵系统1的工作原理进行说明。在说明中，分为冷却运行和加热运行进行说明。图中的实线箭头表示冷却循环回路，虚线箭头表示加热循环回路。
(1)冷却运行
冷却运行时，作为氨循环回路2，处于与上述实施形式1相同的状态。而作为二氧化碳循环回路3，切换阀11a、12a打开，切换阀11b、12b关闭，仅二氧化碳冷冻循环回路3A起作用。因此，被级联冷凝器7冷却而液化的液化二氧化碳靠对落差加以利用的自然循环现象而下降，流经节流阀8进入对目标进行冷却的蒸发器9A中，在该蒸发器9A中受热而蒸发，成为气体再次返回级联冷凝器7。
(2)加热运行
加热运行时，氨循环回路2不起作用，停止工作。
而二氧化碳循环回路3中，切换阀11b、12b打开，切换阀11a、12a关闭，仅二氧化碳加热循环回路3B起作用。因此，被吸热器10加热而气化的二氧化碳靠对落差加以利用的所谓的自然循环现象而上升，被引向对目标进行加热的散热器9B中，在该散热器9B中冷却而变成液化二氧化碳，经由节流阀8再次返回吸热器10中。
作为本发明，如上述实施形式1、2所述，使得二氧化碳循环回路3内产生自然循环现象，而且还进行冷却或加热，以此使二氧化碳循环回路3中的二氧化碳介质循环，故二氧化碳循环回路3内不需要设置压缩机。因此，对于级联冷凝器7和蒸发器9、9A(散热器9B)，均不必使用大的压力容器而可以以管材和板材等构成。因此，即使二氧化碳循环回路3内变成常温而处于大约75kg/cm2Abs程度的高压状态，无论在技术上还是经济上均很容易保证安全。
而旨在利用二氧化碳的潜热的液流配管，可以使用口径较小的配管。作为一个例子，-20℃下所需要的液化二氧化碳的容量约为利用其显热的氯化钙冷却器的1/40～1/90，仅靠液化二氧化碳的落差，也能够以小口径的配管将足够量的液化二氧化碳送入蒸发器9、9A。
但是，在对二氧化碳介质的循环进行二次助力、以使循环更为可靠地进行的场合，最好是采用循环回路内设置液泵P的形式。这是由于，即使使用液泵P，也不会改变对二氧化碳潜热的利用，只需极小的泵动力负荷即可，能够在总的热交换效率大体不下降的情况下，经济地运行。作为一个例子，对使用-20℃的氯化钙冷却器和液化二氧化碳的场合进行比较，其结果，作为将冷藏库保持在-15℃时的泵动力也考虑在内的总的制冷系数，使用液化二氧化碳者要优越约30％。而将液泵P设置在二氧化碳循环回路3内的场合，作为一个例子，可如图3所示，紧挨着级联冷凝器7的下方进行设置。其它实施形式
本发明虽然以上述实施形式为基本技术思想，但还可以作如下的改进。即，在前面图1～图3所示的实施形式中，对目标进行冷却或加热的蒸发器9、9A(散热器9B)是在一个冷冻循环回路或冷冻·加热循环回路内设置了一个，但也可以根据需进行冷却或者加热的场所的数量和广度或者所需冷却(加热)能力等各种条件而相对应地，例如如图4所示地，设置多个蒸发器9、9A(散热器9B)。而且，在这种场合，例如也可以将多个节流阀8归纳为一个。
此外，图5示出在氨循环回路2内设置储热装置13的实施形式，在夜间利用比白天廉价的夜间电力进行储热，该储存起来的热量可用于白天的冷却运行，因此，能够以良好的效率进行运行。
另外，图6示出作为冷冻·加热装置加以应用时可采用的实施形式，是一种在二氧化碳循环回路3内的吸热器10中将氨循环回路2的排热(凝结热)作为热源加以利用的形式，可实现运行效率的进一步提高。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明的热泵系统是由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的、进行冷却或加热的系统，由于在二氧化碳循环回路中不安装压缩机地进行自然循环，因此，装置本身能够以低成本进行制造，适用于希望以良好的效率进行目标的冷冻或加热的场合。
Claims (5)
1.一种由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统，是由以氨为介质的氨循环回路(2)和以二氧化碳为介质的二氧化碳循环回路(3)组合而成的、可进行冷却或加热的热泵系统(1)，其特征是，所说二氧化碳循环回路(3)是在不安装压缩机的状态下进行自然循环。
2.如权利要求1所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统，其特征是，所说不安装压缩机的情况下二氧化碳介质的循环是利用使二氧化碳循环回路(3)内的二氧化碳介质形成落差而产生的自然循环现象，加之对二氧化碳循环回路(3)内的一部分进行加热或冷却而实现的。
3.如权利要求1或2所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统，其特征是，所说二氧化碳循环回路(3)由冷却运行时起作用的二氧化碳冷冻循环回路(3A)和加热运行时起作用的二氧化碳加热循环回路(3B)构成，并且，该二氧化碳冷冻循环回路(3A)，是将使二氧化碳蒸发而对目标进行冷却的蒸发器(9A)安装在比将二氧化碳介质冷却、液化的级联冷凝器(7)低的位置上而成，而二氧化碳加热循环回路(3B)是将使二氧化碳凝结而对目标进行加热的散热器(9B)、即冷却运行时的所说蒸发器(9A)安装在比将二氧化碳介质加热、气化的吸热器(10)高的位置上而成，冷却运行时，使所说氨循环回路(2)工作而通过级联冷凝器(7)，将二氧化碳冷冻循环回路(3A)中的二氧化碳介质冷却、液化，而加热运行时，通过吸热器(10)将二氧化碳加热循环回路(3B)中的二氧化碳介质加热、使之蒸发，从而使二氧化碳循环回路(3)中的二氧化碳介质循环。
4.如权利要求1或2或3所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统，其特征是，所说氨循环回路(2)的构成部件设置在离开对目标进行冷却或加热的蒸发器(9、9A)或散热器(9B)的场所。
5.如权利要求1或2或3或4所说的由氨循环回路和二氧化碳循环回路组合而成的热泵系统，其特征是，在所说二氧化碳循环回路(3)内设有对二氧化碳介质的循环进行二次助力的液泵(P)。
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