CN1975288A - 一种分子能空调器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分子能空调器系统。空气压缩机通过高压空气输送管道连接冷却器，冷却器通过高压空气输送管道连接压缩空气储存容器，压缩空气储存容器再通过高压空气输送管道连接膨胀机，压缩空气储存容器上连接有压缩空气供应管道，膨胀机分两路与膨胀功输出轴和通过低压低温水或空气输送管道连接到冷、热交换器上，膨胀机又与发电机连接，发电机与电力输出导线连接；冷却器连接冷空气或冷水入口、热空气或热水出口管路。能确保制热效率始终大于1，制热效果不因环境温度低而降低。具有向用户供应压缩空气能力，以节省生产压缩空气的电力。节省空调制冷能源。高温季节供冷时不消耗外界能量，会从环境中吸收大量热量，减轻城市热岛效应。

Description

一种分子能空调器系统

技术领域

本发明涉及一种空气调节系统，特别适用于一种采用分子能技术的空调器系统。

技术背景

随着生活水平的提高，人们对于居家、工作环境的要求也在不断提高，冬季通过取暖的方式消除寒冷，夏季通过制冷的方式消除炎热，空调已经成为人们所必须的生活伴侣。

为了取暖和降温，人们使用电力，燃油、煤碳、天然气等矿物能源，这涉及到电力、燃料短缺，及空气污染、环境污染等缺点，其中，燃煤是我国主要的取暖方式，污染十分严重，且供热效率只能达到35％-58％之间，直接用电取暖的供热效率最低仅为30％，资源浪费极其严重。空调，无论是家用空调，还是中央空调，也无论驱动方式是采用电力拖动，还是采用燃烧燃料驱动，都存在这样一个问题：当使用空调取暖时，在制热的同时，还要向环境中排放大量冷量；当使用空调降温时，在制冷的同时，还要向环境中排放大量的热量，这是对紧缺的能源的一种巨大浪费。此外，当环境温度很低比如-15℃以下时，空调基本上是无法正常工作产生制热量，目前市场上无论是家用空调还是中央空调，在室外温度达到-5℃到-10℃时，制热量都要衰减30％-40％，到了-15℃左右其制热量已经衰减50％以上，甚至由于结霜而不能进行制热；而当环境温度很高比如35℃以上时，空调的制冷效果就要大打折扣等，这些现象的存在，严重影响了空调的效率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目标是提供一种利用分子能技术，使其具有高效率的制热和制冷效果，并且能极大限度地降低能源的消耗，改善人们的工作、生活环境和自然环境的一种分子能空调器系统。

本发明的技术方案是这样解决的：分子能技术空调器系统包括空气压缩机和高压空气输送管道，其显著的进步在于空气压缩机通过高压空气输送管道连接一个冷却器，冷却器通过高压空气输送管道连接一个压缩空气储存容器，压缩空气储存容器再通过高压空气输送管道连接一个膨胀机，压缩空气储存容器上连接有压缩空气供应管道，膨胀机分两路分别与膨胀功输出轴和通过低压低温水或空气输送管道连接到冷、热交换器上，膨胀功输出轴又与发电机连接，发电机与电力输出导线连接，向外输出电力；冷却器上分别连接有冷空气或冷水入口管路、热空气或热水出口管路，空气压缩机连接进气管路。

本发明系统的原理及特点是：

(1)一种分子能空调器系统，包括：密闭的制热型热泵和封闭的热量循环系统，压缩空气储存容器，分子能输出及冷量输出系统。

(2)在上述(1)所述的密闭的制热型热泵，具有一个紧凑的封闭空间，一台或多台空气压缩机和一套或多套冷却水或冷却空气循环系统。空调所产生的全部热量由冷却剂输出，而不向周围的空间或环境排放。

(3)在上述(1)和(2)所述的密闭的制热型热泵，是一种中高压力的空气压缩机，其目的在于产生压力和温度较高的压缩空气。

(4)在上述(1)和(2)所述的热量循环系统，是一种置于上述(2)所述的紧凑的封闭空间内的冷却剂流动的管路，冷却剂为水或空气，即可水冷，可气冷，冷却水或冷却空气经空调循环后成为高温载热工质，通过空调机外部的管路对用户供热、供暖。

(5)在上述(1)所述的压缩空气储存容器，是一种中高压力的压缩空气储存容器，其目的是用于储存压缩机在制热过程中产生的高压空气。

(6)在上述(1)所述的分子能输出及冷量输出系统，是一个由压缩空气膨胀机和低温空气管路组成的分子能应用系统，其目的是将以压缩空气形式储存起来的分子能进行还原释放，得到两种产物：一是将分子能转换为机械能，可以将这种机械能用于发电而得到电力，二是温度极低的冷空气。

本发明的空调与现有技术相比，具有以下效果：

(1)制热采用开放式热泵循环的方式，无论是冬季取暖供热，还是其它季节需要供热，可以确保制热效率始终大于1。

(2)热泵的工质采用空气，确保在环境温度低于-15℃，甚至更低的温度下制热效率始终大于1，且对于环境无任何污染。根据热力学公式，在热泵循环中，压缩空气所释放出来的热量取决于空气的焓变，与现有空调上所采用的工质相比具有的优势，因此，本发明的热泵循环的制热效果不会因为环境温度很低而降低。

(3)将经过热泵压缩的空气储存在一个压力容器内，所消耗的能量转换为分子能储存起来，可以作其它用途。根据有关的统计报告，美国有些地区用来生产压缩空气的电力消耗高达70％，而在中国大陆，这一比例约为30％。也就是说，在消耗大量的电力用于生产压缩空气的同时，将大量的热量散发到空气中，大量的热量被白白地浪费了。在本发明中由于产生热量进行供热是主要目的，而所采用的开放式热泵，其所生产的压缩空气则被全部收集储存起来，可以向需要压缩空气的用户供应压缩空气，从而节省了用于生产压缩空气的电力。

(4)储存的压缩空气经膨胀机做功后向系统外输出能量，这部分能量可以用来发电输出电力，同时产生温度极低的冷空气，这些含有巨大冷量的冷空气将用于室内等场所的致冷目的。压缩空气实质上是储备有分子能量的物质，根据热力学原理，在压缩空气膨胀的过程中，因释放出分子能而做功，成为一种能量的来源，而在分子能释放的过程中，同时产生温度极低的冷空气，这些温度极低的冷空气可以在夏天等高温季节用于室内、商场等场所的降温，可节省夏季空调制冷所消耗的巨大能源。也就是说，根据本发明所述的供热方案，实现了一次消耗能源，为三个不同需求所用的目的，其经济效益和社会效益是十分可观的。

(5)由于本发明的空调在夏天等高温季节供冷时不消耗外界的能量，故不会产生相应的热量，相反，还会从环境中吸收大量的热量，这对于改善夏日城市环境，减轻城市热岛效应具有十分明显的环境保护效应、经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的分子能空调系统的构成框图；

图2为本发明的热泵供热、制冷循环系统流程图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对本发明的内容作进一说明：

系统的静态状况

参照图1、图2所示，空气压缩机1通过高压空气输送管道2连接一个冷却器14，冷却器14通过高压空气输送管道2-1连接一个压缩空气储存容器3，压缩空气储存容器3再通过高压空气输送管道2-2连接一个膨胀机4，压缩空气储存容器3上连接有压缩空气供应管道8，(注：这是本发明的一个附加功能，除制热、制冷外，还可以向系统外供应压缩空气)，膨胀机4分两路分别与膨胀功输出轴9和通过低压低温水或空气输送管道5连接到冷、热交换器器6上，膨胀功输出轴9又与发电机10连接，发电机10与电力输出导线11连接；冷却器14上分别连接有冷空气或冷水入口管路12、热空气或热水出口管路13，空气压缩机1连接进气管路7。

上述所说分子能的作用原理，是指压缩气体储存容器中的气体，因改变气体分子的势能空间的空间尺度而吸收或释放的一种能量，这种势能空间是由原子核自身运动及核外电子高速运动所产生，其特点是，对气体分子施加压力时，气体分子的势能空间缩小，或者说气体分子的体积缩小，气体分子吸收并储存外界所施予的能量同时放出热量；当撤除施加给气体分子的加力时，气体分子的势能空间膨胀，或者说气体分子的体积增大，气体分子释放出所存储的能量，同时吸收外界的热量。

系统的动态状况

如图2所示，自然环境中的空气，通过进气管路7，经过滤后进入空气压缩机1，经过压缩的空气放出大量的热量，这些热量经过冷却器14，由高温水或空气输送管道13输送到需要供热的地方，被冷却了的压缩空气输送到储存容器3中，以备后面所用。

如图1所示，储存于压力容器3内的压缩空气，通过膨胀机进行膨胀，释放出分子能，一方面输出机械能，通过发电机10输出电力，另一方面，压缩空气膨胀后成为温度极低的冷空气，通过管道5输送到冷热交换器6中，经过冷热交换后为需要冷却的房间或场所提供制冷量，当然，如果直接将膨胀机产生的温度极低的冷空气用于向用户供冷，则冷热交换器6是可以省去的。在这个过程中，制冷系统不但不消耗外界的能源，而且还有一部分能量向系统外输出。

根据热泵循环的经济指标即供暖系数

${\mathrm{\ϵ}}_H=\frac{w_{\mathrm{net}}+q_L}{w_{\mathrm{net}}}$

w_net＝w_c-w_T

其中：ε_H--供暖系数

       w_net--供给系统的净功

       w_c--压缩机消耗的功

w_T--膨胀机所做的功

q_L--取自环境介质的热量可知，ε_H永远大于1，和其它加热方式(如电加热、燃料燃烧加热等)比较，热泵循环不仅把消耗的能量如电能等转化成热能输向加热对象，而且依靠这种能质下降的补偿作用，把低温热源的热量q_L“泵”送到高温热源。

根据本发明的系统组成，因设置有压缩空气储存容器、膨胀机和发电机，故该系统从体积上讲是比较大的，因此根据本发明的分子能空调系统比较适合较大的应用场合或者说比较适合对供热与供冷量比较大的用户，而对于家用空调来说，因为城市居住的空间相对来说是紧凑和拥挤的，压缩空气储存容器太小是很难满足使用要求的，当然，如果将本发明的空调用于家庭，可以少去膨胀机和发电机，空调可以做得相对更紧凑，体积也可以更小，除压缩空气储存容器以外的部分都可以放在室内，则该空调的供热和供泠效果会更好，压缩空气储存容器的体积可以根据实际需要和可能性进行合理设计，其缺点是分子能量被浪费掉了。对于大用户来说，可以设置专用的空调区，这与现有的大型中央空调设置专门的区域是相同的，根据本发明的空调系统，因为空气压缩机所产生的全部热量都将被按照需要输送出去，故空气压缩机的体积可以做得很小，除了冷却水或冷却空气循环的管道外，不再需要类似现有空调上所采用的风机一类的冷却系统，也省去了为中央空调配置的体积庞大的冷却塔，但是要根据供热和供冷要求设计压缩空气储存容器的容积，如果供热和供泠量的要求较大，则需要体积比较大的压缩空气储存容器。下面是根据本发明的空调系统应用举例的理论计算。

如2所示，设在冬季进入空气压缩机1的空气状态是p₁＝0.1MPa，t₁＝-20℃，在压缩机内定熵压缩到p₂＝0.5MPa，然后进入冷却系统14，离开冷却系统时的温度为t₃＝20℃，进入压缩空气储存容器3时的温度降为t₄＝-20℃。到夏季时，压缩空气储存容器3内的压缩空气温度为t₅＝35℃，经过膨胀机的膨胀作用，将分子能转换为机械能并输出机械能，膨胀机出口处的空气压力为p₆＝p₁＝0.1MPa，冷空气进入室内，要求室内温度保持为t₇＝25℃。空气视为定热比容的理想气体，k＝1.4，定热比容c_p＝1.005，T＝t+273.15K。计算出该空调系统所消耗的能量，输出的能量，输出的热量，输出的冷量及空调的制热系数，制冷系数，总效率。

实施例

1.系统的压缩比π＝p₂/p₁＝0.5/0.1＝5

压缩机出口空气的温度

$T_2=T_1{\mathrm{\π}}^{\frac{k-1}{k}}=253.15\×5^{\frac{1.4-1}{1.4}}=401.13K$

2.到夏季时压缩空气储存容器3内的压力为

$p_5=p_2\frac{T_5}{T_4}=0.5\×308.15/253.15=0.6\mathrm{MPa}$

膨胀机的压缩比π′＝p₅/p₆＝0.6/0.1＝6

膨胀机出口处的空气温度

$T_6=T_5{{\mathrm{\π}}^{\′}}^{-\frac{k-1}{k}}=308.15\×6^{-\frac{1.4-1}{1.4}}=184.68K$

3.压缩机耗功为

w_c＝h₂-h₁＝c_p(T₂-T₁)＝1.005×(401.13-253.15)＝148.12kj/kg

4.膨胀机作出的功为

w_T＝h₅-h₆＝c_p(T₅-T₆)＝1.005×(308.15-184.68)＝124.09kj/kg

5.空气在冷却系统内的放热量为

q_L＝h₂-h₃＝c_p(T₂-T₃)＝1.005×(401.13-293.15)＝108.52kj/kg

6.冷空气在室内吸热量即为制冷量

q_c＝h₇-h₆＝c_p(T₇-T₆)＝1.005×(293.15-184.68)＝190.01kj/kg

7.循环的净功为

w_net＝w_c-w_T＝148.12-124.09＝24.03kj/kg

8.系统的制热系数为

${\mathrm{\ϵ}}_H=\frac{q_L+w_{\mathrm{net}}}{w_{\mathrm{net}}}=\frac{108.52+24.03}{24.03}=5.51$

9.系统的制冷系数为

${\mathrm{\ϵ}}_C=\frac{q_c}{w_{\mathrm{net}}}=\frac{190.01}{24.03}=7.9$

10.本发明的空调理论总效率为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{q_L+q_c+w_{\mathrm{net}}}{w_{\mathrm{net}}}=\frac{108.52+190.01+24.03}{24.03}=13.44$

从上面的理论计算不难看出，由于本发明的空调在夏天等高温季节供冷时不消耗外界的能量，故其理论总效率是很高的，这同目前已有的各种空调相比具有明显的优势，尽管在实际应用中达不到这样的总效率，但是它在供热状态的热效率基本上不受很低的环境温度影响，仍能保持可观的热效率，这就是热泵供热循环本身的优势。综合起来考虑，本发明的空调无论是对于节约能源，保护环境，降低使用空调的成本都具有很好的经济效益和社会效益。

综上所述，本发明的空调系统在提高能源利用效率，降低能源消耗和环境保护中具有十分明显的优点，其中：

(1)制热采用开放式热泵循环的方式，无论是冬季取暖供热，还是其它季节需要供热，均可以确保制热效率始终大于1；

(2)热泵的工质采用空气，确保在环境温度低于-15℃，甚至更低的温度下制热效率始终大于1，且对于环境无任何污染；

(3)将经过热泵压缩的空气储存在一个压力容器内，所消耗的能量转换为分子能储存起来，可以作其它用途，例如，可以为需要压缩空气的用户供应压缩空气；

(4)储存的压缩空气经膨胀做功后向系统外输出能量，即在需要供应制冷量的季节，本发明的空调系统可以向外输出电力，同时产生温度极低的冷空气，这些含有巨大冷量的冷空气将用于室内、商场等场所的降温致冷目的。为解决上述问题及人们对能源的需求，改善家居、出行、工作环境的需求，根据本发明，采用了分子能的某些特性，将人们在供热与供冷过程中需要两次消耗能源完成的任务减少为仅消耗一次能源，即将供热过程中产生的高压空气以分子能的形式储存起来，以便在需要供冷的季节或场合用来膨胀做功释放出分子能，向系统外输出电力等形式的能量，同时还输出冷量，满足人们对降温防暑的需求。

Claims (1)

1、一种分子能空调器系统，包括空气压缩机(1)和高压空气输送管道(2)，其特征在于空气压缩机(1)通过高压空气输送管道(2)连接一个冷却器(14)，冷却器(14)通过高压空气输送管道(2-1)连接一个压缩空气储存容器(3)，压缩空气储存容器(3)再通过高压空气输送管道(2-2)连接一个膨胀机(4)，压缩空气储存容器(3)上连接有压缩空气供应管道(8)，膨胀机(4)分两路分别与膨胀功输出轴(9)和通过低压低温水或空气输送管道(5)连接到冷、热交换器(6)上，膨胀功输出轴(9)又与发电机(10)连接，发电机(10)与电力输出导线(11)连接，向外输出电力；冷却器(14)上分别连接有冷空气或冷水入口管路(12)、热空气或热水出口管路(13)，空气压缩机(1)连接进气管路(7)。