專利名稱：主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)及節(jié)能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)，屬于空調(diào)制冷的節(jié)能增效技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景中國政府提出，2010年主要污染物排放總量要比2005年減少10%。這是中國政府全面落實科學發(fā)展觀的重大舉措，得到了國際社會的高度贊賞。研究認為，由于中國經(jīng)濟的高速增長和污染減排政策實施機制比較薄弱，S02減排過分倚重火電廠脫硫工程，城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)建設嚴重滯后，工業(yè)COD減排缺乏有效方案，因此，實現(xiàn)減排目標有希望但難度非常大，取得環(huán)境質(zhì)量的同步改善十分困難，持續(xù)穩(wěn)定減排更是一個長期的任務。熱泵具有可以將環(huán)境或其他熱源的能量通過制冷技術(shù)由低溫泵入到高溫空間或物體，其制熱系數(shù)總是大于l，與直接將電能、化學能等轉(zhuǎn)化為熱能相比具 有很高的優(yōu)勢，比如鍋爐中燃料燃燒放熱，放出的熱能通過受熱面?zhèn)鬟f給水，使 水汽化產(chǎn)生蒸汽，實際上，鍋爐中的燃料并不能完全燃燒，且燃燒后所放出的熱 能也不能全部得到利用，所以鍋爐的熱效率總是低于100%。目前利用熱泵技術(shù) 可將熱效率提高至1以上，在某些工況下?lián)Q可高達6以上。由于熱泵技術(shù)的熱 源主要來自于環(huán)境的水的顯熱、濕空氣的顯熱或全熱，受環(huán)境溫度的影晌特大， 隨著環(huán)境溫度的降低，熱效率大大降低， 一方面熱泵系統(tǒng)的壓縮機的效率降低， 另一方面低于零度水熱源由于相變結(jié)冰已不能使用，空氣熱源由于水的凝華由水 蒸氣固化成冰聚于空氣換熱器的管壁及翅片上，使其不能正常工作，需要除冰， 除冰期間，熱泵系統(tǒng)不能正常供熱，因此一般而言低于零下10°C，空氣源熱泵 的熱效率很低，再加上除冰時間無法供熱，綜合效率與直接燃燒的加熱器相比， 已無多大優(yōu)勢，低溫下甚至采用輔助電加熱的方式來供熱，此時已非熱泵，這是 能源效率利用很低的一種方式。另外，熱泵系統(tǒng)的制冷劑多為鹵化烴，盡管有些 已不含氯原子，對大氣臭氧層沒有破壞作用，但對溫室效應的貢獻卻不小，且由石油煉制而成，價格高，節(jié)能環(huán)保壓力仍然不小。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種節(jié)能高效的主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)。 一種主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)及節(jié)能方法，其特征在于使用空氣水作為混合工質(zhì)制冷劑，依靠環(huán)境空氣、水蒸氣、水在低溫條件下 放熱，進而液化、凝固放出大量潛熱，且這些熱量通過膨脹做功轉(zhuǎn)化為機械功， 抵消系統(tǒng)輸入的壓縮功，從而提高熱泵效率。一種主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)，其特征在于組成如下第一霧化嘖嘴空氣入口與環(huán)境空氣相通，水入口與水箱相連，出口與壓縮膨 脹器壓縮器進口相連，壓縮器出口部分工質(zhì)與冷凝熱交換器的熱邊相連；冷邊為 載熱劑，載熱劑吸收冷凝熱交換器的熱邊制冷劑空氣、水的能量后，供熱于用戶； 另一部分工質(zhì)與儲水箱上部相連，為儲水箱加壓。冷凝熱交換器的冷邊出口連接 用于收集冷凝熱交換器熱邊的混合工質(zhì)制冷劑相變凝結(jié)水的收集器，收集器的制 冷劑出口與第二霧化噴嘴空氣入口相連所述收集器排水口與儲水箱連接或直接 與外界相連；水箱另一出水口經(jīng)壓力泵與第二霧化噴嘴水入口相連，第二霧化噴 嘴的出口與壓縮膨脹器膨脹器進口相連，膨脹器出口與冰水分離器相連，冰水分 離器出口與外界相通。本技術(shù)采用空氣水作為制冷劑，利用干空氣的顯熱以及水的顯熱與潛熱，顛 覆傳統(tǒng)熱泵對冰的處理方式，采用主動結(jié)冰的方式利用同時吸收環(huán)境空氣水的所 有能量，由于水相變蘊藏很大能量，因此本熱泵于傳統(tǒng)熱泵相比具有很大優(yōu)勢。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。 圖2是熱力循環(huán)流程原理中標號名稱1、環(huán)境空氣交換器，5、載熱劑，6、收集器水箱，11、壓力泵，2、霧化噴嘴，3、壓縮膨脹器，4、冷凝熱 ，7、冰水分離器，8、水，9、闊門，10、儲具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。環(huán)境空氣1與來自儲水箱10的水8在第一霧 化噴嘴入口處混合后在第一霧化噴嘴的出口處形成霧化水進入壓縮膨脹器3壓 縮器進口 ，霧化水在壓縮器內(nèi)經(jīng)壓縮變成汽化水，成為濕空氣制冷工質(zhì)的一部分。 濕空氣從壓縮器出口部分進入冷凝熱交換器4的熱邊，冷邊為載熱劑5，載熱劑 5吸收冷凝熱交換器4的熱邊制冷劑空氣、水的能量后，供熱于用戶；另一部分 旁通迸儲水箱10上部為其加壓，提供動力。冷凝熱交換器4的熱邊的制冷劑進 入收集器6，部分水凝結(jié)后被收集器6收集，可以排掉，亦可以回收至儲水箱10， 剩余的制冷劑進入第二霧化噴嘴入口，與來自儲水箱10的水經(jīng)壓力泵11加壓后 混合，形成飽和濕空氣及霧化水的混合物，由第二霧化噴嘴的出口處進入壓縮膨 脹器3膨脹器進口，在膨脹器中，氣體由于膨脹而降溫，有一部分水蒸氣要冷凝 為水，并在溫度進一少降到冰點以下時，凝結(jié)為冰?；蜓┗?。膨脹作功后空氣放 出顯熱，部分水放出全熱，由壓縮膨脹器3壓縮器回收膨脹功，制冷劑由壓縮膨 脹器3膨脹器出口后，進入冰水分離器7分離其中的冰水后，空氣直接排入環(huán)境 中。圖2是熱力循環(huán)流程原理圖。氣流在壓縮膨脹器3的壓縮器前的①點處于環(huán) 境狀態(tài)，先按相變成分為水來介紹，由霧化噴嘴噴出的霧狀水，使得氣流在①' 點時變?yōu)檫^飽和狀態(tài)，然后進入壓縮膨脹器3的壓縮器中。氣流在被壓縮過程中 產(chǎn)生的壓縮熱使得霧狀水迅速汽化。因為汽化需要吸收潛熱，所以使得壓縮過程 在較低的溫度下進行，其排氣溫度要比壓縮干空氣時的溫度低得多。在不考慮氣 體和外界進行的熱交換及系統(tǒng)內(nèi)部各種損失所加給氣流的熱量時，對混合工質(zhì)的 壓縮過程可以認為是等熵壓縮過程。但對于干空氣而言，因為存在水的相變吸熱， 所以其壓縮過程為多變壓縮過程，多變指數(shù)小于空氣絕熱指數(shù)k值， 一般為1.4。 壓縮器噴水量增多時，排氣溫度降低，壓縮功減少。 一般壓縮器噴水至②點排氣 達到飽和狀態(tài)。在冷凝熱交換器4中，飽和的氣流被載熱劑5帶走熱量而冷卻。在這降溫過 程中，水蒸氣要冷凝，并放出潛熱。冷凝水被收集器6收集起來，排放或靠系統(tǒng)自身的壓力進入儲水箱IO，進而靠水泵ll驅(qū)動加壓而送到霧化噴嘴。分離出冷凝水后的氣流，在③點處于該處溫度下的飽和狀態(tài)。這時向進入膨脹器前的氣流 噴入霧化水，使之到③'點處時達到過飽和狀態(tài)，然后進入膨脹器。在膨脹器中，氣體由于膨脹而降溫，有一部分水蒸氣要冷凝為水，并在溫度 進一步降到冰點以下時，凝結(jié)為冰?；蜓┗?。因為水的冷凝而在膨脹器中放出氣 化潛熱和融化熱，使整個氣流溫度比干空氣膨脹時有所提高，氣流膨脹程度也隨之增加，所以膨脹器所回收的膨脹功也增大。但出口(D點氣流混合物的總焓值仍 比干空氣膨脹時要小。氣流經(jīng)過④點進入環(huán)境中，如圖2所示，在環(huán)境中，氣流吸收熱量，溫度升高和所含的冰融化，并有部分的水汽化，此熱泵系統(tǒng)原為開式系統(tǒng)，但從熱力循 環(huán)的角度分析，可以想象為一閉式熱力循環(huán)系統(tǒng)，④點的氣流與環(huán)境熱交換后和 環(huán)境的狀態(tài)一樣，在這里環(huán)境作為一熱阻為零的熱交換器，④點的氣流回復為環(huán) 境狀態(tài)，即①點狀態(tài)，這樣便完成了整個熱力循環(huán)。 下面來較詳細地分析新熱力循環(huán)的各個過程。理論分析以實例計算表達之。如圖2所示。計算理想流程參數(shù)的情況下所有機械效率，7 = 1.0;流阻為零。已知條件有A=26°C， f3=37°C， f4=~4°C， A-0.1Af尸a，壓縮比;r-3， 制冷劑為工質(zhì)和水，①點、②點、③點工質(zhì)處于飽和狀態(tài)。1) ①點參數(shù)由A = 26X:得到飽和水蒸氣分壓力Swv=3.327^ 利用含濕量計算公式求得《(《/^):3327c/' = 0.622 x = 0,0214炎g / &1 100000-3327根據(jù)混合氣體的焓的計算式可求出& :& = 1.01 x 26 + (1.86 x 26 + 2500) x 0,0214 = 80.8)U /紐2) ①'點參數(shù)在①，點前噴水J^的水，認為^=^=<，因而由^=26°〇可到①，點水 的比焓，/^=108.8yU7Ag;①，點水的比熵，^云0.3807AJ①'點與①點存在如下關(guān)系6A = Pi A旨=A旨《v = (v =《由于噴水量^未知，由比焓和比熵的計算式分別得到①'點的比焓和比熵《=80.8 +跳8《 s; = 1.8847 +0.3805《3)②的參數(shù)假設^=62.1°〇，可得②點的飽和水蒸氣分壓力，a脾=21.731^^。由壓 縮比;r = 3得到②點的壓力，/72 = ;r x A = 0.3M尸fl 。計算②點的含濕量《 wv):21731《=0.622 x-^-= 0.0486紐/松2 300000-21731由水的質(zhì)量守恒求得《"《"2 -《=0.0272Ag / A;g從而可得①'點的比熵為s; = 1細7 + 0.3805 x 0.0272 = 1.895fc7 / (feg."由比焓和比熵的計算式分別得到②點的比焓和比熵& = 1.01 x 62.1 + (2500 +1.86 x 62.1) x 0.0486 = 189.8L/7紐 s2 =《"—及g x ln, 、=1.8129 —0.28704 x In300000 — 21731+ 7.8749x0.0486、 98000 , =1.895AJ/(^.K)所得結(jié)果與①'點的比熵相對比，兩者相接近，認為所取^符合要求，如果兩者 相差較大，則重新取^的值，重復(2)、 (3)步驟知道接近為止。此吋①'點的比焓 如下"=80.8 + 108.8x0.0272 = 83.8fc//A;g4) ③點參數(shù)由^-37。c，査飽和水蒸氣分壓力表得有戶3=/>2，利用含濕量計算公式求得《(4^).-《=0.622 x——^——=0.0132%/松 3 300000-6213根據(jù)混合氣體的比焓計算式可求出~ :&=1.01x37 + (1.84x37 + 2500) x 0.0132 = 71.2fc/ / &g5) ③'點參數(shù)同①，點，認為^=4= 3=37卩，且③，點與③點存在如下關(guān)系查表得③，點水的比焓，/^=154.9AJ/^ ;③，點水的比熵，《=0.531窗/(松.《)。根據(jù)比焓和比熵的計算式分別得到③'點的比焓和比熵g =71.2 + 154.W3w s; =1.5287 +0.5319《6)④點參數(shù)對于 點，有A-A，由/4=^°〇可得到利用含濕量計算公式求得《448《=0.622 x-^——=0.0028紐/ %4 100000-448在此狀態(tài)點，有部分水冷凝為冰。根據(jù)熵的定義^5 = ^，可分別求出r^=_4'C時水蒸氣的比熵s4wv=9.1818AJ/(A:g.《)和冰的比熵 ■s4w=-1.1966fc//(&.〖)。根據(jù)"(TC時比焓和比熵的計算式分別得到③，點的 比熵s4 =《—i gxln+《x s4wv + s4w, x (《 - 《+《)=1.6127-1.1966(0.0104 + 0根據(jù)膨脹過程為等熵過程有&=4，結(jié)合步驟(5)可求得③'的噴水量d^從而得到③'點的比焓和比熵g =71.2+154.94 =71.2 + 154.9x0.0414 = 77.6ik//A:g4 = 1.5287 + 0.5319《=1.5287 + 0.5319 x 0.0414 = 1.551;U7 (Ag. AT)④點的比焓和比熵，其中比焓包括冰的焓值-/ 4 =1.01x,4+(2500 + 1.86,4)x《-《)x(334.7-2.017x,4)—14.6kJ/kg s4 =1.6127-1.1966(0細4 +《)=1.6127-1.1966(0.0104 + 0.0419) = 1.551W/(;tg^:)7)性能參數(shù)計算膨脹功乂 =(g_/j4) = 92.2AJ/%循環(huán)功 系統(tǒng)制熱量& = W (《-《)) = 207.1AJ7紐制熱系數(shù)
權(quán)利要求
1.一種主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)，其特征在于組成如下第一霧化噴嘴空氣入口與環(huán)境空氣相通，水入口與水箱(10)相連，出口與壓縮膨脹器(3)壓縮器進口相連，壓縮器出口工質(zhì)部分與冷凝熱交換器(4)的熱邊相連，冷邊為載熱劑(5)，載熱劑(5)吸收冷凝熱交換器(4)的熱邊制冷劑空氣、水的能量后，供熱于用戶；另一部分與儲水箱(10)上部相連；冷凝熱交換器(4)的冷邊出口連接用于收集冷凝熱交換器(4)熱邊的混合工質(zhì)制冷劑相變凝結(jié)水的收集器(6)，收集器(6)的制冷劑出口與第二霧化噴嘴空氣入口相連，所述收集器(6)排水口與儲水箱(10)連接或直接與外界相連；水箱(10)另一出水口經(jīng)壓力泵(11)與第二霧化噴嘴(2)水入口相連，第二霧化噴嘴(2)的出口與壓縮膨脹器(3)膨脹器進口相連，膨脹器(3)出口與冰水分離器(7)相連，冰水分離器出口(7)與外界相通；給水(8)通過閥門閥門(9)進入儲水箱(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述儲水箱(10) 的給水(8)為高于環(huán)境溫度經(jīng)過加熱的水。
3. —種主動結(jié)冰式熱泵節(jié)能方法，其特征在于使用空氣水作為混合工質(zhì) 制冷劑，依靠環(huán)境空氣、水蒸氣、水在低溫條件下放熱，進而液化、凝固放出大 量潛熱，且這些熱量通過膨脹做功轉(zhuǎn)化為機械功，抵消系統(tǒng)輸入的壓縮功，從而 提高熱泵效率。
全文摘要
一種主動結(jié)冰式熱泵系統(tǒng)及節(jié)能方法，屬于制冷系統(tǒng)的節(jié)能增效技術(shù)領(lǐng)域。該方法依靠空氣水混合工質(zhì)熱泵系統(tǒng)在膨脹器內(nèi)吸收水的液化熱、凝固熱，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，抵消系統(tǒng)輸入的壓縮功，提高系統(tǒng)的能效比，以空氣、水自然工質(zhì)作為制冷劑，真正做到零污染、零排放，價格低廉，節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)包括環(huán)境空氣(1)、霧化噴嘴(2)、壓縮膨脹器(3)、冷凝熱交換器(4)、載熱劑(5)、收集器(6)、冰水分離器(7)、給水(8)、閥門(9)、儲水箱(10)、壓力泵(11)。水的密度導熱系數(shù)遠大于空氣，由于利用了自然環(huán)境中貯量巨大的水的全部能量，包括顯熱、相變潛熱，以及濕空氣的全熱，該方法及系統(tǒng)使熱泵的效率提高，節(jié)能減排，所謂主動式結(jié)冰是指結(jié)冰是利用能量的一個重要方式，毋須如同目前通用熱泵的被動除冰霜需消耗額外的熱量。
文檔編號F25B30/00GK101329121SQ20081002279
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者夏文慶, 崔高偉, 李文新 申請人:南京航空航天大學