專利名稱：連體式熱機(jī)－熱泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型熱泵，特別是涉及一種帶有驅(qū)動(dòng)熱機(jī)的連體式熱機(jī)—熱泵。
熱泵技術(shù)因節(jié)能效果顯著而越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于化工和其它領(lǐng)域。用于化工蒸發(fā)、濃縮和精餾的熱泵系統(tǒng)主要有三種電動(dòng)熱泵、蒸汽噴射泵和熱機(jī)—熱泵聯(lián)合機(jī)組。電動(dòng)熱泵雖然節(jié)能效果好，但主要消耗電能，在我國(guó)由于電/熱能價(jià)格比值高，應(yīng)用電動(dòng)熱泵雖節(jié)能，但往往導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高。蒸汽噴射泵用作熱泵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只消耗蒸汽熱能，但因其熱效率低(15-30％)，節(jié)能效果不顯著而限制了它的推廣應(yīng)用。熱機(jī)—熱泵聯(lián)合機(jī)組又稱朗肯—朗肯(Rankine-Rankine)熱泵，它是用朗肯循環(huán)的蒸汽透平驅(qū)動(dòng)朗肯循環(huán)的熱泵系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，節(jié)能幅度大，只消耗蒸汽熱能，若用于電/熱能價(jià)格比值較高的地區(qū)，不但能大幅度節(jié)能，而且能大幅度降低生產(chǎn)成本，特別適合中國(guó)電/煤價(jià)格比高的國(guó)情。現(xiàn)有的幾種熱泵—熱機(jī)聯(lián)合機(jī)組都配置兩臺(tái)獨(dú)立的機(jī)器—壓縮機(jī)和熱機(jī)。壓縮機(jī)可選用不同類型，熱機(jī)均為蒸汽背壓透平。它們的主要缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜(包括高壓鍋爐、背壓透平、離心壓縮機(jī))，造價(jià)高，一次性投資高，回收期長(zhǎng)，從而限制了它的推廣和應(yīng)用。
以上內(nèi)容可參考郁永章編著的《熱泵》，機(jī)械工業(yè)出版社，1993第1版；李成春等編著的《熱泵蒸發(fā)—高效節(jié)能技術(shù)》，科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996第1版。
本發(fā)明的目的是將熱機(jī)—熱泵聯(lián)合機(jī)組中的熱機(jī)和熱泵有機(jī)地合為一臺(tái)機(jī)器，即連體熱機(jī)—熱泵，使其和現(xiàn)有熱機(jī)—熱泵聯(lián)合機(jī)組配置相比，不但結(jié)構(gòu)上大為簡(jiǎn)化，制造成本低，適應(yīng)能力強(qiáng)，而且節(jié)能效果更好。
一種連體式熱機(jī)—熱泵，包括一殼體，在該殼體上形成有一高壓蒸汽進(jìn)口、一低壓蒸汽進(jìn)口、一蝸殼、以及一連通于所述蝸殼的混合蒸汽出口；通過(guò)軸承安裝在殼體上的轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件具有一主軸、一安裝在主軸上的葉輪、沿圓周方向均勻地設(shè)置在所述葉輪的第一側(cè)面上的一組透平動(dòng)葉片、沿圓周方向均勻地設(shè)置在所述葉輪的第二側(cè)面上的一組離心壓縮動(dòng)葉片，所述透平動(dòng)葉片的外緣直徑大于所述離心壓縮動(dòng)葉片的外緣直徑；一組高壓蒸汽噴管，它們沿圓周方向均勻地固定在所述殼體的內(nèi)側(cè)，并與所述透平動(dòng)葉片一同位于葉輪的第一側(cè)，且徑向地位于透平動(dòng)葉片的內(nèi)側(cè)，這些高壓蒸汽噴管的出口在徑向上對(duì)準(zhǔn)所述透平動(dòng)葉片的進(jìn)口；固定在所述殼體上的第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器與所述離心壓縮動(dòng)葉片一同位于葉輪的第二側(cè)，并徑向地位于所述離心壓縮動(dòng)葉片的外側(cè)；以及固定在所述殼體上的第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器，該第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器徑向地位于所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器的外側(cè)，在所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器和透平動(dòng)葉片與第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器之間形成有一環(huán)狀混合區(qū)。
本發(fā)明的連體式熱機(jī)—熱泵將熱泵和熱機(jī)有機(jī)地合為一臺(tái)機(jī)器，增壓比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、投資小、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)大、中、小型設(shè)備均適用。因?yàn)樵撨B體式熱機(jī)—熱泵將熱機(jī)排出的乏汽用作蒸汽噴射泵的引射氣流，更充分地利用了生蒸汽的膨脹能，其熱效率比現(xiàn)有熱機(jī)—熱泵聯(lián)合機(jī)組更高。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的連體式熱機(jī)—熱泵的工作原理示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的連體式熱機(jī)—熱泵的剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的連體式熱機(jī)—熱泵的透平裝置的蒸汽噴管和動(dòng)葉片示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的連體式熱機(jī)—熱泵的離心壓縮裝置的動(dòng)葉片及擴(kuò)壓器示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的為連體式熱機(jī)—熱泵用于多效蒸發(fā)的工作流程圖；以及圖6a、6b和6c分別為連體式熱機(jī)—熱泵、電動(dòng)熱泵和蒸汽噴射泵工作過(guò)程的焓—熵圖。
圖1所示根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的連體熱機(jī)—熱泵從原理上看主要包括三個(gè)部分，即離心蒸汽透平裝置1、離心壓縮裝置2和蒸汽噴射增壓裝置3。
如圖2所示，離心蒸汽透平裝置1位于葉輪15的左側(cè)，具有高壓蒸汽進(jìn)口9、高壓蒸汽噴管7、透平動(dòng)葉片8。離心壓縮裝置2位于葉輪15右側(cè)，透平裝置1和離心壓縮裝置2的轉(zhuǎn)動(dòng)件共軸，透平裝置1驅(qū)動(dòng)離心壓縮裝置2。離心壓縮裝置具有低壓蒸汽進(jìn)口17、導(dǎo)風(fēng)輪18和離心壓縮動(dòng)葉片16。蒸汽噴射增壓裝置3具有高壓蒸汽噴管7、第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14、環(huán)狀混合區(qū)10、第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器11和蝸殼12。該蒸汽噴射增壓裝置3可利用來(lái)自透平動(dòng)葉片8出口的高速氣流(具有余速，常規(guī)蒸汽透平中，這部分能量被廢棄)作為引射流體，給來(lái)自第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的低壓氣流增壓。
從結(jié)構(gòu)上看，連體熱機(jī)—熱泵主要由殼體30和通過(guò)軸承5安裝在殼體上的轉(zhuǎn)子組成。殼體30和轉(zhuǎn)子之間用動(dòng)密封裝置6密封。在殼體上設(shè)置有高壓蒸汽進(jìn)口9、高壓蒸汽噴管7(一般為拉伐爾型噴管)、低壓蒸汽進(jìn)口17和混合蒸汽出口(未圖示)。轉(zhuǎn)子主要包括葉輪15、透平動(dòng)葉片8、離心壓縮動(dòng)葉片16、主軸4和導(dǎo)風(fēng)輪18。第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14配置在殼體30上，位于葉輪15的右側(cè)。其徑向外側(cè)為一環(huán)狀混合區(qū)10，環(huán)狀混合區(qū)外側(cè)是第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器11，進(jìn)而是蝸殼12。混合蒸汽出口連通于蝸殼12。
如圖2、3和4所示，一組透平動(dòng)葉片8(該葉片承受高速蒸汽流沖擊)和一組離心壓縮動(dòng)葉片16(該葉片對(duì)低壓蒸汽進(jìn)行離心壓縮)背靠背地、沿圓周均勻分布地固定在葉輪15的兩個(gè)側(cè)面上。葉輪15固定在主軸4上，且上述兩組葉片和葉輪15三者形成一整體。兩組葉片8和16的外緣直徑不等，透平動(dòng)葉片8的外緣直徑大于離心壓縮動(dòng)葉片16的外緣直徑。一組高壓蒸汽噴管7與透平動(dòng)葉片8配置在葉輪的同一側(cè)，該組高壓蒸汽噴管7沿周向均布地固定殼體上，沿徑向位于透平動(dòng)葉片8內(nèi)側(cè)，高壓蒸汽噴管7的出口在徑向與透平動(dòng)葉片8的進(jìn)口相對(duì)(參看圖2和圖3)。
在連體式熱機(jī)—熱泵的殼體30上還裝有兩組葉片擴(kuò)壓器，即第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14和第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器11，這兩組擴(kuò)壓器的軸向內(nèi)空尺寸不相等。流經(jīng)第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的只有來(lái)自離心壓縮裝置2的氣流，而來(lái)自透平裝置1和離心壓縮裝置2的氣流都要流經(jīng)第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器11。第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14配置在葉輪15的右側(cè)，它固定在殼體上且?guī)в型馍w13，外蓋的作用是消除高速旋轉(zhuǎn)的葉輪15對(duì)第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14內(nèi)氣流的不良影響。第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14位于離心壓縮動(dòng)葉片16的徑向外側(cè)，并沿軸向與安裝在轉(zhuǎn)子左側(cè)的透平動(dòng)葉片8并排排列，它們的外緣直徑相等。第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的進(jìn)口的軸向內(nèi)空尺寸大于或等于離心壓縮動(dòng)葉片16之外緣的軸向高度，在空間位置上第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的進(jìn)口與離心壓縮動(dòng)葉片16的出口沿徑向相對(duì)。第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的進(jìn)口角與離心壓縮動(dòng)葉片16的氣流出口角一致。第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的出口角與位于葉輪另一側(cè)的透平動(dòng)葉片8的氣流出口角一致。第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的作用一是使來(lái)自離心壓縮動(dòng)葉片16的氣流減速增壓，二是改變氣流的方向，使其與來(lái)自透平動(dòng)葉片8的高速氣流方向一致，以降低兩股蒸汽混合時(shí)的動(dòng)能損失。環(huán)狀混合區(qū)10位于第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的徑向外側(cè)，為一由殼體和兩組葉片擴(kuò)壓器形成的圓環(huán)狀空間，其軸向內(nèi)空尺寸大于或等于透平動(dòng)葉片8的外緣軸向高度、第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的外緣軸向高度和它們之間間隙的三者之和，且與這三者徑向相對(duì)。來(lái)自透平動(dòng)葉片8的高速氣流與來(lái)自第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的低速氣流的壓力相等、流動(dòng)方向相同但流速不同，它們?cè)诃h(huán)狀混合區(qū)10中混合，完成動(dòng)能的傳遞。第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器11沿徑向位于環(huán)狀混合區(qū)10的外側(cè)，其軸向內(nèi)空尺寸與環(huán)狀混合區(qū)的軸向內(nèi)空尺寸相等，混合氣體在此減速增壓，(如圖2和4所示)。
圖5為連體式熱機(jī)—熱泵與多效蒸發(fā)器組成的熱機(jī)—熱泵聯(lián)合機(jī)組的工作流程圖。
連體式熱機(jī)—熱泵的工作過(guò)程如下。生蒸汽(圖6a中的A點(diǎn)，壓力為p1的飽和或過(guò)熱蒸汽)在其本身壓力的作用下從高壓蒸汽進(jìn)口進(jìn)入高壓蒸汽室并通過(guò)高壓蒸汽噴管7高速噴出而沖擊透平動(dòng)葉片8(噴出時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)為圖中，的B點(diǎn)，壓力為pm)。此為離心透平作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。其乏汽仍具有較高的絕對(duì)速度，由透平動(dòng)葉片8排進(jìn)環(huán)狀混合區(qū)10。葉輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其上的離心壓縮動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由導(dǎo)風(fēng)輪18(其作用是降低進(jìn)口壓力損失)，從低壓蒸汽進(jìn)口17吸進(jìn)廢蒸汽(圖6a中的O點(diǎn)，壓力為po的飽和蒸汽)，由葉片對(duì)其加速、增壓后排進(jìn)第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14，在此經(jīng)減速再增壓，同時(shí)改變蒸汽的流動(dòng)方向，使其與來(lái)自透平動(dòng)葉片外緣的高速氣流方向一致。由第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14排出的蒸汽，其狀態(tài)點(diǎn)為圖中的C點(diǎn)，是壓力為pm的過(guò)熱蒸汽。由透平動(dòng)葉片8排出的絕對(duì)速度較高的噴射蒸汽與來(lái)自第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器14的蒸汽在環(huán)狀混合區(qū)10中混合(混合時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)為圖6a中的D點(diǎn)，兩股蒸汽壓力同為pm，且流動(dòng)方向相同，但動(dòng)能不等)，將一部分動(dòng)能傳遞給低壓蒸汽，使低壓蒸汽的速度提高，然后一起進(jìn)第二入葉片擴(kuò)壓器11?；旌线^(guò)程和蒸汽噴射泵的工作原理相同。由于高速汽流是脈沖地噴進(jìn)環(huán)狀混合區(qū)，因此能提高環(huán)狀混合區(qū)10和第二葉片擴(kuò)壓器11的工作效率。混合蒸汽在擴(kuò)壓器和蝸殼內(nèi)減速增壓后經(jīng)由混合蒸汽出口排出(狀態(tài)點(diǎn)為圖6a的E點(diǎn)，壓力為p)。可將混合蒸汽作為加熱生蒸汽引進(jìn)到蒸發(fā)或濃縮設(shè)備中。通過(guò)這樣的改進(jìn)能使該蒸發(fā)設(shè)備的能耗降低40-60％。
該連體式熱機(jī)—熱泵可用于低壓蒸汽增壓而進(jìn)行能量升級(jí)，也可用來(lái)和現(xiàn)有的蒸發(fā)、濃縮和精餾裝置以及海水淡化裝置組成朗肯—朗肯熱泵系統(tǒng)，達(dá)到大幅度節(jié)能目的。
該工作流程的重要特點(diǎn)是將蒸發(fā)器后效或末效產(chǎn)生的廢蒸汽的一部分被引進(jìn)到連體式熱機(jī)—熱泵的低壓蒸汽進(jìn)口，將鍋爐(或其它設(shè)備)產(chǎn)生的壓力較高的生蒸汽引進(jìn)到連體式熱機(jī)—熱泵的高壓蒸汽進(jìn)口。由連體熱機(jī)—熱泵將高壓蒸汽和低壓蒸汽混合成壓力介于兩者之間的混合蒸汽，該連體式熱機(jī)—熱泵一方面對(duì)于高壓蒸汽而言是減壓裝置如常規(guī)蒸發(fā)工藝中的減壓閥，另一方面可利用高壓蒸汽減壓時(shí)釋放的能量使低壓蒸汽增壓，因而對(duì)低壓蒸汽而言是增壓裝置。此外，它還具有對(duì)低壓進(jìn)口抽真空的作用。
圖6b和6c分別用焓—熵圖來(lái)表示電動(dòng)熱泵(電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī))和蒸汽噴射泵的工作過(guò)程。從圖6b中可看出，一級(jí)電動(dòng)熱泵只有一次增壓過(guò)程(曲線O-E)。從圖6c中可看出蒸汽噴射泵在抽吸時(shí)有一次小幅度的減壓過(guò)程(曲線O-C)和一次增壓過(guò)程(曲線D-E)。而連體式熱機(jī)—熱泵有兩次增壓過(guò)程，即圖6a中的曲線O-C為離心壓縮增壓過(guò)程，D-E為噴射增壓過(guò)程。由于連體式熱機(jī)—熱泵采用離心壓縮和蒸汽噴射兩級(jí)串連增壓，與現(xiàn)有的電動(dòng)熱泵和蒸汽噴射泵相比，其增壓比較高。此外，與現(xiàn)有的電動(dòng)熱泵相比，連體式熱機(jī)—熱泵的熱效率相當(dāng)，但是連體式熱機(jī)—熱泵只消耗蒸汽熱能，而電動(dòng)熱泵主要消耗電能，因而前者特別適合我國(guó)電/煤價(jià)格比高的能源特點(diǎn)。與現(xiàn)有的蒸汽噴射泵相比，連體式熱機(jī)—熱泵除增壓比較高外，主要優(yōu)點(diǎn)是熱效率高一倍以上。
權(quán)利要求
1.一種連體式熱機(jī)—熱泵，包括一殼體(30)，在該殼體上形成有一高壓蒸汽進(jìn)口(9)、一低壓蒸汽進(jìn)口(17)、一蝸殼(12)、以及一連通于所述蝸殼的混合蒸汽出口；其特征在于，該連體式熱機(jī)一熱泵還包括通過(guò)軸承(5)安裝在殼體(30)上的轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件具有一主軸(4)、一安裝在主軸上的葉輪(15)、沿圓周方向均勻地設(shè)置在所述葉輪的第一側(cè)面上的一組透平動(dòng)葉片(8)、沿圓周方向均勻地設(shè)置在所述葉輪的第二側(cè)面上的一組離心壓縮動(dòng)葉片(16)，所述透平動(dòng)葉片(8)的外緣直徑大于所述離心壓縮動(dòng)葉片(16)的外緣直徑；一組高壓蒸汽噴管(7)，它們沿圓周方向均勻地固定在所述殼體(30)的內(nèi)側(cè)，并與所述透平動(dòng)葉片(8)一同位于葉輪(15)的第一側(cè)，且徑向地位于透平動(dòng)葉片(8)的內(nèi)側(cè)，這些高壓蒸汽噴管(7)的出口在徑向上對(duì)準(zhǔn)所述透平動(dòng)葉片(8)的進(jìn)口；固定在所述殼體(30)上的第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器(14)，該擴(kuò)壓器與所述離心壓縮動(dòng)葉片(16)一同位于葉輪(15)的第二側(cè)，并徑向地位于所述離心壓縮動(dòng)葉片(16)的外側(cè)；以及固定在所述殼體(30)上的第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器(11)，該第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器(11)徑向地位于所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器(14)的外側(cè)，在所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器(14)和透平動(dòng)葉片(8)與所述第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器(11)之間形成有一環(huán)狀混合區(qū)(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的連體式熱機(jī)—熱泵，其特征在于，還包括所述擴(kuò)壓器(14)在軸向上與葉輪上的所述透平動(dòng)葉片(8)并排排列，且其葉片外緣直徑與所述透平動(dòng)葉片(8)的外緣直徑相等。
3.如權(quán)利要求1所述的連體式熱機(jī)—熱泵，其特征在于，所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器(14)帶有一外蓋(13)。
4.如權(quán)利要求1所述的連體式熱機(jī)—熱泵，其特征在于，所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器(14)的進(jìn)口軸向內(nèi)空尺寸大于或至少等于離心所述離心壓縮動(dòng)葉片(16)的出口軸向高度。
5.如權(quán)利要求1所述的連體式熱機(jī)—熱泵，其特征在于，所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器(14)的進(jìn)口角度與所述離心壓縮動(dòng)葉片(16)的氣流出口角度相一致，所述第一級(jí)葉片擴(kuò)壓器(14)的出口角度與所述透平動(dòng)葉片(8)的氣流出口角度相一致。
6.如權(quán)利要求1所述的連體式熱機(jī)—熱泵，其特征在于，所述環(huán)狀混合區(qū)(10)的軸向內(nèi)空尺寸與所述第二級(jí)葉片擴(kuò)壓器(11)的軸向內(nèi)空尺寸相等。
7.如權(quán)利要求1所述的連體式熱機(jī)—熱泵，其特征在于，在所述葉輪(15)的第二側(cè)設(shè)有一導(dǎo)風(fēng)輪(18)。
8.如權(quán)利要求1所述的連體式熱機(jī)—熱泵，其特征在于，所述高壓蒸汽噴管是拉伐爾型噴管。
全文摘要
連體式熱機(jī)－熱泵為一種新型熱泵,它將附圖中左側(cè)的離心蒸汽透平與兩級(jí)串連的壓縮裝置(第一級(jí)為離心壓縮,第二級(jí)為蒸汽噴射泵增壓)有機(jī)地結(jié)合成一臺(tái)機(jī)器,用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心壓縮裝置,用蒸汽透平的乏汽驅(qū)動(dòng)蒸汽噴射裝置,是自帶驅(qū)動(dòng)熱機(jī)的熱泵。該連體式熱機(jī)－熱泵可用于低壓蒸汽增壓而進(jìn)行能量升級(jí),也可用來(lái)和現(xiàn)有的蒸發(fā)、濃縮和精餾裝置以及海水淡化裝置組成朗肯－朗肯熱泵系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能目的。
文檔編號(hào)F01K7/00GK1349039SQ0012569
公開(kāi)日2002年5月15日 申請(qǐng)日期2000年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月12日
發(fā)明者秦玉堯 申請(qǐng)人:秦玉堯