專利名稱：熱泵、熱泵系統(tǒng)、和蘭金循環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不使用機(jī)械泵供給制冷劑的熱泵、熱泵系統(tǒng)、以及跨臨界(transcritical)蘭金循環(huán)系統(tǒng)，所述熱泵具有通過由系統(tǒng)外部的熱源或通過利用用于系統(tǒng)運(yùn)行的熱量的一部分使冷凝器內(nèi)被液化的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)并提高被蒸發(fā)的制冷劑的壓力來供給制冷劑的功能，所述熱泵系統(tǒng)包括多個(gè)熱泵，所述跨臨界蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括這種熱泵或熱泵系統(tǒng)。本發(fā)明可適用于在不需要在供給工作制冷劑時(shí)引起機(jī)械損失的機(jī)械泵的情況下的跨臨界蘭金循環(huán)等。
背景技術(shù)：
在超臨界蘭金循環(huán)等中，利用CO2作為制冷劑，需要加壓裝置(蘭金循環(huán)中的液體泵)以將冷凝器中被液化的液態(tài)CO2加壓到超臨界壓力。而加壓裝置采用的是機(jī)械泵，而泵由外部動(dòng)力源或在系統(tǒng)內(nèi)獲得的動(dòng)力的一部分來驅(qū)動(dòng)。
例如，專利文獻(xiàn)1和2中，在蘭金循環(huán)中使用機(jī)械泵來對(duì)制冷劑進(jìn)行增壓和供給制冷劑。
專利文獻(xiàn)1日本公開的專利申請(qǐng)No.2003-232226專利文獻(xiàn)2日本公開的專利申請(qǐng)No.2004-36942發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題但是，這類機(jī)械泵必然導(dǎo)致機(jī)械損失，進(jìn)而使循環(huán)效率降低。另外，由于機(jī)械泵具有運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)的可靠性必然降低，且需要定期更換組成部分。運(yùn)行于高壓下的這類裝置的更換帶來很大的困難且將提高維修費(fèi)用。再者，需增加泵送功率以使工作流體的壓力提高到超過臨界壓力。
本發(fā)明旨在解決上述問題。本發(fā)明的目的是獲得一種可廣泛應(yīng)用于蘭金循環(huán)、或與機(jī)械泵相比可減小功率的其他用于增壓和傳送制冷劑的機(jī)構(gòu)，由于不需要設(shè)置運(yùn)動(dòng)部件，因而沒有機(jī)械損失，借此可提高熱泵系統(tǒng)的可靠性。
解決所述問題的方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，熱泵包括在密閉容器下部連接到密閉容器的制冷劑液體進(jìn)入通道以及在密閉容器上部連接到所述容器的制冷劑排放通道；設(shè)置在所述制冷劑液體進(jìn)入通道上的開/關(guān)閥；設(shè)置在所述制冷劑排放通道上、在規(guī)定壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥；設(shè)置在所述密閉容器內(nèi)側(cè)的上部空間內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)；以及設(shè)置在所述密閉容器內(nèi)側(cè)的下部空間內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，熱泵包括連接到密閉容器下部的制冷劑液體進(jìn)入通道以及連接到所述容器上部的制冷劑排放通道；設(shè)置在所述制冷劑液體進(jìn)入通道上的開/關(guān)閥；設(shè)置在所述制冷劑排放通道上、在規(guī)定壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥；設(shè)置在所述密閉容器內(nèi)側(cè)的溫度調(diào)節(jié)裝置，借助于對(duì)熱和冷液體介質(zhì)流動(dòng)的切換使所述熱或冷流體介質(zhì)流過該溫度調(diào)節(jié)裝置而對(duì)流進(jìn)所述密閉容器的制冷劑進(jìn)行加熱或冷卻。
在本發(fā)明的第一方面中，借助于冷卻機(jī)構(gòu)將密閉容器內(nèi)的制冷劑冷卻到低于其飽和溫度、通過冷卻降低密閉容器內(nèi)側(cè)的壓力使液態(tài)制冷劑通過液態(tài)制冷劑進(jìn)入通道被吸入密閉容器來實(shí)現(xiàn)泵送，然后借助于加熱機(jī)構(gòu)對(duì)密閉容器內(nèi)的制冷劑進(jìn)行加熱以使其蒸發(fā)并經(jīng)過排放通道排放。
在本發(fā)明的第二方面中，以與第一方面中相同的冷卻的方式進(jìn)行泵送，然后通過切換流經(jīng)溫度調(diào)節(jié)裝置的流體介質(zhì)流使之由冷流體介質(zhì)切換到熱流體介質(zhì)來加熱密閉容器內(nèi)的制冷劑。
在從密閉容器內(nèi)排放出被蒸發(fā)的制冷劑后，剩余在密閉容器內(nèi)的制冷劑在密閉容器內(nèi)被冷卻到較低壓力，液態(tài)制冷劑通過液態(tài)制冷劑進(jìn)入通道被吸入，而且液態(tài)制冷劑由加熱機(jī)構(gòu)加熱以便蒸發(fā)。在密閉容器內(nèi)被蒸發(fā)的制冷劑通過在規(guī)定的壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥排放而被提供到下游區(qū)的裝置中。由于本發(fā)明的熱泵被用來加熱液態(tài)制冷劑以使其蒸發(fā)并提供增壓后的制冷劑蒸氣，增壓和傳送制冷劑的機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)可不采用具有運(yùn)動(dòng)組成部分的機(jī)械泵，所以不會(huì)造成機(jī)械損失。
作為用于加熱機(jī)構(gòu)的熱源，熱量可由系統(tǒng)外部供給或由用于運(yùn)行系統(tǒng)所需的熱量的一部分提供。作為冷源，冷流體介質(zhì)由系統(tǒng)外部或由系統(tǒng)內(nèi)使用的冷流體介質(zhì)的一部分提供，例如，可使用用于冷卻蘭金循環(huán)中的冷凝器內(nèi)的制冷劑的冷流體介質(zhì)的一部分。
在本發(fā)明中，即使密閉容器內(nèi)完全注滿液態(tài)制冷劑，熱泵仍可運(yùn)行。圖1的表格示出了假設(shè)密閉容器的體積為1m3、在使用CO2制冷劑的環(huán)境中、將溫度為25℃的制冷劑液體引入密閉容器內(nèi)且對(duì)所述制冷劑進(jìn)行加熱使其增壓到9MPa、制冷劑在密閉容器內(nèi)被加熱并被氣化的情況以及制冷劑在密閉容器內(nèi)在液態(tài)下被加熱的情況。
從安全的角度考慮，理想的是，密閉容器不被液態(tài)制冷劑充滿，但是，可從表1看出，在從容器中排放的制冷劑量近似相同的情況下，在密閉容器內(nèi)注入氣化的制冷劑的情況中使用的熱量大于在密閉容器內(nèi)注入液態(tài)制冷劑時(shí)使用的熱量。因此，在密閉容器內(nèi)的制冷劑被加熱和完全氣化的情況下設(shè)備費(fèi)用將增加且運(yùn)行時(shí)間也將增長(zhǎng)。
現(xiàn)在我們考慮當(dāng)容器內(nèi)的制冷劑處于液態(tài)的情況和制冷劑處于被氣化狀態(tài)的情況中全部充滿容器的制冷劑量相同時(shí)的情況。容器內(nèi)的制冷劑處于液態(tài)的情況下具有泵送效率高的優(yōu)勢(shì)[液態(tài)制冷劑的充入比(chargingrate)是100％]且一次操作排放的制冷劑排放量大，但所存在的問題是，在開始從容器中排放過冷的液態(tài)制冷劑時(shí)，由于液態(tài)制冷劑的積聚和負(fù)載的變化，在系統(tǒng)中被排放的制冷劑在下游區(qū)被進(jìn)一步加熱的情況下將導(dǎo)致運(yùn)行異常。
另一方面，容器內(nèi)的制冷劑處于氣化狀態(tài)時(shí)，泵送效率低(液態(tài)制冷劑的充入比是幾打％)，但從容器中排放超臨界制冷劑蒸氣時(shí)不存在任何問題。
為了保證將加壓的液態(tài)下的制冷劑注入容器內(nèi)的安全性，使用常溫下的如儲(chǔ)槽和儲(chǔ)氣瓶之類的密閉容器。例如，在CO2儲(chǔ)氣瓶中，在15℃時(shí)90％是液體，在22℃時(shí)100％是液體。直到31℃時(shí)儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的壓力急劇上升，而在35℃時(shí)達(dá)到12MPa，此壓力被確定為最大的允許壓力?？烧J(rèn)為這是儲(chǔ)槽在常溫下使用的安全標(biāo)準(zhǔn)。
在本發(fā)明中，為安全起見優(yōu)選設(shè)置減壓閥，該閥在液態(tài)制冷劑完全充滿密閉容器的情況下在加熱操作過程中當(dāng)密閉容器內(nèi)的壓力超過規(guī)定壓力時(shí)開啟。
在本發(fā)明的第一和第二種措施中，優(yōu)選將從制冷劑排放通道分支出的或連接到密閉容器上部的管道經(jīng)開/關(guān)閥連接到管路上，致使可通過開啟開/關(guān)閥將密閉容器內(nèi)的壓力降低到通過制冷劑液體進(jìn)入通道進(jìn)入密閉容器內(nèi)的制冷劑液體的壓力。
借此，將制冷劑液體輸入密閉容器中時(shí)可迅速降低密閉容器內(nèi)的壓力。借助于冷卻機(jī)構(gòu)冷卻容器內(nèi)的制冷劑可進(jìn)一步降低容器內(nèi)的壓力，并能方便地將制冷劑液體引入容器內(nèi)。
此外，優(yōu)選的是，設(shè)置與所述制冷劑液體進(jìn)入通道相連的儲(chǔ)液器，可將該儲(chǔ)液器設(shè)置成使得所述密閉容器內(nèi)的制冷劑液體的液面低于所述儲(chǔ)液器內(nèi)制冷劑液體的液面。
由此，借助于與儲(chǔ)液器內(nèi)的液態(tài)制冷劑和密閉容器內(nèi)的液態(tài)制冷劑之間的液位差相應(yīng)的液體壓力更容易將制冷劑液體引入密閉容器。
通過在制冷劑進(jìn)入通道中設(shè)置泵、設(shè)置使儲(chǔ)液器與密閉容器相連的連接管、并使所述泵運(yùn)行還可縮短將制冷劑液體引入密閉容器的時(shí)間。
本發(fā)明的第三種措施的特征在于，平行地安排多個(gè)本發(fā)明的熱泵，借此可利用時(shí)間的差異分別通過每一熱泵的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻和加熱機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，致使從每一熱泵的排放通道排放的制冷劑蒸氣的總量是平穩(wěn)的。
本發(fā)明建議蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括本發(fā)明的熱泵；連接到熱泵的制冷劑排放通道的加熱裝置；裝有在規(guī)定壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥的排放通道；膨脹透平，來自所述加熱裝置的制冷劑被輸入該膨脹透平中，使該透平向外輸出功；以及經(jīng)過開/關(guān)閥連接到所述熱泵的冷凝器。
本發(fā)明中的熱泵適于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蘭金循環(huán)中的機(jī)械泵以對(duì)本發(fā)明的蘭金循環(huán)中的制冷劑加壓并提供制冷劑。
在本發(fā)明的蘭金循環(huán)中，借助于設(shè)置在密閉容器內(nèi)的上部的冷卻機(jī)構(gòu)或切換溫度控制裝置將冷流體介質(zhì)引入該裝置內(nèi)以降低容器內(nèi)的壓力使進(jìn)入密閉容器的制冷劑在該容器內(nèi)被冷卻到低于制冷劑的飽和溫度，在冷凝器內(nèi)被冷凝的制冷劑液體由于在密閉容器內(nèi)降低了壓力經(jīng)開/關(guān)閥通過制冷劑進(jìn)入通道被吸入到密閉容器內(nèi)，然后借助于設(shè)置在密閉容器內(nèi)的下部的加熱機(jī)構(gòu)或切換溫度控制裝置將熱流體介質(zhì)引入該裝置內(nèi)使容器內(nèi)被加熱的制冷劑蒸發(fā)，并將高于規(guī)定壓力的被蒸發(fā)的制冷劑提供給通過在規(guī)定壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥連接到制冷劑排放通道的加熱裝置。
熱量被供給加熱裝置內(nèi)的制冷劑，在其內(nèi)被加熱的制冷劑被輸送到膨脹透平來驅(qū)動(dòng)透平。從透平排出的制冷劑進(jìn)入冷凝器并在其內(nèi)被冷卻成液態(tài)制冷劑。
冷凝器經(jīng)開/關(guān)閥與組成本發(fā)明的熱泵的密閉容器相連，致使當(dāng)開/關(guān)閥開啟時(shí)冷凝器內(nèi)的氣相區(qū)可與密閉容器內(nèi)的氣相區(qū)連通。由冷凝器向密閉容器輸入制冷劑液體時(shí)，開/關(guān)閥開啟以使冷凝器與密閉容器連通并使冷凝器和密閉容器內(nèi)的壓力平衡，借此冷凝器內(nèi)的制冷劑被輸入密閉容器內(nèi)，然后密閉容器內(nèi)的制冷劑被冷卻并被降壓，借此進(jìn)一步將冷凝器內(nèi)的制冷劑吸入密閉容器中。
優(yōu)選可平行安排多個(gè)熱泵，借此利用每一熱泵中的時(shí)間差異分別借助于每一熱泵的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻和加熱機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，致使從這些熱泵排放出的總制冷劑蒸氣流平穩(wěn)。
此外，優(yōu)選在冷凝器的下游區(qū)設(shè)置儲(chǔ)液器，使得所述密閉容器內(nèi)的制冷劑液體的液面低于儲(chǔ)液器內(nèi)的制冷劑液體的液面。
由此，將與液面之間的液位差相應(yīng)的液體壓力施加到密閉容器，這可有利于制冷劑從冷凝器流到密閉容器。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，通過構(gòu)成一種具有如下結(jié)構(gòu)的熱泵在不需要運(yùn)動(dòng)部件的前提下可設(shè)置用于加壓和輸送制冷劑的機(jī)構(gòu)、即具有泵送功能的機(jī)構(gòu)，因此，不會(huì)引起如傳統(tǒng)機(jī)械泵所產(chǎn)生的機(jī)械損失，所述熱泵包括密閉容器、在密閉容器下部連接到該密閉容器的制冷劑液體進(jìn)入通道、在密閉容器上部連接到該密閉容器的制冷劑排放通道、設(shè)置在制冷劑液體進(jìn)入通道上的開/關(guān)閥、設(shè)置在制冷劑排放通道上在高于規(guī)定壓力的壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥、安排在密閉容器上部空間內(nèi)用于冷卻密閉容器內(nèi)的制冷劑的冷卻機(jī)構(gòu)、以及安排在密閉容器下部空間內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)或溫度控制裝置，該溫度控制裝置通過切換流過其的冷流體介質(zhì)和熱流體介質(zhì)可用作冷卻機(jī)構(gòu)和加熱機(jī)構(gòu)以代替所述冷卻機(jī)構(gòu)和加熱機(jī)構(gòu)，借此實(shí)現(xiàn)泵送功能，借助于冷卻機(jī)構(gòu)將密閉容器內(nèi)的制冷劑冷卻到低于其飽和溫度而降低密閉容器內(nèi)的壓力，制冷劑液體在密閉容器內(nèi)降低了的壓力的作用下經(jīng)進(jìn)入通道被吸入密閉容器中，然后由加熱機(jī)構(gòu)對(duì)密閉容器內(nèi)的制冷劑進(jìn)行加熱并使之蒸發(fā)，被蒸發(fā)的制冷劑通過制冷劑排放通道被排放。
本發(fā)明中用于加壓和輸送制冷劑的機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)緊湊的熱泵，其沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此，其具有的優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械損失、泵送效率高、無需維修且可靠性高。
本發(fā)明的蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括本發(fā)明的熱泵；與熱泵的制冷劑排放通道連接的加熱裝置；裝有在規(guī)定壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥的排放通道；膨脹透平，制冷劑由上述加熱裝置被輸入其中使透平向外輸出功；及通過開/關(guān)閥連接到所述熱泵的冷凝器，因此可實(shí)現(xiàn)如上面所提到的那樣的高效和高可靠性的蘭金循環(huán)。
在蘭金循環(huán)內(nèi)部或外部的熱源中的熱源可用作安排在密閉容器內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)的熱源。作為蘭金循環(huán)內(nèi)部的熱源，例如，可利用如太陽(yáng)熱收集裝置或蒸汽鍋爐之類的加熱裝置中獲得的熱量的一部分，或者可利用通過膨脹透平獲得的功的一部分。
可使用蘭金循環(huán)內(nèi)部或外部的冷源中的冷源作為用于安排在密閉容器內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)的冷源。同時(shí)也適合使用在冷凝器內(nèi)用于冷凝制冷劑蒸氣的冷源的一部分作為蘭金循環(huán)內(nèi)部所需的冷源。
借助于將密閉容器的上部經(jīng)開/關(guān)閥連接到管路上、通過開啟開/關(guān)閥可使密閉容器內(nèi)的壓力降低到通過制冷劑液體進(jìn)入通道被輸入密閉容器內(nèi)的制冷劑液體的壓力，可以很容易地將制冷劑液體吸入密閉容器，剩余在密閉容器內(nèi)的液態(tài)制冷劑可毫無延遲地被排出，并可進(jìn)一步減小密閉容器內(nèi)的冷卻負(fù)載。
當(dāng)將此應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的蘭金循環(huán)的設(shè)備時(shí)，可通過開啟開/關(guān)閥使冷凝器內(nèi)的蒸發(fā)區(qū)與密閉容器內(nèi)的蒸發(fā)區(qū)連通，因此可獲得如上面所描述的效果。
通過安排設(shè)置在密閉容器上游區(qū)的儲(chǔ)液器和密閉容器使得密閉容器內(nèi)的液態(tài)制冷劑的液面低于制冷劑儲(chǔ)液器內(nèi)的液態(tài)制冷劑的液面，將液態(tài)制冷劑輸入密閉容器時(shí)與兩液面的液位差相應(yīng)的液體壓力被施加到密閉容器上，液態(tài)制冷劑的輸入變得更容易。
通過平行地排列多個(gè)本發(fā)明的熱泵并按照不同的時(shí)間分別使每一熱泵中的密閉容器內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻和加熱機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，可提供這樣一種熱泵系統(tǒng)，其中從這些熱泵排放的總制冷劑蒸氣流是平穩(wěn)的。


圖1的表格示出了當(dāng)密閉容器內(nèi)的CO2制冷劑被加熱而被加壓時(shí)其在密閉容器內(nèi)呈蒸氣狀態(tài)或呈液態(tài)的情況；圖2為應(yīng)用于使用CO2作為制冷劑的跨臨界蘭金循環(huán)的本發(fā)明第一實(shí)施方式的示意圖；圖3為第一實(shí)施方式中的跨臨界蘭金循環(huán)的壓-焓圖；圖4為應(yīng)用于使用CO2作為制冷劑的跨臨界蘭金循環(huán)的本發(fā)明第二實(shí)施方式的示意圖。
附圖標(biāo)記說明1熱泵2、12膨脹罐(密閉容器)3、13制冷劑進(jìn)入通道4、14制冷劑排放通道5熱量收集裝置(加熱裝置)6開/關(guān)閥7膨脹透平8冷凝器9冷卻機(jī)構(gòu)10 細(xì)通氣管(breeder pipe)11 減壓閥15 溫度控制裝置16 低溫水管17 高溫水管18、a1 開/關(guān)閥a2、19 壓力調(diào)節(jié)閥s電磁閥C冷卻機(jī)構(gòu)H加熱機(jī)構(gòu)W輸出功具體實(shí)施方式
以下將參考附圖對(duì)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但是，除非特別注明，在這些實(shí)施方式中的尺寸、材料、相對(duì)位置以及列舉出的要部都只作為示例性說明而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
圖2為應(yīng)用于使用CO2作為制冷劑的跨臨界蘭金循環(huán)的本發(fā)明第一實(shí)施方式的示意圖，圖3為第一實(shí)施方式中的跨臨界蘭金循環(huán)的壓-焓圖。
在圖2中，附圖標(biāo)記1代表由密閉膨脹罐2、連接到膨脹罐2下部的制冷劑液體進(jìn)入通道3、以及連接到膨脹罐2上部的制冷劑排放通道4組成的熱泵。制冷劑液體進(jìn)入通道3上設(shè)有將制冷劑液體輸入膨脹罐2時(shí)開啟的開/關(guān)閥a1。優(yōu)選用止回閥作為這種開/關(guān)閥致使沒有回流流向冷凝器。制冷劑排放通道4上設(shè)有膨脹罐內(nèi)的壓力達(dá)到規(guī)定值、例如達(dá)到9MPa時(shí)開啟的壓力調(diào)節(jié)閥a2。
附圖標(biāo)記5代表從外部吸收熱量的熱量收集裝置(加熱裝置)，例如，太陽(yáng)熱收集器和蒸汽鍋爐，裝置5通過開/關(guān)閥6被連接到膨脹透平7。附圖標(biāo)記8代表冷凝器，其用于接收由膨脹透平7排放的制冷劑蒸氣并通過冷卻機(jī)構(gòu)9使制冷劑蒸氣冷卻以液化制冷劑蒸氣?？蓪⑴蛎浌?和冷凝器8設(shè)置成使膨脹罐2內(nèi)的制冷劑液體的液位低于冷凝器8內(nèi)的制冷劑液體的液位。膨脹罐2的上部通過由壓力調(diào)節(jié)閥a2的上游區(qū)分支出的通道連接到冷凝器的上部、即冷凝器的蒸發(fā)區(qū)，該分支出的通道上裝有電磁閥s。附圖標(biāo)記10代表細(xì)通氣管，其上裝有減壓閥11，該閥在膨脹罐2完全充滿制冷劑液體且其壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)開啟，以將膨脹罐2內(nèi)的部分液態(tài)制冷劑泄放到冷凝器8中。
在如此組成的設(shè)備中，例如，在溫度約為25℃和壓力約為6MPa(圖3所示的P1)時(shí)CO2制冷劑以兩相、即液相和蒸氣相存在于膨脹罐2中。也就是說，在圖3所示的p-h圖中制冷劑處于(1)和(5)之間的狀態(tài)。
借助于冷卻機(jī)構(gòu)C冷卻膨脹罐2內(nèi)的制冷劑使膨脹罐2中的壓力降低，借此可將制冷劑液體從冷凝器8吸入膨脹罐2中。由此，膨脹罐2中的制冷劑回到圖3所示的狀態(tài)(1)。
在p-h圖中，標(biāo)記S1為飽和液體線，Sy為飽和蒸氣線，Tk為恒溫線，而K為臨界點(diǎn)。
然后，通過加熱膨脹罐2中的CO2制冷劑，CO2制冷劑經(jīng)過31.1℃和7.38MPa的臨界點(diǎn)K達(dá)到在臨界點(diǎn)K上方的超臨界區(qū)中的狀態(tài)(2)。在超臨界區(qū)，CO2處于高密度的氣態(tài)且不發(fā)生相變。此時(shí)，開/關(guān)閥a1、壓力調(diào)節(jié)閥a2、及電磁閥s全都關(guān)閉。通過適當(dāng)?shù)乜刂婆蛎浌?中的CO2的狀態(tài)也可使制冷劑達(dá)到圖3中的狀態(tài)(2’)。當(dāng)膨脹罐2中的壓力達(dá)到9MPa(圖3所示的P2)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥a2開啟(開/關(guān)閥a1和電磁閥s保持關(guān)閉)，膨脹罐2中的制冷劑蒸氣被排放到熱量收集裝置5中，制冷劑蒸氣在熱量收集裝置5中進(jìn)一步被加熱以達(dá)到9MPa和200℃的狀態(tài)(3)。
然后，熱量收集裝置5中以狀態(tài)(3)存在于超臨界區(qū)中的制冷劑蒸氣被送到膨脹透平7以轉(zhuǎn)動(dòng)透平7而向外作功W，例如轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)。CO2制冷劑蒸氣通過膨脹透平7膨脹回到圖3所示的p-h圖中的狀態(tài)(4)。然后，CO2制冷劑被引入冷凝器8，由冷卻機(jī)構(gòu)9冷卻而液化并回到圖3所示的p-h圖中的狀態(tài)(5)，此狀態(tài)是制冷劑以氣相和液相兩相存在的濕蒸氣狀態(tài)。
另一方面，若膨脹罐2中的制冷劑蒸氣量減少，開始對(duì)膨脹罐2內(nèi)的制冷劑進(jìn)行冷卻操作，同時(shí)壓力調(diào)節(jié)閥a2、開/關(guān)閥a1、及電磁閥s開啟。
通過開啟電磁閥s，膨脹罐2內(nèi)和冷凝器8內(nèi)的壓力均衡，由于膨脹罐2和冷凝器8被設(shè)置成使得膨脹罐2內(nèi)的液位低于冷凝器8內(nèi)液位，與膨脹罐2內(nèi)和冷凝器8內(nèi)兩液位之間的制冷劑液體的液位差相應(yīng)的液體壓力被施加到膨脹罐2。
當(dāng)膨脹罐2內(nèi)的制冷劑被冷卻機(jī)構(gòu)C冷卻時(shí)膨脹罐2內(nèi)的壓力降低，冷凝器8內(nèi)的制冷劑液體被吸入膨脹罐2內(nèi)。由此，在膨脹罐2內(nèi)的CO2制冷劑回到圖3所示的狀態(tài)(1)。
然后，膨脹罐2中的制冷劑液體被加熱機(jī)構(gòu)H加熱，于是重復(fù)所述循環(huán)。
可將用于本發(fā)明的蘭金循環(huán)中的熱源或外部熱源作為用于膨脹罐2內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)H的熱源。例如，可利用從熱量收集裝置5提取的部分熱量、或用于運(yùn)行循環(huán)的熱源的一部分、或由膨脹透平驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能的一部分。
可將用于本發(fā)明的蘭金循環(huán)中的冷源或外部冷源作為用于膨脹罐2內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)C的冷源。例如，可利用外側(cè)制冷循環(huán)的冷流體介質(zhì)的一部分或用于冷凝器8內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)9的冷流體介質(zhì)的一部分。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，借助于采用熱泵1，可設(shè)置不帶運(yùn)動(dòng)部件用于加壓和傳送制冷劑蒸氣的機(jī)構(gòu)，因此不引起如傳統(tǒng)機(jī)械泵所導(dǎo)致的機(jī)械損失。
由于熱泵1沒有運(yùn)動(dòng)部件且結(jié)構(gòu)緊湊，其具有不引起機(jī)械損失、系統(tǒng)效率提高、無需進(jìn)行維修、以及高可靠性的優(yōu)勢(shì)。
由于膨脹罐2的上部通過電磁閥s連接到冷凝器8的上部，通過開啟電磁閥s可使膨脹罐2的內(nèi)部壓力迅速降低到冷凝器內(nèi)的壓力，結(jié)果，可容易地將制冷劑液體吸入膨脹罐2內(nèi)。
此外，由于設(shè)備被構(gòu)造成膨脹罐2內(nèi)的制冷劑液體的液位低于冷凝器內(nèi)制冷劑液體的液位，與膨脹罐2和冷凝器8內(nèi)的液位之間的液位差相應(yīng)的液體壓力被施加到膨脹罐2上，而可更容易地將制冷劑液體吸入膨脹罐2。
在第一實(shí)施方式中，通過平行設(shè)置多個(gè)熱泵1并使它們運(yùn)行，可利用每一熱泵內(nèi)的各自的時(shí)間差異來執(zhí)行各熱泵的冷卻機(jī)構(gòu)C的冷卻和加熱機(jī)構(gòu)H的加熱，而使從這些熱泵排放的總制冷劑蒸氣流平穩(wěn)。
圖4為應(yīng)用于使用CO2作為制冷劑的跨臨界蘭金循環(huán)的本發(fā)明第二實(shí)施方式的示意圖。在該圖中，膨脹罐12內(nèi)設(shè)有溫度控制裝置15，低溫管16和高溫管17被連接到溫度控制裝置15，借助于閥16a和17a可切換流入溫度控制裝置15的熱流體介質(zhì)流和冷流體介質(zhì)流。附圖標(biāo)記18表示設(shè)置在制冷劑進(jìn)入通道13上的開/關(guān)閥，附圖標(biāo)記19表示設(shè)置在制冷劑蒸氣排放通道14上的壓力調(diào)節(jié)閥。
在此設(shè)備中，冷卻膨脹罐12內(nèi)的制冷劑時(shí)，通過開啟閥16a使冷水流過溫度控制裝置15，而在加熱膨脹罐12內(nèi)的制冷劑以使制冷劑蒸發(fā)時(shí)，通過開啟閥17a使熱水流過溫度控制裝置15。
如此，泵的動(dòng)作如圖2所示的第一實(shí)施方式那樣進(jìn)行。
在第二實(shí)施方式中，合適的是，可在制冷劑進(jìn)入通道13上設(shè)置泵來代替開/關(guān)閥18，而且為了減少將制冷劑液體輸入膨脹罐12的時(shí)間，可設(shè)置用于使制冷劑從膨脹罐返回到冷凝器的連接管。
通過使制冷劑蒸氣排放通道14延伸到低于膨脹罐12內(nèi)積聚的制冷劑液體的液面的位置，本設(shè)備可被應(yīng)用于通過排放通道14被排放出的制冷劑液體低于臨界壓力(7.38MPa)的情況。
工業(yè)應(yīng)用性根據(jù)本發(fā)明，在不設(shè)置運(yùn)動(dòng)部件從而沒有機(jī)械損失的前提下可實(shí)現(xiàn)泵送功能，且具有結(jié)構(gòu)緊湊和系統(tǒng)效率高的特點(diǎn)，此外，可靠性高且不需要進(jìn)行維修工作。
權(quán)利要求
1.一種熱泵，包括設(shè)置于在密閉容器下部與該密閉容器相連的制冷劑液體進(jìn)入通道上的開/關(guān)閥；設(shè)置于在所述容器上部與所述容器相連的制冷劑排放通道上的壓力調(diào)節(jié)閥，該閥在規(guī)定壓力下開啟；設(shè)置于所述密閉容器內(nèi)側(cè)的上部空間內(nèi)的冷卻機(jī)構(gòu)；及設(shè)置于所述密閉容器內(nèi)側(cè)的下部空間內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)。
2.一種熱泵，包括設(shè)置于在密閉容器下部與該密閉容器相連的制冷劑液體進(jìn)入通道上的開/關(guān)閥；設(shè)置于在所述容器上部與所述容器相連的制冷劑排放通道上的壓力調(diào)節(jié)閥，該閥在規(guī)定壓力下開啟；設(shè)置于所述密閉容器內(nèi)側(cè)的溫度調(diào)節(jié)裝置，借助于對(duì)熱和冷液體介質(zhì)流的切換使所述熱或冷流體介質(zhì)流過該溫度調(diào)節(jié)裝置而對(duì)流進(jìn)所述密閉容器的制冷劑進(jìn)行加熱或冷卻。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱泵，其中，從所述制冷劑排放通道分支出的或連接到所述密閉容器上部的管道經(jīng)開/關(guān)閥連接到管路上，通過開啟該開/關(guān)閥將所述密閉容器內(nèi)的壓力降低到通過所述制冷劑液體進(jìn)入通道進(jìn)入所述密閉容器內(nèi)的制冷劑液體的壓力。
4.如權(quán)利要求1或2所述的熱泵，其中，設(shè)置與所述制冷劑液體進(jìn)入通道相連的儲(chǔ)液器，該儲(chǔ)液器被設(shè)置成使得所述密閉容器內(nèi)的制冷劑液體的液面低于所述儲(chǔ)液器內(nèi)制冷劑液體的液面。
5.一種熱泵系統(tǒng)，其中平行地安排有多個(gè)如權(quán)利要求1或2所述的熱泵，借此可利用時(shí)間的差異分別通過每一熱泵的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻和加熱機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，致使從所述熱泵的排放通道排放的總制冷劑蒸氣流平穩(wěn)。
6.一種蘭金循環(huán)系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1或2所述的熱泵；連接到所述熱泵的制冷劑排放通道的加熱裝置，所述排放通道上裝有在規(guī)定壓力下開啟的壓力調(diào)節(jié)閥；膨脹透平，來自所述加熱裝置的制冷劑被輸入該透平中，使該透平向外輸出功；及經(jīng)過開/關(guān)閥連接到所述熱泵的冷凝器。
7.如權(quán)利要求6所述的蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其中，所述冷凝器經(jīng)開/關(guān)閥與組成本發(fā)明的所述熱泵的部分的所述密閉容器相連，致使當(dāng)該開/關(guān)閥開啟時(shí)所述冷凝器內(nèi)的氣相區(qū)與所述密閉容器內(nèi)的氣相區(qū)連通。
8.如權(quán)利要求6所述的蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其中，平行安排多個(gè)所述熱泵，利用時(shí)間差異分別借助于每一熱泵的所述冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻和所述加熱機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，致使從所述熱泵排放出的總制冷劑蒸氣流平穩(wěn)。
9.如權(quán)利要求6所述的蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其中，在所述冷凝器的下游區(qū)設(shè)置儲(chǔ)液器，使得所述密閉容器內(nèi)的制冷劑液體的液面低于所述儲(chǔ)液器內(nèi)的制冷劑液體的液面。
全文摘要
一種能廣泛應(yīng)用于蘭金循環(huán)和其他用于實(shí)現(xiàn)增壓和輸送機(jī)構(gòu)的熱泵，由于其沒有機(jī)械損失和不需要機(jī)械部件，因而能提高熱泵系統(tǒng)的可靠性，與機(jī)械泵相比還能降低工作負(fù)載。制冷劑液體供給管(3)連接到膨脹罐(2)(密閉容器)的下部，制冷劑排放管(4)連接到膨脹罐的上部，制冷劑液體流入膨脹罐(2)時(shí)開啟的開/關(guān)閥(a1)安裝在制冷劑液體供給管(3)上，壓力達(dá)到規(guī)定值或高于該規(guī)定值時(shí)開啟的壓力調(diào)節(jié)閥(a2)安裝在制冷劑排放管(4)上，冷卻器(C)和加熱器(H)被安裝在膨脹罐(2)內(nèi)，膨脹罐(2)內(nèi)的制冷劑被加熱器(H)加熱而產(chǎn)生飽和溫度或高于飽和溫度的制冷劑蒸氣，所述制冷劑蒸氣被輸送到熱量收集器(5)。
文檔編號(hào)F01D1/00GK101065558SQ20058003153
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者山口博司, 藤間克己, 榎本正敏, 澤田升 申請(qǐng)人:學(xué)校法人同志社, 株式會(huì)社前川制作所, 昭和電工株式會(huì)社, 昭和炭酸株式會(huì)社, 吉村建設(shè)工業(yè)株式會(huì)社