一种新型制冷方法及装置 【技术领域】
本发明涉及一种新型制冷方法及装置。
背景技术
图1所示为现有技术蒸汽压缩式制冷系统，该系统由压缩机1、冷凝器4、节流阀5、蒸发器6构成，其中节流阀5可由膨胀机代替。系统中的制冷工质经压缩机1压缩后进入冷凝器4冷凝放热，然后在节流阀5的控制下进入蒸发器6蒸发——实现制冷，蒸发后的工质再次被压缩机1压缩后进入冷凝器4，如此往复完成制冷循环。现有蒸汽压缩式制冷装置通常以电能转换为机械能的方式来实现压缩制冷，不能依靠热能制冷。在能源日渐紧张和昂贵的今天，如何利用自然界存在的大量低温热源实现制冷，以便降低其它能源的消耗甚至替代其它能源，成为制冷行业研究的一个课题。
【发明内容】
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种可直接利用压缩后的工质吸收低温热源的热量并将吸收热量后的工质的一部分热能转换为机械能的新型制冷方法及装置。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：一种新型制冷方法，该方法包括以下步骤：首先使工质吸收热源热量升温升压，然后膨胀输出轴功，再冷凝放热，后经节流后蒸发实现制冷，蒸发后的工质被压缩完成一个工作循环。
进一步，所述工质膨胀输出的轴功为该工质被压缩提供动力。
一种实现上述方法的装置，该装置由加热器、膨胀机、冷凝器、节流阀、蒸发器、压缩机构成，加热器依次连接膨胀机、冷凝器、节流阀、蒸发器和压缩机，压缩机连接所述加热器，该膨胀机上设有输出轴。
进一步，所述输出轴通过传动系与所述压缩机相连接。
进一步，所述输出轴通过传动系与发电机相连接，该发电机与所述压缩机相连接，该发电机以发出的电能驱动所述压缩机工作。
采用上述结构后，本发明装置增设了加热器和膨胀机，在现有的蒸汽压缩式制冷循环过程中加入了在加热器中对工质加热的过程和使工质在膨胀机内将热能转换为机械能的过程，该机械能直接或间接地驱动压缩机工作以维持整个循环。本装置中利用工质吸收低温热源的热量驱动压缩机工作，有利于太阳能、地热等低温热源的开发和利用，与现有制冷系统相比不但节约电能，而且具有体积小、热效率高、可直接进行热能转换等优点，另外，工质在膨胀机内输出的机械能还能为其它系统提供动力。
【附图说明】
图1为现有制冷系统构成原理图；
图2本发明制冷系统构成原理图；
图3为理想状态工质p-h图。
【具体实施方式】
本发明一种新型制冷方法，该方法包括以下步骤：首先使工质在加热器2内吸收低温热源的热量升温升压，然后在膨胀机3内膨胀作功驱动膨胀机输出轴功，该膨胀机3地输出轴既可通过联轴器或齿轮等传动系与压缩机1动力相连驱动压缩机工作，也可与发电机相连，然后由发电机输出的电能带动压缩机1工作，或直接将机械能输出。膨胀后的工质经节流阀5进入蒸发器6蒸发实现制冷，蒸发后的工质被压缩机1压缩完成一个循环，工质的流动方向如图2中箭头所示，工质的变化过程如图3所示；所述低温热源可以是太阳能，也可以采用地热等热源。
如图2所示，实现上述方法的装置，该装置由加热器2、膨胀机3、冷凝器4、节流阀5、蒸发器6、压缩机1构成，加热器依次连接膨胀机、冷凝器、节流阀、蒸发器和压缩机，压缩机连接所述加热器，该膨胀机上设有可通过联轴器或齿轮等传动系与压缩机或发电机或其它系统相连接的输出轴。该膨胀机3的输出轴既可通过联轴器或齿轮等传动系与压缩机1动力相连，也可与发电机相连，然后由发电机输出的电能推动压缩机1工作，或通过联轴器或齿轮等传动系将机械能输出。节流阀5同样可由膨胀机代替，热源可以是太阳能，也可以采用地热等热源。加热器2中的工质在温度为Th的热源加热下升温升压，进入并驱动膨胀机3输出机械能，该机械能直接带动(或通过发电来驱动)压缩机1工作。工质从膨胀机3输出后进入冷凝器4冷凝(实现供热)，并在节流阀5的控制下进入蒸发器6蒸发制冷，蒸发后的工质由压缩机1压缩，工质温度、压力再次升高，随后在热源2加热下温度进一步升高，为下一次循环作好准备，如此循环。
本发明制冷系统既可以热源为能源进行制冷(热)，也可以将热源热量通过膨胀机转化为机械能输出。
结合如图3所示工质p-h图，进一步说明本发明的工作原理和工作点的设置方法。
设工质经过加热器2时流入及流出的质量是稳定相等的，于是工质在加热器2中吸收外界热量被加热时，其比体积始终不变。图2中，用1-2段表示在加热器2中工质沿等比体积线升温至T2的加热过程，吸收外界热量Q1＝h2-h1。加热后的工质经膨胀机3将一部分内能转化为机械能We1，沿等熵线从工作点2到达工作点3，温度降低至T3，输出的机械能We1＝h2-h3。工质进入冷凝器4释放热量Q2＝h4-h3(即：供热量)，除了初始段外，基本上是等温过程，温度为T4，这时工质从工作点3越过工作点7到达工作点4，并经节流阀5等熵膨胀至工作点5，温度由T4降至T5。工质随后进入蒸发器6吸收外界热量Q3＝h6-h5(即：制冷量)，到达工作点6，实现了制冷。此后工质经压缩机1升温升压，从工作点6越过工作点7回到工作点1，完成一个工作循环。压缩所消耗的能量Wc＝h1-h6。这里，Wc是由We1提供的。膨胀机3的输出轴，既可通过联轴器或齿轮等传动系与压缩机1动力相连，也可与发电机相连，然后再用发出的电能推动压缩机1工作。
根据热力学第二定律，有下式所述关系：
Q1+Q3＝Q2+(We1-Wc) (1)
因Wc是由We1提供，所以系统运行的基本条件是
We1≥Wc
即：
h2-h3≥h1-h6
设加热器热源温度为Th、冷凝器的外界温度为Toh、蒸发器的外界温度为Tol，系统运行的必要条件是：
Th＞T2、Toh＜T4、Tol＞T5
且：
T2＞T4＞T5
而
Th＞Toh＞Tol
则是客观约束条件。
综上所述，结合图2看出，在现有技术中，压缩制冷的本质是由7-4-5-6-7所构成的循环。本发明的理论核心是在该工质的循环过程中，增加了加热段1-2和膨胀段2-3，同时又将冷凝过程7-4由工作点7延伸至3，将压缩过程6-7由工作点7延伸至1，改变了现有技术中1、3点应重合于7构成封闭循环的理论基础。显然由7-1-2-3-7构成的循环是热机循环，但在本发明中各工艺流程阶段并不存在实际的工作点7，无法把工质在设备中的循环过程分解为制冷循环和热机循环两个部分。因此，本发明通过六个过程综合实现了热机循环和制冷循环两个部分。
从应用的角度看，热量Q1是本发明装置工作时所消耗的能源；当把本装置作为热泵时，Q2就是本发明装置的供热量；当把本装置作为制冷机组时，Q3就是所需要的制冷量；当需要本装置输出轴功(机械能)时，其输出机械能为W＝We1-Wc，Wc是膨胀机输出的轴功中必须用以压缩机工作所消耗的能量。
当膨胀机输出的机械功全部用来推动压缩机时
We1＝Wc
式(1)简化为：
Q1+Q3＝Q2 (2)
或：
Q3＝Q2-Q1 (3)
显然，Q2-Q1≥0时，式(2)有意义，本发明装置可用于制冷。制冷效率ηol是：
ηol＝Q3/Q1 (4)
或代入(3)得：
ηol＝(Q2-Q1)/Q1 (5)
这是一个重要结论：当Q2＞2Q1时，制冷效率ηol＞1。结合图2可知，当h3＝h1且We1＝Wc时，本发明有着与蒸汽压缩制冷装置一样的制冷效率。同理可得制热效率ηoh是
ηoh＝Q2/Q1 (6)
或代入(2)得：
ηoh＝(Q3+Q1)/Q1 (7)
即本发明在任何时候始终有制热效率ηoh＞1。同样，当h3＝h1且We1＝Wc时，本发明有着与蒸汽压缩热泵一样的制热效率。
当使用本发明装置输出机械能时，其机械效率ηm是：
ηm＝(We1-Wc)/Q1 (8)
结合图2可将式(8)改写为
ηm＝〔h2-h3-(h1-h6)〕/(h2-h1)或
ηm＝1-(h3-h6)/(h2-h1) (9)也就是说，向左调整工作点1和工作点3，或向右调整工作点2和工作点6都有利于提高机械效率ηm。从目前已有的工质看，在2相交的等比体积线1-2总在等熵线3-2之上，且有T4＞T5，故工作点6总在工作点3的左边且不重合，即总有h3＞h6。又因为总有Q1＝h2-h1＞0，所以总有机械效率ηm＜1。为了获得轴功输出，即ηm＞0，从式(9)得
(h2-h1)＞(h3-h6) (10)这是实用中设计本发明装置的关键。不满足式(10)的含义从式(8)已经看出，若ηm＜0，说明We1＜Wc。当实际设计过程中通过调整工作点1、工作点3和工作点6，都不能满足式(10)时，只能提高T2，即向右调整工作点2，这实际上是要求提高加热器热源的温度Th。但必须注意Th是可以获得的热源温度，从本发明的愿望出发，应该是Th越低越好。
显然，本发明装置的冷、热、轴功联产的综合效率η是：
η＝ηol+ηoh+ηm也就是说，利用温度Th的热源做能源，通过本发明装置可同时获得冷、热和轴功，其效率分别是ηol、ηoh和ηm，综合效率是η。