氮气-乙醇气体体系间歇压缩式热泵装置和实现方法 【技术领域】
本发明涉及氮气-乙醇气体体系间歇压缩式热泵装置和实现方法，采用氮气作为压缩介质，避免了物料直接与压缩机和活塞相接触，从而防止了压缩机核心部件或者活塞的腐蚀与损坏，而惰性气体还可以回收循环利用。同时能避免传统的只局限于改变压缩工质和被动的提高活塞材料耐腐蚀耐高温强度的不足。
背景技术
热泵是一种以消耗部分能量作为补偿条件使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。热泵能够把把空气土壤水中所含的不能直接利用的热能太阳能工业废热等转换为可以利用的高品位热能。
目前工程界对热泵系统的称呼尚未形成规范统一的术语，热泵的分类方法也各不相同。国内文献则把地源热泵系统分为三类，分别称为地表水地源热泵系统、地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统。如果按工作原理对热泵分类可以分为机械压缩式热泵、吸收式热泵、热电式热泵和化学热泵。如果按驱动能源的种类又可以分为电动热泵、燃气热泵、蒸汽热泵。
热泵的性能系数(coefficient of performance，COP)是评价热泵节能型的最重要指标之一。根据热力学第二定律，热泵将低位热源的热量品位提高，需要消耗一定高品位能量。因此，热泵的能量消耗是一项重要的技术经济指标。热泵的性能系数是指热泵收益(供冷量或制热量)与付出代价(所消耗的机械功或热能)的比值。为了使不同热泵的性能之间有一定的比较性，通常用标准工况(或额定工况)的性能系数衡量热泵性能的优劣。
对于消耗机械功的蒸汽压缩式热泵，其性能系数可以用制热系数εh来表示，即为制热量Qh与输入功率P的比值：根据热力学第一定律，若不及压缩机向环境的散热，热泵的制热量Qh等于从低温热源的吸热量(等同于制冷机的制冷量)Qc与输入功率P之和，而制冷系数εc＝Qc/P，故制热系数εh可写为：由该式可以看出，制热系数εh恒大于1。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种氮气-乙醇气体体系间歇压缩式热泵装置和实现方法，采用氮气作为压缩介质，避免了物料直接与压缩机和活塞相接触，从而防止了压缩机核心部件或者活塞的腐蚀与损坏，而惰性气体还可以回收循环利用。同时能避免传统的只局限于改变压缩工质和被动的提高活塞材料耐腐蚀耐高温强度的不足。特别避免了传统压缩式热泵应用于化工过程活塞被腐蚀的缺点。
本发明提供的氮气-乙醇气体体系间歇压缩式热泵装置主要包括：加压罐，保温层，数据采集器，数据记录装置，加热包，加压罐内胆和液体排空口。加压罐的顶部的左侧和右侧分别连接高压氮气输入口和圆底烧瓶发生器，中部连接数据采集器，数据采集器由数据记录装置控制，真空泵管道与从右侧与加压罐顶部连接，加热包加热圆底烧瓶发生器，液体排空口与加压罐底部连接。
本发明提供的新型间歇压缩式热泵在操作过程中，加压过程以目标压力为标准调节压力，当加压罐内压力达到目标压力值时，停止向加压罐通入氮气。温度采集和记录过程以乙醇的沸点为界限，当温度降至77℃时，停止记录打开排空阀泄压。具体包括的步骤：
(1)关闭所有阀门，打开抽真空阀门，待压力稳定；
(2)将抽真空管道阀门关闭，再关闭真空泵。打开数据采集装置，每0.5分钟记录一次温度；
(3)在圆底烧瓶中放置2/3的乙醇并加热，沸腾后，缓慢打开圆底烧瓶与加压罐之间的阀门，使得蒸汽缓慢释放进加压罐，并持续通气，待压力等于大气压后，打开排空阀门，直到加压罐内的温度达到乙醇的沸点温度78℃左右；
(4)待温度稳定后，立刻关闭所有的阀门；
(5)将数据采集装置改为每3秒记录一次数据，再打开高压氮气的阀门，在短时间内充入高压氮气使其增大到稍小于目标压力，本实验目标压力值分别设为1.6Mpa、1.5Mpa和1.4Mpa，待压力与温度达到最大值后慢慢调节压力使其等于目标压力值；
(6)待温度降低至77℃后，缓慢打开排空阀门泄压，用湿式流量计测定排出气体的体积；
(7)选择某一次实验过程，等待其温度慢慢下降至室温，每0.5分钟记录一次数据，记录期间的所有温度数据。以用于加压罐的热损失计算。
本发明涉及一种氮气-乙醇气体体系间歇压缩式热泵装置和实现方法。采用氮气作为压缩介质，避免了物料直接与压缩机和活塞相接触，从而防止了压缩机核心部件或者活塞的腐蚀与损坏，而惰性气体还可以回收循环利用。同时能避免传统的只局限于改变压缩工质和被动的提高活塞材料耐腐蚀耐高温强度的不足。特别避免了传统压缩式热泵应用于化工过程活塞被腐蚀的缺点。
【附图说明】
图1是本发明的实验装置示意图。
图21.6MPa乙醇-氮气体系升温数据图。
图31.5Mpa乙醇-氮气体系升温数据图。
图41.4Mpa乙醇-氮气体系升温数据图。
【具体实施方式】
本发明提供的一种新型间歇压缩式热泵的装置包括：1-加压罐，2-保温层，3-高压氮气输送管，4-数据采集器(热电偶连接集成控制箱构成，使用市售的U12热电偶数据采集器)，5-数据记录装置(使用通用的市售温度采集记录仪，采用计算机利用软件Labview8.6软件作为软件操作平台进行记录数据)，6-接真空泵管道，7-圆底烧瓶，8-加热包，9-加压罐内胆，10-液体排空口。
该新型热泵的连接方式：保温层2置于加压罐1内部，加压罐9内胆置于保温层内部，高压氮气输送管3从左侧与加压罐1的顶部相连接，数据采集器4置于加压罐1的正上方并与其中部相连接，数据采集器4地另一端与数据记录装置5相连接，圆底烧瓶7从右侧与加压罐1相连接，接真空泵管6道从右侧与加压罐1顶部连接，加热包8加热、圆底烧瓶7底部、液体排空口10与加热管1底部相连接。
本发明提供的氮气-乙醇气体体系间歇压缩式热泵操作包括以下步骤：
(1)关闭所有阀门，打开抽真空阀门，待压力稳定；
(2)将抽真空管道阀门关闭，再关闭真空泵。打开数据采集装置，每0.5分钟记录一次温度；
(3)在圆底烧瓶中放置2/3的乙醇并加热，沸腾后，缓慢打开圆底烧瓶与加压罐之间的阀门，使得蒸汽缓慢释放进加压罐，并持续通气，待压力等于大气压后，打开排空阀门，直到加压罐内的温度达到乙醇的沸点温度78℃左右；
(4)待温度稳定后，立刻关闭所有的阀门；
(5)将数据采集装置改为每3秒记录一次数据，再打开高压氮气的阀门，在短时间内充入高压氮气使其增大到稍小于目标压力，本实验目标压力值分别设为1.6Mpa、1.5Mpa和1.4Mpa，待压力与温度达到最大值后慢慢调节压力使其等于目标压力值；
(6)待温度降低至77℃后，缓慢打开排空阀门泄压，用湿式流量计测定排出气体的体积；
(7)选择某一次实验过程，等待其温度慢慢下降至室温，每0.5分钟记录一次数据，记录期间的所有温度数据。以用于加压罐的热损失计算；
结果与讨论：
(1)在为通入氮气时系统温度稳定在78℃左右(乙醇沸点)。当通入高压氮气加压后，温度随之不断上升，系统压力稳定在1.6MPa时，最高温度为80.94℃，达到最大点之后，由于加压罐本身的热损失，温度又会不断的下降(见图2)。
(2)当系统压力稳定在1.5MPa时，最高温度为79.79℃；这是由于压力降低以及摩尔质量减少，所以其温升程度明显低于第一组1.6MPa压力下的温升程度(见图3)。
(3)当系统压力为1.4MPa，其最高温度为79.47℃，低于前两次的1.6MPa与1.5MPa下的升温幅度(见图4)。在每个升温的前期都有一个温度降低的小扰动，这是为了表明压缩气体升温的可能性，避免气体的温升是由于过热氮气造成的，所以有意使高压氮气的进口温度稍低于乙醇蒸汽的温度，大约维持在75℃左右，这样虽然使得实验中有一个温度降低的小谷，却能保证温度的升高与压力以及摩尔质量的关联性，从而更进一步的证明了实验的可能性。
(4)本发明提出了间接蒸汽压缩式热泵操作过程的新方法。这种方法突破了传统的只改变压缩工质和提高活塞材料耐腐蚀耐高温强度的局限，运用氮气作为压缩介质，直接代替活塞，避免了物料直接与压缩机相接触，从而防止了压缩机核心部件或者活塞的腐蚀。
(5)本发明对氮气-乙醇气做了压缩升压升温试验，验证了最初设想的通过间接压缩使目标气体升温的可能性。进而又分别做了一系列压力下的升压升温数据，建立了其压力-温度图，从而验证了其压力与温度的正相关关系。