专利名称：应用顾氏热力循环方式工作的热工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是热力工程和热工装置的技术领域，特别涉及到的是应用逆向顾氏热力循环方式工作的热工装置，这种多级顾氏热力循环是由两级或两级以上劳伦兹子循环构成的。
众所周知，所谓热力循环都是由多个热力过程构成的循环闭路。若采用三个或三个以上的热工机械相互串、并联而构成一个循环闭路系统，并适当地选择某种或某些种工质在这个闭路循环系统中循环以实现其所预期的热力循环过程，则这种闭路循环系统便称为按照某种热力循环过程而工作的热工装置。
由不同的热力过程经过不同的组合可以形成不同的热力循环，而每一种热力循环都可以按照工质在系统中的循环方向不同而分成相应的正向循环和逆向循环两类循环方式。在温熵图上，工质按顺时针方向进行的循环称为正向循环，反之，工质按逆时针方向进行的循环称为逆向循环。
卡诺在1824年提出了著名的卡诺热力循环，该循环由等温可逆吸热过程、绝热可逆膨胀过程、等温可逆放热过程和绝热可逆压缩过程所组成(参见文献《工程热力学理论基础及工程应用》著者H.D.贝尔，科学出版社，1985)。
图1为卡诺循环的温熵图。
从理论上说，应用卡诺循环在两个无限大热源间工作的热工机械的效率是最高的，但是卡诺循环在工程上实现起来是很困难的，因此工程上常使用朗肯循环近似代替卡诺循环，正向朗肯循环由一个等压吸热过程、一个绝热膨胀过程、一个等压放热过程和一个绝热压缩过程所组成;逆向朗肯循环其方向与之相反。图1为卡诺循环的温熵图，图2为朗肯循环的温熵图。由图2可以看出，朗肯循环巧妙地利用纯物质等压相变换热时，其温度不变的特点，并且让循环中的压缩和膨胀过程都在单向区内进行，(从而可以避免两相工作的膨胀和压缩装置效率甚低的缺陷)，这样，朗肯循环可以很好地近似卡诺循环。在实施朗肯循环时可以发现，在实现循环的装置中，工质是极其重要的，是工质的热力学性质决定了循环的特征，并在相当大的程度上决定了循环的性能。
但是，在两个有限大热源之间工作的热机，使用卡诺循环的话，其热效率并不高，朗肯循环也一样。其原因在于，有限大热源放热或吸热时，伴随着温度的减少或增加，因而导致了在卡诺循环的吸热及放热过程中，其换热温差不均匀，致使换热不可逆损失增加，循环热交换降低。例如，在热水发电、热泵、制冷和空调系统就是如此。因为这些热工装置都工作在两个有限大热源之间。鉴于这一原因，在1965年，提出一种新的热力循环，即劳伦兹循环(参见文献“THEUSEOFNON-AZEOTROPICREFRIGERANTMIXTURESINHEATPUMPSFORENERGYSAVING”，作者R.Jakobs和H.Kruse国际制冷学会B2委员会1978年会议论文集)。其正循环由一个变温吸热过程、一个绝热膨胀过程、一个变温放热过程和一个绝热压缩过程构成，且吸热过程曲线和放热过程曲线是平行的，图3为劳伦兹循环的温熵图。显然，劳伦兹循环在能量合理利用方面确较卡诺循环和朗肯循环有较大改进。但是，直到1978年这一循环方式才得到热工界的重视和肯定，并公认为其很可能在未来的热水发电、热泵、制冷系统中代替现行的朗肯循环。1985年一些公司开始制造了第一批按照劳伦兹热力循环工作的冰柜和空调器。然而，本发明人的多年研究结果表明，劳伦兹循环仍存在许多不足，比如说，这一循环方式要求其吸热过程曲线和放热过程曲线彼此平行，这仍将造成部分能量得不到充分利用，另外在中、低温余热资源的热水发电系统中劳伦兹循环也跟卡诺循环及朗肯循环一样，存在一个最佳初始蒸发温度，从而使余热流体的排放温度过高，造成能量浪废。(参见文献“AHEAT-POWERCYCLEFORELECTRICITYGENERATIONFROMHOTWATERWITHNON-AZEOTROPICMIXTRUES”，作者顾雏军和林澜“Energy”，No.6，1988)。总之，上述这三种循环方式的能量利用率都不高。
为了解决这些在先技术中存在的上述问题，本发明人经过多年的研究，发明了一种新的热力循环-顾氏热力循环，发明人曾就这个循环应用于热水发电系统的一种方案，写成了一篇论文并由美国“ENERGY”杂志于1988年6月发表了，这个新型热力循环已被命名为顾氏循环。此文公开了一种多级顾氏循环热水发电方案。这种已公开的多级顾氏循环热水发电的实施方案，仅仅是若干多级顾氏循环方案中的一种，这种方案是将单级劳伦兹循环按照多级顾氏循环的组合原则组合而成的，(多个单级劳伦兹系统可以按照劳伦兹循环组合原则，组合成多级劳伦兹循环，其区别参见图4和图5)。如图4所示，这种循环的每个单级都是由变温吸热过程、绝热膨胀过程、变温放热过程和绝热压缩过程组成，且变温吸热过程和变温放热过程线平行。将各级的蒸发过程无温差串联起来，而放热过程保持在同种的温度下进行即构成了多级顾氏循环，(如果放热过程也无温差地串联起来，则构成多级劳伦兹循环)。
此已公开的多级顾氏循环热水发电方案系多级顾氏正循环的一种。然而，有了正循环的一种实施方案，并不意味着就能够找到其可供实用的逆循环方案。因为正循环通常用于动力生产系统，而其逆循环则多用于空调、热泵及制冷系统中，前者是生产动力的装置，后者是消耗动力的装置，原则上讲两者在工程上没有任何联系。各主要系统的部件也都不相同。在历史上，朗肯正循环装置发明之后，其朗肯逆循环装置过了将近三十年才发明出来，劳伦兹循环的制冷装置发明十五年之后，才有人开始发明劳伦兹循环的正循环装置，有些循环(如笛塞尔循环，卡林拉循环)至今只有正循环装置，而没有找到其逆循环的装置。
本发明人在顾氏正循环工作的基础上，又进行了大量的创造性工作，发明了若干种采用顾氏逆循环的可供实用的热工装置。总体说来，它们都至少含有两个变温换热过程，并且这两个换热过程的总体斜率各不相等。
下面将结合最佳实施例和附图更详细地说明这几种热工装置。
图1为卡诺循环的温熵图，其中ab为等熵膨胀过程，bc为等温放热过程，cd为等熵压缩过程，da为等温吸热过程。
图2为朗肯循环的温熵图，其中ab为绝热膨胀过程，bc为等压放热过程，cd为绝热压缩过程，da为等压吸热过程。
图3为劳伦兹循环的温熵图，其中ab为等熵膨胀过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵压缩过程，da为等压变温吸热过程。
图4为多级顾氏循环的温熵图，其中a1b1为等熵膨胀过程，b1c1为第一级等压变温放热过程，c1b2为第一级等熵压缩过程，b2c2为第二级等压变温放热过程，c2b3为第二级等熵压缩过程，……，bn-1cn-1为第n-1级等压变温放热过程，cn-1bn为第n-1级等熵压缩过程，bncn为第n级等压变温放热过程，cndn为第n级等熵压缩过程，dna1为等压变温吸热过程。
图5为多级劳伦兹循环的温熵图，其中a1b1为等熵膨胀过程，b1c1为第一级等压变温放热过程，c1d1为第一级等熵压缩过程，c1c2为第二级等压变温放热过程，c2d2为第二级等熵压缩过程，……，cn-1cn为第n级等压变温放热过程，cndn为第n级等熵压缩过程，dna1为等压变温吸热过程。
图6为多级顾氏热泵循环的温熵图，其中a1b1为等熵压缩过程，b1cn为等压变温放热过程，cndn为第n级等熵膨胀过程，dnan为第n级等压变温吸热过程，andn-1为第n-1级等熵膨胀过程，dn-1an-1为第n-1级等压变温吸热过程，……，d2a2为第二级等压变温吸热过程，a2d1为第一级等熵膨胀过程，d1a1为第一级等压变温吸热过程。
图7为分立式多级顾氏循环热泵装置系统图。
图8为多级实际顾氏热泵循环的温熵图。
图9为组合式多级顾氏循环热泵装置系统图。
图10为多级顾氏制冷循环的温熵图。
图11为分立式多级顾氏循环制冷装置系统图。
图12为组合式多级顾氏循环制冷装置系统图。
一.多级顾氏循环热泵供热装置。
该装置的循环温熵图如图6所示。这类装置的一种实施方案如图7所示，它可以由N(N＝2，3，4，……，n)级组成，每级都是一个劳伦兹循环的热泵组件，每一个单级都包括一个变温蒸发过程，绝热压缩过程，变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和膨胀过程平行，这些过程分别由蒸发器、气体压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)实现。仅把每一级的冷凝器的供热流体串联起来，并尽可能使每个冷凝器中换热温差为最小，这就构成了一个多级顾氏循环热泵装置。如果同时把蒸发器的低温流体也串联起来，则将构成多级劳伦兹热力循环装置。本发明的这种装置比常用劳伦兹循环以及朗肯循环热泵节能20%到60%。从热力学上可以证明它为最佳的热泵循环，具有最高的能量利用率。对于大型供热系统(包括民用和工业上使用的热泵系统)，由于它们本来就是由多个压缩机并联使用的，因此，只要把这些系统按照顾氏循环方式串联布置，并充以劳伦兹热力循环所要求的混合工质，按照顾氏循环的各级配匹原则，则就可以改造成多级顾氏循环装置。应该指出的是，按照图7所示的装置，严格说来，它所实现的是多级实际顾氏循环，与图6所示的理论顾氏循环，还有一定的实际区别，其严格的实际循环图应为图8所示。但按照热力学循环分析的习惯仅以理论循环进行比较，其结论可以类推到对应的实际循环，在介绍某一循环时，热力学习惯也是仅仅介绍其理论循环，对应的实际循环是可以根据热力学原理，非常方便在温熵图上表示出来。由于这一原因，以下的介绍将不在区别理论和的实际循环。
结合附图7附图8再具体说明一下这种实施方案的具体构成。
图7为分立式多级顾氏循环热泵装置系统图，图中U代表热用户，c1，c2，……，cn代表多级热泵系统中各级冷凝器，y1，y2，……，yn代表多级热泵系统中各级压缩机，v1，v2，……，vn代表多级热泵系统中各级蒸发器，p1，p2，……，pn代表多级热泵系统中各级膨胀阀(或膨胀机)，e1，e2，……，en代表热泵系统中温度为环境温度的低温流体。在实际工作过程中，每级冷凝器实现等压变温冷凝过程，每级压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，每级蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也不是等熵的)。多级顾氏热泵循环的组合方式的关键技术是将供热流体在各级冷凝器中无温差的串联起来，供热流体在各级冷凝器中连续升温，由最初的回水温度升到热用户所需要的供热水温度，这就实现了一个多级顾氏循环热泵系统的供热过程。在各个冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和循环的级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热泵系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热泵系统将是所有热泵系统中能量利用率最高的。
图8为多级实际顾氏热泵循环的温熵图，其中a1b1为第一级绝热压缩过程，a2b2为第二级绝热压缩过程，……，an-1bn-1为第n-1级绝热压缩过程，anbn为第n级绝热压缩过程，在图6中，这些过程是重合画在一起了，其工质流量为各级的工质流量之和。b1c1为第一级变温冷凝过程，很明显，实际的顾氏循环中有一蒸汽过热段，这一点在理想循环是省略的。同样，b2c2为第二级变温冷凝过程，……，bn-1cn-1为第n-1级变温冷凝过程，bncn为第n级变温冷凝过程，c1d1为第一级等焓膨胀过程，(使用膨胀机时，这一过程将为绝热膨胀过程)，c2d2为第二级等焓膨胀过程，……，cn-1dn-1为第n-1级等焓膨胀过程，cndn为第n级等焓膨胀过程。d1a1为第一级变温蒸发过程，d2a2为第二级变温蒸发过程，……，dn-1an-1为第n-1级变温蒸发过程，dnan为第n级变温蒸发过程。各级冷凝过程b1c1，b2c2，……，bn-1cn-1，bncn的选择和各级工质流量的选择以各级的换热量与供热流体的换热量匹配及换热过程中供热流体和工质的温度匹配为准。
图9是这类装置的另一种可供实施的系统，这种系统可以用一个多级排气的压缩机代多个分立的压缩机和/或用一个组合冷凝器代替各个分立的冷凝器，和/或用一个蒸发器代替多个分立的蒸发器，但膨胀阀(或膨胀机)仍为多个分立式的，这种装置的循环温熵图与图6十分近似，但是这种装置结构紧凑，占地面积少，并且成本更低。这种装置称为组合式的多级顾氏循环装置。前面所介绍的装置则称为分立式的多级顾氏循环装置。
在图9中，图中U代表热用户，c代表多级热泵系统中组合式冷凝器，y代表一个带有多级排汽出口的组合式压缩机，v代表组合式多级热泵系统的蒸发器，p1，p2，……，pn代表组合式多级顾式循环热泵系统的各级膨胀阀(或膨胀机)，e代表热泵系统中温度为环境温度的低温流体。在实际工作过程中，组合式冷凝器实现等压变温冷凝过程，组合式压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也不是等熵的)。组合式多级顾氏热泵循环的组合方式的关键技术也是将供热流体在组合式冷凝器中串联流动，使得供热流体在组合式冷凝器中持续升温，由最初的回水温度升到热用户所需要的供热水温度，这就实现了一个多级顾氏循环热泵系统的供热过程。在组合式冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和组合式顾氏热泵循环的组合级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热泵系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热泵系统将是所有热泵系统中能量利用率最高的。组合式多级顾氏循环热泵系统比较其分立式系统，具有结构紧凑、成本较低、运行可靠等优点。
二.多级顾氏循环制冷装置这类装置的循环温熵图如图10所示。这类装置的一种实施方案如图11所示，它可以由N(N＝2，3，4，……，n)级组成，每级都是一个劳伦兹循环的制冷装置，每一个单级都包括一个变温蒸发过程，绝热压缩过程，变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和膨胀过程平行，这些过程分别由蒸发器、气体压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)实现。把每一级的蒸发器的放热流体串联起来，并尽可能使每个蒸发器中换热温差为最小，这就构成了一个多级顾氏循环制冷装置。这种装置比劳伦兹循环以及常用的朗肯循环制冷装置节能10%到50%。从热力学上可以证明它为最佳的制冷循环，具有最高的能量利用率。对于大型制冷系统(包括民用和企业上使用的制冷系统)，由于它们本来就是由多个压缩机并联使用的，因此，只要把这些系统按照顾氏循环方式串联布置，并充以劳伦兹循环所要求的混合工质，按照顾氏循环的各级配匹原则，则就可以改造成多级顾氏循环装置。
结合附图10，附图11再具体的说明一下这种实施方案的具体构成。
图10为多级顾氏制冷循环的温熵图，其中a1b1为第一级等熵压缩过程，b1c1为第一级等压变温放热过程，c1b2为第二级等熵压缩过程，b2c2为第二级等压变温放热过程，……，bn-1cn-1为第n-1级变温放热过程，cn-1bn为第n-1级等熵压缩过程，bncn为第n级等压变温放热过程，cndn为等熵膨胀过程，dna1为等压变温吸热过程。
图11为分立式多级顾氏循环制冷装置系统图，图中U代表冷用户，c1，c2，……，cn代表多级制冷系统中各级冷凝器，y1，y2，……，yn代表多级制冷系统中各级压缩机，v1，v2，……，vn代表多级制冷系统中各级蒸发器，p1，p2，……，pn代表多级制冷系统中各级膨胀阀(或膨胀机)，e1，e2，……，en代表制冷系统中温度为环境温度的高温流体。在实际工作过程中，每级冷凝器实现等压变温冷凝过程，每级压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，每级蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也不是等熵的)。多级顾氏制冷循环的组合方式的关键技术是将致冷流体在各级蒸发器中无温差的串联起来，致冷流体在各级蒸发器中连续降温，由最初的流体回温降至冷用户所要求的制冷温度，这就实现了一个多级顾氏循环制冷系统的制冷过程。在各个冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和循环的级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得制冷系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环制冷系统将是所有制冷系统中能量利用率最高的。
图12是这类装置的另一种可供实施的改进系统，这种方案用一个多级排气的压缩机代多个分立的压缩机，用一个组合蒸发器代替各个分立的蒸发器，用一个冷凝器代替多个分立的冷凝器，但膨胀阀(或膨胀机)仍为多个分立式的，这种装置的循环温熵图与图10十分近似，但是这种装置结构紧凑，占地面积少，并且成本更低。这种装置称为组合式的多级顾氏循环装置。
在图12中，图中U代表冷用户，c代表多级制冷系统中冷凝器，y代表一个带有多级进汽入口的组合式压缩机，v代表组合式多级制冷系统的组合式蒸发器，p1，p2，……，pn代表组合式多级顾式循环制冷系统的各级膨胀阀(或膨胀机)，e代表制冷系统中温度为环境温度的高温流体。在实际工作过程中，冷凝器实现等压变温冷凝过程，组合式压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，组合式蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也不是等熵的)。组合式多级顾氏制冷循环的组合方式的关键技术也是将致冷流体在组合式蒸发器中串联流动，使得致冷流体在组合式蒸发器中持续降温，由最初的流体回温降至冷用户所需要的致冷温度，这就实现了一个多级顾氏循环制冷系统的制冷过程。在组合式蒸发器和冷凝器中，如果适当选择工质的热物性和组合式顾氏制冷循环的组合级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得制冷系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环制冷系统将是所有制冷系统中能量利用率最高的。组合式多级顾氏循环制冷系统比较其分立式系统，具有结构紧凑、成本较低、运行可靠等优点。
三.多级顾氏循环的空调装置把上述的多级顾氏循环的制冷装置和多级顾氏循环的热泵装置中的至少一个取代原空调装置中的制冷装置和/或热泵装置，就构成了多级顾氏循环的空调装置，类似地，多级顾氏循环空调装置也有分立式和组合式两种。
实现本发明所提出的这种多级顾氏循环装置，其工质选择完全与劳伦兹循环方式的选择相同，这方面发表的文献很多，其中有许多很好的二元混合物具有这方面的优秀的热力学性能，如混合工质，R12/R11，R12/R114，R12/R142，R22/R114，R13/R114等。选择这些工质的唯一要求即是这些工质在相变时，其相变前后的温度应该是变化的，并且这个变化量不随初始相变温度的不同而不同，这一性质可以保证每个蒸发和冷凝过程在温熵图中是平行的，从而保证了每个单级循环为劳伦兹循环。
应该指出的是，多级顾氏循环的提出，不仅仅是一项科学发现，它同时也是一项能够在商业实施的、极具发展前景的全新的技术方案，在任何有限热源的动力或耗能的热力循环装置中，顾氏循环都是技术可以实现的方案中最佳的方案。对这类装置的绝大多数的多级热工装置，也只需变换现行并联系统，使之按顾氏循环重新计算各点的热力参数，然后按此参数运行这类热力装置即可。而一旦对传统的热工装置加以适当的改造，使之形成为按多级顾氏循环工作的热工装置，则后者的能量利用率将至少比原热工装置提高10%。
还应该明确的是，使用顾氏循环的热工装置，其所有提高的能量利用率，并不是由于其各部件的性能有所提高，(实际顾氏循环的各部件的能量利用性能可以不提高，略提高，或略下降，这些都对整体顾氏循环的能量利用性能影响不大)，而极其主要的是由于当采用多级顾氏循环时对各部件重新组合并改变循环工质的要求所带来的好处，这两点无论在任何循环中(如朗肯循环，劳论兹循环)，都是纯粹的循环的特征。而且本发明的核心就是首次提出了采用常规的热工部件、按照由劳伦兹子循环构成的多级顾氏热力循环方式工作的可供实用的全新的组合方式，并以最佳实施例的方式给出了这类热工装置的若干种具体的构成形式。根据本发明所给出的技术解决方案，本技术领域的工作人员可以根据实际需要十分容易地构造出上述种种具体构成形式的不同的改型。因此凡是有上述多级顾氏循环的特征的热工装置都属于本专利的发明内容。
权利要求
1.由实现两级或两级以上的劳伦兹子循环的组件构成的热泵供热系统，所述的实现劳伦兹子循环的组件包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)，其特征在于所述的每一级劳伦兹子循环组件中的冷凝器彼此串联。
2.如权利要求1所述的热泵的供热系统，其特征在于所述的多级劳伦兹循环组件中的冷凝器是一个组合式冷凝器。
3.如权利要求1、2所述的热泵的供热系统，其特征在于所述的多级劳伦兹循环组件中的压缩机是一个组合式多级排气的压缩机。
4.如权利要求1、2、3所述的热泵的供热系统，其特征在于所述的多级劳伦兹循环组件中的蒸发器是一个组合式蒸发器。
5.由实现两级或两级以上的劳伦兹子循环的组件构成的制冷系统，所述的实现劳伦兹子循环的组件包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)，其特征在于所述的每一级劳伦兹子循环组件中的蒸发器彼此串联。
6.如权利要求5所述的制冷系统，其特征在于所述的多级劳伦兹循环组件中的冷凝器是一个组合式冷凝器。
7.如权利要求5、6所述的制冷系统，其特征在于所述的多级劳伦兹循环组件中的压缩机是一个组合式多级排气的压缩机。
8.如权利要求5、6、7所述的制冷系统，其特征在于所述的多级劳伦兹循环组件中的蒸发器是一个组合式蒸发器。
9.由实现两级或两级以上的劳伦兹子循环的组件构成的热泵供热系统和制冷系统构成的空调系统，所述的实现劳伦兹子循环的组件包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)，其特征在于所述的供热系统中的每一级劳伦兹子循环组件中的冷凝器彼此串联和/或所述的制冷系统中的每一级劳伦兹子循环组件中的蒸发器彼此串联。
全文摘要
本发明涉及到由实现两级或两级以上的劳伦兹子循环的组件构成的多级顾氏循环热泵供热系统，该系统可以是由所实现劳伦兹子循环的组件构成的，该组件包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)，其特征在于所述的每一级劳伦兹子循环组件中的冷凝器彼此串联，不仅如此，本发明还涉及到多级顾氏循环制冷系统，以及由上述两种热力系统组合而成的多级顾氏循环空调系统。
文档编号F24F5/00GK1036258SQ8910021
公开日1989年10月11日 申请日期1989年1月19日 优先权日1989年1月19日
发明者顾雏军 申请人:顾雏军