多热源驱动的VM循环热泵系统的制作方法

本发明涉及一种vm循环热泵系统，尤其是一种利用多热源作为驱动能源的vm循环热泵系统，属于热泵技术领域。

背景技术：

我国每年能源耗量十分巨大，能源的消耗主要以化石能源为主。然而，化石能源不仅储量有限，而且已经造成了严重的生态平衡和环境污染。因此，采用太阳能、地热能等无污染的可再生能源是科学界的当务之急，也是未来经济和技术发展的制高点。同时，我国的废热利用率远逊于发达国家，目前我国的能源利用效率大约72％，存在大量的浪费。浪费的能源表现形式主要为烟气、余热等，对于这些浪费的能源，提倡与用地热、太阳能等可再生能源进行综合利用，势必对节能具有重要意义。

对于这些热源，存在温度低、利用难度大的问题，一般作为供暖或制冷用途。以热能作为驱动能源的vm循环热泵具有良好的前景。维勒米尔(vuilleumier，以下简称vm)循环，由vuilleumier在1918年提出，它的本质可以看成正向斯特林循环和逆向斯特林循环的有机组合。vm循环热泵可以利用余热、太阳能、地热等热能作为驱动能源，可以制冷或制热，满足用户的供冷和供热需求。只需在启动时需要少量的机械动力，之后便可自行运转，具有结构紧凑、磨损和噪声小、寿命长等优点。同时，由于它采用氦气、氮气等气体作为工质，对减少温室效应和臭氧层破坏具有积极的作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有vm循环热泵只能采用单一热源供热的缺点。在本发明中，通过将热腔分级来实现多热源互补驱动的功能。如图1所示，将热腔分级，每级热腔对应一种热源，提供一种多热源同时驱动，可以对外供冷和供热的vm循环热泵系统，对于能源的综合利用及提高能源利用效率都有重要的作用。

本发明所述问题是以下技术方案实现的：

一种多热源的vm循环热泵系统，其特征在于：它包括vm循环热泵、高温热源回路、中温热源回路，低温热源回路、供热回路及供冷回路。所述vm循环热泵由三级热腔，三级热回热器，二级热腔，二级热回热器，一级热腔，一级热回热器，室温腔，冷腔，冷回热器，热推移活塞，冷推移活塞以及驱动推移活塞的连杆机构组成；三个热腔体积的变化是同相位的，三个热腔输入不同的热源。

所述高温热源回路由高温热源换热器、三级热腔换热器组成。

所述中温热源回路由中温热源换热器、二级热腔换热器组成。

所述低温热源回路由低温热源换热器、低温热腔换热器组成。

所述供热回路由供热换热器、室温腔换热器组成。

所述供冷回路由供冷换热器、冷腔换热器组成。

上述多热源vm循环热泵系统，热源位置进行高低配置，依据温度梯度排序，三级热腔通过高温热源回路与高温热源连接，二级热腔通过中温热源回路与中温热源连接，一级热腔通过低温热源回路与低温热源连接；本文描述的是三级vm循环热泵，若增加热源数量，则可以可以增加级数；若减少热源数量，则可以相应的减少vm循环热泵的级数。

上述多热源vm循环热泵系统，热腔吸收热量与热腔容积成比例关系。

上述多热源vm循环热泵系统，如果某热源停止供热，则温度相近的热源进行支援调配，满足系统的正常运行。

本发明采用多级热腔vm循环热泵技术，将热腔分级来实现多热源互补驱动的功能。通过对太阳能、余热、地热等多热源作为vm循环热泵的驱动能源，来打到制冷与制热的目的。不但可以满足人们对供冷与供热的需求，同时可以有效的利用能源，提高了能源的利用率。

另外，本发明还具有如下优点：

1、跟传统的vm循环热泵相比，增加了输入热源的种类，可以根据不同温度梯度区间，同时利用多种热源，如太阳能、余热、地热等。可以根据实际需要，将更多热源进行利用，接入多热源vm循环热泵，可以更广泛的利用能源。

2、本发明采用的工质是氦气、氮气等，不会对环境产生破坏。不会像氟利昂制冷剂一样，引发环境问题。

3、跟传统的vm循环热泵相比，多热源vm循环热泵将热源温度分级，减小换热损失。以本文的三级vm循环热泵为例，若热源温度区间为100——500℃，则可分级为一级热腔1——300℃，二级热腔为300——450℃，三级热腔为450℃——500摄氏度。由于温度梯度变小，因此可以显著的提高换热效率。

4、整个装置工质为气体，具有结构紧凑、磨损和振动小、寿命长等优点。

5、由于该热泵可以供冷和供热，可以广泛应用于居民供冷、供热系统中。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明多热源vm循环热泵系统流程图；

图2是本发明多热源vm循环热泵系统结构图；

图3是本发明多热源vm循环热泵系统循环过程图；

图4是本发明多热源vm循环热泵系统的热源调配图。

图中各标号为：1、三级热腔；2、三级热回热器；3、二级热腔；4、二级热回热器；5、一级热腔；6、一级热回热器；7、室温腔；8、冷腔；9、冷回热器；10、热推移活塞；11、冷推移活塞；12、高温热源换热器、13、三级热腔换热器；14、中温热源换热器；15、二级热腔换热器；16、低温热源换热器；17、低温热腔换热器；18、供热换热器；19、室温腔换热器；20、供冷换热器；21、冷腔换热器；22、连杆机构。

具体实施方式

本发明基于多级vm循环制冷机的改进。传统的vm循环制冷机，将冷腔分级来获取更低的低温。本发明中将分级技术应用于热泵领域，将热腔分级，采用了多级热腔的结构，用不同温度梯度的热源进行供热，实现了多热源互补驱动的功能。

如图2所示，整个系统由vm循环热泵系统、高温热源回路、中温热源回路、低温热源回路、供热回路及供冷回路组成。三级vm循环热泵系统由三级热腔1，三级热回热器2，二级热腔3，二级热回热器4，一级热腔5，一级热回热器6，室温腔7，冷腔8，冷回热器9，热推移活塞10，冷推移活塞11以及推移活塞的连杆机构22组成；高温热源回路由高温热源换热器12、三级热腔换热器13组成；所述中温热源回路由中温热源换热器14、二级热腔换热器15组成；低温热源回路由低温热源换热器16、低温热腔换热器17组成；供热回路由供热换热器18、室温腔换热器19组成；供冷回路由供冷换热器20、冷腔换热器21组成。

多热源vm循环热泵的工作过程如图3所示。

过程a-b：冷腔和热腔总容积同时减小，三级热腔中的工质通过三级热回热器，被填料冷却到近乎二级热腔温度后进入二级热腔，与二级热腔中的工质混合，进入二级热回热器，被填料冷却到近乎一级热腔温度后进入一级热腔，之后与一级热腔的工质混合，共同经过一级热回热器，被一级热回热器填料冷却到室温腔温度后进入室温腔。冷腔中的工质通过冷回热器，被填料加热到接近室温后进入室温腔。

过程b-c：在该过程中，冷腔体积减小，热腔体积增大。冷推移活塞继续将冷腔中所留的工质推向室温腔。在冷回热器中被加热到接近室温腔温度后进入室温腔。热腔体积增大，室温腔中的工质被一级热回热器加热到近乎一级热腔温度后分成两部分，一部分直接进入一级热腔，另一部分则经过二级热回热器，被二级热回热器加热到近乎二级热腔温度后再被分成两部分，一部分进入二级热腔，另一部分经过三级热回热器，被三级热回热器中的填料加热到近乎三级热腔温度后进入三级热腔。整机压力和温度迅速上升，热量由室温换热器排出。

过程c-d：在该过程中，冷腔容积和热腔容积增大。室温腔中的部分气体经过冷回热器，被冷却到接近冷腔温度后进入冷腔。室温腔中的另一部分气体继续经过一级热回热器，被加热到近乎一级热腔温度后分成两部分，一部分直接进入一级热腔，另一部分则经过二级热回热器，被二级热回热器加热到近乎二级热腔温度再被分成两部分，一部分进入二级热腔，另一部分经过三级热回热器，被填料加热到近乎三级热腔温度后进入三级热腔。

过程d-a：在该过程中，冷腔体积增大，热腔体积减小。室温腔的气体经过冷回热器，被冷回热器冷却到近乎冷腔温度后进入冷腔。三级热腔中的工质经过三级热回热器，被填料冷却到近乎二级热腔温度后进入二级热腔，与二级热腔中的工质混合，共同通过二级热回热器，被填料冷却到近乎一级热腔温度后进入一级热腔，之后与一级热腔的工质混合，共同经过一级热回热器，被一级热回热器填料冷却到室温腔温度后进入室温腔。

综合上述四个过程，多热源vm循环热泵的工质在高温热源回路、中温热源回路和低温热源回路吸收热量，在供热回路中放热达到供热效果，在供冷回路吸收热量达到供冷效果。

对于多级vm循环热泵，多级热源的热量和温度梯度有以下关系式：

v＝v1+v2+……+vn(1)

qh1＝a1qhqh2＝a2qh……qhn＝anqh(3)

故：qh1∶qh2∶……∶qh1＝v1∶v2∶……∶vn(4)

式中：v1到vn为1级热腔到n级热腔的容积。v为热腔的总容积。

a1到an为1级热腔到n级热腔，每级热腔的容积占热腔总容积的例。

qh1到qhn为1级热腔到n级热腔，每级热腔吸收的热量。

即热腔吸收热量与热腔容积成比例关系。

对于多热源vm循环热泵系统，如果某热源停止供热，则温度相近的热源进行支援调配，满足系统的正常运行。

如图4所示，对调配原则进行简单描述。a、b、c三个热源对应a、b、c三个热腔，由热源向热腔供热。热源温度a＞b＞c，热腔温度a＞b＞c。如果a热源供热不足，则温度相近的b热源增大回路流量进行支援调配，多供一部分热量给a热腔；如果b热源供热不足，则温度相近的a热源和c热源同时增大回路流量进行支援调配，多供一部分热量给b热腔；如果c热源供热不足，则温度相近的b热源增大回路流量进行支援调配，多供一部分热量给c热腔。多热源vm循环热泵系统通过上述调配，完成系统的正常运行。