本发明涉及到包括称为锅炉的装置的加热系统。本发明尤其涉及到得益于称为热泵(缩写为“hp”)的装置的热力锅炉。
背景技术：
就锅炉的情况来说，为实施热泵装置已经存在着好几种技术方案。
首先，已经知道使用电动压缩机来压缩和循环热传递工作流体。所述压缩机也被称为“电hp”。然而，随着外部温度降低，这些系统的效率急剧下降，这在大多数情况下导致配有补充的传统燃料燃烧器。
还已经知道燃气机热泵(“燃气机hp”)。该系统涉及到内燃机的使用，内燃机有噪音，而且需要定期维护。
例如，从文件us5729988-tchernev中还已经知道吸附/解吸附型气体热泵，比如，利用水/氨或水/沸石对的那些气体热泵。但是这些设备复杂而且昂贵；这些设备还使用了有可能导致污染或有害的材料。
此外，通常，这种类型的锅炉最好是功率可调的，而且还将其设计为提供家用热水(称为“dhw”)。
此外，上文所述的大部分系统通常可以反向地运行，即在冷却模式中运行。
考虑到前述弊端，针对具有热泵作用的热力锅炉，需要提出改进的方案。
技术实现要素：
为此目的，提出用于与至少一个加热回路进行热交换的热力锅炉，其包括热压缩机，热压缩机作用在可压缩流体上并且包括至少一个压缩级和第一燃料燃烧器，所述压缩级具有使第一室与第二室分开的交替双向移动的活塞，所述第一燃料燃烧器形成耦接到第一室的热源，并且把加热回路用作为耦接到第二室的冷源，热压缩机形成可逆的热泵型回路的压缩功能，第一室和第二室经由蓄热器通过往复流体运动彼此之间流动地连接。
通过这种设置，本发明得益于在燃烧器与待压缩的工作流体之间的直接热传递，压缩机简单而紧凑，可逆的热泵型回路可用于以加热模式(“冬季”模式)向加热回路提供热量，或者在某些情况下，以冷却模式(“夏季”模式)从加热回路吸取热量。
此外，这种锅炉很少需要维护，而且维护操作可以大幅度地拉开间隔。
注1：关于本文件所用的词汇，应注意，加热回路可广义地诠释为主要用于与所关注的实体进行热交换的回路，所述实体通常为房屋，其目的是加热或冷却所关注的实体。
注2：在上述热泵型回路中，采用可压缩的两相传热流体，本发明得益于一个交换器上的蒸发现象以及另一个交换器上的冷凝现象。
根据一种被称为加热结构的结构，热力锅炉向加热回路提供热量(“加热”或“冬季”模式)，而可逆的热泵型回路从外部单元吸取热量。
在这些情况下，从热效率的观点看，在燃烧器消耗的所有能量或者直接用于压缩，或者分配到加热回路中。此外，压缩以及相关的流体回路引起抽吸外面的“自由”热量。因此，在这些情况下得到非常令人满意的性能系数。
在本发明的各个实施例中，还可以求助于以下设置中的一项和/或其它项。
根据本发明的一方面，热力锅炉可包括补充装置，所述补充装置包括与第一燃烧器不同的辅助燃烧器以及设置在加热回路中的补充交换器。因此，本发明一方面确保在非常寒冷的外部温度条件下运行，或者如果在hp回路不可用的情况下运行，另一方面确保通过最高要求，尤其是针对家用热水的最高要求连同加热的要求。
根据本发明的一方面，有利的是，燃料是气体。有利地是采用化石源气体或生物气体。
根据本发明的一方面，可压缩的传热流体是c02；这是可供使用的非污染性的安全流体。
根据一方面，有利地提供调制单元和电机(连接到活塞运动的电磁执行器)，以便调节(提高和/或降低)压缩机旋转速度。这种功率调制使之能够在舒适性与待实现的季节性能之间达到完美折衷，并且使hp的使用率最高。
根据一方面，热泵型回路包括两个串联回路，即可压缩气体工作回路(31，1，5，7，6)和乙二醇水回路(34，4，6)；这样能够把可压缩气体工作回路限制在工厂密封的锅炉组件内，由此使管道工或安装工从不得不与该回路的密封性打交道中解脱出来；这与乙二醇水回路形成对比，所述乙二醇水回路更易于实施并且可由管道工安装。
根据一方面，压缩机可包括至少两个串联的压缩级，即，除第一压缩级u1外，还有至少一个第二压缩级u2。因此，可使用c02(r744)型流体，使压力以及根据待加热的水回路的温度调整的c02流体温度大幅度偏移。因此得到良好的总体热力学效率。
根据一方面，压缩机可包括3个级；因此，本发明优化了升压间隔以及根据待加热的水回路温度和待传递的热功率调整的c02流体温度的合适性。
有利的是，各级是独立的。这有助于定型并且增加了每个级的调制能力。
热力锅炉包括在第一燃烧器入口处的空气预热器；从燃烧烟气中回收热量并将其注入燃烧器的气隔中；这样提高了总体性能系数。
热力锅炉包括在可压缩流体回路(31)与加热回路(30)之间形成主要热界面的主交换器(5)，压缩机由加热回路返回管道冷却的，所述加热回路返回管道首先进入至少一个主交换器5，然后进入热压缩机的冷段；对于良好的系统性能和效率而言，这是最佳选择。
此外，在冷却压缩机之后，加热回路返回管道进入补充交换器。这样，使向加热回路提供的热量最大化。
主交换器包括高温“ht”交换器和低温“lt”交换器；因此，可以向两个不同加热回路提供热量，一个加热回路具有高的平均温度(耦接到ht)，另一个加热回路具有适中高的平均温度(耦接到lt)。
热力锅炉包括家用热水回路；锅炉因此可以实现所有家用锅炉功能。
通过高温交换器(50)加热家用热水，在热压缩机出口处直接把高温交换器(50)设置在可压缩流体回路上；这有助于优选考虑家用热水。
根据一种被称为冷却结构的结构，热力锅炉从加热回路30取热量，并将该热量传递到家用热水dhw回路中或外部单元4中(夏季模式)；因此，锅炉可以提供冷却功能，还可以提供不耗能的家用热水。
附图说明
借助于非限制性实例给出本发明的实施例，通过阅读以下对本发明实施例的描述，本发明的其它方面、目的和优点将显而易见。结合附图还将更好地理解本发明，在附图中：
-图1按照图示展示了包括根据本发明的锅炉的加热系统，
-图2展示了与图1相似的系统，锅炉是混合动力锅炉，包括补充燃烧器，
-图3展示了与图1相似的系统，其中，提供空气预热交换器，而且锅炉压缩机包括两个压缩级，
-图4展示了与图3相似的系统，其中，还确保了家用热水的供应，
-图5展示了与图4相似的系统，锅炉压缩机包括三个压缩级，
-图6进一步详细展示了一级，即热压缩机中使用的压缩单元，
-图7展示了一级中的热力循环，
-图8展示了处于三个级结构中的压缩机的中心部分，
-图9展示了在可逆热泵型回路中使用根据本发明的热压缩机的非常概括的图表，所述热压缩机可以在加热模式和冷却模式下使用。
具体实施方式
在各图中，相同标号指代相同或相似元件。
图1显示了通常为了给工业房屋或者个人或集体住房供暖的加热系统的概况。加热系统包括下文将对其进行说明的锅炉10。
系统包括标为30的加热回路；如开头所述，“加热回路”一词并不排除该回路取热；然而，在所阐释的第一实例中，加热回路包括热量接收实体3，其形式为散热器/对流散热器3和/或地热，它们位于待加热的房屋的房间中。
可有多个热量接收实体，例如，一个处于低温(地热)，另一个处于较高温度(对流散热器，家用热水)。循环器m3使水在加热回路30中循环。
还可以考虑一个热量接收实体是水池或温室的情况。此外，加热系统可用于具有热量接收实体的工业环境，所述热量接收实体的形式为工业处理设备。
锅炉10包括热压缩机1，所述热压缩机构成热泵回路的动力部件。在所阐释的实例中，仅把标为4的外部单元设置在房屋(大楼、住宅等)外。其余主要部件设置在房屋内，乃至锅炉10套管中。
注意，在各图中，管道工程象征性地展示了。
热泵装置一方面包括在外部单元4中循环的乙二醇水回路34以及通过压缩机1的工作流体回路31。在所阐释的实例中，工作流体是r744，另外也称为co2，但是也可以选择具有相似属性的其它流体。为了区分其它流体，回路31中的工作流体随后将被称为“可压缩”流体，在本技术领域中也被称为制冷液。这与在外部单元(回路34)中向外循环的主要以水为基础的(乙二醇水)流体相对，并且还与在已经提及的加热回路30中循环的也主要是以水为基础的流体相对，因此不是可压缩的。
不管是可压缩流体还是不可压缩流体，回路31，31，34中使用的各种流体都是传热流体，所述流体把热量主要从外部单元4传递到接收实体3，而且也从压缩机的燃烧器11传递到接收实体3。
稍后将对也可能存在的冷却模式进行说明。
应注意，外部单元4可以是气动热单元或地热单元。
可以看到，通过热泵作用捕捉外部热量采用串联的两个流体回路，所述流体回路通过交换器6相互接口，所述交换器也被称为接口交换器6，最好是横向流交换器。乙二醇水回路34包括循环器m4，其从外部单元4回收热量，并将该热量传递到接口交换器6。注意，可压缩流体回路组件31，即c02组件，被局限在锅炉10之内，所述锅炉是在制造厂中制备的；仅有乙二醇水回路34必须由专业人员应用到目标装置上。
此外，热泵装置包括其本身是已知的膨胀装置7以及主交换器5，所述膨胀装置对于压力的作用与压缩机相反，所述主交换器5在压缩机出口处热耦接可压缩流体回路与加热回路30。最好将主交换器5配置为横向流交换器。主交换器可由并联的或者将如下文所见的串联的多个交换器构成，而不是由所示的单个交换器51构成。
可压缩流体回路31包含双相形式的流体，所述流体回收来自接口交换器6(称为“蒸发器”的一侧，在此双相流体由液态变为汽态)的热量，并将该热量传递到主交换器5(称为“冷凝器”的一侧，在此双相流体从汽态变为液态)。
注意，加热回路管道30首先穿过该主交换器5，然后在加热回路流体冷却压缩机1的位置将其导向压缩机的冷区。
注意，燃烧器11的燃烧过的气体出口回路(标为32)转到与加热回路耦接的交换器21的内部，在其位置，烟气将其热量交给主加热回路30的流体；稍后，我们将看到在某些情况下该交换器21也可以被称为“补充交换器”21。
用于调整锅炉的单元(未示出)控制着由燃烧器11引入和燃烧的气体量。
燃烧器11的尺寸通常确定为能够提供高达6kw的功率；实际上，当压缩机运行时，调整器把功率调节到2kw至6kw之间。
对于压缩机1更具体而言，参考图6，它是被称为“蓄热式”压缩机的热压缩机，具有供热区(热区)、冷却区(冷区)以及容纳的外壳8，所述外壳借助2个止逆阀与外部连通，所述止逆阀即入口阀门41(进入)和出口阀门42(回流)。
在图1的实例中，仅有标为u1的单独一个压缩级。
在包含的外壳8中，可压缩流体占据几乎不变的体积，将换气活塞71配置在其中，以便交替地位移，在所阐释的实例中，从上到下位移，从而把大多数可压缩流体的体积排到热区或或冷区。把活塞连接到稍后可见的自驱动系统中的连杆或曲轴驱动系统。
如图6所示，压缩机的结构围绕轴向x，最好将其垂直施置，但是不排除另外的设置。可移动地安装在圆柱形内衬90中的活塞71可以沿着该轴位移。所述活塞把第一室81与第二室82隔开，这两个室被包含在工作外壳8中，其总体积v1+v2基本不变。活塞71呈现圆顶形式的上部，例如为半球形。
工作外壳8在结构上容纳在由热套管96和冷汽缸头95形成的组件中，中间插入隔热环97。
也被称为“热室”的第一室81设置在活塞上方，并且热耦合到热源11(燃料燃烧器11)，所述热源直接向第一室81中的气态流体提供热量。第一室呈轴对称，具有直径与活塞直径d1相对应的圆柱形部分以及上部的半球形部分，半球形部分包括供可压缩流体进入和排出的中心开口83。热源11形成完全包围热室81的盖，具有燃烧器注射器11a。
也被称为“冷室”的第二室82设置在活塞下面，并且热耦合到冷源(在此是加热回路91返回)，从而把来自可压缩流体的热量传递到加热回路。第二室是直径为d1的圆柱形，并且包括在活塞下面围绕轴的多个开口84，以便可压缩流体进入和排出。
围绕圆柱形内衬90的壁，设置通常用于斯特林发动机型热力机械中的类型的蓄热式换热器19。该交换器19(在下文简称为“蓄热器”)包括横截面狭窄的流体通道以及用于储存热能的元件和/或致密的金属丝网络。该蓄热器19设置在外壳上端与下端之间的中等高度，并呈现朝向顶部的热侧19a以及朝向底部的冷侧19b。
在蓄热器内部，在热侧和冷侧之间观察到明显的温度梯度，热侧的温度接近燃烧器盖的温度，即700℃，冷侧的温度接近加热回路的温度，即30℃至70℃之间的温度，这取决于加热回路上存在的一个或多个实体。
靠着热套管96内面设置的环形运行间隙24把第一室的开口83连接到蓄热器的热侧19a。
汽缸头95中的通道25把第二室的开口84连接到蓄热器的冷侧19b。
因此，当活塞向上移动时，通过运行间隙24、蓄热器19和通道25，按照第二冷室82的方向从第一室81消除可压缩气体。相反，当活塞向下移动时，通过通道25、蓄热器19和运行间隙24，按照第一室81的方向从第二冷室82消除可压缩气体。
换言之，第一室和第二室(81，82)彼此之间通过往复流体运动的蓄热器(19)流动地连接。
通过活塞71在下死点pmb与上死点pmh之间交替运动，以及入口上的吸气阀41的作用以及出口上的防回流阀42，确保压缩机的运行。在图6和图7中展示了下文所述的不同步骤a、b、c、d。
步骤a.
最初在顶部的活塞向下移动，第一室81的体积增加，而第二室82的体积减少。因为如此，通过蓄热器19把流体从底部推向顶部，并在过程中将其加热。压力pw同时增加。
步骤b.
当压力pw超出一定值时，出口阀门42打开，压力pw维持在压缩流体的排气压力p2，朝出口排出流体(当然，入口阀门41此时保持关闭)。继续这样操作，直到活塞到达下死点。
步骤c.
活塞现在从底部向上移动，第二室的体积增加，而第一室的体积减小。因为如此，通过蓄热器19从顶部向下推动流体，并在过程中将流体冷却。压力pw同时降低。当向上运动开始时，出口阀门42关闭。
步骤d.
当压力pw下降到一定值以下时，入口阀门41打开，压力pw维持在流体吸入压力p1，通过入口吸取流体(当然，出口阀门42此时保持关闭)。继续这样操作，直到活塞到达上死点。当活塞开始下降时，入口阀门41关闭。
作用在连杆一个末端上的自驱动装置14控制着连杆18的运动。该自驱动装置包括飞轮142、通过枢转连接，例如通过滚珠轴承143连接到所述飞轮的连接杆141。连接杆通过另一个枢转连接，例如通过滚珠轴承144连接到连杆。
辅助室88充满处于压力pa的气态工作流体。当装置运行时，辅助室88内的压力pa收敛到大致等于最低压力p1和最高压力p2总和一半的平均压力。实际上，由于处于动态模式时环118与连杆18之间的功能间隙缩小，所以这样非常轻微的泄露不影响运行，而且仍是可忽略的。
当飞轮旋转一圈时，活塞扫过的体积对应于上死点与下死点之间的距离乘以直径d1。
如图7所示，热力循环为自驱动装置提供正功。
然而，对于初次启动，以及为了调整旋转速度，把电动机17耦接到飞轮142。
该电机可有地利封装在辅助室88中，或者在外面磁耦合到壁。
通过调整单元驱动电机17，调整单元图中未显示；控制电机能使飞轮的旋转速度加速或减速，交换的热流实际上与飞轮的旋转速度成比例。由于电机17，所以调整单元通常可将旋转速度调整在100rpm至500rpm之间，最好在[200-300rpm]的范围内。
还应注意，电机17用于启动自驱动装置14。
注意，活塞71不是动力接收活塞(与内燃机或普通斯特林发动机不同)，而是简单的换气活塞；动力是以增加工作气体压力的形式提供的。
注意，v1+v2+vchannel＝vtotal，如果忽略连杆18体积的变化，v1则是第一室的体积，v2则是第二室的体积，vchannel是导管24，25的体积。最好，这样进行设置，使狭窄横截面的导管具有最小可能的死体积，例如实现vchannel<v1+v2的10％。
如图2所示，锅炉可有利地为混合动力锅炉，换言之，锅炉可包括辅助燃烧器20，其与第一燃烧器11和补充交换器21不同。该辅助燃烧器20主要用于在非常低的外部温度下运行的情况，并且通过了来自供暖装置的峰值要求(存在家用热水时，连同家用热水一起，见下文)。
通常，对于个人住房而言，补充交换器的辅助燃烧器20的尺寸通常确定为使热输出功率约为20kw，这比上文所见的压缩机的压缩功能所需的热功率高得多。
更具体而言，调整单元测量外部温度以及有关回路(30，31，32，34)中流体的各个温度，以确定使补充燃烧器20运行的需求。
如前文已经提及的那样，第一燃烧器的燃烧过的气体出口回路32进入补充交换器21内部，在该位置，将其热量交给主加热回路30的流体。
注意，加热回路30中的流体从主交换器5，51，从压缩机的冷端(区域91)以及最后从补充交换器21内燃烧的燃烧气体中接收其热量。如果辅助燃烧器20在运行中，则还从辅助燃烧器20中直接提供热量。
图3阐释了本发明的锅炉中可存在的额外特征。
首先，串联安装两个压缩级，换言之两个压缩单元u1，u2，一个u2接着另一个u1，分别具有其燃烧器11，12。
第二级u2在各方面都与第一级u1相似或类似；所述第二级包括燃烧器12和换气活塞72，在所述燃烧器的位置产生与进入空气混合的气体燃烧，所述换气活塞与第一级的换气活塞相似，而且其运动和旋转速度独立于第一换气活塞。两个燃烧器11，12的功率综合约为10kw。
实际上，把第一级的止回阀42的出口注入到第二级的入口止回阀43。按照共享冷端的综合版本，阀门42，43相结合。第二级u2的出口，即阀门44形成压缩机1的出口。
另一方面，可以提供标为9的进气预热交换器，本发明借此得益于从燃烧器11，12离开的废气中存在的热量，以便预热流向燃烧器火焰的冷空气35。在此，预热交换器9是空气/空气交换器，其本身是已知的，在所阐释的实例中用于横向流。
抵达燃烧器11注射器11a的空气因此处于100℃至300℃之间的温度。
图4首先阐释了由两个串联(下文将描述该特征)交换器构成的主交换器5以及另一附加特征，即，家用热水(缩写为“dhw”)的供应。提供家用热水储水箱16，其本身是已知的，因此在此不再赘述。当流体穿过dhw交换器15时，通过流体36的循环来加热该储水箱中的水。
加热回路30的旁路分支33在这个dhw交换器15中循环。该旁路分支从标为50的高温(ht)主交换器中吸取热量并将其传递到dhw交换器15中的家用热水中。
可以通过调节阀78控制在旁路分支33中循环的流体的流量，所述调节阀本身是已知的。与调节家用热水储箱的系统的需求成比例地确定该流量。
在此，主交换器5包括串联设置在co2回路31上的两个交换器：“高”温交换器50，配置为加热家用热水的旁路33在其中循环，以及“低”温交换器51，所述低温交换器形成co2回路31与加热回路30的主要耦合。注意，即使没有家用热水回路的情况下，例如，如果有2个加热接收器回路，一个低温以及另一个高温，也可以有两个交换器(高和低)的结合。
通常，高温交换器50中可压缩流体的平均温度比100℃高得多，而低温交换器51中可压缩流体的平均温度则大幅度低于高温交换器的出口温度，通常低于150°乃至优选地低于100°。
图5阐释了附加特征，即三个压缩级的结构，换言之，三个压缩单元u1，u2，u3。
本发明设计第一级上有燃烧器11、第二级上有燃烧器12以及第三个级u3上有第三个燃烧器13。每个级都与关于图6的主题所述的级相似。可确定三个燃烧器11，12，13的功率之和约为13kw乃至15kw。
有利的是，各级独立地运行，各个级的旋转速度可彼此不同；第二级和第三个级分别具有标为72、73的活塞。
注意，加热回路通过连续通道93，92和91冷却压缩机的三个冷区。
第一级的出口，即阀门42连接到第二级的入口，即阀门43。第二级的出口，即阀门44连接到第三个级的入口，即阀门45。阀门46的出口形成压缩机1的总出口。
通常压力分级如下，第一级u1的进气压力约为30巴，第一级(第二进气级)的排气压力约为45巴；第二级u2(第三个进气级)的排气压力约为60至65巴；第三个级u3的出口可约为90巴。
可以这样设定：三个级u1、u2、u3的三个冷区形成称为冷汽缸头的单个部分，比如虚线所示部分95’(图5)。
在图5中阐释了锅炉的另一个可选特征；标为75的所谓除冰交换器使乙二醇水回路34能够直接耦接到加热回路30，不涉及到可压缩气体回路31。
可以通过(手动或可控)阀门74使辅助回路76起作用，所述阀门使该除冰交换器起作用。
正如其名所指，该除冰交换器75用于通过传递来自加热回路的热量给外部单元4除冰。
注意，按照与从加热回路向外部交换器传递热量相同的原理，在某些情况下还可将该交换器用于被动冷却。
一般地讲，应注意，燃烧器中使用的燃料可以是天然气，或者植物或动物来源的生物气，或者是来自工业油处理废料的轻质烃化合物。
如图9所示，如上所述的热压缩机1可以在图1至图5的图表的情形中使用，当然可以在加热模式下使用，但是相反地，也可以在冷却模式下使用。
在这种情况下，在处于该冷却模式时，将从加热回路30(例如在地热处)吸取热量，并将吸取的热量导向家用热水回路15，16或外部单元4。
通过颠倒可压缩气体回路31上蒸发和冷凝交换器5’，6’的作用，可以实现这种效果。
为清晰起见，使流体循环方向能够颠倒的四通阀77未显示在图1至图5中，但是在图9中展示了这个原理，其中，四通阀77呈现被称为加热模式的正常位置以及被称为冷却模式的特殊(颠倒)位置。
当四通阀77处于正常位置时，标为6’的交换器以冷凝器模式运行，标为5’的交换器以蒸发器模式运行。
相反，当阀门77处于反过来位置时，交换器5’以冷凝器模式运行，标为6’的交换器以蒸发器模式运行。
在锅炉系统中，为清晰起见，某些部件未示出，虽然也可能存在这些部件。具体而言，所述这些部件是：
-水回路34、30上的膨胀箱
-加热回路的填充和排放阀
-c02回路的填充和排放阀
-通过调整单元来控制系统所需的各种压力计和温度传感器
回路概述
30：加热回路
31：可压缩的co2流体
32：燃烧气体
33：dhw的旁路
34：乙二醇水(与外界交换)
35：加热空气的入口
36：特定dhw回路
76：除冰旁路