专利名称：传统活塞单热源开路制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及制冷领域，尤其是一种传统活塞单热源开路制冷系统。
背景技术：
制冷技术及装备目前被广泛应用，但其耗功大，为此，人类消耗了大量能源，也对环境造成了严重污染。如果能够发明一种以环境作为高温热源(即被冷却降温的目标热源)，并通过内部系统构造一个低温热源，并以此低温热源作为制冷冷源从环境吸热，换句话说，不需要耗功就可以制冷，这将具有划时代的意义。
发明内容
要想利用环境作为高温热源，在制冷系统内构建一个低温热源，唯一的方法就是将来自于环境的气体、或将在环境中吸热的气体、进行绝热深度压缩或进行近似绝热深度压缩，在深度压缩过程中被压缩的气体的压力和温度均大幅度提高，向被深度压缩的气体内混入液体(含临界状态)，液体与气体发生传热相变成气体，使压力升高、温度小幅升高或不升高或下降，然后进行绝热膨胀作功，膨胀作功的量大于压缩过程的功耗，所以系统可以对外输出动力，作功完了时的气体温度下降到低于压缩前的温度，至少部分气体发生液化， 这样就构建了一个新的低温热源。如果从表面上看，这个过程违反了热力学的相关定律，但是详细分析，可知在向高温高压气体内混入液体(含临界状态)时，压力会大幅升高，压力的升高会导致膨胀作功完了时的气体温度大幅下降，这一过程的实质是利用了传质过程和传热过程的互换，用传质过程替换了传热过程，从而实现了构建低温热源的目的，这一低温热源可以作为制冷过程的冷源。向被深度压缩的气体内混入液体(含临界状态)的量应满足液体气化后气相总摩尔数η、温度T和气体常数R的乘积大于混入液体前的此乘积。在向被深度压缩的气体内混入液体(含临界状态)的过程中，应尽可能维持恒容状态。为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下
一种传统活塞单热源开路制冷系统，包括气缸、活塞和液体工质源，其特征在于所述活塞设置在所述气缸内，在所述气缸的缸盖上设进气道，在所述进气道与所述气缸的缸盖的连接处设进气门，在所述气缸的缸盖上设排气道，在所述排气道与所述气缸的缸盖的连接处设排气门，在所述排气道上设排气吸热制冷器，所述液体工质源经液体工质高压导入系统与所述气缸连通，所述进气门、所述排气门和所述液体工质高压导入系统受过程控制机构控制；所述气源设为大气或常温气体时所述液体工质设为非水液体工质，所述气源设为余热热气源时所述液体工质设为水或可气化液体。所述过程控制机构用于控制所述进气门、所述排气门和所述液体工质高压导入系统并实现以下工作循环实现当由所述进气道进入所述气缸的气体工质在所述气缸内被深度压缩后，所述液体工质高压导入系统将所述液体工质源内的液体工质定量导入到所述气缸内，所述液体工质与所述气体工质混合受热气化使压力进一步提高构成所述活塞下行作功的量大于所述气体工质被深度压缩过程所需要的功，所述活塞对系统外作功，膨胀作功后的所述气体工质的温度降低到低于所述气体工质被压缩前的温度，降温后的所述气体工质在所述活塞上行时经所述排气门再经所述排气道被排入所述排气吸热制冷器，所述气体工质在所述排气吸热制冷器内吸热制冷后排出系统，来自气源的所述气体工质在所述活塞下行时经所述进气门被吸入所述气缸内，当所述活塞上行时所述气体工质被深度压缩，进入下一个循环。在所述进气道处设气体工质吸热低品位热源加热器。被导入到所述气缸内的所述液体工质的量满足完全被气化的程度。加大所述活塞在压缩过程中的压缩比，使被深度压缩的所述气体工质的温度在 1000K以上。所述液体工质设为液体二氧化碳、液氮或液氦。所述气源设为传统内燃发动机，所述气体工质设为所述传统内燃发动机的排气。在所述排气道处设气液分离器，所述液体工质源设为所述气液分离器的液体出口，所述气液分离器内的液体作为所述液体工质使用。在所述液体工质源与所述气缸之间的所述液体工质的流通通道上设液体工质吸热制冷器。在所述液体工质吸热制冷器与所述气缸之间的所述液体工质的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器。本发明所公开的传统活塞单热源开路制冷系统在压缩冲程完了时的压力大于等于 3.5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、 9. 5MPa、10MPa、10. 5MPa、llMPa、11. 5MPa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa、 15MPa、15. 5MPa、16MPa、16. 5MPa、17MPa、17. 5MPa、18MPa、18. 5MPa、19MPa、19. 5MPa、20MPa、 25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa 或 60MPa。本发明的原理是将气体深度压缩，使其温度和压力大幅度上升后混入液体(含临界状态)，使压力进一步提高而温度的增幅较小或不升温或降温，然后进行绝热膨胀对外作功。由于膨胀过程的起始压力在相当程度上大于压缩终了时的压力，所以气体膨胀作功的量大于压缩过程的功耗，为此，系统可以对外输出动力。膨胀作功完了后的气体的温度低于压缩开始时的气体温度，所以相当多了一个低温热源，可以利用低温气体作为制冷过程的冷源，升温后再进行压缩构成闭合循环。在利用低温气体从低品位热源吸热，吸热后再进行压缩构成闭合循环的结构中，低品位热源的热量可以先被吸收到所述液体工质中，在利用所述液体工质对膨胀作功降温后的所述气体工质进行加热后再进行压缩。在制冷过程中， 相当于从低品位热源吸热，或者在所述气体工质在所述气体工质吸热制冷器内吸热后和/ 或所述液体工质所述液体工质吸热制冷器中吸热后在从低品位热源中吸取热量。本发明循环的压力P和体积V的关系示意图如图7所示，其中a_b曲线表示绝热压缩过程，b_c直线表示喷入液体工质恒容降温增压过程，c_d曲线表示绝热膨胀作功过程，d-a曲线表示排气过程。为了说明原理，假设系统内有Imol的温度为2000K的所述气体工质，而 Imol的所述液体工质(如水)的气化潜热为500个单位，则系统原来的作功能力为 PV=nRT=lXRX2000=2000R ；向系统内喷入Imol的所述液体工质后所获得的工质的作功能力为PV=nRT= (1+1) XRX1500=3000R ；向系统内喷入2mol的所述液体工质后所获得的工质的作功能力为PV=nRT= (1+2) XRX1000=3000R;向系统内喷入3mol的所述液体工质后所获得的工质的作功能力为PV=IiRT= (1+3)XRX500=2000R。因此，可以得出结论系统在不加燃料的情况下，在图7所示的B点的压力是可以因液体工质的喷入汽化而增加的，同时系统在c一d曲线的作功能力nRT大于a_b曲线的作功能力nRT。本发明中所谓的低品位热源指海水、地热、尾气、工厂余热以及太阳能集热系统等一切可以对本发明所公开的传统活塞单热源开路制冷系统中的工质提供热量的热源。本发明中所谓的液体工质是指一切可以用于参与本发明所公开的传统活塞单热源开路制冷系统循环过程的液体，如水、液体二氧化碳、液氮、液氦、氟里昂等；所谓气体工质是指一切可以从环境直接或间接吸热并可参与本发明所公开的传统活塞单热源开路制冷系统循环过程的气体。所谓气体工质和所谓液体工质可以是同一种的物质的两种不同状态，也可以是不同物质。当所述气体工质和所述液体工质设为不同物质时，所述气体工质要选择不发生相变的气体。本发明所公开的传统活塞单热源开路制冷系统在开始工作时，需要加启动装置。 由于系统需要协调工作，必须在系统内设飞轮蓄能机构或与电源连接或蓄电池，以为压缩等耗功过程提供动力。本发明所谓的液体工质吸热制冷器是指由所述液体工质对被制冷目标热源(例如房间、冷库等)进行制冷的热交换器；所谓的气体工质吸热制冷器是指由所述气体工质对被制冷目标热源(例如房间、冷库等)进行制冷的热交换器。本发明所公开的传统活塞单热源开路制冷系统设置所述气体工质吸热低品位热源加热器和所述液体工质吸热低品位热源加热器的目的是为了给被压缩之前的气体工质或液体工质提供一定的热量使其升温，以满足本发明所公开的传统活塞单热源开路制冷系统循环的需要，提高制冷效果。当被制冷热源的温度较低时，这两个加热器尤为重要。本发明中与高温高压气体工质混合的所述液体工质的量应尽可能多但要保证完全气化没有过剩液体，其潜热小者为好，其温度越高越好，最好是处于临界状态。本发明的有益效果如下
本发明可制造出不消耗燃料对外输出功的高效制冷系统。
图1所示的是本发明实施例1的结构示意图； 图2所示的是本发明实施例2的结构示意图3所示的是本发明实施例3的结构示意图； 图4所示的是本发明实施例4的结构示意图； 图5所示的是本发明实施例5的结构示意图； 图6所示的是本发明实施例6的结构示意图； 图7所示的是本发明循环的压力P和体积V关系示意图。
具体实施例方式实施例1如图1所示的传统活塞单热源开路制冷系统，包括气缸1、活塞2和液体工质源3，所述活塞2设置在所述气缸1内，在所述气缸1的缸盖上设进气道101，在所述进气道101与所述气缸1的缸盖的连接处设进气门102，在所述气缸1的缸盖上设排气道103，在所述排气道103与所述气缸1的缸盖的连接处设排气门104，在所述排气道103上设排气吸热制冷器108，所述液体工质源3经液体工质高压导入系统8与所述气缸1连通，所述进气门102、 所述排气门104和所述液体工质高压导入系统8受过程控制机构14控制实现当由所述进气道101进入所述气缸1的气体工质7在所述气缸1内被深度压缩后，所述液体工质高压导入系统8将所述液体工质源3内的液体工质6定量导入到所述气缸1内，所述液体工质 6与所述气体工质7混合受热气化使压力进一步提高构成所述活塞2下行作功的量大于所述气体工质7被深度压缩过程所需要的功，所述活塞2对系统外作功，膨胀作功后的所述气体工质7的温度降低到低于所述气体工质7被压缩前的温度，降温后的所述气体工质7在所述活塞2上行时经所述排气门104再经所述排气道103被排入所述排气吸热制冷器108， 所述气体工质7在所述排气吸热制冷器108内吸热制冷后排出系统，来自气源10的所述气体工质7在所述活塞2下行时经所述进气门102被吸入所述气缸1内，当所述活塞2上行时所述气体工质7被深度压缩，进入下一个循环；所述气源10设为大气或常温气体时所述液体工质6设为非水液体工质，所述气源10设为余热热气源时所述液体工质6设为水或可气化液体。被导入到所述气缸1内的所述液体工质6的量满足完全被气化的程度。加大所述活塞2在压缩过程中的压缩比，使被深度压缩的所述气体工质7的温度在1000K以上，例如 1300K、1500K、1800K、2000K、2300K、2500KJ800K、3000K、3200K 或!3500K。所述液体工质 6设为液体二氧化碳、液氮或液氦。实施例2
如图2所示的传统活塞单热源开路制冷系统，其与实施1的区别在于在所述进气道 101处设气体工质吸热低品位热源加热器112。实施例3
如图3所示的传统活塞单热源开路制冷系统，其与实施1的区别在于所述气源10设为传统内燃发动机600，所述气体工质7设为所述传统内燃发动机600的排气。液体工质6 设为水或可气化液体。实施例4
如图4所示的传统活塞单热源开路制冷系统，其与实施1的区别在于在所述排气道 103处设气液分离器200，所述气液分离器200作为液体工质源3使用，所述气液分离器200 的液体出口经液体工质高压导入系统8与所述气缸1连通，所述气液分离器200内的液体作为所述液体工质6使用。实施例5
如图5所示的传统活塞单热源开路制冷系统，其与实施1的区别在于在所述液体工质源3与所述气缸1之间的所述液体工质6的流通通道上设液体工质吸热制冷器1110。实施例6
如图6所示的传统活塞单热源开路制冷系统，其与实施5的区别在于在所述液体工质吸热制冷器1110与所述气缸1之间的所述液体工质6的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器113。
显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种传统活塞单热源开路制冷系统，包括气缸(1)、活塞(2)和液体工质源(3)，其特征在于所述活塞(2)设置在所述气缸(1)内，在所述气缸(1)的缸盖上设进气道(101)，在所述进气道(101)与所述气缸(1)的缸盖的连接处设进气门(102 )，在所述气缸(1)的缸盖上设排气道(103 )，在所述排气道(103 )与所述气缸(1)的缸盖的连接处设排气门(104 )，在所述排气道(103)上设排气吸热制冷器(108)，所述液体工质源(3)经液体工质高压导入系统(8)与所述气缸(1)连通，所述进气门(102)、所述排气门(104)和所述液体工质高压导入系统(8)受过程控制机构(14)控制；所述气源(10)设为大气或常温气体时所述液体工质 (6)设为非水液体工质，所述气源(10)设为余热热气源时所述液体工质(6)设为水或可气化液体。
2.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于所述过程控制机构 (14)用于控制所述进气门(102)、所述排气门(104)和所述液体工质高压导入系统(8)并实现以下工作循环实现当由所述进气道(101)进入所述气缸(1)的气体工质(7)在所述气缸 (1)内被深度压缩后，所述液体工质高压导入系统(8)将所述液体工质源(3)内的液体工质 (6 )定量导入到所述气缸(1)内，所述液体工质(6 )与所述气体工质(7 )混合受热气化使压力进一步提高构成所述活塞(2)下行作功的量大于所述气体工质(7)被深度压缩过程所需要的功，所述活塞(2)对系统外作功，膨胀作功后的所述气体工质(7)的温度降低到低于所述气体工质(7 )被压缩前的温度，降温后的所述气体工质(7 )在所述活塞(2 )上行时经所述排气门(104)再经所述排气道(103)被排入所述排气吸热制冷器(108)，所述气体工质(7) 在所述排气吸热制冷器(108)内吸热制冷后排出系统，来自气源(10)的所述气体工质(7) 在所述活塞(2 )下行时经所述进气门(102 )被吸入所述气缸(1)内，当所述活塞(2 )上行时所述气体工质(7)被深度压缩，进入下一个循环。
3.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于在所述进气道(101) 处设气体工质吸热低品位热源加热器(112)。
4.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于被导入到所述气缸 (1)内的所述液体工质(6)的量满足完全被气化的程度。
5.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于加大所述活塞(2)在压缩过程中的压缩比，使被深度压缩的所述气体工质(7)的温度在1000K以上。
6.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于所述液体工质(6)设为液体二氧化碳、液氮或液氦。
7.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于所述气源(10)设为传统内燃发动机(600)，所述气体工质(7)设为所述传统内燃发动机(600)的排气。
8.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于在所述排气道(103) 处设气液分离器(200)，所述液体工质源(3)设为所述气液分离器(200)的液体出口，所述气液分离器(200)内的液体作为所述液体工质(6)使用。
9.如权利要求1所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于在所述液体工质源 (3)与所述气缸(1)之间的所述液体工质(6)的流通通道上设液体工质吸热制冷器(1110)。
10.如权利要求9所述传统活塞单热源开路制冷系统，其特征在于在所述液体工质吸热制冷器(1110)与所述气缸(1)之间的所述液体工质(6)的流通通道上设液体工质吸热低品位热源加热器(113)。
全文摘要
本发明公开了一种传统活塞单热源开路制冷系统，包括气缸、活塞和液体工质源，所述活塞设置在所述气缸内，在所述气缸的缸盖上设进气道，在所述进气道与所述气缸的缸盖的连接处设进气门，在所述气缸的缸盖上设排气道，在所述排气道与所述气缸的缸盖的连接处设排气门，在所述排气道上设排气吸热制冷器，所述液体工质源经液体工质高压导入系统与所述气缸连通，所述气源设为大气或常温气体时所述液体工质设为非水液体工质，所述气源设为余热热气源时所述液体工质设为水或可气化液体。本发明可制造出不消耗燃料对外输出功的高效制冷系统。
文档编号F25B1/02GK102563941SQ201210006369
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月10日 优先权日2011年1月12日
发明者靳北彪 申请人:摩尔动力(北京)技术股份有限公司