用于从工作流体向接收流体传输动能的装置的制作方法

本发明涉及一种用于从工作流体向接收流体传输动能的装置，本发明还涉及一种热交换系统，所述系统包括这样一种装置用于从工作流体到接收流体交换热量。本发明特别适用于两种流体之间的热交换的领域。

背景技术：

生活热水(dhw)的生产在一次能源消耗(primaryenergyconsumption)中占有相当大的部分，例如，在法国约占5％。

在生活热水储水罐中，水的温度在60℃左右，以避免军团菌类型细菌的生长。

然而，储水罐出口处供用户(不论是个人还是家用设备)消耗的水储水罐都必须具有一般不超过45℃的温度，以避免烫伤。为此，在抽水点之前，以及因此而在生活热水储水罐出水阀和配件之前，对60℃储存的热水和冷水之间的混合则是必要的，从而使水温分布达到45℃左右。这种混合一般在恒温混合器层面上进行。然而，由于热水和冷水之间存在的重要温差，可以观察到显著的热能质量的降低。这种劣化会随着热水和冷水之间温度的差异而增加，导致设定流量和温度下的热水消耗量的增加。某些生活热水生产系统的能量性能对这种系统中所装水的温度非常敏感，例如，太阳能或热泵式系统。

为此，优选不要将冷水与储水罐内所装热水进行混合，而是用储水罐内所装热水对冷水预加热，目的是限制混合器层面对热水的消耗。

图1示出了一种系统，在这种系统中，通过浸在装有60℃左右生活热水的储水箱3内的加热盘管2，由热交换器对冷水1(进入管网的水)进行预加热。盘管输出端处经预加热的水11在恒温阀5层面与储水箱出水端处的热水4进行混合。然后，在恒温阀出口处供抽取的水6可随时被用户抽取。盘管出口端的预加热水11的温度会随着水箱内所存水的能量状态和抽取流量的不同而变化。盘管热交换器的缺陷是传输高热功率等级的能力低。例如，将流量为10升/分钟的水从15℃预加热到35℃，需要14kw的热功率。对于这种等级的热功率，优选使用板式热交换器，诸如图2所示。

在图2所示装置中，冷水1通过板式换热器21来进行预加热，冷水1和来自储水箱3的热水4在其中循环。在热水4和冷水1之间的板式换热器21层面进行热量转换。为此，在板式换热器出口端，冷水1被预加热11。图2所示装置示出了第一恒温阀5和第二恒温阀51。第二恒温阀51可以增加系统的安全等级，这样，如果热回收系统效率很高时，就可以防止管路端的用户接收太热的水。实际上，如果热回收系统(即板式换热器)效能太大，会使得板式换热器出口端的预加热水11的温度高于第一恒温阀5层面处的温度设定值。然而，这种系统的一个缺点是其要求使用电循环器，以便在交换器内循环流动液体，这会引起额外耗电。此外，这种装置要求调节循环器。使其只能在需要传热时工作，也就是说，抽水时。由于抽水是断断续续的，为此，必须使用测量和相应的计量措施。

技术实现要素：

本发明旨在解决全部或部分现有技术的上述缺陷，为此，特别提出了用于对在抽取生活热水前冷却用的冷水进行预加热的装置，，这些装置可以产生最小的能量消耗并且明显小于现有已经存在的设备。。

为此，本发明的一个方面涉及一种用于从工作流体向接收流体传输动能的装置，所述装置包括：

-循环器，其适于循环所述接收流体；

-水轮机，其适于被所述工作流体的循环来驱动；以及

-轴，其将所述水轮机与所述循环器相联接。

这种装置是被动的，因为接收流体由循环器使其运动，除了流过水轮机的工作流体传输的能量，没有任何外部能量消耗。

例如，工作流体可以是来自供水管网(waternetwork)的流体。

当水轮机与供水管网的连接开启，工作流体流过水轮机而带动水轮机运动，工作流体的重力势能或动能被转换成机械势能，经由机械轴，通过与水轮机相联接的循环器使得接收流体运动。为此，避免了任何形式的能量电转换。循环器的流量自动适应工作流体的抽取流量。因此，这种装置不需要电气指令，简化了这种装置的控制设置。

优选地，水轮机包括第一旋转轴，循环器包括第二旋转轴，与第一旋转轴成共轴线关系，轴将第一旋转轴与第二旋转轴相联接。在生活热水生产领域，工作流体一般是4巴左右低压输送的供水管网的水。第一轴和第二轴之间的共线性关系可以将所有能量从水轮机传输到循环器以驱动接收流体循环，不使用u型接头来使两个旋转轴之间形成共线，如果两个旋转轴不成共线，则会引起水轮机和循环器之间出现能量损失。

优选地，水轮机为一种螺旋桨式水轮机(propellerturbine)。例如，其可以是一种灯泡式、straflo(贯流式)、pelton(水斗式)或francis(混流式)式水轮机，或者，特别是一种卡普兰式水轮机。

卡普兰水轮机因其用于从液压能中产生电能而出名。在本发明中，发明者发现对于某些用途来讲，特别是生活热水的生产，有必要使两种流体同时放入循环器。代替如正常那样地使用两种循环器，即所谓的特别反应的控制指令，在本发明中，两种流体通过水轮机和循环器而联通，以确保具有动能(kineticforce)的工作流体同时运动，该动能可以将其能量瞬时传输给接收流体。这样，可以简化装置，其不再需要外部指令，一切都是直接发生，即，不需要流体外部的能量干预。为此，这种装置称之为被动系统。

此外，在本申请中，卡普兰式水轮机证明最适合低压降。

一种卡普兰式水轮机是一种推进式水轮机，其包括螺旋桨，分配器和抽吸器。螺旋桨是在轴上旋转的部件，其将流过水轮机的工作流体的能量转换为机械能，被传送到机械轴上，用于驱动接收流体流过与机械轴相耦合的循环器，并进而使接收流体运动。分配器由一圈可移动的带轮廓的翅片组成，用于引导流体并根据开度操纵其转动(流体速度的切向分量)。分配器也可以用作流量调节阀。分配器的作用是使用压力头(manometrichead)(联接到水头上，对应于横穿水轮机的液体的压力差，用水柱米表示)所产生的压力来迫使工作流体流过其翅片，这些翅片的朝向布置成以形成漩涡。压能(或称压头)从而转换成切向速度。最好清晰地区分出流过螺旋桨的工作流体速度中的两个分量：轴向速度和切向速度。轴向速度是与水轮机轴线平行方向上的速度。系统流量是由该轴向速度乘以螺旋桨扫过的截面(又称之为水轮机截面)而给出。切向速度是分配器所造成的漩涡的旋转速度(有时与蜗壳结合)。不同于轴向速度，切向速度可以完全被利用(截止)，被中断的工作流体不会流动。于是，完全被截获的切向速度成为零，引起独特轴向的一般流速。分配器将液压能转换为漩涡的旋转速度。切向速度能量被利用的质量在螺旋桨输出端的流速失去其所有切向分量时最佳(即不再存在任何漩涡)。液压能量转换为切向速度，其所有能量可被截获，流量产生轴向速度，可以仅提取其能量的60％左右。抽吸器或扩散器是一种扩散锥体，其通过使用螺旋桨输出端剩余速度来产生压力降。以瓦特数表示的水轮机液压动力ph表示为：ph(总数)＝q(m³/s)×h(m)×ρ(kg/m³)×g(m/s²)，式中：

(公式1)

-h为水轮机上游水池(basin)表面和水轮机下游水池表面之间可用水头之差(等于分量中的能量损失)；

-q是流过系统的体积流量(水轮机流量)，用m³/sec表示；

-ρ是水的密度，用kg/m³表示；

-g是重力引起的加速度，用m/s²表示。

在流过水轮机螺旋桨时，由于叶片产生的压力降，流体将其能量传输给螺旋桨轴。流体损失的这个能量将会引起螺旋桨上下游之间速度和压力的损失。对于运行流量来讲，为此必须使得螺旋桨上游压力大于螺旋桨所吸收的压力。因此，工作流量的净下降足够弥补螺旋桨所产生的压力差是必要的。

优选地，循环器是离心力叶片型。循环器的作用是将机械能转换为液压能。离心式循环器特别适于这种作用。液体进入循环器叶轮中，所述叶轮由水轮机经由进口法兰轴向驱动，而吸入管颈(suctionneck)由循环器叶轮叶片沿径向运动式被移开(deviate)。当液体流过叶片区时，离心力影响液体的每一个粒子，使得速度和压力增加。当液体从叶轮流出时，其被收集在蜗壳中。

对于给定的被驱动的液体流量来讲，卡普兰式水轮机和离心力叶片式循环器之间的联接可以将水轮机层面的压力降减至最小，从而限定了压头损失，增加了这种装置的能量效率。

本发明还涉及一种生产(回收)生活热水的系统，所述系统包括：

-根据前述其中一个实施方式，从工作流体向接收流体传输动能的装置；

-从工作流体换热到接收流体的热量转换装置；

-将接收流体和工作流体混合的混合装置。

对于生活热水的生产(回收)，该系统可以在接收流体和加热过的工作流体之间进行混合，接收流体系指以高温(例如60℃)储存的热水，而工作流体系指通过热量转换装置加热的来自管网的冷水。在混合装置的出口端，可获得准备作为生活用途的水。结果是，被加热的工作流体越多，以高温存储的热水就越少被消耗。为此，该系统可以减少以高温存储的热水的消耗。

于是，在混合装置的出口端提取生活热水时，来自管网的水，此处为工作流体，通过流经水轮机而驱动水轮机动作。这样，水轮机的旋转同时使得接收流体运动，接收流体通过热量转换装置内热量转换而对工作流体加热。例如，如果热量转换装置为板式换热器，通过接收流体和工作流体在板式换热器内的循环，接收流体将其热量转换给工作流体。

除了上述的主要特性外，根据本发明的系统可以具有一个或多个附加特征，不论是单独考虑还是根据其任何技术上可能的结合形式考虑，其中包括：

-系统包括适于工作流体循环并连接到水轮机上的第一管道；以及适合循环接收流体并连接到循环器上的第二管道；

-混合装置包括连接到存储接收流体的装置上的第一进口和连接到用于传输工作流体热量的装置上的第二进口；

-水轮机包括用于连接到饮用供水管网上的进口。饮用供水管网一般带有一定的势能；

-系统包括第二装置，用于对来自第一混合装置的流体和加热过的工作流体进行混合；

-循环器包括连接到热水储水箱上的出口；

-混合装置为一种恒温阀；

-热量转换装置为一种板式换热器。

该系统优选包括命令装置，该装置可以根据工作流体特性来对水轮机叶片指向进行调整。

附图说明

通过阅读如下参照附图给出的说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，附图如下：

-图1为根据第一现有技术的生产生活热水的系统的示意图；

-图2为根据第二现有技术的生产生活热水的系统的示意图；

-图3为根据本发明一个实施方式的生产生活热水的系统的示意图；

-图4为根据本发明另一个实施方式的生产生活热水的系统的示意图。

为了更清晰起见，在所有附图中，相同或相似的部件均标以相同的附图标记。

具体实施方式

图3示出了一种生产生活热水的系统，其包括使接收流体4运动的装置7。在这个示例性实施方式中，装置7包括连接到卡普兰式转桨水轮机71上的第一管道8，连接到离心力叶片式循环器72上的第二管道9，以及将水轮机机械联接到循环器上的机械轴73。为此，在水轮机动作时，其驱动循环器。在这个示例性实施方式中，螺旋桨水轮机连接到第一管道8上。在这个示例性实施方式中，循环器连接到第二管道9上。于是，工作流体在第一管道8和水轮机71内循环，而接收流体在第二管道9和循环器内循环。

螺旋桨水轮机71在进口端连接到来自饮水管网的冷水管路上。在该示例中，可驱动水轮机的工作流体1为冷水。

循环器72在出口端连接到热水储水箱3上，例如，热水罐上。

在该示例中，流过循环器的接收流体4是来自热水罐的热水。

在抽取生活热水时，要求对储水箱3内的热水4冷却，工作流体1，此处为冷水，流过装置7的水轮机部分71。由于供水管网的足够压力，工作流体1流过水轮机旋转驱动水轮机71。由于机械轴73的机械联接，流过水轮机的冷水的重力势能或动能在装置7层面被转换为机械能，而流过循环器的接收流体4在水轮机被工作流体1循环驱动旋转时被带动运动。

接收流体4流过工作流体的热量转换装置21，在此为板式换热器21，然后，在其被驱动流动时，流过循环器72。在循环器出口端，该流体被称之为接收流体4a。在抽取期间，该工作流体流过水轮机71，然后流过热量转换装置21。接收流体4的热量在板式换热器内部被传输给工作流体1。在循环器72出口端，该接收流体4a被送回到储水箱3。预加热的工作流体11被送到混合装置(例如恒温阀式)的入口端，在这里，与来自储水罐3流出的流体混合，以下称之为热水4b，以便在混合装置出口端获得第三流体6(流体11和流体4b混合)，其温度可供抽取和用户使用。为此，预加热的流体11加热的越多，被消耗的流体4b就越少，从而确保流体6的温度设定值。为此，可以减少流体4b的消耗，这就是本系统的有利之处。

混合装置5包括连接到用于接收所述接收流体4b的储水装置3上的第一进口51和连接到热量转换装置21上的第二进口52，该热量转换装置用于接收预加热工作流体11。在图3的示例中，示出了第二恒温阀54。第二恒温阀54可以增加系统的安全等级，为的是在热回收系统效能很高时避免管路端的用户接收太热的水，从而满足生活热水生产标准。图4所示系统给出了本发明的另一个实施方式，其是使用装置7的另一个方式。

根据图4示例，该系统不同于图3所示系统，其特征在于，还包括第二装置7b，该装置加装在储水罐3和能量输入装置82之间，后者可以对储水罐3内的水进行加热。为此，使用了联接到循环器83上的装置7b。

在这种情况下，循环器83采用电气连接，其可使装置7b的水轮机71b和循环器72b运动。这样可使得流体81循环(其成环状流动)，在被带动运动时，流体81会流过交换器21b和水轮机71b，从而同时也使流过循环器72b的流体41流动。流体41流入板式换热器21b，在这里，其同来自能量输入装置82的水81进行热通量交换。装置7b使得这些流体运动。在图4示例中，图3所示装置7继续完成图3所述功能。在另一个实施方式中，图中未示，其完全可以想象到仅使用一个装置7，或者如图3所示，或者只设在储水罐3和能量输入装置82之间。有益的是，仅发给循环器83一个指令，即可使系统发挥作用。根据这另一种实施方式，使装置动作的能量来自循环器83，而在图3示例中，该能量来自工作流体1的压力。

下面介绍根据板式换热器中水循环所要求的动力，水轮机作用在饮水管网上的压头损失估算情况：

循环器的动力被定义为流量乘以压头的积，压头的积从循环器的运行曲线上获得：

从公式1中：p循环器(w)＝流量(m³/s)×δp_交换器_管路(pa).

卡普兰水轮机的最大效能是在84％至90％之间，可以获得的最小流量是最大流量qmax的30％。

与最大效能相比，当流量q/qmax之比大于30％时，水轮机的相对效能大于80％，而当流量q/qmax之比大于40％时，水轮机的相对效能大于90％。

水轮机的机械动力表示如下：p机械＝效能_水轮机×p_液压,式中p_液压＝流量(q)×hn×rho_水×g,其中，hn＝净可用压头,或者水轮机所引起的压头损失,rho_水是水的比重,而g是重力加速度。

为此，hn表示为：

在hn的公式中，δp交换器管路一般是循环流量的函数。效能针对系统的尺寸设计并相对于流量，以确保流过交换器的各个流体流量均等。

让我们以一家私人住宅为例：

最大生活热水流量为10升/分钟，即0.17公斤/秒或600升/小时。

交换器：交换的热功率约为6-10kw，压头损失小于1mce，即10000pa。

循环器层面所需要的功率为：p_机械_循环器＝0.17

10^-3.10000＝1.7w.

那么，来自水轮机的液压动力一定是p液压_水轮机＝p机械_水轮机/效能_水轮机。

为此，水柱的hn＝1.7/(0.8.0.30.1710-3.10)＝4.16m等于水柱上0.4巴的压力降。

hn需相当于水轮机所产生的压头损失，这表明对于10升/分钟的流量来讲会在0.4巴的供水管网上存在附加压力损失，以及在10000pa的板式换热器上存在液压阻力。这个结果与管路其它部件的压头损失进行比较并和饮水管网的压力进行比较(一般在3至6巴之间)。注：对于大于3.5巴的管网压力，一般优选加装一个减压器。为此，一般来讲，水轮机所产生的压力降应该不超过总压力的10％。

在这个测算中，就低流量的具体布局来讲，水轮机的液压/机械转换效能计为30％左右。

本发明并不限定于上面参照附图所述的实施方式，预计还会有其它不同的实施方式，但都没有超出本发明的范围。