泵、空调系统以及用于提取热量的方法与流程

1.本公开涉及用于提取热量的装置、方法和系统，并且更具体地涉及用于从空气提取热量以产生具有不同温度的气体的装置、方法和系统。


背景技术：

2.例如氯氟烃(chlorofluorocarbon，cfc)和氢氯氟烃(hydrochlorofluorocarbon，hcfc)的制冷剂常用于空调系统中。然而，常规制冷剂或其替代物可能导致环境影响，例如引起温室气体排放或不利地影响平流层臭氧层。另外，一些制冷剂可能是易燃或有毒的。尽管液冷系统已经应用于例如工业冷却塔的各种应用中，但是这些系统中的大多数消耗大量的水。许多系统还需要使冷却水连续循环通过热交换器以散热。水消耗经常对水资源有限的区域造成限制。
3.因此，随着可持续性意识的增长，可能期望或有利的是改进空调或冷却系统，以提供节能和/或环保的系统。还可能期望满足各个部门中的日益严格的环保标准。


技术实现要素：

4.本公开提供了一种泵。根据一个实施例，泵包括：第一室，其容纳工作流体并提供第一空间，第一空间处于第一室内的工作流体的至少一部分的上方；输入通道，其联接到第一室，并且被构造成提供具有第一温度的气体；第二室，其与第一室联接，工作流体可经由第一室与第二室之间的至少一个第一流动通道在第一室与第二室之间流动，第二室提供第二空间，第二空间在第二室内的工作流体的至少一部分上方；第一输出通道，其联接到第二室，并且被构造成输出具有第二温度的气体，第二温度低于第一温度；以及控制装置，其经由一个或多个第二流动通道联接到第一室和第二室，其中，一个或多个第二流动通道在第一室与控制装置之间或在第二室与控制装置之间具有可控气流。
5.根据另一些实施例，本公开还提供了一种用于提取热量的方法。该方法包括：在第一时段期间：打开第一室与第三室之间的第一通道，以压缩第三室中的气体；以及打开第二室与第四室之间的第二通道，以解压缩第四室中的气体。该方法还包括：在第一时段之后的第二时段期间：关闭第一通道和第二通道；使气流能够到第一室中，气流包括具有第一温度的气体；以及输出温度低于第二室中的气体的第一温度的气体。
6.根据另外的实施例，本公开还提供了一种空调系统。该空调系统包括：彼此联接的第一室和第二室，工作流体可经由第一室与第二室之间的至少一个第一流动通道在第一室与第二室之间流动；控制装置，其经由一个或多个第二流动通道联接到第一室和第二室，一个或多个第二流动通道在第一室与控制装置之间或在第二室与控制装置之间具有可控气流；输入通道，其被构造成提供具有第一温度的气体；以及第一输出通道，其被构造成输出具有第二温度的气体，第二温度低于第一温度。
7.应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的本公开的限制。
附图说明
8.被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图示了若干实施例，并与说明书一起用于解释所公开的原理。在附图中：
9.图1图示了根据本公开的一些实施例的用于产生具有不同温度的气体的示例性泵。
10.图2a至图2c是图示了根据本公开的一些实施例的图1所示的泵的操作的示例性图。
11.图3是图示了根据本公开的一些实施例的用于产生具有不同温度的气体的具有液体活塞的泵的示例性图。
12.图4a至图4d是图示了根据本公开的一些实施例的图3所示的泵的操作的示例性图。
13.图5图示了根据本公开的一些实施例的用于执行用于提取热量的方法的示例性流程图。
具体实施方式
14.现在将对示例性实施例详细地进行参考，附图中图示并且本文中公开了实施例的示例。在任意方便的地方，在所有附图中使用相同的附图标记来指代相同或同样的零件。在以下示例性实施例的描述中阐述的实现方式是根据如所附权利要求中叙述的与本公开有关的方面的装置和方法的示例，并且不意味着限制本公开的范围。
15.图1用于图示根据本公开的一些实施例的用于产生具有不同温度的气体的示例性泵100的示例性图。在一些实施例中，泵100可以在没有常规制冷剂的情况下运行。如图1所示，泵100包括分别具有活塞124、144和164的室120、140和160。在图1中的初始化时段，活塞124、144和164可置于其上止点(top dead center，tdc)位置。输入通道122联接到室120，并被构造成将输入气体(例如，具有第一温度的气体)提供到室120中。输出通道142联接到室140，并且被构造成从室140输出高温输出气体(例如，温度高于第一温度的气体)。输出通道162联接到室160，并且被构造成从室160输出低温输出气体(例如，温度低于第一温度的气体)。控制阀126、146和166可以分别被构造成独立地打开或关闭(部分地或完全地)，以分别控制室120、140和160与输入/输出通道122、142和162之间的气流。
16.室120和140经由流动通道110彼此联接。室140和160经由流动通道130彼此联接。在一些实施例中，气体可经由流动通道110在室120与140之间流动。另一方面，控制阀150布置在流动通道130的端部处，并且被构造成部分地或完全地打开或关闭，以控制室140与160之间的气流。
17.图2a至图2c是图示了根据本公开的一些实施例的图1所示的泵100的操作的示例性图。在第一时段期间，控制阀126可以打开，而控制阀146、150和166可以关闭，以阻挡气流。活塞124和144被构造成分别移动到它们的下止点(bottom dead center，bdc)位置。因此，具有初始温度(例如温度t0，例如300k的室温)的气体经由输入通道122流入室120中，然后也经由通道110流入室140中。图2a图示了当活塞124和144定位于它们的下止点(bdc)位置时的泵100。
18.然后，在第二时段期间，控制阀126、146、150和166可关闭，以阻挡气流。活塞124被
构造成移回到其tdc位置。在该过程期间，活塞124的移动引起室120和140中的气体的绝热压缩，并且室140中的气体的压力和温度都相应地升高。例如，室140中的气体可以处于高于初始温度的温度(例如，温度t1，例如取决于压缩比的大约390k-520k的温度)。图2b图示了当活塞124返回定位在其tdc位置时的泵100。
19.接着，在第三时段期间，控制阀150可以打开，而控制阀126、146和166可以关闭，以阻挡气流。活塞164被构造成移到其bdc位置。在该过程期间，活塞164的移动导致室140中的气体流入室160中，这是绝热膨胀过程并导致温度下降。图2c图示了当活塞164定位在其bdc位置时的泵100。具体地，当绝热隔离系统上的压力降低并且容积增大时，温度随着内能降低而下降。
20.接着，在第四时段期间，控制阀126和150可以关闭，而控制阀146和166可以打开。活塞144和164都被构造成移回到它们的tdc位置，这使得泵100分别经由输出通道142和162输出室140中的气体和室160中的气体。当活塞144和164返回定位在它们的tdc位置时，循环完成，并且泵100可以返回到图1所示的初始化时段。
21.假设热损失是额定的或可以忽略不计，并且室120、140和160的容积相同，在第二时段和第三时间段中的绝热压缩和膨胀之后，室140和160中的气体的平均温度应当等于输入气体的温度(例如，温度t0)。然而，室140中的气体的温度和室160中的气体的温度将是不同的。具体地，在绝热膨胀期间，由气体做的功导致温度下降。当气体膨胀了dv时，膨胀中的气体所做的功可以表示为dw＝(p1-p2)dv，其中，p1表示室140中的压力，p2表示室160中的压力，而膨胀中的气体所做的总功应当为dw＝(p1)dv，以遵循绝热膨胀，以使室140中的气体的温度返回到初始温度。
22.因此，实际上，室140中的气体的温度将稍微低于第二时段中的压缩气体的温度(例如，温度t1)，但是远高于初始温度(例如，温度t0)。因为室140和160的平均温度将等于初始温度，所以室160中的气体将处于低于初始温度的温度(例如温度t2)。另外，因为在膨胀过程期间，室140的压力大于室160的压力，所以一些气体经由流动通道130从室140移动到室160。因此，具有相对低温的气体不从室160流回室140。
23.通过第二时段和第三时段中的绝热压缩和膨胀，气体被分成在室140内具有相对高温的气体和在室160内具有相对低温的气体。因此，当活塞144和164从bdc位置移动到tdc位置时，泵100经由输出通道142输出室140中的高温气体，并经由输出通道162输出室160中的低温气体。
24.在一些实施例中，液体活塞可用于提供更大的绝热效率。图3是图示了根据本公开的一些实施例的用于产生具有不同温度的气体的具有液体活塞的泵200的示例性图。如图3所示，泵200包括室210、220、230和240。充当气体压缩机的室210容纳工作流体，并在室210内的工作流体的至少一部分上方提供空间。充当气体膨胀器的室220与室210联接(例如，流体联接)。即，工作流体可经由室210与220之间的至少一个流动通道282在室210与220之间流动。在一些实施例中，室210和220以及流动通道282还可以集成为单个u形管。
25.室220也在室220内的工作流体的至少一部分上方提供空间。室230和240共同形成用于绝热压缩和膨胀过程的控制装置，这将在以下段落中详细讨论。具体地，室230和240都经由流动通道284和286联接到室210和220。
26.通过控制阀214、216、224和226的操作，流动通道284和286可以选择性地打开或关
闭，以控制室210与控制装置(例如，室230和240)之间的气流、或室220与控制装置(例如，室230和240)之间的气流。换句话说，流动通道284和286在室210与控制装置之间或在室220与控制装置之间具有可控气流。
27.输入通道202经由控制阀212联接到室210，并且被构造成将具有第一温度的输入气体提供到室210中的空间中。输出通道204经由控制阀222联接到室220，并且被构造成从室220中的空间输出具有低于第一温度的第二温度的气体。
28.输出通道206和208经由控制阀232和242分别联接到室230和240，并且被构造成从室230和240输出具有高于第一温度的第三温度的气体。
29.如图3所示，在一些实施例中，除了室230和240之外，控制装置还可包括空气压缩机250、气体容器260、鼓风机270。空气压缩机250被构造成压缩来自输入通道252的输入空气，并将压缩气体经由联接到空气压缩机250和气体容器260的通道292存储到气体容器260中。存储在气体容器260中的压缩气体可以经由通道294和控制阀234和244输送到室230和240中。因此，布置在联接室230和240的通道294的两端的控制阀234和244被构造成分别控制气体是否可从气体容器260流动到室230和240，以便调节室230和240内的空气压力并且便于泵200的操作。
30.鼓风机270联接到室230和240，并且被构造成使气流能够经由通道296到室230或240中。在一些实施例中，气流包括温度低于室230或240中的气体的当前温度的气体。布置在联接室230和240的通道296的两端的控制阀236和246被构造成分别控制气体是否可从鼓风机270流动到室230和240，以便调节室230和240内的温度并且便于泵200的操作。
31.图4a至图4d是图示了根据本公开的一些实施例的图3所示的泵200的操作的示例性图。在初始阶段期间，室240的空气压力大于或等于操作压力值(例如，具有压力值p2)。如果室240的空气压力小于操作压力值，则控制阀244打开，以使存储在气体容器260中的压缩气体能够流入室240中，以增加室240内的空气压力。另一方面，室210和220内的工作流体上方的空间的空气压力(例如，初始压力值p0)等于输入通道202处的空气压力。在一些实施例中，室230内的空气压力可等于初始压力值p0。
32.然后，如图4a所示，在第一时段期间，控制阀214和226打开，而其它控制阀关闭，以阻挡气流。因为室240的空气压力大于室210和220内的空间的空气压力，所以室240中的气体膨胀并流到室220。
33.即，当控制阀226打开以连接室220和室240时，随着室220中的压力变得大于室210中的压力，室220中的工作流体的一部分经由流动通道282流到室210。因此，室210内的工作液体表面随着室220内的工作液体表面下降而上升。结果，室210的空间中的一部分气体经由流动通道284流入室230中，以压缩室230中的气体，并且室230内的空气压力增大到压力值p1，该压力值大于初始压力值p0。
34.然后，如图4b所示，在第二时段期间，控制阀212和222打开，并且室210和220的空气压力再次与外部压力(例如，初始压力值p0)平衡。因此，当室220内的工作液体表面由于重力而上升以达到相同的水平时，室210内的工作液体表面下降。具体地，具有初始温度(例如，初始温度t0)的气体经由输入通道202输入到室210中。室210中的工作流体的一部分流到室220，以经由输出通道204从室220的空间输出气体的一部分。由于在第一时段期间的室220和240内的气体膨胀，从室220的空间输出的气体具有低于初始温度t0的温度(例如，温
度t1)。如图1和图2a至图2c的实施例所讨论的，在气体膨胀之后，室240内的气体的温度(例如，温度t2)将大于初始温度t0，并且室220内的气体的温度(例如，温度t1)将低于初始温度t0。
35.另外，控制阀242和246也被打开，使得鼓风机270可以经由通道296和控制阀246将温度(例如，初始温度t0)低于室240的当前温度t2的气体提供到室240中。因此，具有较高温度(例如，温度t2)的气体的一部分将经由控制阀242和输出通道208输出。换句话说，在第二时段中，输出通道208被构造成从控制装置的室240输出温度高于初始温度t0的气体的一部分。
36.为了便于以下操作，在一些实施例中，控制阀234也可以在第二时段中打开。通过这种操作，由空气压缩机250压缩并存储在气体容器260中的一部分气体可经由通道294和控制阀234流入室230中，以增大室230内的空气压力，以便确保室230内的空气压力等于或大于操作压力值(例如压力值p2)。
37.在第二时段之后的第三时段期间，如图4c所示，控制阀216和224打开，而其它控制阀关闭，以阻挡气流。因为室230的空气压力现在大于室210和220内的空间的空气压力，所以室230中的气体膨胀，并且一部分气体流到室220。
38.即，当控制阀224打开以连接室220和室230时，与第一时段类似，室220中的压力再次变得大于室210中的压力，由此，室220中的工作流体的一部分经由流动通道282流到室210。再次，室210内的工作液体表面随着室220内的工作液体表面下降而上升。结果，室210的空间中的一部分气体现在经由流动通道286流入室240中，以压缩室240中的气体，并且室240内的空气压力增大到压力值p1，该压力值大于初始压力值p0。
39.然后，如图4d所示，在第四时段期间，与第二时段类似，控制阀212和222打开，并且室210和220的空气压力再次与外部压力(例如，初始压力值p0)平衡。再次，当室220内的工作液体表面由于重力而上升以达到相同的水平时，室210内的工作液体表面下降。具体地，具有初始温度(例如，初始温度t0)的气体经由输入通道202输入到室210中。室210中的工作流体的一部分流到室220，以经由输出通道204从室220的空间输出气体的一部分。由于在第三时段期间的室220和230内的气体膨胀，从室220的空间输出的气体具有低于初始温度t0的温度(例如，温度t1)。如上所述，在第三时段中的气体膨胀之后，室230内的气体的温度(例如，温度t2)将大于初始温度t0，并且室220内的气体的温度(例如，温度t1)将低于初始温度t0。
40.另外，控制阀232和236也被打开，使得鼓风机270现在可以经由通道296和控制阀236将温度(例如，初始温度t0)低于室230的当前温度t2的气体的一部分提供到室230中。因此，具有较高温度(例如，温度t2)的气体的一部分现在将经由控制阀232和输出通道206输出。换句话说，在第四时段中，输出通道206被构造成从控制装置的室230输出温度t2高于温度t0的气体。通过这样的操作，具有两个室230和240的控制装置可以在第二时段和第四时段中经由不同的输出通道208和206输出高温气体。
41.类似地，为了确保室240内的空气压力在下一个循环中的第一时段内等于或大于操作压力值(例如，压力值p2)，在一些实施例中，控制阀244可在第四时段中打开，使得由空气压缩机250压缩并存储在气体容器260中的气体的一部分可经由通道294和控制阀244流入室240中，以增大室240内的空气压力。
42.图4a至图4d所示的操作形成一个完整的循环，其中，在第一时段和第三时段中执行气体压缩和膨胀，以分离高温气体和低温气体。具体地，低温气体可以存储在室220内，而高温气体可以存储在室230或室240内。然后，在分别在第一时段和第三时段之后的第二时段和第四时段中，将具有初始温度的气体送到室210中，同时从室220输出一部分低温气体，并且从室240或室230输出一部分高温气体。
43.输出的高温气体和低温气体可以用于各种应用。例如，空调系统可以包括泵200，以提供低温空气作为制冷剂。与使用可能易燃或有毒并导致有害环境影响的常规制冷剂的空调系统相比，应用泵200的空调系统可以实现对住宅或汽车的同时加热和冷却，具有比常规加热和制冷装置更低的环境影响。例如，使用低温空气作为制冷剂的空调系统可以减少由常规制冷剂造成的温室气体排放或平流层臭氧层的破坏。而且，液冷系统通常需要大量的水资源。应用泵200的空调系统以提高的效率提供气体冷却，并且因此适于在水资源有限的情况下提供冷却。
44.另外，与使用空气作为制冷剂的其它系统相比，本公开的实施例在各种应用中提供了具有改进的性能系数(coefficient of performance，cop)和能量效率的实用解决方案，因此以较低的能量消耗实现加热和冷却。
45.在另一些实施例中，可应用替代装置或方法来代替鼓风机270，并且替代装置或方法被构造成交换室230和240内的高温气体。例如，在另一些实施例中，控制装置可包括一个或多个活塞(例如，液体活塞)，其布置在室230和室240中，以交换室230和室240内的气体，使得存储在高温气体中的热能可被保持并以其它能量形式再使用。例如，可以部署废热发电系统，以将热转换成电。
46.在另一些实施例中，控制装置可包括联接到室230或室240的一个或多个喷射装置。喷射装置可被构造成通过喷射液体来冷却室230或室240中的气体。
47.图5图示了根据本公开的一些实施例的用于执行用于提取热量的方法500的示例性流程图。根据本公开的一些实施例，方法500可在空调系统中由泵(例如，图1中的泵100或图3中的泵200)执行。
48.在步骤512，在第一时段(例如，图4a所示的时段)期间，泵打开第一室(例如，室210)与第三室(例如，室230)之间的第一通道(例如，图4a中的通道284中表示的箭头)，以压缩第三室中的气体。在步骤514，在第一时段期间，泵打开第二室(例如，室220)与第四室(例如，室240)之间的第二通道(例如，图4a中的通道286中表示的箭头)，以解压缩第四室中的气体。
49.在步骤522，在第一时段之后的第二时段(例如，图4b所示的时段)期间，泵关闭第一通道和第二通道。在步骤524，在第二时段期间，泵使气流到第一室中，其中，气流包括具有第一温度(例如，室温)的气体。在步骤526，在第二时段期间，泵输出温度低于第二室中的气体的第一温度的气体的一部分。具体地，第二室的空间中的气体的一部分经由联接到第二室的输出通道离开。在步骤528，在第二时段期间，泵从第四室输出温度高于第一温度的气体的一部分。具体地，控制装置被构造成使气流能够经由联接到第四室的另一输出通道，使得第四室的空间中的气体的一部分经由联接到第四室的输出通道离开。具体地，在一些实施例中，泵可以通过鼓风机(例如，图4b中的鼓风机270)将温度低于第四室的当前温度的气体的一部分提供到第四室中。在一些实施例中，冷却液体可由一个或多个喷射装置喷射
到第四室中，以在第二时段期间冷却第四室中的气体。
50.在步骤532，在第二时段之后的第三时段(例如，图4c所示的时段)期间，泵打开第一室与第四室之间的第三通道(例如，图4c中的通道286中表示的箭头)，以压缩第四室中的气体。在步骤534，在第三时段期间，泵打开第二室与第三室之间的第四通道(例如，图4c中的通道284中表示的箭头)，以使第三室中的气体膨胀。
51.在步骤542，在第三时段之后的第四时段(例如，图4d所示的时段)期间，泵关闭第三通道和第四通道。在步骤544，在第四时段期间，泵向第一室提供具有第一温度(例如，室温)的气体。在步骤546，在第四时段期间，泵从第二室输出温度低于第一温度的气体的一部分。具体地，第二室的空间中的气体的一部分经由联接到第二室的输出通道离开。在步骤548，在第四时段期间，泵从第三室输出温度高于第一温度的气体的一部分。具体地，控制装置被构造成使气流能够经由联接到第三室的另一输出通道，使得第三室的空间中的气体的一部分经由联接到第三室的输出通道离开。类似地，在一些实施例中，泵可以通过鼓风机将温度低于第三室的当前温度的气体的一部分提供到第三室中。在一些实施例中，冷却液体可由一个或多个喷射装置喷射到第三室中，以在第四时段期间冷却第三室中的气体。
52.在一些实施例中，泵可以连续地重复步骤512-548，以生成用于空调系统的高温和低温气体，以便加热或冷却建筑物或汽车。
53.通过执行上述方法500，泵可从输入空气中提取热量，以产生和输出高温和低温气体两者，以用于各种应用。鉴于上述，如在本公开的各种实施例中提出的，所提出的装置和方法可以提高空气冷却或空调系统的性能系数和能量效率。
54.在前述说明书中，已经参考可以随实现方式而变化的许多具体细节描述了实施例。可以对所描述的实施例进行某些改编和修改。还预期的是，图中示出的步骤的顺序仅用于说明性目的，并且不旨在限于任何特定的步骤顺序。由此可见，本领域技术人员可以理解，在实现相同方法时，这些步骤可以以不同的顺序执行。
55.如本文所用的，除非另外具体陈述，否则术语“或”包括所有可能的组合，除非是不可行的。例如，如果陈述数据库可以包括a或b，那么除非另外具体陈述或不可行，否则数据库可以包括a或b，或a和b。作为第二示例，如果陈述数据库可以包括a、b或c，则除非另外具体陈述或不可行，否则数据库可以包括a、或b、或c、或a和b、或a和c、或b和c、或a和b和c。
56.在附图和说明书中，已经公开了示例性实施例。对于本领域技术人员来说，显然可以对所公开的系统和相关方法进行各种修改和变化。通过考虑说明书和所公开的系统和相关方法的实践，其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和示例仅应被认为是示例性的，真正的范围由所附权利要求及其等同物来指示。