專利名稱：氮氣－乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵裝置和實現方法
技術領域：
本發明涉及氮氣-乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵裝置和實現方法，采用氮氣作為
壓縮介質，避免了物料直接與壓縮機和活塞相接觸，從而防止了壓縮機核心部件或者活塞 的腐蝕與損壞，而惰性氣體還可以回收循環利用。同時能避免傳統的只局限于改變壓縮工 質和被動的提高活塞材料耐腐蝕耐高溫強度的不足。
背景技術：
熱泵是一種以消耗部分能量作為補償條件使熱量從低溫物體轉移到高溫物體的 能量利用裝置。熱泵能夠把把空氣土壤水中所含的不能直接利用的熱能太陽能工業廢熱等 轉換為可以利用的高品位熱能。 目前工程界對熱泵系統的稱呼尚未形成規范統一的術語，熱泵的分類方法也各不 相同。國內文獻則把地源熱泵系統分為三類，分別稱為地表水地源熱泵系統、地下水地源熱 泵系統、地埋管地源熱泵系統。如果按工作原理對熱泵分類可以分為機械壓縮式熱泵、吸收 式熱泵、熱電式熱泵和化學熱泵。如果按驅動能源的種類又可以分為電動熱泵、燃氣熱泵、 蒸汽熱泵。 熱泵的性能系數(coefficient of performance, COP)是評價熱泵節能型的最重 要指標之一。根據熱力學第二定律，熱泵將低位熱源的熱量品位提高，需要消耗一定高品位 能量。因此，熱泵的能量消耗是一項重要的技術經濟指標。熱泵的性能系數是指熱泵收益 (供冷量或制熱量)與付出代價(所消耗的機械功或熱能)的比值。為了使不同熱泵的性 能之間有一定的比較性，通常用標準工況(或額定工況)的性能系數衡量熱泵性能的優劣。
對于消耗機械功的蒸汽壓縮式熱泵，其性能系數可以用制熱系數"來表示，即為
制熱量Qh與輸入功率P的比值。根據熱力學第一定律，若不及壓縮機向環境的散
熱，熱泵的制熱量Qh等于從低溫熱源的吸熱量(等同于制冷機的制冷量)Q。與輸入功率P
之和，而制冷系數e。二Q。/P，故制熱系數"可寫為^==, = ，^ = 1 + ￡由該式可以看
出，制熱系數"恒大于l。
發明內容
本發明的目的在于提供一種氮氣-乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵裝置和實現方 法，采用氮氣作為壓縮介質，避免了物料直接與壓縮機和活塞相接觸，從而防止了壓縮機核 心部件或者活塞的腐蝕與損壞，而惰性氣體還可以回收循環利用。同時能避免傳統的只局 限于改變壓縮工質和被動的提高活塞材料耐腐蝕耐高溫強度的不足。特別避免了傳統壓縮 式熱泵應用于化工過程活塞被腐蝕的缺點。 本發明提供的氮氣_乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵裝置主要包括加壓罐，保溫 層，數據采集器，數據記錄裝置，加熱包，加壓罐內膽和液體排空口 。加壓罐的頂部的左側和 右側分別連接高壓氮氣輸入口和圓底燒瓶發生器，中部連接數據采集器，數據采集器由數據記錄裝置控制，真空泵管道與從右側與加壓罐頂部連接，加熱包加熱圓底燒瓶發生器，液 體排空口與加壓罐底部連接。 本發明提供的新型間歇壓縮式熱泵在操作過程中，加壓過程以目標壓力為標準調 節壓力，當加壓罐內壓力達到目標壓力值時，停止向加壓罐通入氮氣。溫度采集和記錄過程
以乙醇的沸點為界限，當溫度降至77t:時，停止記錄打開排空閥泄壓。具體包括的步驟 (1)關閉所有閥門，打開抽真空閥門，待壓力穩定； (2)將抽真空管道閥門關閉，再關閉真空泵。打開數據采集裝置，每0.5分鐘記錄 一次溫度； (3)在圓底燒瓶中放置2/3的乙醇并加熱，沸騰后，緩慢打開圓底燒瓶與加壓罐之 間的閥門，使得蒸汽緩慢釋放進加壓罐，并持續通氣，待壓力等于大氣壓后，打開排空閥門， 直到加壓罐內的溫度達到乙醇的沸點溫度7『C左右；
(4)待溫度穩定后，立刻關閉所有的閥門； (5)將數據采集裝置改為每3秒記錄一次數據，再打開高壓氮氣的閥門，在短時間 內充入高壓氮氣使其增大到稍小于目標壓力，本實驗目標壓力值分別設為1. 6Mpa、1. 5Mpa 和1. 4Mpa，待壓力與溫度達到最大值后慢慢調節壓力使其等于目標壓力值；
(6)待溫度降低至77t:后，緩慢打開排空閥門泄壓，用濕式流量計測定排出氣體 的體積； (7)選擇某一次實驗過程，等待其溫度慢慢下降至室溫，每0. 5分鐘記錄一次數 據，記錄期間的所有溫度數據。以用于加壓罐的熱損失計算。 本發明涉及一種氮氣_乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵裝置和實現方法。采用氮氣 作為壓縮介質，避免了物料直接與壓縮機和活塞相接觸，從而防止了壓縮機核心部件或者 活塞的腐蝕與損壞，而惰性氣體還可以回收循環利用。同時能避免傳統的只局限于改變壓 縮工質和被動的提高活塞材料耐腐蝕耐高溫強度的不足。特別避免了傳統壓縮式熱泵應用 于化工過程活塞被腐蝕的缺點。
圖1是本發明的實驗裝置示意圖。
圖21. 6MPa乙醇-氮氣體系升溫數據圖。
圖31. 5Mpa乙醇-氮氣體系升溫數據圖。
圖41. 4Mpa乙醇-氮氣體系升溫數據圖。
具體實施例方式
本發明提供的一種新型間歇壓縮式熱泵的裝置包括l-加壓罐，2-保溫層，3-高 壓氮氣輸送管，4-數據采集器(熱電偶連接集成控制箱構成，使用市售的U12熱電偶數 據采集器)，5-數據記錄裝置(使用通用的市售溫度采集記錄儀，采用計算機利用軟件 Labview8. 6軟件作為軟件操作平臺進行記錄數據)，6-接真空泵管道，7_圓底燒瓶，8_加熱 包，9_加壓罐內膽，10-液體排空口。 該新型熱泵的連接方式保溫層2置于加壓罐1內部，加壓罐9內膽置于保溫層內 部，高壓氮氣輸送管3從左側與加壓罐1的頂部相連接，數據采集器4置于加壓罐1的正上
4方并與其中部相連接，數據采集器4的另一端與數據記錄裝置5相連接，圓底燒瓶7從右側 與加壓罐1相連接，接真空泵管6道從右側與加壓罐1頂部連接，加熱包8加熱、圓底燒瓶 7底部、液體排空口 10與加熱管1底部相連接。 本發明提供的氮氣_乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵操作包括以下步驟
(1)關閉所有閥門，打開抽真空閥門，待壓力穩定； (2)將抽真空管道閥門關閉，再關閉真空泵。打開數據采集裝置，每0. 5分鐘記錄 一次溫度； (3)在圓底燒瓶中放置2/3的乙醇并加熱，沸騰后，緩慢打開圓底燒瓶與加壓罐之 間的閥門，使得蒸汽緩慢釋放進加壓罐，并持續通氣，待壓力等于大氣壓后，打開排空閥門， 直到加壓罐內的溫度達到乙醇的沸點溫度7『C左右；
(4)待溫度穩定后，立刻關閉所有的閥門； (5)將數據采集裝置改為每3秒記錄一次數據，再打開高壓氮氣的閥門，在短時間 內充入高壓氮氣使其增大到稍小于目標壓力，本實驗目標壓力值分別設為1. 6Mpa、1. 5Mpa 和1. 4Mpa，待壓力與溫度達到最大值后慢慢調節壓力使其等于目標壓力值；
(6)待溫度降低至77t:后，緩慢打開排空閥門泄壓，用濕式流量計測定排出氣體 的體積； (7)選擇某一次實驗過程，等待其溫度慢慢下降至室溫，每0. 5分鐘記錄一次數 據，記錄期間的所有溫度數據。以用于加壓罐的熱損失計算；
結果與討論 (1)在為通入氮氣時系統溫度穩定在78t:左右(乙醇沸點)。當通入高壓氮氣加 壓后，溫度隨之不斷上升，系統壓力穩定在1.6MPa時，最高溫度為80. 94t:，達到最大點之 后，由于加壓罐本身的熱損失，溫度又會不斷的下降(見圖2)。 (2)當系統壓力穩定在1. 5MPa時，最高溫度為79. 79°C;這是由于壓力降低以及摩 爾質量減少，所以其溫升程度明顯低于第一組1.6MPa壓力下的溫升程度(見圖3)。
(3)當系統壓力為1.4MPa，其最高溫度為79.47t:，低于前兩次的1.6MPa與 1.5MPa下的升溫幅度(見圖4)。在每個升溫的前期都有一個溫度降低的小擾動，這是為了 表明壓縮氣體升溫的可能性，避免氣體的溫升是由于過熱氮氣造成的，所以有意使高壓氮 氣的進口溫度稍低于乙醇蒸汽的溫度，大約維持在75t:左右，這樣雖然使得實驗中有一個 溫度降低的小谷，卻能保證溫度的升高與壓力以及摩爾質量的關聯性，從而更進一步的證 明了實驗的可能性。 (4)本發明提出了間接蒸汽壓縮式熱泵操作過程的新方法。這種方法突破了傳統 的只改變壓縮工質和提高活塞材料耐腐蝕耐高溫強度的局限，運用氮氣作為壓縮介質，直 接代替活塞，避免了物料直接與壓縮機相接觸，從而防止了壓縮機核心部件或者活塞的腐 蝕。 (5)本發明對氮氣_乙醇氣做了壓縮升壓升溫試驗，驗證了最初設想的通過間接 壓縮使目標氣體升溫的可能性。進而又分別做了一系列壓力下的升壓升溫數據，建立了其 壓力_溫度圖，從而驗證了其壓力與溫度的正相關關系。
權利要求
一種氮氣-乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵裝置，其特征在于主要包括加壓罐，保溫層，數據采集器，數據記錄裝置，加熱包，加壓罐內膽和液體排空口；加壓罐的頂部的左側和右側分別連接高壓氮氣輸入口和圓底燒瓶發生器，中部連接數據采集器，數據采集器由數據記錄裝置控制，真空泵管道與從右側與加壓罐頂部連接，加熱包加熱圓底燒瓶發生器，液體排空口與加壓罐底部連接。
2. —種利用權利要求1所述的間歇壓縮式熱泵裝置的實現方法，其特征在于在間歇 壓縮式熱泵操作過程中，加壓過程以目標壓力為標準調節壓力，當加壓罐內壓力達到目標 壓力值時，停止向加壓罐通入氮氣；溫度采集和記錄過程以乙醇的沸點為界限，當溫度降至77t:時，停止記錄打開排空閥泄壓，具體包括的步驟(1) 關閉所有閥門，打開抽真空閥門，待壓力穩定；(2) 將抽真空管道閥門關閉，再關閉真空泵。打開數據采集裝置，每0.5分鐘記錄一次 溫度；(3) 在圓底燒瓶中放置2/3的乙醇并加熱，沸騰后，緩慢打開圓底燒瓶與加壓罐之間的 閥門，使得蒸汽緩慢釋放進加壓罐，并持續通氣，待壓力等于大氣壓后，打開排空閥門，直到 加壓罐內的溫度達到乙醇的沸點溫度78°C ;(4) 待溫度穩定后，立刻關閉所有的閥門；(5) 將數據采集裝置改為每3秒記錄一次數據，再打開高壓氮氣的閥門，在短時間內充 入高壓氮氣使其增大到稍小于目標壓力，待壓力與溫度達到最大值后慢慢調節壓力使其等 于目標壓力值；(6) 待溫度降低至77t:后，緩慢打開排空閥門泄壓，用濕式流量計測定排出氣體的體積；(7) 選擇某一次實驗過程，等待其溫度慢慢下降至室溫，每0. 5分鐘記錄一次數據，記 錄期間的所有溫度數據，以用于加壓罐的熱損失計算。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述的目標壓力值分別設為1.6Mpa、 1. 5Mpa禾口 1. 4Mpa。
全文摘要
本發明涉及氮氣-乙醇氣體體系間歇壓縮式熱泵裝置和實現方法。包括加壓罐，保溫層，數據采集器，數據記錄裝置，加熱包和液體排空口。加壓罐兩端分別連接高壓氮氣入口和蒸汽發生器，數據采集器通過壓力采集口和溫度采集口與加壓罐相連接，加壓罐底部為液體排空口。采用氮氣作為壓縮介質，避免了物料直接與壓縮機和活塞相接觸，從而防止了壓縮機核心部件或者活塞的腐蝕與損壞，而惰性氣體還可以回收循環利用。同時能避免傳統的只局限于改變壓縮工質和被動的提高活塞材料耐腐蝕耐高溫強度的不足，并通過乙醇的壓縮實驗證明了該操作方法的可行性。
文檔編號F25B30/02GK101696834SQ200910071020
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月29日 優先權日2009年10月29日
發明者劉偉明, 唐克, 白鵬, 趙旭 申請人:天津大學;