專(zhuān)利名稱(chēng)：一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的vm循環(huán)熱泵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種VM循環(huán)熱泵，尤其是一種利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源的VM循 環(huán)熱泵，屬于熱泵技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能作為一種潔凈的可再生能源，能就地開(kāi)發(fā)利用，具有取之不盡、用之不竭， 不會(huì)污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡等特點(diǎn)。每天到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能為5. 57X IO18MJ, 相當(dāng)于190萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約為目前全世界一次能源消費(fèi)總量的1.56X 104倍。利用太陽(yáng) 能作為熱泵的驅(qū)動(dòng)能源，主要有兩條途徑，一是先實(shí)現(xiàn)光一電轉(zhuǎn)換，再用電力驅(qū)動(dòng)常規(guī)壓縮 式熱泵機(jī)組；二是進(jìn)行光一熱轉(zhuǎn)換，用熱作為驅(qū)動(dòng)能源。前者系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，但大功率太陽(yáng) 能發(fā)電價(jià)格昂貴，目前實(shí)用性較差；后者除了制冷空調(diào)之外，還可結(jié)合供熱利用，但轉(zhuǎn)換效 率不高。維勒米爾(Vuilleumier，以下簡(jiǎn)稱(chēng)VM)循環(huán)本質(zhì)上是熱能驅(qū)動(dòng)的斯特林循環(huán)，是 Vuilleumier在1918年提出的?；赩M循環(huán)熱泵的性能系數(shù)COP可達(dá)到1.6，與目前直燃 機(jī)1. 56的綜合COP相當(dāng)，而燃?xì)忮仩t一般效率在0. 9左右。VM循環(huán)熱泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，比 如轉(zhuǎn)速比較低、軸承負(fù)荷輕、密封要求低、磨損小、振動(dòng)小、噪聲低、壽命長(zhǎng)，且只需要少量的 機(jī)械動(dòng)力，甚至還可以輸出一定量的軸功率。同時(shí)，由于它采用氮?dú)?、氦氣等作為工質(zhì)，無(wú)臭 氧層破壞和溫室效應(yīng)。目前，普通熱泵系統(tǒng)中大都采用普通壓縮機(jī)提供循環(huán)動(dòng)力，如采用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的 VM循環(huán)熱泵，對(duì)于緩解能源供需矛盾，減少環(huán)境污染，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能 源、同時(shí)能提供制冷空調(diào)和熱水用途的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)。本實(shí)用新型所述問(wèn)題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，它包括VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、 送熱回路和送冷回路；所述VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)由冷氣缸，冷推移活塞，冷回?zé)崞?，熱氣缸、?推移活塞、熱回?zé)崞?、冷量換熱器、冷卻器、室溫腔以及推移活塞的驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī) 組成，所述冷推移活塞的右側(cè)和熱推移活塞的左側(cè)腔室構(gòu)成室溫腔，冷推移活塞的左側(cè)和 熱推移活塞的右側(cè)通過(guò)左右兩段管路與室溫腔相通，在左段管路中設(shè)置冷回?zé)崞?，在右?管路中設(shè)置熱回?zé)崞?；?qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)冷推移活塞和熱推移活塞；所述驅(qū) 動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)是同一曲軸，所述曲軸使冷氣缸、熱氣缸在活塞運(yùn)動(dòng)中總工作容積不變；所述太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、循環(huán)水泵、熱水儲(chǔ)水器組成，所述太陽(yáng)能集 熱器、循環(huán)水泵和熱水儲(chǔ)水器組成一個(gè)熱水加熱循環(huán)系統(tǒng)；所述送熱回路由冷卻器、送熱回路循環(huán)泵和送熱交換器組成，所述冷卻器設(shè)置在 連接熱氣缸的右段管路內(nèi)，送熱交換器產(chǎn)生的熱量通過(guò)附設(shè)的送熱風(fēng)機(jī)吹送出去；[0010]所述送冷回路由冷量交換器、送冷回路循環(huán)泵和送冷交換器組成，所述冷量交換器設(shè)置在連接冷氣缸的左段管路內(nèi)，送冷交換器產(chǎn)生的冷空氣通過(guò)附設(shè)的送冷風(fēng)機(jī)吹送出 去。上述太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，在所述熱氣缸與熱回?zé)崞髦g設(shè)置熱源換 熱器，所述熱源換熱器與儲(chǔ)水器、水泵構(gòu)成一個(gè)熱交換循環(huán)系統(tǒng)。上述太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，在連接冷氣缸的左段管路內(nèi)設(shè)置第二冷卻 器，所述第二冷卻器與冷卻器串聯(lián)。上述太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，所述冷回?zé)崞鳌峄責(zé)崞髦醒b有填料，所述 填料為400目的青銅絲網(wǎng)。這種填料在300K時(shí)比熱容為3. 4J/ (cm3 · K)，它可以滿(mǎn)足換熱
的容量需要。上述太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，增設(shè)輔助熱源，所述輔助熱源與熱水儲(chǔ)水器 并連，所述輔助熱源為電加熱器或加熱鍋爐。上述太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，所述太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱水儲(chǔ)水器上設(shè)有 日用熱水出口。本實(shí)用新型利用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與VM循環(huán)熱泵技術(shù)，夏天需要空調(diào)制冷時(shí)，可利 用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源驅(qū)動(dòng)VM循環(huán)熱泵工作來(lái)達(dá)到制冷送熱的目的。利用太陽(yáng)能，清潔、 安全、可靠，不用擔(dān)心能源的短缺和造成的環(huán)境污染。同時(shí)，熱水儲(chǔ)水器具有良好的保溫效 果，可保證儲(chǔ)水器內(nèi)的水溫保持一定的溫度，減小熱量的損失。另外，本實(shí)用新型還具有如下優(yōu)點(diǎn)1、直接利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)熱能，有利于資源的循環(huán)利用；2、本實(shí)用新型采用的工質(zhì)是氮?dú)?、氦氣等，不?huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染與破壞，不會(huì)產(chǎn)生 因替代氟利昂制冷劑引發(fā)的問(wèn)題；3、整個(gè)裝置壽命長(zhǎng)，循環(huán)熱泵內(nèi)氣體總?cè)莘e在工作中處于恒定狀態(tài)，工作腔中各 部分只有流動(dòng)阻力形成的壓差，且轉(zhuǎn)速較低，因而軸承負(fù)荷輕，密封要求低、磨損小、振動(dòng) 小、噪聲低、壽命長(zhǎng)；4、性能系數(shù)比目前直燃型吸收式機(jī)組高。本實(shí)用新型可廣泛用于工業(yè)、商業(yè)及民用的集中制冷、供熱系統(tǒng)中。以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本實(shí)用新型太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)圖；圖2 圖5是VM循環(huán)熱泵工作過(guò)程中各沖程的狀態(tài)示意圖。圖中各標(biāo)號(hào)為1、冷氣缸；2、冷推移活塞；3、冷回?zé)崞鳎?、熱氣缸；5、熱推移活塞； 6、熱回?zé)崞鳎?、冷量換熱器；8、冷卻器；9、驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)；10、熱源換熱器；11、集熱器；12、 循環(huán)水泵；13、熱水儲(chǔ)水器；14水泵；15、截止閥；16、熱水出口 ；17、輔助熱源；18、驅(qū)動(dòng)電 機(jī)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型利用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與VM循環(huán)熱泵技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，在夏天，當(dāng)需要空調(diào)制冷時(shí)，可利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源驅(qū)動(dòng)VM循環(huán)熱泵工作來(lái)制冷， 在其他季節(jié)，只要有陽(yáng)光，也可以充分利用這些能量。如
圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)構(gòu)成。VM循環(huán)熱泵系 統(tǒng)由冷氣缸1，冷推移活塞2，冷回?zé)崞?，熱氣缸4、熱推移活塞5、熱回?zé)崞?、冷量換熱器 7、冷卻器8、室溫腔23以及推移活塞的驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)9、驅(qū)動(dòng)電機(jī)18組成，熱氣缸4與熱回 熱器6之間設(shè)置一熱源換熱器10，與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)組成循環(huán)回路。在管路上設(shè)置循環(huán)水 泵14和截止閥15，通過(guò)循環(huán)水泵將儲(chǔ)水器內(nèi)已經(jīng)加熱的熱水輸送到熱源換熱器中，利用熱 源換熱器與熱氣缸內(nèi)的氣體進(jìn)行熱交換，提高熱氣缸內(nèi)氣體的溫度，完成能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程。 其中冷氣缸和熱氣缸中的氣體是吸熱的，而室溫腔內(nèi)的氣體是放熱的。通過(guò)調(diào)節(jié)截止閥的 開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入熱源換熱器中的水溫。流經(jīng)熱源換熱器的水經(jīng)過(guò)換熱后回 到儲(chǔ)水器中，如此反復(fù)，循環(huán)不已。系統(tǒng)在開(kāi)始工作時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供少量(小型機(jī)在IOW以下)的機(jī)械動(dòng)力。在 系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，當(dāng)熱推移活塞處于它的最左端附近時(shí)，熱氣缸的體積較大，其中的氣體 量也較多，系統(tǒng)內(nèi)的平均溫度就較高，壓力也就較高。相反，當(dāng)熱推移活塞處于它的最右端 時(shí)，熱氣缸的體積接近于零，機(jī)內(nèi)工質(zhì)的平均溫度和壓力比都比較低，這樣，熱氣缸就起了 驅(qū)動(dòng)的作用。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工作過(guò)程。太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能傳遞給通過(guò)集熱器中的水，使流經(jīng)集熱器的水溫升高。通 過(guò)水泵將水箱中的水不斷的輸送到集熱器，而加熱后的水流回到儲(chǔ)水箱中，如此往復(fù)循環(huán)， 使儲(chǔ)水器內(nèi)的水始終保持一定的溫度。儲(chǔ)水箱的下部設(shè)熱水出口以提供熱水。太陽(yáng)能熱水 系統(tǒng)通過(guò)熱源換熱器10向VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)傳遞能量。在冷回?zé)崞?、熱回?zé)崞?中裝有填料，所述填料為高目數(shù)400目(每英寸400個(gè) 孔)，高熱容其在300K時(shí)體積比熱容為3.4J/(cm3*K)的青銅絲網(wǎng)填料。在制冷過(guò)程中，冷 熱氣流交替流過(guò)，以填料絲網(wǎng)為中介實(shí)現(xiàn)冷熱氣流之間的熱量交換，利用這些回?zé)崞髌鸬?儲(chǔ)存和回收冷量的作用。增設(shè)的輔助熱源17可以采用電加熱或鍋爐加熱。當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)，輔助加熱設(shè)備 還可以提供熱量，加熱熱水，使循環(huán)能夠順利進(jìn)行而不影響系統(tǒng)使用。VM循環(huán)熱泵的四個(gè)工作過(guò)程分別如圖2 圖5所示。過(guò)程1-2 熱推移活塞5向右運(yùn)動(dòng)，冷推移活塞2向左運(yùn)動(dòng)，冷氣缸1和熱氣缸4 容積同時(shí)減?。焕錃飧?中的部分氣體通過(guò)冷量換熱器7吸熱，然后經(jīng)冷回?zé)崞?被其中的 填料加熱到室溫溫度Ta，進(jìn)入室溫腔23。而原來(lái)處于熱氣缸4內(nèi)的氣體通過(guò)熱回?zé)崞?，由 填料冷卻到室溫溫度Ta，進(jìn)入室溫腔。在這個(gè)過(guò)程中，氣體在冷量換熱器中吸熱，有制冷效應(yīng)。過(guò)程2-3 冷推移活塞2繼續(xù)向左移動(dòng)，熱推移活5塞向左運(yùn)動(dòng)，熱氣缸4增大，冷 氣缸1減小。冷氣缸中所留氣體經(jīng)歷與過(guò)程1-2大致相同的過(guò)程；而室溫腔中的部分氣體 由熱推移活塞2推過(guò)熱回?zé)崞?時(shí)，被填料加熱到接近于高溫Th進(jìn)入熱氣缸4。過(guò)程3-4 兩個(gè)推移活塞運(yùn)動(dòng)使冷氣缸1和熱氣缸4容積同時(shí)增大，室溫腔內(nèi)的部 分氣體通過(guò)冷回?zé)崞?被填料冷卻到溫度接近Tcfl，進(jìn)入冷氣缸1，而在熱側(cè)，部分室溫腔氣 體經(jīng)熱回?zé)崞?時(shí)被填料加熱到溫度接近Th，進(jìn)入熱氣缸4。
5[0038]過(guò)程4-1 冷推移活塞2繼續(xù)左移，直至左止點(diǎn)，而熱推移活塞5則向右移動(dòng)到中 間位置，冷氣缸1增加到最大，而熱氣缸4減小。熱氣缸4中部分氣體經(jīng)過(guò)熱回?zé)崞?時(shí) 向填料放熱，溫度降低到接近Ta進(jìn)入到室溫腔；同時(shí)部分室溫腔的氣體通過(guò)冷回?zé)崞?時(shí) 被填料冷卻到溫度接近Tcfl，進(jìn)入冷氣缸1。此過(guò)程中氣體在冷量換熱器7中吸收熱量產(chǎn)生 制冷效應(yīng)。綜合上述各過(guò)程，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)VM循環(huán)熱泵的工質(zhì)分別從低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩次?熱，而向處于室溫的冷卻器8放熱?，F(xiàn)以一套70m2的住宅為例。假設(shè)VM循環(huán)熱泵可為房間提供7000W的制冷量，即冷 氣缸的吸熱量Q。= 7KW。設(shè)室溫Ta = 303K，熱氣缸中氣體能達(dá)到的溫度Th = 370K，冷氣缸 中氣體能達(dá)到的溫度Τ。= 280K，則VM循環(huán)熱泵高溫?zé)嵩次盏臒崃坑蒕h=Q。m、
1A1H —JJ
可得Qh = 2742W。設(shè)該循環(huán)熱泵工作時(shí)間為10小時(shí)，則需要太陽(yáng)能提供熱量Q = 2742X10 =27420W · h = 27. 42KW · h = 62712kJ。 集熱器采用熱管真空管太陽(yáng)能集熱器，平均集熱效率55 %，均日輻照量14. 88MJ。由 Q = CmAt 可得，用水量 m = 62712 + 4. 2+(100-15) = 176kg太陽(yáng)能集熱器安裝角度為40°，集熱器安裝斜面上的太陽(yáng)能輻射量約為水平面 上的1.3倍。則每平方米集熱器表面上每日有效得熱量為14. 88X IO3KJX 1.3X55% = 10639. 2KJ，太陽(yáng)能集熱器安裝面積=F = 62712 + 10639. 2 = 9. 3m2。本實(shí)用新型除了在夏季制冷外，還可以一年四季供應(yīng)熱水，達(dá)到一機(jī)多用，實(shí)現(xiàn)綜 合利用太陽(yáng)能的目的。
權(quán)利要求一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，其特征在于，它包括VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、送熱回路和送冷回路；所述VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)由冷氣缸(1)，冷推移活塞(2)，冷回?zé)崞?3)，熱氣缸(4)、熱推移活塞(5)、熱回?zé)崞?6)、冷量換熱器(7)、冷卻器(8)、室溫腔(23)以及推移活塞的驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)(9)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(18)組成，所述冷推移活塞的右側(cè)和熱推移活塞的左側(cè)腔室構(gòu)成室溫腔(23)，冷推移活塞的左側(cè)和熱推移活塞的右側(cè)通過(guò)左右兩段管路與室溫腔(23)相通，在左段管路中設(shè)置冷回?zé)崞?3)，在右段管路中設(shè)置熱回?zé)崞?6)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)(18)通過(guò)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)(9)驅(qū)動(dòng)冷推移活塞(2)和熱推移活塞(5)；所述驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)是同一曲軸，所述曲軸使冷氣缸、熱氣缸在活塞運(yùn)動(dòng)中總工作容積不變；所述太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器(11)、循環(huán)水泵(12)、熱水儲(chǔ)水器(13)組成，所述太陽(yáng)能集熱器(11)、循環(huán)水泵(12)和熱水儲(chǔ)水器(13)組成一個(gè)熱水加熱循環(huán)系統(tǒng)；所述送熱回路由冷卻器(8)、送熱回路循環(huán)泵(19)和送熱交換器(20)組成，所述冷卻器設(shè)置在連接熱氣缸的右段管路內(nèi)，送熱交換器產(chǎn)生的熱量通過(guò)附設(shè)的送熱風(fēng)機(jī)吹送出去；所述送冷回路由冷量交換器(7)、送冷回路循環(huán)泵(21)和送冷交換器(22)組成，所述冷量交換器(7)設(shè)置在連接冷氣缸的左段管路內(nèi)，送冷交換器產(chǎn)生的冷空氣通過(guò)附設(shè)的送冷風(fēng)機(jī)吹送出去。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，其特征在于，在所述熱氣缸 (4)與熱回?zé)崞?6)之間設(shè)置熱源換熱器(10)，所述熱源換熱器(10)與儲(chǔ)水器(13)、水泵 (14)構(gòu)成一個(gè)熱交換循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，其特征在于，在連接冷 氣缸的左段管路內(nèi)設(shè)置第二冷卻器(8-1)，所述第二冷卻器與冷卻器(8)串聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，其特征在于，所述冷回?zé)崞?(3)、熱回?zé)崞?6)中裝有填料，所述填料為400目的青銅絲網(wǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，其特征在于增設(shè)輔助熱源 (17)，所述輔助熱源與熱水儲(chǔ)水器并連，所述輔助熱源為電加熱器或加熱鍋爐。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述太陽(yáng)能熱 水系統(tǒng)的熱水儲(chǔ)水器(13)上設(shè)有日用熱水出口(16)。
專(zhuān)利摘要一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)，它包括VM循環(huán)熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、送熱回路和送冷回路；在循環(huán)熱泵系統(tǒng)中的熱氣缸與熱回?zé)崞髦g設(shè)置熱源換熱器，所述熱源換熱器與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的儲(chǔ)水器構(gòu)成一個(gè)熱交換循環(huán)系統(tǒng)，完成兩個(gè)系統(tǒng)之間的能量傳遞。冷推移活塞的右側(cè)和熱推移活塞的左側(cè)腔室構(gòu)成室溫腔，冷推移活塞的左側(cè)和熱推移活塞的右側(cè)通過(guò)左右兩段管路與室溫腔相通，在左段管路中設(shè)置冷回?zé)崞鳎谟叶喂苈分性O(shè)置熱回?zé)崞?。本?shí)用新型在需要空調(diào)制冷時(shí)，可利用太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源驅(qū)動(dòng)VM循環(huán)熱泵工作來(lái)達(dá)到制冷送熱的目的。利用太陽(yáng)能，清潔、安全、可靠。本實(shí)用新型可廣泛用于工業(yè)、商業(yè)及民用的集中制冷、供熱系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)F25B29/00GK201740310SQ20102023510
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者李冰, 湯建成, 王少恒, 謝英柏 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)(保定)