專利名稱：汽提式熱泵、熱泵制冷機、熱泵發動機、熱泵能源機、熱泵鍋爐、氨和尿素工藝的制作方法
本汽提式熱泵是新式熱泵，原理是制冷劑液體(或化合物)通過汽提(分壓降低，總壓不變)而蒸發(或分解)而制冷，低于環境溫度的制冷劑能吸周圍的熱量，因大量利用周圍環境的熱量，因而大量節能，本機有著廣泛的應用；可開發出熱泵制冷機，熱泵發動機，熱泵能源機，熱泵鍋爐，熱泵氨和尿素工藝，這里提出三種熱泵制冷機(一)二氧化碳熱泵制冷機。制冷劑為二氧化碳，擴散劑為空氣，吸收劑為含有30％氯化鈣的水溶液。本制冷原理與氨擴散吸收式制冷機有相似之處，即液體制冷劑不是通過減壓汽化制冷的(然后又通過壓縮制冷劑氣體，冷卻后制成液體)；而是通過汽提填充擴散劑，使制冷劑液體分壓降低(起到減壓作用)使制冷劑液體汽化而制冷。為了使制冷過程持續地進行，制冷汽化后，混雜著擴散劑物質需進行分離；吸收劑是以30％氯化鈣水溶液(可在-50℃操作，水不至冷凍成冰)。本制冷劑是無毒的二氧化碳；水吸收二氧化碳是物理吸收，在加壓、低溫下，吸收很易進行；在減壓(二氧化碳氣提鼓泡)；另方面用電爐(或廢熱)加熱(溶液溫度控制在50℃以下)。二氧化碳從水中解吸出來，二氧化碳冷凝(用吸收劑冷卻)成液體，制冷如此循環下去。此制冷機可開發出廣泛使用的家用空調冰箱兩用機和中央空調及大型冷庫；以下介紹熱泵空調冰箱兩用機。圖上1-汽提塔；2-吸收塔(有高效的波紋填料)；3-冷凝器；4-發生器；5-氣液分離器；6-電爐；7-電動機；8-循環鼓風機；9-循環鼓風機；10-電動機；11-冷氣鼓風機；12-密封金屬殼；13-冰箱吸熱蛇管；14-空調吸熱片，15-兩用機支架和外殼。
系統壓力為73～75kg/cm2，為防止高壓氣體的泄漏，高壓鼓風機3和電動機用金屬外殼密封，殼內充入75kg/cm2的二氧化碳。此機制冷劑是二氧化碳，擴散劑是空氣，吸收劑是30％氯化鈣的水溶液；二氧化碳在冷凝器3中冷凝成液體，通過U形管進入汽提塔1，沿著塔內許多管的內壁成膜往下流；經過吸收塔2清除了二氧化碳的空氣進入鼓風機9加壓后，進入汽提塔進行汽提蒸發制冷；-60℃以下的混合氣體，進入吸收塔2與不銹鋼絲制的波紋填料接觸，吸收熱量，水溶液在-50℃以上；從氣液分離器5通過U形管，水溶液進入吸收塔2，通過波紋填料把熱量傳給混合冷氣，使50℃的水溶液迅速降溫至30℃以下，吸收混合冷氣中的二氧化碳；水溶液不斷從冷凝器3管間流入發生器4底部；吸收塔2負擔著傳質和傳熱的重任，盡寸應大一些；50℃二氧化碳用鼓風機8送入冷凝器管內，管外的-30℃以下的水溶液吸收熱量，二氧化碳迅速低于30℃而凝結成液體，水溶液吸收熱量后，溫度可達30℃以下，進入發生器4；在電爐6(具有自動控溫器)或爐灶氣廢熱加熱下，溶液溫度達50℃；鼓風機把一部分二氧化碳送入發生器4底部，沿著許多小口徑的營子鼓泡汽提，把溶液中的二氧化碳解吸出來；此外，通過氣流把水沖刷至氣液分離器5；所以容器4直徑小，象管狀。因二氧化碳對鋼鐵有腐蝕性，宜用不銹鋼制造容器和管道。冷空氣用循環鼓風機11來循環，把冷氣鼓入汽提塔管間，吸收其冷量；-60℃以下的冷氣進入冰箱頂部蛇管吸收冰箱內的熱量，使冰箱在-55℃以下，這是速凍的高級冰箱；溫度在-10℃左右進入空調吸熱片，使室溫在20℃左右；自動控制活門，調節進入吸熱片的冷氣量進行空調。本機可使用廢熱，即發生器制成交換器，管間通入60℃左右的廢氣；管內則是水溶液的吸熱，解吸二氧化碳。熱泵空調冰箱可作上下布置、即上箱為熱泵部分，下箱為冰箱冷藏部分。本機利用廢熱時，不必電爐加熱，鍋爐廢熱可為中央空調或大型冷庫提供熱源。本制冷亦可為現有車輛、輪船提供廢氣空調。
(二)氮熱泵深冷機。制冷劑為氮，擴散劑為氫(或氦)吸收劑為液體甲烷(甲烷臨界壓力45.8大氣壓，臨界溫度-83℃)系統壓力為34大氣壓。制冷溫度可達-190℃。
(三)氫熱泵制冷機。制冷劑為氫，擴散劑為氦，吸收劑為液氮，系統壓力118大氣。制冷溫度可達-250℃。
2、熱泵發動機(一)熱泵助動車，摩托車發動機。圖2熱泵助動車，摩托車發動示意圖。1-油節制器；2-空氣濾清器；3 -火管鍋爐兼熱交換器；4-二氧化碳渦輪；5-發電機；6-蓄電瓶；7-二氧化碳冷凝器；8-二氧化碳凝結泵；9-汽提塔；10-冷交換器；11-吸收塔；12-發生器；13-循環鼓風機；14-熱交換器；15-氣液分離器；16-驅動電動機；17-鼓風機；18-輸油泵；19-齒輪；20-火花塞；21-油噴咀。
本二氧化碳熱泵發動動機與二氧化碳制冷有相同之處，不同在于本機用凝結泵，把液體二氧化碳升高壓力，把熱泵制冷系統73kg/cm2提高至150kg/cm2以上，以滿足發動機的需求；從氣液分離出來的二氧化碳進入火管鍋爐兼熱交器3，在D換熱器中，吸收熱量，溫度達70°左右；然后進入火管鍋爐內的管A。空氣經濾清器，進入鼓風機17，鼓入火管鍋爐兼熱交換器3的夾套中吸收其廢熱，經D-C-B-A夾套，空氣溫度達500℃以上，(當第一次點火起動之后，不必起動點火了)。進燃燒室內，環形氣室，再從氣室小孔噴入燃燒室與氣體油燃燒；液體燃料(可用人造石油、柴油等一切可燃液體)經節制器(由汽化器改制而成，不再與空氣混合，油被吸入泵加壓后，由噴咀20，噴入油汽化室(用其金屬壁加熱使油汽化)，由油汽化室小噴入燃燒室(冷起動時，需用火花塞點火)。A是火管鍋爐，里面是軟水，只生產加壓熱水，而不產生蒸汽，鍋爐里有加熱蛇管，把從D來的二氧化碳加熱至250℃以下，火管鍋爐是100大氣壓的水，水溫達270℃，熱量不斷由蛇管中的二氧化碳帶走。使用火管鍋爐的目的是使燃燒在較低溫度中進行，減少氧化氮的生成；另一個目的是，燃燒溫度若在2000℃左右易損壞設備，用火管鍋爐降低廢氣溫度后，才用不銹鋼熱交換器B-C-D；在火管鍋爐A蛇管中的二氧化碳加熱至250℃，進入C末部管間，溫度上升至400℃左右進入B末部，在此熱交換至650℃進入渦輪作功，帶動發電機發電；最后溫度在40℃左右，壓力73大氣壓進入冷凝器7，凝成液體二氧化碳。由于系統在高壓中操作，為防止二氧化碳泄漏渦輪不可直接驅動車輛，而是帶動其發電機，用金屬殼把渦輪與發電機密閉起來，(金屬殼內充填二氧化碳氣體至100大氣左右)，產生的電力，再帶動電動機驅動車輛。本機除適用于助動車、摩托車，亦適用于汽車、火車、輪船、飛機作動力。
(二)熱泵汽車、拖拉車、火車、輪船、發電等發動機。圖3，熱泵汽車、拖拉機、火車、輪船、發電等發動機示意圖。1-火管鍋爐兼熱交換器；2-渦輪；3-發電機；4-汽提塔；5-氣液分離器；6-冷交換器；7-環鼓風機；8-吸收塔；9-發生器；10-氮鼓風機；11-空氣加熱蛇管(銅制)；12-電動機；13-油泵；14-鼓風；15-凝結泵；16-離合器。
本機與圖2相似的原理，不同在于本機用氮作制冷劑(亦是渦輪工質)，氫(或氦)作擴散劑，液體甲烷作吸收劑，熱泵系統應密封在金屬殼，用低壓氮(或二氧化碳)充填其間，系統壓力可在150大氣壓以上，氮的臨界壓力為34大氣壓，臨界溫度為-146℃。
原子能和火力發電廠，火管鍋爐兼熱交換器是立式的。
(三)熱泵汽車、火車、輪船、發電等發動機中的磁流體發電機。圖4，熱泵磁流體發電機。發電時的感應電動勢，ε=BLu，高壓高溫的氮在電離室存在強電場時，使其產生電子和離子，當在發電通道迅速減壓和熱膨脹，速度是相當大的，發電效率一定很高，這種發電設備比渦輪和發電機組成本低很多。設備輕很多，適用于車輛、輪船、飛機等。
圖41-火管鍋爐兼熱交換器；2-電離室；3-若干個發電通道的集合體；4-冷凝器(汽提塔)；5-凝結泵；6-冷交換器；7-循環鼓風機；8-吸收塔；9-發生器；10-循環鼓風機；11-廢氣加熱器；12-氣液分離器；13-電動機；14-油泵；15-鼓風機；16-火花塞；17-凝結器。
對于大型的火力及原子能發電廠，火管鍋爐兼換熱器和發電通道是立式的。
(四)熱泵飛機，航天飛機電火箭發動機。
目前的噴氣式飛機噴氣溫度達550℃熱效率低，渦輪風扇發動機比沖為4000～5000；火箭比沖只有400，火箭熱效率低得很，開發本電火箭發動機是必要的。由于熱泵發動機的熱效率很高，而且能利用周圍環境的熱量，本電火箭發動機是合理的。
圖5A電火箭發動機示意
圖1-蓄電瓶2-感應圈；3-電動巧克；4-離子加速器；5-向后和向下噴氣的尾噴管；6-冷交換器；7-電動機；8-壓氣機；9-燃燒室；10-火筒鍋爐兼熱交換器；11-渦輪；12-發電機；13-汽提塔14-循環鼓風機；15-凝結泵；16-冷交換器；17-吸收塔；18-發生器；19-氮鼓風機；20加熱蛇管(銅制)；21-氣液分離器。
燃氣通過熱交換，溫度下降可達-50℃以下，在強電場的作用下，廢氣產生電子和離子；右壁為正極，左壁為負極(面向尾部)；上為N極，下為S極的離子加速器，其磁流體受到磁場力的作用，安培力F=ILB，由于高壓下，離子密度大，電阻小，電流大。強大作用力，推動離子向尾部加速運動，通過電動巧克3。高速離子由尾噴管5噴出，使飛機向前或向上飛行。電火箭亦可用于汽車、火車、輪船等噴氣推動。
圖5B，用磁流體發電的電火箭發動機。B與A的原理相同，不同在于前者B用磁流體發電，A為渦輪帶動發電機發電。A與B圖中只有兩個數字代表不同的設備。B圖中，11-電離室；12-磁流體發電裝置，總之，熱泵發動機就是具有熱泵制冷的蒸汽輪機；前述的二氧化碳熱泵發動，是以二氧化為工質的汽輪機；從熱泵鍋爐產生的高溫(650℃)高壓的二氧化碳氣體，在二氧化碳汽輪機上作功，蒸汽壓力已降低到二氧化碳臨界壓力73～75大氣，溫度為40℃左右、進入冷凝器冷凝成液體二氧化碳(冷凝熱則被吸收劑，含存30％的氯化鈣的水所吸收，用于二氧化碳在吸收劑中的介吸)，目前的水蒸汽輪機的蒸汽冷凝熱不能利用這就是本熱泵發動機的優越之處；此外，目前的水蒸汽輪機所需的蒸汽是水經過燃料燃燒加熱汽化的；本熱泵發動機的二氧化碳液體蒸發成氣體不是消耗燃料熱量的，而是通過空氣的汽提，使二氧化碳蒸發(吸收周圍環境的熱量，即制冷)這與水蒸汽輪機相比又是一次大節能。二氧化碳氣體被-50℃的水溶液吸收利用廢熱又一次節能，加熱和減壓(汽提減壓)下二氧化碳釋放出來，通過熱泵鍋爐加熱成高溫高壓的二氧化碳氣體進入氧化碳氣輪機作功而發電；因高壓為防止二氧化碳泄漏，用金屬殼把二氧化碳輪機和發電機密閉，殼內充入高壓的二氧化碳氣體。由于二氧化碳、空氣和水是安全物質，此機是安全的。
氮熱泵發動機是具有氮熱泵制冷的蒸汽輪機；氮熱泵制冷機的制冷劑是氮，擴散劑是氫(或氦)，吸收劑是液體甲烷，雖然氫和甲烷可燃物質(通過密封在金屬殼內充填二氧化碳或氮而防火)氮蒸汽可膨脹至-140℃，吸收周圍空氣的熱量是相當多的，是比二氧化碳熱泵發動機熱效率更高的熱泵發動機。
氮熱泵(或二氧化碳熱泵)電火箭發動機是把熱泵發動機產生的電力用于加速燃氣離子，然后噴氣作功、噴氣溫度低所以熱損失小，熱效率高，是未來飛機的發動機(可作垂直起降)。
3、熱泵能源機。
前述熱泵發動機首先發電，然后用電動驅動車輛；如產生的電力不驅動車輛用于水電解制氫；氫作燃料，或進一步加工或人造石油，這就是熱泵能源機。除了用周圍環境氣溫發電，利亦用地下核爆炸制造熱水用于發電，具體作法是用石油鉆井機鉆入地下500公尺或更深，把核彈制成小于鉆井直徑，把核彈吊裝在地下500公尺以下，充入水，離地面300公尺用混泥土封閉，有導管通地面，核爆后，可注入高壓水，然后取熱水發電。
4、熱泵鍋爐。前述二氧化碳或氮高溫高壓產生于火管鍋爐兼熱交換器，當這些熱氣加熱其熱量載體氮取代水蒸汽，用于供熱，其效率也是高的，因為液體的汽化不再消耗燃料，這種節能的，產生二氧化碳或氮熱氣，用于供熱的鍋爐稱為熱泵鍋爐，這種鍋爐可與生產氫的熱泵能源機和中央空調或大型冷庫聯合，即把多余的熱氣用于產生電力，電力則用于電解水生產燃料氫。所有熱泵鍋爐的廢氣二氧化碳或氮都進行冷卻回收，二氧化碳和氮用于上述熱泵工業，不排入大氣。
5、熱泵氨和尿素工藝。
當合成氨廠生產水蒸汽的鍋爐，用產生高溫高壓的二氧化碳或氮的熱泵鍋爐所取代；由于廉價取得低溫，液氮的產生非常容易，用液氮洗滌、精制合成氨氣體，成本低廉、工藝簡單，合成氨壓力可用低壓150大氣壓力下進合成產生的氨，可用低溫使氨凝結，使氨與合成氣分離。這種合成氨生產成本低。
圖6，熱泵尿素工藝流程圖。1-尿素合成塔；2-氨提塔；3-氨加熱器；4-二氧化碳汽提塔；5-低壓分解塔；6-低壓吸收塔；7-高壓洗滌塔；8-液氨壓縮機；9-甲銨泵；10-二氧化碳壓縮機；11-加壓離心泵。
一般汽提法尿素工藝，需要提供200℃的蒸汽，所產生的汽提氣體在高壓的甲銨冷凝器中冷凝，生產低溫的水蒸汽，蒸汽無法在汽提中應用；本工藝是用氨和二氧化碳雙汽提，在汽提塔的管內進行汽提，汽提出來的混合氣體，進入同一塔的管間進行冷凝，甲氨冷凝放熱，提供了汽提所需的熱量，因此，不再提供高壓蒸氣，使尿素生產的蒸汽消耗大量減少。因為在較低溫度下汽提減少了尿素設備的腐蝕。生產過程加壓離心泵11，把尿液加壓10大氣壓以上送入氨提塔2，進行氨提；汽提氣進入管間，冷凝成甲銨進入塔4的管間；汽提后的尿液時入二氧化碳汽提塔4，用二氧化碳氣體汽提，產生汽提氣體進入管間，冷凝成甲銨，尿液減壓至低壓4.5kg/cm2；進入低壓分解塔5；塔4管間的汽提氣體進入低壓分解塔5的管間，進一步冷凝成甲銨，產生的熱量為低壓分解所用；以上的甲銨冷凝熱原來不能被尿液中的甲銨分解所利用，利用汽提與冷凝在同一塔內進行，這是一種汽提式熱泵，除了利用了冷凝熱也提高了設備利用率，上述工藝與氨提法相比，節省了中壓分解塔和中壓吸收塔。本工藝條件采用氨提法的工藝條件，151kg/cm2,183℃,NH3/CO2=3.4；轉化率60％。這是一種先進的尿素工藝，能耗低，設備不易腐蝕。
權利要求
1．汽提式熱泵、熱泵制冷機、熱泵發動機、熱泵能源機、熱泵鍋爐、氨和尿素工藝是新式的熱泵和它的具體應用，其特征在于(一)新式熱泵是汽提式的，由于汽提使制冷大量節能，有了冷態的工質才能吸周圍環境的氣溫所攜帶的能量；這種節能的制冷與氨擴散吸收式制冷機相似，不同在于，本制冷工質是無毒的二氧化碳(或氮、氫)；二氧化碳熱泵的制冷劑是二氧化碳，擴散劑是空氣，吸收劑是含有30％氯化鈣的水溶液。氮熱泵的制冷劑是氮，擴散劑是氫(或氦)，吸收劑是液體甲烷；氫熱泵的制冷劑是氫，擴散劑是氦，吸收劑是液氮。本擴散的方法是用擴散劑作汽提劑，這種制冷是大功率的；本制冷的吸收是物理吸收，分解時所需熱量極少，(因鼓入大量制冷劑起了減壓作用)。(二)熱泵制冷機能利用一般制冷機不能利用的能量，利用汽提制冷，使吸收在低溫下很易進行；介吸時溶液溫度低于環境溫度，因此，溶液容易吸收周圍環境的溫度所攜帶的能量。(三)熱泵發動機是具有熱泵制冷的汽輪機，利用制冷劑工質吸收燃料燃燒的熱量(在熱泵鍋爐中進行)，在高溫高壓下膨脹作功；由于制冷劑能膨脹到很低溫度，廢氣所帶走的物理熱大為減少，因此，熱效率大為增加；由于制冷劑必須在臨界壓力的條件下工作，泄漏制汽劑是不允許的，因此，制冷劑推動渦輪產生的功率不宜直接輸出，而帶動發電機產生電能，渦輪與發電機用金屬殼封閉，并在殼內充填制冷劑避免制冷劑泄漏。電能再使電動機作功而驅動車輛。熱泵發動機除可利用高溫度高壓的制冷劑推動發動機；進而發電；亦適于把高溫高壓的制冷劑，在強電場中產生電子和離子，在磁流體發電裝置中發電。目前，噴氣發動機和火箭發動機排氣溫度很高，熱效率很低。本熱泵電火箭，利用制冷劑吸收燃氣溫度所攜帶的熱能，轉變成電能；廢氣排氣溫度很低，在強電場作用下產生電子和離子，在直線加速器中，受磁場的作用而產生安培力、在安培力的推動下，廢氣離子加速、最終以很大的加速度噴氣作功、因而熱效率很高。(四)熱泵能源機利用熱泵制冷劑的臨界溫度很低的物質作工質如氮、氫等，除吸收燃料燃燒的熱量，亦吸收周圍環境的熱量或吸收地下核爆炸產生熱水的熱量產生的電能，除直接作功外，可把電能用于水的電解生產氫，氫用作燃料；亦可加工成人造石油。這是大功率的，能滿足人類對能源的需求。(五)熱泵鍋爐利用熱泵制冷機的制冷劑工質，生產高溫高壓的熱氣，熱氣加熱載熱體氮可以代替水蒸汽供熱，最后還可進一步膨脹作功產生電能，用電解水的方法生產燃料氫。熱泵鍋爐同時與中央空調或大型冷庫聯合。二氣化碳和氮回收利用，不再排放。(六)熱泵氨和尿素工藝利用熱泵鍋爐供熱，利用熱泵深冷機，很易獲得低溫，利用液氮洗滌，精制合成氣；利用低溫分離合成氣中的氨；氨在低壓150大氣壓下合成。熱泵尿素工藝，利用氣提法，使尿液能吸周圍的熱量；把汽提氣引入汽提塔的管間，則能將甲銨生成熱為尿液汽提所利用，因而降低尿素生產的蒸汽消耗。
2.根據權利要求1述的熱泵制冷機。(一)熱泵空調冰箱兩用機，以二氧化碳作制冷劑，含30％氯化鈣的水溶液作吸收劑，空氣作擴散劑；(二)氮熱泵深冷機以氮作制冷劑，氫(或氦)作擴散劑；液體甲烷作吸收劑。(三)氫熱泵深冷機以氫作制冷劑；氦作擴散劑，液氮作吸收劑。
3.根據權利要求1所述熱泵助動車，摩托車發動機具有二氧化碳作制冷劑，空氣作擴散劑。含30％氯化鈣的水溶液作吸收劑；首先產生電能，再用電動機驅動車輛。
4.根據要求1所述，汽車、拖拉機、火車、輪船、發電等發動機，具有氮熱泵制冷的氮蒸汽輪機，首先產生電能，再用電動機驅動車輛，(發電發動機則直接輸出電功率)；發電有兩種一、渦輪推動發電機；二、氮熱泵制冷機中的氮，在強電場中形成磁流體做功而發電。
5.根據權利要求1所述，熱泵電火箭發動機具有氮熱泵制冷機(或二氧化碳熱泵制冷機)利用氮(或二氧化碳)吸收燃燒的熱轉變成電能、再使廢氣電離成電子和離子，在加速器中加速后噴氣作功。
6.根據權利要求1所述熱泵能源機，利用氮(或氫)熱泵制冷機的氮(或氫)制冷劑，吸收燃燒的熱能和吸收周圍環境熱量或地下核爆炸產生的熱水的熱量，轉變成電能，用于水電解制氫或加工成人造石油。
7.根據權利要求1所述熱泵鍋爐，用二氧化碳或氮吸收燃燒的熱量，加熱其載熱體氮代替水蒸汽供熱，用氮(或二氧化碳)熱泵制冷機除供熱，還可以生產氫(或人造石油)，二氧化碳和氮不排放。熱泵鍋爐和中央空調或大型冷庫聯合。
8.根據權利要求1所述，熱泵氨和尿素工藝，前者利用氮熱泵制造深冷精制合成氣和氨分離，后者則利用汽提吸收甲銨生成熱，即管內汽提，管間冷凝。是能耗低的氨和尿素工藝。
全文摘要
本汽提式熱泵有五大用途:1.熱泵空調冰箱兩用機,因節能數量大及－60℃的速凍冷箱的優勢而取代目前的冰箱、空調、中央空調、大型冷庫。熱泵深冷機因大量節能,取代目前的空分制氧等。2.熱泵發動機熱效率達80%以上,無聲、無毒氣體,取代目前的助動車,汽車、火車、輪船、飛機、航天飛機作動力(飛機除高速飛行亦實現垂直起降)。熱力發電可翻三倍。熱泵能源機利用空氣熱量(或地下核爆炸的熱水)大規模生產燃料氫及人造石油;4.熱泵鍋爐供熱效率高、二氧化碳及氮不再排放;5.本氨及尿素是換代的工藝。
文檔編號F25B15/16GK1215143SQ9710666
公開日1999年4月28日 申請日期1997年10月17日 優先權日1997年10月17日
發明者鐘偉昌 申請人:鐘偉昌