專利名稱：一種利用熱－電能運行的熱泵式空調器的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種利用太陽能、廢余熱能、燃氣熱能或電熱能的空調器。
背景技術：
眾所周知，太陽能是清潔而且用之不盡的能源，常規電力是消耗礦產資源而產生的，不但嚴重污染人類生存的環境，而且還受到能源危機、價格上漲等因素的影響。所以開發太陽能的利用是人類解決能源可持續發展的主要出路之一。太陽能空調是以太陽能作為制冷空調的能源，太陽能制冷目前有二種方法，1、利用光-電轉換以代替常規電力作制冷能源。2、利用光-熱轉換用熱能制冷，相比之下，第一種方法比較簡單，但太陽能電池價格高、效率低，一直不能進入實用階段。而第二種方法中又以溴化鋰吸收式制冷為主流，但是吸收式制冷除節能環保之外，不足之處在于流程復雜、初期投資大、銅材耗量大、日常維護量大、體積大、不易標準化和小型化。特別是經過一段時間運轉后其工質的穩定性下降和系統長時間受腐蝕后難以保持高真空度，導致其系統效率下降。
目前，空調市場上普通住宅所用窗機、分體機、柜機數量和品種相當多，而高級住宅所用的戶型中央空調市場剛開發。高級住宅所擁有的頂層天臺為太陽能利用提供了有利的條件和機遇，對于制冷量在10kw＜Q＜20kw范圍內采用吸收式制冷顯得不太實用。本實用新型空調機可以為這一需求提供多一個選擇。

發明內容
本實用新型目的旨在提供一種利用太陽能或者廢余熱能或燃氣熱能、電熱能加熱低沸點工質，制造高壓蒸氣，通過徑向透平作功的正卡諾循環和壓縮制冷劑蒸氣制冷的逆卡諾循環的熱泵式空調器。
本實用新型目的的實現方式為，一種利用熱-電能運行的熱泵式空調器，它包括由熱水器1、循環水泵2、熱水箱3、溫控器5及連接管道構成的加熱回路，由貯液罐17、加壓泵7、針形閥6、換熱器4、止回閥8、渦輪機9、噴射器13、電磁四通閥14、換熱器19或20及連接管道構成的透平回路，由噴射器13、電磁四通閥14、換熱器19、電磁三通閥15、貯液罐17、單向膨脹閥16、電磁三通閥18、換熱器20、風機22、電磁四通閥14、壓縮機12、噴射器13及連接管道構成的制冷回路，由噴射器13、電磁四通閥14、換熱器20、風機22度 P壓力 V比容 τ阻塞系數。設計小流量時b2/D2不能過大，尤其是采用噴射器引射壓縮機排氣可減小背壓，對防止“喘振”是很有利的。
為提高蒸氣的能量需要，葉輪中布置12塊葉片，葉片盡量薄，采用長短葉片交替和流道歪曲可以控制流量不太大，葉片光滑可以減少氣體與道壁的摩擦阻力，為降低轉速和追求效率采用懸臂式二級壓縮，第一級采用半開式后向型葉輪。為了減少高壓漏氣損失，第二級采用閉式后向型葉輪。假定蒸發器排氣軸向進入葉輪時沒有預旋，即切向速度為零，設計工況和實際運行時相符，由動量矩定理推導出流過葉片流道間單位工質質量的能量，即葉輪進出口處單位工質質量的理論比焓差(無摩擦和絕熱的條件下)Δhth＝V2Cv2，式中V2葉輪的葉尖園周速度，Cv2氣體分子離開葉輪周邊時，速度C2的切向投影分速度。
第一級半開式后向型葉輪(Δhth)max＝V22V2＝114m/sV2＝πnD2/60 n＝8550r/min D2＝260mm齒輪箱內有一對齒輪和楔塊式超越離合器。本實用新型利用楔塊式超越離合器KK型單向旋轉球軸承傳遞力矩7.4N·M-260N·M，超越極限轉速17000r/min，離合器外環與齒輪箱10的高速齒輪軸心孔連接，內環與轉軸連接，再經過滾動軸承后兩端連接渦輪和壓縮機葉輪。啟動時電機通過低速齒輪、高速齒輪增速帶動離合器外環、內環、轉軸一起轉動，作為一級動力輸出。當熱負荷減輕，葉輪軸轉速比電動機轉速快，楔塊在內外環摩擦力作用下處于解脫狀態，透平蒸氣作為二級動力輸出。這時電機是空載可以怠速省電和避免電機被葉輪轉軸帶動轉速超過極限轉速而損壞，當熱負荷加重或透平蒸氣動力降低時，內環轉速下降，當與電機轉速相同時，內外環相連，電機又輸出動力，自動平衡負荷變化。
本實用新型渦輪機和壓縮機使用同一種制冷劑，為防止泄露和降低軸封密封標準，有利減小軸間的摩擦功率，提高機械效率，電動機11、壓縮機12、渦輪機9用鋼板封閉焊接在一起，實行全封閉。
因渦輪機排氣和壓縮機排氣的壓力、溫度、流量都不相同，本實用新型在共用一個氣冷式換熱器19或20時用一個噴射器13代替壓力調節閥。因進入渦輪機蒸氣壓力≥0.3MPa，由于流量大，經過透平之后仍大過壓縮機排氣壓力0.18Mpa(R12345℃冷凝壓力)。本實用新型用渦輪機排氣作為噴射器的工作氣流，壓縮機排氣為引射氣流，在噴射器中兩股氣流進度 P壓力 V比容 τ阻塞系數。設計小流量時b2/D2不能過大，尤其是采用噴射器引射壓縮機排氣可減小背壓，對防止“喘振”是很有利的。
為提高蒸氣的能量需要，葉輪中布置12塊葉片，葉片盡量薄，采用長短葉片交替和流道歪曲可以控制流量不太大，葉片光滑可以減少氣體與道壁的摩擦阻力，為降低轉速和追求效率采用懸臂式二級壓縮，第一級采用半開式后向型葉輪。為了減少高壓漏氣損失，第二級采用閉式后向型葉輪。假定蒸發器排氣軸向進入葉輪時沒有預旋，即切向速度為零，設計工況和實際運行時相符，由動量矩定理推導出流過葉片流道間單位工質質量的能量，即葉輪進出口處單位工質質量的理論比焓差(無摩擦和絕熱的條件下)Δhth＝V2Cv2，式中V2葉輪的葉尖園周速度，Cv2氣體分子離開葉輪周邊時，速度C2的切向投影分速度。
第一級半開式后向型葉輪(Δhth)max＝V22V2＝114m/sV2＝πnD2/60 n＝8550r/min D2＝260mm齒輪箱內有一對齒輪和楔塊式超越離合器。本實用新型利用楔塊式超越離合器KK型單向旋轉球軸承傳遞力矩7.4N·M-260N·M，超越極限轉速17000r/min，離合器外環與齒輪箱10的高速齒輪軸心孔連接，內環與轉軸連接，再經過滾動軸承后兩端連接渦輪和壓縮機葉輪。啟動時電機通過低速齒輪、高速齒輪增速帶動離合器外環、內環、轉軸一起轉動，作為一級動力輸出。當熱負荷減輕，葉輪軸轉速比電動機轉速快，楔塊在內外環摩擦力作用下處于解脫狀態，透平蒸氣作為二級動力輸出。這時電機是空載可以怠速省電和避免電機被葉輪轉軸帶動轉速超過極限轉速而損壞，當熱負荷加重或透平蒸氣動力降低時，內環轉速下降，當與電機轉速相同時，內外環相連，電機又輸出動力，自動平衡負荷變化。
本實用新型渦輪機和壓縮機使用同一種制冷劑，為防止泄露和降低軸封密封標準，有利減小軸間的摩擦功率，提高機械效率，電動機11、壓縮機12、渦輪機9用鋼板封閉焊接在一起，實行全封閉。
因渦輪機排氣和壓縮機排氣的壓力、溫度、流量都不相同，本實用新型在共用一個氣冷式換熱器19或20時用一個噴射器13代替壓力調節閥。因進入渦輪機蒸氣壓力≥0.3MPa，由于流量大，經過透平之后仍大過壓縮機排氣壓力0.18Mpa(R12345℃冷凝壓力)。本實用新型用渦輪機排氣作為噴射器的工作氣流，壓縮機排氣為引射氣流，在噴射器中兩股氣流進行能量交換，并減速增壓，達到冷凝壓力。噴咀的設計遵循流體力學的空吸原理，伯努利方程ρV12/2+P1＝ρv22/2+P2連續性方程V1S1＝V2S2V平均流速 S管道截面積 P壓強 ρ密度已知以上各項(除S2外)，計算后，S2＝48mm2為達到產生大量高壓蒸氣，使工質在60℃以上熱水中蒸發，必須利用加壓泵加大液態工質壓力。本實用新型在換熱管束的每支管的管端都焊有孔板，保證節流后工質壓力達到0.3MPa，通過一段管程后吸取管外熱水的熱量，就可產生60℃0.3Mpa以上的過熱蒸氣。管端集氣室內有一不銹鋼絲網作擋液(破沫)板，防止液滴進入渦輪機，集氣室與渦輪機之間裝有止回閥8，開啟壓力為0.3MPa，管束式換熱器每支換熱管等于一個獨立的小蒸發器，過熱蒸氣在集氣室匯集成大流量蒸氣，保證進入渦輪機的蒸氣壓力高于0.3MPa。
真空管式太陽能熱水器可提供60℃-90℃熱水，溫度低于60℃必須輔助加溫，否則蒸氣壓力下降，不能開啟止回閥8，溫控器5控制循環水泵2，輔助電動機11停止工作。
適用于離心式壓縮機工質有P717、R123、R134a，其中比較合理的組合是1、R717+R7172、R717+R1233、R717+R134a4、R134a+R134a5、R123+R123(前項渦輪機工質，后項；壓縮機工質)，因R123分子量M大，氣體常數R小，等熵指數K小，音速a低(2℃a＝128m/s)，環保標準雖不及R134a，但不是禁用，工作壓力也不高，對材料強度要求也不高，蒸發壓力是負壓，壓縮機全封閉可防止空氣滲入，所以選擇R123+R123組合。
本實用新型有益效果1、環保節能本實用新型，利用太陽能可使電力消耗減少，整機共耗電2KW；2、整機成本、加工難度、材料耗量、整機體積都與目前流行的渦旋式壓縮機戶型空調相差不大；3、與普通戶型空調相比，除有空調外，還可利用太陽能提供生活熱水；4、應用廣泛，本實用新型除戶型空調適用外，大型空調器和制冷設備均可采用，當制冷量小于5kw時，可考慮取消輔助電動機，直接利用蒸氣透平的方式。


圖1本實用新型結構示意圖圖2制冷量/制熱量隨轉速變化的示意圖圖3制冷量/制熱量隨水溫變化的示意圖圖2中縱坐標為制冷量/制熱量/KW，橫坐標為轉速/r.min-1，直線1為制冷量，直線2為制熱量。圖3中縱坐標為制冷量/制熱量/KW，橫坐標為溫度/℃，直線1為制冷量，直線2為制熱量。
具體實施方式
(見圖1)透平回路一個立式管殼式熱交換器4、一臺220V 200W 1400r/min電動機、一臺離心加壓泵7、一個燃氣熱水器1、一個熱水箱3(ф800mm，H600mm)、一臺220V 500W 1400r/min帶調頻器電動機11、一臺B10型齒輪加壓泵7、不銹鋼微調針型閥6、H71H-3P DN40止回閥8、一臺鋼制渦輪機9。渦輪機葉輪采用徑向型合金鋼葉輪，出口外徑110mm，16片內向彎曲葉片。壓縮機12葉輪用高強度鑄造鋁合金ZLSi9-15制成，第一級、第二級葉輪出口外徑均為260mm。壓縮機葉輪與軸承之間裝有起油和氣密封作用的金屬密封環，渦輪機葉輪與軸承之間也裝有金屬密封環。齒輪箱10采用D＝10mm、規格80mm×360mm×290mm，用40Cr調質鋼硬度HRC54制成的漸開線斜齒輪，低速齒輪齒數52，高速齒輪齒數18，模數2。
加熱時，太陽能熱水器溫度開關調整在60℃，接通循環水泵2，加熱管束沉浸熱水箱3中，箱下部有2個接口，一個接口的入口連接針型閥6，出口連接集液室，另一個接口連接循環水泵2入口，箱上部接熱水器排水管。透平時，電動機連接加壓泵7，泵進口連接貯液罐17，出口接針型閥6，液態工質加壓至2.5MPa后，經針型閥6調節進入換熱器4內的下管板與鋼板(D＝5mm)間形成的集液室內，通過ф2mm D＝5mm的孔板進入換熱管，換熱管ф22mm×3mm碳素無縫鋼管L＝480mm，共61根兩端焊在管板上，蒸發成0.3MPa 60℃以上的過熱蒸氣進入換熱器4內的上管板與鋼板(D＝5mm)間形成的集氣室內，頂開止回閥8的閥芯，進入渦輪機9，推動渦輪轉動后排出，進入噴射器13的工作流入口。匯集壓縮機12所排出的氣體后進入換熱器19或20。
制熱或制冷工況時，采用一個高壓貯液罐17、兩個氣冷式冷凝換熱器19、20、二個風機21、22(220V100W)、一個鋁制離心式壓縮機12、一臺220V 1100W 2840r/min帶調頻器電動機11。
制冷時，噴射器13輸出的氣體經電磁四通閥14(上下位)進入換熱器19，在換熱器19內冷凝成的液體經電磁三通閥15(左上位)進入貯液罐17，單向膨脹閥16從貯液罐17吸出液體經電磁三通閥18(下右位)進入換熱器20，在換熱器20蒸發成氣體經電磁四通閥14(左右位)進入壓縮機12，排出的氣體進入噴射器13。制熱時，噴射器13排出的氣體經電磁四通閥14(下左位)進入換熱器20，在換熱器20內冷凝成液體，液體經電磁三通閥15(右上位)進入貯液罐17，單向膨脹閥16從貯液罐17吸出液體經電磁三通閥18(下左位)進入換熱器19，在換熱器19蒸發成氣體，氣體經電磁四通閥14(上右位)進入壓縮機12后進入噴射器13。電動機11通過連軸器連接齒輪箱10，高速齒輪軸孔與楔塊式超越離合器外環連接，楔塊式超越離合器內環與壓縮機葉輪-渦輪葉輪軸連接，滾動軸承裝在齒輪箱兩側軸承位內。壓縮機葉輪與軸總成后經過動、靜平衡。
當系統抽真空注入制冷劑后，開啟循環泵、加壓泵、輔助電動機、風機15、16，經過微調針型閥6，得到制冷工況。轉換電磁三通閥、電磁四通閥，經過微調針型閥6，得到制熱工況。利用調頻器調整輔助電動機的轉速和溫度開關調整熱水器的出水溫度，采用蒸發器側進出口空氣焓差法，測試結果整理后如圖3、4，測試環境條件蒸發器側干球溫度(27±0.5)℃，濕球溫度(19.5±0.5)℃，冷凝器側干球溫度(35±0.5)℃。
權利要求1.一種利用熱-電能運行的熱泵式空調器，其特征在于，它包括由熱水器(1)、循環水泵(2)、熱水箱(3)、溫控器(5)及連接管道構成的加熱回路，由貯液罐(17)、加壓泵(7)、針形閥(6)、換熱器(4)、止回閥(8)、渦輪機(9)、噴射器(13)、電磁四通閥(14)、換熱器(19或20)及連接管道構成的透平回路，由噴射器(13)、電磁四通閥(14)、換熱器(19)、電磁三通閥(15)、貯液罐(17)、單向膨脹閥(16)、電磁三通閥(18)、換熱器(20)、風機(22)、電磁四通閥(14)、壓縮機(12)、噴射器(13)及連接管道構成的制冷回路，由噴射器(13)、電磁四通閥(14)、換熱器(20)、風機(22)、電磁三通閥(15)、貯液罐(17)、單向膨脹閥(16)、電磁三通閥(18)、換熱器(19)、風機(21)電磁四通閥(14)、壓縮機(12)、噴射器(13)及連接管道構成的制熱回路。電動機(11)通過齒輪箱(10)帶動渦輪機(9)、壓縮機(12)，換熱管束的每支管的管端都焊有孔板，壓縮機葉輪中布置12塊后向型葉片，長短葉片交替，葉輪采用懸臂式二級壓縮，第一級采用半開式后向型葉輪，第二級采用閉式后向型葉輪，齒輪箱(10)內的楔塊式超越離合器外環與高速齒輪軸心孔連接，內環與轉軸連接，再經過滾動軸承后兩端連接渦輪和壓縮機葉輪，渦輪機和壓縮機使用同一種制冷劑，排出的同一種制冷劑蒸氣，用噴射器匯集后進入換熱器(19或20)。進入渦輪機和離開離心式壓縮機中任一截面的氣流滿足下列能量守恒公式U1+gz1+v12/2+P1/ρ1+W+Q＝U2+gz2+v22/2+P2/ρ2+Σhf式中U內能 gz位能v12/2動能 P/ρ靜壓能 W電機能 Q與外介交換的熱能 Σhf氣流克服阻力所耗能量。
2.根據權利要求1所述空調器，其特征在于熱水器(1)包括太陽能熱水器、廢余熱能熱水器、燃氣熱水器或電熱水器。
3.根據權利要求1所述空調器，其特征在于，電動機(11)、壓縮機(12)、渦輪機(9)用鋼板封閉焊接在一起。
專利摘要一種利用熱－電能運行的熱泵式空調器，是一種利用太陽能、燃氣熱能等運行的空調器。它包括由熱水器、熱水箱、循環水泵等及連接管道構成的加熱回路，由貯液罐、加壓泵、渦輪機噴射器等及連接管道構成的透平回路，由噴射器、換熱器、貯液罐、膨脹閥、壓縮機等及連接管道構成的制冷回路，由噴射器、換熱器、貯液罐、膨脹閥、壓縮機、噴射器等及連接管道構成的制熱回路，由電動機、齒輪箱構成輔助動力。本實用新型是利用熱能加熱低沸點工質，制造高壓蒸氣，通過徑向透平作功的正卡諾循環和壓縮制冷劑蒸氣制冷的逆卡諾循環的熱泵式空調器。本實用新型具有環保節能、體積小、制造容易、成本低、提供日常生活熱水、應用廣泛的優點。
文檔編號F25B27/02GK2569049SQ0227888
公開日2003年8月27日 申請日期2002年8月23日 優先權日2002年8月23日
發明者戴佳荔 申請人:戴佳荔