[发明专利]在介质之间传递热量和产生电力的热循环

说明书

技术领域

本发明涉及一种系统，该系统采用热循环，在所述热循环中，热量在工作流体从具有低温度的区域流到具有较高温度的区域之间传输。取决于这是否是所期望的较低或较高温度，具有这样的循环的设备用于分别冷却装置或热泵。

背景技术

制冷技术已经发展了很长时间，并利用在制冷设备、空调系统中，最近，还在所谓的热泵中充分发展反向过程以对例如住宅进行加热。当热循环的目的是用于冷却一个区域时，概念热泵的使用可以看作是制冷设备的“别名”。因此，所述热泵的概念将在下文中使用，以代表使用热循环分别进行加热和冷却的装置。

在热泵中，流体在回路中通过压缩机，冷凝器和蒸发器周期性的运转，从而使流体在循环过程中分别传递热量和吸收热量。所述热泵在这里以已知的方式在可逆的卡诺过程运转，其中，所述流体从具有低温的介质接收热量Q_c，并且将该热量Q_h输送到具有较高温度的介质。要实现这个过程，必须根据以下命题实施操作：

W＝Q_h–Q_c

该过程的效率可被描述如下：

η＝(Q_h-Q_c)/Q_c＝1-T_c/T_h，其中，T_c是冷源的温度，T_h是热源的温度。

通常，与所述热泵相关的，还使用了性能系数COP，该系数可用于评估热泵的效率。对于可逆的卡诺过程，该性能系数可以写成：

COP_H,rev＝1/(1-T_c/T_h)＝T_h/(T_h-T_c),

它表示每个工作的输入单元可以从冷源移动到热源的热量，通常是唯一指定的COP，并且通常被称为COP值。

随着各种能源的全球性价格上涨，在过去几十年，包括热泵的解决方案已经显著增加，大量的开发和资源由不同的运营商投资，使得热泵的效率更高。对于现在的热泵，可以获得大约为5的性能系数(COP)。这意味着，所述热泵优化输送的能量是其消耗的能量的5倍。这样的最佳值可以实现用于例如热泵的地热加热，在这种方式中地热给对温度要求较低的消耗物作为冷源，例如为住宅的地板加热。

目前，正在做重大努力以进一步提高热泵系统的效率。然而，已经证明，这是很难达到的，因为上述提到的、以及通过引进高效率的板式热交换器、低能量的离心泵、或者高效的涡旋式压缩机和优化制冷剂的混合物(即在热泵循环中完成循环的工作流体)获取高COP值的技术已经很复杂。另外，资源已用于实现复杂的控制系统以用最佳的方式控制热泵的循环。因此，看起来该技术已经达到了难以超越的极限，此外，当使用常规设备时，所述性能系数可能增加十分之一。

在现有技术中，在用于热泵的回路中，所述使用的工作流体是一种介质，在热泵的循环中，该工作流体在液体，液体/气体混合物和气体的不同状态之间进行转换。所述工作流体通过压缩完成了循环，在第一阶段以气态从具有低压p_l和低温度t_l的第一状态到具有高压力p_h和高温t_h的第二状态。此后，所述工作流体在冷凝器中进行热交换，在所述冷凝器中，所述工作流体通过属于热循环的第一介质进行冷却，从而假设具有压力p_m和温度t_m的第三状态，其中，p_l<p_m<p_h且t_l<t_m<t_h。所述工作流体然后被转移到所述蒸发器，并使用属于收集回路的第二介质在所述蒸发器中进行热交换，其中，该第二介质向所述工作流体释放热量，从而使所述工作流体膨胀，并基本上返回到所述第一状态中的压力和温度。

所述描述的现有技术可利用热泵作为例子，所述热泵从例如基岩吸收热量，并且在冷凝器中将热量传递到加热系统例如住宅。在这种热泵中，在所述工作流体的压缩过程中的必要工作通常通过所述电动马驱动的压缩机达提供，所述电机将功率P传送到热泵回路。在循环过程中，在最优化利用过程中，当性能系数约为5时，将在冷凝器中输送5P功率到穿过热回路的第一介质，用于进行加热。