本發(fā)明涉及的是熱泵技術，主要是對熱泵技術的改進優(yōu)化，提高熱泵能耗效率和拓展熱泵技術應用范圍。

背景技術：

現(xiàn)有熱泵系統(tǒng)中，能耗比值都還較低，和理想效率之間有很大距離，同時對工質物理性質和壓縮機性能要求都比較高，一定程度的限制了熱泵技術的發(fā)展和更深入的實際應用。

技術實現(xiàn)要素：

一種熱能累積熱泵，和申請?zhí)?01610143275x案件基本原理相同，利用壓縮后工質氣體的熱能對壓縮過程中氣體加熱進行熱能累積，實現(xiàn)得到更高溫度的壓縮后工質氣體溫度，實現(xiàn)熱泵對更高溫度的熱源放熱，實現(xiàn)熱泵工作于更大溫差的高低熱源之間。

附圖說明

圖1為熱能累積熱泵的基本原理圖，a為壓縮機、b為高溫熱交換器、c為內部熱交換器、d為截流閥、f為低溫熱交換器。

圖2為熱能累積熱泵主要結構示意圖，a為壓縮機、b為高溫熱交換器、c為內部熱交換器、d為截流閥、e為分流閥、f為低溫熱交換器。分流閥的作用是可將截流后工質分流出一部分，直接進去內部熱交換器中。

圖3為內部熱交換器的主要結構示意圖，其中主要有兩個通路分別為高壓通路和低壓通路，兩個通路之間流向做對向流動。在低壓通路中分為兩段，在兩段之間并列有一段為氣化段。

具體實施方式

熱力學實例中，熱泵和熱機的特點：熱泵通過做功改變工質壓強，使工質在高壓狀態(tài)對外放熱得到熱能；熱機通過高壓工質吸熱，工質從高壓狀態(tài)膨脹做功回到低壓而得到功。其理想效率中比值相同（可逆的熱力學變化），也就是工質高壓狀態(tài)放（吸）熱、低壓狀態(tài)吸（放）熱和消耗（得到）功三者之間比值相同。熱泵的最大能耗效率，可通過熱機的最大效率換算得出。

熱泵基本原理是將工質作為媒介，從低溫熱源吸熱，再對高溫熱源放熱；通過對工質氣體壓縮做功，改變工質氣體溫度，使工質氣體溫度升高對高溫熱源放熱q；具體方式是通過對工質壓縮做功和截流，將工質分為相對的高低壓強狀態(tài)（根據(jù)工質在不同溫度時飽和蒸汽壓不同，反之工質在不同飽和蒸汽壓時溫度不同），使其在不同溫度液化和氣化（低溫低壓氣化吸熱q1，高溫高壓液化放熱q）；工質在高低壓強狀態(tài)之間循環(huán)時，稱壓縮消耗機械功減去膨脹得到機械功為壓強差耗功w（截流閥不能得到功），其能量關系為：低溫吸熱量加上壓強差耗功等于高溫放熱量q=w+q1（消耗較少功得到較多熱能），此處的壓強差耗功，是保證高低壓強差所壓縮耗功，也就是壓縮耗功。

弊端問題分析：1、在熱泵系統(tǒng)中工質相對的高低溫和高低壓，高低溫才是目的（高低溫差才能實現(xiàn)對外吸熱和放熱，才能實現(xiàn)制熱和制冷），高低壓是措施，壓強差越大溫度差越大，壓強差越大壓縮機效率（壓縮機有效壓縮率）越低；2、在對外吸熱和放熱時，溫差越大熱傳遞越快，為保證熱傳遞效率，熱泵工質溫差需更大，影響壓縮機效率；3、通過截流工質回到低壓消耗功（液態(tài)高壓工質回到低壓，絕熱膨脹系數(shù)不大，膨脹做功不利于轉化為機械功的回收利用而浪費，故而采用截流閥）；4、截流所耗功，轉化為低壓狀態(tài)工質內能增加，工質在低壓從外界吸熱氣化時吸熱量減少；5、相對的低溫低壓，液態(tài)高壓工質膨脹回到低壓，壓強越高膨脹系數(shù)越大，溫度越高膨脹系數(shù)越大，壓強和溫度越高截流耗功越大，浪費越大也影響工質氣化時從外界吸熱量；6高低溫熱源溫差越大，工質溫差和壓強差越大，工質高溫高壓與其臨界溫度和臨界壓強越越接近，液化越難。在追求更大溫差的工質吸熱和放熱溫度時，一般的改良方式是通過改變更大的工質高低壓強差，而這一方法帶來對壓縮性能和工質物理性質更高要求。

對熱泵系統(tǒng)的進一步分析：工質高溫是目的，對工質壓縮是得到高溫的手段和方法，通過對氣態(tài)工質做功改變工質內能。改變工質內能的方法有做功和熱傳遞，在熱泵系統(tǒng)中，低壓液態(tài)工質氣化吸熱后，為實現(xiàn)繼續(xù)增加其內能可同時進行做功和熱傳遞，也就是壓縮和加熱同時作用于低壓氣態(tài)工質（可先加熱再壓縮或者分級壓縮區(qū)間加熱），可利用高壓工質對目標放熱后的余熱，作用于低壓氣化后工質。具體結構如圖1所示：低壓工質經a壓縮機壓縮后，溫度升高，壓縮后高溫高壓工質通過b高溫熱交換器對高溫熱源放熱（放熱之后工質溫度仍高于氣化后溫度，可對氣化后工質繼續(xù)放熱），再經過c內部熱交換器對氣化后壓縮前工質放熱（余熱交換），完全放熱后高壓工質液化，之后經過d截流閥回到低壓，低壓液態(tài)工質通過f低溫熱交換器從低溫熱源吸熱氣化，氣態(tài)工質經過c內部熱交換器通過余熱交換進行預熱處理，再進入a壓縮機如此循環(huán)。

從熱能和功之間轉化的角度看：以理想機械為例，在熱泵系統(tǒng)中，高低壓強固定，工質在沒有放熱時，壓縮低壓工質耗功w1（機械力做功wa加上壓強壓力做功wb）等于壓縮后高壓工質膨脹做功w2（對機械力做功wc加上對壓強壓力做功wd），w1=w2（wa+wb=wc+wd），過程是工質從低壓到高壓再回到低壓（壓縮前起始狀態(tài)）；在有放熱時，低壓壓縮耗功等于高壓膨脹做功加上工質因放熱q內能減少消耗功，工質因放熱內能減少消耗功等于低壓壓縮耗功減去高壓膨脹做功，為w1—w2，消耗的機械功w=wa—wc，膨脹過程中對壓強壓力做功小于壓縮過程中壓強壓力做功，wb>wd，放熱膨脹后工質體積小于壓縮前，通過在低壓狀態(tài)吸熱q1恢復到壓縮前狀態(tài)，繼續(xù)參與下一個循環(huán)，從而實現(xiàn)消耗較少機械功，工質在低壓吸熱，在高壓放熱得到較多熱能；在有放熱時，系統(tǒng)消耗的機械功等于壓縮用機械功減去膨脹得到機械功，消耗壓強壓力做功we等于壓縮時消耗壓強功減去膨脹得到壓強功（we=wc—wd），消耗的壓強功通過吸熱工質膨脹得以補充恢復。傳統(tǒng)熱泵，截流閥不能得到功，q=w+q1。

在高低熱源溫差固定的熱泵系統(tǒng)中，對外放熱熱能q、從外界吸熱熱能q1和消耗的機械功w理想比值固定。在內部熱交換器的作用下，余熱對吸熱后工質放熱q3時，放熱消耗的壓強功等于吸熱增加的壓強功，也就是再消耗一部分機械功w3就將因吸熱膨脹部分工質壓縮到高壓狀態(tài)，也就是再消耗一部分機械功將工質全部壓縮，并同時將余熱轉化為高溫熱能。通過余熱轉化為高溫熱能，能對高溫熱源放更多的熱能，多出部分稱其為q2。這部分熱能的特點是：q2的熱能品味比q高，前者是累積在后者之上。也就是通過內部熱交換器的熱能累積的熱泵，能對比高溫熱源更高溫的熱源放熱q2，再對高溫熱源放熱q。在壓縮做功中，可概括的稱壓縮耗機械功為w。

從熱泵系統(tǒng)和外界情況的角度看，

都是通過對工質做功，與外界吸熱和放熱。和熱泵基本結構相比，熱能累積熱泵中工質和外界的關系相同，機械力對工質做功、工質對外吸熱和放熱，三者理想比值也相同，不同之處是后者能讓相同量工質參與循環(huán)時制熱能力增強，能對高溫熱源放熱更多或者能對更高溫熱源放熱而不改變工質高低壓強差。以及通過改變工質在不同階段的特點而更節(jié)能（如壓縮前溫度更高，截流前溫度更低等等）。在熱能累積熱泵中，壓縮機的壓縮做功，同時實現(xiàn)了對工質從外界吸熱氣化膨脹和內部吸熱升溫膨脹的壓縮處理，在不改變工質高低壓強差的情況實現(xiàn)了對工質壓縮做功更多。

關于傳統(tǒng)熱泵與熱能累積熱泵對比分析：1、高低熱源溫差相同，工質高低壓強差相同時，通過熱能累積熱泵內部熱交換器換熱余熱處理，壓縮前工質內能增加溫度升高，壓縮后工質溫度更高，能對高溫熱源放更多熱；2、通過熱能累積熱泵內部熱交換器換熱余熱處理，對高溫熱源放熱后的截流前工質繼續(xù)放熱溫度更低，截流耗功越少；3、通過熱能累積熱泵內部熱交換器換熱余熱處理，截流耗功越少，截流后工質內能越少同時在低溫熱源氣化吸熱更多；4、低溫熱源氣化吸熱更多，相同量工質參與循環(huán)時的制熱能力得到提高，相同制熱能力時也就減少了工質的量，減少工質在管路中循環(huán)時的流動阻力節(jié)能；5、工質高低壓相同，通過熱能累積熱泵內部熱交換器換熱余熱處理，壓縮前工質內能增加溫度升高，壓縮后工質溫度更高，能對更高溫熱源放熱；6、高低熱源溫差相同，通過熱能累積熱交換器換熱，壓縮前工質內能增加溫度升高，能在更低的高壓狀態(tài)得到相同高溫和對相同熱源放熱，更低的高壓狀態(tài)壓縮機效率越高，同時更低的高壓狀態(tài)截流時耗功更少；7、高低熱源溫差相同，工質高低壓強差相同時，通過熱能累積熱泵內部熱交換器換熱余熱處理，對高溫熱源放熱后的截流前工質放熱更多溫度更低，更容易液化。

關于壓縮后工質溫度和液化現(xiàn)象的分析：根據(jù)潛熱的定理，壓強越高潛熱越小，溫度越高潛熱越小。在熱泵系統(tǒng)中，放熱端是高溫高壓，吸熱端是低溫低壓，所以放熱端工質液化潛熱小于吸熱端工質氣化潛熱。之所以放熱大于吸熱，是因為工質壓縮后溫度高于熱源溫度和工質液化時溫度，在氣液共存的高壓端，氣體和液體存在著不同溫度，氣體在液化時，更高溫的氣體在對其放熱或者在對熱源放熱。

在熱泵系統(tǒng)中，當工質液化溫度與高溫熱源溫度相同時（或者工質臨界溫度接近高溫熱源溫度），液化放熱不能很好傳遞于熱源，但在氣液共存的高壓端，高溫的壓縮后氣體可對熱源放熱，而液化卻難。相同的高低溫熱源，相同的工質，相同的高低壓強差，在熱能累積熱泵系統(tǒng)中，通過熱能累積熱交換器換熱，可將高壓端工質氣體的放熱和工質液化放熱單獨處理，轉變?yōu)楣べ|液化放熱（一部分或者全部）作用于低壓端工質升溫，以此輔助液化放熱的順利進行，也就解決液化難的問題。當高壓端工質液化放熱量大于低壓端工質升溫吸熱量時，可將液化截流后低壓液態(tài)工質進行分流處理，分流出一部分流經熱能累積熱交換器，利用低壓液態(tài)工質氣化吸熱，來保證高壓端工質液化放熱順利進行，稱此為分流熱處理。在分流熱處理方法的基礎上，還有另一個情況，如當高溫熱源溫度大于工質臨界溫度時，高壓端工質氣體的放熱和工質液化放熱單獨處理可改變?yōu)椋焊邏焊邷毓べ|對熱源放熱后，其溫度仍高于工質臨界溫度，通過熱能累積熱交換器換熱，利用分流熱處理的方法進行高壓工質的降溫和液化，實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)與外界的正常吸熱和放熱能力。這種分流熱處理的模式，可實現(xiàn)系統(tǒng)超工質臨界溫度的正常運行，簡稱其為超臨界模式。具體結構如圖2所示：低壓工質經a壓縮機壓縮后，高壓工質進入b高溫熱交換器對外放熱，對外放熱后工質經c內部熱交換器對低壓工質余熱放熱，工質完全放熱液化后經d截流閥截流回到低壓，低壓工質再經e分流閥進去f低溫熱交換器從外界吸熱氣化，氣化后經c內部熱交換器預熱進入壓縮機如此循環(huán)，和圖1基本結構原理相同；其中e分流閥可分流出一部分低壓液態(tài)工質，直接進入c內部熱交換器，通過氣化吸熱參與高壓工質余熱處理。e分流閥通過控制分流的工質量，來控制余熱處理時熱交換的量。

通過余熱熱處理，盡可能提高壓縮前工質溫度，也就是提高了低壓工質熱能品味，對整個系統(tǒng)效率更有好處。在內部熱交換器中，為實現(xiàn)更好的熱交換，采用對流換熱的方式，具體結構如圖3所示，高壓高溫工質從上向下流動，逐漸的放熱降溫，對低壓低溫工質放熱，低壓低溫工質從下向上流動，逐漸吸熱升溫。高低壓工質做對向流動，這樣更有利于高壓高溫工質放熱后更接近低壓低溫工質，低壓低溫工質吸熱后更接近于高壓高溫工質，實現(xiàn)更多的熱傳遞。分流出的液態(tài)工質流向和低壓工質相同，在內部熱交換器低壓管路中，進行分段熱交換，下部分為氣化管路，氣化管路中氣化后的工質和低壓氣態(tài)工質混和在一起，在熱交換器中吸熱升溫。通過分流閥的分流控制，實現(xiàn)控制氣化管路中是否有液態(tài)工質，以及參與氣化吸熱液態(tài)工質的量。

超臨界模式和高低溫熱源之間關系：熱能累積熱泵和傳統(tǒng)熱泵核心特點一樣，都是通過對工質壓縮得到高溫才能對高溫熱源放熱，其理想效率也相同。熱能累積熱泵，在實際應用中更容易能解決和降低不可避免的無用功損耗，也就更節(jié)能，同時對壓縮機要求、工質物理性質、高低溫熱源范圍有很多優(yōu)越性。

綜上所述，熱能累積熱泵對比傳統(tǒng)熱泵，其核心特點是通過改變壓縮前工質溫度（可以不改變工質基本的高低壓強），來進一步改變壓縮后工質溫度，對熱泵系統(tǒng)性能進行優(yōu)化。也就是在熱能累積熱泵系統(tǒng)中，壓縮前工質溫度越接近高溫熱源溫度，內部熱交換越多，其優(yōu)化效果越明顯。同時高低熱源溫差越大，內部熱交換越多，越能凸現(xiàn)其與傳統(tǒng)熱泵技術的對比優(yōu)點。其結構也比較簡單，比傳統(tǒng)熱泵多個內部熱交換器和分流閥。

關于對工質高低溫差的控制，和傳統(tǒng)熱泵相同，可采用通過壓縮和截流控制壓強差來控制溫差；同時高低溫差影響內部熱交換器換熱量，進而影響壓縮后工質溫度（也就輔助控制高低工質溫度差）；分流出的液態(tài)工質參與余熱處理保證高壓液化順利進行，以此實現(xiàn)熱泵吸熱和放熱順利進行。綜合起來就是通過控制工質高低壓強差和液態(tài)工質分流量來控制工質高低溫差。