1.超重力气体循环制冷系统,其特征在于:包括旋转螺旋换热器(5)、双通道旋转管、双通道固定管和压缩机(1);
所述双通道旋转管包括双通道旋转管一(4)和双通道旋转管二(6),双通道固定管包括双通道固定管一(2)和双通道固定管二(8);所述双通道旋转管一(4)、双通道旋转管二(6)、双通道固定管一(2)和双通道固定管二(8)内都分别设置有制冷工质通道和冷却介质通道;
所述双通道固定管一(2)设置有与其制冷工质通道连通的双通道固定管一制冷工质通道进口(211)和双通道固定管一制冷工质通道出口(212),双通道固定管一(2)设置有与其冷却介质通道连通的双通道固定管一冷却介质通道进口(221)和双通道固定管一冷却介质通道出口(222);
所述双通道旋转管一(4)设置有与其制冷工质通道连通的双通道旋转管一制冷工质通道进口(411)和双通道旋转管一制冷工质通道出口(412),双通道旋转管一(4)设置有与其冷却介质通道连通的双通道旋转管一冷却介质通道进口(421)和双通道旋转管一冷却介质通道出口(422);
所述双通道固定管二(8)设置有与其制冷工质通道连通的双通道固定管二制冷工质通道进口(811)和双通道固定管二制冷工质通道出口(812),双通道固定管二(8)设置有与其冷却介质通道连通的双通道固定管二冷却介质通道进口(821)和双通道固定管二冷却介质通道出口(822);
所述双通道旋转管二(6)设置有与其制冷工质通道连通的双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)和双通道旋转管二制冷工质通道出口(612),双通道旋转管二(6)设置有与其冷却介质通道连通的双通道旋转管二冷却介质通道进口(621)和双通道旋转管二冷却介质通道出口(622);
所述旋转螺旋换热器(5)内间隔螺旋设置有制冷工质通道和冷却介质通道,旋转螺旋换热器(5)的轴心位置设置有连通其制冷工质通道的制冷工质通道进口(511)和连通其冷却介质通道的冷却介质通道出口(522);所述旋转螺旋换热器(5)的边缘位置设置有连通其制冷工质通道的制冷工质通道出口(512)和连通其冷却介质通道的冷却介质通道进口(521);
所述双通道固定管一(2)和双通道旋转管一(4)设置在旋转螺旋换热器(5)一侧,双通道固定管二(8)和双通道旋转管二(6)设置在旋转螺旋换热器(5)另一侧;
所述压缩机(1)设置有压缩机进口(11)和压缩机出口(12),压缩机出口(12)与双通道固定管一制冷工质通道进口(211)连通;双通道固定管一制冷工质通道出口(212)通过旋转接头一(3)与双通道旋转管一制冷工质通道进口(411)连通;所述双通道旋转管一制冷工质通道出口(412)与制冷工质通道进口(511)连通,制冷工质通道出口(512)与双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)连通,双通道旋转管二制冷工质通道出口(612)通过旋转接头二(7)与双通道固定管二制冷工质通道进口(811)连通;
所述双通道固定管二冷却介质通道进口(821)与外部冷却介质进口管路连通,双通道固定管二冷却介质通道出口(822)通过旋转接头二(7)连接双通道旋转管二冷却介质通道进口(621),双通道旋转管二冷却介质通道出口(622)与冷却介质通道进口(521)连通,冷却介质通道出口(522)与双通道旋转管一冷却介质通道进口(421)连通;所述双通道旋转管一冷却介质通道出口(422)通过旋转接头一(3)与双通道固定管一冷却介质通道进口(221)连接,双通道固定管一冷却介质通道出口(222)连接外部冷却介质出口管路。
2.根据权利要求1所述的超重力气体循环制冷系统,其特征在于:超重力气体循环制冷系统还包括外部储能系统;所述外部储能系统包括驱动齿轮(16)、中间轴齿轮(17)、中间轴(18)、离合器(19)、外部储能装置轴(20)和外部储能装置(21);所述外部储能装置(21)包括无级变速器(22)、内部传动轴(23)和储能器(24);所述驱动齿轮(16)与旋转管一(4)固定连接,驱动齿轮(16)与中间轴齿轮(17)传动连接,中间齿轮(17)与中间轴(18)固定连接,中间轴(18)通过离合器(19)与外部储能装置轴(20)连接;所述外部储能装置轴(20)通过无级变速器(22)与内部传动轴(23)连接,内部传动轴(23)与储能器(24)连接。
3.根据权利要求2所述的超重力气体循环制冷系统,其特征在于:所述旋转螺旋换热器(5)设置在真空保护壳(9)内,真空保护壳(9)上设置有真空保护壳气体出口(91),真空保护壳气体出口(91)与真空泵(10)的进口连通。
4.根据权利要求3所述的超重力气体循环制冷系统,其特征在于:所述旋转螺旋换热器(5)为旋转螺旋板式换热器,由相互贴合的两个板式换热通道从轴心开式螺旋卷绕为圆筒形,或者旋转螺旋换热器(5)为螺旋管板式换热器,由相互贴合的板式换热通道和管子从轴心开式螺旋卷绕为圆筒形。
5.根据权利要求4所述的超重力气体循环制冷系统,其特征在于:所述制冷工质通道出口(512)和双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)之间设置有冷凝水排出阀(53)。
6.根据权利要求4所述的超重力气体循环制冷系统,其特征在于:超重力气体循环制冷系统还包括换热器(13);所述换热器(13)中设置有吸热管道和放热通道;所述双通道固定管二制冷工质通道出口(812)通过换热器(13)的吸热管道与压缩机进口(11)连通;所述换热器放热通道与外部低温热源连接。
7.根据权利要求6所述的超重力气体循环制冷系统,其特征在于:超重力气体循环制冷系统还包括冷却器(14);所述冷却器(14)中设置有吸热管道和放热通道;所述压缩机出口(12)通过冷却器(14)的放热通道与双通道固定管一制冷工质通道进口(211)连通;所述冷却器(14)的吸热管道与外部冷却源连接。
8.根据权利要求7所述的超重力气体循环制冷系统,其特征在于:超重力气体循环制冷系统还包括节流阀(15);所述双通道固定管二制冷工质通道出口(812)依次通过节流阀(15)和换热器(13)的吸热管道与压缩机进口(11)连通。
9.利用权利要求1-5任一所述的超重力气体循环制冷系统的开式超重力气体循环制冷方法,其特征在于,包括以下步骤:
1.11驱动旋转螺旋换热器(5)、双通道旋转管一(4)和双通道旋转管二(6)维持一定转速的旋转运动,从而在旋转螺旋换热器(5)的制冷工质通道和冷却介质通道产生超重力效应;
1.12常压室温的空气从室内通过制冷工质进口管路进入压缩机进口(11),被压缩机(1)绝热压缩后,压力上升,温度增加,然后空气从压缩机出口(12)流出,通过双通道固定管一制冷工质通道进口(211)进入双通道固定管一(2)的制冷工质通道,再通过双通道固定管一制冷工质通道出口(212)经过旋转接头一(3)和双通道旋转管一制冷工质通道进口(411)进入双通道旋转管一(4)的制冷工质通道,之后从双通道旋转管一制冷工质通道出口(412)经过制冷工质通道进口(511)进入旋转螺旋管换热器(5)的制冷工质通道,在压差力和惯性力的共同作用下,空气在旋转螺旋管换热器(5)的制冷工质通道中螺旋向外流动,被离心力逐渐压缩,空气压力升高,刚开始空气温度低于与之相邻旋转螺旋管换热器(5)的冷却介质通道中冷却介质的温度时,空气将吸收相邻螺旋管换热器(5)的冷却介质通道中的冷却介质传来的热量,空气温度在压缩及吸热作用下逐步增加到与之相邻的冷却介质温度之上,此后,空气在旋转螺旋管换热器(5)的制冷工质通道中流动时继续被压缩,但将向旋转螺旋管换热器(5)的冷却介质通道中的冷却介质放出热量,使得压缩过程中的制冷工质温度始终不会过热很多,当空气到达制冷工质通道出口(512)时,压力达到最大,温度略高于冷却介质通道进口(521)的冷却介质温度;
1.13空气从制冷工质通道出口(512)流出,通过管道向双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)绝热流动,压强不断降低,惯性势能增加,温度不断下降,当空气到达双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)时,空气压力降低到常压,温度降低到比室内的空气更低,成为常压低温空气;常压低温空气通过双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)进入双通道旋转管二(6)的制冷工质通道,再依次通过双通道旋转管二制冷工质通道进口(612)、旋转接头二(7)和双通道固定管二制冷工质通道进口(811)进入双通道固定管二(8)的制冷工质通道,最后从双通道固定管二制冷工质通道出口(812)进入制冷工质出口管路后流到室内;
1.14送入室内的常压低温空气吸收房间的热量后,温度增加,成为常压室温空气再重新通过制冷工质进口管路进入压缩机进口(11),如此循环;
1.15冷却介质通过外部冷却介质进口管路通过双通道固定管二冷却介质通道进口(821)进入双通道固定管二(8)的冷却介质通道,然后依次通过双通道固定管二冷却介质通道出口(822)、旋转接头二(7)和双通道旋转管二冷却介质通道进口(621)进入双通道旋转管二(6)的冷却介质通道,再从双通道旋转管二冷却介质通道出口(622)流出,通过管道向位于旋转螺旋换热器(5)的边缘位置的冷却介质通道进口(521)绝热流动,冷却介质压力增加,温度基本不变,惯性势能降低;
1.16冷却介质从冷却介质通道进口(521)进入旋转螺旋换热器(5)的冷却介质通道后,在压差力和惯性力的共同作用下,冷却介质在旋转螺旋换热器(5)的冷却介质通道中螺旋向内流动,压力逐渐降低,同时冷却介质吸收旋转螺旋管换热器(5)中相邻制冷工质通道中空气的热量,冷却介质温度增加,惯性势能增加,当冷却介质温度增加到相邻制冷工质温度以上时,又会向相邻空气排放热量,温度降低,然后冷却介质通过冷却介质通道出口(522)和双通道旋转管一冷却介质通道进口(421)进入双通道旋转管一(4)的冷却介质通道;再依次通过双通道旋转管一冷却介质通道出口(422)、旋转接头一(3)和双通道固定管一冷却介质通道进口(221)进入双通道固定管一(4)的冷却介质通道,最后从双通道固定管一冷却介质通道出口(222)通过外部冷却介质出口管路流回外部冷却源;
1.17流回外部冷却源的冷却介质在外部冷却源放热后,温度降低,然后又通过外部冷却介质进口管路重新进入双通道固定管二冷却介质通道进口(821),如此循环。
10.根据权利要求9所述的开式超重力气体循环制冷方法,其特征在于:
1.13制冷工质从制冷工质通道出口(512)流出,通过管道向双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)绝热流动,压强不断降低,惯性势能增加,温度不断下降;同时在制冷工质膨胀过程中当制冷工质温度低于其露点温度时,制冷工质中含有的水蒸汽会冷凝从冷凝水排出阀(53)排出;制冷工质通过双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)进入双通道旋转管二(6)的制冷工质通道,再依次通过双通道旋转管二制冷工质通道进口(612)、旋转接头二(7)和双通道固定管二制冷工质通道进口(811)进入双通道固定管二(8)的制冷工质通道,最后从双通道固定管二制冷工质通道出口(812)进入制冷工质出口管路后流到室内。
11.利用权利要求6-8任一所述的超重力气体循环制冷系统的闭式超重力气体循环制冷方法,其特征在于:
2.11驱动旋转螺旋换热器(5)、双通道旋转管一(4)和双通道旋转管二(6)维持一定转速的旋转运动,从而在旋转螺旋换热器(5)的制冷工质通道和冷却介质通道产生超重力效应;
2.12低压低温的二氧化碳气体通过制冷工质进口管路进入压缩机进口(11),被压缩机(1)绝热压缩后,压力上升,温度增加,然后从压缩机出口(12)流出,通过双通道固定管一制冷工质通道进口(211)进入双通道固定管一(2)的制冷工质通道,再依次通过双通道固定管一制冷工质通道出口(212)、旋转接头一(3)和双通道旋转管一制冷工质通道进口(411)进入双通道旋转管一(4)的制冷工质通道,之后从双通道旋转管一制冷工质通道出口(411)进入制冷工质通道进口(511),在压差力和惯性力的共同作用下,二氧化碳气体在旋转螺旋管换热器(5)的制冷工质通道中螺旋向外流动,被离心力逐渐压缩,压力升高,同时向旋转螺旋管换热器(5)的冷却介质通道中的冷却介质放出热量,使得压缩过程中的二氧化碳温度始终不会过热很多,当二氧化碳到达位于边缘位置的制冷工质通道出口(512)时,压力达到高压,成为高温高压二氧化碳,温度略高于冷却介质通道进口(521)的冷却介质温度;
2.13高温高压二氧化碳从旋转螺旋换热器制冷工质通道出口(512)流出,通过管道向双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)绝热流动,压强不断降低,惯性势能增加,温度不断下降,当二氧化碳到达双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)时,压力降低到低压的亚临界区,温度降低,成为低温低压二氧化碳液体;低温低压二氧化碳液体进入双通道旋转管二(6)的制冷工质通道,再依次通过双通道旋转管二制冷工质通道进口(612)、旋转接头二(7)和双通道固定管二制冷工质通道进口(811)进入双通道固定管二(8)的制冷工质通道,最后从双通道固定管二制冷工质通道出口(812)进入换热器(13)的吸热通道;
2.14低温低压二氧化碳液体在换热器(13)的吸热通道中吸收与外部低温热源相连的放热通道中介质放出的热量后,干度增加,成为低温低压的二氧化碳气体,然后再通过制冷工质进口管路进入压缩机进口(11),如此循环;
2.15冷却介质通过外部冷却介质进口管路通过双通道固定管二冷却介质通道进口(821)进入双通道固定管二(8)的冷却介质通道,然后依次通过双通道固定管二冷却介质通道出口(822)、旋转接头二(7)和双通道旋转管二冷却介质通道进口(621)进入双通道旋转管二(6)的冷却介质通道,再从双通道旋转管二冷却介质通道出口(622)流出,通过管道向位于旋转螺旋换热器(5)的边缘位置的冷却介质通道进口(521)绝热流动,冷却介质压力增加,温度基本不变,惯性势能降低;
2.16冷却介质从冷却介质通道进口(521)进入旋转螺旋换热器(5)的冷却介质通道后,在压差力和惯性力的共同作用下,冷却介质在旋转螺旋换热器(5)的冷却介质通道中螺旋向内流动,压力逐渐降低,同时冷却介质吸收旋转螺旋管换热器(5)中相邻制冷工质通道中二氧化碳的热量,冷却介质温度增加,惯性势能增加,当冷却介质温度增加到相邻二氧化碳温度以上时,又会向相邻二氧化碳排放热量,温度降低,然后冷却介质通过冷却介质通道出口(522)和双通道旋转管一冷却介质通道进口(421)进入双通道旋转管一(4)的冷却介质通道;再依次通过双通道旋转管一冷却介质通道出口(422)、旋转接头一(3)和双通道固定管一冷却介质通道进口(221)进入双通道固定管一(4)的冷却介质通道,最后从双通道固定管一冷却介质通道出口(222)通过外部冷却介质出口管路流回外部冷却源;
2.17流回外部冷却源的冷却介质在外部冷却源放热后,温度降低,然后又通过外部冷却介质进口管路重新进入双通道固定管二冷却介质通道进口(821),如此循环。
12.根据权利要求11所述的闭式超重力气体循环制冷方法,其特征在于:
2.12低压低温的二氧化碳气体通过制冷工质进口管路进入压缩机进口(11),被压缩机(1)绝热压缩后,压力上升,温度增加,然后从压缩机出口(12)流出后进入冷却器(14)的放热通道,二氧化碳气体在冷却器(14)的放热通道中向冷却器(14)的放热通道中的介质放出热量,温度降低,压力基本保持不变,接着降温后的二氧化碳气体通过双通道固定管一制冷工质通道进口(211)进入双通道固定管一(2)的制冷工质通道,再依次通过双通道固定管一制冷工质通道出口(212)、旋转接头一(3)和双通道旋转管一制冷工质通道进口(411)进入双通道旋转管一(4)的制冷工质通道,之后从双通道旋转管一制冷工质通道出口(411)进入制冷工质通道进口(511),在压差力和惯性力的共同作用下,二氧化碳气体在旋转螺旋管换热器(5)的制冷工质通道中螺旋向外流动,被离心力逐渐压缩,压力升高,同时向旋转螺旋管换热器(5)的冷却介质通道中的冷却介质放出热量,使得压缩过程中的二氧化碳温度始终不会过热很多,当二氧化碳到达位于边缘位置的制冷工质通道出口(512)时,压力达到高压,成为高温高压二氧化碳,温度略高于冷却介质通道进口(521)的冷却介质温度。
13.根据权利要求12所述的闭式超重力气体循环制冷方法,其特征在于:
2.13高温高压二氧化碳从旋转螺旋换热器制冷工质通道出口(512)流出,通过管道向双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)绝热流动,压强不断降低,惯性势能增加,温度不断下降,当二氧化碳到达双通道旋转管二制冷工质通道进口(611)时,压力降低到低压的亚临界区,温度降低,成为低温低压二氧化碳液体;低温低压二氧化碳液体进入双通道旋转管二(6)的制冷工质通道,再依次通过双通道旋转管二制冷工质通道进口(612)、旋转接头二(7)和双通道固定管二制冷工质通道进口(811)进入双通道固定管二(8)的制冷工质通道,然后从双通道固定管二制冷工质通道出口(812)流出后进入节流阀(15),通过节流阀(15)的低温低压二氧化碳液体温度和压力进一步降低,成为更低压力下具有一定干度的二氧化碳混合液体,之后二氧化碳混合液体进入换热器(13)的吸热通道;
2.14二氧化碳混合液体在换热器(13)的吸热通道中吸收与外部低温热源相连的放热通道中介质放出的热量后,干度增加,成为低温低压的二氧化碳气体,然后再进入压缩机进口(11),如此循环。
14.根据权利要求10或13所述的开式或闭式超重力气体循环制冷方法,其特征在于:
当双通道固定管二制冷工质通道出口(812)的空气或二氧化碳温度变化时,可通过调整旋转螺旋换热器(5)的转速及压缩机(1)做功来适应,即当所需温度更低时,加大转速和压缩机(1)做功,反之,则减小转速和压缩机(1)做功;
旋转螺旋换热器(5)在真空保护壳(9)内旋转,当真空保护壳(9)内的真空度不够时,启动真空泵(10),通过真空保护壳气体出口(91)抽出真空保护壳(9)内的空气以达到要求真空度;
当旋转螺旋换热器(5)需要增加转速时,离合器(19)闭合,储能器(24)通过内部传动轴(23)向无级变速器(22)输出扭矩,无级变速器(22)向外部储能装置轴(20)输出扭矩,外部储能装置轴(20)向中间轴(18)输出扭矩,中间轴(18)通过中间轴齿轮(17)向驱动齿轮(16)输出扭矩,驱动齿轮(16)向双通道旋转管一(4)输出扭矩,从而使得旋转螺旋换热器(5)转速加快,当转速加到设定值时,离合器(19)打开,中间轴(18)不再接受外部储能装置轴(20)的扭矩;当旋转螺旋换热器(5)需要减速时,离合器(19)闭合,双通道旋转管一(4)向驱动齿轮(16)输出扭矩,驱动齿轮(16)通过中间轴齿轮(17)向中间轴(18)输出扭矩,中间轴(18)向外部储能装置轴(20)输出扭矩,外部储能装置轴(20)向无级变速器(22)输出扭矩,无级变速器(22)通过内部传动轴(23)输出扭矩,内部传动轴(23)向储能器(24)输出扭矩,从而将旋转螺旋换热器(5)的减速能量储存在储能器(24)中,当转速减到设定值时,离合器(19)打开,中间轴(18)不再向外部储能装置轴(20)输出扭矩。