1.一种基于多维构建的逼近洛伦兹循环的制冷/热泵系统,其特征在于,根据被加热和被冷却介质的温度位情况及其在换热过程温度变化情况不同,设置不同的驱动级数d、加热级数h、冷却级数c和构型形式f,即从四个结构维度构建制冷/热泵循环,需满足以下要求:d≥h≥1且d≥c≥1且d≥1且h+c≤d+1
驱动维度上,级数d代表制冷剂经由压缩机增压的次数,一个纯驱动模块、一个加热模块、一个冷却模块均可提供一级驱动;加热维度上,级数h代表被加热介质经由冷凝器加热的次数,一个加热模块可以提供一级加热;冷却维度上,级数c代表被冷却介质经由蒸发器冷却的次数,一个冷却模块可以提供一级冷却;构型形式f包括多级压缩构型、多级复叠构型以及单级压缩中间吸排气构型;各模块的序号均按该类模块温度位从低到高从1开始依次编号,将c个冷却模块、r个纯驱动模块、h个加热模块依次按设定规律相连,即可得到d级驱动c级冷却h级加热的制冷/热泵循环;
当h+c>d时,第c级冷却模块与第1级加热模块部分重叠,将重复的驱动环节和节流装置删去;多级压缩构型与多级复叠构型的纯驱动模块均包括压缩机和节流装置,压缩机入口为驱动模块的低温制冷剂入口、压缩机出口为驱动模块的高温制冷剂出口、节流装置入口为驱动模块的高温制冷剂入口、节流装置出口为驱动模块的低温制冷剂出口;
单级压缩中间吸排气构型的纯驱动模块中,将压缩机替换为一个压缩区间,压缩区间是人为将压缩过程分割成的若干段,相应的原压缩机出口变为压缩区间结束点,原压缩机入口变为压缩区间起始点;多级压缩构型下的加热模块包括压缩机、冷凝器、辅助加热换热器、节流装置和流量调节阀,压缩机出口分为两路,一路经过流量调节阀作为加热模块的高温制冷剂出口,另一路进入冷凝器的制冷剂入口,冷凝器的制冷剂出口分为两路,一路为高温制冷剂入口,另一路与辅助加热换热器的制冷剂入口相连,辅助加热换热器的制冷剂出口与节流装置入口相连,节流装置出口为加热模块的低温制冷剂出口,压缩机入口即为加热模块的低温制冷剂入口,辅助加热换热器的加热介质入口即为加热模块的加热介质第一入口,辅助加热换热器的加热介质出口与加热模块的加热介质第二入口汇合后再分为两路,一路为加热模块的加热介质第一出口,另一路与冷凝器的加热介质入口相连,冷凝器的加热介质出口为加热模块的加热介质第二出口;第h级加热模块,即最高级加热模块,相比普通加热模块,无加热模块的加热介质第一出口、加热模块的高温制冷剂入口、加热模块的高温制冷剂出口和制冷剂流量调节阀;第1级加热模块,相比普通加热模块,无辅助加热换热器和加热模块的加热介质第一入口,加热模块的加热介质第二入口经过泵或风机再分为两路;
多级复叠构型下的加热模块在多级压缩构型加热模块的基础上增加一个复叠换热器,管路上的改变如下:节流装置出口与复叠换热器第一入口相连,复叠换热器第一出口与压缩机入口相连,复叠换热器第二入口为模块的低温制冷剂入口,复叠换热器第二出口为模块的低温制冷剂出口,第1级加热模块和最高级加热模块也做同样的变化;
单级压缩中间吸排气构型下的加热模块在多级压缩构型的基础上将压缩机替换为压缩区间,相应的原压缩机出口变为压缩区间结束点,原压缩机入口变为压缩区间起始点,第
1级加热模块和最高级加热模块也做同样的变化;
梯级加热即被加热介质在每一级加热模块中的冷凝器中逐级被加热至最终的高温,梯级冷却即被冷却介质在每一级冷却模块中的蒸发器中逐级被冷却至最终的低温,通过梯级加热和梯级冷却分别使被加热介质的总温升dTh和被冷却介质的总温降dTc分散到每一级,即减小每一级之间的热源的温升或温降;再通过不同组分和浓度的具有两相区温度滑移dTr的混合工质进一步与每一级加热或冷却的温升或温降相匹配,即近似满足:dTr×h=dTh且dTr×c=dTc
由于混合工质的温度滑移dTr在不同温度位下的温度滑移并非完全相同,因此上式仅是近似关系,近似使加热侧和冷却侧均能逼近洛伦兹循环,减小每一级工质与加热介质和冷却介质的换热温差;以系统总能效为目标,同时对加热、冷却级数与混合工质组分、浓度寻优。
2.如权利要求1所述的一种基于多维构建的逼近洛伦兹循环的制冷/热泵系统,其特征在于,多级压缩构型下的冷却模块包括压缩机、蒸发器、辅助冷却换热器、节流装置、制冷剂流量调节阀和冷却介质流量调节阀,冷却模块的高温制冷剂入口经过节流装置分为两路,一路为冷却模块的低温制冷剂出口,另一路与蒸发器的制冷剂入口相连,蒸发器的制冷剂出口经过制冷剂流量调节阀分为两路,一路为低温制冷剂入口,另一路与辅助冷却换热器的制冷剂入口相连,辅助加热换热器的制冷剂出口与压缩机入口相连,压缩机出口为加热模块的高温制冷剂出口,冷却模块的冷却介质第一入口经过冷却介质流量调节阀与冷却辅助换热器的冷却介质入口相连,冷却辅助换热器的冷却介质出口与冷却模块的冷却介质第二入口汇合,又分为两路,一路为冷却模块的冷却介质第一出口,另一路经过蒸发器与冷却模块的冷却介质第二出口相连;第1级冷却模块,由于已是最低冷却级,相比普通冷却模块,无冷却模块的冷却介质第一出口、冷却模块的低温制冷剂入口、冷却模块的低温制冷剂出口、以及制冷剂流量调节阀;第c级冷却模块即最高温级冷却模块,相比普通冷却模块,无辅助冷却换热器和冷却模块的冷却介质第一入口,蒸发器制冷剂出口直接与压缩机入口相连,冷却模块的冷却介质第二入口经过泵或风机再分为两路;
多级复叠构型下的冷却模块在多级压缩构型冷却模块的基础上增加一个复叠换热器,管路上的改变如下:节流装置出口分为两路,一路与蒸发器制冷剂入口相连,另一路与复叠换热器第一入口相连,蒸发器制冷剂出口经制冷剂流量调节阀和复叠换热器第一出口汇合与辅助冷却换热器的制冷剂入口相连,复叠换热器第二入口与模块的低温制冷剂入口相连,复叠换热器第二出口与模块的低温制冷剂出口相连,第1级冷却模块和最高级冷却模块也做同样的变化;
单级压缩中间吸排气构型下的冷却模块在多级压缩构型冷却模块的基础上将压缩机替换为压缩区间,相应的原压缩机出口变为压缩区间结束点,原压缩机入口变为压缩区间起始点,并且蒸发器制冷剂出口与辅助冷却换热器的制冷剂入口相连,辅助冷却换热器的制冷剂出口与压缩区间的起始点相连,第1级冷却模块和最高级冷却模块也做同样的变化。
3.如权利要求1所述的一种基于多维构建的逼近洛伦兹循环的制冷/热泵系统,其特征在于,多级压缩构型的纯驱动模块中,增加一个经济器和一个辅助节流装置,模块的高温制冷剂入口分为两路,一路与经济器的第一入口相连,另一路经过辅助节流装置与经济器的第二入口相连,经济器的第一出口经过节流装置成为模块的低温制冷剂出口,经济器的第二出口与压缩机入口相连;
单级压缩中间吸排气构型的纯驱动模块与多级压缩构型的纯驱动模块采用相同方式,不同之处在于将压缩机替换为压缩区间,相应的原压缩机出口变为压缩区间结束点,原压缩机入口变为压缩区间起始点。
4.如权利要求1所述的一种基于多维构建的逼近洛伦兹循环的制冷/热泵系统,其特征在于,多级压缩构型的加热模块中,压缩机出口不分为两路,而是直接与冷凝器的制冷剂入口相连,冷凝气增加一个排气冷却出口,排气冷却出口经过制冷剂流量调节阀成为模块的高温制冷剂出口,该方案适用于除最高级加热模块以外的所有加热模块;多级压缩构型的第1级加热模块增加一个经济器和一个辅助节流装置,模块的高温制冷剂入口与冷凝器的制冷剂出口汇合后分为两路,一路与经济器的第一入口相连,另一路经过辅助节流装置与经济器的第二入口相连,经济器的第一出口经过节流装置成为模块的低温制冷剂出口,经济器的第二出口与压缩机入口相连。
5.如权利要求4所述的一种基于多维构建的逼近洛伦兹循环的制冷/热泵系统,其特征在于,单级压缩中间吸排气构型的第1级加热模块与第1级加热模块采用相同方式,不同之处在于将压缩机替换为压缩区间,相应的原压缩机出口变为压缩区间结束点,原压缩机入口变为压缩区间起始点;单级压缩中间吸排气构型的加热模块,增加一个喷液节流阀,喷液节流阀的入口与辅助加热换热器的制冷剂出口相连,喷液节流阀的出口与压缩区间的起始点相连。
6.如权利要求1所述的一种基于多维构建的逼近洛伦兹循环的制冷/热泵系统,其特征在于,同一种构型下,将c个冷却模块、r个纯驱动模块、h个加热模块相连时,从第1级冷却模块开始,将低一级模块的高温制冷剂出口和高温制冷剂入口分别与高一级模块的低温制冷剂入口和低温制冷剂出口相连;将低一级冷却模块的冷却介质第一入口和第二入口分别与高一级冷却模块的冷却介质第一出口和第二出口相连;将低一级加热模块的加热介质第一出口和第二出口分别与高一级加热模块的加热介质第一入口和第二入口相连;先将所有冷却模块连接完毕,再连接纯驱动模块,最后连接加热模块,直至完成第h级加热模块的连接。