CN101251310B - 用于制冷循环的膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制冷循环的膨胀机，属于制冷技术领域。该膨胀机包括：膨胀涡轮(10)和向所述膨胀涡轮(10)喷射制冷工质的喷嘴(41)，所述膨胀涡轮(10)包括圆盘状主体部(11)；具有受喷射面(121)和外周面(122)且沿所述主体部(11)径向延伸的多个外周突起部(12)；其中所述受喷射面(121)平行于所述圆盘状主体部(11)的径向；所述外周面(122)垂直于所述圆盘状主体部(11)的径向。本发明的特点为：通过简单的结构设计，可提高膨胀涡轮的能量回收效率。

Description

用于制冷循环的膨胀机

技术领域

本发明属于制冷技术领域，特别涉及用于制冷循环的包括冲击式膨胀涡轮的膨胀机结构设计。

背景技术

通常所使用的制冷装置中，制冷工质在密闭的工质循环回路内进行压缩、冷凝、膨胀、蒸发等制冷循环。在制冷循环过程中，制冷工质首先在压缩机里绝热压缩成高压蒸气，在冷凝器内放热冷却成液体，经节流阀等焓膨胀，在蒸发器吸热蒸发为蒸气后再返回压缩机。在上述循环过程中，为了提高热效率，有的制冷装置将由冲击式膨胀涡轮代替节流阀。

在制冷装置的冲击式膨胀涡轮内，高压制冷工质通过喷嘴转换为高速射流，通过将高速射流喷射到工作涡轮的叶片上使转轮旋转，进而进行发电。具有相同工作原理的有利用冲击式水轮机的水力发电机。在水力发电机中，将作为压力流体的压力水喷射到转轮，利用水流的冲击使转轮旋转，进而带动发电机进行发电。作为冲击式水轮机的例子，有水斗式水轮机，又称培尔顿式水轮机。培尔顿式水轮机，由圆盘转轮以及沿圆盘转轮外周均匀分布并受压力水冲击的若干个斗式叶片所组成。如上所述，制冷装置的冲击式膨胀涡轮和培尔顿式水轮机的工作原理相同，在制冷装置的冲击式膨胀涡轮上也可以考虑使用培尔顿式水轮机的转轮。

但是，如果将培尔顿式水轮机的斗式叶片的尺寸按比例缩小后用于制冷装置的冲击式膨胀涡轮上，则在叶片内部会发生旋涡，膨胀涡轮的效率会降低。理由在于，在培尔顿式水轮机内的射流为单相水，存留在斗式叶片内的流体为空气。由于水的密度和空气的密度相差很大，当转轮旋转时可忽视存留在斗式叶片内的空气的影响。但是，在制冷循环回路内充满制冷工质，且在制冷装置的冲击式膨胀涡轮内的射流为两相流体。因此，当将高压制冷工质喷射到小型斗式叶片后，被转到后方的斗式叶片内的气态工质会逆流而推压位于下一个斗式叶片的背部，从而对下一个转轮起制动作用，会导致能量转换效率降低。

发明内容

本发明的目的是要克服上述问题，提供一种用于制冷循环的膨胀机，在膨胀阶段能够提高能量转换效率。

本发明的第一方面所提出的用于制冷循环的膨胀机，包括：膨胀涡轮和向所述膨胀涡轮喷射制冷工质的喷嘴。其中，所述膨胀涡轮包括圆盘状主体部；具有受喷射面和外周面且沿所述主体部径向延伸的多个外周突起部；所述受喷射面设置成，基本上平行于所述圆盘状主体部的径向；所述外周面设置成，基本上垂直于所述圆盘状主体部的径向。

本发明的第二方面所提出的用于制冷循环的膨胀机，所述受喷射面设置成，接受基本上沿圆盘状主体部的切线方向喷射的制冷工质。所述外周面设置成，基本上沿圆盘状主体部的切线方向连接所述受喷射面的外周线和相邻的受喷射面内周线。

本发明的第三方面所提出的用于制冷循环的膨胀机，包括：膨胀涡轮和向所述膨胀涡轮喷射制冷工质的喷嘴。其中，所述膨胀涡轮包括圆盘状主体部；具有受喷射面和外周面且沿主体部径向延伸的多个外周突起部。所述受喷射面设置成基本上垂直于制冷工质的喷射方向，制冷工质基本上沿圆盘状主体部的切线方向喷射。所述外周面设置成，基本上平行于制冷工质的喷射方向。

本发明的第四方面所提出的用于制冷循环的膨胀机，所述外周面还设置成，基本上沿圆盘状主体部的切线方向连接所述受喷射面的外周线和相邻的受喷射面内周线。本发明的第五方面所提出的用于制冷循环的膨胀机，所述喷嘴的安装位置设置成，从所述喷嘴喷射的制冷工质基本上垂直于所述外周突起部的所述受喷射面。

本发明的第六方面所提出的用于制冷循环的膨胀机，所述制冷工质为HFC或CO2。

本发明的特点及效果：

本发明的结构用于制冷循环的膨胀机中，由于不存在与所述受喷射面基本平行的背面，可防止作用于受喷射面背面的逆流对下一个受喷射面起制动作用，从而能够提高能量转换效率。

本发明不像在培尔顿式水轮机那样，被喷射到斗式叶片后反射下来的工质冲击到倾斜于放射方向的倾斜面上，可以防止因气态工质会逆流而推压位于下一个斗式叶片的背部而对下一个转轮起制动作用。

本发明能够提高膨胀机的能量转换效率，从而可以提高整个制冷循环的效率。

本发明还通过设置喷嘴的安装位置和方向，可充分发挥对所述受喷射面的喷射效果，能够防止在膨胀机内产生逆转动力。

附图说明

图1为包括膨胀机的制冷循环系统的示意图；

图2为图1的制冷循环系统的p-h图；

图3为涡轮发电机的构成图；

图4为本发明实施例的膨胀涡轮的结构示意图，其中，

(a)为本发明实施例的膨胀涡轮的侧视图；

(b)为图4(a)的膨胀涡轮的工作原理示意图；

图5为本发明的膨胀涡轮与已有技术的膨胀涡轮的结构比较，其中，

(a)为本发明实施例的膨胀涡轮的平面示意图；

(b)为培尔顿水轮机斗式膨胀涡轮的平面示意图；

(c)为另一种培尔顿水轮机斗式膨胀涡轮的平面示意图；

图6为本发明实施例与已有技术的膨胀涡轮性能实验结果图；

图7为现有技术的膨胀涡轮的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图及采用涡轮发电机的制冷循环系统，对本发明的膨胀机实施例进行详细描述。

制冷循环系统的组成如图1所示，封存在制冷循环系统1内的制冷介质(例如：HFC)在封闭系统内进行制冷循环。制冷循环系统1主要由压缩机2、冷凝器3、膨胀机4、蒸发器5以及涡轮发电机6等部件所组成。该装置的制冷循环过程如图2所示，图2为制冷循环的p(压力)-h(比焓)示意图，曲线a为饱和线。在制冷循环过程中，制冷介质重复进行蒸发→压缩→冷凝→膨胀的状态变化。在A→B的压缩过程中，从蒸发器5出来的制冷介质处于低压低温蒸气状态，并被吸入压缩机2内。经压缩机2的绝热压缩，制冷介质从低温低压蒸气状态压缩成高温高压的过热蒸气状态。

图1、2中，在B→C的冷凝过程中，从压缩机2出来的制冷介质进入冷凝器3内。进入冷凝器3的高温高压蒸气，被等压冷却成饱和液状态，并进一步放出冷凝显热而成为过冷却液状态。

如图2所示，在膨胀过程中，如果在膨胀机4内由膨胀阀进行膨胀，则膨胀过程为没有热量进出的节流膨胀过程。此时制冷介质沿C→D2所示的膨胀线膨胀，其焓值不变，对外不做功。

在膨胀过程中，如果在膨胀机4内由膨胀涡轮代替膨胀阀进行动力回收和减压，由冷凝器3出来的过冷却液态制冷介质在膨胀涡轮内做功，其压力和温度降低变成低温低压的两相态制冷介质(湿蒸气)。此时，如果在膨胀涡轮内没有功率损失，则制冷介质沿C→D所示的等熵线膨胀，所回收的功率值为Δh。同时，制冷系统增加额外的制冷量Δh。如果在膨胀涡轮内存在功率损失，则制冷介质沿C→D1线膨胀，所回收的动力值和增加的制冷量皆为Δh1。在本发明中，通过改变膨胀涡轮的结构，减少膨胀涡轮内的功率损失，使所回收的功率值和增加的制冷量Δh1尽可能接近膨胀涡轮内没有功率损失时的功率值Δh。

此后，蒸发过程中，从膨胀机4出来的低温低压的两相态制冷介质进入蒸发器5内。在蒸发器5内，低压低温状态的制冷介质沿D(D1，D2)→A所示的蒸发线，从周围环境吸热蒸发变成乾蒸气状态，并被送往压缩机2。在制冷介质从周围环境吸热蒸发过程中，被冷却对象的温度下降而达到制冷效果。

上述制冷循环系统的涡轮发电机6的结构如图3所示，涡轮发电机6位于制冷循环系统内，包括设置在外壳7内的由喷嘴41、膨胀涡轮10组成的膨胀机、旋转轴8以及发电机构9。发电机构9包括定子9a和转子9b。膨胀涡轮10和发电机构9通过旋转轴8相连接，通过利用膨胀涡轮10的旋转动力驱动发电机构9的转子9b来发电。由发电机构9发出的电力提供给压缩机2用做压缩机2的动力源。也就是说，制冷介质的运动能(膨胀功)被转换成电能来回收并用于驱动压缩机2。

在外壳7内，设有两个制冷介质流入部7a和一个流出部7b。在图3中只标出一个流入部7a。各流入部7a通过配管分别连接到冷凝器3，流出部7b通过配管连接到蒸发器5。流入部7a配置在膨胀涡轮10的近旁，且在流入部7a内设有喷嘴41。从冷凝器3放热冷却成液态的制冷介质，因经过喷嘴41时流路被缩小，在减压膨胀的同时速度迅速上升。经喷嘴41减压并变成高速射流的制冷介质，冲击到下述的膨胀涡轮10的受喷射面上。冲击受喷射面后的制冷介质由流出部7b排到外壳7外，并被送往蒸发器5。

本发明实施例的膨胀机4包括喷嘴41和膨胀涡轮10，设置在涡轮发电机6内，如图3所示。膨胀涡轮10包括圆盘状主体部11和沿主体部11径向延伸的多个外周突起部12，如图4(a)所示；外周突起部12具有受喷射面121和外周面122，其中，受喷射面121基本上平行于圆盘状主体部11的径向，外周面122基本上垂直于受喷射面121(即外周面122基本上垂直于所述圆盘状主体部11的径向)，外周面122设置成，基本上沿圆盘状主体部11的切线方向连接所述受喷射面121的外周线和相邻的受喷射面123内周线。如图4(b)所示。

本实施的喷嘴41设置成，从喷嘴41喷射的制冷工质基本上垂直于外周突起部12的受喷射面121。从喷嘴41喷射的高速射流，如图4(b)所示冲击到受喷射面121。冲击到受喷射面121的制冷介质所具有的运动能推动受喷射面121旋转，从喷嘴41喷射的制冷介质所具有的运动能被膨胀涡轮10所吸收。由膨胀涡轮10的旋转动力驱动发电机构9发电。

本实施例的具体结构参数如表1所示：

表1涡轮10结构参数

涡轮直径(mm)	涡轮厚度(mm)	突起部数量(个)	突起部高度(mm)
				32	8	12	2.5

上述实施例的结构参数只用于举例说明，不能用以限定本发明的范围，凡是根据本发明内容所进行的结构参数的修改，均属于本权利要求所限定的保护范畴。

在上述实施例中，制冷介质为HFC，不过本发明不局限于上述实施例，制冷循环系统中采用二氧化碳等为制冷介质的膨胀机以及涡轮发电机中，也可以采用本发明所提出的涡轮结构。

下面对膨胀机中采用本发明的能量回收率和采用现有技术时的能量回收率进行了比较实验，即对采用本发明所涉及的膨胀涡轮10结构形状时和采用培尔顿式水轮机的斗式叶片时的能量回收率进行了比较。

如图5(a)所示的膨胀涡轮10采用本发明所提出的结构形状，受喷射面(121)基本上平行于圆盘状主体部(11)的径向，外周面(122)基本上垂直于受喷射面(121)。

如图5(b)所示的涡轮210采用培尔顿式水轮机的斗式叶片，具有圆盘部211和斗叶212。如图5(c)所示的涡轮310只是对图5(b)所示的涡轮210的叶片高度进行了调整。

涡轮10、涡轮210以及涡轮310的圆盘外径、圆盘厚度相同，而以涡轮10的叶片高度H1为基准，涡轮210的叶片高度H2为H1的1.6倍，涡轮310的叶片高度H3为H1的2.4倍。

图6为表示膨胀涡轮的性能的坐标图，表示从喷嘴41喷射出的制冷介质冲击到涡轮10(图中以带有三角块的曲线表示)、涡轮210(图中以带有方块的曲线表示)以及涡轮310(图中以带有棱形块的曲线表示)时的能量回收效率。

在图6中，横坐标表示涡轮的转速，纵坐标表示涡轮的能量回收效率(发电效率)。为了便于进行比较，横坐标的转速是以涡轮10的最高转速值设定为1时的值、纵坐标的发电效率是以涡轮10最高发电效率值设定为1时的值。从图6中可以看出，在所有转速领域内，采用本发明结构形状的涡轮10的发电效率比采用培尔顿式水轮机的斗式涡轮210、310时的发电效率高出很多。

关于通常所采用的培尔顿式水轮机的涡轮210、310的能量回收效率较低的原因，可以作如下推定：

图7中，以涡轮210为例进行说明。从喷嘴喷射出的制冷介质的高速射流冲击到斗式叶片212的受冲击面2121上后，被反射而冲击到受冲击面2121的背面2123上，从而对涡轮210施加与涡轮旋转方向相反的反旋转力。也就是说，由受冲击面2121和底面2122以及背面2123所构成的空间内积存被逆流的制冷介质，起因于制冷介质逆流而产生逆流能量损失。该逆流能量损失越大，图2中的膨胀点D1越接近膨胀点D2，所回收的能量Δh1越低。

与此相反，采用本发明所提出的结构形状的涡轮10，如图4(b)所示，制冷介质喷射到受冲击面121时，即使有一部分介质与外周面122相接触，因为不存在相当于图7所示背面2123的面，可以抑制发生反旋转力，从而可以抑制逆流能量损失。逆流能量损失越小，图2中的膨胀点D1越接近膨胀点D，所回收的能量Δh1越接近没有功率损失时的回收能量值Δh。

Claims (3)

1.一种用于制冷循环的膨胀机，包括：膨胀涡轮(10)和向所述膨胀涡轮(10)喷射制冷工质的喷嘴(41)，其特征在于：

所述膨胀涡轮(10)包括圆盘状主体部(11)；具有受喷射面(121)和外周面(122)且沿所述圆盘状主体部(11)径向延伸的多个外周突起部(12)；其中

所述受喷射面(121)平行于所述圆盘状主体部(11)的径向；

所述外周面(122)垂直于所述圆盘状主体部(11)的径向；

所述受喷射面(121)设置成，接受沿圆盘状主体部(11)的切线方向喷射的制冷工质；

所述外周面(122)设置成，沿圆盘状主体部(11)的切线方向连接所述受喷射面(121)的外周线和相邻的受喷射面(123)内周线。

2.一种用于制冷循环的膨胀机，包括：膨胀涡轮(10)和向所述膨胀涡轮(10)喷射制冷工质的喷嘴(41)，其特征在于：

所述膨胀涡轮(10)包括圆盘状主体部(11)；具有受喷射面(121)和外周面(122)且沿圆盘状主体部(11)径向延伸的多个外周突起部(12)；其中

所述受喷射面(121)设置成垂直于制冷工质的喷射方向，其中制冷工质基本上沿圆盘状主体部(11)的切线方向喷射；

所述外周面(122)设置成，平行于制冷工质的喷射方向；

所述外周面(122)设置成，沿圆盘状主体部(11)的切线方向连接所述受喷射面(121)的外周线和相邻的受喷射面(123)内周线；

所述喷嘴(41)安装位置设置成，从所述喷嘴(41)喷射的制冷工质基本上垂直于所述外周突起部(12)的所述受喷射面(121)。

3.根据权利要求1至2中任何一项所述的膨胀机，其特征在于：

所述制冷工质为HFC或CO₂。

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