CN103206771A - 基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置及应用，属于空调机、制冷机、斯特林机和冷凝水再利用技术领域。本发明包含两大部分：冷凝水再利用装置与斯特林机节能装置；所述冷凝水再利用装置主要由凝水配水盘与凝水收集管组成，对空调废冷进行回收再利用；所述斯特林机节能装置主要由工作机构、动力机构、启动及反向机构和控制保障机构四大部分组成，对空调废热进行再利用。本发明遵循“以热散热”、“废冷降耗”的思路，充分利用了空调产生的废冷和废热，可使定频空调能耗降低约3％，可使变频空调能耗降低约6％，此外，还可减少空调热量的排放，缓解城市热岛效应，实现空调散热系统的节能减排，具有良好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置及应用，属于空调机、制冷机、斯特林机和冷凝水再利用技术领域。
背景技术
随着生活水平的提高，空调已成为许多家庭的必备品。截至2010年7月底，中国空调销售首次突破1亿台，2011年全国空调总产量更是达1.39亿台。空调在给人们带来热舒适性的同时，也加剧了能源消耗与全球变暖等问题，因此，国家越来越关注空调的节能改造和相关产品的研发。
斯特林机可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等多个领域进行应用，其在余热利用领域也得到了广泛的应用，如电厂余热发电、汽车尾气余热发电等。但斯特林机在空调余热利用领域，还未有应用。冷凝水再利用技术目前主要应用在大型中央空系统中，对于家用空调的冷凝水再利用技术，大多仅考虑了对水的利用而忽略了回收其中的冷量。
空调的应用大大提高了人们生活的舒适程度，但能源危机的加剧使得社会对空调的“节能”要求越来越高；由空调直接或间接导致的城市热岛效应、全球变暖现象等则使得社会对空调的“减排”呼声越来越高。结合空调领域的节能减排需求与斯特林机的工作特点，发明一种能够充分利用空调系统废热与废冷的节能装置是当前空调节能减排技术领域和空调市场所急需的。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置。该装置通过一台斯特林机对空调排放的废热进行利用；通过凝水配水盘对空调产生的废冷进行回收再利用，达到空调节能减排的目的。空调制冷过程中压缩机出口产生的大量热量驱动斯特林机，斯特林风机代替原有的电动风机为空调冷凝器散热；原先直接排放掉的低温冷凝水回收再利用，使原冷凝器单一风冷的冷却形式变为蒸发式水-空气冷却形式。
本发明解决技术问题的技术方案如下：
该装置包含两大部分：冷凝水再利用装置与斯特林机节能装置。所述冷凝水再利用装置由凝水配水盘与凝水收集管组成；所述凝水配水盘底部开有栅槽；所述凝水收集管为空调原有凝水管，凝水收集管固定在凝水配水盘上方一侧。所述斯特林机节能装置主要由工作机构、动力机构、启动及反向机构和控制保障机构四大部分组成；所述工作机构为轻质扇叶，其安装在冷凝器内侧；所述动力机构由斯特林机与压缩机出口段铜管组成，铜管缠绕在斯特林机热端的螺旋形肋片之间，斯特林机冷端上装有散热翅片；所述启动及反向机构布置在动力机构内侧，一端与斯特林机轴相连，另一端与可调转向电动机相连；所述控制保障机构可嵌入空调自动控制系统中。
所述凝水配水盘为上宽下窄、上部开口的倒置梯台形状的铝合金盘，底部开有栅槽，栅槽上每隔一定距离开设助滴水口；凝水配水盘通过挂架吊装在空调室外机机体内部，并位于冷凝器上方；凝水配水盘与冷凝器翅片既可保持一定距离也可直接接触。
所述轻质扇叶为大叶面、大角度的工程塑料制成的四叶扇；扇叶直径根据空调室外机大小及所需风量具体确定。
所述斯特林机为广义斯特林机，α型、β型、γ型三种不同形式的斯特林机均可应用在本装置中；除提供的比功率不同外，采用不同形式的斯特林机时产生的效果并无差异；本说明书仅就采用α型斯特林机的具体装置方案进行阐述，以便更好的对所发明装置进行说明；斯特林机工作工质为空气，采用无润滑汽缸，90°相位差输出转轮，不需配置飞轮；斯特林机热端伴有螺旋形的肋片，肋片间为半圆形沟槽，压缩机出口后制冷剂铜管缠绕在斯特林机热端肋片间；斯特林机冷端装有散热翅片；冷端与热端之间设置蓄热器。
所述启动及反向机构由斯特林机轴套筒、两个离心式棘轮、轴承、启动轴、可调转向电动机等组成；套筒通过方孔与斯特林机轴相连，在套筒中安装有轴承和一对相对于轴承镜像布置的离心式棘轮，启动轴通过键与棘轮的内侧结构相连，启动轴另一端通过皮带与可调转向电动机相连。
所述控制保障机构主要有检测模块、运算模块、动作模块组成；通过各传感器的反馈信号获得装置运行状况并反馈到空调控制系统中对整个装置进行控制。
上述冷凝水再利用装置的应用：夏季制冷工况下，冷凝水由空调凝水盘收集，通过凝水收集管输送到凝水配水盘中。凝水配水盘中的栅槽可使低温冷凝水均匀分布在凝水配水盘的底部，助滴水口帮助冷凝水从凝水配水盘的栅槽流至空调冷凝器的散热翅片上。冷凝水可在翅片上形成水膜。低温的冷凝水吸收翅片的热量为冷凝器降温；冷凝水温度升高后，在风机的吹动下相变蒸发带走大量的冷凝热，使空调冷凝器冷却形式变成蒸发式水-空气冷却形式，大大提升冷却效果。
上述斯特林机节能装置的应用：夏季制冷工况下：空调将室内热量排放到室外，压缩机出口的过热气体温度很高，通常可达85℃～95℃，将压缩机出口热量加到斯特林机热端，使斯特林机两端产生很大的温差；当温差足够大时，启动装置受控开启，带动斯特林机转动，当斯特林机足以自行运转后，电动机关闭，由废热驱动的斯特林机便可带动扇叶为空调冷凝器进行散热；当空调断电关闭时，斯特林机并不会立刻停止工作，它会借助冷凝器余热继续对空调系统散热，直到废热散净。冬季制热工况下：启动及反转装置置于反转模式下，电动机带动斯特林机扇叶工作，斯特林机在反向斯特林循环的过程中斯特林机与压缩机出口处相连一端可产生热量，为蒸发器加热。
上述基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置的应用：夏季制冷工况下：斯特林机的热端吸收来自压缩机出口铜管的热量，在启动及反向机构的启动下，代替原有电动风机为空调冷凝器散热；空调产生的低温冷凝水通过冷凝水再利用装置流至冷凝器翅片吸收热量，升温后的冷凝水在斯特林机驱动的扇叶的吹动下蒸发吸热对冷凝器进行冷却。冬季制冷工况下：电动机与启动及反向机构带动扇叶转动的同时，驱动斯特林机进行反向斯特林循环，在斯特林机与压缩机出口相连一端产生热量，加热蒸发器。
本发明具有以下积极效果和技术特征：
1.在不外加耗能装置的基础上，通过冷凝水回收再利用装置充分利用了家用空调原先直接排放掉的冷凝水冷量，既回收了冷量，又强化了冷凝器散热，提高了空调的性能系数，降低了空调耗能，实现了节能减排的目的。
2.用斯特林机代替原有风机，利用空调在制冷工况下产生的大量废热驱动斯特林机为冷凝器的强制散热提供动力。对于变频空调，空调高频运行，产热增多时，压缩机效率降低，原有变频空调需要消耗更多电能来维持制冷效果；由于斯特林机具有冷、热端温差变大时输出功率也会随之变大的特点，因此，若本装置应用于变频空调，高频运行时，压缩机产热增加，斯特林机转动也会加快，可以散掉更多热量来维持压缩机的高效率，同时，在很大程度上提高压缩机寿命。斯特林机节能装置与冷凝水再利用装置相结合，大大提高了散热效果，提高了压缩机效率，减少了耗电量。彻底消除了电动风机的耗能，降低了空调能耗；充分利用了空调产生的废热，由于一部分空调冷凝热被转化为机械能，减少了空调热排放，在一定程度上缓解了城市热岛现象。
3.整个装置按照“以热散热”、“废冷降耗”的思路，充分利用了原先被忽视的能量。改造后预计定频空调可降低3％能耗，变频空调可降低6％的能耗，实现空调散热系统全面的节能减排。
总之，本发明结构简单，安装简便，造价低，噪音小，震动轻能，能够稳定可靠的为空调冷凝器进行散热；对全年不同的空调工况，本装置结构无需任何变动；可充分利用空调的废冷和废热，节能环保，具有良好的经济和社会效益。
附图说明
图1是一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置的结构示意图；
图2是冷凝水再利用装置的结构图；
图3是α型斯特林机的结构三视图；
图4是启动及反向机构的结构图；
图5是一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置的三维效果图。
图中标号：
1-凝水收集管；2-凝水配水盘；3-冷凝器翅片；4-冷凝器盘管；5-扇叶；6-斯特林机热端；7-热端加热管；8-蓄热器；9-斯特林机冷端；10-连接管；11-压缩机；12-冷端散热翅片；13-发动机输出连杆；14-启动及反向机构；15-可调转向电动机；16-发动机输出转轮；17-栅槽；18-助滴水口；19-热端肋片；20-启动轴；21-启动轴底座；22-启动离心式棘轮；23-连接轴承；24-反向离心式棘轮；25-套筒；26-斯特林机轴。
具体实施方式
本发明提供了一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
注：α型、β型、γ型三种不同形式的斯特林机均可应用在本装置中；除提供的比功率不同外，采用不同形式的斯特林机时产生的效果并无差异；附图及以下说明仅就采用α型斯特林机的具体装置方案进行阐述，以便更好的对所发明装置进行说明；以下实施方式同样适用于采用其他形式斯特林机的装置。
如图1所示，本发明一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，包含两大部分：冷凝水再利用装置与斯特林机节能装置。
所述冷凝水再利用装置主要由凝水收集管1与凝水配水盘2组成。
所述斯特林机节能装置主要由工作机构、动力机构、启动及反向机构和控制保障机构四大部分组成。
所述工作机构为扇叶5。
所述动力机构由α型斯特林机与压缩机出口段铜管组成；压缩机11通过连接管10与热端加热管7相连，热端加热管7与冷凝器盘管4相连，热端加热管7缠绕在斯特林机热端肋片19间；斯特林机热端6通过蓄热器8与斯特林机冷端9联通，发动机两端活塞通过发动机输出连杆13与发动机输出转轮16相连；斯特林机冷端9上装有冷端散热翅片12。
所述连接管10、热端加热管7和冷凝器盘管4为同一铜管的不同区段。
所述启动及反向机构14由斯特林机轴套筒、两个离心式棘轮、轴承、启动轴等组成；
如图2所示，凝水收集管1一端与空调凝水盘相连，另一端固定在凝水配水盘2上方；凝水配水盘2通过挂架吊装在空调室外机机体内部，并位于冷凝器上方，凝水配水盘2底部开有较窄的栅槽17，在栅槽17上每隔一定距离开设有助滴水口18。
如图3所示，热端肋片19为螺旋形翅片，翅片之间为半圆形沟槽，压缩机出口后铜管缠绕在热端肋片19之间，热端肋片19以套筒的形式嵌套在斯特林机热端6上；斯特林机冷端9上装有冷端散热翅片12；斯特林机热端6与斯特林机冷端9之间通过蓄热器8联通，两端的活塞通过发动机输出连杆13与发动机输出转轮16相连，且发动机输出连杆13在发动机输出转轮16上存在90°相位差。
如图4所示，启动及反向机构14的启动轴20通过轴承安装在启动轴底座21上，通过皮带与可调转向电动机15相连；启动轴20上依次装有启动离心式棘轮22、连接轴承23、反向离心式棘轮24，启动离心式棘轮22与反向离心式棘轮24对称布置；连接轴承23外套装有套筒25，套筒25通过方空与斯特林机轴26相连。
通过图5可以更直观地了解本装置的结构。
以下结合图1、图2、图3和图4，说明一种基于斯特林与冷凝水再利用技术的空调节能装置的工作原理：
说明中规定：可调转向电动机15的转向与夏季工况下斯特林机的输出转向相同时为正向；冬季工况下可调转向电动机15的转向为反向。
夏季制冷工况下，空调将室内热量传递到室外，压缩机11出口的过热气体温度很高，通常可达90℃～95℃。空调开机后，过热气体通过连接管10流至热端加热管7，热端加热管7温度快速上升，通过热端肋片19向斯特林机热端6释放大量的热量；当斯特林机热端6达到一定温度时，斯特林机发动机热端6与斯特林机冷端9之间产生足够大的温差与热流，可调转向电动机15受控正向开启，带动启动及反向机构14进行启动模式转动，启动及反向机构14为斯特林机提供启动力；当斯特林机在废热的驱动下自行运转后，可调转向电动机15关闭，启动及反向机构14停止运行；斯特林机活塞产生的直线运动通过发动机输出连杆13传递至发动机输出转轮16，发动机输出转轮16将直线运动转化为圆周运动带动扇叶5进行转动；扇叶5吹动空气对冷凝器盘管4和冷凝器翅片3进行散热；斯特林机冷端9布置在散热空气流中，空气首先冷却斯特林机冷端9和冷端散热翅片12，然后再对冷凝器盘管4和冷凝器翅片3进行散热进行冷却，这样可使斯特林机冷、热两端维持足够大的温差，确保了斯特林机的输出功率。空调运行过程中产生的冷凝水通过凝水收集管1流至凝水配水盘2；凝水配水盘2中的栅槽17可使低温冷凝水均匀分布在凝水配水盘2的底部，助滴水口18帮助冷凝水从栅槽17流至冷凝器翅片3上；冷凝水可在翅片上形成水膜；低温的冷凝水吸收翅片的热量为冷凝器翅片3降温，冷凝水温度升高后，经扇叶5吹动的空气作用，冷凝水相变蒸发带走冷凝器翅片3上大量的热量，空调冷凝器散热形式变成风冷与水冷相结合的形式。当空调断电关闭后，斯特林机借助冷凝器余热继续对空调冷凝器盘管4和冷凝器翅片3进行散热，直到废热散净。
冬季制热工况下，空调制冷剂循环反向，冷凝器变为蒸发器，从室外吸收热量。空调开启后，可调转向电动机15受控反向开启，带动启动及反向机构14进行反向模式转动，通过轴带动扇叶5进行持续转动；启动及反向机构14同时带动斯特林机反向转动，在反向斯特林循环的过程中，斯特林机消耗机械能的同时会从斯特林机冷端9处吸收热量，在斯特林机热端6处放出热量；斯特林机热端6放出的热量可通过热端加热管7为空调蒸发器加热。
非装置损坏情况下可能出现的运行问题及其解决办法：夏季制冷工况下，可能会因为废热不足、温差太小等原因导致斯特林机无法正常运行，本装置的控制保障机构通过监测冷凝器温度、扇叶5转速等参数可及时发现此类问题，只需控制启动及反向机构14再次启动斯特林机便可，若斯特林机还无法正常运行，可控制启动及反向机构14持续正向运转带动扇叶5工作便可解决此类问题。冬季制热工况下，本装置不会出现非装置损坏情况下的运行问题。
由于本装置大多连接采用的是吊挂、嵌套等方式，当需要检修或疏通时，只需打开空调室外机机体外壳，本装置的大多数结构都可轻松拆卸。因此该装置结构简单，易维护；可单独检修更换部分零件，也可整体更换。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，其特征在于：装置包含两大部分，冷凝水再利用装置与斯特林机节能装置；
所述冷凝水再利用装置主要由凝水收集管(1)与凝水配水盘(2)组成；
所述斯特林机节能装置主要由工作机构、动力机构、启动及反向机构和控制保障机构四大部分组成；
所述工作机构为扇叶(5)；
所述动力机构由斯特林机与压缩机出口段铜管组成；压缩机(11)通过连接管(10)与热端加热管(7)相连，热端加热管(7)与冷凝器盘管(4)相连，热端加热管(7)缠绕在斯特林机热端(6)上的肋片间；斯特林机热端(6)通过蓄热器(8)与斯特林机冷端(9)联通，发动机两端活塞通过发动机输出连杆(13)与发动机输出转轮(16)相连；斯特林机冷端(9)上装有冷端散热翅片(12)；
所述连接管(10)、热端加热管(7)和冷凝器盘管(4)为同一铜管的不同区段；
所述启动及反向机构(14)由斯特林机轴套筒、两个离心式棘轮、轴承、启动轴等组成；
所述控制保障机构可嵌入空调自动控制系统中。
2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，其特征在于：凝水收集管(1)一端与空调凝水盘相连，另一端固定在凝水配水盘(2)上方；凝水配水盘(2)通过挂架吊装在空调室外机机体内部，并位于冷凝器上方，凝水配水盘(2)底部开有较窄的栅槽(17)，在栅槽(17)上每隔一定距离开设有助滴水口(18)。
3.根据权利要求1所述的一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，其特征在于：所述斯特林机为广义斯特林机，α型、β型、γ型三种不同形式的斯特林机均可应用在本装置中。
4.根据权利要求1和3所述的一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，其特征在于：所述α型斯特林发动机热端肋片(19)为螺旋形翅片，翅片之间为半圆形沟槽，压缩机出口后的铜管缠绕在热端肋片(19)之间，热端肋片(19)以套筒的形式嵌套在斯特林机热端(6)上；斯特林机冷端(9)上装有冷端散热翅片(12)；斯特林机热端(6)与斯特林机冷端(9)之间通过蓄热器(8)联通，两端的活塞通过发动机输出连杆(13)与发动机输出转轮(16)相连，且发动机输出连杆(13)在发动机输出转轮(16)上存在90°相位差。
5.根据权利要求1所述的一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，其特征在于：启动及反向机构(14)的启动轴(20)通过轴承安装在启动轴底座(21)上，通过皮带与可调转向电动机(15)相连；启动轴(20)上依次装有启动离心式棘轮(22)、连接轴承(23)、反向离心式棘轮(24)，启动离心式棘轮(22)与反向离心式棘轮(24)对称布置；连接轴承(23)外套装有套筒(25)，套筒(25)通过方空与斯特林机轴26相连。
6.根据权利要求1和4所述的一种基于斯特林机与冷凝水再利用技术的空调节能装置，其特征在于：所述发动机输出转轮(16)为曲轴机构的一种优化形式，两根发动机输出连杆(13)在发动机输出转轮(16)上存在90°相位差，两个铰连接点与发动机输出转轮(16)中心点连线垂直。
7.根据权利要求1～6任意权利要求所述的装置的应用，其特征在于：夏季制冷工况下：斯特林机的热端吸收来自压缩机(11)出口铜管的热量，在启动及反向机构(14)的启动下，代替原有电动风机为空调冷凝器盘管(4)散热；空调产生的低温冷凝水通过冷凝水再利用装置流至冷凝器翅片(3)吸收热量，升温后的冷凝水在斯特林机驱动的扇叶(5)的吹动下蒸发吸热对冷凝器盘管(4)进行冷却。冬季制冷工况下：可调转向电动机(15)与启动及反向机构(14)带动扇叶(5)转动的同时，驱动斯特林机进行反向斯特林循环，在斯特林机与压缩机出口相连一端产生热量，加热蒸发器。
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