CN103485850B - 分时发电/空调一体化系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现分时发电/空调的一体化系统和方法，属于能源与动力等领域。其特征在于：该系统的涡旋压缩/膨胀机（2）的动涡盘（23）与电动发电机（1）同轴连接,可实现热力学发电正循环和热力学空调逆循环两种运行模式。热力学逆循环模式时，热力学正循环模式。本发明充分利用了常规涡旋压缩空调系统中的蒸发器、冷凝器和涡旋式压缩机，特别适合存在中低温废热源/太阳光热、且具有电/空调需求的场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种分时发电/空调一体化系统和工作方法，属于能源与动力领域。
背景技术
节能减排是目前热能动力领域的研究热点。我国南方地区夏季家庭空调制冷耗电量大已成为目前引起峰谷负荷差别大的重要原因之一。太阳能热水器也是一种常见的家用设备，夏季因阳光充足，不少家庭太阳能热水器指示温度甚至高达99℃。有机朗肯循环是可用于中低温太阳光热等回收的热力学正循环发电技术之一。
分析低温有机朗肯循环系统和空调系统构成，可发现其主要技术特点在于：
（1）以上两类系统均包括蒸发器和冷凝器；
（2）以上两类系统均可采用有机工质如氟利昂等作为工质；
（3）膨胀机和压缩机分别是以上两系统的关键核心技术设备。其工作原理相同、工作过程相反。膨胀机可将有机朗肯循环工质膨胀过程的内能转化为机械能对外输出，而空调系统的压缩机需要消耗机械能用以提高有机工质的内能。
涡旋压缩机是目前家用空调领域一种常见的容积式压缩机，通过消耗电能电动机带动涡旋式压缩机工作，从而可实现对有机工质的压缩。其中动涡盘与电动机同轴布置,动涡盘与静涡盘偏心布置，从涡旋压缩机切向口进入的低压气相有机工质进入动涡盘与静涡盘间的封闭腔，动涡盘在电动机驱动旋转过程中，封闭腔会不断向动涡盘和静涡盘的中心移动，封闭腔容积不断缩小、封闭腔内有机工质压力不断升高，最后从动涡盘与静涡盘的中心沿轴向排出。
涡旋膨胀机也是目前国内外的研究热点之一。不少研究者提出直接对涡旋压缩机进行改造，采用与涡旋压缩机相同型线的动涡盘和静涡盘，从涡旋中心的轴向输入高压有机工质进入动涡盘与静涡盘形成的封闭腔，封闭腔内高压有机工质推动动涡盘旋转，如果在动涡盘上装有同轴的发电机，则可以通过动涡盘旋转带动发电机对外发电。
如果能够采用同一种有机工质，共用蒸发器、冷凝器，改造现有涡旋压缩机使其能够实现动涡盘的双向旋转，并且将涡旋压缩机同轴机械连接电动发电机。则以上两种热力循环系统可以共用部分技术设备分时实现不同的功能；在具有中低温热源如太阳光热热水源的条件下，可以通过有机朗肯循环对外输出机械能或者发电；在需要空调功能时，可以消耗机械能通过热力学逆循环对外制冷或者供暖。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高效、多功能的分时发电/空调一体化系统和方法。
该系统包括电动发电机、涡旋压缩/膨胀机、冷凝器、有机泵、蒸发器、节流阀；
上述涡旋压缩/膨胀机具有切向口和轴向口，涡旋压缩/膨胀机还包括外筒、静涡盘、动涡盘，静涡盘与动涡盘的两个切点间形成一个封闭腔；
冷凝器热侧出口分为两路：一路依次通过第二球阀、第一单向阀、有机泵，与蒸发器冷侧入口相连；另一路依次通过第四球阀、第二单向阀、节流阀，与蒸发器冷侧入口相连；蒸发器还包括热侧进口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口，热源从蒸发器热侧入口进入，从蒸发器热侧出口排出；
蒸发器热侧出口分为两路，一路依次经过第五球阀、涡旋压缩/膨胀机、第一球阀后与冷凝器热侧入口相连；另一路依次经过第三球阀、涡旋压缩/膨胀机、第六球阀后与冷凝器热侧入口相连；冷凝器还包括冷侧入口和冷侧出口，冷源从冷凝器冷侧入口进入并从冷侧出口排出。
该分时发电/空调一体化系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：
一、中低温热力正循环发电过程：
冷凝器热侧出口有机工质依次通过第二球阀、第一单向阀和有机泵增压后，进入蒸发器冷侧入口，受到蒸发器热侧入口进入的热源加热后，有机工质蒸发后从蒸发器冷侧出口排出，然后通过第五球阀进入涡旋压缩/膨胀机实现有机工质膨胀做功过程，之后有机工质从涡旋压缩/膨胀机排出，最后再通过第一球阀进入冷凝器热侧入口；
上述有机工质膨胀做功过程，具体过程如下：有机工质从涡旋压缩/膨胀机轴向口进入封闭腔，封闭腔内的有机工质自发膨胀，封闭腔逆时针从涡旋中心不断向外移动的过程中容积不断增加，同时会推动动涡盘逆时针旋转，动涡盘会带动电动发电机发电，随着封闭腔容积不断增加，有机工质压力降低，并最终从切向口排出;
二、热力学逆循环空调模式：
冷凝器热侧出口有机工质依次通过第四球阀、第二单向阀和节流阀膨胀降压、降温后，进入蒸发器冷侧入口，受到蒸发器热侧热源加热后，有机工质蒸发并从蒸发器冷侧出口排出，然后通过第三球阀进入涡旋压缩/膨胀机，在电动发电机的驱动下，实现有机工质的增压升温，之后有机工质从涡旋压缩/膨胀机排出，再通过第六球阀进入冷凝器热侧入口；
上述有机工质增压耗功过程，具体过程如下：有机工质从涡旋压缩/膨胀机切向口进入动涡盘和静涡盘间的封闭腔，动涡盘在电动发电机的驱动下顺时针旋转，存在封闭腔内有机工质随着动涡盘会沿顺时针方向向涡旋中心旋转，同时封闭腔容积不断缩小，封闭腔内有机工质的压力不断增加，并最终从轴向口排出。
上述涡旋压缩/膨胀机充分利用了现有涡旋压缩机的结构特点，不需要改变动涡盘和静涡盘的型线结构，仅通过切换工质进出口方向以及动涡盘的旋转方向，即可实现工质压缩和工质膨胀两种功能。
此外，上述分时发电/空调一体化系统，主要利用了现有空调的主要技术设备-冷凝器、蒸发器和电动发电机，仅增加有机泵和换向阀等少数设备，系统整体结构简单。在非空调季，通过回收家用太阳能热水热能，可提高上述系统设备的利用率。此外，涡旋压缩机成本也是影响整个空调机整体价格的关键，由于该一体化系统仅对涡旋压缩机做了较小改动，即可实现压缩/膨胀分时实现，而增加有机泵等辅助设备的成本和体积也不会增加太多，因此上述系统的整体成本增加不多、结构也较为紧促，而且通过切换不同的工作模式，可以分时实现发电和空调的功能。
上述分时发电/空调一体化系统，其特征在于：该系统在不同工作模式时，可以采用同一种有机工质。在不同工作模式时不需要更换工质，从而可以仅采用一个工质储罐，且可利用现有常用家用空调系统的工质充灌和抽取方法，操作非常方便。
上述分时发电/空调一体化系统的工作方法，其特征在于：所述有机工质为R11、R12、R22、R134a、R245fa或R123。以上有机工质不仅为空调领域的常见，而且在中低温有机朗肯循环系统中常见，价格低廉、市场采购方便，而且安全性及设备兼容性均较好。
上述系统在空调逆循环工作模式时，其工作原理和特征与现有涡旋压缩式空调机相同。而且能够通过切换工作模式，利用有机朗肯发电正循环，充分回收利用富余中低温热源发电。特别适合具有富余中低温热源且有空调需求的场合，可以通过利用两台以上系统设备联合工作：其中一台采用低温有机朗肯正循环发电模式，另一台采用空调逆循环工作模式，即可满足空调需求。
附图说明
图1是本发明提出的发电/空调一体化系统；
图2涡旋压缩/膨胀机的压缩腔；
图3涡旋压缩/膨胀机的膨胀腔；
图4采用涡旋压缩机的家用空调系统；
图5低温有机朗肯循环发电系统；
图中标号名称：1.电动发电机，2.涡旋压缩/膨胀机，3.第一球阀，4.冷凝器，5.第二球阀，6.第一单向阀，7.有机泵，8.蒸发器，9.第三球阀，10.第四球阀，11.第二单向阀，12.节流阀，13.第五球形阀，14.第六球形阀，15.有机工质，16.热源，17.冷源，18.切向口，19.静涡盘，20.外筒，21.轴向口，22.压缩腔，23.动涡盘。
具体实施方式
下面参照图1-图5说明发电/空调一体化系统的工作过程。
该系统存在发电和空调两种工作模式：
一、热力学发电正循环工作模式：
首先，关闭第六球形阀14、第三球形阀9和第四球形阀10。
来自冷凝器4热侧出口的低温液态有机工质15依次通过第二球形阀5、第一单向阀6，然后再通过增压泵7升压后进入蒸发器8冷侧入口，吸收了热源16热能后变为高温高压气相有机工质15，气相有机工质15从轴向口21进入涡旋压缩/膨胀机2。如图2所示，气相有机工质15进入封闭腔22后，封闭腔22内高压有机工质15膨胀体积增加，同时推动动涡盘23逆时针旋转，动涡盘23通过与其同轴连接的电动发电机1对外发电，当封闭腔22从涡旋中心运动至动涡盘23切向口18，有机工质会从动涡盘23切向口18排出，然后经过第一球形阀3进入冷凝器4热侧入口。以上工作过程与图4所示的常规家用涡旋压缩空调机的工作原理相同。
二、热力学逆循环空调工作模式：
首先，关闭第一球形阀3、第五球形阀13和第二球形阀5，打开第六球形阀14、第三球形阀9和第四球形阀10。
来自冷凝器4热侧出口的低温液态有机工质15依次通过第四球形阀10和第二单向阀11，然后通过节流阀12降温降压后进入蒸发器8冷侧入口，吸收了热侧热源16释放的热能后从蒸发器8冷侧出口排出，再通过第三球形阀9进入涡旋压缩/膨胀机2。该过程如图3所示，有机工质15从切向口18进入涡旋压缩/膨胀机2，动涡盘23在电动发电机1驱动下顺时针旋转，封闭腔22向涡旋中心顺时针移动的过程中体积不断缩小，有机工质15被升压并从轴向口21排出。从涡旋压缩/膨胀机2出来经过增压的有机工质15再通过第六球形阀14进入冷凝器4热侧入口。以上工作过程与图5所示的有机朗肯循环发电系统的工作原理相同。
该系统可通过切换不同的工作模式，通过热力学正循环实现回收中低温废热余热、太阳光热等实现发电，又可以通过热力学逆循环实现制冷或者采暖等空调功能。
Claims (4)
1.一种分时发电/空调一体化系统，其特征在于：
该系统包括电动发电机（1）、涡旋压缩/膨胀机（2）、冷凝器（4）、有机泵（7）、蒸发器（8）、节流阀（12）；
上述涡旋压缩/膨胀机（2）具有切向口（18）和轴向口（21），涡旋压缩/膨胀机（2）还包括外筒（20）、静涡盘（19）、动涡盘（23），静涡盘（19）与动涡盘（23）的两个切点间形成一个封闭腔（22）；
冷凝器（4）热侧出口分为两路：一路依次通过第二球阀（5）、第一单向阀（6）、有机泵（7），与蒸发器（8）冷侧入口相连；另一路依次通过第四球阀（10）、第二单向阀（11）、节流阀（12），与蒸发器冷侧入口相连；蒸发器（8）还包括热侧进口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口，热源（16）从蒸发器（8）热侧入口进入，从蒸发器（8）热侧出口排出；
蒸发器（8）热侧出口分为两路，一路依次经过第五球阀（13）、涡旋压缩/膨胀机（2）、第一球阀（3）后与冷凝器（4）热侧入口相连；另一路依次经过第三球阀（9）、涡旋压缩/膨胀机（2）、第六球阀（14）后与冷凝器（4）热侧入口相连；冷凝器（4）还包括冷侧入口和冷侧出口，冷源（17）从冷凝器（4）冷侧入口进入并从冷侧出口排出。
2.根据权利要求1所述的分时发电/空调一体化系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：
一、中低温热力正循环发电过程：
冷凝器（4）热侧出口有机工质（15）依次通过第二球阀（5）、第一单向阀（6）和有机泵（7）增压后，进入蒸发器（8）冷侧入口，受到蒸发器（8）热侧入口进入的热源（16）加热后，有机工质（15）蒸发后从蒸发器（8）冷侧出口排出，然后通过第五球阀（13）进入涡旋压缩/膨胀机（2）实现有机工质膨胀做功过程，之后有机工质从涡旋压缩/膨胀机（2）排出，最后再通过第一球阀（3）进入冷凝器（4）热侧入口；
上述有机工质膨胀做功过程，具体过程如下：有机工质（15）从涡旋压缩/膨胀机（2）轴向口（21）进入封闭腔（22），封闭腔（22）内的有机工质（15）自发膨胀，封闭腔（22）逆时针从涡旋中心不断向外移动的过程中容积不断增加，同时会推动动涡盘（23）逆时针旋转，动涡盘（23）会带动电动发电机（1）发电，随着封闭腔（22）容积不断增加，有机工质（15）压力降低，并最终从切向口（18）排出;
二、热力学逆循环空调模式：
冷凝器（4）热侧出口有机工质（15）依次通过第四球阀（10）、第二单向阀（11）和节流阀（12）膨胀降压、降温后，进入蒸发器（8）冷侧入口，受到蒸发器（8）热侧热源（16）加热后，有机工质（15）蒸发并从蒸发器（8）冷侧出口排出，然后通过第三球阀（9）进入涡旋压缩/膨胀机（2），在电动发电机（1）的驱动下，实现有机工质的增压升温，之后有机工质从涡旋压缩/膨胀机（2）排出，再通过第六球阀（14）进入冷凝器（4）热侧入口；
上述有机工质增压耗功过程，具体过程如下：有机工质（15）从涡旋压缩/膨胀机（2）切向口（18）进入动涡盘（23）和静涡盘（19）间的封闭腔（22），动涡盘（23）在电动发电机（1）的驱动下顺时针旋转，存在封闭腔（22）内有机工质（15）随着动涡盘（23）会沿顺时针方向向涡旋中心旋转，同时封闭腔（22）容积不断缩小，封闭腔（22）内有机工质（15）的压力不断增加，并最终从轴向口（21）排出。
3.根据权利要求1所述的分时发电/空调一体化系统的工作方法，其特征在于：该系统在不同工作模式时，采用同一种有机工质。
4.根据权利要求3所述的分时发电/空调一体化系统的工作方法，其特征在于：所述有机工质为R11、R12、R22、R134a、R245fa或R123。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151118 Termination date: 20170922 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |