CN107588583A - 一种用于vm循环热泵变工况调节的相位角控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于VM循环热泵变工况调节的相位角控制装置，主要由VM循环热泵系统和相位角控制装置两部分组成。本发明在传统VM循环热泵的基础上增加了相位角控制装置，通过机械结构可以控制VM循环热泵的相位角，改变VM循环热泵的供热量。本发明旨在VM循环热泵工作时，可以通过自由调节相位角从而改变VM循环热泵的工况。本发明可拓展性强，简单而实用，对VM循环热泵的发展具有参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种VM循环热泵，尤其是一种用于VM循环热泵变工况调节的相位角控制装置，属于热泵技术领域。
背景技术
维勒米尔(Vuilleumier，以下简称VM)循环，是Vuilleumier在1918年提出的。它的本质可以看成具有公共室温腔的一台斯特林发动机和斯特林制冷机的有机组合，是一台斯特林发动机在内部驱动一台斯特林制冷机。VM循环热泵可以利用热能作为驱动能源，可以制冷或制热，具有很高的理论效率。VM循环热泵对环境友好，没有污染，只需在启动时需要少量的机械动力，之后便可自行运转，甚至还可以输出一定量的轴功率，具有结构紧凑、磨损和寿命小、寿命长等优点。
VM循环热泵是利用余热加热高温腔，通过热泵内部循环工质的受热膨胀来带动推移活塞使VM循环热泵正常工作，达到供热和制冷的目的。VM循环热泵对于高效节能，减少废热对环境的污染有重要的意义。
相位角是VM循环热泵的一个重要参数。通常相位角的取值为90度，这是因为相位角为90度时VM循环热泵会有最大的供热量。改变相位角的取值，VM循环热泵的供热量会发生变化，这给VM循环热泵的工况调节提供了一个新的思路。
发明内容
本发明是在现有技术的基础上，对现有VM循环热泵进行改进，改变了装置的结构并增加了一个相位角控制装置，它可以通过调节相位角从而自由改变VM循环热泵的工况。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种用于VM循环热泵变工况调节的相位角控制装置，它包括VM循环热泵系统和相位角控制装置两个部分。
VM循环热泵系统由高温换热器、热腔、热推移活塞、室温腔、室温换热器、低温换热器、冷腔、冷推移活塞、热回热器、冷回热器、高温端曲柄连杆、低温端曲柄连杆组成。热推移活塞与热气缸组成了热腔，冷推移活塞与冷气缸组成了冷腔。热回热器连接热腔和室温腔，冷回热器连接冷腔和室温腔。
相位角控制装置由高温飞轮、低温飞轮、齿轮连接支架、支架控制轮、星形齿轮、相位角控制轮组成；高温端曲柄连杆与高温飞轮连接，低温端曲柄连杆与低温飞轮连接，高温飞轮和低温飞轮上面有齿纹，通过星型齿轮机构互相耦合。齿轮连接支架和支架控制轮为一体结构，支架控制轮的角度由相位角控制轮来进行控制和调整。
上述相位角控制装置，相位角控制装置由微调电机和工况控制器进行控制。工况控制器对VM循环热泵的参数进行电子监控，并根据工况算法启动微调电机，对相位角控制轮的角度进行微调，从而调整装置的相位角，改变VM循环热泵的工况。
本发明的优点：
1、本发明基于VM循环热泵，以热能作为驱动力，节能环保，有利于资源的循环利用。
2、引入相位角可调整的概念，通过机械装置实现了自由调整相位角的功能，可以自由调整循环热泵的工况。
3、本装置可拓展性强，可以广泛应用在不同规格的VM循环热泵中，给VM循环热泵的供热量调节提供了一种新的思路，对于VM循环热泵的推广有重要意义。
附图说明
图1为本专利的结构图。
图2为本专利的相位角控制装置原理图。
图3为本专利的工况算法图。
附图中标记说明：1、高温换热器 2、热腔 3、热推移活塞 4、室温腔 5、室温换热器6、低温换热器 7、冷腔 8、冷推移活塞 9、冷推移活塞 10、冷回热器 11、高温端曲柄连杆12、低温端曲柄连杆 13、高温飞轮 14、低温飞轮 15、齿轮连接支架 16、支架控制轮 17、星形齿轮 18、相位角控制轮 19、微调电机 20、工况控制器
具体实施方式
本发明利用相位角控制装置与VM循环热泵技术的结合实现本发明的目的。在VM循环热泵工作期间，可以调整装置的相位角从而自由改变VM循环热泵的工况。
整个系统由VM循环热泵装置和线性发电装置组成，如图1所示。VM循环热泵系统由高温换热器1，热腔2，热推移活塞3，室温腔4，室温换热器5，低温换热器6，冷腔7，冷推移活塞8，冷推移活塞9，冷回热器10，高温端曲柄连杆11，低温端曲柄连杆12组成。系统利用余热、天然气燃烧热等热量作为能源，从热腔和冷腔吸热，在室温腔放热。
系统在开始工作时需要驱动电机提供少量的机械动力，在系统正常运行期间，当冷推移活塞处于它的最上端附近时，热气缸体积较大，系统内平均温度较高，压力也较高。相反，当冷推移活塞处于它的最下端时，热气缸的体积接近于0，机内平均工质温度和压力都比较低，这样，热气缸起到了驱动的作用。
相位角控制装置工作原理：相位角控制装置由高温飞轮13，低温飞轮14，齿轮连接支架15，支架控制轮16，星形齿轮17，相位角控制轮18组成；高温端曲柄连杆与高温飞轮连接，低温端曲柄连杆与低温飞轮连接，高温飞轮和低温飞轮上面有齿纹，通过星型齿轮机构互相耦合。齿轮连接支架和支架控制轮为一体结构，支架控制轮的角度由相位角控制轮来进行控制和调整。
当相位角控制轮静止时，支架控制轮、齿轮连接支架固定不动，此时，高温飞轮和低温飞轮之间通过星型齿轮耦合，角速度一致，旋转方向为反向旋转。此时，VM循环热泵的相位角不变，高温曲柄连杆和低温曲柄连杆通过高温飞轮和低温飞轮进行作用，以一定的相位差带动VM循环热泵进行工作。
当相位角控制轮转动一定的角度时，齿轮连接支架和支架控制轮同时转过一定的角度，并作用在星形齿轮上。此时，高温飞轮和低温飞轮的相位角会发生改变，并作用在高温曲柄连杆和低温曲柄连杆上。此时VM循环热泵的相位角发生变化。
相位角相关计算如下：
取高温飞轮和低温飞轮之间相位角为90度，飞轮之间相位角变化角度为Δα1，支架控制轮变化角度为Δα2，半径为r2，相位角控制轮角度为Δα3，半径为r3，支架控制轮和相位角控制轮的线速度为v，则有：
Δω2＝Δω1/2 (2)
v＝Δω2×r2＝Δω3r3 (3)
VM循环热泵的工况调整是通过微调电机19、工况控制器20完成的。在工况控制器输入想得到的工况，工况控制器根据算法计算出VM循环热泵的相位角以及相位角控制轮的角度，通过微调电机改变VM循环热泵的相位角控制轮，从而改变相位角从而达到需要的工况。
VM循环热泵的工况算法如图3所示。相位角不宜过小，故取相位角最小为50度，此时热泵制热量和制冷量随着相位角的增加而呈现增加趋势，在90度的时候达到最大的工况。因此将相位角的取值定在50-90度变化。
取r2/r3＝10，即支架控制轮与相位角控制轮的轮径比值为10。Δα1为飞轮之间相位角变化角度；Δα2为支架控制轮变化角度；Δα3为相位角控制轮角度。则相位角、制热量、制热量百分比、Δα1、Δα2、Δα3之间的关系如图3所示。为工况控制器的控制给出了参考依据。从而达到合理调节VM循环热泵供热量的目的。
Claims (2)
1.一种用于VM循环热泵变工况调节的相位角控制装置，其特征在于：它包括VM循环热泵系统和相位角控制装置；所述VM循环热泵系统由高温换热器(1)，热腔(2)，热推移活塞(3)，室温腔(4)，室温换热器(5)，低温换热器(6)，冷腔(7)，冷推移活塞(8)，高温回热器(9)，低温回热器(10)，高温端曲柄连杆(11)，低温端曲柄连杆(12)组成；
所述相位角控制装置由高温飞轮(13)，低温飞轮(14)，齿轮连接支架(15)，支架控制轮(16)，星形齿轮(17)，相位角控制轮(18)组成；高温端曲柄连杆与高温飞轮连接，低温端曲柄连杆与低温飞轮连接，齿轮连接支架和支架控制轮为一体结构，高温飞轮和低温飞轮上面有齿纹，通过星型齿轮机构互相耦合。
2.根据权利1所述的一种用于VM循环热泵变工况调节的相位角控制装置，其特征在于相位角控制装置由微调电机(19)和工况控制器(20)进行控制。工况控制器对VM循环热泵的参数进行电子监控，并根据工况算法启动微调电机，对相位角控制轮的角度进行微调，调整装置的相位角，改变VM循环热泵的供热量。
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