CN114857807A - 一种用于co2跨临界制冷系统的透平膨胀机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，包括膨胀单元，所述膨胀单元包括主轴、端盖、接头组件、轴承组件、轴承座、密封组件、蜗轮组件和排气组件，所述端盖贯穿设置于主轴上，所述接头组件分别设置于轴承座和端盖外侧，所述轴承组件设置于所述轴承座内部且与主轴卡合连接，所述密封组件设置于所述主轴外侧，所述蜗轮组件贯穿设置于所述主轴上，所述排气组件设置于所述蜗轮组件外侧，使用膨胀机来替代节流阀可以减少膨胀过程中的能量损失，同时回收膨胀前后压差变化损失的能量，将提高CO2制冷系统的能效比，本专利中采用两道机械密封，密封可靠性增加，同时相比于采用干气密封更加节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及能量回收技术领域，特别是一种用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机。
背景技术
CO2是一种纯天然制冷剂，环保、无毒、不可燃，ODP(臭氧破坏指数)为 0，GWP(温室效应指数)为1。CO2单位容积制冷量大，且具有优良的低温流动性和导热性能，是一种具有发展前景的环保制冷剂，并将在制冷、空调和热泵系统中具有广泛的应用前景。
CO2制冷剂临界温度为31.67℃，临界压力7.38MPa，在常规水冷系统中，由于受环境影响冷却水温度一般在25-35℃，所以CO2在气体冷却器中压力可达7-10MPa，节流阀前后压差大，节流时能量损失非常大。如果使用膨胀机来替代节流阀可以减少膨胀过程中的能量损失，同时回收膨胀前后压差变化损失的能量，将大大提高制冷系统的能效比，透平式膨胀机在石油、化工、冶金、空分等行业具有广泛的应用，本专利旨在开发用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，相比于其他形式的CO2膨胀机具有高可靠性、抗液击等优势。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其包括膨胀单元，所述膨胀单元包括主轴、端盖、接头组件、轴承组件、轴承座、密封组件、蜗轮组件和排气组件，所述端盖贯穿设置于主轴上，所述接头组件分别设置于轴承座和端盖外侧，所述轴承组件设置于所述轴承座内部且与主轴卡合连接，所述密封组件设置于所述主轴外侧，所述蜗轮组件贯穿设置于所述主轴上，所述排气组件设置于所述蜗轮组件外侧。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：辅助单元，包括与膨胀单元一端连接的闪蒸罐、与闪蒸罐连接的蒸发器、与膨胀单元另一端连接的冷却器、与冷却器连接的油分离器，以及与油分离器连接的压缩机，所述压缩机另一端连接闪蒸罐和蒸发器。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述接头组件还包括第一接头、第二接头和连通孔，所述连通孔分别设置于所述端盖和轴承座侧边，所述第一接头设置于所述端盖外侧，所述第二接头设置于所述轴承座外侧。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述端盖还包括第一密封件和第一密副密封件，所述第一密封件与第一副密封件卡和配合，所述第一接头与所述第二接头均与所述连通孔固定连接。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述轴承组件还包括滚珠轴承和滚子轴承，所述滚珠轴承设置于所述轴承座内部与端盖相接触的一侧，所述滚子轴承设置于所述轴承座内部与蜗轮组件相接触的一侧。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述滚珠轴承与所述滚子轴承外侧均与所述轴承座卡合配合，其内侧均与所述主轴卡合固定。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述密封组件还包括第二密封件和第二副密封件，所述密封组件设置于所述轴承座内部位于滚子轴承侧边，所述第二密封件设置于所述蜗轮组件一侧。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述蜗轮组件包括进气口、转轮、导叶和顶轴，所述顶轴与所述主轴固定连接，所述进气口设置于所述蜗轮组件外侧，所述转轮设置于所述蜗轮组件内部，所述导叶设置于所述转轮外侧，所述顶轴设置于所述转轮中部，且与所述转轮固定，所述顶轴与主轴固定连接。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述排气组件包括排气嘴和固定盖，所述排气嘴设置于所述排气组件末端，所述固定盖设置于所述蜗轮组件侧边。
作为本发明所述用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的一种优选方案，其中：所述排气组件与所述蜗轮组件通过螺栓固定连接，所述蜗轮组件与所述轴承座的一侧通过螺栓固定连接，所述端盖与所述轴承座的另一侧通过螺栓固定连接，所述主轴贯穿整个装置设置。
本发明的有益效果：使用膨胀机来替代节流阀可以减少膨胀过程中的能量损失，同时回收膨胀前后压差变化损失的能量，将提高CO2制冷系统的能效比，本专利中采用两道机械密封，密封可靠性增加，同时相比于采用干气密封更加节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的整体图。
图2为用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的剖视图。
图3为用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的侧视图。
图4为用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机的主视图。
图5为用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机运作流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种用于CO2 跨临界制冷系统的透平膨胀机，其包括膨胀单元100，所述膨胀单元100包括主轴101、端盖102、接头组件103、轴承组件104、轴承座105、密封组件106、蜗轮组件107和排气组件108，所述端盖102贯穿设置于主轴101上，所述接头组件103分别设置于轴承座105和端盖102外侧，所述轴承组件104设置于所述轴承座105内部且与主轴101卡合连接，所述密封组件106设置于所述主轴101外侧，所述蜗轮组件107贯穿设置于所述主轴101上，所述排气组件108 设置于所述蜗轮组件107外侧，所述排气组件108与所述蜗轮组件107通过螺栓固定连接，所述蜗轮组件107与所述轴承座105的一侧通过螺栓固定连接，所述端盖102与所述轴承座105的另一侧通过螺栓固定连接，所述主轴101贯穿整个装置设置。
具体的，端盖102能够将主轴101固定，接头组件103设置在端盖102与轴承座105上，与轴承座105、端盖102内部连通，轴承组件104设置于端盖 102与轴承座105内部且与主轴101卡合固定连接，密封组件106一侧与轴承座105固定连接，另一侧与蜗轮组件107固定连接，使得装置之间保持密封，提高工作的稳定性，排气组件108与蜗轮组件107的另一端螺栓固定连接。
综上所述，主轴101用于支撑各部件的运作，贯穿整个装置，端盖102用于密封和固定，接头组件103用于给主轴内部提供润滑油液，保证运转过程的平稳和顺滑，轴承组件104能够使得内部旋转更加顺滑，轴承座105用于固定轴承与主轴101，密封组件106能够进一步对装置进行密封，蜗轮组件107用于将二氧化碳气体进行压缩膨胀做功，进而带动主轴101的旋转对外做功，而后排气组件108用于将气体排入下一个单元。
实施例2
参照图1～图5，为本发明第二个实施例，其不同于第一个实施例的是：还包括辅助单元200，包括与膨胀单元100一端连接的闪蒸罐204、与闪蒸罐204 连接的蒸发器205、与膨胀单元100另一端连接的冷却器203、与冷却器203 连接的油分离器202，以及与油分离器202连接的压缩机201，所述压缩机201 另一端连接闪蒸罐204和蒸发器205。
具体的，压缩机201将低温低压的CO2气体压缩成高温高压的CO2气体，进入到油分离器202分离出来冷冻油，油分离器202分别引出一路油管和一路气管，油管可以使油液回流到压缩机201，另一路气管将通过CO2气体，使其进入到冷却器203，而后被冷却成为常温高压的CO2跨临界气体，然后进入到膨胀单元100，常温高压的CO2跨临界气体在膨胀机内部膨胀并且对外做功，而后变为中温中压的气液两相CO2进入闪蒸罐204内部，CO2随后分为两路，一路液体通过闪蒸罐204，底部出口变为低温低压的气液两相CO2，而后进入到蒸发器205内吸气蒸发，另一路CO2气体和蒸发器205出口CO2气体混合，被压缩机201吸气口吸入进行压缩，循环往复。
实施例3
参照图1～图4，为本发明的第三个实施例，在前两个实施例的基础上还包括，所述接头组件103还包括第一接头103a、第二接头103b和连通孔103c，所述连通孔103c分别设置于所述端盖102和轴承座105侧边，所述第一接头 103a设置于所述端盖102外侧，所述第二接头103b设置于所述轴承座105外侧。
进一步的，所述端盖102还包括第一密封件102a和第一密副密封件102b，所述第一密封件102a与第一副密封件102b卡和配合，所述第一接头103a与所述第二接头103b均与所述连通孔103c固定连接。
较佳的，所述轴承组件104还包括滚珠轴承104a和滚子轴承104b，所述滚珠轴承104a设置于所述轴承座105内部与端盖102相接触的一侧，所述滚子轴承104b设置于所述轴承座105内部与蜗轮组件107相接触的一侧。
优选的，所述滚珠轴承104a与所述滚子轴承104b外侧均与所述轴承座105 卡合配合，其内侧均与所述主轴101卡合固定，所述密封组件106还包括第二密封件106a和第二副密封件106b，所述密封组件106设置于所述轴承座105 内部位于滚子轴承104b侧边，所述第二密封件106a设置于所述蜗轮组件107 一侧。
进一步的，所述蜗轮组件107包括进气口107a、转轮107b、导叶107c和顶轴107d，所述顶轴107d与所述主轴101固定连接，所述进气口107a设置于所述蜗轮组件107外侧，所述转轮107b设置于所述蜗轮组件107内部，所述导叶107c设置于所述转轮107b外侧，所述顶轴107d设置于所述转轮107b中部，且与所述转轮107b固定，所述顶轴107d与主轴101固定连接，所述排气组件 108包括排气嘴108a和固定盖108b，所述排气嘴108a设置于所述排气组件108 末端，所述固定盖108b设置于所述蜗轮组件107侧边。
具体的，第一接头103a通过连通孔103c与端盖102内部连通，第二接头 103b通过连通孔103c与轴承座105内部连通，能够随时通过接头组件103对轴承组件104和主轴101进行润滑，保证装置的正常旋转，第一密封件102a 和第一副密封件102b卡合配合，能够组成一个密封件将端盖102与主轴101 之间的缝隙进行密封，减少在做工过程中外界的灰尘进入到装置内部，从而避免了装置的损坏，也减少了装置的维护，滚珠轴承104a的内部结构式球形滚珠，而其优点是方便转动，实用寿命较高，滚子轴承104b为圆柱滚子轴承，滚子与滚道为斜线接触，优点是径向承载能力大，能够承受较大的冲击负荷和重负荷，且摩擦系数小适合高速转动，并且内圈和外圈分离，便于安装。
进一步的，滚珠轴承104a和滚子轴承104b外圈均与轴承座105卡合，内圈均与主轴101卡合，故而能够使得主轴101在内部旋转，轴承座105与蜗轮组件107之间还设置有密封组件106，其第二密封件106a和第二副密封件106b 卡合配合，极大地增加的密封效果，且便于拆装。
较佳的，进气口107a用于接收从冷却器203传入而来的常温高压的CO2 跨临界气体，由导叶107c将常温高压的CO2跨临界气体导入转轮107b，从而膨胀带动转轮107b做功，而位于顶轴107d与转轮107b固定连接，顶轴107b 又与主轴101固定连接，所以转轮107b做功转动时将带动主轴转动。
优选的，当做功完成之后，常温高压的CO2跨临界气体变成了中温中压的CO2气体，从而通过排气组件108排出装置，排气最108a能够引导气体排出，固定盖108b与所述蜗轮组件107通过螺栓固定连接，使蜗轮组件107和排气组件108紧密结合，排出后的中温中压的气液两相CO2进入闪蒸罐204内部， CO2随后分为两路，一路液体通过闪蒸罐204，底部出口变为低温低压的气液两相CO2，而后进入到蒸发器205内吸气蒸发，另一路CO2气体和蒸发器205 出口CO2气体混合，被压缩机201吸气口吸入进行压缩，循环往复。
综上所述，使用膨胀机来替代节流阀可以减少膨胀过程中的能量损失，同时回收膨胀前后压差变化损失的能量，将提高CO2制冷系统的能效比，采用两道机械密封，密封可靠性增加，同时相比于采用干气密封更加节约成本。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或与实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：包括，
膨胀单元(100)，所述膨胀单元(100)包括主轴(101)、端盖(102)、接头组件(103)、轴承组件(104)、轴承座(105)、密封组件(106)、蜗轮组件(107)和排气组件(108)，所述端盖(102)贯穿设置于主轴(101)上，所述接头组件(103)分别设置于轴承座(105)和端盖(102)外侧，所述轴承组件(104)设置于所述轴承座(105)内部且与主轴(101)卡合连接，所述密封组件(106)设置于所述主轴(101)外侧，所述蜗轮组件(107)贯穿设置于所述主轴(101)上，所述排气组件(108)设置于所述蜗轮组件(107)外侧。
2.如权利要求1所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：辅助单元(200)，包括与膨胀单元(100)一端连接的闪蒸罐(204)、与闪蒸罐(204)连接的蒸发器(205)、与膨胀单元(100)另一端连接的冷却器(203)、与冷却器(203)连接的油分离器(202)，以及与油分离器(202)连接的压缩机(201)，所述压缩机(201)另一端连接闪蒸罐(204)和蒸发器(205)。
3.如权利要求2所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述接头组件(103)还包括第一接头(103a)、第二接头(103b)和连通孔(103c)，所述连通孔(103c)分别设置于所述端盖(102)和轴承座(105)侧边，所述第一接头(103a)设置于所述端盖(102)外侧，所述第二接头(103b)设置于所述轴承座(105)外侧。
4.如权利要求3所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述端盖(102)还包括第一密封件(102a)和第一密副密封件(102b)，所述第一密封件(102a)与第一副密封件(102b)卡和配合，所述第一接头(103a)与所述第二接头(103b)均与所述连通孔(103c)固定连接。
5.如权利要求1～3任一所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述轴承组件(104)还包括滚珠轴承(104a)和滚子轴承(104b)，所述滚珠轴承(104a)设置于所述轴承座(105)内部与端盖(102)相接触的一侧，所述滚子轴承(104b)设置于所述轴承座(105)内部与蜗轮组件(107)相接触的一侧。
6.如权利要求5所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述滚珠轴承(104a)与所述滚子轴承(104b)外侧均与所述轴承座(105)卡合配合，其内侧均与所述主轴(101)卡合固定。
7.如权利要求6所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述密封组件(106)还包括第二密封件(106a)和第二副密封件(106b)，所述密封组件(106)设置于所述轴承座(105)内部位于滚子轴承(104b)侧边，所述第二密封件(106a)设置于所述蜗轮组件(107)一侧。
8.如权利要求7所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述蜗轮组件(107)包括进气口(107a)、转轮(107b)、导叶(107c)和顶轴(107d)，所述顶轴(107d)与所述主轴(101)固定连接，所述进气口(107a)设置于所述蜗轮组件(107)外侧，所述转轮(107b)设置于所述蜗轮组件(107)内部，所述导叶(107c)设置于所述转轮(107b)外侧，所述顶轴(107d)设置于所述转轮(107b)中部，且与所述转轮(107b)固定，所述顶轴(107d)与主轴(101)固定连接。
9.如权利要求6～8任一所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述排气组件(108)包括排气嘴(108a)和固定盖(108b)，所述排气嘴(108a)设置于所述排气组件(108)末端，所述固定盖(108b)设置于所述蜗轮组件(107)侧边。
10.如权利要求9所述的用于CO2跨临界制冷系统的透平膨胀机，其特征在于：所述排气组件(108)与所述蜗轮组件(107)通过螺栓固定连接，所述蜗轮组件(107)与所述轴承座(105)的一侧通过螺栓固定连接，所述端盖(102)与所述轴承座(105)的另一侧通过螺栓固定连接，所述主轴(101)贯穿整个装置设置。
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