CN1164904C - 二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器 - Google Patents

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Abstract

二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器，主要由缸体，滚动活塞，偏心轮轴，底座及电磁阀等组成。由主、副轴承和中间隔板将膨胀节能器内腔分成两个高压腔，两个低压腔。二氧化碳进入膨胀气缸后，推动偏心轮轴运动，使膨胀气缸发生容积变化，流体压力降低，输出机械功。通过电路控制系统根据偏心轮轴的旋转角度，输出信号控制电磁阀的开启，用以控制膨胀节能器的吸气时间，使之做功循环。本发明将膨胀气缸与压缩气缸设计为密封的一体，在系统中与主压缩机、气体冷却器、蒸发器等同时工作，构成完整的二氧化碳跨临界循环系统。由于由膨胀节能器代替节流阀，能有效的回收节流过程的能量损失，从而提高整个系统的性能系数。

Description

二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器
                                 技术领域
本发明属于制冷空调或供暖机械设备中的节能装置。
                                 背景技术
目前制冷空调行业普遍使用的制冷剂是CFCs(氯氟烃)与HCFCs(氢氯氟烃)物质。由于它们对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应，世界各国的科学家正在紧张研究其替代工作。其中二氧化碳以其优良的环保特性、良好的传热和流动性质被重新引入到制冷热泵行业中来。前国际制冷学会主席Gustav Lorentzen教授于90年代初期最早提出采用跨临界循环，以CO2为制冷剂是解决CFC替代的根本性方法。但是，要在工业技术中实现CO2跨临界制冷循环，目前还有一定难度。主要原因是CO2的节流损失比常规工质(如R22、R134a)大，其COP值(性能系数)比常规循环至少低20％。为了改进CO2跨临界循环的性能，减少过程中的不可逆损失，可采用膨胀机代替节流阀以回收膨胀功来提高CO2系统的COP。CO2的膨胀比为2～4，是常规工质的1/10，其膨胀功所占的比例也比较大，回收更具实际意义。
虽然研究表明CO2膨胀机能大幅度提高CO2系统的COP，而且开发CO2膨胀机的研究已得到共识。一般采用的回收功方式如机械功带动发电机发电，由于输出电压不稳定而难以利用，并且由于能量的转换会造成能量的损失，导致效率下降。在封闭系统中发电机的寿命是很难保证的。由于膨胀机的转速与主压缩机不同，而且其转速随运行状态不断变化，实现膨胀机与主压缩机同轴比较困难，而且不利于变工况调节。因此如何回收膨胀功，是利用好膨胀机的输出功和提高系统COP的关键问题。
                            发明内容
本发明的目的是提供一种直接应用于CO2跨临界循环系统中的功回收装置，在实际的制冷、热泵设备中可有效提高系统的COP，使CO2膨胀机具有实际应用的价值。
本发明的结构原理如附图1、附图2所示。二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器，主要由机壳1，底座2，偏心轮轴3，膨胀气缸体4，膨胀滚动活塞5，主轴承6，中间隔板7，副轴承8，压缩滚动活塞9，压缩气缸体10，膨胀气缸进气管11，压缩气缸进气管12，电磁阀13，气液分离器14，膨胀气缸滑片16，压缩气缸滑片17以及膨胀气缸弹簧21，压缩气缸弹簧22等组成。机壳1与底座2之间密封，组成一个总内腔。
由主、副轴承6、8和中间隔板7将总内腔隔开，形成两个高压腔和两个低压腔。机壳1与主轴承6之间为低压腔A，主轴承6与中间隔板7之间为高压腔B，中间隔板7与副轴承8之间为高压腔C，副轴承8与底座2之间为低压腔D。两个低压腔A、D由偏心轮轴3相连通。实际上形成了：主轴承6与中间隔板7之间的高压腔B为膨胀气缸，中间隔板7和副轴承8之间的高压腔C为压缩气缸，因此膨胀气缸与压缩气缸合为一体。
两个高压腔B、C同轴。利用在膨胀气缸中流体膨胀输出机械功驱动压缩气缸转动，对腔内气体进行压缩，解决了膨胀气缸膨胀功的输出问题。由膨胀气缸进气管11吸入高压高温的流体进行膨胀，带动压缩气缸中的滚动活塞9转动，对压缩气缸吸入的低温低压的气体进行压缩，压缩气缸的内直径小于膨胀气缸内直径。偏心轮轴3设计为空心，当膨胀机旋转时，由于离心力的作用，油会沿轴中心上升，由轴上部的导油孔流出，进入低压腔A，从而实现轴上部的润滑。全封闭设计解决了外泄漏问题。为避免两个气缸间进行传热，在中间隔板7之间增加绝热层15，绝热材料为聚四氟乙烯。为便于管道的连接与设计，同时又使膨胀和压缩过程的转动保持同一方向，膨胀气缸进气管11与压缩气缸进气管12位置之间的角度130°～210°。同时为使偏心轮轴运动平稳，压缩气缸中的滚动活塞9与偏心轮配合的相位与膨胀气缸中的滚动活塞5与偏心轮配合的相位间有相位差，可根据二氧化碳的物理性质和实际的工况范围以及膨胀气缸、压缩气缸的结构进行具体相位差的设计。
本发明应用了热力学原理：高压流体膨胀是自发释放能量的过程。从气体冷却器出来的超临界二氧化碳在进入膨胀气缸后，推动膨胀装置内的偏心轮轴运动，并使膨胀气缸发生容积变化，流体压力降低，输出机械功。该过程中二氧化碳先从超临界状态变为亚临界的液态，继续膨胀直至转变成气液两相流状态，再从膨胀气缸出来进入蒸发器，减少由于节流阀节流引起的能量损失。同时利用膨胀气缸输出的机械功，直接驱动压缩装置对气体进行压缩，减少了主压缩机所需的压缩功，并且减少了由其它回收功装置(如发电机)造成的中间能量转化导致的不必要的能量损失，而且本发明可直接放于系统中参与循环运行。在整体上用隔音罩将其封装。这样可以在一个紧凑的结构下，能较好的解决密封、噪声和振动等问题。
                                  附图说明
图1为CO2跨临界制冷循环转子式膨胀节能器的结构示意图。
图2为图1中的E-E剖面结构图。
图3为带膨胀节能器的CO2跨临界循环系统流程图。
                        附图序号明细表
    序号     名称     序号     名称
    1     机壳     16     膨胀气缸滑片
    2     底座     17     压缩气缸滑片
    3     偏心轮轴     18     膨胀缸排气口
    4     膨胀气缸体     19     压缩缸排气阀
    5     膨胀滚动活塞     20     压缩缸排气口
    6     主轴承     21     膨胀气缸弹簧
    7     中间隔板     22     压缩气缸弹簧
    8     副轴承     23     主压缩机
    9     压缩滚动活塞     24     蒸发器
    10     压缩气缸体     25     气体冷却器
    11     膨胀气缸进气管
    12     压缩气缸进气管     A 机壳(1)与主轴承(6)之间为低压腔
    13     电磁阀     B 主轴承(6)与中间隔板(7)之间为高压腔
    14     气液分离器     C 中间隔板(7)和副轴承(8)之间为高压腔
    15     绝热层     D 副轴承(8)与底座(2)之间为低压腔
                               具体实施方式
本发明在系统的布置上如附图3中的虚线框部分。
安装时，将二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器(本发明)的膨胀气缸的进气管11与气体冷却器25的出口相连，将排气口18与蒸发器24的入口相连，而压缩气缸的入口为气液分离器，分离来自蒸发器的气体，压缩气缸出口排气与主压缩机的排气混和，进入气体冷却器。
工作时，超临界高压二氧化碳流体(通常压力为10Mpa左右)由进气管道11进入高压腔B内，此时电磁阀13处于开启状态，高压流体进入缸体后推动滚动活塞5转动，并驱动偏心轮轴3按附图2所示方向旋转。当旋转到吸气结束的角度时，电路控制发出信号使得电磁阀13关闭，停止进气，流体开始自发膨胀。此膨胀过程中，由于压差的作用，高压CO2继续推动偏心轮轴和滚动活塞转动，当滚动活塞转到缸体排气口位置时，压力降低到排气压力(30～40MPa)，高压CO2变为气液两相流体，由排气口18排出，上述的所有旋转部件均旋转一周。下一循环中，电磁阀打开使得高压二氧化碳再次由进气管进入缸体，此时气缸被滚动活塞5分为两个腔，一侧进气膨胀，一侧排气。与此同时，低压的蒸气进入高压腔C，当旋转一周时，整个压缩气缸全部吸满蒸气，在旋转下一周时，气缸也被分成两个腔，随着偏心轮轴3和滚动活塞9继续转动，一侧气缸容积变小，对气体进行压缩，当达到设计压力，推开排气阀，进行排气，完成压缩过程，另一侧则进行吸气。偏心轮轴和两个滚动活塞在两个气缸内如此反复运动，达到输出轴功的目的。
本发明结构简单，易于实现，体积小，重量轻，运行安全可靠，不用配备其它的机械功回收装置，可直接应用于系统，对CO2跨临界系统的实用化起到积极的作用。可有效的回收节流过程的能量损失，从而提高整个系统的COP。考虑各种实际情况，其回收的功占压缩机耗功的20％左右，具有环保、节能的双重效果。

Claims (4)

1.二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器，主要由机壳(1)，底座(2)，偏心轮轴(3)，膨胀气缸体(4)，膨胀滚动活塞(5)，主轴承(6)，中间隔板(7)，副轴承(8)，压缩滚动活塞(9)，压缩气缸体(10)，膨胀气缸进气管(11)，压缩气缸进气管(12)，电磁阀(13)，气液分离器(14)，膨胀气缸滑片(16)，压缩气缸滑片(17)以及膨胀气缸弹簧(21)压缩气缸弹簧(22)等组成，其特征是机壳(1)与底座(2)之间密封，组成一个总内腔，由主、副轴承(6、8)和中间隔板(7)将总内腔隔开，形成两个高压腔和两个低压腔，机壳(1)与主轴承(6)之间为低压腔(A)，主轴承(6)与中间隔板(7)之间为高压腔(B)，中间隔板(7)与副轴承(8)之间为高压腔(C)，副轴承(8)与底座(2)之间为低压腔(D)，两个低压腔(A、D)由偏心轮轴(3)相连通，偏心轮轴设计为空心，两个高压腔(B、C)同轴。
2.按照权利要求1所述的二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器，其特征是主轴承(6)与中间隔板(7)之间的高压腔(B)为膨胀气缸，中间隔板(7)和副轴承(8)之间的高压腔(C)为压缩气缸，膨胀气缸与压缩气缸密封为一体，由膨胀气缸中的流体膨胀带动压缩气缸中的滚动活塞(9)转动，对压缩气缸吸入的气体进行压缩，压缩气缸的内直径小于膨胀气缸内直径。
3.按照权利要求1或2所述的二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器，其特征是在中间隔板(7)中间增加绝热层(15)，绝热材料为聚四氟乙烯。
4.按照权利要求1所述的二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀节能器，其特征是膨胀气缸进气管(11)与压缩气缸进气管(12)位置之间的角度130°～210°。
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