CN1222741C - 二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀机 - Google Patents

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Abstract

二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀机，主要由缸体，套筒，偏心轮轴，输油管，凸轮，钟形件，高压机械密封及滑阀等组成。由上、下端盖将膨胀机内腔分成一个高压腔，两个低压腔。通过凸轮与偏心轮轴的同步旋转，使得滑阀上下滑动，控制膨胀机的作功循环。本发明配与压缩机、气体冷却器、蒸发器等可构成二氧化碳循环系统。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。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。

Description

二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀机
                               技术领域
本发明属于应用于制冷空调与供暖设备中的功回收装置。
                               背景技术
目前制冷空调行业普遍使用的制冷剂是CFCs与HCFCs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。从九十年代开始，欧洲人首先倡议使用自然制冷工质，包括氨(R717)、丙烷(R290)等碳氢化合物和二氧化碳(R744)。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。主要原因是跨临界循环的不可逆损失增加，其COP(性能系数)值比常规循环至少低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循环的COP。CO2跨临界循环采用膨胀机比常规工质更具有可行性，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较大，回收更具实际意义。
                               发明内容
本发明的目的是提供一种应用于CO2跨临界循环系统中的功回收装置，在实际的制冷、热泵设备中可有效的提高系统的COP，使CO2作为制冷剂更理想化。
本发明应用了热力学原理：高压气体膨胀是自发释放能量的过程，使由气体冷却器出来的超临界二氧化碳在进入膨胀机后，压力降低，容积增大，从而推动膨胀机内的偏心轮轴运动输出机械功。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，再从膨胀机出来进入蒸发器。
本发明的原理结构如附图1、附图2所示。二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀机，具有底座1、缸体2、套筒3、偏心轮轴4、滑片5、上、下端盖6和高压机械密封13等组成。机座7与底座1之间密封，组成一个总内腔(膨胀机内腔)。由上、下端盖6将总内腔隔开，形成一个高压腔二个低压腔。上、下端盖6之间为高压腔A，机座7与上端盖之间为低压腔B，下端盖与底座1之间为低压腔C。两个低压腔B、C由输油管8和偏心轮轴4相连通；滑片5紧压在套筒3上，将高压腔分成两部分。钟形件9与偏心轮轴4用键槽连接，在钟形件9的外侧固定一凸轮10。凸轮10为圆柱型凸轮，其轮廓线按照从动件——滑阀的运动规律设计，选择滑阀的运动规律为正弦加速度形式。凸轮10凹面的圆心角在95～140°之间，可根据二氧化碳的物理性质以及实际的工况范围进行选择。凸轮10随偏心轮轴4同步旋转，使其滑阀11做上下运动，用以控制膨胀机的进气，凸轮10与滑阀11之间配有高速轴承12，机械密封13固定在偏心轮轴4上，将旋转过程中的轴向密封转变为端面密封，解决了轴向的泄漏问题。底座1的内腔注入润滑油，形成油池，偏心轮轴4设计为空心，上端部被封死。通过偏心轮轴4上的导油槽14和导油孔15以及其下部的叶片16将润滑油由下向上吸入上端盖上面的低压腔B，再通过输油管8送回底座1的油池中。滑阀11为空心，质量较小，可减少惯性力，并且可以减小开关过程的时间延迟，滑阀上的通孔为矩形，其底部装有弹簧17，可调节松紧。附图1中18为进气管，附图2中的19是进气口，20是排气口。
                               附图说明
附图1为本发明结构示意图。
附图2为附图1的E-E剖面结构图及凸轮结构图。
附图3为带膨胀机的CO2跨临界循环系统流程图
                               具体实施方式
本发明在附图3中为虚线框部分。安装时，按照附图3将二氧化碳跨临界制冷循环转子式膨胀机与气体冷却器21、蒸发器22相连接，即将吸气管口19与气体冷却器的出口相连，将排气口20与蒸发器22的入口相连。二氧化碳从蒸发器22出来，经过气液分离器23送入压缩机内进行压缩，压缩后的高压二氧化碳进入气体冷却器中冷却，然后再次进入二氧化碳膨胀机中膨胀，如此循环往复。偏心轮轴输出的机械功可与测功装置相连，也可与压缩机24相连，二者成同轴旋转，并用隔音罩将其罩住。这样可以在一个紧凑的结构下，将膨胀机回收的机械功直接提供给压缩机，也能较好的解决密封、噪声和振动等问题。
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18进入缸体2内，此时滑阀11处于开启状态，高压流体进入缸体后推动套筒3转动，并驱动偏心轮轴4按附图2所示方向旋转。偏心轮轴带动钟形件9和凸轮10旋转，当凸轮旋转到凹面结束的角度时，由于凸轮端面形状的改变使得滑阀11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二氧化碳继续推动偏心轮轴和套筒转动，当套筒转到缸体排气口位置时，压力降低到排气压力(30～40MPa)，高压二氧化碳变为气液两相流体，由排气口20排出，上述的所有旋转部件均旋转一周。在下一循环中，凸轮的转动又将滑阀11打开，使得高压二氧化碳再次由进气管进入缸体2内，如此反复运动，达到输出轴功的目的。
本发明的有益效果是：结构简单，体积小，重量轻，运行安全可靠，并配有功率测量系统，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机，具有底座(1)、缸体(2)、套筒(3)、偏心轮轴(4)、滑片(5)、上、下端盖(6)和高压机械密封(13)组成，其特征是机座(7)与底座(1)之间密封，组成一个总内腔(膨胀机内腔)，由上、下端盖(6)将总内腔隔开，形成一个高压腔二个低压腔，上、下端盖(6)之间为高压腔，机座(7)与上端盖之间为低压腔，下端盖与底座(1)之间亦为低压腔，两个低压腔由偏心轮轴(4)和输油管(8)相连通，滑片(5)紧压在套筒(3)上，将高压腔分成两部分，钟形件(9)与偏心轮轴(4)用键槽连接，在钟形件(9)的外侧固定一凸轮(10)，凸轮(10)随偏心轮轴(4)同步旋转，使滑阀(11)做上下运动，用以控制膨胀机的进气，凸轮(10)与滑阀(11)之间配有高速轴承(12)，高压机械密封(13)固定在偏心轮轴(4)上，将旋转过程中的轴向密封转变为端面密封。
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机，其特征是所述的偏心轮轴(4)设计为空心，上端部被封死，所述的底座(1)其内腔注入润滑油，通过偏心轮轴(4)内壁的导油槽(14)和导油孔(15)以及其下部的叶片(16)将润滑油由下向上吸入上端盖上面的低压腔，再通过输油管(8)送回底座的油池中。
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机，其特征是所述的凸轮(10)为圆柱型凸轮，凸轮凹面的圆心角在95～140°之间。
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机，其特征是所述的滑阀(11)为空心，滑阀上的通孔为矩形，其底部装有弹簧(17)。
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