RU2811880C2 - Hybrid compressor and boiler for heat supply/output containing such hybrid compressor - Google Patents

Hybrid compressor and boiler for heat supply/output containing such hybrid compressor Download PDF

Info

Publication number
RU2811880C2
RU2811880C2 RU2021129103A RU2021129103A RU2811880C2 RU 2811880 C2 RU2811880 C2 RU 2811880C2 RU 2021129103 A RU2021129103 A RU 2021129103A RU 2021129103 A RU2021129103 A RU 2021129103A RU 2811880 C2 RU2811880 C2 RU 2811880C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
cylinder
piston
connecting rod
thermal
Prior art date
Application number
RU2021129103A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021129103A (en
Inventor
Жан-Марк ЖОФФРУА
Original Assignee
Бустхит
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Бустхит filed Critical Бустхит
Publication of RU2021129103A publication Critical patent/RU2021129103A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2811880C2 publication Critical patent/RU2811880C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: compressors.
SUBSTANCE: hybrid compressor (8) for compressing the working medium, wherein the compressor contains the first cylinder (1) and the second cylinder (2), connected to each other mechanically through a connecting rod-crank system (5) and pneumatically through a connecting circuit (12), possibly with an optional valve (4), a reversible electric machine (6), wherein the first cylinder includes the first piston (81) that separates the first chamber (Ch1) from the second chamber (Ch2), wherein the second cylinder contains the second piston (82) that separates the third chamber (Ch3) from the fourth chamber (Ch4), which can come into thermal contact with the heat source (21), thus creating a cyclic movement in the second cylinder, and, as for the connecting rod-crank system (5), then the first piston and the second piston are connected to the rotor (52) through the corresponding first and second connecting rod and crank mechanisms (91, 92) with a predetermined angular displacement (θd), with the first cylinder equipped with check valves (61, 62), with the power produced in the second cylinder being transmitted to the first cylinder primarily through the connecting circuit rather than through the connecting rod and crank system.
EFFECT: effective performance.
10 cl, 8 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к компрессорам для теплонасосного контура и, в частности, касается гибридного термодинамического компрессора, который может приводиться в действие термическим компрессором и/или реверсивной электрической машиной. Изобретение относится также к гибридным котлам, содержащим такой гибридный термодинамический компрессор.The invention relates to compressors for a heat pump circuit and, in particular, relates to a hybrid thermodynamic compressor, which can be driven by a thermal compressor and/or a reversible electrical machine. The invention also relates to hybrid boilers containing such a hybrid thermodynamic compressor.

Контекст и предшествующий уровень техникиContext and prior art

В известных решениях часто используют электрический двигатель для приведения во вращение компрессора, который образует рабочий элемент теплонасосного цикла.Known solutions often use an electric motor to drive a compressor, which forms the working element of the heat pump cycle.

Существуют также решения, основанные на двигателе внутреннего сгорания для приведения во вращение такого компрессора.There are also solutions based on an internal combustion engine to drive such a compressor.

Таким образом, конструкторы теплового оборудования обычно предлагают решения, позволяющие внедрять термодинамические решения, включающие в себя:Thus, thermal equipment designers typically provide solutions that enable the implementation of thermodynamic solutions that include:

1. Электрические тепловые насосы.1. Electric heat pumps.

2. Термические тепловые насосы.2. Thermal heat pumps.

3. Микрокогенерационные котлы.3. Micro-cogeneration boilers.

Заявитель ранее уже предложил использовать так называемый «термический» термодинамический компрессор нового типа в качестве рабочего элемента теплонасосного цикла.The applicant has previously proposed using a new type of so-called “thermal” thermodynamic compressor as a working element of the heat pump cycle.

Однако более предпочтительным представляется более гибкое решение в зависимости от условий использования теплонасосного контура и от наличия различных форм энергии для приведения в действие компрессора. В частности, в некоторые моменты необходимо иметь возможность производить электрическую энергию при помощи термического источника в качестве вспомогательного продукта (в этом случае говорят о «когенерации»), а в другие моменты - использовать электрическую энергию, не приводя в действие термический источник.However, a more flexible solution would be preferable depending on the conditions of use of the heat pump circuit and the availability of different forms of energy to drive the compressor. In particular, at some times it is necessary to be able to produce electrical energy using a thermal source as an auxiliary product (in which case one speaks of "cogeneration"), and at other times to use electrical energy without operating the thermal source.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Для решения этой задачи предложен гибридный термодинамический компрессор для сжатия рабочей среды, при этом компрессор по меньшей мере содержит:To solve this problem, a hybrid thermodynamic compressor is proposed for compressing the working medium, wherein the compressor at least contains:

- объемный цилиндр (также называемый “первый цилиндр”) (1) и термический цилиндр (также называемый “второй цилиндр”) (2), соединенные между собой механически через шатунно-кривошипную систему (5) и пневматически через соединительный контур (12),- a volumetric cylinder (also called the “first cylinder”) (1) and a thermal cylinder (also called the “second cylinder”) (2), connected to each other mechanically through a connecting rod-crank system (5) and pneumatically through a connecting circuit (12),

- реверсивную электрическую машину (6), соединенную с шатунно-кривошипной системой (5),- a reversible electric machine (6) connected to a connecting rod-crank system (5),

при этом объемный цилиндр содержит цилиндрический корпус с первым поршнем (81), который отделяет первую камеру (Ch1) от второй камеры (Ch2),wherein the volumetric cylinder contains a cylindrical body with a first piston (81), which separates the first chamber (Ch1) from the second chamber (Ch2),

при этом термический цилиндр содержит цилиндрический корпус с вторым поршнем (82), который отделяет третью камеру (Ch3), называемую холодной камерой, от четвертой камеры (Ch4), которая может входить в термический контакт с источником (21) тепла, становясь горячей камерой и создавая, таким образом, циклическое движение в термическом цилиндре, при этом соединительный контур соединяет вторую камеру с третьей камерой,wherein the thermal cylinder comprises a cylindrical body with a second piston (82) that separates a third chamber (Ch3), called the cold chamber, from a fourth chamber (Ch4), which can come into thermal contact with the heat source (21), becoming the hot chamber and thus creating a cyclic movement in the thermal cylinder, with a connecting circuit connecting the second chamber to the third chamber,

и, что касается шатунно-кривошипной системы (5), то первый поршень соединен с ротором (52) через первый шатунно-кривошипный механизм (91), а второй поршень соединен напрямую или опосредованно с указанным ротором через второй шатунно-кривошипный механизм (92) с заранее определенным угловым смещением (θd), создаваемым шатунно-кривошипной системой между циклом первого поршня и циклом второго поршня,and, as for the connecting rod and crank system (5), the first piston is connected to the rotor (52) through the first connecting rod and crank mechanism (91), and the second piston is connected directly or indirectly to said rotor through the second connecting rod and crank mechanism (92) with a predetermined angular displacement (θd) created by the connecting rod-crank system between the cycle of the first piston and the cycle of the second piston,

при этом объемный цилиндр оснащен впускным каналом с первым обратным клапаном (61) и выпускным каналом с вторым обратным клапаном (62) для подачи рабочей среды с вторым давлением (Pout),wherein the volumetric cylinder is equipped with an inlet channel with a first check valve (61) and an outlet channel with a second check valve (62) for supplying a working fluid with a second pressure (Pout),

при этом мощность, производимая в термическом цилиндре, передается в объемный цилиндр в основном через соединительный контур, а не через шатунно-кривошипную систему.in this case, the power produced in the thermal cylinder is transferred to the volumetric cylinder mainly through the connecting circuit, and not through the connecting rod and crank system.

Благодаря этим признакам, объемный цилиндр позволяет перекачивать рабочую среду в контексте теплонасосного цикла, при этом указанный объемный цилиндр приводится в движение под действием соединенного с ним термического цилиндра и/или при помощи электрической машины.Thanks to these features, the volumetric cylinder allows the pumping of a working medium in the context of a heat pump cycle, wherein said volumetric cylinder is driven by the action of a thermal cylinder connected thereto and/or by an electrical machine.

Следует отметить, что, как будет показано ниже, можно использовать одну и ту же рабочую среду в термическом цилиндре и в объемном цилиндре, а также в первичном контуре теплового насоса.It should be noted that, as will be shown below, it is possible to use the same working fluid in the thermal cylinder and in the volumetric cylinder, as well as in the primary circuit of the heat pump.

Следует также отметить, что, как будет показано ниже, объемный цилиндр может быть цилиндром простого действия или двойного действия. It should also be noted that, as will be shown below, the volumetric cylinder can be a single-acting or double-acting cylinder.

Необходимо отметить, что заранее определенное угловое смещение (θd) характеризует запаздывание объемного цикла по отношению к термическому циклу, и это заранее определенное угловое смещение может быть любым между 50° и 130°. Предпочтительно его можно получить за счет механической конструкции, в случае необходимости, с возможностью механического регулирования.It should be noted that the predetermined angular displacement (θd) characterizes the lag of the volumetric cycle with respect to the thermal cycle, and this predetermined angular displacement can be anything between 50° and 130°. Preferably it can be obtained by a mechanical structure, if necessary, with the possibility of mechanical adjustment.

Термин «первый обратный клапан» в данном случае обозначает впускной клапан компрессора. Термин «второй обратный клапан» в данном случае обозначает выпускной клапан компрессора.The term "first check valve" here refers to the inlet valve of the compressor. The term "second check valve" here refers to the compressor discharge valve.

Выражение «мощность, производимая в термическом цилиндре, передается в объемный цилиндр в основном через соединительный контур, а не через шатунно-кривошипную систему» означает, что более половины мощности, производимой в термическом цилиндре, проходит через пневматический соединительный контур, предпочтительно более 75% мощности, производимой в термическом цилиндре, проходит через пневматический соединительный контур.The expression "the power produced in the thermal cylinder is transmitted to the volume cylinder primarily through the coupling circuit rather than through the crank system" means that more than half of the power produced in the thermal cylinder passes through the pneumatic coupling circuit, preferably more than 75% of the power produced in the thermal cylinder passes through a pneumatic connecting circuit.

В различных вариантах выполнения изобретения, относящихся к системе, можно применять также один и/или другой из следующих признаков, рассматриваемых отдельно или в комбинации.In various embodiments of the invention related to the system, one and/or other of the following features, considered separately or in combination, can also be used.

Согласно предпочтительному признаку, можно использовать одну и ту же рабочую среду в термическом цилиндре и в объемном цилиндре, предпочтительно, но не ограничительно, в качестве рабочей среды можно выбрать СО2. Благодаря этому, даже если на уровне поршневых колец первого поршня происходят утечки, текучая среда не смешивается, так как с двух сторон от этого поршня присутствует одна и та же текучая среда. Это же относится и к второму поршню. Следовательно, требования герметичности между поршнем и гильзой являются намного менее критичными, чем в случае использования двух разных текучих сред.According to a preferred feature, the same working medium can be used in the thermal cylinder and in the volumetric cylinder, preferably, but not restrictively, CO2 can be selected as the working medium. Due to this, even if leaks occur at the level of the piston rings of the first piston, the fluid does not mix, since the same fluid is present on both sides of this piston. The same applies to the second piston. Consequently, the sealing requirements between piston and liner are much less critical than in the case of using two different fluids.

Согласно отличительному признаку, предусмотрены:According to the distinctive feature, the following are provided:

- электрический режим сжатия, в котором источник тепла отключен, и электрическая машина работает в режиме двигателя,- electric compression mode, in which the heat source is switched off and the electric machine operates in motor mode,

- термический режим сжатия, в котором активируют источник тепла, задающий импульсный цикл возвратно-поступательного движения в термическом цилиндре, при этом движение первого поршня обеспечивается возвратно-поступательным движением рабочей среды в соединительном контуре, и электрическая машина работает в режиме генератора.- thermal compression mode, in which a heat source is activated, which sets a pulse cycle of reciprocating motion in the thermal cylinder, while the movement of the first piston is ensured by the reciprocating movement of the working medium in the connecting circuit, and the electric machine operates in generator mode.

Следует отметить, что в каждом из двух режимов шатунно-кривошипная система передает только второстепенную часть термодинамической мощности, и, в частности, в термическом режиме сжатия шатунно-кривошипная система передает только второстепенную часть термодинамической мощности, тогда как основная часть проходит через соединительный контур.It should be noted that in each of the two modes, the connecting rod and crank system transmits only a minor part of the thermodynamic power, and, in particular, in the thermal compression mode, the connecting rod and crank system transmits only a minor part of the thermodynamic power, while the main part passes through the connecting circuit.

Согласно дополнительному признаку, можно также предусмотреть смешанный режим, в котором движение первого поршня в объемном цилиндре создается за счет теплового цикла в первой камере и электрической машиной, работающей в режиме двигателя. Это позволяет добиться общей гибкости переключения между тепловым источником и электрическим источником, и переключение может происходить практически в реальном времени.According to an additional feature, it is also possible to provide a mixed mode in which the movement of the first piston in the volumetric cylinder is created due to the thermal cycle in the first chamber and the electric machine operating in motor mode. This allows for overall flexibility in switching between a thermal source and an electrical source, and switching can occur in near real time.

Согласно отличительному признаку, заранее определенный сдвиг фазы (θd) составляет от 80° до 120°, предпочтительно около 95°, при этом объемный цикл запаздывает на этот заранее определенный сдвиг фазы по отношению к термическому цилиндру. Такое смещение позволяет получить оптимальный КПД.According to a feature, the predetermined phase shift (θd) is from 80° to 120°, preferably about 95°, with the volumetric cycle lagging this predetermined phase shift with respect to the thermal cylinder. This offset allows you to obtain optimal efficiency.

Согласно отличительному признаку, ход (Т1) первого поршня (81) может превышать ход (Т2) второго поршня (82). Это позволяет уравновесить термодинамическую мощность, создаваемую в термическом цилиндре, с объемной мощностью перекачки, применяемой в объемном цилиндре и в основном при рабочих давлениях.According to a distinctive feature, the stroke (T1) of the first piston (81) may exceed the stroke (T2) of the second piston (82). This allows the thermodynamic power generated in the thermal cylinder to be balanced with the volumetric pumping power applied in the volumetric cylinder and primarily at operating pressures.

Согласно другой конфигурации, ход (Т2) второго поршня (82) может превышать ход (Т1) первого поршня (81).According to another configuration, the stroke (T2) of the second piston (82) may exceed the stroke (T1) of the first piston (81).

Согласно конфигурации, рабочий объем термического цилиндра может составлять от 1 литра до 5 литров. Согласно конфигурации, рабочий объем объемного цилиндра может составлять от 1 литра до 5 литров.According to the configuration, the working volume of the thermal cylinder can be from 1 liter to 5 liters. According to the configuration, the working volume of the volumetric cylinder can be from 1 liter to 5 liters.

Согласно конфигурации, рабочий объем термического цилиндра может превышать рабочий объем объемного цилиндра. Согласно другой конфигурации, рабочий объем объемного цилиндра может превышать рабочий объем термического цилиндра. According to the configuration, the working volume of the thermal cylinder can exceed the working volume of the volumetric cylinder. According to another configuration, the working volume of the volumetric cylinder may exceed the working volume of the thermal cylinder.

Согласно отличительному признаку, можно предусмотреть следующую механическую компоновку: ось (Y1) объемного цилиндра и ось (Y2) термического цилиндра расположены по существу перпендикулярно друг к другу, при этом предусмотрено дополнительное смещение, благодаря положению соответствующих соединительных шатунных шеек первого шатунно-кривошипного механизма (91) и второго шатунно-кривошипного механизма (92). Благодаря этим признакам и при угловом смещении около 90°, можно получить вращающийся ротор с соответствующими шатунными шейками для каждого цилиндра с близкими и даже идентичными угловыми положениями.According to a distinctive feature, the following mechanical arrangement can be provided: the axis (Y1) of the volume cylinder and the axis (Y2) of the thermal cylinder are located essentially perpendicular to each other, while additional displacement is provided due to the position of the corresponding connecting crankpins of the first connecting rod-crank mechanism (91 ) and the second connecting rod-crank mechanism (92). Thanks to these features and at an angular displacement of about 90°, it is possible to obtain a rotating rotor with corresponding crankpins for each cylinder with close and even identical angular positions.

Согласно варианту, называемому объемным компрессором «простого действия», объемный цилиндр используют с простым действием, и для всасывания и нагнетания используют только первую камеру (Ch1), тогда как вторая камера работает только в возвратно-поступательном режиме с третьей камерой через соединительный контур (12), при этом впускной канал с первым обратным клапаном (61) и выпускной канал с вторым обратным клапаном (62) соединены с первой камерой.According to a variant called "single action" positive displacement compressor, a positive displacement cylinder is used with a single action, and only the first chamber (Ch1) is used for suction and discharge, while the second chamber only works in reciprocating mode with the third chamber through the connecting circuit (12 ), while the inlet channel with the first check valve (61) and the outlet channel with the second check valve (62) are connected to the first chamber.

Согласно варианту, называемому объемным компрессором «двойного действия», объемный цилиндр используют с двойным действием с соединительным контуром (12), который в этом случае селективно соединяет через вентиль (4) вторую камеру с третьей камерой, и предусмотрен переход (7) из первой камеры во вторую камеру, при этом первая камера оснащена впускным каналом с первым обратным клапаном (61) для впуска рабочей среды при первом давлении (Pin), при этом переход содержит буферный объем (3) с третьим обратным клапаном (63) между первой камерой (Ch1) и буферным объемом и с четвертым обратным клапаном (64) между буферным объемом и второй камерой (Ch2), при этом выпускной канал с вторым обратным клапаном (62) соединены с второй камерой.According to a variant called a "double acting" positive displacement compressor, a positive displacement cylinder is used in double action with a connecting circuit (12), which in this case selectively connects the second chamber to the third chamber via a valve (4), and a transition (7) from the first chamber is provided into the second chamber, wherein the first chamber is equipped with an inlet channel with a first check valve (61) for inlet of the working fluid at the first pressure (Pin), while the transition contains a buffer volume (3) with a third check valve (63) between the first chamber (Ch1 ) and a buffer volume and with a fourth check valve (64) between the buffer volume and the second chamber (Ch2), while the outlet channel with the second check valve (62) is connected to the second chamber.

Благодаря такой конфигурации двойного действия, компрессор может, в случае необходимости, обеспечивать более высокую степень сжатия. Эта конфигурация позволяет также ослабить требования на поршневых кольцах.Thanks to this double-acting configuration, the compressor can provide a higher compression ratio if necessary. This configuration also makes it possible to relax the requirements on the piston rings.

Согласно дополнительному признаку двухступенчатой конфигурации, когда соединительный контур (12) оснащен таким вентилем (4), в электрическом режиме сжатия указанный вентиль (4) закрыт, источник тепла выключен, и электрическая машина работает в режиме двигателя, и в термическом режиме сжатия указанный вентиль (4) открыт, движение первого поршня обеспечивается возвратно-поступательным движением рабочей среды в соединительном контуре, и электрическая машина работает в режиме генератора.According to an additional feature of the two-stage configuration, when the connecting circuit (12) is equipped with such a valve (4), in the electric compression mode, said valve (4) is closed, the heat source is turned off, and the electric machine operates in the motor mode, and in the thermal compression mode, said valve ( 4) is open, the movement of the first piston is ensured by the reciprocating movement of the working medium in the connecting circuit, and the electric machine operates in generator mode.

Согласно дополнительному признаку одноступенчатой конфигурации, соединительный контур (12) может быть тоже оснащен таким вентилем (4) с идентичной работой в электрическом и термическом режимах.According to an additional feature of the single-stage configuration, the connecting circuit (12) can also be equipped with such a valve (4) with identical operation in electrical and thermal modes.

Согласно отличительному признаку, шток поршня объемного цилиндра может иметь диаметр, превышающий диаметр штока поршня термического цилиндра. В этих условиях можно наблюдать эффект повышения давления, связанный с уменьшением площади.According to a distinctive feature, the piston rod of the volumetric cylinder may have a diameter greater than the diameter of the piston rod of the thermal cylinder. Under these conditions, one can observe the effect of increasing pressure associated with a decrease in area.

Объектом настоящего изобретения является также термодинамический котел для подачи/удаления калорий в/из соответствующего помещения, содержащий описанный выше гибридный термический компрессор, при этом термический компрессор обеспечивает функцию сжатия контура типа реверсивного теплового насоса, содержащего по меньшей мере один общий контур рабочей среды, дроссельный вентиль и по меньшей мере одно внешнее устройство.An object of the present invention is also a thermodynamic boiler for supplying/removing calories to/from a corresponding room, comprising the above-described hybrid thermal compressor, wherein the thermal compressor provides a compression function for a reversible heat pump type circuit comprising at least one common working fluid circuit, a throttle valve and at least one external device.

Согласно варианту, котел может представлять собой когенерационную машину с производством электричества.According to an embodiment, the boiler may be a cogeneration machine producing electricity.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Другие аспекты, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания варианта выполнения изобретения, представленного в качестве не ограничительного примера. Изобретение будет более понятно при рассмотрении прилагаемых чертежей, на которых:Other aspects, objects and advantages of the invention will become more apparent from the following description of an embodiment of the invention, presented by way of non-limiting example. The invention will be better understood by reference to the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1 - диаграмма заявленного гибридного термодинамического компрессора в одноступенчатой версии перекачки, при этом компоненты схематично показаны в плоскости. Fig. 1 is a diagram of the claimed hybrid thermodynamic compressor in a single-stage pumping version, with the components shown schematically in a plane.

Фиг. 2 - вид, аналогичный фиг. 1, в двухступенчатой версии объемного компрессора.Fig. 2 is a view similar to FIG. 1, in a two-stage positive displacement compressor version.

Фиг. 3 - конструктивный вариант выполнения компрессора с термическим цилиндром, расположенным перпендикулярно к объемному цилиндру.Fig. 3 - a design variant of a compressor with a thermal cylinder located perpendicular to the volumetric cylinder.

Фиг. 4 - вариант выполнения, аналогичный варианту, показанному на фиг. 2, вид со стороны шатунно-кривошипной системы и в направлении объемного цилиндра.Fig. 4 is an embodiment similar to that shown in FIG. 2, view from the side of the connecting rod-crank system and in the direction of the volumetric cylinder.

Фиг. 5 - диаграмма цикла с давлениями и ходами на оси ординат для одноступенчатой версии.Fig. 5 - cycle diagram with pressures and strokes on the ordinate axis for the single-stage version.

Фиг. 6 - диаграмма термодинамического цикла термического цилиндра.Fig. 6 - diagram of the thermodynamic cycle of a thermal cylinder.

Фиг. 7 - диаграмма цикла с давлениями и ходами на оси ординат для двухступенчатой версии.Fig. 7 - cycle diagram with pressures and strokes on the ordinate axis for the two-stage version.

Фиг. 8 - общий схематичный вид системы реверсивного теплового насоса.Fig. 8 is a general schematic view of a reversible heat pump system.

Описание вариантов выполненияDescription of embodiments

На различных фигурах идентичные или подобные элементы имеют одинаковые обозначения. Для большей ясности некоторые элементы показаны не в масштабе.In different figures, identical or similar elements have the same designations. For clarity, some elements are not shown to scale.

Общие положения, компрессорный тепловой насосGeneral provisions, compressor heat pump

На фиг. 8 показана теплонасосная система, содержащая гибридный термический компрессор 8, который будет более подробно описан ниже. Компрессор 8 выполняет функцию сжатия в контуре типа теплового насоса, который может быть реверсивным, как показано в данном случае, или не реверсивным.In fig. 8 shows a heat pump system comprising a hybrid thermal compressor 8, which will be described in more detail below. Compressor 8 performs the compression function in a heat pump type circuit, which may be reversible, as shown here, or non-reversible.

Такая теплонасосная система содержит контур 85 циркуляции теплоносителя, первый теплообменник 87, второй теплообменник 88 и дроссельный вентиль 86, который выполняет обратную роль по отношению к компрессору. В случае реверсивной системы дроссельный вентиль 86 может быть сдвоенным, при этом каждая его часть работает в одном направлении и является нерабочей в другом. Четырехходовой вентиль 89 позволяет менять направление циркуляции текучей среды на обратное в теплообменниках и дроссельном вентиле. В первой конфигурации система отбирает калории на первом теплообменнике 87 и отдает эти калории на второй теплообменник 88, а в противоположной конфигурации система отбирает калории на втором теплообменнике 88 и отдает эти калории на первый теплообменник 87.Such a heat pump system includes a coolant circulation circuit 85, a first heat exchanger 87, a second heat exchanger 88 and a throttle valve 86, which plays the opposite role in relation to the compressor. In the case of a reversible system, the throttle valve 86 may be dual, with each part operating in one direction and inoperative in the other. The four-way valve 89 allows the direction of fluid circulation to be reversed in the heat exchangers and throttle valve. In the first configuration, the system takes calories from the first heat exchanger 87 and delivers those calories to the second heat exchanger 88, and in the opposite configuration, the system takes calories from the second heat exchanger 88 and delivers those calories to the first heat exchanger 87.

Нас интересует, в частности, случай котла, включающего в себя функцию теплового насоса с отбором калорий на внешнем устройстве и с подачей этих калорий в соответствующее помещение или жилище.We are interested in particular in the case of a boiler that includes the function of a heat pump with the extraction of calories from an external device and the supply of these calories to the corresponding room or dwelling.

В этом случае предложенная система основана на гибридном термическом компрессоре 8, который будет детально описан ниже, с общим контуром рабочей среды (или «хладагента»), дроссельным вентилем и по меньшей мере одним внешним устройством. Котел содержит гибридный термический компрессор 8 для контура типа теплового насоса и может подавать в соответствующее помещение/жилище калории, получаемые от горелки.In this case, the proposed system is based on a hybrid thermal compressor 8, which will be described in detail below, with a common working fluid (or "coolant") circuit, a throttling valve and at least one external device. The boiler contains a hybrid thermal compressor 8 for a heat pump type circuit and can supply the corresponding room/dwelling with calories obtained from the burner.

Как правило, компрессор оснащен впускным каналом с первым обратным клапаном 61 (называемым в данной области «впускным клапаном») и выпускным каналом с вторым обратным клапаном 62 (называемым в данной области «выпускным клапаном»). По отношению к первичному контуру 85 компрессор всасывает рабочую среду через впускной канал при первом давлении Pin и выдает рабочую среду при втором давлении Pout через выпускной канал.Typically, the compressor is equipped with an inlet passage with a first check valve 61 (referred to in the art as an "inlet valve") and an outlet passage with a second check valve 62 (referred to in the art as a "discharge valve"). With respect to the primary circuit 85, the compressor draws in fluid through the inlet port at a first pressure Pin and discharges fluid at a second pressure Pout through the outlet port.

Компрессор - общие положения - объемный и термический цилиндрыCompressor - general provisions - volumetric and thermal cylinders

Гибридный термический компрессор 8 содержит объемный цилиндр (также называемый “первый цилиндр”) 1, термический цилиндр (также называемый “второй цилиндр”) 2 и реверсивную электрическую машину 6 (Д/Г от: Двигатель/Генератор, причем возможны обе функции).The hybrid thermal compressor 8 contains a volumetric cylinder (also called the “first cylinder”) 1, a thermal cylinder (also called the “second cylinder”) 2 and a reversible electric machine 6 (D/G from: Motor/Generator, both functions being possible).

Как будет показано ниже, объемный цилиндр 1 и термический цилиндр 2 соединены между собой механически через шатунно-кривошипную систему 5 и пневматически через соединительный контур 12.As will be shown below, the volumetric cylinder 1 and the thermal cylinder 2 are connected to each other mechanically through the connecting rod-crank system 5 and pneumatically through the connecting circuit 12.

Что касается объемного цилиндра 1, то он содержит первый поршень 81, который отделяет первую камеру Ch1 от второй камеры Ch2, к которым мы вернемся позже. Первый поршень 81 перемещается в цилиндрической гильзе 71, представляющей собой тело вращения вокруг первой оси Y1.As for the volumetric cylinder 1, it contains a first piston 81, which separates the first chamber Ch1 from the second chamber Ch2, which we will return to later. The first piston 81 moves in a cylindrical sleeve 71, which is a body of rotation about the first axis Y1.

Объемный цилиндр 1 образует по меньшей мере одну компрессорную ступень объемного типа для первичного контура 85 теплонасосной системы.The volumetric cylinder 1 forms at least one positive displacement compressor stage for the primary circuit 85 of the heat pump system.

Что касается термического цилиндра 2, то он содержат цилиндрический корпус с вторым поршнем 82, который отделяет третью камеру Ch3, называемую холодной камерой, от четвертой камеры Ch4. Первый поршень 81 перемещается в цилиндрической гильзе 72, представляющей собой тело вращения вокруг второй оси Y2.As for the thermal cylinder 2, it contains a cylindrical body with a second piston 82, which separates the third chamber Ch3, called the cold chamber, from the fourth chamber Ch4. The first piston 81 moves in a cylindrical sleeve 72, which is a body of rotation about the second axis Y2.

Третья камера Ch3 может охлаждаться при помощи охлаждающего контура, символически показанного на фигурах под обозначением 26. The third chamber Ch3 can be cooled using a cooling circuit, symbolically shown in the figures under the designation 26.

Четвертая камера Ch4 может входить в термический контакт с источником 21 тепла, становясь горячей камерой и создавая, таким образом, циклическое движение в термическом цилиндре.The fourth chamber Ch4 may come into thermal contact with the heat source 21, becoming a hot chamber and thereby creating cyclic motion in the thermal cylinder.

Третья и четвертая камеры Ch3, Ch4 пневматически сообщаются через наружный контур с гильзой, в которой перемещается второй поршень 82. В частности, предусмотрен регенератор 29, который поддерживает температурный градиент между холодной частью и горячей частью.The third and fourth chambers Ch3, Ch4 are in pneumatic communication through an external circuit with a sleeve in which the second piston 82 moves. In particular, a regenerator 29 is provided, which maintains a temperature gradient between the cold part and the hot part.

Ось Y2 является вертикальной вместе с четвертой камерой, расположенной над третьей камерой Ch3.The Y2 axis is vertical along with the fourth chamber located above the third chamber Ch3.

Снаружи цилиндра 72 предусмотрен проход, позволяющий перепускать текучую среду из третьей камеры в четвертую и наоборот. В частности, в верхней части четвертой камеры Ch4 предусмотрено отверстие 23 для впуска/выпуска текучей среды, затем кольцевой проход 24 в горячей части до регенератора 29.A passage is provided on the outside of the cylinder 72 to allow fluid to pass from the third chamber to the fourth chamber and vice versa. In particular, in the upper part of the fourth chamber Ch4 there is an opening 23 for fluid inlet/outlet, then an annular passage 24 in the hot part to the regenerator 29.

Проход продолжен под регенератором кольцевым проходом 25 в холодной части, который выходит через низ в холодную камеру. В этом месте проход соединен также с наружным входным-выходным отверстием 27. The passage is continued under the regenerator by an annular passage 25 in the cold part, which exits through the bottom into the cold chamber. At this point, the passage is also connected to the external inlet-outlet hole 27.

Устройство и работа такого термического регенерирующего компрессора описаны в документе WO2014/202885, поданном на имя заявителя, и сведения из этого документа будут использованы при описании принципа и работы такого термического регенерирующего компрессора.The structure and operation of such a thermal regeneration compressor is described in document WO2014/202885 filed in the name of the applicant, and information from this document will be used in describing the principle and operation of such a thermal regeneration compressor.

Отличие от этого документа состоит в том, что в данном случае в холодной камере Ch3 нет отдельных всасывающего входа и нагнетательного выхода, а есть только соединение наружу, которое последовательно производит всасывание и нагнетание при возвратно-поступательном движении текучей среды в соединительном контуре 12.The difference from this document is that in this case, in the cold chamber Ch3 there is no separate suction inlet and discharge outlet, but only an outward connection that sequentially produces suction and discharge as the fluid flows back and forth in the connecting circuit 12.

Благодаря регенератору 29, разность температуры между четвертой камерой Ch4 и третьей камерой Ch3 остается выше 500°С. Как правило, четвертая камера находится при температуре около 600°С, тогда как третья камера остается примерно при 50°С за счет системы охлаждения. Именно этот температурный градиент и его поддержание во времени способствуют приведению в действие термического регенерирующего компрессора.Thanks to the regenerator 29, the temperature difference between the fourth chamber Ch4 and the third chamber Ch3 remains above 500°C. Typically, the fourth chamber is at a temperature of about 600°C, while the third chamber remains at about 50°C due to the cooling system. It is this temperature gradient and its maintenance over time that drives the thermal regenerative compressor.

Горячий источник 21 является горелкой, например, газовой горелкой. Вместе с тем, можно отметить, что горячий источник может сжигать любой другой тип топлива, кроме газа. В других конфигурациях горячий источник может быть источником тепла другого типа, солнечным или иным, без горения. Предпочтительно используют не ископаемое топливо.The hot source 21 is a burner, such as a gas burner. However, it can be noted that a hot spring can burn any other type of fuel except gas. In other configurations, the hot source may be another type of heat source, solar or otherwise, without combustion. Preferably non-fossil fuels are used.

Соединительный контур 12 селективно соединяет вторую камеру Ch2 с третьей камерой Ch3. Вентиль 4, являющийся факультативным в некоторых случаях, как будет показано ниже, позволяет селективно перекрывать или открывать проход текучей среды между второй камерой Ch2 и третьей камерой Ch3. Вентиль 4 может быть электрическим или может управляться вручную.The connecting circuit 12 selectively connects the second chamber Ch2 to the third chamber Ch3. Valve 4, which is optional in some cases as will be shown below, allows the passage of fluid between the second chamber Ch2 and the third chamber Ch3 to be selectively closed or opened. Valve 4 may be electrical or may be manually operated.

Следует заметить, что соединительный контур перепускает рабочую среду между второй и третьей камерами Ch2, Ch3, кроме того, в четвертую камеру Ch2 поступает та же текучая среда.It should be noted that the connecting circuit bypasses the working medium between the second and third chambers Ch2, Ch3; in addition, the same fluid enters the fourth chamber Ch2.

Кроме того, предпочтительно именно эту же текучую среду используют в первой камере Ch1. Благодаря использованию единой текучей среды, даже если появляются утечки на уровне поршневых колец 78, это не создает никакой проблемы, если не считать незначительного снижения эффективности, причем это касается как термического цилиндра, так и объемного цилиндра.Moreover, preferably the same fluid is used in the first chamber Ch1. Thanks to the use of a single fluid, even if leaks occur at the level of the piston rings 78, this does not pose any problem other than a slight decrease in efficiency, both for the thermal cylinder and the volumetric cylinder.

Эту же текучую среду используют в первичном контуре 85 теплонасосной системы, описанной со ссылками на фиг. 8.The same fluid is used in the primary circuit 85 of the heat pump system described with reference to FIGS. 8.

Кроме первичного контура 85, могут существовать вспомогательные контуры (частично показаны пунктирной линией на фиг. 8), связанные между собой через теплообменники, но без какого-либо физического обмена текучей средой.In addition to the primary circuit 85, there may be auxiliary circuits (partially shown in dotted line in FIG. 8) connected to each other through heat exchangers, but without any physical exchange of fluid.

В качестве рабочей среды можно выбрать газ, предпочтительно, но не ограничительно СО2 (R744 на языке специалистов в области обогрева и охлаждения). Вместе с тем, принцип настоящего изобретения можно применять для других рабочих сред.The operating medium can be a gas, preferably, but not limited to, CO2 (R744 in the language of heating and cooling specialists). However, the principle of the present invention can be applied to other operating environments.

Шатунно-кривошипная система и механическая конструкцияConnecting rod and crank system and mechanical design

На фиг. 1 представлена схематичная диаграмма в плоскости термического компрессора в версии одноступенчатой перекачки. Компоненты показаны в плоскости для облегчения понимания. Здесь показаны два связанных во вращении ротора, соответственно с осями Х1 и Х2.In fig. 1 shows a schematic diagram in the plane of a thermal compressor in the single-stage pumping version. Components are shown flat for ease of understanding. Shown here are two rotors connected in rotation, respectively with axes X1 and X2.

На фиг. 3 и 4 представлены более реальные конфигурации с точки зрения промышленного решения.In fig. 3 and 4 show more realistic configurations from the point of view of an industrial solution.

Шатунно-кривошипная система 5 механически соединяет между собой объемный цилиндр 1 и термический цилиндр 2.The connecting rod-crank system 5 mechanically connects the volumetric cylinder 1 and the thermal cylinder 2.

В этом первом примере (фиг. 1) объемный цилиндр используют как цилиндр простого действия. Для всасывания и нагнетания текучей среды в первичный контур 85 используют только первую камеру Ch1. Вторая камера Ch2 работает только в возвратно-поступательном режиме с третьей камерой через соединительный контур 12. Вентиль 4 может отсутствовать.In this first example (FIG. 1), the volumetric cylinder is used as a single-acting cylinder. For suction and injection of fluid into the primary circuit 85, only the first chamber Ch1 is used. The second chamber Ch2 operates only in reciprocating mode with the third chamber through connecting circuit 12. Valve 4 may be missing.

Впускной канал с первым обратным клапаном 61 и выпускной канал с вторым обратным клапаном 62 соединены, оба, с первой камерой Ch1.The inlet passage with the first check valve 61 and the outlet passage with the second check valve 62 are both connected to the first chamber Ch1.

Компрессор - шатунно-кривошипная системаCompressor - connecting rod and crank system

Шатунно-кривошипная система 5 содержит ротор 5, установленный с возможностью вращения на картере компрессора вокруг оси Х. Этот ротор 8 образует коленчатый вал, но передает лишь незначительное механическое усилие в отличие от классического коленчатого вала.The connecting rod-crank system 5 contains a rotor 5 mounted for rotation on the compressor crankcase around the X-axis. This rotor 8 forms the crankshaft, but transmits only a slight mechanical force, unlike a classic crankshaft.

Этот ротор 5 выполнен в виде вращающейся детали с кривошипами; в частности, шатунные шейки расположены на расстоянии от оси Х. Первая шатунная шейка закреплена на роторе на расстоянии Т1/2 от оси Х; на этой первой шатунной шейке закреплена ножка первого шатуна 91. Вторая шатунная шейка закреплена на роторе на расстоянии Т2/2 от оси Х; на этой второй шатунной шейке закреплена ножка второго шатуна 92.This rotor 5 is made in the form of a rotating part with cranks; in particular, the connecting rod journals are located at a distance from the X axis. The first connecting rod journal is fixed to the rotor at a distance T1/2 from the X axis; the leg of the first connecting rod 91 is fixed to this first crankpin. The second crankpin is fixed to the rotor at a distance T2/2 from the X axis; the leg of the second connecting rod 92 is fixed to this second connecting rod journal.

Первый шатун 91 соединен своей головкой с первым штоком, неподвижно соединенным с первым поршнем 81. Второй шатун 92 соединен своей головкой с вторым штоком, неподвижно соединенным с вторым поршнем 82.The first connecting rod 91 is connected by its head to the first rod, fixedly connected to the first piston 81. The second connecting rod 92 is connected by its head to the second rod, fixedly connected to the second piston 82.

Таким образом, Т1 является ходом первого поршня 81. Рабочий объем объемного цилиндра равен Т1 × S1, где S1 является сечением первой гильзы 71.Thus, T1 is the stroke of the first piston 81. The working volume of the volumetric cylinder is equal to T1 × S1, where S1 is the cross-section of the first liner 71.

Т2 является ходом второго поршня 82. Рабочий объем термического цилиндра равен Т2 × S2, где S2 является сечением второй гильзы 72.T2 is the stroke of the second piston 82. The working volume of the thermal cylinder is equal to T2 × S2, where S2 is the cross-section of the second sleeve 72.

В нижней мертвой точке первого поршня остаточный объем первой камеры Ch1 является очень малым, менее 5% рабочего объема, предпочтительно менее 2% рабочего объема.At the bottom dead center of the first piston, the residual volume of the first chamber Ch1 is very small, less than 5% of the displacement volume, preferably less than 2% of the displacement volume.

В верхней мертвой точке первого поршня остаточный объем второй камеры Ch2 тоже может быть небольшим, менее 5% рабочего объема, предпочтительно менее 2% рабочего объема.At the top dead center of the first piston, the residual volume of the second chamber Ch2 may also be small, less than 5% of the displacement volume, preferably less than 2% of the displacement volume.

Вместе с тем, в конкретной одноступенчатой конфигурации, поскольку вторую камеру Ch2 не используют для функции объемного сжатия, остаточный объем второй камеры Ch2 в верхней мертвой точке первого поршня может быть больше, например, от 5% до 15% рабочего объема.However, in a particular single-stage configuration, since the second chamber Ch2 is not used for the volumetric compression function, the residual volume of the second chamber Ch2 at the top dead center of the first piston may be larger, for example, 5% to 15% of the displacement volume.

В нижней мертвой точке второго поршня 82 остаточный объем третьей камеры Ch3 является незначительным, менее 4% рабочего объема, предпочтительно менее 2% рабочего объема. В верхней мертвой точке первого поршня остаточный объем четвертой камеры Ch4 тоже является незначительным, менее 4% рабочего объема, предпочтительно менее 2% рабочего объема.At the bottom dead center of the second piston 82, the residual volume of the third chamber Ch3 is small, less than 4% of the displacement volume, preferably less than 2% of the displacement volume. At the top dead center of the first piston, the residual volume of the fourth chamber Ch4 is also small, less than 4% of the displacement volume, preferably less than 2% of the displacement volume.

Первый поршень соединен с ротором через первый шатунно-кривошипный механизм 91, как показано на фиг. 1, с текущим положением θ1 относительно контрольного положения в нижней мертвой точке, обозначенного θ0.The first piston is connected to the rotor through a first crank mechanism 91, as shown in FIG. 1, with the current position θ1 relative to the reference position at bottom dead center, designated θ0.

Второй поршень соединен (опосредованно через ремень, как схематично показано «на плоскости» на фиг. 1 и 2) с ротором через второй шатунно-кривошипный механизм 92 с текущим положением θ2 относительно контрольного положения в нижней мертвой точке, обозначенного θ0.The second piston is connected (indirectly through a belt, as schematically shown "on the plane" in Figs. 1 and 2) to the rotor through a second crank mechanism 92 with a current position θ2 relative to the reference position at bottom dead center, designated θ0.

На фигурах вращение происходит по часовой стрелке для обоих шатунно-кривошипных механизмов. Объемный цикл 1 запаздывает на некоторый угол по отношению к термическому цилиндру 2.In the figures, rotation occurs clockwise for both connecting rod and crank mechanisms. Volumetric cycle 1 lags by a certain angle relative to thermal cylinder 2.

Отмечается наличие углового смещения θd между циклом первого поршня и циклом второго поршня.It is noted that there is an angular displacement θd between the cycle of the first piston and the cycle of the second piston.

Это угловое смещение θd определено заранее и конструктивно обеспечивается шатунно-кривошипной системой. Заранее определенный сдвиг фазы θd обычно выбирают таким образом, чтобы он находился в пределах от 80° до 120°. Авторы изобретения обнаружили, что оптимальное значение находится вблизи 95°, при этом объемный цикл запаздывает на этот заранее определенный сдвиг фазы по отношению к термическому цилиндру. Такое смещение позволяет получить оптимальный КПД.This angular displacement θd is determined in advance and is structurally ensured by the connecting rod and crank system. The predetermined phase shift θd is typically selected to be between 80° and 120°. The inventors have found that the optimal value is around 95°, with the volumetric cycle lagging by this predetermined phase shift relative to the thermal cylinder. This offset allows you to obtain optimal efficiency.

Как показано на фиг. 3 и 4, второй шатунно-кривошипный механизм 92 второго поршня 2 соединен напрямую с единым ротором 52, как и первый шатунно-кривошипный механизм 91. Ось Y1 объемного цилиндра и ось Y2 термического цилиндра расположены перпендикулярно друг к другу.As shown in FIG. 3 and 4, the second crank mechanism 92 of the second piston 2 is directly connected to the single rotor 52, as is the first crank mechanism 91. The volume cylinder axis Y1 and the thermal cylinder axis Y2 are arranged perpendicular to each other.

При таком расположении под прямым углом можно получить вращающийся ротор с соответствующими шатунными шейками для каждого цилиндра с близкими и даже идентичными угловыми положениями с соответствующим смещением шатунных шеек, которое выражается как θd - 90 (см. фиг. 3).With this right angle arrangement, it is possible to obtain a rotating rotor with corresponding crankpins for each cylinder at close and even identical angular positions with a corresponding crankpin offset, which is expressed as θd - 90 (see Fig. 3).

Как правило, получают реальное угловое смещение, близкое к 90°, и, следовательно, физическое смещение первой и второй шатунных шеек остается относительно небольшим, что позволяет механически обрабатывать такую деталь классическим способом и при разумных затратах.Typically, a real angular displacement of close to 90° is obtained, and therefore the physical displacement of the first and second crankpins remains relatively small, allowing such a part to be machined in a classical manner and at reasonable cost.

В варианте, вместо детали с классическими кривошипами можно использовать два связанных друг с другом эксцентрика, регулируемых по угловому положению относительно друг друга, чтобы регулировать заранее определенное угловое смещение θd в зависимости от применения.Alternatively, instead of a part with classical cranks, two interconnected eccentrics, adjustable in angular position relative to each other, can be used to adjust a predetermined angular displacement θd depending on the application.

Пневматический контур - одноступенчатая версияPneumatic circuit - single stage version

В одноступенчатой версии, показанной на фиг. 1, то есть в версии с простым действием, для всасывания и нагнетания используют только первую камеру Ch1. Первый обратный клапан 61 расположен на впускном канале и на выпускном канале вместе с вторым обратным клапаном 62, причем оба соединены с первой камерой.In the single stage version shown in FIG. 1, that is, in the simple-action version, only the first chamber Ch1 is used for suction and discharge. The first check valve 61 is located on the inlet port and on the outlet port together with the second check valve 62, both of which are connected to the first chamber.

В версии простого действия вторая камера Ch2 работает только в возвратно-поступательном режиме с третьей камерой Ch3 через соединительный контур 12.In the simple action version, the second chamber Ch2 operates only in reciprocating mode with the third chamber Ch3 via connecting circuit 12.

В этой конфигурации первая камера Ch1 всасывает рабочую среду через впускной канал при первом давлении Pin и выдает рабочую среду при втором давлении Pout через выпускной канал.In this configuration, the first chamber Ch1 sucks in the working fluid through the inlet port at the first pressure Pin and discharges the working fluid at the second pressure Pout through the outlet port.

Двухступенчатая версияTwo stage version

В этой конфигурации (см. фиг. 2 и 3) обе камеры объемного цилиндра используются для повышения давления от Pin до Pout.In this configuration (see Figs. 2 and 3), both chambers of the volumetric cylinder are used to increase the pressure from Pin to Pout.

Переход 7 соединяет первую камеру Ch1 с второй камерой Ch2. Первая камера оснащена впускным каналом с первым обратным клапаном 61, как было указано выше, для впуска рабочей среды при первом давлении Pin. Выпускной канал с вторым обратным клапаном 62 соединен в данном случае с второй камерой Ch2.Transition 7 connects the first chamber Ch1 with the second chamber Ch2. The first chamber is equipped with an inlet port with a first check valve 61, as described above, for inlet of the working fluid at the first pressure Pin. The outlet channel with the second check valve 62 is connected in this case to the second chamber Ch2.

Переход 7 содержит буферный объем 3. Переход содержит третий обратный клапан 63 для перепускания текучей среды из первой камеры Ch1 в буферный объем 3 и четвертый обратный клапан 64 для перепускания текучей среды из буферного объема 3 во вторую камеру Ch2. Выпускной канал вместе с обратным клапаном 62 соединен с второй камерой.The transition 7 contains a buffer volume 3. The transition contains a third check valve 63 for bypassing the fluid from the first chamber Ch1 into the buffer volume 3 and a fourth check valve 64 for bypassing the fluid from the buffer volume 3 into the second chamber Ch2. The outlet channel, together with the check valve 62, is connected to the second chamber.

Буферный объем 3 имеет достаточную емкость, чтобы объем, подаваемый и извлекаемый во время цикла оборота ротора, представлял собой количество текучей среды не более 10% объема, присутствующего в буферном объеме 3.The buffer volume 3 has sufficient capacity so that the volume supplied and extracted during the rotation cycle of the rotor represents an amount of fluid no more than 10% of the volume present in the buffer volume 3.

Работа и управлениеOperation and management

Компрессор называют «гибридным»; действительно, он может работать по меньшей мере в двух следующих рабочих режимах: электрическим и термическом.The compressor is called “hybrid”; indeed, it can operate in at least the following two operating modes: electrical and thermal.

Электрический режим: речь идет об электрическом режиме сжатия, в котором источник 21 тепла выключен, электрическая машина работает в режиме двигателя, и вентиль 4 (если он присутствует) закрыт. В этом электрическом режиме в термическом цилиндре мощность не производится. Отмечается, что термический цилиндр 2 не имеет специального тормоза, второй поршень работает в простом режиме перемещения.Electrical mode: This is an electrical compression mode in which the heat source 21 is turned off, the electric machine operates in motor mode, and valve 4 (if present) is closed. In this electrical mode, no power is produced in the thermal cylinder. It is noted that thermal cylinder 2 does not have a special brake; the second piston operates in a simple movement mode.

Термический и когенерационный режим: речь идет о термическом режиме сжатия, в котором вентиль 4 открыт (при его наличии), источник 21 тепла активирован и выдает пульсирующий возвратно-поступательный цикл в термическом цилиндре 2, при этом движение первого поршня 81 зависит от возвратно-поступательного движения рабочей среды в соединительном контуре, и в котором шатунно-кривошипная система 5 передает только второстепенную часть термодинамической мощности, и электрическая машина работает в режиме генератора.Thermal and cogeneration mode: we are talking about thermal compression mode, in which valve 4 is open (if present), heat source 21 is activated and produces a pulsating reciprocating cycle in thermal cylinder 2, while the movement of the first piston 81 depends on the reciprocating movement of the working medium in the connecting circuit, and in which the connecting rod-crank system 5 transmits only a minor part of the thermodynamic power, and the electric machine operates in generator mode.

В этой конфигурации мощность, производимая в термическом цилиндре 2, передается в объемный цилиндр 1 в основном через соединительный контур 12, а не через шатунно-кривошипную систему 5. Как правило, в объемный цилиндр 1 через соединительный контур 12 может передаваться не более 60% мощности, производимой в термическом цилиндре 2.In this configuration, the power produced in the thermal cylinder 2 is transferred to the volume cylinder 1 mainly through the connecting circuit 12, rather than through the connecting rod-crank system 5. Typically, no more than 60% of the power can be transferred to the volume cylinder 1 through the connecting circuit 12 produced in thermal cylinder 2.

Согласно одной конфигурации, логическая схема управления может задавать двоичный выбор, а именно исключительно либо электрический режим, либо термический режим.In one configuration, the control logic may specify a binary choice of either electrical mode or thermal mode exclusively.

Согласно другой конфигурации, логическая схема управления может применять смешанный режим при любом участии термического источника и электрического источника. Таким образом, можно использовать локальный электрический излишек, дополняемый калориями от термического источника, для приведения в действие компрессора.According to another configuration, the control logic may apply a mixed mode with any participation of a thermal source and an electrical source. In this way, the local electrical surplus, supplemented by calories from a thermal source, can be used to drive the compressor.

На фиг. 6 показана термодинамическая работа термического регенерирующего компрессора. Каждая из различных фаз А, В, С, D иллюстрирует перемещение в диаграмме давления в зависимости от температуры. Каждая из различных фаз А, В, С, D соответствует четверти цикла второго поршня, как показано на фиг. 1, 2 и 3.In fig. Figure 6 shows the thermodynamic operation of a thermal regeneration compressor. Each of the different phases A, B, C, D illustrates movement in the diagram of pressure versus temperature. Each of the different phases A, B, C, D corresponds to a quarter cycle of the second piston, as shown in FIG. 1, 2 and 3.

Как более подробно описано в вышеупомянутом документе WO2014/202885, площадь, охватываемая кривой 94 (цикл ABCD) на фиг. 6, представляет собой термодинамическую работу, обеспечиваемую термическим цилиндром 2.As described in more detail in the aforementioned document WO2014/202885, the area covered by curve 94 (cycle ABCD) in FIG. 6 represents the thermodynamic work provided by thermal cylinder 2.

На фиг. 5 рассмотрен установившийся режим в одноступенчатой конфигурации, при этом диаграмма ходов и давлений показывает, что давление Р2 в термическом цилиндре 2 меняется от P2min, когда температура текучей среды находится на своем минимуме в термическом цилиндре 2, до P2max, когда температура текучей среды находится на своем максимуме. Pmax достигается вблизи нижней мертвой точки поршня 82. Pmin достигается вблизи верхней мертвой точки поршня 82.In fig. 5 considers the steady state in a single-stage configuration, while the stroke and pressure diagram shows that the pressure P2 in thermal cylinder 2 changes from P2min, when the fluid temperature is at its minimum in thermal cylinder 2, to P2max, when the fluid temperature is at its maximum. Pmax is achieved near the bottom dead center of the piston 82. Pmin is achieved near the top dead center of the piston 82.

В одноступенчатой конфигурации давления Pmin и Pmax не связаны обязательным отношением со значениями давлений Pin и Pout.In a single-stage configuration, the pressures Pmin and Pmax are not necessarily related to the pressure values Pin and Pout.

В термическом режиме термическую мощность и, следовательно, амплитуду P2max-P2min, а также сечение поршня рассчитывают таким образом, чтобы термическая мощность превышала или была равна мощности перекачки, развиваемой в объемном цилиндре 1.In thermal mode, the thermal power and, therefore, the amplitude P2max-P2min, as well as the piston cross-section, are calculated in such a way that the thermal power exceeds or is equal to the pumping power developed in volumetric cylinder 1.

Следовательно: W2 > W1, гдеTherefore: W2 > W1, where

W1 обозначает мощность перекачки, развиваемую в объемном цилиндре 1, и W2 обозначает термодинамическую мощность, развиваемую в термическом цилиндре 2. Мощность, генерируемая термическим цилиндром, пропорциональна его среднему давлению (P2max+P2min)/2.W1 denotes the pumping power developed in the volumetric cylinder 1 and W2 denotes the thermodynamic power developed in the thermal cylinder 2. The power generated by the thermal cylinder is proportional to its average pressure (P2max+P2min)/2.

Если W6 обозначает движущую силу электрической машины 6, то в термическом режиме можно записать: W1 = W2 + W6, и с учетом W2 > W1 получаем отрицательное W6. W6 представляет собой когенерационную мощность.If W6 denotes the driving force of the electric machine 6, then in thermal mode we can write: W1 = W2 + W6, and taking into account W2 > W1 we get negative W6. W6 represents cogeneration capacity.

В электрическом режиме W2=0 (источник 21 выключен, и вентиль 4 закрыт), и электрическая машина работает в режиме двигателя, следовательно, W1 = W6. Контроллер электрической машины регулирует командные сигналы, чтобы достичь заданного значения скорости, например, на работе объемного цилиндра 1.In electrical mode, W2=0 (source 21 is off and valve 4 is closed), and the electric machine operates in motor mode, hence W1 = W6. The electric machine controller adjusts the command signals to achieve a set speed value, for example, when operating volumetric cylinder 1.

В одноступенчатой конфигурации вентиль 4 может присутствовать или отсутствовать. В электрическом режиме можно использовать камеры Ch3 и Ch4 в качестве компенсационных камер, связанных с второй камерой Ch2. В противном случае можно предусмотреть достаточный остаточный объем Ch2 в верхней мертвой точке первого поршня 81.In a single-stage configuration, valve 4 may or may not be present. In electric mode, it is possible to use chambers Ch3 and Ch4 as compensation chambers connected to the second chamber Ch2. Otherwise, it is possible to provide a sufficient residual volume Ch2 at the top dead center of the first piston 81.

На фиг. 7 рассмотрен устоявшийся режим в двухступенчатой конфигурации, диаграмма ходов и давлений показывает, что давление Р3 является относительно стабильным. Давление P2max по существу соответствует давлению Pout. Давление P2min по существу соответствует давлению Р3.In fig. Figure 7 shows the steady-state mode in a two-stage configuration; the stroke and pressure diagram shows that pressure P3 is relatively stable. The pressure P2max essentially corresponds to the pressure Pout. The pressure P2min essentially corresponds to the pressure P3.

Давление Р1 меняется от Pin до Р3. Давление Р2 меняется от Р3 до Pout.Pressure P1 changes from Pin to P3. The pressure P2 changes from P3 to Pout.

На фиг. 7 показаны последовательные открывания четырех обратных клапанов 61, 62, 63, 64. Открывание каждого клапана показано на фиг. 7 жирной горизонтальной линией, соответствующей номеру клапана.In fig. 7 shows the sequential openings of four check valves 61, 62, 63, 64. The opening of each valve is shown in FIG. 7 with a thick horizontal line corresponding to the valve number.

Отмечается последовательное открывание вентилей 61, затем 62, затем 63, затем 64 с перекрыванием во времени, которое может более или менее значительным в зависимости от соответствующей калибровки обратных клапанов.There is a sequential opening of valves 61, then 62, then 63, then 64 with an overlap in time, which may be more or less significant depending on the corresponding calibration of the check valves.

В верхней части фигуры соответствующие положения поршней 81, 82 показывают заранее определенное угловое смещение θd, в данном случае с запаздыванием объемного цилиндра на 90°.In the upper part of the figure, the respective positions of the pistons 81, 82 show a predetermined angular displacement θd, in this case with a retardation of the volume cylinder by 90°.

В примере, представленном на фиг. 7, Pin составляет около 25 бар, Р3 составляет около 50 бар, Pout составляет около 75 бар.In the example shown in FIG. 7, Pin is about 25 bar, P3 is about 50 bar, Pout is about 75 bar.

В примере, представленном на фиг. 5, Pin составляет около 25 бар, Pout составляет около 65 бар.In the example shown in FIG. 5, Pin is about 25 bar, Pout is about 65 bar.

Другие положенияOther provisions

Что касается давлений в целом, то, как правило, Pin составляет от 15 до 40 бар, и, как правило, Pout составляет от 60 до 90 бар.For pressures in general, generally Pin is between 15 and 40 bar, and generally Pout is between 60 and 90 bar.

Рабочие объемы можно выбирать в зависимости от потребности в мощности. В некоторых типичных случаях рабочий объем термического цилиндра может составлять от 1 литра до 5 литров. В зависимости от конфигурации рабочий объем объемного цилиндра может составлять от 1 литра до 5 литров.Displacement volumes can be selected depending on power requirements. In some typical cases, the working volume of the thermal cylinder can be from 1 liter to 5 liters. Depending on the configuration, the working volume of the volumetric cylinder can range from 1 liter to 5 liters.

В некоторых типичных случаях ход Т1 превышает Т2. В некоторых других типичных случаях сечение S1 превышает S2.In some typical cases, the T1 stroke exceeds T2. In some other typical cases, the cross section S1 is larger than S2.

В некоторых типичных случаях буферный объем 3 может составлять от 10 литров до 25 литров.In some typical cases, the buffer volume 3 can range from 10 liters to 25 liters.

Следует отметить, что в двухступенчатой версии требования герметичности на уровне поршневых колец 78 могут быть ослаблены, так как средние давления с двух сторон от поршня 81 являются одинаковыми.It should be noted that in the two-stage version, the sealing requirements at the level of the piston rings 78 can be relaxed since the average pressures on both sides of the piston 81 are the same.

Claims (20)

1. Гибридный компрессор (8) для сжатия рабочей среды, при этом компрессор по меньшей мере содержит:1. Hybrid compressor (8) for compressing the working fluid, wherein the compressor at least contains: - первый цилиндр (1) и второй цилиндр (2), соединенные между собой механически через шатунно-кривошипную систему (5) и пневматически через соединительный контур (12),- the first cylinder (1) and the second cylinder (2), connected to each other mechanically through a connecting rod-crank system (5) and pneumatically through a connecting circuit (12), - реверсивную электрическую машину (6), соединенную с шатунно-кривошипной системой (5),- a reversible electric machine (6) connected to a connecting rod-crank system (5), при этом первый цилиндр содержит цилиндрический корпус с первым поршнем (81), который отделяет первую камеру (Ch1) от второй камеры (Ch2),wherein the first cylinder contains a cylindrical body with a first piston (81), which separates the first chamber (Ch1) from the second chamber (Ch2), при этом второй цилиндр содержит цилиндрический корпус со вторым поршнем (82), который отделяет третью камеру (Ch3), называемую холодной камерой, от четвертой камеры (Ch4), которая может входить в термический контакт с источником (21) тепла, становясь горячей камерой и создавая, таким образом, циклическое движение во втором цилиндре, при этом соединительный контур (12) соединяет вторую камеру с третьей камерой,wherein the second cylinder contains a cylindrical body with a second piston (82) which separates a third chamber (Ch3), called the cold chamber, from a fourth chamber (Ch4), which can come into thermal contact with the heat source (21), becoming a hot chamber and thus creating a cyclic movement in the second cylinder, with the connecting circuit (12) connecting the second chamber to the third chamber, и, что касается шатунно-кривошипной системы (5), то первый поршень соединен с ротором (52) через первый шатунно-кривошипный механизм (91), а второй поршень соединен напрямую или опосредованно с указанным ротором через второй шатунно-кривошипный механизм (92) с заранее определенным угловым смещением (θd), создаваемым шатунно-кривошипной системой между циклом первого поршня и циклом второго поршня,and, as for the connecting rod and crank system (5), the first piston is connected to the rotor (52) through the first connecting rod and crank mechanism (91), and the second piston is connected directly or indirectly to said rotor through the second connecting rod and crank mechanism (92) with a predetermined angular displacement (θd) created by the connecting rod-crank system between the cycle of the first piston and the cycle of the second piston, при этом первый цилиндр оснащен впускным каналом с первым обратным клапаном (61) и выпускным каналом со вторым обратным клапаном (62) для подачи рабочей среды со вторым давлением (Pout),wherein the first cylinder is equipped with an inlet port with a first check valve (61) and an outlet port with a second check valve (62) for supplying a working fluid with a second pressure (Pout), при этом мощность, производимая во втором цилиндре, передается в первый цилиндр в основном через соединительный контур, а не через шатунно-кривошипную систему.whereby the power produced in the second cylinder is transmitted to the first cylinder primarily through the connecting circuit rather than through the connecting rod and crank system. 2. Гибридный компрессор по п. 1, в котором используется одна и та же рабочая среда во втором цилиндре и в первом цилиндре, предпочтительно, но не ограничительно, СО2.2. The hybrid compressor according to claim 1, which uses the same operating fluid in the second cylinder and in the first cylinder, preferably, but not limited to, CO2. 3. Гибридный компрессор по одному из п. 1 или 2, в котором предусмотрены:3. Hybrid compressor according to one of paragraphs 1 or 2, which provides: - электрический режим сжатия, в котором источник тепла отключен, и электрическая машина работает в режиме двигателя,- electric compression mode, in which the heat source is switched off and the electric machine operates in motor mode, - термический режим сжатия, в котором активируется источник тепла, задающий импульсный цикл возвратно-поступательного движения во втором цилиндре, при этом движение первого поршня обеспечивается возвратно-поступательным движением рабочей среды в соединительном контуре, при этом шатунно-кривошипная система передает только второстепенную часть термодинамической мощности, а электрическая машина работает в режиме генератора.- thermal compression mode, in which a heat source is activated, setting a pulse cycle of reciprocating motion in the second cylinder, while the movement of the first piston is ensured by the reciprocating movement of the working medium in the connecting circuit, while the connecting rod-crank system transmits only a minor part of the thermodynamic power , and the electric machine operates in generator mode. 4. Гибридный компрессор по п. 3, в котором предусмотрен также смешанный режим, в котором движение первого поршня в первом цилиндре создается за счет теплового цикла в первой камере и электрической машиной, работающей в режиме двигателя.4. The hybrid compressor according to claim 3, which also provides a mixed mode, in which the movement of the first piston in the first cylinder is created due to the thermal cycle in the first chamber and an electric machine operating in engine mode. 5. Гибридный компрессор по одному из пп. 1-4, в котором заранее определенный сдвиг фазы (θd) составляет от 80° до 120°, предпочтительно около 95°, при этом цикл первого поршня запаздывает на этот заранее определенный сдвиг фазы по отношению ко второму поршню.5. Hybrid compressor according to one of paragraphs. 1-4, in which a predetermined phase shift (θd) is from 80° to 120°, preferably about 95°, and the cycle of the first piston is delayed by this predetermined phase shift with respect to the second piston. 6. Гибридный компрессор по одному из пп. 1-5, в котором ось (Y1) первого цилиндра и ось (Y2) второго цилиндра расположены по существу перпендикулярно друг к другу, при этом может быть предусмотрено дополнительное смещение, благодаря положению соответствующих соединительных шатунных шеек первого шатунно-кривошипного механизма (91) и второго шатунно-кривошипного механизма (92).6. Hybrid compressor according to one of paragraphs. 1-5, in which the axis (Y1) of the first cylinder and the axis (Y2) of the second cylinder are located substantially perpendicular to each other, wherein additional displacement can be provided due to the position of the corresponding connecting crankpins of the first connecting rod-crank mechanism (91) and second connecting rod-crank mechanism (92). 7. Гибридный компрессор по одному из пп. 1-6, в котором используют первый цилиндр простого действия, при этом для всасывания и нагнетания используют только первую камеру (Ch1), тогда как вторая камера работает только в возвратно-поступательном режиме с третьей камерой через соединительный контур (12), при этом впускной канал с первым обратным клапаном (61) и выпускной канал со вторым обратным клапаном (62) соединены с первой камерой.7. Hybrid compressor according to one of paragraphs. 1-6, in which a first single-acting cylinder is used, only the first chamber (Ch1) is used for suction and discharge, while the second chamber operates only in reciprocating mode with the third chamber through the connecting circuit (12), while the inlet a channel with a first check valve (61) and an outlet channel with a second check valve (62) are connected to the first chamber. 8. Гибридный компрессор по одному из пп. 1-6, в котором используют первый цилиндр двойного действия с соединительным контуром (12), который в этом случае селективно соединяет через вентиль (4) вторую камеру с третьей камерой, при этом предусмотрен переход (7) из первой камеры во вторую камеру, при этом первая камера оснащена впускным каналом с первым обратным клапаном (61) для впуска рабочей среды при первом давлении (Pin), 8. Hybrid compressor according to one of paragraphs. 1-6, in which a first double-acting cylinder with a connecting circuit (12) is used, which in this case selectively connects the second chamber with the third chamber through a valve (4), while a transition (7) is provided from the first chamber to the second chamber, with In this case, the first chamber is equipped with an inlet channel with a first check valve (61) for the inlet of the working medium at the first pressure (Pin), при этом переход содержит буферный объем (3) с третьим обратным клапаном (63) между первой камерой (Ch1) и буферным объемом и с четвертым обратным клапаном (64) между буферным объемом и второй камерой (Ch2), при этом выпускной канал со вторым обратным клапаном (62) соединен со второй камерой.wherein the transition contains a buffer volume (3) with a third check valve (63) between the first chamber (Ch1) and the buffer volume and with a fourth check valve (64) between the buffer volume and the second chamber (Ch2), wherein the outlet channel with the second check valve (62) is connected to the second chamber. 9. Котел для подачи/отвода тепла в/из соответствующего помещения, содержащий гибридный компрессор (8) по одному из пп. 1-8, при этом указанный компрессор обеспечивает функцию сжатия в контуре типа реверсивного теплового насоса, содержащего по меньшей мере один общий контур рабочей среды, дроссельный вентиль и по меньшей мере одно внешнее устройство.9. A boiler for supplying/removing heat to/from the corresponding room, containing a hybrid compressor (8) according to one of paragraphs. 1-8, wherein said compressor provides a compression function in a reversible heat pump type circuit comprising at least one common fluid circuit, a throttle valve and at least one external device. 10. Котел по п. 9 в комбинации с п. 3, при этом указанный котел представляет собой когенерационную машину с производством электричества.10. The boiler according to claim 9 in combination with claim 3, wherein said boiler is a cogeneration machine that produces electricity.
RU2021129103A 2019-03-07 2020-03-06 Hybrid compressor and boiler for heat supply/output containing such hybrid compressor RU2811880C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1902341 2019-03-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021129103A RU2021129103A (en) 2023-04-07
RU2811880C2 true RU2811880C2 (en) 2024-01-18

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3921400A (en) * 1972-12-04 1975-11-25 Philips Corp Cryo-electric engine-refrigerator combination
CA2479572A1 (en) * 2002-03-21 2003-10-02 Cyril Negre Individual cogeneration plant and local network
RU2659598C1 (en) * 2017-07-14 2018-07-03 Анатолий Александрович Рыбаков Method of thermal energy transformation to electricity by free linked energy-module with linear electric generator, heat exchanger and refrigerator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3921400A (en) * 1972-12-04 1975-11-25 Philips Corp Cryo-electric engine-refrigerator combination
CA2479572A1 (en) * 2002-03-21 2003-10-02 Cyril Negre Individual cogeneration plant and local network
RU2659598C1 (en) * 2017-07-14 2018-07-03 Анатолий Александрович Рыбаков Method of thermal energy transformation to electricity by free linked energy-module with linear electric generator, heat exchanger and refrigerator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2434149C2 (en) Waste heat recovery system and method for split-cycle engine
US20110203267A1 (en) Method and device for operating a stirling cycle process
GB2518482A (en) Positive displacement apparatus for compressing and/or expanding a gas
US5924305A (en) Thermodynamic system and process for producing heat, refrigeration, or work
US20100186405A1 (en) Heat engine and method of operation
US8156739B2 (en) Adiabatic expansion heat engine and method of operating
US9746215B2 (en) Heat powered reciprocating piston engine
CA2583456C (en) Fluid pump
RU2811880C2 (en) Hybrid compressor and boiler for heat supply/output containing such hybrid compressor
US20220178359A1 (en) Hybrid thermodynamic compressor
KR102394987B1 (en) Variable volume transfer shuttle capsule and valve mechanism
US4249378A (en) Thermally actuated heat pump
US20080098751A1 (en) Stirling system and freezer system using the same
EP0985091B1 (en) Thermal machine
RU2021129103A (en) HYBRID THERMODYNAMIC COMPRESSOR
JP2005098271A (en) Hot air type rotary external combustion engine
WO1991015672A1 (en) Power control system for energy converter operating according to the stirling, ericsson or similar thermodynamic cycles
US20140178237A1 (en) Heat engine with linear actuators
JP3264531B2 (en) Adjustment mechanism for crank angle difference of expansion piston, displacer, compression piston, etc. of heat storage cycle
JPS5925060A (en) Sterling engine for driving heat pump
JPS6224619B2 (en)
JPH06147687A (en) Stirling engine-driven heat pump