CN1208589C - 二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器 - Google Patents
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Abstract
二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器，主要由滚动转子膨胀机、发电-电动机、机壳和底座等组成，滚动转子膨胀机与发电-电动机通过联轴器连接。其中滚动转子膨胀机、联轴器和发电-电动机都被封装在由上、中、下机壳所组成的壳体之内。通过与偏心轮轴同步旋转的凸轮盘行线控制凸轮盘下方的阀杆。当在控制阀杆上方孔与阀座上的方孔相对时，CO2流体进入膨胀腔，转动滑板膨胀做功。本发明启动运行时，发电-电动机作为电动机使用，带动膨胀机的主轴旋转，克服了转子膨胀机的死点；当转子膨胀机运转起来后，作为发电机使用，将转子膨胀机的输出功转化为电能对外输出。本发明可有效回收节流过程的能量损失，提高整个系统的性能系数。
Description
技术领域
本发明属于制冷空调与供暖设备中的能量回收装置。
背景技术
目前制冷空调行业普遍使用的制冷剂是CFCs(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。因此以CO2为制冷剂是解决CFC替代的首选方法。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％。如何减少CO2跨临界制冷循环的节流损失，变节流损失为可用能，是目前丞待解决的问题。采用膨胀机代替节流阀回收膨胀功可以提高CO2系统的COP，但由于CO2膨胀机入口为超临界流体，目前所研究的CO2膨胀机均存在机械和泄漏损失，如何结合CO2跨临界循环的特性通过合理的结构设计提高CO2膨胀机的效率，成为提高COP急需解决的关键问题。CO2膨胀机能输出机械功，但难得应用，如果将其与其它用能设备如水泵、风机、压缩机等同轴连接，由于结构复杂、转速难于控制和匹配等问题较难实现。实际的解决方法是在较低的成本下将CO2膨胀机与能量转换装置一体化设计，将CO2膨胀机所输出的机械功转化为容易利用的电能，输出的电能可灵活用于负载的运行。负载可以是系统中的水泵、风扇等小型设备，切实达到提高系统COP，节省系统耗能的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种直接应用于CO2跨临界制冷循环系统中的能量回收装置，在实际的制冷、热泵设备中可有效提高系统的COP，使CO2跨临界循环系统具有实际应用的价值。
本发明的结构原理如附图1、附图2、附图3和附图4所示。二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器，由滚动转子膨胀机1、联轴器2、发电-电动机3、上机壳4、中机壳5、下机壳6和底座7等组成。滚动转子膨胀机1由滚动转子8、气缸9、滑板10、偏心轮轴11、主轴12、下端盖13及上端盖14等组成。滚动转子膨胀机1通过联轴器2与发电-电动机3同轴连接。因为二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器是处于高压运行状态中，所以滚动转子膨胀机1、联轴器2和发电-电动机3一同被封装于由上机壳4、中机壳5、下机壳6所组成的壳体之内，这样不但可减少滚动转子能量回收器的CO2泄漏，而且还可保障运行的安全。下机壳6与底座7相接，以加强系统的支撑，减小振动和运行噪声。为了有效减小摩擦和泄露，在滚动转子8与偏心轮轴11之间、滑板10与气缸9的滑板槽之间装有滚针18，在主轴12与上端盖14、主轴12与下端盖13之间除装有滚针18外还装有密封环15。下端盖13的底部装有轴承19，在滑板10靠近滚动转子8的一端嵌有密封柱21，密封柱21一侧的凹圆与滚动转子8的外圆重合。在滑板10的另一端装有弹簧，弹簧的另一端与高压流体管22相接，高压流体管22中的高压流体使得滑板10紧贴于滚动转子8。上端盖14的上部装有凸轮盘16，凸轮盘16下方装有圆筒形控制阀杆17和圆柱形阀座20，在阀座20上开有边长为15-18mm的方形通道。在控制阀杆17上开有与阀座20方形通道相同边长的方孔。由滚动转子8，气缸9，下端盖13和上端盖14将滚动转子膨胀机1分成一个高压腔，一个低压腔。通过与偏心轮轴同步旋转的凸轮盘16的行线，控制凸轮盘16下方的圆筒形控制阀杆17在圆柱形阀座20中上下移动。当在控制阀杆17上的方孔与阀座20上的方形通道相对时，CO2高压流体可以通过进气管23进入滚动转子8和气缸9之间的膨胀腔，随着滚动转子8的转动，滑板10在气缸9中的滑板槽中上下移动膨胀做功，CO2从排气口24排出。当在控制阀杆17上的方孔在与阀座20上的方形通道不相对时，则阻止了CO2高压流体进入膨胀腔。控制阀杆17的环形凹槽可以消除CO2高压流体对控制阀杆17的单向作用，减小控制阀杆17间的摩擦。发电-电动机3由发电机25与电动机26组成，发电机与电动机同轴。电动机26与常开触点开关27、继电器28及电源串联。发电机25的输出线与继电器28的常闭触点和负载29串联。
在二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器开始启动运行时，发电-电动机3作为电动机使用，以带动滚动转子膨胀机1的主轴12旋转，从而可克服滚动转子膨胀机1的启动死点。当滚动转子膨胀机1运转起来后，发电-电动机3作为发电机使用，将滚动转子膨胀机1的输出功转化为电能对外输出。当按下常开触点开关27时，继电器28通电，其常闭触点打开，电动机26与电源接通开始工作，发电机不输出功。当常开触点开关27断开时，继电器28的常闭触点闭合，电动机26电源断开停止运转，发电机25与负载29相通，输出电能。
本发明的有益效果在于：可以有效地回收膨胀功大幅度提高CO2系统的COP，利用膨胀机输出的机械功，直接驱动发电-电动机发电，输出电能驱动系统负载运行。其功能可帮助滚动转子膨胀机瞬时启动，克服启动死点。本发明可直接应用于CO2跨临界系统，将节流损失转化为电能对外输出，从而提高整个系统的COP。在整体上将滚动转子膨胀机、联轴器和发电-电动机置于上、中、下机壳中，不仅可以减少泄漏，降低噪声，而且有利于系统安全运行。
附图说明
图1为CO2跨临界制冷循环滚动转子能量回收器的结构示意图。图2为滚动转子膨胀机的结构示意图。图3是图2中A-A剖面的结构图。图4是图1中发电-电动机的结构示意图。图5是本发明在循环系统中的布置图。
附图序号明细表
| 序号 | 名称 | 序号 | 名称 |
| 1 | 滚动转子膨胀机 | 16 | 凸轮盘 |
| 2 | 联轴器 | 17 | 控制阀杆 |
| 3 | 发电-电动机 | 18 | 滚针 |
| 4 | 上机壳 | 19 | 轴承 |
| 5 | 中机壳 | 20 | 控制阀座 |
| 6 | 下机壳 | 21 | 密封柱 |
| 7 | 底座 | 22 | 高压流体管 |
| 8 | 滚动转子 | 23 | 进气管 |
| 9 | 气缸 | 24 | 排气口 |
| 10 | 滑板 | 25 | 发电机 |
| 11 | 偏心轮轴 | 26 | 电动机 |
| 12 | 主轴 | 27 | 常开触点开关 |
| 13 | 下端盖 | 28 | 继电器 |
| 14 | 上端盖 | 29 | 负载 |
| 15 | 密封环 | 30 | 气体冷却器 |
| 31 | 蒸发器 |
具体实施方式
本发明在系统中的布置如附图5中的虚线框部分。
安装时，将二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子式能量回收器(本发明)的进气管23与气体冷却器30的出口相连，将排气口24与蒸发器31的入口相连。滚动转子膨胀机1的主轴12通过联轴器2与发电机-电动机3的主轴同轴垂直安装。发电-电动机3所输出的电能用于负载的运行，负载可以为系统的水泵、风扇等小型用电设备。
工作时，按下常开触点开关27，发电-电动机3的电动机26启动，带动滚动转子膨胀机1按附图3所示方向旋转，克服了滚动转子膨胀机的启动死点。同时继电器28通过其常闭触点锁住发电机25不对外输出电能。断开常开触点开关27，电动机26停止运转，继电器28的常闭触点闭合，发电机25输出电能给负载29。超临界高压二氧化碳流体(通常压力为10Mpa左右)由进气管23进入气缸9，此时控制阀杆17上的方孔处于与阀座20上的方形通道相对位置，高压流体进入气缸9后推动滚动转子8转动，并驱动偏心轮轴11按附图3所示方向旋转。偏心轮轴11带动凸轮盘16旋转，当转到其凸轮行线的下端时，控制阀杆17下移使得控制阀杆17上的方孔于与阀座20上的方形通道不相通的位置，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11和滚动转子8转动，当滚动转子8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。这是上述部件旋转的一个周期。在下一循环中，凸轮盘的转动又使控制阀杆17上移，使得高压二氧化碳再次由进气管进入缸体9，如此反复循环输出轴功。滚动转子膨胀机输出的膨胀功带动通过联轴器2连接的发电-电动机3，由发电机25向负载29输出电能。
本发明结构简单，成本较低，易于操作并且体积小，重量轻，运行安全可靠。可直接应用于CO2跨临界系统，将节流损失转化为电能对外输出，从而提高整个系统的COP，使CO2跨临界系统循环实用化。
Claims (3)
1.二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器，由滚动转子膨胀机(1)、联轴器(2)、发电-电动机(3)、上机壳(4)、中机壳(5)、下机壳(6)和底座(7)组成，其特征是滚动转子膨胀机(1)通过联轴器(2)与发电-电动机(3)同轴连接，滚动转子膨胀机(1)、联轴器(2)和发电-电动机(3)都被封装在由上机壳(4)、中机壳(5)、下机壳(6)所组成的壳体之内，下机壳(6)与底座(7)相接。
2.按照权利要求1所述的二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器，其特征是所述的滚动转子膨胀机(1)由滚动转子(8)、气缸(9)、滑板(10)、偏心轮轴(11)、主轴(12)、下端盖(13)、上端盖(14)组成，其特征是在滚动转子(8)与偏心轮轴(11)之间、滑板(10)与气缸(9)的滑板槽之间装有滚针(18)，在主轴(12)与上端盖(14)、主轴(12)与下端盖(13)之间，除装有滚针(18)外还装有密封环(15)，在滑板(10)靠近滚动转子(8)的一端嵌有密封柱(21)，密封柱(21)一侧的凹圆与滚动转子(8)的外圆重合，在滑板(10)的另一端装有弹簧，弹簧另一端与高压流体管(22)相接，下端盖(13)的底部装有轴承(19)，上端盖(14)的上部装有凸轮盘(16)，凸轮盘(16)下方装有圆筒形控制阀杆(17)和圆柱形阀座(20)，在阀座(20)上开有边长为15-18mm的方形通道，在控制阀杆(17)上开有与阀座(20)方形通道相同边长的方孔。
3.按照权利要求1所述的二氧化碳跨临界制冷循环滚动转子能量回收器，其特征是所述的发电-电动机(3)是由发电机(25)和电动机(26)组成，发电机与电动机同轴，电动机(26)的电源线与常开触点开关(27)、继电器(28)及电源串联，发电机(25)输出线与继电器(28)的常闭触点、电流表及负载(29)串联。
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