余熱驅(qū)動(dòng)的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種余熱驅(qū)動(dòng)的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)。該余熱驅(qū)動(dòng)的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)包含散熱水箱、余熱回收器、往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)、控制器、安全閥、止回閥、制冷設(shè)備等。散熱水箱由五塊小水箱和若干個(gè)散熱片組合而成，散熱水箱上下連接有七通管件，七通管件的一側(cè)連接管道，另一側(cè)連接安全閥。余熱回收器與發(fā)動(dòng)機(jī)消音器集成為一體，消音器外側(cè)覆蓋一層耐高壓高溫金屬材料，之間保持一定距離形成一定容積的容器。尾氣經(jīng)過(guò)消音器加熱余熱回收器，形成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽。往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)由兩個(gè)大活塞、兩個(gè)小活塞、內(nèi)活塞缸、中間結(jié)合體、外殼、大活塞連接桿、大活塞與小活塞連接軸、電磁閥組成。
【專利說(shuō)明】
余熱驅(qū)動(dòng)的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)余熱回收及制冷設(shè)備壓縮機(jī)領(lǐng)域，特別是一種新型往復(fù)直線嵌套式活 塞壓縮機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來(lái)，能源的緊張與人類的需求之間的矛盾愈加突出，節(jié)約能源和尋找可代 替的新能源成為新的研究方向。目前廣泛使用的制冷設(shè)備主要由電能驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 而發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較低，存在W下缺點(diǎn)：
[0003] (1)能量利用效率低，造成能源浪費(fèi)
[0004] (2)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活船用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車或輪船運(yùn)行的同時(shí)，還要額外驅(qū)動(dòng)制冷設(shè) 備，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗
[0005] (3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護(hù)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種可W回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的往復(fù)直線嵌套 式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)。為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的余熱驅(qū)動(dòng)的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)包含 散熱水箱、余熱回收器、往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)、電磁閥、安全閥、控制器、壓力表、管道 等。散熱水箱內(nèi)存儲(chǔ)有一定量的水，水通過(guò)高壓噴嘴噴入余熱回收器內(nèi)，水在高溫下變成過(guò) 熱蒸汽。過(guò)熱的高壓蒸汽推動(dòng)往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)的大活塞運(yùn)動(dòng)，大活塞帶動(dòng)小活 塞壓縮制冷劑。一側(cè)制冷劑被壓縮的同時(shí)，另一側(cè)制冷劑由于壓差迅速涌入內(nèi)活塞缸中，交 替往復(fù)循環(huán)。
[000引所述散熱水箱由五個(gè)水箱主體和若干個(gè)散熱片組成，在水箱的上下兩側(cè)各有屯通 管件，屯通管件的一側(cè)接入水管，另一側(cè)接入安全閥。
[0009] 所述余熱回收器與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消音器集為一體，內(nèi)部有消除回聲的管道。消音器 外側(cè)覆有一層耐高溫高壓金屬材料，與消音器之間保持一定距離，形成一定容積的容器。安 全閥、壓力表、高壓噴嘴接入容器內(nèi)。
[0010] 所述往復(fù)直線嵌套式壓縮機(jī)由兩個(gè)大活塞和兩個(gè)小活塞嵌套而成，小活塞置于內(nèi) 活塞缸中，大活塞置于外殼內(nèi)。大活塞和小活塞通過(guò)隔熱材料連接，兩個(gè)大活塞之間通過(guò)連 桿連接，內(nèi)活塞缸由中間結(jié)合體銜接。中間結(jié)合體內(nèi)有供制冷劑進(jìn)出的孔道及螺紋孔等。
[0011] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：
[0012] 圖1是本發(fā)明余熱驅(qū)動(dòng)的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 水箱中的水在水箱內(nèi)壓力或氣累的作用下經(jīng)管道流入余熱回收器中的高壓噴嘴， 高壓噴嘴將水霧化噴射入余熱回收器內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣從余熱回收器的進(jìn)氣口進(jìn)入，進(jìn)行熱 交換后加熱余熱回收器內(nèi)壁。根據(jù)當(dāng)前不同型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排量和燃料，汽車尾氣排放 溫度有所差異，一般為400~600°C，霧化的水蒸汽會(huì)出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，即水瞬間汽化產(chǎn)生過(guò)熱 蒸汽。隨著噴水的進(jìn)行，余熱回收器內(nèi)壓力逐漸升高，連接到壓縮機(jī)的電磁閥在控制器的控 制下打開(kāi)，高壓蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)，推動(dòng)大活塞A運(yùn)動(dòng)，大活塞進(jìn)而帶動(dòng)小活塞C運(yùn)動(dòng)。此時(shí)小 活塞C所在的氣缸內(nèi)由于壓差的已經(jīng)充滿制冷劑氣體，進(jìn)而被小活塞壓縮成高溫高壓蒸汽。 高溫高壓蒸汽經(jīng)冷凝器降溫成低溫高壓液體后，經(jīng)膨脹閥降壓成低溫低壓液體，再經(jīng)蒸發(fā) 器蒸發(fā)后變成制冷劑蒸汽。此時(shí)蒸汽再次進(jìn)入小活塞缸被壓縮。值得提出的是，嵌套式活塞 壓縮機(jī)有兩個(gè)大活塞和兩個(gè)小活塞，小活塞C(左)壓縮制冷劑時(shí)，小活塞D(右)所在氣缸內(nèi) 制冷劑進(jìn)入，為下次壓縮做準(zhǔn)備。當(dāng)小活塞D中的制冷劑被壓縮時(shí)，小活塞C的氣缸內(nèi)進(jìn)入制 冷劑，由此周而復(fù)始的交替循環(huán)，可W連續(xù)不斷的壓縮制冷劑。蒸汽在推動(dòng)大活塞A和B做工 后，溫度有所下降，壓力也會(huì)降低，但仍高于水箱內(nèi)壓力，在壓差的作用下，做功后的蒸汽沿 著管道再次進(jìn)入水箱冷卻降溫成液態(tài)水。由于活塞的質(zhì)量不可忽略，當(dāng)活塞快速往復(fù)運(yùn)動(dòng) 時(shí)，為了避免對(duì)壓縮機(jī)兩端外殼的撞擊，在A側(cè)蒸汽推動(dòng)活塞A向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，較大的慣性力對(duì) B側(cè)外殼產(chǎn)生較大沖擊力。為了避免沖擊，在B側(cè)大活塞即將到達(dá)頂端時(shí)，B側(cè)電磁閥迅速打 開(kāi)排入高壓蒸汽，使活塞的速度迅速降為0。
[0014] 圖2是本發(fā)明總體系統(tǒng)的Ξ維效果圖；
[0015] 圖3是散熱水箱的Ξ維效果圖；
[0016] 圖4是余熱回收器內(nèi)部及外部的Ξ維效果圖；
[0017] 圖5是往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配Ξ維效果圖；
[0018] 圖6是往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)正面及中間結(jié)合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)Ξ維效果圖；
[0019] 圖7是往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)外部整體Ξ維效果圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020] 當(dāng)高溫水被噴入低壓的容器中，由于環(huán)境壓力小于噴入水的飽和蒸汽壓，被噴入 的水會(huì)發(fā)生瞬間沸騰蒸發(fā)，變成運(yùn)一壓力下的飽和水和飽和水蒸汽，運(yùn)一現(xiàn)象叫做閃蒸。根 據(jù)清華大學(xué)盧勇的研究結(jié)果可知，當(dāng)噴射壓力大于水的臨界壓力22MPa時(shí)，水在加熱過(guò)程中 可W被加熱到任意溫度而不沸騰，在高壓環(huán)境中，由于水不會(huì)蒸發(fā)沸騰，所W沒(méi)有汽化潛 熱，水更容易被加熱到高溫狀態(tài)。假設(shè)將化g壓力為145MI^的水從室溫25°C加熱到325°C，需 要大約1200J的熱量。
[0021] 每公斤柴油所蘊(yùn)含的熱量為10996大卡，每克柴油完全燃燒可W釋放10996J的熱 量。運(yùn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加熱Ig水所需要的熱量。根據(jù)天津大學(xué)馮黎明、高文志、秦浩、謝必鮮的研究 結(jié)果可知，一臺(tái)2.化的滿輪增壓柴油機(jī)，額定功率66千瓦，排氣溫度可達(dá)620°C，排氣流量為 0.化旨/5，可產(chǎn)生300°(：的蒸汽0.0151(旨/5。如果不考慮摩擦和泄露損失，可回收4.9千瓦的排 氣能量，功率提高7.4%。
[0022] 當(dāng)高壓水噴入余熱回收器的氣缸內(nèi)時(shí)，可W近似認(rèn)為氣態(tài)水蒸汽滿足理想氣體狀 態(tài)方程：
[0023] PV = nRT
[0024] 一一P為氣體在當(dāng)前溫度下的壓強(qiáng)
[0025] 一一V為氣體在當(dāng)前溫度下的體積
[0026] --η為氣體的物質(zhì)的量，R為氣體常量，約為8.3144J/(mol · K)
[0027] 初始階段，尾氣進(jìn)入余熱回收器加熱回收器內(nèi)壁，缸內(nèi)溫度隨即升高，缸內(nèi)殘留水 在高溫下產(chǎn)生的壓強(qiáng)為Po,則：
[002引 p0v=n0RT (1)
[0029] 此時(shí)開(kāi)始向缸內(nèi)高壓噴水。速率為VO，瞬間噴水量為vody，則某一時(shí)間段內(nèi)的噴水 量關(guān)
化時(shí)所滿足的理想氣體狀態(tài)方程為
[0030] PiV=(n〇+ni)RT (2)
[0031 ]根據(jù)物質(zhì)的量與質(zhì)量的關(guān)系可得：
[0034] 由（4)可知，余熱回收器內(nèi)的壓力取決于噴入水的物質(zhì)的量。
[0035] 對(duì)余熱回收器與壓縮機(jī)的連接管采取保溫措施，W減小壓力損失。一般認(rèn)為汽缸 壁的熱損失為
先忽略余熱回收器到嵌套式壓縮機(jī)過(guò)程的管道沿程壓力損失，蒸汽在進(jìn) 入壓縮機(jī)電磁閥前的壓力為Pi。
[0036] 對(duì)蒸汽進(jìn)入氣缸壓力變化的研究所計(jì)算出的方程式W :
[0037]
[00測(cè) 一-fx閥口截面積，Z進(jìn)氣時(shí)間，μ流量系數(shù)，Vx某一時(shí)刻蒸汽流速，δ熱交換及泄漏 量，
[0039] V0初始流速，a,b為常數(shù)。可W看出，氣缸內(nèi)的壓力及其變化取決于進(jìn)氣過(guò)程的時(shí) 間、閥機(jī)構(gòu)的截面等因素。
[0040] 壓縮機(jī)在進(jìn)排氣過(guò)程中的能量守恒方程式為：
[0041]
[0042] --U為氣缸工質(zhì)的內(nèi)能，Q為傳熱量，Η為進(jìn)入和流出氣缸工質(zhì)的滯止洽
[0043] 將(6)式分解可W得到關(guān)于氣缸內(nèi)溫度的微分方程：
[0044]
[0045] --Τ為缸內(nèi)溫度，hj、hc流入和流出氣缸工質(zhì)的比洽，叫、me流入和流出氣缸工質(zhì) 的質(zhì)量，m為缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量，R為氣體常量，V為缸內(nèi)容積
[0046] 高溫蒸汽可近似滿足理想氣體狀態(tài)方程：
[0047] PV = nRmm = nM
[004引質(zhì)量守t旦方程
[0049]
[0050] 設(shè)定蒸汽對(duì)壓縮機(jī)大活塞的壓力為F，活塞與汽缸壁之間的摩擦阻力位f，制冷劑 對(duì)小活塞的壓力為f/，活塞整體質(zhì)量為m，則根據(jù)牛頓第二定律可得：
[0化1] F-f-f'=ma (9)
[0052]設(shè)定小活塞缸中制冷劑物質(zhì)的量為nR，壓力為扣，體積為Vr，小活塞的半徑為n，大 活塞的半徑為ri，位移為X。假設(shè)制冷劑的溫度此時(shí)保持不變，則滿足
[0067] --k為傳熱系數(shù)，一般在絕熱時(shí)過(guò)熱蒸汽k = l .3，β、丫取決于3?χ
[006引 當(dāng)；
[0069] 〇.546《町《〇.9時(shí)，0 = 〇.8153丫=〇.73〇7
[0070] 〇.9《町《〇.98時(shí)，0=1.193丫=1.144
[0071] 0.98《町《1 時(shí)，β = 3.319 丫 =3.313
[0072] 每次做功所消耗的蒸汽量為
[0073] --Ζ為時(shí)間
[0074] 只要余熱回收器中的噴水量所產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽滿足每秒中的耗汽量，壓縮機(jī)就可 W連續(xù)運(yùn)行。
[0075] 在前面已經(jīng)求出蒸汽進(jìn)入氣缸后的溫度和每做功一次的耗汽量，根據(jù)理想氣體狀 態(tài)方程可得此時(shí)蒸汽對(duì)活塞的壓強(qiáng)，進(jìn)而可求出對(duì)活塞的推力。
[0076] 設(shè)定蒸汽進(jìn)入氣缸后的壓強(qiáng)為民，貝。
[0080] 一一r表示氣缸中蒸汽的溫度，Μ為水的摩爾質(zhì)量
[0081] 根據(jù)力與壓強(qiáng)的關(guān)系可得:F = PS (20)
[0082] 將(7)(16)代入(20)式得
[0083]
[0084] 由W上各式可W看出，余熱回收系統(tǒng)只要滿足W上各式就可W運(yùn)行。而且可W通 過(guò)調(diào)節(jié)高壓噴嘴的噴水量來(lái)提升余熱回收器內(nèi)的壓力，W保證壓縮機(jī)可W連續(xù)不斷的運(yùn) 行。如果將此設(shè)備應(yīng)用在漁船冷凍系統(tǒng)上，可W將冷凝器置于海水中降溫冷凝，W節(jié)省機(jī)械 風(fēng)扇降溫所帶來(lái)的能耗。同時(shí)，回收蒸汽的水箱也可W用流動(dòng)海水進(jìn)行冷卻，W加快冷卻速 度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種余熱驅(qū)動(dòng)的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，其特征在于:包括與余熱回 收器（19)連接的壓力表（1)、安全閥（2)、機(jī)高壓噴嘴(3);與散熱水箱(4)連接的管道(6)及 安裝在管道(6)上的排氣閥（5);與往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)(24)蒸汽進(jìn)排氣口連接的電 磁閥(7);與往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)中間結(jié)合體(11)連接的止回閥（10);與止回閥（10) 連接的蒸發(fā)器接口（8)及冷凝器接口（9);中間結(jié)合體（11)內(nèi)有孔道(21);與大活塞（15)及 小活塞（14)裝配在一起的活塞連接軸（12);與小活塞（14)間隙配合的內(nèi)活塞缸(22);使兩 個(gè)大活塞（15)連接在一起的大活塞連接桿(13);與電磁閥(7)連接的控制器（16);余熱回收 器(19)兩端安裝的尾氣入口（17)及尾氣出口（18)、高溫蒸汽出口（20)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的余熱回收器（19)，其特征在于：內(nèi)部為發(fā)動(dòng)機(jī)消音器，外部覆 蓋有耐高溫高壓金屬材料，消音器與金屬材料保持一定距離形成一定容積的容器;余熱回 收器外殼接有壓力表(1)、安全閥（2)、高壓噴嘴(3)、蒸汽出口（ 20)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)(24)，其特征在于:小活塞（14)通 過(guò)大小活塞連接軸（12)與大活塞（15)嵌套連接；中間結(jié)合體內(nèi)部有供制冷劑進(jìn)出的孔道 (21);內(nèi)活塞缸(22)通過(guò)螺栓固定在中間結(jié)合體（11)上;往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)的外 殼(23)通過(guò)螺栓固定在中間結(jié)合體(11)上;大活塞（15)置于往復(fù)直線嵌套式活塞壓縮機(jī)外 殼（23)內(nèi)；小活塞（14)置于內(nèi)活塞缸(22)內(nèi)；止回閥（10)的一端與中間結(jié)合體孔道(21)連 接，另一端與蒸發(fā)器連接；電磁閥（7)的控制電路與控制器（16)連接，其兩端中的一端與壓 縮機(jī)的進(jìn)(排)氣孔連接，另一端與接入散熱水箱(4)的管道(6)連接。
【文檔編號(hào)】F04B39/00GK105972857SQ201610301419
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】李莎, 謝軍, 劉皓, 董旭
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué)