余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统

摘要

本发明涉及一种余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统。该余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统包含散热水箱、余热回收器、往复直线嵌套式活塞压缩机、控制器、安全阀、止回阀、制冷设备等。散热水箱由五块小水箱和若干个散热片组合而成，散热水箱上下连接有七通管件，七通管件的一侧连接管道，另一侧连接安全阀。余热回收器与发动机消音器集成为一体，消音器外侧覆盖一层耐高压高温金属材料，之间保持一定距离形成一定容积的容器。尾气经过消音器加热余热回收器，形成高温高压的过热蒸汽。往复直线嵌套式活塞压缩机由两个大活塞、两个小活塞、内活塞缸、中间结合体、外壳、大活塞连接杆、大活塞与小活塞连接轴、电磁阀组成。

说明书

技术领域

本发明设计余热回收及制冷设备压缩机领域，特别是一种新型往复直线嵌套式活塞压缩机。

背景技术

近些年来，能源的紧张与人类的需求之间的矛盾愈加突出，节约能源和寻找可代替的新能源成为新的研究方向。目前广泛使用的制冷设备主要由电能驱动和发动机驱动，而发动机的效率较低，存在以下缺点：

(1)能量利用效率低，造成能源浪费

(2)汽车发动机活船用发动机驱动汽车或轮船运行的同时，还要额外驱动制冷设备，增加了发动机的能耗

(3)结构复杂，不易维护

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种可以回收发动机余热的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统。为此，本发明的技术方案如下：

为解决上述问题，本发明的余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统包含散热水箱、余热回收器、往复直线嵌套式活塞压缩机、电磁阀、安全阀、控制器、压力表、管道等。散热水箱内存储有一定量的水，水通过高压喷嘴喷入余热回收器内，水在高温下变成过热蒸汽。过热的高压蒸汽推动往复直线嵌套式活塞压缩机的大活塞运动，大活塞带动小活塞压缩制冷剂。一侧制冷剂被压缩的同时，另一侧制冷剂由于压差迅速涌入内活塞缸中，交替往复循环。

所述散热水箱由五个水箱主体和若干个散热片组成，在水箱的上下两侧各有七通管件，七通管件的一侧接入水管，另一侧接入安全阀。

所述余热回收器与发动机排气消音器集为一体，内部有消除回声的管道。消音器外侧覆有一层耐高温高压金属材料，与消音器之间保持一定距离，形成一定容积的容器。安全阀、压力表、高压喷嘴接入容器内。

所述往复直线嵌套式压缩机由两个大活塞和两个小活塞嵌套而成，小活塞置于内活塞缸中，大活塞置于外壳内。大活塞和小活塞通过隔热材料连接，两个大活塞之间通过连杆连接，内活塞缸由中间结合体衔接。中间结合体内有供制冷剂进出的孔道及螺纹孔等。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统的结构示意图。

水箱中的水在水箱内压力或气泵的作用下经管道流入余热回收器中的高压喷嘴，高压喷嘴将水雾化喷射入余热回收器内，发动机废气从余热回收器的进气口进入，进行热交换后加热余热回收器内壁。根据当前不同型号汽车发动机的排量和燃料，汽车尾气排放温度有所差异，一般为400～600℃，雾化的水蒸汽会出现闪蒸现象，即水瞬间汽化产生过热蒸汽。随着喷水的进行，余热回收器内压力逐渐升高，连接到压缩机的电磁阀在控制器的控制下打开，高压蒸汽进入压缩机，推动大活塞A运动，大活塞进而带动小活塞C运动。此时小活塞C所在的气缸内由于压差的已经充满制冷剂气体，进而被小活塞压缩成高温高压蒸汽。高温高压蒸汽经冷凝器降温成低温高压液体后，经膨胀阀降压成低温低压液体，再经蒸发器蒸发后变成制冷剂蒸汽。此时蒸汽再次进入小活塞缸被压缩。值得提出的是，嵌套式活塞压缩机有两个大活塞和两个小活塞，小活塞C(左)压缩制冷剂时，小活塞D(右)所在气缸内制冷剂进入，为下次压缩做准备。当小活塞D中的制冷剂被压缩时，小活塞C的气缸内进入制冷剂，由此周而复始的交替循环，可以连续不断的压缩制冷剂。蒸汽在推动大活塞A和B做工后，温度有所下降，压力也会降低，但仍高于水箱内压力，在压差的作用下，做功后的蒸汽沿着管道再次进入水箱冷却降温成液态水。由于活塞的质量不可忽略，当活塞快速往复运动时，为了避免对压缩机两端外壳的撞击，在A侧蒸汽推动活塞A向右运动时，较大的惯性力对B侧外壳产生较大冲击力。为了避免冲击，在B侧大活塞即将到达顶端时，B侧电磁阀迅速打开排入高压蒸汽，使活塞的速度迅速降为0。

图2是本发明总体系统的三维效果图；

图3是散热水箱的三维效果图；

图4是余热回收器内部及外部的三维效果图；

图5是往复直线嵌套式活塞压缩机内部结构装配三维效果图；

图6是往复直线嵌套式活塞压缩机正面及中间结合体内部结构三维效果图；

图7是往复直线嵌套式活塞压缩机外部整体三维效果图；

具体实施方式

当高温水被喷入低压的容器中，由于环境压力小于喷入水的饱和蒸汽压，被喷入的水会发生瞬间沸腾蒸发，变成这一压力下的饱和水和饱和水蒸汽，这一现象叫做闪蒸。根据清华大学卢勇的研究结果可知，当喷射压力大于水的临界压力22MPa时，水在加热过程中可以被加热到任意温度而不沸腾，在高压环境中，由于水不会蒸发沸腾，所以没有汽化潜热，水更容易被加热到高温状态。假设将1Kg压力为145MPa的水从室温25℃加热到325℃，需要大约1200J的热量。

每公斤柴油所蕴含的热量为10996大卡，每克柴油完全燃烧可以释放10996J的热量。这远远大于加热1g水所需要的热量。根据天津大学冯黎明、高文志、秦浩、谢必鲜的研究结果可知，一台2.0L的涡轮增压柴油机，额定功率66千瓦，排气温度可达620℃，排气流量为0.1Kg/S，可产生300℃的蒸汽0.015Kg/S。如果不考虑摩擦和泄露损失，可回收4.9千瓦的排气能量，功率提高7.4％。

当高压水喷入余热回收器的气缸内时，可以近似认为气态水蒸汽满足理想气体状态方程：

PV＝nRT

——P为气体在当前温度下的压强

——V为气体在当前温度下的体积

——n为气体的物质的量，R为气体常量，约为8.3144J/(mol·K)

初始阶段，尾气进入余热回收器加热回收器内壁，缸内温度随即升高，缸内残留水在高温下产生的压强为P₀，则：

P₀V＝n₀RT>

此时开始向缸内高压喷水。速率为v₀，瞬间喷水量为v₀dy，则某一时间段内的喷水量为此时所满足的理想气体状态方程为

P₁V＝(n₀+n₁)RT>

根据物质的量与质量的关系可得：

$n_1=\frac{m_1}{M}=\frac{{\int }_0^t{v}_0\mathrm{dy}}{M}---\left(3\right)$

由(1)(2)(3)得

由(4)可知，余热回收器内的压力取决于喷入水的物质的量。

对余热回收器与压缩机的连接管采取保温措施，以减小压力损失。一般认为汽缸壁的热损失为先忽略余热回收器到嵌套式压缩机过程的管道沿程压力损失，蒸汽在进入压缩机电磁阀前的压力为P₁。

对蒸汽进入气缸压力变化的研究所计算出的方程式^[4]：

${\pi }_x=\frac{e^{\mu (1-\delta )}a{\int }_{z_0}^z\frac{f_x}{V_x}\mathrm{dz}\left(\frac{V_0}{V_x}\right)}{\frac{1}{{\pi }_0}+\frac{b}{a}\{(e^{\mu (1-\delta )}a{\int }_{z_0}^z\frac{f_x}{V_x}\mathrm{dz}\left(\frac{V_0}{V_x}\right)-1)+V_0{\int }_{z_0}^z{e}^{\mu (1-\delta )}a{\int }_{z_0}^z\frac{f_x}{V_x}\mathrm{dz}{V}_x-2d{V}_x\}}---\left(5\right)$

——f_x阀口截面积，z进气时间，μ流量系数，V_x某一时刻蒸汽流速，δ热交换及泄漏量，

v₀初始流速，a，b为常数。可以看出，气缸内的压力及其变化取决于进气过程的时间、阀机构的截面等因素。

压缩机在进排气过程中的能量守恒方程式为：

$\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dW}}{\mathrm{dt}}+\Sigma \frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

——U为气缸工质的内能，Q为传热量，H为进入和流出气缸工质的滞止焓

将(6)式分解可以得到关于气缸内温度的微分方程：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{[(\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}+h_j\frac{d{m}_j}{\mathrm{dt}}-h_c\frac{{\mathrm{dm}}_c}{\mathrm{dt}}-U\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}})\frac{1}{m}-\frac{\mathrm{RT}}{V}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}]}{\frac{\partial U}{\partial t}}---\left(7\right)$

——T为缸内温度，h_j、h_c流入和流出气缸工质的比焓，m_j、m_c流入和流出气缸工质的质量，m为缸内工质的质量，R为气体常量，V为缸内容积

高温蒸汽可近似满足理想气体状态方程：

PV＝nRT且m＝nM

质量守恒方程

$\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dm}}_j}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{dm}}_c}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

设定蒸汽对压缩机大活塞的压力为F，活塞与汽缸壁之间的摩擦阻力位f，制冷剂对小活塞的压力为f′，活塞整体质量为m，则根据牛顿第二定律可得：

F-f-f′＝ma (9)

设定小活塞缸中制冷剂物质的量为n_R，压力为P_R，体积为V_R，小活塞的半径为r₂，大活塞的半径为r₁，位移为x。假设制冷剂的温度此时保持不变，则满足

P_RV_R＝n_RRT>

$V_R={\mathrm{\pi r}}_2^2(L-x)---\left(11\right)$

则

$P_R=\frac{n_R\mathrm{RT}}{{\mathrm{\pi r}}_2^2(L-x)}---\left(12\right)$

小活塞压力

$\left(\begin{array}{c}{f}^{\prime }=P_R{S}_2\\ =\frac{n_R\mathrm{RT}}{L-x}\end{array}\right)---\left(13\right)$

在t时间内位移随时间的变化为

$\left(\begin{array}{c}x={\int }_0^t{v}_0\mathrm{dy}\\ ={\int }_0^t\mathrm{aydy}\end{array}\right)---\left(14\right)$

由(9)(13)(14)解得：

$a=\frac{[(F-f)·\frac{1}{2}{t}^2+\mathrm{mL}]+\sqrt{{[(F-f)·\frac{1}{2}{t}^2+\mathrm{mL}]}^2-2t^2[(f-f)L-n_R\mathrm{RT}]}}{t^2}---\left(15\right)$

大活塞气缸容积随时间的变化为：

$\left(\begin{array}{c}V={{\mathrm{\pi r}}_1}^2·\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2\\ =\frac{1}{2}{{\mathrm{\pi r}}_1}^2\left\{\right[(F-f)·\frac{1}{2}{t}^2+\mathrm{mL}]+\sqrt{{[(F-f)·\frac{1}{2}{t}^2+\mathrm{mL}]}^2-2t^2\left[(F-f)\right]L-n_R\mathrm{RT}}\}\end{array}\right)---\left(16\right)$

根据王世其的研究结果可知，压缩机每秒中的耗汽量为：

$G_s=k(\beta {\pi }_x-\gamma {\pi }_x^2)f_x---\left(17\right)$

——k为传热系数，一般在绝热时过热蒸汽k＝1.3，β、γ取决于π_x

当：

0.546≤π_x≤0.9时，β＝0.8153>

0.9≤π_x≤0.98时，β＝1.193>

0.98≤π_x≤1时，β＝3.319>

每次做功所消耗的蒸汽量为：

——z为时间

只要余热回收器中的喷水量所产生的过热蒸汽满足每秒中的耗汽量，压缩机就可以连续运行。

在前面已经求出蒸汽进入气缸后的温度和每做功一次的耗汽量，根据理想气体状态方程可得此时蒸汽对活塞的压强，进而可求出对活塞的推力。

设定蒸汽进入气缸后的压强为P_x，则

且

则

$P_x=\frac{G_s{\mathrm{RT}}^{\prime }}{\mathrm{MV}}---\left(19\right)$

——T′表示气缸中蒸汽的温度，M为水的摩尔质量

根据力与压强的关系可得：F＝PS (20)

将(7)(16)代入(20)式得

$F=\frac{{{\mathrm{\pi r}}_1}^{2}k(\beta {\pi }_x-\gamma {\pi }_x^2)f_{x}R\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}}{\frac{1}{2}{{\mathrm{\pi r}}_1}^{2}M\left\{\right[(F-f)·\frac{1}{2}{t}^2+\mathrm{mL}]+\sqrt{{[(F-f)·\frac{1}{2}{t}^2+\mathrm{mL}]}^2-2t^2[(F-f)L-n_R\mathrm{RT}]\}}}---\left(21\right)$

由以上各式可以看出，余热回收系统只要满足以上各式就可以运行。而且可以通过调节高压喷嘴的喷水量来提升余热回收器内的压力，以保证压缩机可以连续不断的运行。如果将此设备应用在渔船冷冻系统上，可以将冷凝器置于海水中降温冷凝，以节省机械风扇降温所带来的能耗。同时，回收蒸汽的水箱也可以用流动海水进行冷却，以加快冷却速度。