余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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W下缺点：
[0003] (1)能量利用效率低，造成能源浪费
[0004] (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
[0005] (3)结构复杂，不易维护
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种可W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：
[0007] 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，水在高溫下变成过 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。
[000引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屯通 管件，屯通管件的一侧接入水管，另一侧接入安全阀。
[0009] 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 外侧覆有一层耐高溫高压金属材料，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。
[0010] 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。
[0011] 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：
[0012] 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。
[0013] 水箱中的水在水箱内压力或气累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 溫度有所差异，一般为400~600°C，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溫高压蒸汽。 高溫高压蒸汽经冷凝器降溫成低溫高压液体后，经膨胀阀降压成低溫低压液体，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W连续不断的压缩制冷剂。蒸汽在推动大活塞A和B做工 后，溫度有所下降，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溫成液态水。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。
[0014] 图2是本发明总体系统的Ξ维效果图；
[0015] 图3是散热水箱的Ξ维效果图；
[0016] 图4是余热回收器内部及外部的Ξ维效果图；
[0017] 图5是往复直线嵌套式活塞压缩机内部结构装配Ξ维效果图；
[0018] 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Ξ维效果图；
[0019] 图7是往复直线嵌套式活塞压缩机外部整体Ξ维效果图；
【具体实施方式】
[0020] 当高溫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，变成运一压力下的饱和水和饱和水蒸汽，运一现象叫做闪蒸。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W被加热到任意溫度而不沸腾，在高压环境中，由于水不会蒸发沸腾，所W没有汽化潜 热，水更容易被加热到高溫状态。假设将化g压力为145MI^的水从室溫25°C加热到325°C，需 要大约1200J的热量。
[0021] 每公斤柴油所蕴含的热量为10996大卡，每克柴油完全燃烧可W释放10996J的热 量。运远远大于加热Ig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.化的满轮增压柴油机，额定功率66千瓦，排气溫度可达620°C，排气流量为 0.化旨/5，可产生300°(：的蒸汽0.0151(旨/5。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%。
[0022] 当高压水喷入余热回收器的气缸内时，可W近似认为气态水蒸汽满足理想气体状 态方程：
[0023] PV = nRT
[0024] 一一P为气体在当前溫度下的压强
[0025] 一一V为气体在当前溫度下的体积
[0026] --η为气体的物质的量，R为气体常量，约为8.3144J/(mol · K)
[0027] 初始阶段，尾气进入余热回收器加热回收器内壁，缸内溫度随即升高，缸内残留水 在高溫下产生的压强为Po,则：
[002引 p0v=n0RT (1)
[0029] 此时开始向缸内高压喷水。速率为VO，瞬间喷水量为vody，则某一时间段内的喷水 量关
化时所满足的理想气体状态方程为
[0030] PiV=(n〇+ni)RT (2)
[0031 ]根据物质的量与质量的关系可得：
[0034] 由（4)可知，余热回收器内的压力取决于喷入水的物质的量。
[0035] 对余热回收器与压缩机的连接管采取保溫措施，W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Pi。
[0036] 对蒸汽进入气缸压力变化的研究所计算出的方程式W :
[0037]
[00測 一-fx阀口截面积，Z进气时间，μ流量系数，Vx某一时刻蒸汽流速，δ热交换及泄漏 量，
[0039] V0初始流速，a,b为常数。可W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。
[0040] 压缩机在进排气过程中的能量守恒方程式为：
[0041]
[0042] --U为气缸工质的内能，Q为传热量，Η为进入和流出气缸工质的滞止洽
[0043] 将(6)式分解可W得到关于气缸内溫度的微分方程：
[0044]
[0045] --Τ为缸内溫度，hj、hc流入和流出气缸工质的比洽，叫、me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
[0046] 高溫蒸汽可近似满足理想气体状态方程：
[0047] PV = nRmm = nM
[004引质量守t旦方程
[0049]
[0050] 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：
[0化1] F-f-f'=ma (9)
[0052]设定小活塞缸中制冷剂物质的量为nR，压力为扣，体积为Vr，小活塞的半径为n，大 活塞的半径为ri，位移为X。假设制冷剂的溫度此时保持不变，则满足
[0067] --k为传热系数，一般在绝热时过热蒸汽k = l .3，β、丫取决于3?χ
[006引 当；
[0069] 〇.546《町《〇.9时，0 = 〇.8153丫=〇.73〇7
[0070] 〇.9《町《〇.98时，0=1.193丫=1.144
[0071] 0.98《町《1 时，β = 3.319 丫 =3.313
[0072] 每次做功所消耗的蒸汽量为
[0073] --Ζ为时间
[0074] 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 W连续运行。
[0075] 在前面已经求出蒸汽进入气缸后的溫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。
[0076] 设定蒸汽进入气缸后的压强为民，贝。
[0080] 一一r表示气缸中蒸汽的溫度，Μ为水的摩尔质量
[0081] 根据力与压强的关系可得:F = PS (20)
[0082] 将(7)(16)代入(20)式得
[0083]
[0084] 由W上各式可W看出，余热回收系统只要满足W上各式就可W运行。而且可W通 过调节高压喷嘴的喷水量来提升余热回收器内的压力，W保证压缩机可W连续不断的运 行。如果将此设备应用在渔船冷冻系统上，可W将冷凝器置于海水中降溫冷凝，W节省机械 风扇降溫所带来的能耗。同时，回收蒸汽的水箱也可W用流动海水进行冷却，W加快冷却速 度。
【主权项】
1. 一种余热驱动的往复直线嵌套式活塞压缩机制冷系统，其特征在于:包括与余热回 收器（19)连接的压力表（1)、安全阀（2)、机高压喷嘴(3);与散热水箱(4)连接的管道(6)及 安装在管道(6)上的排气阀（5);与往复直线嵌套式活塞压缩机(24)蒸汽进排气口连接的电 磁阀(7);与往复直线嵌套式活塞压缩机中间结合体(11)连接的止回阀（10);与止回阀（10) 连接的蒸发器接口（8)及冷凝器接口（9);中间结合体（11)内有孔道(21);与大活塞（15)及 小活塞（14)装配在一起的活塞连接轴（12);与小活塞（14)间隙配合的内活塞缸(22);使两 个大活塞（15)连接在一起的大活塞连接杆(13);与电磁阀(7)连接的控制器（16);余热回收 器(19)两端安装的尾气入口（17)及尾气出口（18)、高温蒸汽出口（20)。2. 根据权利要求1所述的余热回收器（19)，其特征在于：内部为发动机消音器，外部覆 盖有耐高温高压金属材料，消音器与金属材料保持一定距离形成一定容积的容器;余热回 收器外壳接有压力表(1)、安全阀（2)、高压喷嘴(3)、蒸汽出口（ 20)。3. 根据权利要求1所述的往复直线嵌套式活塞压缩机(24)，其特征在于:小活塞（14)通 过大小活塞连接轴（12)与大活塞（15)嵌套连接；中间结合体内部有供制冷剂进出的孔道 (21);内活塞缸(22)通过螺栓固定在中间结合体（11)上;往复直线嵌套式活塞压缩机的外 壳(23)通过螺栓固定在中间结合体(11)上;大活塞（15)置于往复直线嵌套式活塞压缩机外 壳（23)内；小活塞（14)置于内活塞缸(22)内；止回阀（10)的一端与中间结合体孔道(21)连 接，另一端与蒸发器连接；电磁阀（7)的控制电路与控制器（16)连接，其两端中的一端与压 缩机的进(排)气孔连接，另一端与接入散热水箱(4)的管道(6)连接。
【文档编号】F04B39/00GK105972857SQ201610301419
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】李莎, 谢军, 刘皓, 董旭
【申请人】天津工业大学