ГИБРИДНЫЙ КОМПРЕССОР И КОТЕЛ ДЛЯ ПОДАЧИ/ОТВОДА ТЕПЛА, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ГИБРИДНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2024 года по МПК F04B35/00 

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Контекст и предшествующий уровень техники

В известных решениях часто используют электрический двигатель для приведения во вращение компрессора, который образует рабочий элемент теплонасосного цикла.

Существуют также решения, основанные на двигателе внутреннего сгорания для приведения во вращение такого компрессора.

Таким образом, конструкторы теплового оборудования обычно предлагают решения, позволяющие внедрять термодинамические решения, включающие в себя:

1. Электрические тепловые насосы.

2. Термические тепловые насосы.

3. Микрокогенерационные котлы.

Заявитель ранее уже предложил использовать так называемый «термический» термодинамический компрессор нового типа в качестве рабочего элемента теплонасосного цикла.

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.

Раскрытие сущности изобретения

Для решения этой задачи предложен гибридный термодинамический компрессор для сжатия рабочей среды, при этом компрессор по меньшей мере содержит:

- 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),

- реверсивную электрическую машину (6), соединенную с шатунно-кривошипной системой (5),

при этом объемный цилиндр содержит цилиндрический корпус с первым поршнем (81), который отделяет первую камеру (Ch1) от второй камеры (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,

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,

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),

при этом мощность, производимая в термическом цилиндре, передается в объемный цилиндр в основном через соединительный контур, а не через шатунно-кривошипную систему.

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.

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.

Следует также отметить, что, как будет показано ниже, объемный цилиндр может быть цилиндром простого действия или двойного действия.

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.

Термин «первый обратный клапан» в данном случае обозначает впускной клапан компрессора. Термин «второй обратный клапан» в данном случае обозначает выпускной клапан компрессора.

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.

В различных вариантах выполнения изобретения, относящихся к системе, можно применять также один и/или другой из следующих признаков, рассматриваемых отдельно или в комбинации.

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.

Согласно отличительному признаку, предусмотрены:

- электрический режим сжатия, в котором источник тепла отключен, и электрическая машина работает в режиме двигателя,

- 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.

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.

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.

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.

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.

Согласно другой конфигурации, ход (Т2) второго поршня (82) может превышать ход (Т1) первого поршня (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.

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.

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.

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.

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.

Благодаря такой конфигурации двойного действия, компрессор может, в случае необходимости, обеспечивать более высокую степень сжатия. Эта конфигурация позволяет также ослабить требования на поршневых кольцах.

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.

Согласно дополнительному признаку одноступенчатой конфигурации, соединительный контур (12) может быть тоже оснащен таким вентилем (4) с идентичной работой в электрическом и термическом режимах.

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.

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.

Согласно варианту, котел может представлять собой когенерационную машину с производством электричества.

Краткое описание чертежей

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:

Фиг. 1 - диаграмма заявленного гибридного термодинамического компрессора в одноступенчатой версии перекачки, при этом компоненты схематично показаны в плоскости.

Фиг. 2 - вид, аналогичный фиг. 1, в двухступенчатой версии объемного компрессора.

Фиг. 3 - конструктивный вариант выполнения компрессора с термическим цилиндром, расположенным перпендикулярно к объемному цилиндру.

Фиг. 4 - вариант выполнения, аналогичный варианту, показанному на фиг. 2, вид со стороны шатунно-кривошипной системы и в направлении объемного цилиндра.

Фиг. 5 - диаграмма цикла с давлениями и ходами на оси ординат для одноступенчатой версии.

Фиг. 6 - диаграмма термодинамического цикла термического цилиндра.

Фиг. 7 - диаграмма цикла с давлениями и ходами на оси ординат для двухступенчатой версии.

Фиг. 8 - общий схематичный вид системы реверсивного теплового насоса.

Описание вариантов выполнения

На различных фигурах идентичные или подобные элементы имеют одинаковые обозначения. Для большей ясности некоторые элементы показаны не в масштабе.

Общие положения, компрессорный тепловой насос

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.

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.

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.

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.

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.

Компрессор - общие положения - объемный и термический цилиндры

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).

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.

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.

Объемный цилиндр 1 образует по меньшей мере одну компрессорную ступень объемного типа для первичного контура 85 теплонасосной системы.

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.

Третья камера Ch3 может охлаждаться при помощи охлаждающего контура, символически показанного на фигурах под обозначением 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.

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.

Ось Y2 является вертикальной вместе с четвертой камерой, расположенной над третьей камерой 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Эту же текучую среду используют в первичном контуре 85 теплонасосной системы, описанной со ссылками на фиг. 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.

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.

Шатунно-кривошипная система и механическая конструкция

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.

На фиг. 3 и 4 представлены более реальные конфигурации с точки зрения промышленного решения.

Шатунно-кривошипная система 5 механически соединяет между собой объемный цилиндр 1 и термический цилиндр 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.

Впускной канал с первым обратным клапаном 61 и выпускной канал с вторым обратным клапаном 62 соединены, оба, с первой камерой Ch1.

Компрессор - шатунно-кривошипная система

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.

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.

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.

Таким образом, Т1 является ходом первого поршня 81. Рабочий объем объемного цилиндра равен Т1 × S1, где S1 является сечением первой гильзы 71.

Т2 является ходом второго поршня 82. Рабочий объем термического цилиндра равен Т2 × S2, где S2 является сечением второй гильзы 72.

В нижней мертвой точке первого поршня остаточный объем первой камеры Ch1 является очень малым, менее 5% рабочего объема, предпочтительно менее 2% рабочего объема.

В верхней мертвой точке первого поршня остаточный объем второй камеры Ch2 тоже может быть небольшим, менее 5% рабочего объема, предпочтительно менее 2% рабочего объема.

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.

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.

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.

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.

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.

Отмечается наличие углового смещения θd между циклом первого поршня и циклом второго поршня.

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.

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.

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).

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.

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.

Пневматический контур - одноступенчатая версия

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.

В версии простого действия вторая камера Ch2 работает только в возвратно-поступательном режиме с третьей камерой Ch3 через соединительный контур 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.

Двухступенчатая версия

В этой конфигурации (см. фиг. 2 и 3) обе камеры объемного цилиндра используются для повышения давления от Pin до 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.

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.

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.

Работа и управление

Компрессор называют «гибридным»; действительно, он может работать по меньшей мере в двух следующих рабочих режимах: электрическим и термическом.

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.

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.

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.

Согласно одной конфигурации, логическая схема управления может задавать двоичный выбор, а именно исключительно либо электрический режим, либо термический режим.

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.

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.

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.

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.

В одноступенчатой конфигурации давления Pmin и Pmax не связаны обязательным отношением со значениями давлений Pin и 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.

Следовательно: W2 > W1, где

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.

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.

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.

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.

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.

Давление Р1 меняется от Pin до Р3. Давление Р2 меняется от Р3 до 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.

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.

В верхней части фигуры соответствующие положения поршней 81, 82 показывают заранее определенное угловое смещение θd, в данном случае с запаздыванием объемного цилиндра на 90°.

В примере, представленном на фиг. 7, Pin составляет около 25 бар, Р3 составляет около 50 бар, Pout составляет около 75 бар.

В примере, представленном на фиг. 5, Pin составляет около 25 бар, Pout составляет около 65 бар.

Другие положения

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.

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.

В некоторых типичных случаях ход Т1 превышает Т2. В некоторых других типичных случаях сечение S1 превышает S2.

В некоторых типичных случаях буферный объем 3 может составлять от 10 литров до 25 литров.

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.

Гибридный компрессор (8) для сжатия рабочей среды, при этом компрессор содержит первый цилиндр (1) и второй цилиндр (2), соединенные между собой механически через шатунно-кривошипную систему (5) и пневматически через соединительный контур (12), возможно, с факультативным вентилем (4), реверсивную электрическую машину (6), при этом первый цилиндр содержит первый поршень (81), который отделяет первую камеру (Ch1) от второй камеры (Ch2), при этом второй цилиндр содержит второй поршень (82), который отделяет третью камеру (Ch3) от четвертой камеры (Ch4), которая может входить в термический контакт с источником (21) тепла, создавая, таким образом, циклическое движение во втором цилиндре, и, что касается шатунно-кривошипной системы (5), то первый поршень и второй поршень соединены с ротором (52) через соответствующие первый и второй шатунно-кривошипные механизмы (91,92) с заранее определенным угловым смещением (θd), при этом первый цилиндр оснащен обратными клапанами (61,62), при этом мощность, производимая во втором цилиндре, передается в первый цилиндр в основном через соединительный контур, а не через шатунно-кривошипную систему. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Гибридный компрессор (8) для сжатия рабочей среды, при этом компрессор по меньшей мере содержит:

- первый цилиндр (1) и второй цилиндр (2), соединенные между собой механически через шатунно-кривошипную систему (5) и пневматически через соединительный контур (12),

- реверсивную электрическую машину (6), соединенную с шатунно-кривошипной системой (5),

при этом первый цилиндр содержит цилиндрический корпус с первым поршнем (81), который отделяет первую камеру (Ch1) от второй камеры (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,

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,

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),

при этом мощность, производимая во втором цилиндре, передается в первый цилиндр в основном через соединительный контур, а не через шатунно-кривошипную систему.

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.

3. Гибридный компрессор по одному из п. 1 или 2, в котором предусмотрены:

- электрический режим сжатия, в котором источник тепла отключен, и электрическая машина работает в режиме двигателя,

- 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.

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.

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.

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).

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.

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),

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.

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.

10. Котел по п. 9 в комбинации с п. 3, при этом указанный котел представляет собой когенерационную машину с производством электричества.