本发明专利技术提出一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构及温度控制方法，包括冷却通道、保温通道及多个阀和温度传感器；冷却通道的各管道工作时，冷却水由主进水管道通入并分流，一部分冷却水流经第一分流管道、第一进水通道、第一背板冷却流道、第一回流管道、第一主回流管道，另一部分冷却水流经电机进水管道、电机冷却水道、电机出水管道、第一主回流管道；保温通道的各管道工作时，回流冷却水径第一主回流管道分流；空压机工作时，根据压缩端蜗壳、电机、回流冷却水、膨胀端蜗壳温度，控制冷却通道、保温通道的各个阀的启闭；本发明专利技术解决了集成膨胀机的透平空压机电机回流冷却水余热利用的问题，提高了集成膨胀机的透平空压机运行效率。高了集成膨胀机的透平空压机运行效率。高了集成膨胀机的透平空压机运行效率。
【技术实现步骤摘要】
一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构及温度控制方法
[0001]本专利技术涉及空压机
，尤其是一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构及温度控制方法。
技术介绍
[0002]氢气是一种理想的能源，其热值大、无污染、来源广泛，而燃料电池则被看作氢能的一种能量转化器。
[0003]燃料电池具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，是支撑实现低碳、清洁发展模式的关键，为了保障燃料电池正常工作，需要空气压缩机提供一定质量流量的压缩空气，随着燃料电池功率的不断攀升，对供给的空气压力和流量随之大幅度提高，空压机的寄生功率也随之提高，为开发更大功率级别的空压机，当前主流技术路线是采用透平能量回收的空压机，利用涡轮膨胀做工的原理将燃料电池堆排出的高温高压尾气进行回收利用，从而提高空压机的效率。
[0004]集成膨胀机的透平空压机通过膨胀回收燃料电池的尾排废气，但由于膨胀过程中气体温度的降低导致绝热效率下降。通过对透平空压机进行保温，以减少温度损失，提高绝热效率，从而提高膨胀回收效率和能源利用率。目前集成膨胀机的透平空压机，膨胀端预热主要采取冷却机壳内部件后升温的气体引入蜗壳预热腔，然而这种预热方法，主要存在以下缺点：（1）气体由电机壳体内部定子、转子，再经膨胀端轴承座与转子之间的缝隙，再经导向器进入膨胀端蜗壳预热腔对蜗壳预热，气体流经的路径较远，并且通过缝隙时存在较大阻力，导致冷却系统的功耗增大。
[0005]（2）由于空气的热容量小，单位质量的空气只能储存很少的热量，同时，由于空气的热传导系数较小，即热量难以迅速传递，这就意味着需要更长的时间才能将热量传递给压缩端蜗壳壳体，从而使其升温。
[0006]（3）由于空压机运行工况复杂，冷却系统的回流介质温度也会随之变化，但对于膨胀端蜗壳加热需要确保冷却系统回流介质的温度高于膨胀端蜗道内部气体温度，从而达到保温效果。
[0007]集成膨胀机的透平空压机在压缩气体时，会使得气体的压力和温度升高，然而气体温度过高会导致气体密度下降，从而使空压机的压缩效率下降。为避免气体温度过高，可以在压缩腔设计合适的流道将冷却介质通入，以降低气体的温度，从而降低压缩功耗并提高绝热效率。但当前对于压缩膨胀构型的空压机冷却压缩研究较少，还没有很好的办法来解决上述问题。
[0008]综上，集成膨胀机的透平空压机急需设计一种能降低压缩功耗和提高膨胀效率的冷却与保温结构以及适配的温度控制方法。
技术实现思路
[0009]本专利技术提出一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构及温度控制方法，通过内部和外部依次顺序相连的冷却通道和保温通道、仿生流道的背板、螺旋型流道的蜗壳设计及布设的温度传感器和各类阀，解决了集成膨胀机的透平空压机压缩过程没有冷却，压缩功耗大的问题，解决了集成膨胀机的透平空压机在膨胀过程中热量损失导致能量回收效率低的问题，解决了集成膨胀机的透平空压机电机回流冷却水余热利用的问题，提高了集成膨胀机的透平空压机运行效率。
[0010]本专利技术采用以下技术方案。
[0011]一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，包括冷却通道、保温通道及用于控制冷却通道、保温通道的多个阀和温度传感器；冷却通道的各管道工作时，冷却水由主进水管道（5）通入并分流，一部分冷却水流经第一分流管道（6）、第一进水通道（7）、第一背板冷却流道（8）、第一回流管道（15）、第一主回流管道（32），另一部分冷却水流经电机进水管道（31）、电机冷却水道（12）、电机出水管道（16）、第一主回流管道（32）；保温通道的各管道工作时，升温后的冷却水作为回流冷却水，径第一主回流管道（32）再次分流，一部分回流冷却水流经第二分流管道（17）、第二进水通道（18）、第二背板保温流道（19）、第二回流管道（20）、第二主回流管道（27），另一部分回流冷却水流经第三分流管道（22）、蜗壳保温流道（24）、第三回流管道（26）、第二主回流管道（27）；第一背板冷却流道设于第一背板（4）处，第二背板保温流道设于第二背板（33）处；空压机工作时，根据温度传感器测得的压缩端蜗壳、电机、回流冷却水、膨胀端蜗壳温度，控制冷却通道、保温通道的各个阀的启闭。
[0012]所述第一分流管道、第一回流管道、第一主回流管道、第二分流管道、第三分流管道、第三回流管道、第二回流管道、第二主回流管道均设置在空压机壳体外部；以节省内部空间和避免冷却水的能量损失；所述第一进水通道、第二进水通道均开设在靠近蜗壳一侧的空压机壳体上，用于将冷却水直接通入对应流道。
[0013]所述空压机的主进水管道与第一分流管道分叉处设有大弧度管道结构，且第一分流管道上安装有第一电磁节流阀（100）；第一电磁节流阀根据第一温度传感器（102）测得的压缩端蜗壳温度，对冷却水的流量进行控制使得压缩端蜗壳（1）内的空气温度得到有效控制，从而降低压缩功耗。
[0014]所述第一背板冷却流道的内部流道结构呈叶脉型仿生流道，冷却水经叶脉型仿生流道进水口（50）通入叶脉型仿生流道主流道（52）、冷却水由叶脉型仿生流道肋条（51）分流并通入叶脉型仿生流道支流道（54），以提高冷却水分布的均匀性和增大热交换面积；从叶脉型仿生流道主流道的冷却水经过中间叶脉型仿生流道圆形流道（53），同叶脉型仿生流道环形集流道（55）汇集的支流道冷却水，一同经叶脉型仿生流道出水口（56）排出。
[0015]第一背板一侧靠近压缩端叶轮（2），以第一背板内部流动的冷却水吸收压缩气体时产生的热量，第一背板另一侧紧挨着压缩端轴承座（10）；所述第二背板一侧靠近膨胀端的叶轮，另一侧紧挨着膨胀端轴承座，第二背板通
过第二背板内部的回流冷却水对膨胀端的膨胀过程进行保温以减小膨胀过程的温度差，提高绝热效率；所述第一背板、第二背板的外侧均设有用于防止压缩端和膨胀端的气体向电机泄露的迷宫型密封结构。
[0016]所述电机进水管道上安装有第二电磁节流阀（101），用于根据电机的定子温度控制电机进水管道内的电机冷却水的流量；所述电机冷却水道呈螺旋形，且流道内部开设有方型槽，用于改变冷却水的流动状态，提高换热效率。
[0017]所述电机出水管道为以45度的角度倾斜的电机冷却水出水管道；所述第一主回流管道与第一回流管道、电机出水管道相连，同第一回流管道的冷却水流向一致，以减少电机回流冷却水的流动阻力，并收集升温后的冷却水进行余热利用；所述第一主回流管道处安装有第三电磁三通阀（105），该阀的向上开口连接第三主回流管道（34），向右开口连接另一方向的第一主回流管道（32），根据回流冷却水与膨胀端蜗壳出气口的温度差值来判断是否进行余热利用。
[0018]所述第二背板内部开设有第二背板保温流道，回流冷却水经第二背板的叶脉型仿生流道出水口（56）通入叶脉型仿生流道主流道（52），经两侧的叶脉型仿生流道肋条（51）分流，一部分回流冷却水通过叶脉型仿生流道支流道（54）并从外侧叶脉型仿生流道环形集流道（55）流入叶脉型仿生流道进水口（50），另一部分通过叶脉型仿生流道圆形流道（53）后流入叶脉型仿生流道进水本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，其特征在于：包括冷却通道、保温通道及用于控制冷却通道、保温通道的多个阀和温度传感器；冷却通道的各管道工作时，冷却水由主进水管道（5）通入并分流，一部分冷却水流经第一分流管道（6）、第一进水通道（7）、第一背板冷却流道（8）、第一回流管道（15）、第一主回流管道（32），另一部分冷却水流经电机进水管道（31）、电机冷却水道（12）、电机出水管道（16）、第一主回流管道（32）；保温通道的各管道工作时，升温后的冷却水作为回流冷却水，径第一主回流管道（32）再次分流，一部分回流冷却水流经第二分流管道（17）、第二进水通道（18）、第二背板保温流道（19）、第二回流管道（20）、第二主回流管道（27），另一部分回流冷却水流经第三分流管道（22）、蜗壳保温流道（24）、第三回流管道（26）、第二主回流管道（27）；第一背板冷却流道设于第一背板（4）处，第二背板保温流道设于第二背板（33）处；空压机工作时，根据温度传感器测得的压缩端蜗壳、电机、回流冷却水、膨胀端蜗壳温度，控制冷却通道、保温通道的各个阀的启闭。2.根据权利要求1所述的一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，其特征在于：所述第一分流管道、第一回流管道、第一主回流管道、第二分流管道、第三分流管道、第三回流管道、第二回流管道、第二主回流管道均设置在空压机壳体外部；以节省内部空间和避免冷却水的能量损失；所述第一进水通道、第二进水通道均开设在靠近蜗壳一侧的空压机壳体上，用于将冷却水直接通入对应流道。3.根据权利要求1所述的一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，其特征在于：所述空压机的主进水管道与第一分流管道分叉处设有大弧度管道结构，且第一分流管道上安装有第一电磁节流阀（100）；第一电磁节流阀根据第一温度传感器（102）测得的压缩端蜗壳温度，对冷却水的流量进行控制使得压缩端蜗壳（1）内的空气温度得到有效控制，从而降低压缩功耗。4.根据权利要求1所述的一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，其特征在于：所述第一背板冷却流道的内部流道结构呈叶脉型仿生流道，冷却水经叶脉型仿生流道进水口（50）通入叶脉型仿生流道主流道（52）、冷却水由叶脉型仿生流道肋条（51）分流并通入叶脉型仿生流道支流道（54），以提高冷却水分布的均匀性和增大热交换面积；从叶脉型仿生流道主流道的冷却水经过中间叶脉型仿生流道圆形流道（53），同叶脉型仿生流道环形集流道（55）汇集的支流道冷却水，一同经叶脉型仿生流道出水口（56）排出。5.根据权利要求1所述的一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，其特征在于：第一背板一侧靠近压缩端叶轮（2），以第一背板内部流动的冷却水吸收压缩气体时产生的热量，第一背板另一侧紧挨着压缩端轴承座（10）；所述第二背板一侧靠近膨胀端的叶轮，另一侧紧挨着膨胀端轴承座，第二背板通过第二背板内部的回流冷却水对膨胀端的膨胀过程进行保温以减小膨胀过程的温度差，提高绝热效率；所述第一背板、第二背板的外侧均设有用于防止压缩端和膨胀端的气体向电机泄露的迷宫型密封结构。6.根据权利要求1所述的一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，其特征在于：所述电机
进水管道上安装有第二电磁节流阀（101），用于根据电机的定子温度控制电机进水管道内的电机冷却水的流量；所述电机冷却水道呈螺旋形，且流道内部开设有方型槽，用于改变冷却水的流动状态，提高换热效率。7.根据权利要求1所述的一种空压机压缩冷却与膨胀保温结构，其特征在于：所述电机出水管道为以45度的角度倾斜的电机冷却水出水管道；所述第一主回流管道与第一回流管道、电机出水管道相连，同第一回流管道...
【专利技术属性】
技术研发人员：欧凯，刘锦航，王亚雄，苏铭航，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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