專利名稱:一種恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)，包括活塞、氣缸、曲柄連桿機構、高壓氣體工質儲罐、加熱介質儲罐、換熱器和混合器；加熱介質儲罐中的液體被外界熱源加熱；高壓氣體工質儲罐中存儲高壓氣體和液體，當系統(tǒng)工作、高壓氣體和加熱介質的混合流體從混合器進入氣缸時，液泵工作通過吸收液罐中的液體進入高壓氣體工質儲罐，使高壓氣體工質儲罐維持恒定的壓力；高壓氣體進入氣缸驅動活塞做功，同時，來自加熱介質儲罐的高溫加熱介質以霧狀或泡沫狀進入氣缸，實現(xiàn)準等溫膨脹過程，從而提高單位工質的輸出功量。
【專利說明】一種恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)，具體為系統(tǒng)包括活塞、氣缸、曲柄連桿機構、加熱介質液罐、高壓氣體工質儲罐，加熱介質液罐中的液體被外界熱源加熱；高壓氣體工質儲罐中存儲高壓氣體和液體，當系統(tǒng)工作、高壓氣體從高壓氣體工質儲罐進入等活塞時，液泵工作通過吸收加熱介質液罐中的加熱介質進入高壓氣體工質儲罐，使高壓氣體工質儲罐維持恒定的壓力；高壓氣體進入氣缸驅動活塞做功，同時，來自加熱介質液罐的高溫加熱介質以霧狀或泡沫狀進入膨脹機氣缸，實現(xiàn)準等溫膨脹過程，從而提高單位工質的輸出功量。
【背景技術】
[0002]隨著技術的發(fā)展和人們對環(huán)境的關注，研宄人員開展了各種低碳動力系統(tǒng)的研宄，使其更加低碳環(huán)保、更好的利用外界的余熱以及更大的輸出比功。等溫膨脹機可以獲得更大的輸出功和更高的系統(tǒng)效率，日漸引起了人們的關注，研宄領域已初步涉及等溫柴油機、等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)和活塞壓縮機等領域，為提高單位工質的出功量以及能源利用效率提供了新的方案。實現(xiàn)等溫膨脹的關鍵在于膨脹過程的強化傳熱。實踐證明，在氣缸壁外采用水或空氣加熱膨脹氣體的方式，效果很不明顯，從而導致實際膨脹過程接近絕熱膨脹，不僅降低了膨脹機的系統(tǒng)效率，而且容易引起排氣孔結霜，影響機器的正常運行。而工業(yè)上常采用的多級膨脹、級間加熱的運行方式，則會不可避免地導致系統(tǒng)結構復雜化、成本增加以及附加功耗增加。
[0003]此外，工業(yè)等各個領域存在大量的余熱，包括燃料發(fā)動機余熱、工業(yè)廢熱、太陽能集熱等，如果可以實現(xiàn)對這些熱量的利用，將可以進一步提高等溫膨脹機的溫度，增加系統(tǒng)的輸出比功。
[0004]通常的應用中，采用定容儲氣罐，隨著壓縮空氣的消耗，儲氣罐內(nèi)的壓力降低，將影響膨脹機的工作狀況，通過引入液壓系統(tǒng)，使膨脹機在恒定壓力下工作，將可以使系統(tǒng)高效的工作。
[0005]因此，本文提出了一中恒壓供氣的等溫膨脹系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)膨脹機的恒壓供氣和近等溫膨脹，從而增加單位工質的輸出功。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為克服現(xiàn)有技術的缺點和不足，本發(fā)明公開了一種恒壓供氣的等溫膨脹的動力系統(tǒng)，其中液罐中的加熱介質被外界熱源加熱；高壓氣體工質儲罐中存儲高壓氣體和液體，當系統(tǒng)工作、高壓氣體從高壓氣體工質儲罐進入氣缸時，液泵工作通過吸收加熱介質液罐中的液體進入高壓氣體工質儲罐，使高壓氣體工質儲罐維持恒定的壓力；高壓氣體進入氣缸驅動活塞做功，同時，來自加熱介質液罐的高溫液體以霧狀或泡沫狀與高壓氣體混合后進入氣缸，實現(xiàn)準等溫膨脹過程，從而提高單位工質的輸出功量。
[0007]為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)，包括活塞、氣缸、曲柄連桿機構、高壓氣體工質儲罐、加熱介質儲罐、換熱器和混合器，其特征在于，
[0008]—所述氣缸頂部裝有與所述混合器的出口連通的進氣閥；
[0009]-在靠近所述活塞的下止點附近位置的所述氣缸的側壁上設有排氣孔，圍繞所述氣缸的外壁形成一封閉排氣緩沖腔，所述排氣緩沖腔可通過氣缸側壁上的排氣孔與氣缸連通，在所述排氣緩沖腔的底部或靠近底部的側壁上設置有排液口，所述排液口在高度方向上位于所述排氣孔下方，在所述排氣緩沖腔的頂部或靠近頂部的側壁上設置有氣體出口，所述氣體出口在高度方向上位于所述排氣孔上方；
[0010]-設置在所述加熱介質儲罐底部的液體出口I通過液體管路經(jīng)所述換熱器的熱流體側與所述混合器的液體進口連通；
[0011]--設置在所述高壓氣體工質儲罐頂部的高壓氣體出口通過氣體管路經(jīng)所述換熱器的冷流體側與所述混合器的高壓氣體進口連通。
[0012]進一步地，所述三通部件和所述高壓氣體工質儲罐的液體進口之間的管路上設有液泵II。
[0013]進一步地，所述加熱介質儲罐底部和高壓氣體工質儲罐底部通過一設置有限壓閥的液體管路相互連通。
[0014]優(yōu)選地，所述活塞的頂部表面為平面或具有一向下的坡度。
[0015]優(yōu)選地，所述活塞的頂部設有可觸發(fā)進氣閥打開或關閉的頂桿。
[0016]本發(fā)明的恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)，在在氣缸頂部裝有與混合器的出口連通的進氣閥，用來將來自加熱介質儲罐的加熱介質霧化或者泡沫化并注入氣缸。當活塞運行至上止點附近時，進氣閥由與活塞相連的頂桿打開，混合器中的高壓氣體和加熱介質的混合流體噴入氣缸后，驅動活塞做功；與此同時，霧狀或泡沫狀加熱介質在活塞表面不斷積聚。當活塞運行至下止點附近時，氣缸壁上的排氣孔被打開，膨脹后的氣體和活塞表面積聚的加熱介質通過氣缸壁的排氣孔自動排入緩沖腔；隨后活塞上行，壓縮氣缸內(nèi)殘余的氣體，直至進氣閥被打開，開始下一個循環(huán)。在緩沖腔內(nèi)加熱介質與氣體工質分離，加熱介質通過排液口排出；氣體工質通過緩沖腔上側的氣體出口排出。加熱介質進入液體匯流罐，并回流至液體儲罐或者被泵導入高壓氣體工質儲罐中。加熱介質儲罐中的加熱介質被加熱源加熱，這部分加熱介質儲罐被液泵加壓至一定的壓力，進入換熱器預熱來自高壓氣體工質儲罐中的高壓氣體，然后通過氣缸頂部的噴射器噴入氣缸內(nèi)。其中加熱源的能量來自燃料發(fā)動機的余熱、工業(yè)廢熱或者收集的太陽能的熱量，高壓氣體工質儲罐中存儲的為高壓氣體工質，即膨脹機的進氣來源以及高壓液體，這部分液體為膨脹機排出液以及一部分常壓加熱介質儲罐中的液體經(jīng)液泵加壓后的加熱介質，通過在高壓氣體工質儲罐中泵入一定量的加熱介質來維持高壓氣體工質儲罐內(nèi)部的氣體壓力恒定。加熱介質儲罐中的液體為氣缸內(nèi)噴入的加熱介質的來源，在噴入氣缸之前，這部分液體首先被液泵加壓，然后先在換熱器中與高壓氣體換熱，最后一起噴入氣缸。當高壓氣體工質儲罐中的壓力高于設定壓力時，其中的液體通過一個限壓閥回流至常壓加熱介質儲罐中。需要說明的是，如果加熱介質以泡沫的形式噴入氣缸內(nèi)，則加熱介質中加入了一種專門的添加劑，如丙二醇、低沸點烷烴或氟碳化合物等。
[0017]同現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)具有顯著的效果:(I)通過高壓氣體與大量霧狀或泡沫狀加熱介質混合，然后噴入氣缸，使氣體在膨脹過程中強化傳熱，由于液態(tài)加熱介質具有較大的比熱容，在其為霧狀或者泡沫狀時具有較大換熱面積，可以使膨脹過程明顯地偏離絕熱過程，獲得接近于等溫的“準等溫膨脹”過程，從而實現(xiàn)等溫釋能，提高同類型膨脹機的單位工質輸出功和其工作效率、并提高系統(tǒng)的整體效率，可以應用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)、有機郎肯循環(huán)、超臨界0)2動力循環(huán)、余熱回收利用系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的動力輸出裝置；(2)與傳統(tǒng)的多級容積式膨脹機相比，本發(fā)明一種恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)能夠實現(xiàn)余熱利用、恒壓供氣和近等溫膨脹，從而顯著地提高了單位工質輸出功、等溫效率，減小了設備單位功率的尺寸、成本和附加功耗，最終達到較高的系統(tǒng)效率，為發(fā)展新型的動力設備提供新的可行方案。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0020]圖1為本發(fā)明的恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)的結構示意圖。該系統(tǒng)包括活塞5、氣缸3、曲柄連桿機構、高壓氣體工質儲罐22、加熱介質儲罐21、換熱器24、混合器25，活塞5滑動安裝于氣缸3中，曲柄連桿機構包括連桿12和曲柄13，連桿12 —端與活塞5連接，另一端與曲柄13連接，氣缸3頂部裝有與混合器25的出口連通的進氣閥2，在加熱介質與氣體通過換熱器24換熱后、進入氣缸3之前，兩者進入一個混合器25，然后把充分混合的氣液兩相流噴入氣缸3。在靠近活塞5的下止點附近位置的氣缸3的側壁上設有排氣孔8，圍繞氣缸3的外壁形成一封閉排氣緩沖腔9，排氣緩沖腔9可通過氣缸3側壁上的排氣孔8與氣缸3連通，在排氣緩沖腔9的底部或靠近底部的側壁上設置有排液口 10，排液口 10在高度方向上位于排氣孔8下方，在排氣緩沖腔9的頂部或靠近頂部的側壁上設置有氣體出口 11，氣體出口 11在高度方向上位于排氣孔8上方；設置在加熱介質儲罐21底部的液體出口 I通過液體管路經(jīng)換熱器24的熱流體側與環(huán)形噴射器4的進口連通；設置在高壓氣體工質儲罐22頂部的高壓氣體出口通過氣體管路經(jīng)換熱器24的冷流體側與進氣閥2的進口連通。
[0021]當活塞5運行至上止點附近時，進氣閥2由與活塞5相連的頂桿7打開，高壓氣體和加熱介質的混合流體隨即進入氣缸3，驅動活塞5做功；與此同時，霧狀或泡沫狀加熱介質在活塞5表面不斷積聚。當活塞5運行至下止點附近時，氣缸壁上的排氣孔8被打開，膨脹后的氣體和活塞表面積聚的加熱介質通過氣缸壁的排氣孔8自動排入緩沖腔9 ;隨后活塞5上行，壓縮氣缸內(nèi)殘余的氣體，直至進氣閥2被打開，開始下一個循環(huán)。在緩沖腔9內(nèi)加熱介質與氣體工質分離，加熱介質通過排液口 10排出；氣體工質通過緩沖腔9上側的排氣孔11排出。加熱介質進入液體匯流罐14，并回流至加熱介質儲罐21或者被泵19導入高壓氣體工質儲罐22中。加熱介質儲罐21中的加熱介質被加熱源18加熱，這部分加熱介質被液泵20加壓至一定的壓力，進入換熱器24預熱來自高壓氣體工質儲罐22中的高壓氣體，然后通過氣缸頂部的進氣閥2噴入氣缸3內(nèi)。其中加熱源18的能量來自燃料發(fā)動機的余熱、工業(yè)廢熱或者收集的太陽能的熱量，高壓氣體工質儲罐22中存儲的為高壓氣體，即膨脹機的進氣來源以及高壓液體，這部分液體為膨脹機排出液以及一部分常壓加熱介質儲罐21中的液體經(jīng)液泵19加壓后的液體，通過在高壓氣體工質儲罐22中泵入一定量的液體來維持儲罐內(nèi)部的氣體壓力恒定。加熱介質儲罐21中的加熱介質為氣缸內(nèi)噴入的加熱介質的來源，在噴入氣缸之前，這部分加熱介質首先被液泵20加壓，然后先在換熱器24中與高壓氣體換熱，最后一起噴入氣缸3。當高壓氣體工質儲罐22中的壓力高于設定壓力時，其中的加熱介質通過一個限壓閥23回流至常壓加熱介質儲罐21中。需要說明的是，如果加熱介質以泡沫的形式噴入氣缸內(nèi)，則加熱介質中加入了一種專門的添加劑，如丙二醇、低沸點烷烴或氟碳化合物等。
[0022]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種恒壓供氣的等溫膨脹動力系統(tǒng)，包括活塞、氣缸、曲柄連桿機構、高壓氣體工質儲罐、加熱介質儲罐、換熱器和混合器，其特征在于， --所述氣缸頂部裝有與所述混合器的出口連通的進氣閥； -在靠近所述活塞的下止點附近位置的所述氣缸的側壁上設有排氣孔，圍繞所述氣缸的外壁形成一封閉排氣緩沖腔，所述排氣緩沖腔可通過氣缸側壁上的排氣孔與氣缸連通，在所述排氣緩沖腔的底部或靠近底部的側壁上設置有排液口，所述排液口在高度方向上位于所述排氣孔下方，在所述排氣緩沖腔的頂部或靠近頂部的側壁上設置有氣體出口，所述氣體出口在高度方向上位于所述排氣孔上方； -設置在所述加熱介質儲罐底部的液體出口I通過液體管路經(jīng)所述換熱器的熱流體側與所述混合器的液體進口連通； -設置在所述高壓氣體工質儲罐頂部的高壓氣體出口通過氣體管路經(jīng)所述換熱器的冷流體側與所述混合器的高壓氣體進口連通。2.根據(jù)權利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述液體出口I和換熱器之間的液體管路上設置有液泵I。3.根據(jù)權利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱介質儲罐設外部加熱管路，所述外部加熱管路一端與所述加熱介質儲罐的底部連通，另一端與所述加熱介質儲罐的頂部連通，且所述外部加熱管路上設有加熱源。4.根據(jù)權利要求3所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱源為燃料發(fā)動機的余熱、工業(yè)廢熱或者收集的太陽能熱。5.根據(jù)權利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述排氣緩沖腔的所述排液口與一液體匯流罐連通。6.根據(jù)權利要求5所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述液體匯流罐的出口經(jīng)一三通部件與所述加熱介質儲罐的液體連通孔和所述高壓氣體工質儲罐的液體進口連通。7.根據(jù)權利要求6所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述三通部件和所述高壓氣體工質儲罐的液體進口之間的管路上設有液泵II。8.根據(jù)權利要求7所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱介質儲罐底部和高壓氣體工質儲罐底部通過一設置有限壓閥的液體管路相互連通。9.根據(jù)權利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述活塞的頂部表面為平面或具有一向下的坡度。10.根據(jù)權利要求1所述的動力系統(tǒng)，其特征在于，所述活塞的頂部設有可觸發(fā)進氣閥打開或關閉的頂桿。
【文檔編號】F02G1-043GK204283660SQ201420625841
【發(fā)明者】張新敬, 陳海生, 徐玉杰, 許劍, 薛皓白, 譚春青 [申請人]中國科學院工程熱物理研究所