一種單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，可應(yīng)用于小型/微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)或者其他動(dòng)力系統(tǒng)，通過向膨脹過程的氣體內(nèi)噴射霧狀或者泡沫狀介質(zhì)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)等溫膨脹過程，從而提高單位工質(zhì)的輸出功量，并提高系統(tǒng)的整體效率。具體方式是所述氣缸頂部裝有進(jìn)氣閥和環(huán)形噴射器，所述進(jìn)氣閥與外部高壓氣體工質(zhì)源連通，所述環(huán)形噴射器與外部加熱介質(zhì)源系統(tǒng)連通，用以將加熱后的加熱介質(zhì)霧化或者形成泡沫并以一定的質(zhì)量流量注入氣缸內(nèi)，在膨脹機(jī)工作過程中，用來向氣缸內(nèi)的膨脹工質(zhì)中噴入霧狀或泡沫狀介質(zhì)。本實(shí)用新型相對(duì)于傳統(tǒng)的單閥膨脹機(jī)，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(zhǔn)等溫膨脹”過程，提高單位工質(zhì)的輸出功量以及膨脹機(jī)的工作效率。
【專利說明】一種單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種可應(yīng)用于小型/微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)或者其他動(dòng)力系統(tǒng)的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，該膨脹機(jī)可以通過向膨脹過程的氣體內(nèi)噴射霧狀或者泡沫狀液體實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)等溫膨脹過程，從而實(shí)現(xiàn)等溫釋能，提高單位膨脹工質(zhì)的出功量、并提高系統(tǒng)的整體效率。

【背景技術(shù)】
[0002]膨脹機(jī)廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力輸出系統(tǒng)中，如蒸汽動(dòng)力循環(huán)、燃?xì)廨啓C(jī)、有機(jī)郎肯循環(huán)、壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等。等溫膨脹機(jī)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(guān)注，研宄領(lǐng)域已初步涉及等溫柴油機(jī)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和活塞壓縮機(jī)噴水蒸發(fā)內(nèi)冷卻過程等領(lǐng)域，為提高單位工質(zhì)的出功量以及能源利用效率提供了新的方案。實(shí)現(xiàn)等溫膨脹的關(guān)鍵在于膨脹過程的強(qiáng)化傳熱。實(shí)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(dǎo)致實(shí)際膨脹過程接近絕熱膨脹，不僅降低了膨脹機(jī)的系統(tǒng)效率，而且容易引起排氣孔結(jié)霜，影響機(jī)器的正常運(yùn)行。而工業(yè)上常采用的多級(jí)膨脹、級(jí)間加熱的運(yùn)行方式，則會(huì)不可避免地導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、成本增加以及附加功耗增加。
[0003]本文提出的等溫膨脹機(jī)為改型的單閥活塞膨脹機(jī)。單閥膨脹機(jī)常用于小型制冷、空分領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)的雙閥活塞式膨脹機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易密封、運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、小型有機(jī)郎肯循環(huán)、小型超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)、小型余熱回收利用系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，單閥活塞式膨脹機(jī)將可以作為上述系統(tǒng)的動(dòng)力輸出設(shè)備，具有良好發(fā)展前景。引入等溫膨脹技術(shù)，將可以進(jìn)一步提高上述系統(tǒng)的工作效率。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本實(shí)用新型公開了一種新型單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，通過直接向膨脹機(jī)氣缸內(nèi)噴注大量霧狀或泡沫狀液體，使氣體在膨脹過程中強(qiáng)化傳熱，由于液體具有較大的比熱容，當(dāng)其為霧狀或者泡沫狀時(shí)具有較大的換熱面積，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(zhǔn)等溫膨脹”過程，從而實(shí)現(xiàn)等溫釋能，提高同類型膨脹機(jī)的單位工質(zhì)輸出功和其工作效率、并提高系統(tǒng)的整體效率，可以應(yīng)用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、有機(jī)郎肯循環(huán)、超臨界0)2動(dòng)力循環(huán)、余熱回收利用系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的動(dòng)力輸出裝置。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，包括活塞、氣缸和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，所述活塞滑動(dòng)安裝于氣缸中，其特征在于，
[0006]一所述氣缸頂部裝有進(jìn)氣閥和環(huán)形噴射器，所述進(jìn)氣閥與外部高壓氣體工質(zhì)源連通，所述環(huán)形噴射器與外部加熱介質(zhì)源系統(tǒng)連通，用以將加熱后的加熱介質(zhì)霧化或者形成泡沫并以一定的質(zhì)量流量注入氣缸內(nèi)；
[0007]-在靠近所述活塞的下止點(diǎn)附近位置的所述氣缸的側(cè)壁上設(shè)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(cè)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(cè)壁上設(shè)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(cè)壁上設(shè)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。
[0008]優(yōu)選地，所述進(jìn)氣閥設(shè)置在氣缸頂部的中心位置，所述環(huán)形噴射器設(shè)置在所述進(jìn)氣閥的周圍。
[0009]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，以便液體排出。
[0010]優(yōu)選地，所述活塞的頂部設(shè)有可觸發(fā)進(jìn)氣閥打開或關(guān)閉的頂桿。
[0011]優(yōu)選地，所述排液口連接排液導(dǎo)管，用來回收分離后的加熱介質(zhì)。膨脹機(jī)的排氣緩沖腔從而同時(shí)具有氣流緩沖和氣液分離的雙重作用。
[0012]優(yōu)選地，所述加熱介質(zhì)與氣體工質(zhì)的質(zhì)量比為1:20至20:1之間的任意值。氣缸內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)狀態(tài)可以為霧狀流、沫狀流和泡狀流等流動(dòng)形態(tài)。
[0013]優(yōu)選地，所述環(huán)形噴射器為電磁噴射器或超聲噴射器。環(huán)形噴射器噴入氣缸內(nèi)的液滴應(yīng)盡可能均勻、細(xì)小，從而增大氣液兩相間的換熱面積，從而盡可能強(qiáng)化換熱。
[0014]優(yōu)選地，所述外部加熱介質(zhì)源系統(tǒng)包括通過管路依次連接的液體罐、加熱器和液泵，所述液體罐的進(jìn)口與所述排液口連通，所述液泵的出口與所述環(huán)形噴射器的進(jìn)口連通。
[0015]進(jìn)一步地，所述加熱器為風(fēng)冷器或換熱器，所述換熱器的冷流體側(cè)通入所述加熱介質(zhì)，熱流體側(cè)連接加熱源，所述加熱源為來自燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱、工業(yè)廢熱或太陽能熱。
[0016]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)具有顯著的技術(shù)效果:(I)通過直接向膨脹機(jī)氣缸內(nèi)噴注大量霧狀或泡沫狀加熱介質(zhì)，使氣體在膨脹過程中強(qiáng)化傳熱，由于液態(tài)加熱介質(zhì)具有較大的比熱容，當(dāng)其為霧狀或者泡沫狀時(shí)具有較大的換熱面積，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(zhǔn)等溫膨脹”過程，從而實(shí)現(xiàn)等溫釋能，提高同類型膨脹機(jī)的單位工質(zhì)輸出功和其工作效率、并提高系統(tǒng)的整體效率，可以應(yīng)用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、有機(jī)郎肯循環(huán)、超臨界0)2動(dòng)力循環(huán)、余熱回收利用系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的動(dòng)力輸出裝置；(2)與傳統(tǒng)的多級(jí)容積式膨脹機(jī)相比，本實(shí)用新型的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)還具有膨脹級(jí)數(shù)減少，單級(jí)膨脹比增大，而膨脹機(jī)進(jìn)出口溫差減小，膨脹過程接近等溫膨脹等特點(diǎn)，從而顯著地提高了單位工質(zhì)輸出功、等溫效率，減小了設(shè)備單位功率的尺寸、成本和附加功耗，最終達(dá)到較高的系統(tǒng)效率，為小型等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及其他動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供新的可行方案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]實(shí)施例1
[0023]圖1為本實(shí)用新型的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。單閥等溫膨脹機(jī)包括活塞5、氣缸3和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，活塞5滑動(dòng)安裝于氣缸3中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)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，在氣缸3頂部裝有進(jìn)氣閥2和環(huán)形噴射器4，進(jìn)氣閥2與外部高壓氣體工質(zhì)源連通，環(huán)形噴射器4與外部加熱介質(zhì)源系統(tǒng)連通，用來將加熱介質(zhì)B霧化或者形成泡沫并以一定的質(zhì)量流量注入氣缸3。在靠近活塞5下止點(diǎn)附近位置的氣缸側(cè)壁上設(shè)有排氣孔8，圍繞氣缸3外壁形成一封閉排氣緩沖腔9，排氣緩沖腔9可通過氣缸側(cè)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(cè)壁上設(shè)置有排液口 10，排液口 10在高度方向上位于氣缸排氣孔8下方，在排氣緩沖腔9的頂部或靠近頂部的側(cè)壁上設(shè)置有氣體出口 11，氣體出口 11在高度方向上位于氣缸排氣孔8上方；當(dāng)活塞5運(yùn)行至上止點(diǎn)附近時(shí)，進(jìn)氣閥2由與活塞5相連的頂桿7打開，高壓氣體工質(zhì)A隨即進(jìn)入氣缸3，與霧狀或泡沫狀加熱介質(zhì)混合后，驅(qū)動(dòng)活塞5做功；與此同時(shí)，霧狀或泡沫狀加熱介質(zhì)在活塞5表面不斷積聚。當(dāng)活塞5運(yùn)行至下止點(diǎn)附近時(shí)，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(zhì)通過氣缸壁的排氣孔8自動(dòng)排入緩沖腔9 ;隨后活塞5上行，直至進(jìn)氣閥2被打開，開始下一個(gè)循環(huán)。在緩沖腔9內(nèi)液體工質(zhì)與氣體工質(zhì)分離，液體工質(zhì)通過排液口 10排出；氣體工質(zhì)通過上側(cè)的排氣孔11排出。需要說明的是，如果加熱介質(zhì)B以泡沫的形式噴入氣缸內(nèi)，則加熱介質(zhì)中加入了一種專門的添加劑，如丙二醇、低沸點(diǎn)烷烴或氟碳化合物等。
[0024]實(shí)施例2
[0025]圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中5為活塞體的一部分，且主要為活塞頂部部分，7為頂桿，本實(shí)施例列出了活塞5頂部的形狀，實(shí)施例1中給出的活塞頂部為平面形狀。如圖2所示，活塞的頂部也可以為斜面，其與平面的夾角為大于O度，當(dāng)活塞運(yùn)行至下止點(diǎn)附件時(shí)，這種結(jié)構(gòu)便于把在活塞表面積聚的液體及時(shí)的排出至排氣緩沖腔9內(nèi)。
[0026]實(shí)施例3
[0027]圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖，其主體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，所不同的是，本實(shí)施例中給出了加熱介質(zhì)B的流動(dòng)環(huán)路。加熱介質(zhì)B以環(huán)境溫度進(jìn)入膨脹機(jī)氣缸3，經(jīng)過膨脹機(jī)的膨脹過程，并排出，其溫度下降，排出的加熱介質(zhì)進(jìn)入液體罐14，然后通過一個(gè)風(fēng)冷器15，這里是利用環(huán)境溫度加熱流體介質(zhì)，然后經(jīng)過一個(gè)液泵16加壓，再次噴射到氣缸中。需要說明的是，實(shí)施例2同樣可以用于本實(shí)施例中；如果加熱介質(zhì)B以泡沫的形式噴入氣缸內(nèi)，則加熱介質(zhì)中加入了一種專門的添加劑，如丙二醇、低沸點(diǎn)烷烴或氟碳化合物等。
[0028]實(shí)施例4
[0029]圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖，其主體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1、實(shí)施例2相同，相比于實(shí)施例3所不同的是，本實(shí)施例中用一個(gè)換熱器17取代了實(shí)施例3中的風(fēng)冷器，通過加熱源18為流體介質(zhì)加熱。加熱源18為來自燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱、其他工業(yè)廢熱或者收集的太陽能的熱量。同樣，如果加熱介質(zhì)B以泡沫的形式噴入氣缸內(nèi)，則加熱介質(zhì)中加入了一種專門的添加劑，如丙二醇、低沸點(diǎn)烷烴或氟碳化合物等。
[0030]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，包括活塞、氣缸和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，所述活塞滑動(dòng)安裝于氣缸中，所述曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括連桿和曲柄，其特征在于， --所述氣缸頂部裝有進(jìn)氣閥和環(huán)形噴射器，所述進(jìn)氣閥與外部高壓氣體工質(zhì)源連通，所述環(huán)形噴射器與外部加熱介質(zhì)源系統(tǒng)連通； -在靠近所述活塞的下止點(diǎn)附近位置的所述氣缸的側(cè)壁上設(shè)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(cè)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(cè)壁上設(shè)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(cè)壁上設(shè)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述進(jìn)氣閥設(shè)置在氣缸頂部的中心位置，所述環(huán)形噴射器設(shè)置在所述進(jìn)氣閥的周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單閥等溫膨脹機(jī)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述活塞的頂部設(shè)有可觸發(fā)進(jìn)氣閥打開或關(guān)閉的頂桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述排液口連接排液導(dǎo)管，用來回收分離后的加熱介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱介質(zhì)與氣體工質(zhì)的質(zhì)量比為1:20至20:1之間的任意值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)形噴射器為電磁噴射器或超聲噴射器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述外部加熱介質(zhì)源系統(tǒng)包括通過管路依次連接的液體罐、加熱器和液泵，所述液體罐的進(jìn)口與所述排液口連通，所述液泵的出口與所述環(huán)形噴射器的進(jìn)口連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單閥等溫膨脹機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱器為風(fēng)冷器或換熱器，所述換熱器的冷流體側(cè)通入所述加熱介質(zhì)，熱流體側(cè)連接加熱源。
【文檔編號(hào)】F01B31/00GK204186427SQ201420628059
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】張新敬, 薛皓白, 陳海生, 徐玉杰, 譚春青 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所