一种等温膨胀的单阀膨胀机系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种等温膨胀的单阀膨胀机系统及方法，可应用于小型/微型压缩空气储能系统或者其他动力系统，通过向膨胀过程的气体内喷射雾状或者泡沫状介质实现准等温膨胀过程，从而提高单位工质的输出功量，并提高系统的整体效率。具体方式是所述气缸顶部装有进气阀和环形喷射器，所述进气阀与外部高压气体工质源连通，所述环形喷射器与外部加热介质源系统连通，在膨胀机工作过程中，将加热后的加热介质雾化或者形成泡沫并以一定的质量流量注入气缸内。本发明相对于传统的单阀膨胀机，可以使膨胀过程明显地偏离绝热过程，获得接近于等温的“准等温膨胀”过程，提高单位工质的输出功量以及膨胀机的工作效率。
【专利说明】一种等温膨胀的单阀膨胀机系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可应用于小型/微型压缩空气储能系统或者其他动力系统的等温膨胀的单阀膨胀机系统及方法，该膨胀机可以通过向膨胀过程的气体内喷射雾状或者泡沫状液体实现准等温膨胀过程，从而实现等温释能，提高单位膨胀工质的出功量、并提高系统的整体效率。
【背景技术】
[0002]膨胀机广泛应用于各种动力输出系统中，如蒸汽动力循环、燃气轮机、有机郎肯循环、压缩空气储能系统等。等温膨胀机可以获得更大的输出功和更高的系统效率，日渐引起了人们的关注，研究领域已初步涉及等温柴油机、等温压缩空气储能系统和活塞压缩机喷水蒸发内冷却过程等领域，为提高单位工质的出功量以及能源利用效率提供了新的方案。实现等温膨胀的关键在于膨胀过程的强化传热。实践证明，在气缸壁外采用水或空气加热膨胀气体的方式，效果很不明显，从而导致实际膨胀过程接近绝热膨胀，不仅降低了膨胀机的系统效率，而且容易引起排气孔结霜，影响机器的正常运行。而工业上常采用的多级膨胀、级间加热的运行方式，则会不可避免地导致系统结构复杂化、成本增加以及附加功耗增加。
[0003]本文提出的等温膨胀的单阀膨胀机为改型的单阀活塞膨胀机。单阀膨胀机常用于小型制冷、空分领域，相比于传统的双阀活塞式膨胀机，它具有结构简单、易密封、运转速度高、效率高等优点。近年来，随着小型压缩空气储能系统、小型有机郎肯循环、小型超临界CO2动力循环、小型余热回收利用系统等技术的发展，单阀活塞式膨胀机将可以作为上述系统的动力输出设备，具有良好发展前景。引入等温膨胀技术，将可以进一步提高上述系统的工作效率。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种新型等温膨胀的单阀膨胀机系统及方法，通过直接向膨胀机气缸内喷注大量雾状或泡沫状液体，使气体在膨胀过程中强化传热，由于液体具有较大的比热容，在其为雾状或者泡沫状时具有较大的换热面积，可以使膨胀过程明显地偏离绝热过程，获得接近于等温的“准等温膨胀”过程，从而实现等温释能，提高同类型膨胀机的单位工质输出功和其工作效率、并提高系统的整体效率，可以应用于压缩空气储能系统、有机郎肯循环、超临界CO2动力循环、余热回收利用系统等各种系统的动力输出装置。
[0005]为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是:一种单阀等温膨胀机系统，包括活塞、气缸和曲柄连杆机构，所述活塞滑动安装于气缸中，所述曲柄连杆机构包括连杆和曲柄，所述连杆一端与活塞连接，另一端与曲柄连接，其特征在于:
[0006]一所述气缸顶部装有进气阀和环形喷射器，所述进气阀与外部高压气体工质源连通，所述环形喷射器与外部加热介质源系统连通，用以将加热后的加热介质雾化或者形成泡沫并以一定的质量流量注入气缸内；
[0007]-在靠近所述活塞的下止点附近位置的所述气缸的侧壁上设有排气孔，围绕所述气缸的外壁形成一封闭排气缓冲腔，所述排气缓冲腔可通过气缸侧壁上的排气孔与气缸连通，在所述排气缓冲腔的底部或靠近底部的侧壁上设置有排液口，所述排液口在高度方向上位于所述排气孔下方，在所述排气缓冲腔的顶部或靠近顶部的侧壁上设置有气体出口，所述气体出口在高度方向上位于所述排气孔上方；
[0008]一当所述活塞运行至上止点附近时，所述进气阀打开，高压气体工质进入所述气缸，与所述环形喷射器喷出的雾状或泡沫状加热介质混合后，驱动活塞做功；
[0009]一当所述活塞运行至下止点附近时，所述排气孔被打开，膨胀后的气体工质和活塞表面积聚的加热介质通过所述排气孔排入所述排气缓冲腔；
[0010]--在所述排气缓冲腔内加热介质与气体工质分离，加热介质通过所述排液口排出，气体工质通过所述排气出口排出。
[0011]优选地，所述进气阀设置在气缸顶部的中心位置，所述环形喷射器设置在所述进气阀的周围。
[0012]优选地，所述加热介质为水、有机工质、水蒸气或HFC系列工质。所述单阀等温膨胀机可利用加热后的加热介质储存的显热为膨胀的气体工质加热；亦可利用加热介质凝结时释放的潜热为膨胀的气体工质加热。进一步地，所述有机工质为乙二醇、丙二醇、丙三醇或其水溶液。
[0013]优选地，对以泡沫的形式喷入气缸内的所述加热介质，加热介质中加入丙二醇、低沸点烷烃或氟碳化合物。
[0014]优选地，所述活塞的顶部表面为平面或具有一向下的坡度，以便液体排出。
[0015]优选地，所述活塞的顶部设有可触发进气阀打开或关闭的顶杆。
[0016]优选地，所述排液口连接排液导管，用来回收分离后的加热介质。膨胀机的排气缓冲腔从而同时具有气流缓冲和气液分离的双重作用。
[0017]优选地，所述加热介质与气体工质的质量比为1:20至20:1之间的任意值。气缸内气液两相的流动状态可以为雾状流、沫状流和泡状流等流动形态。
[0018]优选地，所述环形喷射器为电磁喷射器或超声喷射器。环形喷射器喷入气缸内的液滴应尽可能均匀、细小，从而增大气液两相间的换热面积，从而尽可能强化换热。
[0019]优选地，所述外部加热介质源系统包括通过管路依次连接的液体罐、加热器和液泵，所述液体罐的进口与所述排液口连通，所述液泵的出口与所述环形喷射器的进口连通。
[0020]进一步地，所述加热器为风冷器或换热器，所述换热器的冷流体侧通入所述加热介质，热流体侧连接加热源，所述加热源为来自燃料发动机的余热、工业废热或太阳能热。
[0021]根据本发明的另一方面，还提供了一种单阀膨胀机的等温膨胀方法，其特征在于，所述单阀膨胀机包括活塞、气缸和曲柄连杆机构；所述气缸顶部装有进气阀和环形喷射器，所述进气阀与外部高压气体工质源连通，所述环形喷射器与外部加热介质源系统连通，用以将加热介质雾化或者形成泡沫并以一定的质量流量注入气缸内；在靠近所述活塞的下止点附近位置的所述气缸的侧壁上设有排气孔，围绕所述气缸的外壁形成一封闭排气缓冲腔，所述排气缓冲腔可通过气缸侧壁上的排气孔与气缸连通，在所述排气缓冲腔的底部或靠近底部的侧壁上设置有排液口，所述排液口在高度方向上位于所述排气孔下方，在所述排气缓冲腔的顶部或靠近顶部的侧壁上设置有气体出口，所述气体出口在高度方向上位于所述排气孔上方；当所述活塞运行至上止点附近时，所述进气阀打开，高压气体工质进入所述气缸，与所述环形喷射器喷出的雾状或泡沫状加热介质混合后，驱动活塞做功；当所述活塞运行至下止点附近时，所述排气孔被打开，膨胀后的气体工质和活塞表面积聚的加热介质通过所述排气孔排入所述排气缓冲腔；在所述排气缓冲腔内加热介质与气体工质分离，加热介质通过所述排液口排出，气体工质通过所述排气出口排出。
[0022]同现有技术相比，本发明的单阀等温膨胀机系统及方法具有显著的技术效果:(I)通过直接向膨胀机气缸内喷注大量雾状或泡沫状加热介质，使气体在膨胀过程中强化传热，由于液态加热介质具有较大的比热容，在其为雾装或泡沫状时具有换热面积，可以使膨胀过程明显地偏离绝热过程，获得接近于等温的“准等温膨胀”过程，从而实现等温释能，提高同类型膨胀机的单位工质输出功和其工作效率、并提高系统的整体效率，可以应用于压缩空气储能系统、有机郎肯循环、超临界CO2动力循环、余热回收利用系统等各种系统的动力输出装置；(2)与传统的多级容积式膨胀机相比，本发明的单阀等温膨胀机系统还具有膨胀级数减少，单级膨胀比增大，而膨胀机进出口温差减小，膨胀过程接近等温膨胀等特点，从而显著地提高了单位工质输出功、等温效率，减小了设备单位功率的尺寸、成本和附加功耗，最终达到较高的系统效率，为小型等温压缩空气储能系统及其他动力系统的实现提供新的可行方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的实施例1的结构示意图。
[0024]图2为本发明的实施例2的结构示意图。
[0025]图3为本发明的实施例3的结构示意图。
[0026]图4为本发明的实施例4的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0028]实施例1
[0029]图1为本发明的等温膨胀单阀膨胀机系统及方法的实施例1的结构示意图。单阀等温膨胀机包括活塞5、气缸3和曲柄连杆机构，活塞5滑动安装于气缸3中，曲柄连杆机构包括连杆12和曲柄13，连杆12—端与活塞5连接，另一端与曲柄13连接，在气缸3顶部装有进气阀2和环形喷射器4，进气阀2与外部高压气体工质源连通，环形喷射器4与外部加热介质源系统连通，用来将加热介质雾化或者形成泡沫并以一定的质量流量注入气缸3。在靠近活塞5下止点附近位置的气缸侧壁上设有排气孔8，围绕气缸3外壁形成一封闭排气缓冲腔9，排气缓冲腔9可通过气缸侧壁上的排气孔8与气缸3连通，在排气缓冲腔9的底部或靠近底部的侧壁上设置有排液口 10，排液口 10在高度方向上位于气缸排气孔8下方，在排气缓冲腔9的顶部或靠近顶部的侧壁上设置有气体出口 11，气体出口 11在高度方向上位于气缸排气孔8上方；当活塞5运行至上止点附近时，进气阀2由与活塞5相连的顶杆7打开，高压气体工质随即进入气缸3，与雾状或泡沫状加热介质混合后，驱动活塞5做功；与此同时，雾状或泡沫状加热介质在活塞5表面不断积聚。当活塞5运行至下止点附近时，气缸壁上的排气孔8被打开,膨胀后的气体和活塞表面积聚的加热介质通过气缸壁的排气孔8自动排入缓冲腔9 ;随后活塞5上行，直至进气阀2被打开，开始下一个循环。在缓冲腔9内液体工质与气体工质分离，液体工质通过排液口 10排出；气体工质通过上侧的排气孔11排出。需要说明的是，如果加热介质以泡沫的形式喷入气缸内，则加热介质中加入了一种专门的添加剂，如丙二醇、低沸点烷烃或氟碳化合物等。
[0030]实施例2
[0031]图2为本发明的实施例2的结构示意图，图中5为活塞体的一部分，且主要为活塞顶部部分，7为顶杆，本实施例列出了活塞5顶部的形状，实施例1中给出的活塞顶部为平面形状。如图2所示，活塞的顶部也可以为斜面，其与平面的夹角为大于O度，当活塞运行至下止点附件时，这种结构便于把在活塞表面积聚的液体及时的排出至排气缓冲腔9内。
[0032]实施例3
[0033]图3为本发明的实施例3的结构示意图，其主体结构与实施例1相同，所不同的是，本实施例中给出了加热介质的流动环路。加热介质以环境温度进入膨胀机气缸3，经过膨胀机的膨胀过程，并排出，其温度下降，排出的加热介质进入液体罐14，然后通过一个风冷器15，这里是利用环境温度加热流体介质，然后经过一个液泵16加压，再次喷射到气缸中。需要说明的是，实施例2同样可以用于本实施例中；如果加热介质以泡沫的形式喷入气缸内，则加热介质中加入了一种专门的添加剂，如丙二醇、低沸点烷烃或氟碳化合物等。
[0034]实施例4
[0035]图4为本发明的实施例4的结构示意图，其主体结构与实施例1、实施例2相同，相比于实施例3所不同的是，本实施例中用一个换热器17取代了实施例3中的风冷器，通过加热源18为流体介质加热。加热源18为来自燃料发动机的余热、其他工业废热或者收集的太阳能的热量。同样，如果加热介质以泡沫的形式喷入气缸内，则加热介质中加入了一种专门的添加剂，如丙二醇、低沸点烷烃或氟碳化合物等。
[0036]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种等温膨胀的单阀膨胀机系统，包括活塞、气缸和曲柄连杆机构，所述活塞滑动安装于气缸中，所述曲柄连杆机构包括连杆和曲柄，所述连杆一端与活塞连接，另一端与曲柄连接，其特征在于: --所述气缸顶部装有进气阀和环形喷射器，所述进气阀与外部高压气体工质源连通，所述环形喷射器与外部加热介质源系统连通，用以将加热后的加热介质雾化或者形成泡沫并以一定的质量流量注入气缸内； -在靠近所述活塞的下止点附近位置的所述气缸的侧壁上设有排气孔，围绕所述气缸的外壁形成一封闭排气缓冲腔，所述排气缓冲腔可通过气缸侧壁上的排气孔与气缸连通，在所述排气缓冲腔的底部或靠近底部的侧壁上设置有排液口，所述排液口在高度方向上位于所述排气孔下方，在所述排气缓冲腔的顶部或靠近顶部的侧壁上设置有气体出口，所述气体出口在高度方向上位于所述排气孔上方； --当所述活塞运行至上止点附近时，所述进气阀打开，高压气体工质进入所述气缸，与所述环形喷射器喷出的雾状或泡沫状加热介质混合后，驱动活塞做功； --当所述活塞运行至下止点附近时，所述排气孔被打开，膨胀后的气体工质和活塞表面积聚的加热介质通过所述排气孔排入所述排气缓冲腔； --在所述排气缓冲腔内加热介质与气体工质分离,加热介质通过所述排液口排出，气体工质通过所述排气出口排出。
2.根据权利要求1所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述进气阀设置在气缸顶部的中心位置，所述环形喷射器设置在所述进气阀的周围。
3.根据权利要求1所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述加热介质为水、有机工质、水蒸气或HFC系列工质。
4.根据权利要求3所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述有机工质为乙二醇、丙二醇、丙三醇或其水溶液。
5.根据权利要求1所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，对以泡沫的形式喷入气缸内的所述加热介质，加热介质中加入丙二醇、低沸点烷烃或氟碳化合物。
6.根据权利要求1至5所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述活塞的顶部表面为平面或具有一向下的坡度，以便液体排出。
7.根据权利要求1至6所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述活塞的顶部设有可触发进气阀打开或关闭的顶杆。
8.根据权利要求1至7所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述排液口连接排液导管，用来回收分离后的加热介质。膨胀机的排气缓冲腔从而同时具有气流缓冲和气液分离的双重作用。
9.根据权利要求1至8所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述加热介质与气体工质的质量比为1:20至20:1之间的任意值。气缸内气液两相的流动状态可以为雾状流、沫状流和泡状流等流动形态。
10.根据权利要求1至9所述的等温膨胀的单阀膨胀机系统，其特征在于，所述环形喷射器为电磁喷射器或超声喷射器。环形喷射器喷入气缸内的液滴应尽可能均匀、细小，从而增大气液两相间的换热面积，从而尽可能强化换热。
【文档编号】F01B29/10GK104358593SQ201410584590
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】张新敬, 薛皓白, 陈海生, 徐玉杰, 谭春青 申请人:中国科学院工程热物理研究所