专利名称：一种活塞式气体功量交换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于流体机械领域，涉及一种气体功量交换装置，尤其是一种利用飞 轮和电机辅助推动的具有曲轴连杆结构的活塞式功量交换装置，该装置能提供运转平稳、 规律可控的气体功量交换。
背景技术：
过程工业中某些产品物流经常呈现为高压气流的物理状态，而原料物流会呈现低 压气流的物理状态，高压气流具有一定的内能和流动功，具有能量利用和回收的潜力，而对 低压气体增压会耗费机械功，如果将高压气体所蕴含的能量用来压缩并推动低压气体，将 实现高压气流能量的回收利用。目前已有的能量交换装置，有一些基于流体高温的特点，用来回收流体的能量，如 换热器可以交换流体的内热能，流体间的温度差是交换的动力；涡轮机主要回收流体内能 转化而来的流体膨胀后的能量，同样需要流体具有很高的温度来实现能量高效率的转换， 如蒸汽轮机和燃气轮机。也有能量交换装置利用一些流体具有的高压力的特点，如一些回转结构(如涡 轮、转子、螺杆等)的膨胀机，用来回收流体降压膨胀过程的膨胀功。目前这类装置的应用 领域在于有相变发生的场合，从液态到气态的体积剧烈膨胀更有利于能量的高效转化和回 收。目前，当在能量回收前是气体，能量回收后同样是气体的应用场合，其高压特性所 蕴含的能量回收潜力并没有得到过多的关注。其一是单纯的气体膨胀毕竟不如相变过程具 有更大的体积变化，使膨胀中转化的动能少，其二是待回收能量的气体可能是过程中下一 阶段的原料，有压力(或温度)的需求，因此在回收能量的过程中压力(或温度)降低幅度 受到限制，其能提供的膨胀功有限，使用膨胀机的效益受到置疑。而过程工业中，如大型化工企业，其高压气体产物、副产物和中间产物具有流量大 的特点，即使不考虑气体膨胀过程的功量回收，单是其气流所具有流动功就有巨大的能量 蕴藏。因此，如何发明一种主要从高压气体流股的流动功中回收能量的装置，并具有运行稳 定和过程可控的特点，也将具有节能的潜在意义。
发明内容本实用新型的目的在于填补现有技术中的空白，提供一种利用飞轮和电机辅助推 动的活塞式气体功量交换装置，使该装置直接从高压气体流股的流动功中回收功量，并不 在意高压气体膨胀程度和压降幅度，同时能直接利用回收的功量将低压气体流股增压至接 近高压气体所具有的高压压力。从流体流动功到机械(压缩)功，功量只经一步转化，高效 率的回收流体因高压流动属性所蕴含的功量。本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的这种活塞式气体功量交换装 置，包括气缸活塞组、曲轴、电动机和飞轮。所述曲轴上设置有多组连杆安装工位，每组连杆
3安装工位上均设置有一连杆以及与该连杆连接的气缸活塞组，所述气缸活塞组由一封闭的 气缸以及设于气缸内的活塞和连接活塞中轴的活塞杆组成；气缸一端设有低压流体进、排 气阀，另一端设有高压流体进、排气阀；所述活塞杆穿过气缸端盖并通过十字头和滑道装置 与连杆连接；所述电动机与曲轴轴连接，所述飞轮同轴安装在曲轴一侧。上述曲轴由轴承固定。上述曲轴设有三组连杆安装工位。进一步的，将各连杆上连接的气缸活塞组以曲轴周向间隔布置。上述电动机通过离合器与曲轴连接。综上所述，本实用新型采用气缸和活塞的组合作为两股气体流股的功量交换场 所，在活塞往复运动的一个周期内，高压气体流股先推动活塞压缩低压气体，然后再推动被 压缩后的低压气体离开气缸，其中在压缩环节，高压气体流股的流动功大于低压气体所需 要的压缩功，会造成功量供需之间的波动，因此采用飞轮加曲轴连杆装置来间歇地进行蓄 能和释放能量，使功量交换装置避免运行波动。为了适应刚启动时的启动功率的需求；或高 压流体流动功有时不能提供足够的能量；或对低压流体有更高的压缩要求等，有时需要额 外的辅助能量来协同压缩，因此采用电机来辅助推动装置运行，此电机提供的辅助功率远 小于独立压缩同样低压气体所需要的压缩机功耗。多气缸对应一套曲轴连杆机构(多列交 换)，由于曲轴上各曲柄均勻交错，曲轴受力得到更合理的平衡；气缸交错运行，总的进排 气更似具有连续性。
图1为本实用新型的结构示意图。其中1为十字头和滑道装置；2为轴承；3为电动机；4为离合器；5为飞轮；6为曲 轴；7为气缸；8为活塞；9为活塞杆；10为连杆。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细描述本实用新型包括气缸活塞组、曲 轴6、电动机3和飞轮5。曲轴6由轴承2固定，曲轴6上设置有多组连杆安装工位，每组连 杆安装工位上均设置有一连杆10以及与该连杆10连接的气缸活塞组，气缸活塞组由一封 闭的气缸7以及设于气缸7内的活塞8和连接活塞8中轴的活塞杆9组成；气缸7 —端设 有低压流体进、排气阀，另一端设有高压流体进、排气阀；如图活塞杆9穿过气缸端盖并通 过十字头和滑道装置1与连杆10连接；飞轮5同轴安装在曲轴6 —侧。电动机3通过离合 器4与曲轴6连接。图1是基于以上结构的具有三组气缸活塞组的结构示意图，即图中所示的曲轴6 设有三组连杆安装工位，三个连杆上连接有三组气缸活塞组合VI、V2和V3，不同气缸活塞 组合具有不同的各种气阀，如图所示，其中低压流体排气阀41、51、61 ；低压流体进气阀 42,52,62 ；高压流体进气阀:43、53、63 ；高压流体排气阀44、54、64。各气缸活塞组合VI、 V2、V3通过活塞杆、十字头和滑道装置1和连杆10与曲轴6的联系；曲轴6的位置被轴承 2所限定，将各连杆10上连接的气缸活塞组以曲轴周向间隔布置。即曲轴6的三个连杆10 在圆周上相互均勻错开，各气缸7内活塞8的运行也因此相互有时间差，各气缸7对应的气阀的的开启与关闭也因此具有时间上的交错。本实用新型在气缸7中，高压气体和低压气体被活塞8分隔，分别分布于气缸7中 活塞8的两侧。各气阀与外界起源通过管道连接。低压气体流股进入功量交换装置的路径 为低压进气阀-气缸一侧-低压排气阀；高压气体流股进入功量交换装置的路径为高压 进气阀-气缸另一侧-高压排气阀。高、低压气体流股进入气缸的过程是第一步，高压进气 阀关闭后，气缸中充满高压气体，打开高压排气阀，高压气体降压并经过高压排气阀排出。第二步，低压进气阀打开，低压气体进入气缸，推动活塞将高压气体降压后的残余 排出气缸，然后关闭低压进气阀。第三步，打开高压进气阀，高压气体进入气缸，推动活塞压缩低压气体。第四步，当低压气体达到目标压力后，低压排气阀打开，低压气体被继续进入气缸 的高压气体通过推动活塞排出气缸，当活塞运动到底后，低压排气阀关闭。然后关闭高压进 气阀，并进入下一个循环。在气体进入气缸7的过程中，活塞8遵循气体做功、飞轮5调整和电动机3运转的 复合规律进行运动，容易通过控制电动机3和调整飞轮5来进行运转规律的调控。需要说明的是，通过以上的气体功量交换装置的运行说明可以看出，低压流体进 气压力要高于高压流体排气压力，这样才能在上述第二步中实现高压气体降压后残余气体 的排出，这一点构成了本实用新型应用场合的特殊限制条件之一。
权利要求一种活塞式气体功量交换装置，包括气缸活塞组、曲轴(6)、电动机(3)和飞轮(5)，其特征在于所述曲轴(6)上设置有多组连杆安装工位，每组连杆安装工位上均设置有一连杆(10)以及与该连杆(10)连接的气缸活塞组，所述气缸活塞组由一封闭的气缸(7)以及设于气缸(7)内的活塞(8)和连接活塞(8)中轴的活塞杆(9)组成；气缸(7)一端设有低压流体进、排气阀，另一端设有高压流体进、排气阀；所述活塞杆(9)穿过气缸端盖并通过十字头和滑道装置(1)与连杆(10)连接；所述电动机(3)与曲轴(6)轴连接，所述飞轮(5)同轴安装在曲轴(6)一侧。
2.根据权利要求1所述的活塞式气体功量交换装置，其特征在于所述曲轴(6)由轴 承(2)固定。
3.根据权利要求1所述的活塞式气体功量交换装置，其特征在于所述曲轴(6)设有 三组连杆安装工位。
4.根据权利要求1所述的活塞式气体功量交换装置，其特征在于将各连杆(10)上连 接的气缸活塞组以曲轴周向间隔布置。
5.据权利要求1所述的活塞式气体功量交换装置，其特征在于所述电动机(3)通过 离合器⑷与曲轴(6)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种活塞式气体功量交换装置，包括气缸活塞组、曲轴、电动机和飞轮。曲轴上设置有多组连杆安装工位，每组连杆安装工位上均设置有一连杆和气缸活塞组，气缸活塞组由一封闭的气缸、活塞和活塞杆组成；气缸一端设有低压流体进、排气阀，另一端设有高压流体进、排气阀；通过十字头和滑道装置与连杆连接；所述电动机与曲轴轴连接，所述飞轮同轴安装在曲轴一侧。该装置直接从高压气体流股的流动功中回收功量，比较适合气体工况改变范围受限下的功量回收，同时能直接利用回收的功量将低压气体流股增压至接近高压气体所具有高压压力。从流体流动功到机械(压缩)功，功量只经一步转化，高效率的回收流体因高压流动特性所蕴含的功量。
文档编号F01B25/08GK201696095SQ20102015079
公开日2011年1月5日 申请日期2010年4月6日 优先权日2010年4月6日
发明者冯霄, 张早校, 赵飞, 邓建强 申请人:西安交通大学