本发明涉及一种外加热式无泵自压缩有机朗肯循环系统，属于中低品位能源利用领域。
背景技术：
有机朗肯循环系统在回收利用如工业废热、太阳能等各种中低品位热能方面具有显著优势，现有的研究主要是将系统产生的能量用于发电。在有机朗肯循环系统中，膨胀机是功率输出部件，而工质泵会消耗掉一部分膨胀机轴功，由于有机工质的临界温度远低于水，故和传统的蒸汽动力循环相比，有机朗肯循环的理论泵功要大得多，而实际有机朗肯循环系统中，工质泵消耗的能量比理论泵功更大，因此，有机朗肯循环的泵功不能忽略，在某些情况下还可能对有机朗肯循环造成重要影响。由于工质泵的压力很高，这使工质泵效率太低，尤其是在小规模有机朗肯循环中，工质泵中存在很大的不可逆损失，功耗很大，影响了有机朗肯循环的性能提升。当前文献中无泵有机朗肯循环系统，要么利用很大的高度差提供循环动力，要么不能连续工作。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中的不足提供一种一种外加热式无泵自压缩有机朗肯循环系统。
如图1所示，具体结构为：非等径圆柱型气缸(1)中，安装有主活塞(2)和辅助活塞(3)，非等径圆柱型气缸(1)上部为大径空间部分，下部为小径空间部分；主活塞(2)位于非等径圆柱型气缸(1)上部大径空间内，主活塞(2)在第一上止点(2a)和第一下止点(2b)之间做往复运动；辅助活塞(3)为非等径t型结构，上部为大径部分部分，下部为小径部分，辅助活塞(3)小径部分和非等径圆柱型气缸(1)底部小径空间部分配合，辅助活塞(3)大径部分和非等径圆柱型气缸(1)大径空间部分配合，辅助活塞(3)在第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间做往复运动；主活塞(2)通过连接如可与连杆、曲轴等连接，把往复运动变换为旋转运动，实现机械能输出；非等径圆柱型气缸(1)底部的小径空间部分为吸入室(a)，主活塞(2)和辅助活塞(3)之间对应的气缸容积为工作容积(b)即第一上止点(2a)和第二上止点(3a)之间的工作容积(b)，实现工质压缩、加热和膨胀；第一上止点(2a)和第二上止点(3a)之间的工作容积(b)分别经第一阀门(5)连接冷凝器(9)进口和经第二阀门(6)连接蒸发器(10)出口；辅助活塞(3)小径与气缸(1)之间形成的环状空隙为辅助活塞空隙(c)，其内安装弹簧(4)，辅助活塞空隙(c)通过管道(11)与冷凝器(9)进口连接；吸入室(a)分别通过第一单向阀片(7)与蒸发器(10)进口连接、通过第二单向阀片(8)与冷凝器(9)出口相连；蒸发器(10)出口和冷凝器(9)进口之间经由膨胀机(12)连接；系统内充满有机物作为工作介质。
所述的一种外加热式无泵自压缩有机朗肯循环系统的工作方式，其特征在于，包括如下：
正常工作状态下，主活塞(2)运行至第一上止点(2a)时，辅助活塞(3)也位于第二上止点(3a)，此时工作容积(b)最小，吸入室(a)最大，并且吸入室(a)内已充满有机工质液体，第一阀门(5)关闭，第二阀门(6)开启，从蒸发器(10)出来的一部分高压蒸气进入工作容积(b)，其余部分进入膨胀机(12)；工作容积(b)充入高压蒸气后，其处于高压状态，高压气体一方面迫使主活塞(2)向第一下止点(2b)运动，输出机械功，一方面迫使辅助活塞(3)压缩弹簧(4)，并向第二下止点(3b)运动；由于辅助活塞空隙(c)与冷凝器(9)进口通过管道(11)连通，一直处于低压状态，辅助活塞(3)的运动会使吸入室(a)内压力高于工作容积(b)和蒸发器(10)进口压力，第一单向阀片(7)开启，吸入室(a)内有机工质液体进入蒸发器(10)；当主活塞(2)向第一下止点(2b)运动至某一中间位置时，辅助活塞(3)已运动至第二下止点(3b)，吸入室(a)内液体已全部送入蒸发器，并且单向阀片(7)关闭，然后关闭第二阀门(6)，主活塞(2)继续向第一下止点(2b)运动，运动过程中，由于工作容积(b)体积增加，其内工质压力下降；当主活塞(2)运动至第一下止点(2b)时，工作容积(b)内压力已下降至冷凝压力附近，此时，第一阀门(5)打开，主活塞(2)开始由第一下止点(2b)向第一上止点(2a)运动，将工作容积(b)内膨胀终了乏气排出非等径圆柱型气缸(1)送入冷凝器(9)冷凝，此期间工作容积(b)内压力较低，约为冷凝压力，辅助活塞(3)在弹簧(4)的作用下逐渐向第二上止点(3a)运动，吸入室(a)内压力下降，第二单向阀片(8)开启，从冷凝器(9)出来的冷凝液进入吸入室(a)；当辅助活塞(3)运动至第二上止点(3a)时，吸入室(a)已充满有机工质液体，第二单向阀片(8)关闭；当主活塞(2)运动至第一上止点(2a)时，第一阀门(5)关闭，第二阀门(6)开启，从蒸发器(10)出来的高压蒸气进入工作容积(b)，开始下一循环。
在本发明中，第一阀门(5)、第二阀门(6)启闭一般由控制系统控制，其开闭取决于曲轴角度或活塞位置、运动方向；其控制方式可为机械控制，如通过凸轮机构在一定旋转相位将其顶开；或电子控制，如利用传感器检测活塞位置或曲轴角度，发出控制信号实现第一阀门(5)、第二阀门(6)的启闭。
可选的，本发明也可不设置膨胀机(12)，即蒸发器(10)出来的全部高压蒸气进入工作容积(b)，膨胀做功和压缩、输送有机工质液体。
附图说明
附图1，一种外加热式无泵自压缩有机朗肯循环系统
气缸(1)、主活塞(2)、辅助活塞(3)、弹簧(4)、第一阀门(5)、第二阀门(6)、第一单向阀片(7)、第二单向阀片(8)、冷凝器(9)、蒸发器(10)、管道(11)、膨胀机(12)、第一上止点(2a)、第一下止点(2b)、第二上止点(3a)、第二下止点(3b)、吸入室(a)、工作容积(b)、辅助活塞空隙(c)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发做进一步说明，但本发明并不限于以下实施示例。
实施例1：
如图1所示的非等径圆柱型气缸(1)中，安装有主活塞(2)和辅助活塞(3)。主活塞(2)在第一上止点(2a)和第一下止点(2b)之间做往复运动，辅助活塞(3)为非等径t型结构，其小径部分和气缸底部小径部分配合，并且在第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间做往复运动。主活塞(2)可与连杆、曲轴等联结，把往复运动变换为旋转运动，实现机械能输出。气缸底部的小径空间为吸入室(a)，主活塞(2)和辅助活塞(3)之间的气缸容积为工作容积(b)，实现工质压缩、加热和膨胀。第一上止点(2a)和第二上止点(3a)之间的工作容积(b)分别经第一阀门(5)、第二阀门(6)连接冷凝器(9)进口、蒸发器(10)出口。辅助活塞(3)凹槽与气缸(1)之间为辅助活塞空隙(c)，其内安装弹簧(4)，并通过管道(11)引入冷凝器(9)进口。吸入室(a)通过第一单向阀片(7)、第二单向阀片(8)与蒸发器(10)进口、冷凝器(9)出口相连。蒸发器(10)和冷凝器(8)之间安装有膨胀机(12)。系统内充满有机物作为工作介质。
正常工作状态下，主活塞(2)运行至第一上止点(2a)时，辅助活塞(3)也位于第二上止点(3a)，此时工作容积(b)最小，吸入室(a)最大，并且吸入室(a)内已充满有机工质液体。第一阀门(5)关闭，第二阀门(6)开启，从蒸发器(10)出来的一部分高压蒸气进入工作容积(b)，其余部分进入膨胀机(12)。工作容积(b)充入高压蒸气后，其处于高压状态。高压气体一方面迫使主活塞(2)向第一下止点(2b)运动，输出机械功；一方面迫使辅助活塞(3)压缩弹簧(4)，并向第二下止点(3b)运动。由于辅助活塞空隙(c)与冷凝器(9)进口通过管道(11)连通，一直处于低压状态，辅助活塞(3)的运动会使吸入室(a)内压力高于工作容积(b)和蒸发器(10)进口压力，第一单向阀片(7)开启，吸入室(a)内有机工质液体进入蒸发器(10)。当主活塞(2)向第一下止点(2b)运动至某一中间位置时，辅助活塞(3)已运动至第二下止点(3b)，吸入室(a)内液体已全部送入蒸发器，并且第一单向阀片(7)已关闭。然后关闭第二阀门(6)，主活塞(2)继续向第一下止点(2b)运动，运动过程中，由于工作容积(b)体积增加，其内工质压力下降。当主活塞(2)运动至第一下止点(2b)时，工作容积(b)内压力已下降至冷凝压力附近，此时，第一阀门(5)打开，主活塞(2)开始由第一下止点(2b)向第一上止点(2a)运动，将工作积内膨胀终了乏气排出气缸(1)送入冷凝器(9)冷凝。此期间工作容积(b)内压力较低，约为冷凝压力，辅助活塞(3)在弹簧(4)的作用下逐渐向第二上止点(3a)运动，吸入室(a)内压力下降，第二单向阀片(8)开启，从冷凝器(9)出来的冷凝液进入吸入室(a)。当辅助活塞(3)运动至第二上止点(3a)时，吸入室(a)已充满有机工质液体，单向阀片(8)关闭。当主活塞(2)运动至第一上止点(2a)时，第一阀门(5)关闭，第二阀门(6)开启，从蒸发器(10)出来的高压蒸气进入工作容积(b)，开始下一循环。
在本发明中，第一阀门(5)、第二阀门(6)启闭一般由专门的控制系统控制，其开闭取决于曲轴角度或活塞位置、运动方向。其控制方式可为机械控制，如通过凸轮机构在一定旋转相位将其顶开；或电子控制，如利用传感器检测活塞位置或曲轴角度，发出控制信号实现第一阀门(5)、第二阀门(6)的启闭。