一種單閥等溫膨脹機系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種單閥等溫膨脹機系統，可應用于小型/微型壓縮空氣儲能系統或者其他動力系統，通過向膨脹過程的氣體內噴射霧狀或者泡沫狀介質實現準等溫膨脹過程，從而提高單位工質的輸出功量，并提高系統的整體效率。具體方式是所述氣缸頂部裝有進氣閥和環形噴射器，所述進氣閥與外部高壓氣體工質源連通，所述環形噴射器與外部加熱介質源系統連通，用以將加熱后的加熱介質霧化或者形成泡沫并以一定的質量流量注入氣缸內，在膨脹機工作過程中，用來向氣缸內的膨脹工質中噴入霧狀或泡沫狀介質。本實用新型相對于傳統的單閥膨脹機，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，提高單位工質的輸出功量以及膨脹機的工作效率。
【專利說明】一種單閥等溫膨脹機系統

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種可應用于小型/微型壓縮空氣儲能系統或者其他動力系統的單閥等溫膨脹機系統，該膨脹機可以通過向膨脹過程的氣體內噴射霧狀或者泡沫狀液體實現準等溫膨脹過程，從而實現等溫釋能，提高單位膨脹工質的出功量、并提高系統的整體效率。

【背景技術】
[0002]膨脹機廣泛應用于各種動力輸出系統中，如蒸汽動力循環、燃氣輪機、有機郎肯循環、壓縮空氣儲能系統等。等溫膨脹機可以獲得更大的輸出功和更高的系統效率，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和活塞壓縮機噴水蒸發內冷卻過程等領域，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結構復雜化、成本增加以及附加功耗增加。
[0003]本文提出的等溫膨脹機為改型的單閥活塞膨脹機。單閥膨脹機常用于小型制冷、空分領域，相比于傳統的雙閥活塞式膨脹機，它具有結構簡單、易密封、運轉速度高、效率高等優點。近年來，隨著小型壓縮空氣儲能系統、小型有機郎肯循環、小型超臨界CO2動力循環、小型余熱回收利用系統等技術的發展，單閥活塞式膨脹機將可以作為上述系統的動力輸出設備，具有良好發展前景。引入等溫膨脹技術，將可以進一步提高上述系統的工作效率。
實用新型內容
[0004]為克服現有技術的缺點和不足，本實用新型公開了一種新型單閥等溫膨脹機系統，通過直接向膨脹機氣缸內噴注大量霧狀或泡沫狀液體，使氣體在膨脹過程中強化傳熱，由于液體具有較大的比熱容，當其為霧狀或者泡沫狀時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“準等溫膨脹”過程，從而實現等溫釋能，提高同類型膨脹機的單位工質輸出功和其工作效率、并提高系統的整體效率，可以應用于壓縮空氣儲能系統、有機郎肯循環、超臨界0)2動力循環、余熱回收利用系統等各種系統的動力輸出裝置。
[0005]為實現上述技術目的，本實用新型所采用的技術方案是:一種單閥等溫膨脹機系統，包括活塞、氣缸和曲柄連桿機構，所述活塞滑動安裝于氣缸中，其特征在于，
[0006]一所述氣缸頂部裝有進氣閥和環形噴射器，所述進氣閥與外部高壓氣體工質源連通，所述環形噴射器與外部加熱介質源系統連通，用以將加熱后的加熱介質霧化或者形成泡沫并以一定的質量流量注入氣缸內；
[0007]-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。
[0008]優選地，所述進氣閥設置在氣缸頂部的中心位置，所述環形噴射器設置在所述進氣閥的周圍。
[0009]優選地，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]優選地，所述活塞的頂部設有可觸發進氣閥打開或關閉的頂桿。
[0011]優選地，所述排液口連接排液導管，用來回收分離后的加熱介質。膨脹機的排氣緩沖腔從而同時具有氣流緩沖和氣液分離的雙重作用。
[0012]優選地，所述加熱介質與氣體工質的質量比為1:20至20:1之間的任意值。氣缸內氣液兩相的流動狀態可以為霧狀流、沫狀流和泡狀流等流動形態。
[0013]優選地，所述環形噴射器為電磁噴射器或超聲噴射器。環形噴射器噴入氣缸內的液滴應盡可能均勻、細小，從而增大氣液兩相間的換熱面積，從而盡可能強化換熱。
[0014]優選地，所述外部加熱介質源系統包括通過管路依次連接的液體罐、加熱器和液泵，所述液體罐的進口與所述排液口連通，所述液泵的出口與所述環形噴射器的進口連通。
[0015]進一步地，所述加熱器為風冷器或換熱器，所述換熱器的冷流體側通入所述加熱介質，熱流體側連接加熱源，所述加熱源為來自燃料發動機的余熱、工業廢熱或太陽能熱。
[0016]同現有技術相比，本實用新型的單閥等溫膨脹機系統具有顯著的技術效果:(I)通過直接向膨脹機氣缸內噴注大量霧狀或泡沫狀加熱介質，使氣體在膨脹過程中強化傳熱，由于液態加熱介質具有較大的比熱容，當其為霧狀或者泡沫狀時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“準等溫膨脹”過程，從而實現等溫釋能，提高同類型膨脹機的單位工質輸出功和其工作效率、并提高系統的整體效率，可以應用于壓縮空氣儲能系統、有機郎肯循環、超臨界0)2動力循環、余熱回收利用系統等各種系統的動力輸出裝置；(2)與傳統的多級容積式膨脹機相比，本實用新型的單閥等溫膨脹機系統還具有膨脹級數減少，單級膨脹比增大，而膨脹機進出口溫差減小，膨脹過程接近等溫膨脹等特點，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效率，為小型等溫壓縮空氣儲能系統及其他動力系統的實現提供新的可行方案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的實施例1的結構示意圖。
[0018]圖2為本實用新型的實施例2的結構示意圖。
[0019]圖3為本實用新型的實施例3的結構示意圖。
[0020]圖4為本實用新型的實施例4的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0021]為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本實用新型進一步詳細說明。
[0022]實施例1
[0023]圖1為本實用新型的單閥等溫膨脹機系統的實施例1的結構示意圖。單閥等溫膨脹機包括活塞5、氣缸3和曲柄連桿機構，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，在氣缸3頂部裝有進氣閥2和環形噴射器4，進氣閥2與外部高壓氣體工質源連通，環形噴射器4與外部加熱介質源系統連通，用來將加熱介質B霧化或者形成泡沫并以一定的質量流量注入氣缸3。在靠近活塞5下止點附近位置的氣缸側壁上設有排氣孔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壁上設置有氣體出口 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，高壓氣體工質A隨即進入氣缸3，與霧狀或泡沫狀加熱介質混合后，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，直至進氣閥2被打開，開始下一個循環。在緩沖腔9內液體工質與氣體工質分離，液體工質通過排液口 10排出；氣體工質通過上側的排氣孔11排出。需要說明的是，如果加熱介質B以泡沫的形式噴入氣缸內，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。
[0024]實施例2
[0025]圖2為本實用新型的實施例2的結構示意圖，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，本實施例列出了活塞5頂部的形狀，實施例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，當活塞運行至下止點附件時，這種結構便于把在活塞表面積聚的液體及時的排出至排氣緩沖腔9內。
[0026]實施例3
[0027]圖3為本實用新型的實施例3的結構示意圖，其主體結構與實施例1相同，所不同的是，本實施例中給出了加熱介質B的流動環路。加熱介質B以環境溫度進入膨脹機氣缸3，經過膨脹機的膨脹過程，并排出，其溫度下降，排出的加熱介質進入液體罐14，然后通過一個風冷器15，這里是利用環境溫度加熱流體介質，然后經過一個液泵16加壓，再次噴射到氣缸中。需要說明的是，實施例2同樣可以用于本實施例中；如果加熱介質B以泡沫的形式噴入氣缸內，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。
[0028]實施例4
[0029]圖4為本實用新型的實施例4的結構示意圖，其主體結構與實施例1、實施例2相同，相比于實施例3所不同的是，本實施例中用一個換熱器17取代了實施例3中的風冷器，通過加熱源18為流體介質加熱。加熱源18為來自燃料發動機的余熱、其他工業廢熱或者收集的太陽能的熱量。同樣，如果加熱介質B以泡沫的形式噴入氣缸內，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。
[0030]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的范圍之內。
【權利要求】
1.一種單閥等溫膨脹機系統，包括活塞、氣缸和曲柄連桿機構，所述活塞滑動安裝于氣缸中，所述曲柄連桿機構包括連桿和曲柄，其特征在于， --所述氣缸頂部裝有進氣閥和環形噴射器，所述進氣閥與外部高壓氣體工質源連通，所述環形噴射器與外部加熱介質源系統連通； -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。
2.根據權利要求1所述的單閥等溫膨脹機系統，其特征在于，所述進氣閥設置在氣缸頂部的中心位置，所述環形噴射器設置在所述進氣閥的周圍。
3.根據權利要求1所述的單閥等溫膨脹機系統，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.根據權利要求1所述的單閥等溫膨脹機系統，其特征在于，所述活塞的頂部設有可觸發進氣閥打開或關閉的頂桿。
5.根據權利要求1所述的單閥等溫膨脹機系統，其特征在于，所述排液口連接排液導管，用來回收分離后的加熱介質。
6.根據權利要求1所述的單閥等溫膨脹機系統，其特征在于，所述加熱介質與氣體工質的質量比為1:20至20:1之間的任意值。
7.根據權利要求1所述的單閥等溫膨脹機系統，其特征在于，所述環形噴射器為電磁噴射器或超聲噴射器。
8.根據權利要求1所述的單閥等溫膨脹機系統，其特征在于，所述外部加熱介質源系統包括通過管路依次連接的液體罐、加熱器和液泵，所述液體罐的進口與所述排液口連通，所述液泵的出口與所述環形噴射器的進口連通。
9.根據權利要求8所述的單閥等溫膨脹機系統，其特征在于，所述加熱器為風冷器或換熱器，所述換熱器的冷流體側通入所述加熱介質，熱流體側連接加熱源。
【文檔編號】F01B31/00GK204186427SQ201420628059
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】張新敬, 薛皓白, 陳海生, 徐玉杰, 譚春青 申請人:中國科學院工程熱物理研究所