一种单阀等温膨胀机系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种单阀等温膨胀机系统，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，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，在膨胀机工作过程中，用来向气缸内的膨胀工质中喷入雾状或泡沫状介质。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种单阀等温膨胀机系统
本技术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单阀等温膨胀机系统，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。
技术介绍
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，研宄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。 本文提出的等温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。
技术实现思路
为克服现有技术的缺点和不足，本技术公开了一种新型单阀等温膨胀机系统，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，当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0)2动力循环、余热回收利用系统等各种系统的动力输出装置。 为实现上述技术目的，本技术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，其特征在于， 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； -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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 同现有技术相比，本技术的单阀等温膨胀机系统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，当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0)2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，本技术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。 【附图说明】 图1为本技术的实施例1的结构示意图。 图2为本技术的实施例2的结构示意图。 图3为本技术的实施例3的结构示意图。 图4为本技术的实施例4的结构示意图。 【具体实施方式】 为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术进一步详细说明。 实施例1 图1为本技术的单阀等温膨胀机系统的实施例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B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A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B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。 实施例2 图2为本技术的实施例2的结构示意图，图中5为本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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；‑‑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。

【技术特征摘要】
1.一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，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； -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。2.根据权利要求1所述的单阀等温膨胀机系统，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所述的单阀等温膨胀机系统，其特征在于，所述活塞的顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新敬，薛皓白，陈海生，徐玉杰，谭春青，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：新型
国别省市：北京;11