[发明专利]一种等温膨胀的单阀膨胀机系统及方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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：

--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。

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。

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。

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。