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一种利用液压的等温膨胀动力系统

阅读：200发布：2024-02-28

专利汇可以提供一种利用液压的等温膨胀动力系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种利用液压的等温膨胀动力系统，包括活塞、气缸、曲柄连杆机构、高压气体工质储罐、加热介质储罐和换热器；加热介质储罐中的液体被外界热源加热；高压气体工质储罐中存储高压气体和液体，当系统工作、高压空气从高压储罐进入气缸时，液泵工作通过吸收液罐中的液体进入高压气体工质储罐，使高压气体工质储罐维持恒定的压力；高压气体进入气缸驱动活塞做功，同时，来自加热介质储罐的高温加热介质以雾状或泡沫状进入气缸，实现准等温膨胀过程，从而提高单位工质的输出功量。，下面是一种利用液压的等温膨胀动力系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用液压的等温膨胀动力系统，包括活塞、气缸、曲柄连杆机构、气体工质储罐、加热介质储罐和换热器，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，所述进气阀与高压气体工质储罐连通，所述环形喷射器与加热介质储罐连通，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；
--设置在所述加热介质储罐底部的液体出口Ⅰ通过液体管路经所述换热器的热流体侧与所述环形喷射器的进口连通；
--设置在所述高压气体工质储罐顶部的高压气体出口通过气体管路经所述换热器的冷流体侧与所述进气阀的进口连通；
所述排气缓冲腔的所述排液口与一液体汇流罐连通；
所述液体汇流罐的出口经一三通部件与所述加热介质储罐的液体连通孔和所述高压气体工质储罐的液体进口连通，所述三通部件至少包括三种切换状态，第一种切换状态为所述液体汇流罐的出口仅与所述加热介质储罐的液体连通孔连通，第二种切换状态为所述液体汇流罐的出口仅与所述高压气体工质储罐的液体进口连通，第三种切换状态为所述液体汇流罐的出口和所述加热介质储罐的液体连通孔同时与所述高压气体工质储罐的液体进口连通。
2.一种利用液压的等温膨胀动力系统，包括活塞、气缸、曲柄连杆机构、气体工质储罐、加热介质储罐、换热器和混合器，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，
--所述气缸顶部装有与所述混合器的出口连通的进气阀，所述进气阀将高压气体工质和加热介质的混合流体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；
--设置在所述加热介质储罐底部的液体出口Ⅰ通过液体管路经所述换热器的热流体侧与所述混合器的液体进口连通；
--设置在所述高压气体工质储罐顶部的高压气体出口通过气体管路经所述换热器的冷流体侧与所述混合器的高压气体进口连通；
所述排气缓冲腔的所述排液口与一液体汇流罐连通；
所述液体汇流罐的出口经一三通部件与所述加热介质储罐的液体连通孔和所述高压气体工质储罐的液体进口连通，所述三通部件至少包括三种切换状态，第一种切换状态为所述液体汇流罐的出口仅与所述加热介质储罐的液体连通孔连通，第二种切换状态为所述液体汇流罐的出口仅与所述高压气体工质储罐的液体进口连通，第三种切换状态为所述液体汇流罐的出口和所述加热介质储罐的液体连通孔同时与所述高压气体工质储罐的液体进口连通。
3.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于，所述液体出口Ⅰ和换热器之间的液体管路上设置有液泵Ⅰ。
4.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于，所述加热介质储罐设外部加热管路，所述外部加热管路一端与所述加热介质储罐的底部连通，另一端与所述加热介质储罐的顶部连通，且所述外部加热管路上设有加热源。
5.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述加热源为燃料发动机的余热、工业废热或者收集的太阳能热。
6.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述三通部件和所述高压气体工质储罐的液体进口之间的管路上设有液泵Ⅱ。
7.根据权利要求6所述的动力系统，其特征在于，所述加热介质储罐底部和高压气体工质储罐底部通过一设置有限压阀的液体管路相互连通。
8.根据权利要求1所述的动力系统，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。
9.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于，所述加热介质为水、有机工质、水蒸气或HFC系列工质。
10.根据权利要求9所述的动力系统，其特征在于，所述有机工质为乙二醇、丙二醇、丙三醇或其水溶液。
11.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于，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。
12.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于，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。
13.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于，所述活塞的顶部设有可触发进气阀打开或关闭的顶杆。
14.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于，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为雾状流、沫状流或泡状流。
15.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，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。

说明书全文

一种利用液压的等温膨胀动力系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用液压的等温膨胀动力系统，具体为系统包括一个等温膨胀机、一个液罐、一个高压储罐和一个水泵；液罐中的液体被外界热源加热；高压储罐中存储高压空气和液体，当系统工作、高压空气从高压储罐进入等温膨胀机时，液泵工作通过吸收液罐中的液体进入高压储罐，使高压储罐维持恒定的压力；高压空气进入膨胀机驱动膨胀机做功，同时，来自液罐的高温液体以雾状或泡沫状进入膨胀机气缸，实现准等温膨胀过程，从而提高单位工质的输出功量。

背景技术

[0002] 随着技术的发展和人们对环境的关注，研究人员开展了各种低碳动力系统的研究，使其更加低碳环保、更好的利用外界的余热以及更大的输出比功。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等问题。

[0003] 此外，工业等各个领域存在大量的余热，包括燃料发动机余热、工业废热、太阳能集热等，如果可以实现对这些热量的利用，将可以进一步提高等温膨胀机的温度，增加系统的输出比功。

[0004] 通常的应用中，采用定容储气罐，随着压缩空气的消耗，储气罐内的压力降低，将影响膨胀机的工作状况，通过引入液压系统，使膨胀机在恒定压力下工作，将可以使系统高效的工作。

[0005] 因此，本文提出了一中利用液压的等温膨胀系统，能够实现膨胀机的恒压供气和近等温膨胀，从而增加单位工质的输出功。

发明内容

[0006] 为克服现有技术的缺点和不足，本发明公开了本发明涉及一种利用液压实现等温膨胀的动力系统，具体为系统包括一个等温膨胀机、一个液罐、一个高压储罐和一个水泵；液罐中的液体被外界热源加热；高压储罐中存储高压空气和液体，当系统工作、高压空气从高压储罐进入等温膨胀机时，液泵工作通过吸收液罐中的液体进入高压储罐，使高压储罐维持恒定的压力；高压空气进入膨胀机驱动膨胀机做功，同时，来自液罐的高温液体以雾状或泡沫状进入膨胀机气缸，实现准等温膨胀过程，从而提高单位工质的输出功量。

[0007] 为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：一种利用液压的等温膨胀动力系统，包括活塞、气缸、曲柄连杆机构、气体工质储罐、加热介质储罐和换热器，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：

[0008] --所述气缸顶部装有进气阀和环形喷射器，所述进气阀与高压气体工质储罐连通，所述环形喷射器与加热介质储罐连通，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；

[0009] --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；

[0010] --设置在所述加热介质储罐底部的液体出口Ⅰ通过液体管路经所述换热器的热流体侧与所述环形喷射器的进口连通；

[0011] --设置在所述高压气体工质储罐顶部的高压气体出口通过气体管路经所述换热器的冷流体侧与所述进气阀的进口连通。

[0012] 优选地，所述液体出口Ⅰ和换热器之间的液体管路上设置有液泵Ⅰ。

[0013] 优选地，所述加热介质储罐设外部加热管路，所述外部加热管路一端与所述加热介质储罐的底部连通，另一端与所述加热介质储罐的顶部连通，且所述外部加热管路上设有加热源。进一步地，所述加热源为燃料发动机的余热、工业废热或者收集的太阳能热。

[0014] 优选地，所述排气缓冲腔的所述排液口与一液体汇流罐连通。进一步地，所述液体汇流罐的出口经一三通部件与所述加热介质储罐的液体连通孔和所述高压气体工质储罐的液体进口连通，所述三通部件至少包括三种切换状态，第一种切换状态为所述液体汇流罐的出口仅与所述加热介质储罐的液体连通孔连通，第二种切换状态为所述液体汇流罐的出口仅与所述高压气体工质储罐的液体进口连通，第三种切换状态为所述液体汇流罐的出口和所述加热介质储罐的液体连通孔同时与所述高压气体工质储罐的液体进口连通。

[0015] 进一步地，所述三通部件和所述高压气体工质储罐的液体进口之间的管路上设有液泵Ⅱ。

[0016] 进一步地，所述加热介质储罐底部和高压气体工质储罐底部通过一设置有限压阀的液体管路相互连通。

[0017] 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。

[0018] 优选地，所述加热介质为水、有机工质、水蒸气或HFC系列工质。所述等温膨胀动力系统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。

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 根据本发明的另一方面，还提供了另外一种结构形式的利用液压的等温膨胀动力系统，其技术方案如下：一种利用液压的等温膨胀动力系统，

[0025] 包括活塞、气缸、曲柄连杆机构、气体工质储罐、加热介质储罐、换热器和混合器，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，

[0026] --所述气缸顶部装有与所述混合器的出口连通的进气阀，所述进气阀将高压气体工质和加热介质的混合流体以一定的质量流量注入气缸内；

[0027] --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；

[0028] --设置在所述加热介质储罐底部的液体出口Ⅰ通过液体管路经所述换热器的热流体侧与所述混合器的液体进口连通；

[0029] --设置在所述高压气体工质储罐顶部的高压气体出口通过气体管路经所述换热器的冷流体侧与所述混合器的高压气体进口连通。

[0030] 本发明的利用液压的等温膨胀动力系统，在气缸顶部装有进气阀和环形喷射器、或者在气缸顶部仅装有与混合器的出口连通的进气阀，用来将来自加热介质储罐的加热介质雾化或者泡沫化并注入气缸。当活塞运行至上止点附近时，进气阀由与活塞相连的顶杆打开，高压气体随即进入气缸，与雾状或泡沫状加热介质混合后，或者是将混合器中的高压气体和加热介质的混合流体喷入气缸后，驱动活塞做功；与此同时，雾状或泡沫状加热介质在活塞表面不断积聚。当活塞运行至下止点附近时，气缸壁上的排气孔被打开，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自动排入缓冲腔；随后活塞上行，压缩气缸内残余的气体，直至进气阀被打开，开始下一个循环。在缓冲腔内加热介质与气体工质分离，加热介质通过排液口排出；气体工质通过缓冲腔上侧的排气孔排出。加热介质进入液体汇流罐，并回流至液体储罐或者被泵导入高压气体工质储罐中。加热介质储罐中的加热介质被加热源加热，这部分加热介质储罐被液泵加压至一定的压力，进入换热器预热来自高压气体工质储罐中的高压气体，然后通过气缸顶部的喷射器喷入气缸内。其中加热源的能量来自燃料发动机的余热、工业废热或者收集的太阳能的热量，高压气体工质储罐中存储的为高压气体工质，即膨胀机的进气来源以及高压液体，这部分液体为膨胀机排出液以及一部分常压加热介质储罐中的液体经液泵加压后的加热介质，通过在高压气体工质储罐中泵入一定量的加热介质来维持高压气体工质储罐内部的气体压力恒定。加热介质储罐储罐中的液体为气缸内喷入的加热介质的来源，在喷入气缸之前，这部分液体首先被液泵加压，然后先在换热器中与高压气体换热，最后一起喷入气缸。当高压气体工质储罐中的压力高于设定压力时，其中的液体通过一个限压阀回流至常压加热介质储罐中。需要说明的是，如果加热介质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。

[0031] 同现有技术相比，本发明的利用液压的等温膨胀动力系统具有显著的效果：(1)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是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；(2)与传统的多级容积式膨胀机相比，本发明一种利用液压的等温膨胀系统能够实现余热利用、恒压供气和近等温膨胀，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，为发展新型的动力设备提供新的可行方案。附图说明

[0032] 图1为本发明的实施例1结构示意图

[0033] 图2为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

[0035] 实施例1

[0036] 图1为本发明的利用液压的等温膨胀动力系统的实施例1的结构示意图。该系统包括活塞5、气缸3、曲柄连杆机构、高压气体工质储罐22、加热介质储罐21和换热器24，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12一端与活塞5连接，另一端与曲柄13连接，气缸3顶部装有进气阀2和环形喷射器4，进气阀2的进气口1与高压气体工质储罐22连通，环形喷射器4与加热介质储罐21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3内；在靠近活塞5的下止点附近位置的气缸3的侧壁上设有排气孔8，围绕气缸3的外壁形成一封闭排气缓冲腔9，排气缓冲腔9可通过气缸3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在高度方向上位于排气孔8上方；设置在加热介质储罐21底部的液体出口Ⅰ通过液体管路经换热器24的热流体侧与环形喷射器4的进口连通；设置在高压气体工质储罐22顶部的高压气体出口通过气体管路经换热器24的冷流体侧与进气阀2的进口连通。

[0037] 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，压缩空气A随即进入气缸3，与雾状或泡沫状液滴混合后，驱动活塞5做功；与此同时，雾状或泡沫状液滴在活塞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液体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，压缩气缸内残余的气体，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D；气体工质通过缓冲腔9上侧的排气孔11排出C。液体工质D进入液体汇流罐14，并回流至液体储罐21或者被泵19导入高压储罐22中。液罐21中的液体被热源18加热，这部分液体被液泵20加压至一定的压力，进入换热器24预热来自高压储罐22中的高压空气，然后通过气缸顶部的喷射器4喷入气缸3内。其中加热源18的能量来自燃料发动机的余热、工业废热或者收集的太阳能的热量，高压储罐22中存储的为高压气体，即膨胀机的进气A来源以及高压液体，这部分液体为膨胀机排出液D以及一部分常压储罐21中的液体经液泵19加压后的液体，通过在高压储罐22中泵入一定量的液体来维持储罐内部的气体压力恒定。液体储罐21中的液体为气缸内喷入的加热介质B的来源，在喷入气缸之前，这部分液体首先被液泵20加压，然后先在换热器24中与高压气体换热，最后一起喷入气缸3。当高压储罐22中的压力高于设定压力时，其中的液体通过一个限压阀23回流至常压储罐21中。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。

[0038] 实施例2

[0039] 图2为本发明的实施例2的结构示意图，其主体结构与实施例1相同，相比于实施例1所不同的是，在加热介质与气体通过换热器24换热后、进入气缸3之前，两者进入一个混合器25，然后把充分混合的气液两相流喷入气缸3。气缸3顶部不再需要安装环形喷射器。

[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

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一种利用液压的等温膨胀动力系统

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