CN102926827B - 潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置 - Google Patents

Abstract

一种潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置，该装置既可只产生机械能或电能；也可同时产生机械能和电能。动力活塞在工作缸内作线性往复运动，棘轮机构具有单向传递动力作用，当齿条向一个方向运动，棘轮齿轮I带动棘轮飞轮对外输出动力；当齿条向另一个方向运动，齿轮带动棘轮齿轮II旋转，棘轮齿轮II带动棘轮飞轮对外传递动力；实现产生机械能的目的。动力活塞在工作缸内作线性往复运动，动力活塞本身具有磁性，产生磁场，动力活塞的往复运动使得线圈内的磁通量发生变化，产生电流，实现产生电能的目的。综上所述，该装置能够充分利用工质携带的热量和汽化潜热，并将其转化为机械能和电能，提高有机朗肯循环热效率，达到节能目的。

Description

潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置

技术领域

本发明属于有机朗肯循环利用技术领域，具体涉及一种潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置。此装置的应用领域较广，利用潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置既可以产生机械能，又可以产生电能，也可以同时产生机械能和电能并对外输出。潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置主要以有机朗肯循环基本原理为依据，通过设计机械能传动机构可将活塞往复运动的机械能传递输出以供人们使用；根据电磁感应定律，可将活塞往复运动的机械能转变为电能，从而将做功工质的热能最大程度地转化为高品质的能量，提高有机朗肯循环的转化效率，达到节能减排的目的。

背景技术

随着科技飞速发展，人们科研的能力不断进步。面对世界能源消耗量剧增的情况，各国都在进行节约能源和减少能耗的研究。为了实现节能减排的目的，提高能源的利用效率逐渐成为当前研究的热点。

由于传统有机朗肯循环中工质的汽化潜热没有被有效利用，工质的汽化潜热完全被浪费了。而采用潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置则可以利用工质吸收的大部分热量和工质的部分汽化潜热，提高有机朗肯循环的热效率，并能将工质所携带的热能更大程度地转化为高品质的机械能和电能，同时能够达到降低燃料消耗和保护环境的目标。

发明内容

本发明目的是提供一种潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置，该装置是基于发明专利——《潜能利用式自由活塞有机朗肯循环天然气压缩装置》对压缩天然气装置部分进行改造，有机朗肯循环部分未做改动，使其成为潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置，并可将工质所携带的热量有效地转化为高品质机械能或者电能。本发明的创新之处在于能够有效利用工质汽化潜热，将燃料燃烧所释放的热能最大程度地转化为高品质的机械能和电能。

本发明由端盖1、垫片I 2、法兰I 3、螺栓I 4、活塞位置传感器I 5、弹性限位器I 6、工作缸7、动力活塞8、发电机定子9、齿条I 10、齿条II11、弹性限位器II 12、活塞位置传感器II 13、法兰II 14、垫片II 15、工作腔端盖16、螺栓II 17、动力传动工作腔18、齿条支架I 19、齿条支架II 20、键I 21、键II 22、键III23、飞轮24、轴承I 25、齿轮轴26、棘轮齿轮I 27、棘轮齿轮II 28、轴承II 29、轴承III30、键IV31、齿轮轴II 32、齿轮33、轴承IV34、工质收集槽I 35、工质混合器I 36、工质混合器II 37、工质收集槽II 38、潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置39、控制单元40组成，其中，端盖1通过垫片I 2、法兰I 3和十个相同的螺栓I 4与工作缸7连接；活塞位置传感器I 5安装在工作缸7上，活塞位置传感器I 5的检测端穿过弹性限位器I 6置于工作缸7内部的空间；弹性限位器I 6置于工作缸7内部，弹性限位器I 6的外边缘与工作缸7的外边缘齐平；动力活塞8置于工作缸7内部；动力活塞8上安装有齿条I 10和齿条II11；发电机定子9缠绕在工作缸7上；弹性限位器II 12置于工作缸7内部，弹性限位器II 12的外边缘与工作缸7的外边缘齐平；活塞位置传感器II 13安装在工作缸7上，活塞位置传感器II 13的检测端穿过弹性限位器II 12置于工作缸7内部的空间；法兰II 14与工作缸7的另一端连接；工作腔端盖16与动力传动工作腔18连接；动力传动工作腔18通过法兰II 14、垫片II 15、工作腔端盖16和十个相同的螺栓II 17与工作缸7连接；齿条支架I 19和齿轮支架II 20通过螺栓安装工作腔端盖16上；工作腔端盖16上有两个与齿条I 10和齿条II11相配合的孔；齿条I 10通过齿条支架I 19伸入工作腔18内部，齿条II11通过齿条支架II 20伸入工作腔18内部；棘轮飞轮24、棘轮齿轮I 27和棘轮齿轮II28分别通过键III23、键I 21和键II 22共同安装在齿轮轴I 26上，齿轮轴I 26两端分别安装在轴承I25和轴承II29上，轴承I 25和轴承II29分别安装在动力传动工作腔18内部与齿条I 10两侧相对的壁面上；棘轮齿轮I 27与齿条I 10啮合；棘轮齿轮II28与齿轮33啮合；齿轮33通过键IV31安装在齿轮轴II 32上，齿轮轴II 32两端分别安装在轴承III30和轴承IV34上，轴承III30和轴承IV34分别安装在动力传动工作腔18内部与齿条II 32两侧相对的壁面上；工质收集槽I 35和工质收集槽II 38安装在工作缸7的底部；工质混合器I 36和工质混合器II 37安装在工作缸7上；工质收集槽I 35、工质收集槽II 38、工质混合器I 36和工质混合器II 37的另一端与潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置39连接；活塞位置传感器I 5和活塞位置传感器II 13的输出信号线与控制单元40连接，控制单元40控制潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置39内部的各种阀门。

本发明的原理是：潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置由潜能利用式自由活塞有机朗肯循环子系统I和动力传动子系统II组成，潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置39产生动力推动动力活塞8在工作缸7内做往复运动，动力活塞8通过齿条I 10和齿条II11带动棘轮齿轮I 27和齿轮33旋转，齿轮33带动棘轮齿轮II 28旋转，通过设计棘轮齿轮I 27和棘轮齿轮II 28内的棘轮结构，使得动力只能通过棘轮飞轮24向一个方向传递；棘轮飞轮24内的棘轮结构使得动力可以源源不断地对外输出。实现了将动力活塞8往复运动所携带的能量源源不断地转化为高品质机械能并对外输出。此时，工作缸7外部并不缠绕线圈(即发电机定子9)，动力活塞8也不具有磁性。

潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置在产生电能的工作过程中，潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置39产生动力推动动力活塞8在工作缸7内做往复运动，使发电机定子9切割磁感线，在发电机定子9内部产生电流，实现了发电的功能。此时，该装置并不包括动力传动子系统II，并且动力活塞8的材料是永久磁铁或者是电磁铁，工作缸7外部缠绕线圈即发电机定子9。

本发明的有益效果在于：能够解决传统有机朗肯循环工作过程中工质热量利用率低以及工质的汽化潜热无法利用的难题，提高有机朗肯循环的热效率，最大程度地将工质所携带的热能转化为高品质的机械能和电能，并且可以解决动力活塞运行到极限位置时，动力仍然可以继续对外输出，实现节约能源和保护环境的目的。

附图说明

图1、图2、图3和图4为潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置的结构示意图

其中：I.潜能利用式自由活塞有机朗肯循环子系统 II.动力传动子系统 1.端盖 2.垫片I 3.法兰I 4.螺栓I 5.活塞位置传感器I 6.弹性限位器I 7.工作缸 8.动力活塞 9.发电机定子 10.齿条I 11.齿条II 12.弹性限位器II 13.活塞位置传感器II 14.法兰II 15.垫片II 16.工作腔端盖 17.螺栓II 18.动力传动工作腔 19.齿条支架I 20.齿条支架II 21.键I 22.键II 23.键III 24.飞轮 25.轴承I 26.齿轮轴 27.棘轮齿轮I 28.棘轮齿轮II 29.轴承II 30.轴承III 31.键IV 32.齿轮轴II 33.齿轮 34.轴承IV 35.工质收集槽I 36.工质混合器I 37.工质混合器II 38.工质收集槽II 39.潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置 40.控制单元

具体实施方式

以下结合附图1和附图2对本发明技术方案作进一步详细阐述：

潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置由潜能利用式自由活塞有机朗肯循环子系统I和动力传动子系统II组成，工作缸外部并不缠绕线圈(即发电机定子9)，动力活塞8也不具有磁性。棘轮齿轮I 27和棘轮齿轮II 28由于棘轮机构的存在使得动力只能向一个方向传动，针对附图中所画的结构图，假定棘轮齿轮I 27和棘轮齿轮II 28顺时针旋转时，通过键I 21、键II 22、键III23以及齿轮轴I 26带动棘轮飞轮24旋转并将动力对外输出；当棘轮齿轮I 27和棘轮齿轮II28逆时针旋转时，齿轮虽然可以旋转但并不传递动力。在整个装置工作的过程中，潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置39产生动力推动动力活塞8在工作缸7内做往复运动。当动力活塞8向左运动时，动力活塞8带动齿条I 10和齿条II11向左运动。齿条I 10带动棘轮齿轮I 27顺时针旋转，通过键I 21、键III23和齿轮轴I 26带动棘轮飞轮24旋转并将动力对外输出；齿条II 11带动齿轮33顺时针旋转，齿轮33带动棘轮齿轮II 28逆时针旋转，动力并不对外输出。当动力活塞8向右运动时，动力活塞8带动齿条I 10和齿条II11向右运动。齿条I 10带动棘轮齿轮I 27逆时针旋转，动力并不对外输出；齿条II11带动齿轮33逆时针旋转，齿轮33带动棘轮齿轮II 28顺时针旋转，通过键II 22、键III23和齿轮轴I 26带动棘轮飞轮24旋转并将动力对外输出，实现了产生机械能的目的。至此，完成一个工作循环。

接下来整个装置产生机械能的工作过程与上述对应的工作过程类似。

当潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置用于机械能转化电能装置时，该装置并不包括动力传动子系统II，并且动力活塞8的材料是永久磁铁或者是电磁铁，工作缸7外部缠绕线圈即发电机定子9。

潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置在产生电能的工作过程中，潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置39产生动力推动动力活塞8在工作缸7内做往复运动。针对图1，当动力活塞8在工作缸7内向左运动时，使得发电机定子9切割磁感线，线圈内产生电流；当动力活塞8在工作缸7内向右运动时，使得发电机定子9切割磁感线，线圈内产生与前一阶段方向相反的电流；实现了发电的功能。

本发明就应用于传动机械能装置时，可设计成两端同时对外输出动力，即将上述的动力传动子系统II轴对称到工作缸7的另一端即可。本发明中为了方便说明装置的工作原理，对动力活塞的运动方向、棘轮齿轮传递动力的方向以及棘轮飞轮旋转的方向进行了假设，实际应用中各部件的运动方向可以根据实际情况而定。

Claims (1)

1.一种潜能利用式自由活塞有机朗肯循环能量转化装置，该装置用于产生并传动机械能和用于产生电能；该装置由有机朗肯循环子系统I和动力传动子系统II组成，其中包括：端盖(1)、垫片I(2)、法兰I(3)、螺栓I(4)、活塞位置传感器I(5)、弹性限位器I(6)、工作缸(7)、动力活塞(8)、发电机定子(9)、齿条I(10)、齿条II(11)、弹性限位器II(12)、活塞位置传感器II(13)、法兰II(14)、垫片II(15)、工作腔端盖(16)、螺栓II(17)、动力传递工作腔(18)、齿条支架I(19)、齿条支架II(20)、键I(21)、键II(22)、键III(23)、棘轮飞轮(24)、轴承I(25)、齿轮轴I(26)、棘轮齿轮I(27)、棘轮齿轮II(28)、轴承II(29)、轴承III(30)、键IV(31)、齿轮轴II(32)、齿轮(33)、轴承IV(34)、工质收集槽I(35)、工质混合器I(36)、工质混合器II(37)、工质收集槽II(38)、潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置(39)、控制单元(40)；所述端盖(1)通过垫片I(2)、法兰I(3)和十个相同的螺栓I(4)与工作缸(7)连接；活塞位置传感器I(5)安装在工作缸(7)上，活塞位置传感器I(5)的检测端穿过弹性限位器I(6)置于工作缸(7)内部的空间；弹性限位器I(6)置于工作缸(7)内部，弹性限位器I(6)的外边缘与工作缸(7)的外边缘齐平；动力活塞(8)置于工作缸(7)内部；动力活塞(8)上安装有齿条I(10)和齿条II(11)；齿条II(11)与齿轮(33)啮合；发电机定子(9)缠绕在工作缸(7)上；弹性限位器II(12)置于工作缸(7)内部，弹性限位器II(12)的外边缘与工作缸(7)的外边缘齐平；活塞位置传感器II(13)安装在工作缸(7)上，活塞位置传感器II(13)的检测端穿过弹性限位器II(12)置于工作缸(7)内部的空间；法兰II(14)与工作缸(7)的另一端连接；工作腔端盖(16)与动力传递工作腔(18)连接；动力传递工作腔(18)通过法兰II(14)、垫片II(15)、工作腔端盖(16)和十个相同的螺栓II(17)与工作缸(7)连接；齿条支架I(19)和齿轮支架II(20)安装工作腔端盖(16)上；工作腔端盖(16)上有两个与齿条I(10)和齿条II(11)相配合的孔；齿条I(10)通过齿条支架I(19)伸入工作腔(18)内部，齿条II(11)通过齿条支架II(20)伸入动力传递工作工作腔(18)内部；棘轮飞轮(24)、棘轮齿轮I(27)和棘轮齿轮II(28)分别通过键III(23)、键I(21)和键II(22)共同安装在齿轮轴I(26)上，齿轮轴I(26)两端分别安装在轴承I(25)和轴承II(29)上，轴承I(25)和轴承II(29)分别安装在动力传递工作腔(18)内部与齿条I(10)两侧相对的壁面上；棘轮齿轮I(27)与齿条I(10)啮合；棘轮齿轮II(28)与齿轮(33)啮合；齿轮(33)通过键IV(31)安装在齿轮轴II(32)上，齿轮轴II(32)两端分别安装在轴承II I(30)和轴承IV(34)上，轴承III(30)和轴承IV(34)分别安装在动力传递工作腔(18)内部与齿条II(32)两侧相对的壁面上；工质收集槽I(35)和工质收集槽II(38)安装在工作缸(7)的底部；工质混合器I(36)和工质混合器II(37)安装在工作缸(7)上；工质收集槽I(35)、工质收集槽II(38)、工质混合器I(36)和工质混合器II(37)的另一端与潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置(39)连接；活塞位置传感器I(5)和活塞位置传感器II(13)的输出信号线与控制单元(40)连接，控制单元(40)控制潜能利用式自由活塞有机朗肯循环装置(39)内部的各种阀门。