CN103982260A - 一种单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置，本发明主要由低品质能源、工质储存罐、换热器、工质喷嘴、冷凝器、溢流平衡罐、压力罐、滤清器、活塞、曲柄连杆、气缸、控制单元以及各种阀门和传感器组件组成，其中控制单元控制过热工质的喷射时刻实现不同的膨胀比；启动阶段通过高温高压的过热工质过膨胀产生真空，使工质充满整个管路；工作阶段通过控制喷入气缸的流量，使得高温高压过热工质充分膨胀，活塞压缩液态工质形成高压，高压液态工质一部分补给压力罐的损失，从而提高有机朗肯循环的热效率，实现低品质能源利用和节约能源的目的。

Description

一种单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置

技术领域

本发明属于有机朗肯循环热能利用技术领域，具体涉及开发一种基于有机朗肯循环热能利用装置－单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置。

背景技术

随着经济的迅速发展，能源消耗量也急剧增加，由于能源消耗的加剧，节能问题备受人们的关注。有关研究资料表明，燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用，其它的能量被排放到大气中，不仅造成了能源的浪费，还带来了不良环境影响。因此，节能技术越来越受到得到各国重视。

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，加上工质泵的能量损失使得热量利用率更低。单轴功有机朗肯循环是以有机朗肯循环基本原理为依据，通过改进其有机朗肯循环基本结构和电磁阀逻辑控制，不仅可以将工质吸收的大部分热量利用，并且能节约工质泵的能量，提高有机朗肯循环的热效率，同时降低燃料消耗，实现节约能源和保护环境的目的。

发明内容

本发明目的是提供一种单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置，该装置以有机朗肯循环为依据，充分利用工质吸收的热量，将热能转化为机械能，节约工质泵的能量损失，实现低品质能源利用和节约能源的目的。

本发明由溢流平衡罐1、溢流平衡阀2、工质储存罐3、低压管路4、启动控制电磁阀5、混合阀6、单向阀7、换热器8、高压管路9、温度压力传感器I10、工质喷射电磁阀I11、滤清器12、曲轴位置传感器13、曲柄连杆机构14、机体15、活塞16、气缸17、工质喷嘴I18、温度压力传感器II19、工质喷嘴II20、工质喷嘴III21、曲轴箱回流电磁阀22、压力罐23、补给工质电磁阀I24、工质喷射电磁阀II25、压力传感器I26、温度传感器I27、控制单元28、稳压溢流阀29、温度传感器II30、增压回流电磁阀31、冷凝控制电磁阀32、冷凝器33、补给工质电磁阀II34、溢流电磁阀35构成。

本发明基于有机朗肯循环单轴功元件的低品质能源利用装置，其中工质储存罐3通过低压管路4与启动控制电磁阀5、单向阀7、换热器8串联连接；所述换热器8与低品质能源连接；工质喷嘴I18通过工质喷射电磁阀I11与换热器8出口连接；工质喷嘴II20分别与补给工质电磁阀I24和稳压溢流阀29连接；所述的工质喷嘴I18、工质喷嘴II20通过机体15与气缸17相通；所述的稳压溢流阀29分别与增压回流电磁阀31和冷凝控制电磁阀32连接；冷凝控制电磁阀32与冷凝器33入口连接；所述的冷凝器33出口通过混合阀6分别与工质储存罐3和单向阀7连接；溢流平衡罐1通过溢流平衡阀2与工质储存罐3连接；所述的工质储存罐3和溢流平衡罐1分别通过补给工质电磁阀II34、溢流电磁阀35与压力罐入口23连接；滤清器12、曲轴箱回流电磁阀22、压力罐23、工质喷射电磁阀II25、工质喷嘴21串联连接；活塞16与曲柄连杆机构14连接；活塞16和曲柄连杆机构14装在机体15中。

本发明的原理是：通过工质储存罐将部分冷工质充入换热器，低品质能源输送到换热器中，低品质能源与换热器中的冷工质进行换热，换热器中的工质吸热后，形成高温高压的过热蒸汽，控制单元根据温度压力传感器和曲轴位置传感器采集的信号确定膨胀比，控制单元可以通过控制工质喷射电磁阀的开启时刻，进而控制过热工质喷入气缸的时刻，实现本发明的可变膨胀比；启动阶段控制单元控制工质喷射电磁阀的开启时刻和持续时间，使通过工质喷嘴的少量过热工质喷入气缸，工质膨胀做功，推动活塞向下移动，带动曲柄连杆机构旋转，对外输出功率，当活塞在下行过程中，气缸内由于过热工质过膨胀形成真空，在真空度的作用下，工质储存罐中的冷工质经过压力罐和工质喷嘴喷入气缸，使得做功后的热工质液化，实现汽化潜热的充分利用。活塞上行，顺利将液化后的工质增压、排活塞上行；高压液态工质通过稳压溢流阀回流至换热器，为下一个循环做准备；经过这样几个循环后，使各个管路充满工质，并在最后一个循环时，控制单元控制补给工质电磁阀，使一部分的增压液态工质进入压力罐。

工作阶段：控制单元控制工质喷射电磁阀的开启时刻和持续时间，使通过工质喷嘴的适量过热工质喷入气缸，喷入气缸的过热工质充分膨胀，当活塞刚过下止点时，压力罐内的冷工质通过工质喷嘴喷入气缸，使其温度降低，热工质液化，缸内压力下降，实现汽化潜热充分利用并且降低压缩负功；活塞上行，顺利将液化后的工质增压、排出，通过控制单元对补给工质电磁阀和增压回流电磁阀的控制，使一部分高压液态工质进入压力罐，另一部分经过稳压溢流阀回流至换热器。随着循环量的增加，高压液态工质携带的热量增加，当温度高于高压液态工质的沸点时会使高压液态工质汽化，降低热效率；控制单元根据温度传感器采集的信号判断高压液态工质的温度，当高压液态工质温度过高，控制单元控制增压回流电磁阀和冷凝控制电磁阀的启闭，使高压液态工质不再回流至换热器，而是经过电磁阀进入冷凝器，高压液态工质在冷凝器散热后，成为冷工质；通过控制混合阀，使一部分冷工质回至换热器，另一部分回流至工质罐。考虑到夏季极端高温情况下冷凝器的冷却能力不足，此时工质储存罐多余工质通过溢流平衡阀暂存至溢流平衡罐，从而保证系统的工作效率及安全性。当脱离极端高温环境后，在真空度的作用下，溢流平衡罐中的工质通过工质喷嘴进入气缸内。本发明气缸内的工质存在泄露，工质通过活塞与气缸壁之间的间隙泄露至机体壳，泄露的工质在真空度的作用下通过管路回流至气缸内。

本发明的有益效果在于：本发明控制单元可以根据温度压力传感器和曲轴位置传感器确定冷热工质的喷入气缸时刻，通过控制喷入气缸工质的不同时刻实现可变膨胀比；本发明能够充分利用工质的汽化潜热，解决传统朗肯循环过程中工质热量利用率低的问题；本发明去掉了工质泵，能够节约工质泵消耗的能量，提高有机朗肯循环的综合热效率，实现节约能源的目的。

附图说明

图1为单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用的结构示意图。

其中：溢流平衡罐1、溢流平衡阀2、工质储存罐3、低压管路4、启动控制电磁阀5、混合阀6、单向阀7、换热器8、高压管路9、温度压力传感器I10、工质喷射电磁阀I11、滤清器12、曲轴位置传感器13、曲柄连杆机构14、机体15、活塞16、气缸17、工质喷嘴I18、温度压力传感器II19、工质喷嘴II20、工质喷嘴III21、曲轴箱回流电磁阀22、压力罐23、补给工质电磁阀I24、工质喷射电磁阀II25、压力传感器I26、温度传感器I27、控制单元28、稳压溢流阀29、温度传感器II30、增压回流电磁阀31、冷凝控制电磁阀32、冷凝器33、补给工质电磁阀II34、溢流电磁阀35。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明技术方案作进一步详细阐述：

本发明由溢流平衡罐1、溢流平衡阀2、工质储存罐3、低压管路4、启动控制电磁阀5、混合阀6、单向阀7、换热器8、高压管路9、温度压力传感器I10、工质喷射电磁阀I11、滤清器12、曲轴位置传感器13、曲柄连杆机构14、机体15、活塞16、气缸17、工质喷嘴I18、温度压力传感器II19、工质喷嘴II20、工质喷嘴III21、曲轴箱回流电磁阀22、压力罐23、补给工质电磁阀I24、工质喷射电磁阀II25、压力传感器I26、温度传感器I27、控制单元28、稳压溢流阀29、温度传感器II30、增压回流电磁阀31、冷凝控制电磁阀32、冷凝器33、补给工质电磁阀II34、溢流电磁阀35构成。

本发明基于有机朗肯循环单轴功元件的低品质能源利用装置，其中工质储存罐3通过低压管路4与启动控制电磁阀5、单向阀7、换热器8串联连接；所述换热器8与低品质能源连接；工质喷嘴I18通过工质喷射电磁阀I11与换热器8出口连接；工质喷嘴II20分别与补给工质电磁阀I24和稳压溢流阀29连接；所述的工质喷嘴I18、工质喷嘴II20通过机体15与气缸17相通；所述的稳压溢流阀29分别与增压回流电磁阀31和冷凝控制电磁阀32连接；冷凝控制电磁阀32与冷凝器33入口连接；所述的冷凝器33出口通过混合阀6分别与工质储存罐3和单向阀7连接；溢流平衡罐1通过溢流平衡阀2与工质储存罐3连接；所述的工质储存罐3和溢流平衡罐1分别通过补给工质电磁阀II34、溢流电磁阀35与压力罐入口23连接；滤清器12、曲轴箱回流电磁阀22、压力罐23、工质喷射电磁阀II25、工质喷嘴21串联连接；活塞16与曲柄连杆机构14连接；活塞16和曲柄连杆机构14装在机体15中

启动阶段：通过工质储存罐3将冷工质充满低压管路4和换热器8，低品质能源输送到换热器8中，低品质能源与换热器8中的冷工质进行换热，换热器8中的冷工质吸热后，形成高温高压的过热蒸汽，控制单元28通过气缸17内壁上的温度压力传感器II19和曲轴位置传感器13采集的信号确定本发明的膨胀比，控制单元28通过控制工质喷射电磁阀I11的开启时刻和持续时间，继而控制高温高压过热工质喷入气缸的时刻和流量，实现本发明的可变膨胀比，控制单元28控制工质喷射电磁阀I11开启，使少量高温高压的过热工质经过工质喷嘴I18直接进入气缸17内。高温高压的过热工质在气缸17中膨胀做功，推动活塞16向下运动，带动曲柄连杆机构14旋转，对外输出功率，由于过热工质在气缸17内的过膨胀，致使气缸17形成真空度，控制单元28根据温度压力传感器II19和曲轴位置传感器13采集的信号判断真空度形成的位置，进而控制补给工质电磁阀II34开启，在真空度的作用下，工质储存罐3中的冷工质经过压力罐23、工质喷嘴III21喷入气缸17内；使做功后的热工质液化，实现汽化潜热的充分利用。液化后的工质温度压力有所降低，活塞16上行，顺利将液化后的工质增压、排出；高压液态工质通过稳压溢流阀29回流至换热器8，为下一个循环做准备；经过这样几个循环后，使各个管路充满工质，并在最后一个循环时，控制单元28通过控制补给工质电磁阀I24，使一部分的增压液态工质进入压力罐23,为工作阶段做准备。

工作阶段：控制单元28控制工质喷射电磁阀I11的开启时刻和持续时间，通过工质喷嘴I18喷入气缸17适量的过热工质，使喷入气缸17的过热工质充分膨胀，控制单元28根据曲轴位置传感器13采集的信号判断，当活塞16刚过下止点时，压力罐23内的冷工质通过工质喷嘴III21喷入气缸17内，使其温度降低，热工质液化；活塞16上行，顺利将液化后的工质增压，形成高压液态工质；控制单元28通过压力传感器I26判断被压缩的液态工质的压力，当液态工质压力达到一定压力时，电控单元28控制补给工质电磁阀I24的开启，使被压缩的工质一部分经过工质喷嘴II20和补给工质电磁阀I24进入压力罐23，为下一个循环喷入冷工质做准备，完成后关闭补给工质电磁阀I24；活塞16继续上行，液态工质继续增压，控制单元28根据温度压力传感器II19和压力传感器I26采集的信号判断液态工质的压力，当液态工质的压力达到稳压溢流阀29的压力时，控制单元28控制增压回流电磁阀31的开启使高压液态工质经过增压回流电磁阀31进入换热器8，为下一个工作循环做准备。随着循环量的增加，高压液态工质携带的热量增加，当工质温度过高，会使高压液态工质汽化，降低热效率，控制单元28根据温度传感器I27采集的信号判断工质的温度，继而控制冷凝控制电磁阀32放热开启，使温度过高的工质经过冷凝器33，高压液态工质在冷凝器33散热后，形成冷工质；通过控制混合阀6开闭时序，首先使冷工质一部分经混合阀6回流至工质储存罐3中，然后使冷工质回流至单向阀6前端，进而通过单向阀6进入换热器8。

随着整个系统能量的增加，工质储存罐3中的冷工质通过平衡溢流阀2进入溢流平衡罐1中，控制单元28根据温度压力传感器II19和曲轴位置传感器13采集的信号，判断真空度形成的时刻和位置，控制单元28控制溢流电磁阀35开启，在真空度的作用下，溢流平衡罐1中的冷工质经过压力罐23进入气缸。由于活塞16与气缸17壁存在间隙，致使气缸17内的工质泄露，泄露的工质聚集在机体15底壳，在真空度的作用下，控制单元28控制曲轴箱回流电磁阀22的开启，使泄露的工质通过滤清器12、压力罐23、工质喷嘴III21回流至气缸17内。

本发明中利用换热器实现了低品质能源与有机工质的能量交换，按此原理，在实际应用中，板式换热器、管式换热器、螺旋板式换热器、管板式换热器均可实现此功能；本发明中利用沸点较低有机工质可以充分吸收热量，按此机理，在实际应用中，在标况下沸点较低的有机工质均可实现此功能。

Claims (5)

1.一种单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置，其主要由溢流平衡罐(1)、溢流平衡阀(2)、工质储存罐(3)、低压管路(4)、启动控制电磁阀(5)、混合阀(6)、单向阀(7)、换热器(8)、高压管路(9)、温度压力传感器I(10)、工质喷射电磁阀I(11)、滤清器(12)、曲轴位置传感器(13)、曲柄连杆机构(14)、机体(15)、活塞(16)、气缸(17)、工质喷嘴I(18)、温度压力传感器II(19)、工质喷嘴II(20)、工质喷嘴III(21)、曲轴箱回流电磁阀(22)、压力罐(23)、补给工质电磁阀I(24)、工质喷射电磁阀II(25)、压力传感器I(26)、温度传感器I(27)、控制单元(28)、稳压溢流阀(29)、温度传感器II(30)、增压回流电磁阀(31)、冷凝控制电磁阀(32)、冷凝器(33)、补给工质电磁阀II(34)、溢流电磁阀(35)组成；其中工质储存罐(3)通过低压管路(4)与启动控制电磁阀(5)、单向阀(7)、换热器(8)串联连接；所述换热器(8)与低品质能源连接；工质喷嘴I(18)通过工质喷射电磁阀I(11)与换热器(8)出口连接；工质喷嘴II(20)分别与补给工质电磁阀I(24)和稳压溢流阀(29)连接；所述的工质喷嘴I(18)、工质喷嘴II(20)通过机体(15)与气缸(17)相通；所述的稳压溢流阀(29)分别与增压回流电磁阀(31)和冷凝控制电磁阀(32)连接；冷凝控制电磁阀(32)与冷凝器(33)入口连接；所述的冷凝器(33)出口通过混合阀(6)分别与工质储存罐(3)和单向阀(7)连接；溢流平衡罐(1)通过溢流平衡阀(2)与工质储存罐(3)连接；所述的工质储存罐(3)和溢流平衡罐(1)分别通过补给工质电磁阀II(34)、溢流电磁阀(35)与压力罐入口(23)连接；滤清器(12)、曲轴箱回流电磁阀(22)、压力罐(23)、工质喷射电磁阀II(25)、工质喷嘴(21)串联连接；活塞(16)与曲柄连杆机构(14)连接；活塞(16)和曲柄连杆机构(14)装在机体(15)中。

2.根据权利要求1所述的单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置，其特征在于控制单元(28)与温度压力传感器I(10)、曲轴位置传感器(13)和温度压力传感器II(19)连接；控制单元(28)控制工质喷射电磁阀I(11)的启闭时刻，进而控制过热工质喷入气缸(17)的时刻。

3.根据权利要求1、2所述的单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置，其特征在于，所述的压力罐(23)通过补给工质电磁阀I(24)、工质喷射电磁阀II(25)分别与工质喷嘴I(20)、工质喷嘴II(21)连接；控制单元(28)通过控制补给工质电磁阀I(24)、工质喷射电磁阀II(25)的时序，继而控制冷工质喷入气缸(17)的时刻，使喷入气缸(17)的冷工质充分吸热。

4.根据权利要求1、2所述的单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置，控制单元(28)控制工质喷射电磁阀(11)的开启持续时间，进而控制喷入气缸(17)过热工质量，使喷入气缸(17)内的过热工质过膨胀形成真空度；在真空度的作用下，控制单元(28)控制曲轴箱回流电磁阀(22)、工质喷射电磁阀II(25)、补给工质电磁阀II(34)、溢流电磁阀(35)的启闭，使溢流平衡罐(1)中溢流的冷工质、工质储存罐(3)的冷工质以及气缸(17)泄露的冷工质经过工质喷嘴(21)进入气缸(17)。

5.根据权利要求1所述的单轴功元件有机朗肯循环低品质能源利用装置，其特征在于，所述的增压回流电磁阀(31)与换热器(8)入口连接；控制单元(28)与温度传感器II(30)、增压回流电磁阀(31)、冷凝控制电磁阀(32)连接；喷入气缸(17)内的冷热工质经过做功、吸热使工质温度下降并液化，液化工质经增压排出气缸(17)，电控单元(28)根据温度传感器II(30)采集的信号，判断循环状态，控制增压回流电磁阀(31)、冷凝控制电磁阀(32)的启闭，并根据增压工质的温度和压力以及循环需求，控制增压液态工质进入换热器(8)。