CN107504514A - 多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置 - Google Patents

多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置 Download PDF

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CN107504514A CN201710952572.3A CN201710952572A CN107504514A CN 107504514 A CN107504514 A CN 107504514A CN 201710952572 A CN201710952572 A CN 201710952572A CN 107504514 A CN107504514 A CN 107504514A
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吴道洪
王培伦
窦丛丛
孟嘉乐
郑倩倩
田广胜
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    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/02—Arrangements of regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/06—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Abstract

本发明的一种多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置，所述装置包括：蓄热燃烧系统和余热处理系统，蓄热燃烧系统包括第一换向阀、蓄热体、烧嘴以及燃烧室，第一换向阀分别连接第一进口和尾气出口，并在第一进口和所述尾气出口间任意切换，所述蓄热体与第一换向阀连接，烧嘴与蓄热体连接，燃烧室与烧嘴连接；余热处理系统包括第二换向阀、分流器、蓄热体以及合流器，第二换向阀连接第二进口，第二换向阀与分流器连接，蓄热体的一端与分流器连接，另一端与合流器连接。该装置可以有效利用烟气余热，提高烧嘴火焰的稳定性。同时该多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置结构简单，容易改造，相关相变材料可根据不同的工况进行更换。

Description

多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置
技术领域
本发明属于燃烧节能技术领域，尤其涉及一种多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置。
背景技术
近年来，随着各国政府对环保工作的日益重视，全世界范围内都兴起了治理污染、保护环境的运动。新的环保技术及产品不断涌现，同时也不断地产生新的难题。煤粉燃烧在污染排放中占重要地位，也是历来治理污染的重点和难点。
如何提高锅炉热效率，节约能源，减少烟尘排放，是有效解决我国能源和环境问题的重要环节。而此环节中，提高燃烧效率是关键所在。为解决上述问题，应用第三代蓄热式燃烧技术无疑是一个很好的选择。
蓄热式燃烧技术是最新一代的燃烧技术，是第三代燃烧技术。对于第一代和第二代燃烧技术的炉膛热利用率低的情况，第三代蓄热式高温空气燃烧技术具有能提高各种反应器的热利用率及反应温度、降低燃料的品质和等级的优点，有利于实现低氧低氮燃烧，同时能减少大气雾霾的生成。第三代蓄热式燃烧技术的炉膛热利用率可达86％，系统热利用率可达94％以上。
第三代蓄热式燃烧技术的关键是蓄热体的利用。现有的蓄热式燃烧技术的蓄热体均是用耐火砖等材料，这些蓄热材料是通过材料显热来储存热量。由于显热蓄热具有能量密度小、温度变化范围大的缺点，使得第三代蓄热式燃烧技术存在换向阀换向频繁、烧嘴燃烧不稳定的缺点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置，所述装置包括：蓄热燃烧系统和余热处理系统，所述蓄热燃烧系统包括第一换向阀、蓄热体、烧嘴以及燃烧室，所述第一换向阀连接第一进口和尾气出口，并在所述第一进口和所述尾气出口间任意切换，通过所述第一进口流入常温空气，所述蓄热体与所述第一换向阀连接，所述烧嘴与所述蓄热体连接，所述燃烧室与所述烧嘴连接；所述余热处理系统包括第二换向阀、分流器、蓄热体以及合流器，所述第二换向阀连接第二进口，通过所述第二进口流入常温空气或常温水，所述第二换向阀与所述分流器连接，所述蓄热体的一端与所述分流器连接，另一端与所述合流器连接。
进一步地，所述蓄热体包括第一蓄热体和第二蓄热体，所述第一蓄热体通过所述第一换向阀与所述第一进口或所述尾气出口连接；所述第二蓄热体通过所述第一换向阀与所述尾气出口或所述第一进口连接。
进一步地，所述烧嘴包括第一烧嘴和第二烧嘴，所述第一烧嘴与所述第一蓄热体连接；所述第二烧嘴与所述第二蓄热体连接；所述第一烧嘴和所述第二烧嘴分别连接有油气开关。
进一步地，所述分流器包括第一分流器和第二分流器，所述第一分流器与所述第一蓄热体连接；所述第二分流器与所述第二蓄热体连接。
优选地，所述蓄热体为多级相变蓄热体。
进一步地，所述多级相变蓄热体包括多个蓄热单元，所述蓄热单元包括高温蓄热单元、中温蓄热单元、低温蓄热单元。
优选地，所述高温蓄热单元装有高温相变材料，所述中温蓄热单元装有中温相变材料，所述低温蓄热单元装有低温相变材料，所述高温蓄热单元、中温蓄热单元以及低温蓄热单元在所述多级相变蓄热体中按照沿烟气流动方向、温度高低顺序从上到下依次排列。
进一步地，所述蓄热单元内部设置有换热管道。
进一步地，所述换热管道的一端与所述分流器连接，另一端与所述合流器连接。
进一步地，所述第一分流器与所述第二换向阀间设置有第一空气开关；所述第二分流器与所述第二换向阀间设置有第二空气开关。
本发明的一种多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置的优点在于：
1.本发明的装置是一种更加高效利用烟气余热的蓄热式燃烧系统。
2.本发明的装置中采用多级潜热蓄热体，可以根据实际情况更换相变蓄热材料，温度控制更加灵活，预热气体温度更加平稳。
3.本发明中蓄热体采用的相变材料为熔融盐固/液定型相变材料价格便宜，成本低。
4.本发明中采用的多级潜热蓄热体中的相变材料储热密度大，储热时间长，换向阀不必频繁换向。
5.本发明中的相变材料具有相变温度恒定的特点，可以保证预热空气的温度在较长的时间内相对恒定，从而使得烧嘴的火焰更加平稳。
6.本发明中多余的余热可以用来加热空气或水，用于日常生活的需要。
7.本发明中的蓄热体材料通过内部管道与水\空气间接换热，蓄热体材料和燃烧空气直接换热，双重提高了燃烧后烟气的回收效率。
8.本发明中设计的便于合流/分流的装置，易于加工和连接组装。
附图说明
图1是本发明多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置的示意图。
图2是本发明蓄热体的结构示意图。
图3是本发明多用途多级相变蓄热体的结构示意图。
图4是本发明中分流/合流器的结构示意图。
图5是本发明中多级分流/合流器连接的示意图。
1-第一进口、2-第一换向阀、3-第一蓄热体、4-油气开关、5-第一烧嘴、6-燃烧室、7-第二烧嘴、8-第二蓄热体、9-尾气出口、10-第二进口、11-第二换向阀、12-第一空气开关、13-第一分流器、14-第二空气开关、15-第二分流器、16-合流阀、17-换热管道、18-高温蓄热单元、19-中温蓄热单元、20-低温蓄热单元。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置进行进一步地说明。
根据图1所示的本发明的多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置的示意图，本发明的装置包括：蓄热燃烧系统和余热处理系统。所述蓄热燃烧系统包括第一换向阀2、蓄热体、烧嘴以及燃烧室6，所述第一换向阀2连接第一进口1和尾气出口9，并在所述第一进口1和所述尾气出口9间任意切换，通过所述第一进口1流入常温空气，所述蓄热体与所述第一换向阀2连接，所述烧嘴与所述蓄热体连接，所述燃烧室6与所述烧嘴连接；所述余热处理系统包括第二换向阀11、分流器、蓄热体、合流器以及合流阀16，所述第二换向阀11连接第二进口10，通过所述第二进口10流入常温空气或常温水，所述第二换向阀11与所述分流器连接，所述蓄热体的一端与所述分流器连接，另一端与所述合流器连接。所述合流阀16是安装在合流器总管道上的阀，在所述合流阀16上还设置有空气出口或者水出口，空气出口和水出口可以为同一个出口。
根据本发明的实施例，所述蓄热体包括第一蓄热体3和第二蓄热体8，所述第一蓄热体3通过所述第一换向阀2与所述第一进口1或所述尾气出口9连接；所述第二蓄热体8通过所述第一换向阀2与所述尾气出口9或所述第一空气进口1连接。
根据本发明的实施例，所述烧嘴包括第一烧嘴5和第二烧嘴7，所述第一烧嘴5与所述第一蓄热体3连接；所述第二烧嘴7与所述第二蓄热体8连接；所述第一烧嘴5和所述第二烧嘴7分别连接有油气开关4。
根据本发明的实施例，所述分流器包括第一分流器13和第二分流器15，所述第一分流器13与所述第一蓄热体3连接；所述第二分流器15与所述第二蓄热体8连接。
根据本发明的实施例，所述第一分流器13与所述第二换向阀11间设置有第一空气开关12；所述第二分流器15与所述第二换向阀11间设置有第二空气开关14。
本发明中的所述蓄热体的个数为多个，即第一蓄热体3并列多个进行水平设置，第二蓄热体8并列多个进行水平设置。
根据图2所示的本发明的蓄热体的结构示意图，所述蓄热体为多级相变蓄热体。所述蓄热体包括多个蓄热单元，所述蓄热单元包括高温蓄热单元18、中温蓄热单元19、低温蓄热单元20。所述高温蓄热单元18装有高温相变材料，所述中温蓄热单元19装有中温相变材料，所述低温蓄热单元20装有低温相变材料，所述高温蓄热单元18、中温蓄热单元19以及低温蓄热单元20在所述蓄热体中按照沿烟气流动方向、温度高低顺序依次排列。当蓄热体相变材料中蓄有热量后，蓄热体中有多种定型相变材料，相变材料按照相变温度从高到低依次排列，由于传统的相变材料是导热系数低的无机盐材料，因此各行相变材料进行交错排列来提高蓄热体的换热效果。
根据本发明的实施例，所述蓄热单元内部设置有换热管道17。所述换热管道17的一端与所述分流器连接，另一端与所述合流器连接。
对于图2而言，空气或水通过第二进口10进入到一级分流器分流和二级分流器分流后进入到蓄热单元中。再通过换热管道17与相变材料的换热升温。流经不同的相变材料加热后的空气或水经过蓄热单元中的二级合流器合流和一级合流器合流后，通过合流阀16上的空气出口或者水出口流出。
根据图3所示的本发明多用途多级相变蓄热体的结构示意图，相对于图2而言，图3中各增加了三级分流器进行分流和三级合流器进行合流，并且将图2的一体式的蓄热单元分割成了串级模块化的独立单元，不同相变材料的蓄热单元在单独的一个独立单元中，有利于换热器的维护管理。
根据图4所示的本发明中合流/分流器的结构示意图，所示的合流/分流器包括了左侧设置的主流管道、中部的分流腔体以及右侧设置的分流管道。
当此结构作为分流器使用时，主流通过主流管道进入分流器，然后通过分流腔体的分流进入到分流管道中。
当此结构作为合流器时，各分流流体通过分流管道进入分流腔体中，然后通过分流腔体的合流进入主流管道。
根据图5所示的本发明中多级分流/合流器连接的示意图，同级的分流/合流器是并联方式连接，不同级之间的分流/合流器是串联方式连接。
本发明的目的在于提出一种多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置，该装置可以有效利用烟气余热，提高烧嘴火焰的稳定性。同时该换热装置结构简单，容易改造，相关相变材料可根据不同的工况进行更换。由于相变材料就有储热密度大、相变温度恒定、相变体积变化小等优点，使得该蓄热式烧嘴解决了气体换向频繁、预热后的空气温度变化范围大导致的烧嘴火焰燃烧不稳定的问题。同时对蓄热室进行模块化设计，方便不同工况下使用不同相变材料需求时进行更换。
本发明的一种多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置的蓄热燃烧系统的运行过程为：常温空气通过第一进口1进入第一换向阀2，此时，所述第一换向阀2按图1中实线进行换向。常温空气之后进入右侧多级第一蓄热体3间隙，此时多级第一蓄热体3的潜热蓄热材料中蓄有热量，常温气体通过该多级第一蓄热体3后被加热进入第一烧嘴5。此时，位于右侧的油气开关4开通，位于左侧的油气进口4关闭，燃油或燃气则通过右侧油气开关4进入右侧第一烧嘴5中，与被加热的气体混合并在燃烧室6中燃烧。燃烧后的气体则通过左侧第二烧嘴7进入左侧多级第二蓄热体8中。此时，烟气余热被储存在左侧多级第二蓄热体8中。被降温后的尾气从多级第二蓄热体8出来后进入第一换向阀2中，经尾气出口9排出。
待到右侧多级第一蓄热体3中潜热储热材料的热量释放完毕后，所述换向阀2则如图1中虚线所示进行换向，此时，常温空气通过第一进口1进入第一换向阀2中，之后进入左侧多级第二蓄热体8中，此时该多级第二蓄热体8已经储存热量，而常温空气则在该多级第二蓄热体8被预热后进入左侧第二烧嘴7中。此时，左侧油气开关4开通，燃油或燃气则通过左侧油气开关4进入左侧第二烧嘴7中，与被加热的气体混合并在燃烧室6中燃烧。燃烧后的气体则通过右侧第一烧嘴5进入右侧多级第一蓄热体3中。此时，尾气余热被储存在右侧多级第一蓄热体3中，被降温后的尾气从多级第一蓄热体3出来后进入第一换向阀2中，经尾气出口9排出。按上述方法往复循环使用。
根据本发明的实施例，通过控制左右两侧的油气开关4，可以控制相应地蓄热体的工作情况。本发明中所述的第一蓄热体3和第二蓄热体8也可以对进入多个燃烧室6的常温空气进行预热。
本发明的一种多用途多级相变蓄热式高温空气燃烧节能装置的余热处理系统的运行过程为：烟气余热先通过余热常规利用过程存储，在燃烧室6中燃烧的高温烟气进入到第二蓄热体8中进行换热，加热潜热蓄热材料后经过尾气出口9排出。经过长时间加热后，第二蓄热体8中蓄热体的温度升高，此时常温空气通过第二进口10经过第二换向阀11，所述第二换向阀11按图中实线进行换向，之后进入右侧第一蓄热体3中间内部管路，常温空气与相变材料换热升温后从右侧第一蓄热体3出来，经过合流器后从合流阀16的空气出口流出。此时，加热后的常温空气可用于工业或者日常生活。
待到右侧第一蓄热体3中潜热储热材料的热量释放完毕后，第二换向阀则如图中虚线所示进行换向，此时，常温空气通过第二进口10进入第二换向阀11，之后进入左侧第二蓄热体8蓄热体中间内部管路，空气与相变材料换热升温后从左侧第二蓄热体8中出来，经过合流器后从合流阀16的空气出口流出。此时，加热后的空气可用于工业或者日常生活，如此往复循环。
需要说明的是，在本发明余热处理的时候，当从第二进口10中的空气通过第二换向阀11进入到右侧的第一蓄热体3中时，所述第一空气开关12打开，所述第二空气开关14关闭；当从第二进口10中的常温空气通过第二换向阀11进入到左侧的第二蓄热体8中时，所述第一空气开关12关闭，所述第二空气开关14打开。当然上述常温空气可以根据需要替换为其它流体，例如常温水等。
本发明中的高温相变材料是相变温度为600-900℃的定型固/液相变材料。例如：61Na2SO4-39MgO，相变温度为884℃；62Na2SO4-38SiO2，相变温度为858℃；54LiF-46MgO，相变温度为849℃；24Na2CO3-26BaCO3-50MgO，相变温度为686℃；54MgCl2-48SiO2，相变温度为714℃；45NaF-15MgF-40MgO，相变温度为832℃；40LiF-20MgF2-40MgO，相变温度为746℃。
本发明中的中温相变材料是相变温度300-600℃的定型固/液相变材料。例如：53Li2SO4-47MgO，相变温度为577℃；63KOH-37SiO2，相变温度为400℃；
33.6Na2CO3-26.4Li2CO3-40MgO，相变温度为496℃；
33MgCl2-12.24KCl-11.76NaCl-40MgO，相变温度为380℃；
18.15NaCl-13.2KCl-23.65LiCl-45MgO，相变温度为346℃；
24.44BaCl2-13.2KCl-15.95CaCl2-48MgO，相变温度为551℃；MgCl2-NaCl，相变温度为435℃。
本发明中的低温相变材料是相变温度100-300℃的定型固/液相变材料。例如：41.8KCl-19.2ZnCl2-40MgO，相变温度为235℃；29NaNO3-29KNO3-42MgO，相变温度为220℃；40LiNO3-60硅藻土，相变温度为250℃；55ZnCl-45MgO，相变温度为280℃；52AlCl3-48MgO，相变温度为190℃。
由于定型相变材料制作简单，其尺寸可根据实际情况进行制作。
以下，将通过两个实施例说明不同的余热温度下对应的相变材料的使用状况。
实施例一
1.本实施例所采用的高温定型相变材料为24Na2CO3-26BaCO3-50MgO，中温定型相变材料为33.6Na2CO3-26.4Li2CO3-40MgO，低温定型相变材料为29NaNO3-29KNO3-42MgO。
2.将燃气(甲烷)和通过第一蓄热体3预热的空气进入第一烧嘴5并在燃烧室6中燃烧。
3.燃烧后的尾气进入第二蓄热体8，余热与储热材料换热储存到第二蓄热体8的相变材料中。
4.待从第二蓄热体8出来的尾气温度高于200℃时，转变第一换向阀2，同时打开第二烧嘴7；此时常温空气与第二蓄热体8中的相变材料进行换热升温，与燃气(甲烷)在燃烧室6中燃烧；
5.燃烧后的尾气进入第一蓄热体3与储热材料换热储存到第一蓄热体3的相变材料中。
6.待从第一蓄热体3出来的尾气温度高于200℃时，转变第一换向阀2。
按上述方法往复操作。
实施例二
1.本实施例所采用的高温定型相变材料为45NaF-15MgF-40MgO，中温定型相变材料为33MgCl2-12.24KCl-11.76NaCl-40MgO，低温定型相变材料为52AlCl3-48MgO。
2.将燃气(甲烷)和通过第一蓄热体3预热的空气进入第一烧嘴5并在燃烧室6中燃烧。
3.燃烧后的尾气进入第二蓄热体8，余热与储热材料换热储存到第二蓄热体8的相变材料中。
4.待从第二蓄热体8出来的尾气温度高于150℃时，转变第一换向阀2，同时打开第二烧嘴7；此时常温空气与第二蓄热体8中的相变材料进行换热升温，与燃气(甲烷)在燃烧室6中燃烧；
5.燃烧后的尾气进入第一蓄热体3与储热材料换热储存到第一蓄热体3的相变材料中。
6.待从第一蓄热体3出来的尾气温度高于150℃时，转变第一换向阀2。
按上述方法往复操作。
本发明中提供的实施例一和实施例二，采用了不同的相变材料进行换热蓄
热，进而反映出了对于不同的余热温度，需要使用不同的相变材料才能满足使用工况。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述装置包括：蓄热燃烧系统和余热处理系统，
所述蓄热燃烧系统包括第一换向阀、蓄热体、烧嘴以及燃烧室，所述第一换向阀分别连接第一进口和尾气出口，并在所述第一进口和所述尾气出口间任意切换，通过所述第一进口流入常温空气，所述蓄热体与所述第一换向阀连接，所述烧嘴与所述蓄热体连接，所述燃烧室与所述烧嘴连接；
所述余热处理系统包括第二换向阀、分流器、蓄热体以及合流器，所述第二换向阀连接第二进口，通过所述第二进口流入常温空气或常温水，所述第二换向阀与所述分流器连接，所述蓄热体的一端与所述分流器连接，另一端与所述合流器连接。
2.根据权利要求1所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述蓄热体包括第一蓄热体和第二蓄热体，
所述第一蓄热体通过所述第一换向阀与所述第一进口或所述尾气出口连接；
所述第二蓄热体通过所述第一换向阀与所述尾气出口或所述第一进口连接。
3.根据权利要求2所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述烧嘴包括第一烧嘴和第二烧嘴，
所述第一烧嘴与所述第一蓄热体连接；
所述第二烧嘴与所述第二蓄热体连接；
所述第一烧嘴和所述第二烧嘴分别连接有油气开关。
4.根据权利要求2所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述分流器包括第一分流器和第二分流器，
所述第一分流器与所述第一蓄热体连接；
所述第二分流器与所述第二蓄热体连接。
5.根据权利要求2所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述蓄热体为多级相变蓄热体。
6.根据权利要求5所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述多级相变蓄热体包括多个蓄热单元，
所述蓄热单元包括高温蓄热单元、中温蓄热单元、低温蓄热单元。
7.根据权利要求6所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，
所述高温蓄热单元装有高温相变材料，
所述中温蓄热单元装有中温相变材料，
所述低温蓄热单元装有低温相变材料，
所述高温蓄热单元、中温蓄热单元以及低温蓄热单元在所述多级相变蓄热体中按照沿烟气流动方向、温度高低顺序从上到下依次排列。
8.根据权利要求6所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述蓄热单元内部设置有换热管道。
9.根据权利要求8所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，所述换热管道的一端与所述分流器连接，另一端与所述合流器连接。
10.根据权利要求4所述的多级相变蓄热式节能装置，其特征在于，
所述第一分流器与所述第二换向阀间设置有第一空气开关；
所述第二分流器与所述第二换向阀间设置有第二空气开关。
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