CN110030051B - 蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统。在集成式隐性膨胀单元内进行工质的蓄压蒸发、膨胀及冷凝过程，吸热蒸发的过热气态工质膨胀推动过冷液态工质在风冷式散热器内降温后进入液压马达，实现无膨胀机的隐性膨胀做功，做功后的工质进入冷凝腔对膨胀后的乏汽进行冷凝降压，冷凝支管单向阀开启，冷凝总管内的液态工质被吸入膨胀支管内进行工质补充；由换热腔阀门及调压阀的控制共同实现膨胀比可变，组合多个集成式隐性膨胀单元按一定相位做功，并在调压阀作用下保持液压马达连续工作。本发明与传统有机朗肯循环相比结构简单、可靠性高，无需考虑工质泄露问题且热功转换过程无机械膨胀部件。

Description

蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统

技术领域

本发明属于有机工质循环低品质能源利用技术领域，具体涉及开发一种蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统。

背景技术

近年来，能源紧缺问题成为了制约社会发展的焦点问题。而我国作为能源消费大国，能源利用率远低于世界先进水平。再此情况下，以往被忽视的低品质热能越来越受到关注，其中有机朗肯循环作为一种具有前景的低品质能源利用技术更加受到青睐，有机朗肯循环热能利用技术也发展迅速。

但是在实际应用过程中有机朗肯循环系统的结构受到很大限制。以车用有机朗肯循环为例，过于复杂的系统布置不仅会占用本就紧张的空间，而且也为整车轻量化带来不利影响；目前，有一种空间回热有机朗肯循环余能回收系统，该系统引入可变膨胀比的旋转叶片式膨胀机，可以通过膨胀比调节器调节旋转叶片式膨胀机的膨胀比，使不同状态的过热蒸气都能够在旋转叶片式膨胀机中充分膨胀，使旋转叶片式膨胀机输出最大功率，但结构复杂、工质泄露问题无法忽视。

发明内容

本发明目的是提供一种蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统，用以退化膨胀机，并将换热、膨胀过程集中，提高部件的紧凑性，便于系统的布置，并对乏气能量进行回收。

为实现上述目标，本发明采取了如下技术方案：提供一种蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统，主要由数个集成式隐性膨胀单元、高压总管8、风冷式散热器9、调压阀10、液压马达11、蓄压总管12、冷凝总管15和调压式蓄能稳压罐16组成；其中各个集成式隐性膨胀单元分别与高压总管8、蓄压总管12和冷凝总管15连接，并以一定的相位配合工作，冷凝总管15与调压式蓄能稳压罐16连接，高压总管8与风冷式散热器9、调压阀10、液压马达11、蓄压总管12串联连接。

集成式隐性膨胀单元由由加热腔阀门1、加热腔2、换热腔3、换热腔阀门4、气液隔热块5、膨胀支管6、膨胀支管单向阀7、冷凝腔阀门13、冷凝腔14、冷凝支管17及冷凝支管单向阀18组成；其中加热腔阀门1与加热腔2连接且加热腔2与换热腔3共同组成蒸发器，换热腔3、换热腔阀门4与膨胀支管6、膨胀支管单向阀7串联连接，气液隔热块4在膨胀支管6内部，冷凝腔阀门13、冷凝腔14、冷凝支管17、冷凝支管单向阀18串联连接，且冷凝支管17连接于膨胀支管单向阀7下方膨胀支管6上，冷凝腔14及换热腔3共同组成冷凝器。

本发明的原理是：高温热源及工质在换热腔中进行换热，使工质形成高温高压的过热蒸气，控制换热腔阀门的开启时刻、角度及调压阀来调节膨胀比，通过工质流量调节适应工况变化；高压过热蒸汽在膨胀支管内膨胀通过气液隔热块推动低温液态工质进入高压总管，并在流经风冷式散热器降温后经调压阀进入液压马达内做功，做功后的过冷工质流经蓄压总管在冷凝腔阀门开启时进入冷凝腔对做功后的乏汽进行冷凝降压，由于调压式蓄能稳压罐内压力设置低于冷凝腔，工质流入冷凝总管及调压式蓄能稳压罐，换热腔及膨胀支管内压力降低后经冷凝支管进入膨胀支管内以备进行下一轮循环；组合多个集成式隐性膨胀单元按一定相位做功，并在调压阀控制下保持液压马达连续工作。

本发明的工作过程是：加热腔阀门1打开，加热腔2内低品质热源流通将换热腔3内工质加热为高压气态工质，换热腔阀门4打开，高压气态工质发生膨胀经由气液隔热块5推动膨胀支管6内的液态工质流出集成式隐性膨胀单元进入高压总管8，液态工质经风冷式散热器9降温后通过调压阀10进入液压马达11做功，做功后的低压液态工质在集成式隐性膨胀单元的冷凝腔阀门13打开时进入冷凝腔14对换热腔3内的做功乏汽进行冷凝降压，并在调压式蓄能稳压罐16的低压作用下进入冷凝总管15及调压式蓄能稳压罐16，换热腔3内压力降低后冷凝支管单向阀18开启，冷凝总管15内的液态工质被吸入膨胀支管6内进行工质补充以备下一轮循环。

本发明具有的优点和积极效果有：将传统有机朗肯循环中膨胀机、回热器、冷凝器、工质泵串联的布置方式改进为集成式隐性膨胀单元、液压马达的连接方式，退化了膨胀机，实现隐性膨胀；根据换热腔阀门的开启时刻或角度调节及调压阀的控制实现可变膨胀比，以适应复杂多变的工况；与传统朗肯循环系统相比结构简单、可靠性高，由于整个循环只采用同种工质，无需考虑工质泄露问题。

附图说明

图1为一种蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统。

其中：集成式隐性膨胀单元Ⅰ、Ⅱ、…，加热腔阀门1、加热腔2、换热腔3、换热腔阀门4、气液隔热块5、膨胀支管6、膨胀支管单向阀7、高压总管8、风冷式散热器9、调压阀10、液压马达11、蓄压总管12、冷凝腔阀门13、冷凝腔14、冷凝总管15、调压式蓄能稳压罐16、冷凝支管17、冷凝支管单向阀18。

具体实施方案

以下结合附图对本发明技术方案作进一步详细阐述：

如图1所示，本发明由数个集成式隐性膨胀单元、高压总管8、风冷式散热器9、调压阀10、液压马达11、蓄压总管12、冷凝总管15和调压式蓄能稳压罐16组成；其中各个集成式隐性膨胀单元分别与高压总管8、蓄压总管12和冷凝总管15连接，并以一定的相位配合工作，冷凝总管15与调压式蓄能稳压罐16连接，高压总管8与风冷式散热器9、调压阀10、液压马达11、蓄压总管12串联连接。

集成式隐性膨胀单元由由加热腔阀门1、加热腔2、换热腔3、换热腔阀门4、气液隔热块5、膨胀支管6、膨胀支管单向阀7、冷凝腔阀门13、冷凝腔14、冷凝支管17及冷凝支管单向阀18组成；其中加热腔阀门1与加热腔2连接且加热腔2与穿换热腔3共同组成蒸发器，换热腔3、换热腔阀门4与膨胀支管6、膨胀支管单向阀7串联连接，气液隔热块4在膨胀支管6内部，冷凝腔阀门13、冷凝腔14、冷凝支管17、冷凝支管单向阀18串联连接，且冷凝支管17连接于膨胀支管单向阀7下方膨胀支管6上、冷凝腔14及换热腔3共同组成冷凝器。

装置的具体工作方式如下：

在集成式隐性膨胀单元内进行工质的蒸发及膨胀过程，加热腔阀门1打开，加热腔2内低品质热源流通将换热腔3内工质加热为高压气态工质，加热腔阀门1关闭、换热腔阀门4打开，高压气态工质发生膨胀经由气液隔热块5推动膨胀支管6内的液态工质流出集成式隐性膨胀单元进入高压总管8，并在调压阀10的作用下控制膨胀结束时的压力。其中气液隔热块5仅在膨胀支管6内运动，且与管壁无摩擦产生，仅起到隔热作用；此过程中加热腔阀门1适时开闭以保证对蒸发器内工质的间断性供热，防止后续冷凝过程中进行多余换热；通过换热腔阀门4的开启时刻或角度的调节及调压阀12的控制实现可变膨胀比，以适应复杂多变的工况。

在液态工质散热、做功过程，进入高压总管8的工质在风冷式散热器9内进行散热后流经调压阀10进入液压马达11做功，做功后的过冷工质经蓄压总管12进入集成式隐性膨胀单元。此过程中系统内各个集成式隐性膨胀单元按一定相位配合工作，并在调压阀的作用下保证整个系统工作的连续性及液压马达输出功的稳定性。如说明书附图所示，集成式隐性膨胀单元Ⅰ、Ⅱ分别表示膨胀过程的开始及结束两种情况下的阀门开闭情况及气液隔热块两种极限位置。

在对做功乏汽的冷凝过程，冷凝腔阀门13开启，做功后的液态工质受调压式蓄能稳压罐16的低压作用进入冷凝腔14对膨胀后的乏汽进行冷凝后进入冷凝总管15及调压式蓄能稳压罐16，换热腔3及膨胀支管5内压力降低，膨胀支管单向阀7关闭、冷凝支管单向阀18开启，冷凝总管15内的液态工质经冷凝支管17进入膨胀支管，将气液隔热块5压回初始位置，换热腔阀门4在定量的工质流回换热腔3后关闭，以备进行下一轮循环。冷凝过程中加热腔阀门1处于关闭状态，而蒸发过程中冷凝腔阀门13关闭，可阻止换热过程中不必要的对流传热，减少传热损失。

本发明中利用各种阀门(加热腔阀门1、换热腔阀门4、冷凝腔阀门13、调压阀10、膨胀支管单向阀7、冷凝支管单向阀18)调节低品质热源及工质流动的通断及流量，按此原理在实际应用中可为闸阀、球形阀、止回阀或其他任意可用结构，阀门控制方式可为控制开启关闭时刻或调节阀门开启角度等任意可用形式；本发明所涉及的液压马达11可为齿轮式、柱塞式或任意可用结构形式；气液隔热块5在实际应用中可采用球形、方形等任意可用结构。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种蓄压式隐性膨胀低品质能源利用系统，其特征在于：主要由数个集成式隐性膨胀单元(Ⅰ、Ⅱ、…)、高压总管(8)、风冷式散热器(9)、调压阀(10)、液压马达(11)、蓄压总管(12)、冷凝总管(15)和调压式蓄能稳压罐(16)组成；其中各个集成式隐性膨胀单元(Ⅰ、Ⅱ、…)分别与高压总管(8)、蓄压总管(12)和冷凝总管(15)连接，并以一定的相位配合工作，冷凝总管(15)与调压式蓄能稳压罐(16)连接，高压总管(8)与风冷式散热器(9)、调压阀(10)、液压马达(11)、蓄压总管(12)串联连接；液态工质在被集成式隐性膨胀单元(Ⅰ、Ⅱ、…)内的高压气态工质推动后进入高压总管(8)，经风冷式散热器(9)降温后通过调压阀(10)进入液压马达(11)做功，做功后的低压液态工质进入集成式隐性膨胀单元(Ⅰ、Ⅱ、…)内的冷凝腔(14)对做功后的乏汽进行冷凝后经冷凝总管(15)进入调压式蓄能稳压罐(16)，并对集成式隐性膨胀单元(Ⅰ、Ⅱ、…)内的工质的流量进行调节； 每个集成式隐性膨胀单元(Ⅰ、Ⅱ、…)由加热腔阀门(1)、加热腔(2)、换热腔(3)、换热腔阀门(4)、气液隔热块(5)、膨胀支管(6)、膨胀支管单向阀(7)、冷凝腔阀门(13)、冷凝腔(14)、冷凝支管(17)及冷凝支管单向阀(18)组成；其中加热腔阀门(1)与加热腔(2)连接且加热腔(2)与换热腔(3)共同组成蒸发器，换热腔(3)、换热腔阀门(4)与膨胀支管(6)、膨胀支管单向阀(7)串联连接，气液隔热块(5)在膨胀支管(6)内部，冷凝腔阀门(13)、冷凝腔(14)、冷凝支管(17)、冷凝支管单向阀(18)串联连接，且冷凝支管(17)连接于膨胀支管单向阀(7)下方膨胀支管(6)上，冷凝腔(14)及换热腔(3)共同组成冷凝器；加热腔阀门(1)打开，加热腔(2)内低品质热源将换热腔(3)内工质加热为高压气态工质，换热腔阀门(4)打开，高压气态工质发生膨胀经由气液隔热块(5)推动膨胀支管(6)内的液态工质进入高压总管(8)；冷凝腔阀门(13)打开时蓄压总管(12)内的过冷工质进入冷凝腔(14)将做功后的乏汽冷凝降压后进入冷凝总管(15)及调压式蓄能稳压罐(16)，换热腔(3)及膨胀支管(6)内压力降低，冷凝支管单向阀(18)开启，冷凝总管(15)内工质经冷凝支管(17)被吸入膨胀支管(6)以备进行下一次工作过程； 通过换热腔阀门(4)的开启时刻或角度的调节及调压阀(10)的控制实现可变膨胀比，以适应复杂多变的工况。

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