CN110748510B - 一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器 - Google Patents

一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器 Download PDF

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Abstract

一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，包括活塞、缸筒、温控装置，活塞装在缸筒内将缸筒分为第一腔体和第二腔体，第一腔体用于容纳液体和气体，该气体可以溶于该液体，第二腔体用于容纳液压油，温控装置安装在缸筒外围，使缸筒内气体温度处于该气体临界温度以上。本发明的一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，气体被加压可以溶解到液体中。气体承受压力时，其体积减小量包括两部分，其一为气体压缩减小的体积，其二为气体溶解到液体溶剂中的体积，且后者远大于前者。提高了蓄能器的储能密度，减小了蓄能器的容积，节省了占用空间，减少了蓄能器的成本，尤其对于节约移动液压设备有限的工作空间具有重要意义。

Description

一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器
技术领域
本发明液压传动与控制领域，特别是液压蓄能领域，具体涉及一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器。
背景技术
液压蓄能器是液压气动系统中的一种能量储蓄装置。它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，消除压力脉动，以保证整个系统压力正常，降低噪音。
蓄能器按加载方式可分为重锤式、弹簧式和气体加载式，现在使用最多的是气体加载式。气体加载式蓄能器又分为气囊式、气瓶式和活塞式。活塞式蓄能器油气隔离，工作可靠、寿命长，适合用于高压和大容量储能。
现在的活塞式蓄能器使用活塞将存储能量的油液与压缩气体隔离，气体为氮气，通过充液过程压缩气体体积存储能量，但在一定的压力变化范围内，气体被压缩减小的体积有限，故使得蓄能器内存储的有效充液体积较小，是导致现有蓄能器能量存储密度较低的主要原因。例如，如果要求储能油液体积30L，压力变化范围14-18MPa，经计算需要蓄能器体积为214L，外形体积为281L。如果移动式设备使用活塞式蓄能器储能，这么大的体积占用移动设备很大的空间，还影响视线，成本也很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，在满足一定储能容积和压力的条件下，通过提高蓄能器的储能密度，缩减所配蓄能器的容积，节省占用的工作空间。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，包括活塞、缸筒、温控装置，活塞装在缸筒内将缸筒分为第一腔体和第二腔体，第一腔体用于容纳液体和气体，该气体可以溶于该液体，第二腔体用于容纳液压油，第一腔体一端的缸桶壁上具有充气孔，第二腔体一端的缸桶壁上具有液压油口，液压油口用于连接第二腔体与缸筒外部的液压系统，温控装置安装在缸筒外围，用于调控缸筒内气体的温度，使缸筒内气体温度处于该气体临界温度以上。储能时，缸筒外部的液压油通过液压油口进入第二腔体，液压油对活塞的作用力大于第一腔体内的气体对活塞的作用力时，活塞压缩第一腔体中的气体，使气体溶于液体；能量释放时，外部油路压力降低，第一腔体中的气体对活塞的作用力大于液压油对活塞的作用力，活塞压缩液压油，第二腔体中的液压油从液压油口排出，供给外部液压系统使用。
进一步的，所述温控装置为恒温装置，所述恒温装置用于使缸筒内气体温度保持在设定温度，该设定温度高于气体临界温度1～4℃。
进一步的，所述恒温装置为热交换器，当缸筒内气体温度高于设定温度时，向热交换器通入冷水对缸筒内的气体进行散热；当缸筒内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒内的气体进行加热；当缸筒内气体温度等于设定温度时，关闭热交换器。
进一步的，所述恒温装置包括加热装置和冷却装置，加热装置为热交换器，冷却装置包括翅片式冷却器和冷却风扇，当缸筒内气体温度高于设定温度时，开启冷却风扇吹翅片式冷却器对缸筒内的气体进行散热；当缸筒内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒内的气体进行加热；当缸筒内气体温度等于设定温度时，关闭加热装置和冷却装置。
进一步的，所述气体为CO2，所述液体为丙酮，或者其它气体和液体的组合，气体的临界温度要低于使用温度，气体在液体中的溶解度高。
进一步的，所述第一腔体的温度高于气体的临界温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，在活塞蓄能器一侧充入气体溶质和液体溶剂，如果充入气体的临界温度低于使用温度，气体被加压不液化，但可以溶解到液体中。气体承受压力时，其体积减小量包括两部分，其一为气体压缩减小的体积，其二为气体溶解到液体溶剂中的体积，且后者远大于前者。压到一定压力值气体全部溶解在液体里。在满足要求的储能容积和压力的条件下，使缸筒可以容纳更多的液压油用于蓄能，在满足要求的储能容积和压力的条件下，提高了蓄能器的储能密度，减小了蓄能器的容积，节省了占用空间，减少了蓄能器的成本，尤其对于节约移动液压设备有限的工作空间具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1中的一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器的结构示意图；
图1中：1、热交换器；2、缸筒；3、翅片式冷却器；4、冷却风扇；5、活塞；6、第一腔体；7、第二腔体；A、液压油口；B、充气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。
实施例1
如图1所示，一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，包括活塞5、缸筒2、温控装置。活塞5装在缸筒2内将缸筒分为第一腔体6和第二腔体7，第一腔体6用于容纳液体和气体，该气体可以溶于该液体，第二腔体7用于容纳液压油。第一腔体6一端的缸桶壁上具有充气孔B，第二腔体7一端的缸桶壁上具有液压油口A，液压油口A用于连接第二腔体7与缸筒外部的液压系统。温控装置安装在缸筒外围，用于调控缸筒内气体的温度，使缸筒内气体温度处于该气体临界温度以上1～4℃。
使用前，先从充气孔B灌入液体，然后再充入气体，达到要求的初压。储能时，缸筒2外部的液压油通过液压油口进入第二腔体7，液压油对活塞5的作用力大于第一腔体6内的气体对活塞5的作用力时，活塞5压缩第一腔体6中的气体，使气体溶于液体；能量释放时，外部油路压力降低，第一腔体6中的气体对活塞5的作用力大于液压油对活塞5的作用力，活塞5压缩液压油，第二腔体7中的液压油从液压油口A排出，供给外部液压系统使用，同时气体从液体中析出。
恒温装置可以为单独为热交换器1，当缸筒2内气体温度高于设定温度时，向热交换器通入冷水对缸筒2内的气体进行散热；当缸筒2内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒2内的气体进行加热；当缸筒2内气体温度等于设定温度时，关闭热交换器。
此外，恒温装置也可以由加热装置和冷却装置组成，比如，加热装置为热交换器1，冷却装置包括翅片式冷却器3和冷却风扇4，当缸筒2内气体温度高于设定温度时，开启冷却风扇4对缸筒2内的气体进行散热，翅片式冷却器3可增加冷却风扇4的散热效果；当缸筒2内气体温度低于设定温度时，向热交换器1通入热水对缸筒2内的气体进行加热；当缸筒2内气体温度等于设定温度时，则关闭加热装置和冷却装置。
液能存储过程如下：
外部过来的液压油通过液压油口A进入第二腔体7，液压油对活塞5的作用力大于第一腔体气体对活塞5的作用力时，活塞5压缩气体，气体压力升高，部分气体溶解在液体中。
当温度一定时，气体在液体中的溶解度随着气体压力的增大而增大。这是因为当压力增大时，液面上的气体的浓度增大，因此，进入液面的气体分子比从液面逸出的分子多，从而使气体的溶解度变大。依据亨利定律：气体在液体中的溶解度与液面上的气体压力成正比。
如果继续充液压油，第一腔体6的气体能全部溶解在液体中，第二腔体的容积就是能储存液压油的最大体积。
液能释放过程如下：
当外部油路压力降低时，第一腔体6中的气体对活塞5的作用力大于液压油对活塞5的作用力，活塞5压迫液压油，第二腔体7腔中的液压油从液压油口A排出，供给外部液压系统使用。随着第一腔体6中的气体压力降低，溶解在液体中气体析出，维持第一腔体6中的气体压力。当第一腔体内的气体压力达到设定的最低压力时，从液压油口A排出的油液体积就是最大可用油液体积。
液能存储和液能释放过程中，第一腔体6中的气体加压则溶解在液体中，减压则从液体中析出。气体的性质表明，气体的温度越高，气体的溶解度越小。所以，第一腔体6中气体的温度最好稍高于气体的临界温度，不要在加压时液化，且气体温度变化不大，这种工况下气体的溶解度最大，同样的存储体积，储存的液压能最大。
实施例2
本实施例中，作为溶质的气体选用二氧化碳(CO2)，其临界温度为31.2℃左右，临界压力为7.38MPa，作为溶剂的液体为丙酮。
35℃时，一个大气压下CO2在1L丙酮中的溶解量5.5L；
14MPa下CO2在1L丙酮中的溶解量5.5*140L＝770L；
18MPa下CO2在1L丙酮中的溶解量5.5*180L＝990L；
两种压力下溶解量的差：990L-770L＝220L，相当于14MPa下的220/140＝1.57L；
如果从压力从14MPa升高到18MPa要存30L的油液，需要30/1.57＝19.1L丙酮；
则需要气体腔的容积为30L+19.1L＝49.1L；
选取活塞直径D＝200mm，则气体腔的长度为4*49.1/(3.14*22)＝15.63dm＝1563mm。
经计算蓄能器总积体为83L。
从上述计算看出，本实施例的气液溶解液压蓄能器的体积只有现在活塞式蓄能器的83/281＝29.5％。大大减小了蓄能器体积，也减少了蓄能器的成本，特别对节约移动液压设备有限的工作空间意义重大。
只要是气体溶解于液体的方案，不管选用的是单一气体还是混合气体，单一液体还是混合液体，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，其特征在于，包括活塞、缸筒、温控装置，活塞装在缸筒内将缸筒分为第一腔体和第二腔体，第一腔体用于容纳液体和气体，该气体可以溶于该液体，第二腔体用于容纳液压油，第一腔体一端的缸筒 壁上具有充气孔，第二腔体一端的缸筒 壁上具有液压油口，液压油口用于连接第二腔体与缸筒外部的液压系统，温控装置安装在缸筒外围，用于调控缸筒内气体的温度，使缸筒内气体温度处于该气体临界温度以上；
储能时，缸筒外部的液压油通过液压油口进入第二腔体，液压油对活塞的作用力大于第一腔体内的气体对活塞的作用力时，活塞压缩第一腔体中的气体，使气体溶于液体；
能量释放时，外部油路压力降低，第一腔体中的气体对活塞的作用力大于液压油对活塞的作用力，活塞压缩液压油，第二腔体中的液压油从液压油口排出，供给外部液压系统使用；
所述温控装置为恒温装置，所述恒温装置用于使缸筒内气体温度保持在设定温度，该设定温度高于气体临界温度1～4℃。
2.根据权利要求1所述的一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，其特征在于，所述恒温装置为热交换器，当缸筒内气体温度高于设定温度时，向热交换器通入冷水对缸筒内的气体进行散热；当缸筒内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒内的气体进行加热；当缸筒内气体温度等于设定温度时，关闭热交换器。
3.根据权利要求1所述的一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，其特征在于，所述恒温装置包括加热装置和冷却装置，加热装置为热交换器，冷却装置包括翅片式冷却器和冷却风扇，当缸筒内气体温度高于设定温度时，开启冷却风扇吹翅片式冷却器对缸筒内的气体进行散热；当缸筒内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒内的气体进行加热；当缸筒内气体温度等于设定温度时，关闭加热装置和冷却装置。
4.根据权利要求1所述的一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，其特征在于，所述气体为CO2，所述液体为丙酮，或者其它气体和液体的组合，气体的临界温度要低于使用温度，气体在液体中的溶解度高。
5.根据权利要求1所述的一种气液溶解高能量存储密度液压蓄能器，其特征在于，所述第一腔体的温度高于气体的临界温度。
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