CN111779651A - 一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置及方法，属于工业蒸汽压缩技术领域，包括：进汽管线，用于输入低压低温蒸汽；排汽管线，用于输出高压高温蒸汽；一对活塞式压缩缸，其分别纵向设置，均包括缸体、活塞、以及往复组件，缸体内位于活塞上方的空间为蒸汽缸，蒸汽缸通过第一阀门连接进汽管线，并通过第二阀门连接排汽管线；活塞向下运行时，开启第一阀门以输入低压低温蒸汽，活塞运行到最低点时，关闭第一阀门，活塞向上运行到最高点时，开启第二阀门以输出高压高温蒸汽；两个蒸汽缸交替进行进汽和排汽。本发明的有益效果：实现蒸汽压缩的连续工作模式，实现了利用空气能压缩蒸汽的连续运行，不需要额外的电力输入，系统结构简单。

Description

一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置及方法
技术领域
本发明涉及工业蒸汽压缩技术领域，具体涉及一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置及方法。
背景技术
蒸汽压缩机是通过压缩作用对热回收系统产生的蒸汽进行处理，从而提高蒸汽温度和压力的关键设备，作用是将低压、低温的蒸汽加压升温，以达到工艺或者工程所需的温度和压力要求。
空气能蒸汽压缩机是一种利用空气与低压蒸汽间的压力差，回收空气压力能对蒸汽进行压缩，实现对低压低温蒸汽进行升温升压的装置，由于无需额外电力输入，具备很好的经济效益。
然而，受限空气能蒸汽压缩机的工作模式限制，依靠控制阀门启停导致蒸汽压缩过程的非连续性，本质是一种周期性工作状态。这就使得空气能蒸汽压缩机不适合应用于生产连续性要求高的场合，因此，开发出一种可连续压缩的蒸汽压缩装置是目前亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可连续工作的利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置及方法。
本发明提供的一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置，所述装置包括：
进汽管线，用于输入低压低温蒸汽；
排汽管线，用于输出高压高温蒸汽；
一对活塞式压缩缸，均纵向设置，每个所述活塞式压缩缸均包括缸体、活塞、以及用于控制所述活塞进行纵向往复运行的往复组件，所述缸体内位于所述活塞上方的空间为蒸汽缸，所述蒸汽缸通过第一阀门a连接所述进汽管线，并通过第二阀门b连接所述排汽管线；
所述活塞向下运行时，开启所述第一阀门a以输入低压低温蒸汽，所述活塞运行到最低点时，关闭所述第一阀门a，所述活塞向上运行到最高点时，开启所述第二阀门b以输出高压高温蒸汽；
至少两个所述蒸汽缸交替进行进汽和排汽。
优选的，所述缸体底部设有固定隔板，所述缸体内位于所述活塞和所述固定隔板之间的空间为空气缸。
优选的，所述往复组件包括设置在所述蒸汽缸内的配重液体、以及设置在所述空气缸内且连接所述活塞和所述固定隔板的储能装置。
优选的，所述蒸汽缸顶部还设有散热器；
所述活塞上还贯穿设有液体通道，所述液体通道还通过第三阀门c连接排液管线；
所述活塞运动到最低点时，开启所述第三阀门c以排出至少部分所述配重液体，排液结束后关闭所述第三阀门c，所述活塞开始向上运行。
优选的，所述往复组件包括连接所述活塞的推拉装置、以及设置在所述空气缸内且连接所述活塞和所述固定隔板的储能装置。
优选的，所述储能装置的类型包括弹簧和减震器。
优选的，低压低温蒸汽的压力值范围为1.2kPa～50kPa。
一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的方法，基于上述利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置；所述方法包括：
膨胀进程，初始时，关闭所述第一阀门a和所述第二阀门b，所述活塞位于最高点，所述往复组件对所述活塞施向下拉力，所述活塞向下运行，向下运行时，开启所述第一阀门a，所述蒸汽缸呈膨胀状态并通过所述进汽管线输入低压低温蒸汽，运行到最低点时，关闭所述第一阀门a；
压缩进程，所述往复组件对所述活塞施加向上推力，所述活塞向上运行，向上运行时，所述蒸汽缸呈压缩状态并压缩低压低温蒸汽得到高压高温蒸汽，运行到最高点时，开启所述第二阀门b，通过所述出汽管线输出高压高温蒸汽；
每个所述活塞式压缩缸均通过所述膨胀进程和所述压缩进程对低压低温蒸汽进行压缩得到高压高温蒸汽，且两个所述活塞式压缩缸交替进行所述膨胀进程和所述压缩进程。
优选的，所述往复组件包括配重液体时，在所述膨胀进程中，所述活塞运行到最低点时，开启述第三阀门c，通过所述排液管线排出至少部分所述配重液体，排液结束后关闭所述第三阀门c，此时所述膨胀进程结束；
在所述压缩进程中，通过散热器对高压高温蒸汽进行冷凝得到冷凝水，所述冷凝水滴落至所述配重液体中。
优选的，所述往复组件包括所述推拉装置时，在所述膨胀进程中，通过所述推拉装置对所述活塞施加向下拉力；
在所述压缩进程中，通过所述推拉装置对所述活塞施加向上推力。
本发明的有益效果在于：
1.突破现有空气能蒸汽压缩装置周期运行的缺陷，利用双活塞式压缩缸的交替运行状态，配合阀门控制的交替控制，从而使两个双活塞式压缩缸交替进行膨胀进程和压缩进程，实现蒸汽压缩的连续工作模式，实现了利用空气能压缩蒸汽的连续运行。
2.借助环境中空气压力对低压低温蒸汽压缩做功，不需要额外的电力输入，系统结构简单。
附图说明
图1为本发明优选的实施例中，利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置的结构示意图。
图中标号：
1-进汽管线；2-第一压缩缸；21-活塞；22-固定隔板；23-蒸汽缸；24-空气缸；25-液体缸；26-储能装置；27-散热器；28-液体通道；3-第二压缩缸；4-出汽管线；5-排液管线；a-第一阀门；b-第二阀门；c-第三阀门。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置，参照图1所示，包括进汽管线1、排汽管线4、以及一对活塞式压缩缸6，活塞式压缩缸6包括第一压缩缸2和第二压缩缸3。进汽管线1用于向两个活塞式压缩缸6中输入低压低温蒸汽，排气管线4用于接收两个活塞式压缩缸6中输出的高压高温蒸汽。两个活塞式压缩缸6分别纵向设置，每个活塞式压缩缸6均包括缸体7、设置在缸体7内部的活塞21、以及用于控制活塞21进行纵向往复运行的往复组件。缸体7内位于活塞21上方的空间为蒸汽缸23，蒸汽缸23通过第一阀门a连接进汽管线1，并通过第二阀门b连接排汽管线4。
对于每个活塞式压缩缸6，往复组件向下拉动活塞21向下运行时，蒸汽缸23呈膨胀状态，开启第一阀门a，蒸汽缸23通过进汽管线1进汽，此时向蒸汽缸23内输入的为低压低温蒸汽，活塞21运行到最低点时，关闭第一阀门a。然后，往复组件向上推动活塞21向上运行，此时向蒸汽缸23内输入的为低压低温蒸汽，在活塞21运行到最高点(运行到最高点时即回到活塞21在初始时的位置)时，开启第二阀门b，蒸汽缸23通过进出管线4进汽，此时蒸汽缸23向外输出的为高压高温蒸汽。
第一压缩缸2和第二压缩缸3的蒸汽缸23交替进行进汽和排汽，一个蒸汽缸23内输入低压低温蒸汽时，另一个蒸汽缸23进行蒸汽压缩得到高压高温蒸汽并向外输出高压高温蒸汽，从而不间断进行蒸汽压缩，实现连续工作。
综上，突破现有空气能蒸汽压缩装置周期运行的缺陷，利用双活塞式压缩缸的交替运行状态，配合阀门控制的交替控制，从而使两个双活塞式压缩缸交替进行膨胀进程和压缩进程，实现蒸汽压缩的连续工作模式，实现了利用空气能压缩蒸汽的连续运行。
借助环境中空气压力对低压低温蒸汽压缩做功，不需要额外的电力输入，系统结构简单。
较佳的实施例中，缸体7底部设有固定隔板22，缸体7内位于活塞21和固定隔板22之间的空间为空气缸24。即活塞21上下两侧分别为蒸汽缸23和空气缸24。
较佳的实施例中，往复组件包括设置在蒸汽缸23内的配重液体、以及设置在空气缸24内且连接活塞21和固定隔板22的储能装置26。其中，配重液体优选凝结水，储能装置26优选弹簧和减震器。蒸汽缸23底部为液体缸25，配重液体位于液体缸25中。
进一步的，蒸汽缸23顶部还设有散热器27。活塞21上还贯穿设有液体通道28，液体通道28还通过第三阀门c连接排液管线5。活塞21运动到最低点时，开启第三阀门c以排出至少部分配重液体，排液结束后关闭第三阀门c，活塞21开始向上运行。
在本实施例中，初始状态下，在蒸汽缸23内注入一定量的凝结水以配重液体选择凝结水为例进行说明，由于此时活塞21位于最高位，此时弹簧以储能装置26选择弹簧为例进行说明出于拉伸状态。两个活塞式压缩缸6的第一阀门a、第二阀门b、以及第三阀门c均关闭。活塞21的重量为G1，活塞21的横截面积为A1，液体缸25中初始凝结水重量为G2，环境中大气压力为P1，蒸汽缸23中初始压力为P2，储能装置26被拉伸时的恢复力为F缩。
在蒸汽缸23内外的压力差、冷凝水的重量、活塞的重量、以及弹簧的向下拉力的综合作用下：(P1-P2)·A2<G2+G1+F缩，活塞21开始向下运行，将活塞21下行时定义为膨胀进程或者进程，在活塞21下行中开启第一阀门a，蒸汽缸23从进汽管线1中吸入低压低温蒸汽，在活塞下行到最低点时，打开连接活塞21上液体通道28的排液管线5上的第三阀门c，至少部分排出冷凝水，然后关闭第三阀门c，排出冷凝水后，蒸汽缸23进汽结束，关闭第一阀门a。此时，蒸汽缸23中剩余凝结水的重量减轻为G2min，蒸汽缸23中剩余压力为P2min，储能装置26被压缩时的恢复力为F推。
在蒸汽缸23内外的压力差、冷凝水的重量、活塞的重量、以及弹簧的向下拉力的综合作用下：(P1-P2min)·A2+F推>G2min+G1，活塞21掉头开始向上运行，将活塞21上行定义为压缩进程或者回程，在活塞21上行时对低压低温蒸汽进行压缩得到高压高温蒸汽，在活塞21上行到最高点时：(P1-P2)·A2<G2+G1+F缩，打开第二阀门b，通过出汽管线4排出至少部分蒸汽腔23中的高压高温蒸汽，而剩下的一部分高压高温蒸汽通过和蒸汽缸23顶部的散热器27换热生成凝结水回落液体缸25，这部分回落的凝结水可以补充在膨胀进程中排出的凝结水，使液体缸25中的凝结水在每个压缩进程结束后恢复至膨胀进程时的重量，以保证下一个膨胀进城顺利进行。
两个活塞式压缩缸6均具有上述膨胀进程和上述压缩进程，且均是通过上述膨胀进程和上述压缩进程实现对低压低温蒸汽的压缩得到高压高温蒸汽，但是，两个活塞式压缩缸6交替进行膨胀进程和压缩进程，从而实现不间断的蒸汽压缩。
较佳的实施例中，往复组件包括连接活塞21的推拉装置、以及设置在空气缸24内且连接活塞21和固定隔板22的储能装置26。
在本实施例中，初始状态下，没有向蒸汽缸23中注入初始凝结水，而是通过推拉装置给活塞21施加一向下的拉力从而替代注入初始凝结水产生的重量，在蒸汽缸23内外的压力差、推拉装置向下的拉力、活塞的重量、以及弹簧的向下拉力的综合作用下，活塞21开始向下运行，进入膨胀进程。
同上，在蒸汽缸23内外的压力差、推拉装置向上的推力、活塞的重量、以及弹簧的向上推力的综合作用下，活塞21开始向上运行，进入压缩进程。
较佳的实施例中，散热器27优选水冷型管式冷凝器和风冷型翅片式冷凝器。
较佳的实施例中，第一阀门a、第二阀门b、第二阀门c均为电子控制阀或电磁阀等可自动控制的阀门。
较佳的实施例中，蒸汽缸23从进汽管线1中吸入的蒸汽压力应低于大气压力，优选吸入蒸汽的压力在1.2kPa～50kPa之间。
本发明还公开一种基于上述装置的利用空气能实现蒸汽连续压缩的方法，该方法具体包括：
膨胀进程，初始时，关闭第一阀门a和第二阀门b，活塞21位于最高点，往复组件对活塞21施向下拉力，活塞21向下运行，向下运行时，开启第一阀门a，蒸汽缸23呈膨胀状态并通过进汽管线1输入低压低温蒸汽，运行到最低点时，关闭第一阀门a；
压缩进程，往复组件对活塞21施加向上推力，活塞21向上运行，向上运行时，蒸汽缸23呈压缩状态并压缩低压低温蒸汽得到高压高温蒸汽，运行到最高点时，开启第二阀门b，通过出汽管线4输出高压高温蒸汽；
配置一对活塞式压缩缸6，每个活塞式压缩缸6均通过膨胀进程和压缩进程对低压低温蒸汽进行压缩得到高压高温蒸汽，且两个活塞式压缩缸6交替进行膨胀进程和压缩进程。
本方法突破现有空气能蒸汽压缩装置周期运行的缺陷，利用双活塞式压缩缸的交替运行状态，配合阀门控制的交替控制，从而使两个双活塞式压缩缸交替进行膨胀进程和压缩进程，实现蒸汽压缩的连续工作模式，实现了利用空气能压缩蒸汽的连续运行。
借助环境中空气压力对低压低温蒸汽压缩做功，不需要额外的电力输入，系统结构简单。
较佳的实施例中，往复组件包括配重液体时，在膨胀进程中，活塞21运行到最低点时，开启述第三阀门c，通过排液管线5排出至少部分配重液体，排液结束后关闭第三阀门c，此时膨胀进程结束；
在压缩进程中，通过散热器27对高压高温蒸汽进行冷凝得到冷凝水，冷凝水滴落至配重液体中。
较佳的实施例中，往复组件包括推拉装置时，在膨胀进程中，通过推拉装置对活塞21施加向下拉力；
在压缩进程中国，通过推拉装置对活塞21施加向上推力。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置，其特征在于，所述装置包括：
进汽管线(1)，用于输入低压低温蒸汽；
排汽管线(4)，用于输出高压高温蒸汽；
一对活塞式压缩缸(6)，均纵向设置，每个所述活塞式压缩缸(6)均包括缸体(7)、活塞(21)、以及用于控制所述活塞(21)进行纵向往复运行的往复组件，所述缸体(7)内位于所述活塞(21)上方的空间为蒸汽缸(23)，所述蒸汽缸(23)通过第一阀门(a)连接所述进汽管线(1)，并通过第二阀门(b)连接所述排汽管线(4)；
所述活塞(21)向下运行时，开启所述第一阀门(a)以输入低压低温蒸汽，所述活塞(21)运行到最低点时，关闭所述第一阀门(a)，所述活塞(21)向上运行到最高点时，开启所述第二阀门(b)以输出高压高温蒸汽；
至少两个所述蒸汽缸(23)交替进行进汽和排汽。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缸体(7)底部设有固定隔板(22)，所述缸体(7)内位于所述活塞(21)和所述固定隔板(22)之间的空间为空气缸(24)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述往复组件包括设置在所述蒸汽缸(23)内的配重液体、以及设置在所述空气缸(24)内且连接所述活塞(21)和所述固定隔板(22)的储能装置(26)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述蒸汽缸(23)顶部还设有散热器(27)；
所述活塞(21)上还贯穿设有液体通道(28)，所述液体通道(28)还通过第三阀门(c)连接排液管线(5)；
所述活塞(21)运动到最低点时，开启所述第三阀门(c)以排出至少部分所述配重液体，排液结束后关闭所述第三阀门(c)，所述活塞(21)开始向上运行。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述往复组件包括连接所述活塞(21)的推拉装置、以及设置在所述空气缸(24)内且连接所述活塞(21)和所述固定隔板(22)的储能装置(26)。
6.如权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述储能装置(26)的类型包括弹簧和减震器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，低压低温蒸汽的压力值范围为1.2kPa～50kPa。
8.一种利用空气能实现蒸汽连续压缩的方法，其特征在于，基于上述权利要求1-7中任一项所述的利用空气能实现蒸汽连续压缩的装置；所述方法包括：
膨胀进程，初始时，关闭所述第一阀门(a)和所述第二阀门(b)，所述活塞(21)位于最高点，所述往复组件对所述活塞(21)施向下拉力，所述活塞(21)向下运行，向下运行时，开启所述第一阀门(a)，所述蒸汽缸(23)呈膨胀状态并通过所述进汽管线(1)输入低压低温蒸汽，运行到最低点时，关闭所述第一阀门(a)；
压缩进程，所述往复组件对所述活塞(21)施加向上推力，所述活塞(21)向上运行，向上运行时，所述蒸汽缸(23)呈压缩状态并压缩低压低温蒸汽得到高压高温蒸汽，运行到最高点时，开启所述第二阀门(b)，通过所述出汽管线(4)输出高压高温蒸汽；
每个所述活塞式压缩缸(6)均通过所述膨胀进程和所述压缩进程对低压低温蒸汽进行压缩得到高压高温蒸汽，且两个所述活塞式压缩缸(6)交替进行所述膨胀进程和所述压缩进程。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述往复组件包括配重液体时，在所述膨胀进程中，所述活塞(21)运行到最低点时，开启述第三阀门(c)，通过所述排液管线(5)排出至少部分所述配重液体，排液结束后关闭所述第三阀门(c)，此时所述膨胀进程结束；
在所述压缩进程中，通过散热器(27)对高压高温蒸汽进行冷凝得到冷凝水，所述冷凝水滴落至所述配重液体中。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述往复组件包括所述推拉装置时，在所述膨胀进程中，通过所述推拉装置对所述活塞(21)施加向下拉力；
在所述压缩进程中，通过所述推拉装置对所述活塞(21)施加向上推力。
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