CN111946486B - 一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机 - Google Patents
一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机 Download PDFInfo
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Abstract
一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机,属于中低品位能源利用领域。非等径圆柱型气缸中,安装有主活塞和辅助活塞。主活塞在第一上止点和下第一止点之间做往复运动,中间有排气接出点;辅助活塞为非等径T型结构,其小径部分和气缸底部小径部分配合,在第二上止点和第二下止点之间做往复运动,并且在上述第二上下止点安装有加热器。主活塞与连杆、曲轴联结,把往复运动变换为旋转运动。辅助活塞下端面通过弹簧与气缸底部连接;辅助活塞中心轴上有通孔,通过主活塞和辅助活塞和运动实现工质在气缸内压缩、吸热和膨胀做功,乏气进入冷凝器冷凝并重新循环。
Description
技术领域
本发明涉及一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机,属于中低品位能源利用领域。
背景技术
有机朗肯循环系统在回收利用如工业废热、太阳能等各种中低品位热能方面具有显著优势,现有的研究主要是将系统产生的能量用于发电。在有机朗肯循环系统中,膨胀机是功率输出部件,而工质泵会消耗掉一部分膨胀机轴功,由于有机工质的临界温度远低于水,故和传统的蒸汽动力循环相比,有机朗肯循环的理论泵功要大得多,而实际有机朗肯循环系统中,工质泵消耗的能量比理论泵功更大,因此,有机朗肯循环的泵功不能忽略,在某些情况下还可能对有机朗肯循环造成重要影响。由于工质泵的压力很高,这使工质泵效率太低,尤其是在小规模有机朗肯循环中,工质泵中存在很大的不可逆损失,功耗很大,影响了有机朗肯循环的性能提升。当前文献中无泵有机朗肯循环,要么利用很大的高度差提供循环动力,要么不能连续工作。
发明内容
本发明提出的无泵自压缩有机朗肯循环装置,不需要工质泵,也不需要很大的高度差,就能实现有机朗肯循环的连续稳定工作。
如图1所示的非等径圆柱型气缸(1)中,安装有主活塞(2)和辅助活塞(3);所述的气缸(1)下部分为直径相对较小的圆柱腔,上部为直径相对较大的圆柱腔;主活塞(2)位于直径相对较大的圆柱腔内并且在第一上止点(2a)和第一下止点(2b)之间做往复运动,第一上止点(2a)和第一下止点(2b)之间气缸(1)侧壁某接近第一上止点(2a)有排气接出点(2m);辅助活塞(3)位于直径相对较小的圆柱腔与直径相对较大的圆柱腔的连接处,采用非等径T型结构,其下端小径部分和气缸底部小圆柱腔部分配合,上端大径部分和气缸大圆柱腔部分配合,在第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间做往复运动,并且第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间的气缸外安装有加热器(9),用于加热气缸内工质;主活塞(2)一般与连杆、曲轴等联结,把往复运动变换为旋转运动,实现机械能输出;辅助活塞(3)下端面通过弹簧(4)固定安装在气缸底部;弹簧(4)连接的气缸底部与辅助活塞(3)下端面之间的小径空间为吸入室(A),主活塞(2)下端面和辅助活塞(3)上端面之间的气缸容积为工作容积(B);往复运动时,辅助活塞(3)下端小径部分的侧面与气缸(1)直径相对较大的圆柱腔内侧面之间形成的环状空隙为辅助活塞空隙(C),其通过管道(10)与冷凝器(8)进口连接;辅助活塞(3)上有轴向通孔,连通吸入室(A)和工作容积(B),孔内安装单向阀片(7),使工作介质只能从吸入室(A)单向进入工作容积(B);在工作容积(B)排气接出点(2m)位置通过阀门(5)与冷凝器(8)进口相连;吸入室(A)底部经单向阀片(6)与冷凝器(8)出口相连;该系统内充满有机物作为工作介质。
正常工作状态下,当主活塞(2)位于第一下止点(2b)时,弹簧(4)处于伸长状态,辅助活塞(3)位于第二上止点(3a),吸入室(A)内充满有机工质液体;单向阀片(6)、单向阀片(7)均关闭,主活塞(2)由第一下止点(2b)向第一上止点(2a)运动时,阀门(5)开启,工作容积(B)与冷凝器(8)进口连通,处于较低压力,主活塞(2)运动将工作容积(B)内工作介质排出,并送入冷凝器。同样由于工作容积内压力较低,此时弹簧(4)处于伸长状态,辅助活塞(3)位于第二上止点(3a)附近,工作容积内介质与加热器(9)不接触,但通过气缸壁可能存在少量热量传递;当主活塞(2)向第一上止点(2a)运行至排气接出点(2m)时,阀门(5)关闭,工作容积(B)不再与冷凝器(8)进口连通;主活塞(2)继续向上止点(2a)运动,压缩工作容积(B)内残余气体,并迫使辅助活塞(3)压缩弹簧(4)并向第二下止点(3b)运动;当主活塞(2)运行至第一上止点(2a)时,辅助活塞(3)已离开第二上止点(3a)一定距离,压缩吸入室(A)内液体;由于辅助活塞空隙(C)和冷凝器(8)进口连通,一直处于较低压力,辅助活塞(3)的运动会使吸入室(A)内压力高于工作容积(B),在压差的作用下吸入室(A)内液体会打开单向阀片(7),经辅助活塞(3)轴向通孔进入工作容积(B)。有机工质液体进入工作容积(B)后,会与加热器(9)接触,由于液体换热效果良好,迅速吸热膨胀、气化,推动辅助活塞(3)进一步向第二下止点(3b)运动,在工作容积(B)和吸入室(A)压差的作用下,吸入室(A)内液体继续通过辅助活塞(3)通孔进入工作容积(B)。当辅助活塞(3)运动至第二下止点(3b)时,吸入室(A)的容积几乎为0,其内液体几乎全部进入工作容积(B),此时单向阀片(7)关闭。工作容积(B)内液体继续从加热器(9)吸热、膨胀、气化,其内压力较高,推动主活塞(2)向第一下止点(2b)运动,膨胀做功。在膨胀初始阶段,由于工作容积(B)内压力仍较高,辅助活塞(3)始终处于第二下止点(3b)附近,工作容积(B)内介质继续与吸热器(9)接触并吸热;当主活塞(2)向第一下止点(2b)运行至某一位置时,工作容积内压力随着工作容积的增加也开始降低至冷凝压力附近,辅助活塞(3)在弹簧(4)的作用下也逐渐运动至上止点(3a),此时工作容积(B)内介质停止与加热器的接触,吸热过程停止。在辅助活塞向第二上止点(3a)运动期间,吸入室(A)容积增加,其内压力下降,单向阀片(6)打开,从冷凝器(8)出来的液体工质进入吸入室(A)。当辅助活塞(3)运动至上止点(3a)时,吸入室(A)容积达到最大,其内压力和冷凝器(8)出口压力平衡,单片阀片(6)关闭;当主活塞(2)运动至第一下止点(2b)时,工作容积(B)内压力约为冷凝压力;主活塞(2)开始由第一下止点(2b)向第一上止点(2a)运动,阀门(5)打开,将工作容积内膨胀终了乏气排出气缸(1)送入冷凝器(8)冷凝,开始下一循环;工作过程中,少量介质可能通过主活塞(2)和辅助活塞(3)漏入辅助活塞空隙(C),漏出介质通过管道(10)引入冷凝器,避免工作介质漏出系统。
在本发明中,阀门(5)启闭一般由控制系统控制,其开闭取决于曲轴角度或活塞位置、运动方向。其控制方式可为机械控制,如通过凸轮机构在一定旋转相位将其顶开;或电子控制,如利用传感器检测活塞位置或曲轴角度,发出控制信号实现阀门(5)的启闭。
可选的,系统内工作介质为某种气体或超临界工质,进入冷凝器时不发生相变,仅放出热量。此时离开冷凝器放热后,工质重新进入吸入室(A)。
附图说明
附图1,一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机
气缸(1)、主活塞(2)、辅助活塞(3)、弹簧(4)、阀门(5)、单向阀片(6)、单向阀片(7)、冷凝器(8)、加热器(9)、管道(10)、第一上止点(2a)、第一下止点(2b)、排气接出点(2m)、第二上止点(3a)、第二下止点(3b)、吸入室(A)、工作容积(B)、辅助活塞空隙(C)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发做进一步说明,但本发明并不限于以下实施示例。
实施例1:
如图1所示的非等径圆柱型气缸(1)中,安装有主活塞(2)和辅助活塞(3)。主活塞(2)在第一上止点(2a)和第一下止点(2b)之间做往复运动,中间某接近上止点位置有排气接出点(2m);辅助活塞(3)为非等径T型结构,其小径部分和气缸底部小径部分配合,并且在第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间做往复运动,并且第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间的气缸上安装有加热器(9),用于加热气缸内工质,实现热能转化为机械能。主活塞(2)与连杆、曲轴等联结,把往复运动变换为旋转运动,实现机械能输出。辅助活塞(3)与弹簧(4)相连,安装在气缸底部小径部分。气缸底部安装弹簧(4)的小径空间为吸入室(A),主活塞(2)和辅助活塞(3)之间的气缸容积为工作容积(B),实现工质压缩、加热和膨胀。辅助活塞(3)凹槽与气缸(1)之间为辅助活塞空隙(C),其通过管道(10)引入冷凝器(8)进口。辅助活塞(3)上有通孔,连通吸入室(A)和工作容积(B),孔内安装单向阀片(8),使工作介质只能从吸入室(A)单向进入工作容积(B)。在工作容积(B)排气接出点(2m)位置通过阀门(5)与冷凝器(8)进口相连。吸入室(A)经单向阀片(6)与冷凝器(8)出口相连。该系统内充满有机物作为工作介质。
正常工作状态下,当主活塞(2)位于第一下止点(2b)时,弹簧(4)处于伸长状态,辅助活塞(3)位于第二上止点(3a),吸入室(A)内充满有机工质液体。单向阀片(6)、单向阀片(7)均关闭,主活塞(2)由第一下止点(2b)向第一上止点(2a)运动时,阀门(5)开启,工作容积(B)与冷凝器(8)进口连通,处于较低压力,主活塞(2)运动将工作容积(B)内工作介质排出,并送入冷凝器。同样由于工作容积内压力较低,此时弹簧(4)处于伸长状态,辅助活塞(3)位于第二上止点(3a)附近,工作容积内介质与加热器(9)不接触,但通过气缸壁可能存在少量热量传递。当主活塞(2)向第一上止点(2a)运行至排气接出点(2m)时,阀门(5)关闭,工作容积(B)不再与冷凝器(8)进口连通。主活塞(2)继续向第一上止点(2a)运动,压缩工作容积(B)内残余气体,并迫使辅助活塞(3)压缩弹簧(4)并向第二下止点(3b)运动。当主活塞(2)运行至上止点(2a)时,辅助活塞(3)已离开第二上止点(3a)一定距离,压缩吸入室(A)内液体。由于辅助活塞空隙(C)和冷凝器(8)进口连通,一直处于较低压力,辅助活塞(3)的运动会使吸入室(A)内压力高于工作容积(B),在压差的作用下吸入室(A)内液体会打开单向阀片(7),经辅助活塞(3)通孔进入工作容积(B)。有机工质液体进入工作容积(B)后,会与加热器(9)接触,由于液体换热效果良好,迅速受热膨胀、气化,推动辅助活塞(3)进一步向第二下止点(3b)运动,在工作容积(B)和吸入室(A)压差的作用下,吸入室(A)内液体继续通过辅助活塞(3)通孔进入工作容积(B)。当辅助活塞(3)运动至第二下止点(3b)时,吸入室(A)的容积几乎为0,其内液体几乎全部进入工作容积(B),此时单向阀片(7)关闭。工作容积(B)内液体继续从加热器(9)吸热、膨胀、气化,其内压力较高,推动主活塞(2)向第一下止点(2b)运动,膨胀做功。在膨胀初始阶段,由于工作容积(B)内压力仍较高,辅助活塞(3)始终处于第二下止点(3b)附近,工作容积(B)内介质继续与吸热器(9)接触并吸热。当主活塞(2)向第一下止点(2b)运行至某一位置时,工作容积内压力随着工作容积的增加也开始降低至冷凝压力附近,辅助活塞(3)在弹簧(4)的作用下也逐渐运动至第二上止点(3a),此时工作容积(B)内介质停止与加热器的接触,吸热过程停止。在辅助活塞向第二上止点(3a)运动期间,吸入室(A)容积增加,其内压力下降,单向阀片(6)打开,从冷凝器(8)出来的液体工质进入吸入室(A)。当辅助活塞(3)运动至第二上止点(3a)时,吸入室(A)容积达到最大,其内压力和冷凝器(8)出口压力平衡,单片阀片(6)关闭。当主活塞(2)运动至第一下止点(2b)时,工作容积(B)内压力约为冷凝压力。主活塞(2)开始由下止点(2b)向上止点(2a)运动,阀门(5)打开,将工作容积内膨胀终了乏气排出气缸(1)送入冷凝器(8)冷凝,开始下一循环。工作过程中,少量介质可能通过主活塞(2)和辅助活塞(3)漏入辅助活塞空隙(C),漏出介质通过管道(10)引入冷凝器,避免工作介质漏出系统。
在本发明中,阀(5)启闭一般由专门的控制系统控制,其开闭取决于曲轴角度或活塞位置、运动方向。其控制方式可为机械控制,如通过凸轮机构在一定旋转相位将其顶开;或电子控制,如利用传感器检测活塞位置或曲轴角度,发出控制信号实现阀(5)的启闭。
Claims (4)
1.一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机,其特征在于,在非等径圆柱型气缸(1)中,安装有主活塞(2)和辅助活塞(3);所述的气缸(1)下部分为直径相对较小的圆柱腔,上部为直径相对较大的圆柱腔;主活塞(2)位于直径相对较大的圆柱腔内并且在第一上止点(2a)和第一下止点(2b)之间做往复运动,第一上止点(2a)和第一下止点(2b)之间气缸(1)侧壁某接近第一上止点(2a)有排气接出点(2m);辅助活塞(3)位于直径相对较小的圆柱腔与直径相对较大的圆柱腔的连接处,采用非等径T型结构,其下端小径部分和气缸底部小圆柱腔部分配合,上端大径部分和气缸大圆柱腔部分配合,在第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间做往复运动,并且第二上止点(3a)和第二下止点(3b)之间的气缸外安装有加热器(9),用于加热气缸内工质;主活塞(2)与连杆、曲轴联结,把往复运动变换为旋转运动,实现机械能输出;辅助活塞(3)下端面通过弹簧(4)安装在气缸底部;弹簧(4)连接的气缸底部与辅助活塞(3)下端面之间的小径空间为吸入室(A),主活塞(2)下端面和辅助活塞(3)上端面之间的气缸容积为工作容积(B);往复运动时,辅助活塞(3)下端小径部分的侧面与气缸(1)直径相对较大的圆柱腔内侧面之间形成的环状空隙为辅助活塞空隙(C),其通过管道(10)与冷凝器(8)进口连接;辅助活塞(3)上有轴向通孔,连通吸入室(A)和工作容积(B),孔内安装单向阀片(7),使工作介质只能从吸入室(A)单向进入工作容积(B);在工作容积(B)排气接出点(2m)位置通过阀门(5)与冷凝器(8)进口相连;吸入室(A)底部经单向阀片(6)与冷凝器(8)出口相连;系统内充满有机物作为工作介质。
2.按照权利要求1所述的一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机,其工作方式为:正常工作状态下,当主活塞(2)位于第一下止点(2b)时,弹簧(4)处于伸长状态,辅助活塞(3)位于第二上止点(3a),吸入室(A)内充满有机工质液体;单向阀片(6)、单向阀片(7)均关闭,主活塞(2)由第一下止点(2b)向第一上止点(2a)运动时,阀门(5)开启,工作容积(B)与冷凝器(8)进口连通,处于较低压力,主活塞(2)运动将工作容积(B)内工作介质排出,并送入冷凝器;同样由于工作容积内压力较低,此时弹簧(4)处于伸长状态,辅助活塞(3)位于第二上止点(3a)附近,工作容积内介质与加热器(9)不接触;当主活塞(2)向第一上止点(2a)运行至排气接出点(2m)时,阀门(5)关闭,工作容积(B)不再与冷凝器(8)进口连通;主活塞(2)继续向上止点(2a)运动,压缩工作容积(B)内残余气体,并迫使辅助活塞(3)压缩弹簧(4)并向第二下止点(3b)运动;当主活塞(2)运行至第一上止点(2a)时,辅助活塞(3)已离开第二上止点(3a)一定距离,压缩吸入室(A)内液体;由于辅助活塞空隙(C)和冷凝器(8)进口连通,一直处于较低压力,辅助活塞(3)的运动会使吸入室(A)内压力高于工作容积(B),在压差的作用下吸入室(A)内液体会打开单向阀片(7),经辅助活塞(3)通孔进入工作容积(B);有机工质液体进入工作容积(B)后,会与加热器(9)接触,由于液体换热效果良好,迅速受热膨胀、气化,推动辅助活塞(3)进一步向第二下止点(3b)运动,在工作容积(B)和吸入室(A)压差的作用下,吸入室(A)内液体继续通过辅助活塞(3)轴向通孔进入工作容积(B);当辅助活塞(3)运动至第二下止点(3b)时,吸入室(A)的容积几乎为0,其内液体几乎全部进入工作容积(B),此时单向阀片(7)关闭;工作容积(B)内液体继续从加热器(9)吸热、膨胀、气化,其内压力较高,推动主活塞(2)向第一下止点(2b)运动,膨胀做功;在膨胀初始阶段,由于工作容积(B)内压力仍较高,辅助活塞(3)始终处于第二下止点(3b)附近,工作容积(B)内介质继续与吸热器(9)接触并吸热;当主活塞(2)向第一下止点(2b)运行至某一位置时,工作容积内压力随着工作容积的增加也开始降低至冷凝压力附近,辅助活塞(3)在弹簧(4)的作用下也逐渐运动至上止点(3a),此时工作容积(B)内介质停止与加热器的接触,吸热过程停止;在辅助活塞向第二上止点(3a)运动期间,吸入室(A)容积增加,其内压力下降,单向阀片(6)打开,从冷凝器(8)出来的液体工质进入吸入室(A);当辅助活塞(3)运动至上止点(3a)时,吸入室(A)容积达到最大,其内压力和冷凝器(8)出口压力平衡,单片阀片(6)关闭;当主活塞(2)运动至第一下止点(2b)时,工作容积(B)内压力约为冷凝压力;主活塞(2)开始由第一下止点(2b)向第一上止点(2a)运动,阀门(5)打开,将工作容积内膨胀终了乏气排出气缸(1)送入冷凝器(8)冷凝,开始下一循环;工作过程中,少量介质通过主活塞(2)和辅助活塞(3)漏入辅助活塞空隙(C),漏出介质通过管道(10)引入冷凝器,避免工作介质漏出系统。
3.按照权利要求1或2所述的一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机,其特征在于,阀门(5)启闭由控制系统控制,其开闭取决于曲轴角度或活塞位置、运动方向;其控制方式为机械控制或电子控制。
4.按照权利要求1或2所述的一种无泵自压缩有机朗肯循环发动机,其特征在于,系统内工作介质进入冷凝器放热后,工作介质重新进入吸入室(A)。
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