CN112746866B - 带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于利用高压气体或低品位热源输出电能技术领域，公开了带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，包括第一电磁阀、第二电磁阀、膨胀机本体、配重小车、直线发电机、液压柱塞缸、单向阀、第三电磁阀、蓄能器、油缸、先导式溢流阀和手动泵，第一电磁阀的A端为气体入口，第二电磁阀的P端为气体出口，直线发电机设有定子，定子沿着直线发电机的轨道滑移切割直线发电机产生的磁感线，单向阀的输入端与第三电磁阀的P端、蓄能器和先导式溢流阀同时管接，先导式溢流阀的下侧与油缸管接，手动泵并联在先导式溢流阀的两端；本发明解决了现有技术膨胀机适应工况范围小的问题，适用于高压气体或低品位热源输出电能。

Description

带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置

技术领域

本发明涉及利用高压气体或低品位热源输出电能技术领域，具体为带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置。

背景技术

能源是一切社会生存与发展的基础，而目前全球能源出现紧缺现象，提高系统效率和减少碳排放成为世界需求，低品位热能回收因此具有十分重要意义。对整体能源消耗结构的统计发现，有50％以上的能源转化成为不同类型余热余压而损失。对于中低品位能源的回收利用，若使用水作为循环工质，会导致蒸发器出口处蒸汽初参数低，使得工质在膨胀机中做功能力减弱。为避免这一情况的发生，选用沸点较低的工质作为朗肯循环工质的朗肯循环系统来吸收中低温余能，提高朗肯循环系统做功效率的有机朗肯循环(OrganicRankine cycle，ORC)，能够对一些低温气体余压能的利用。基于ORC理论(有机朗肯循环)的对于低品位能源的利用与收集装置，其主要的应用场景有地热能发电、太阳能发电、生物质能燃烧发电、工业废弃能源回收发电以及温差压差发电。对于这些领域的研究中，膨胀机是作为其中最重要的动力部件，是将其他形式能源转化为电能的关键部分。

膨胀机根据其结构形式的不同主要分为流式透平和轴流式透平膨胀机，这两种也统称为速度型膨胀机；相对的还有涡旋膨胀机、螺杆膨胀机、滑片膨胀机等容积式膨胀机；对于速度型的膨胀机来说，透平式的膨胀机功率较小时，系统只有通过增大转子的转速以维持系统的稳定，当转速过大时，油膜轴承也会由于其过于恶劣的工作环境而失效，其无法实际运用于功率较小的ORC系统；同时透平式的膨胀机由于其转子的适用条件无法运用于两相流甚至多相流的热能回收，因此，透平式普遍适用于大流量、高焓降，热源温度大于150℃的工况。除此之外，无论是轴流式或是径流式透平机都由于转子以及转动部件的制造工艺过于复杂而导致整个系统的成本高昂；涡旋膨胀机是由涡旋式压缩机演变而来，但涡旋式膨胀机会有内部泄露，吸气压力下降和机械损失等而导致效率下降；螺杆式膨胀机与涡旋式膨胀机有诸多相似之处，相比于活塞式膨胀机存在较大的容积损失。尤其是对于工况多变，多场合变工况等作业，现有的膨胀机甚至无法适用，阻碍了将中低品位能源的利用与收集推广运用。

发明内容

本发明意在提供带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，以解决现有技术膨胀机适应工况范围小的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的基础技术方案是：带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，包括第一电磁阀、第二电磁阀、膨胀机本体、配重小车、直线发电机、液压柱塞缸、单向阀、第三电磁阀、蓄能器和油缸，所述第一电磁阀的A端为气体入口，所述第二电磁阀的P端为气体出口，所述第一电磁阀的P端、所述第二电磁阀的A端和所述膨胀机本体三者同时管接，所述膨胀机本体设有活塞，所述活塞与所述配重小车的一端连接，所述配重小车的另一端与所述液压柱塞缸连接，所述直线发电机设有定子，所述定子沿着所述直线发电机的轨道滑移，所述液压柱塞缸与所述定子连接，所述直线发电机设于所述配重小车与所述液压柱塞缸之间，所述液压柱塞缸的自由端与所述单向阀连接，所述第三电磁阀的A端与所述单向阀的输入端连接，所述第三电磁阀的P端与所述单向阀的输出端连接，所述单向阀的输出端还与所述蓄能器和所述油缸同时管接。

基础技术方案的原理：初始状态下，液压柱塞缸的柱塞与膨胀机本体的活塞均处于系统上止点位置，且系统内无多余气体。进气阶段：第一电磁阀开启、第二电磁阀和第三电磁阀均关闭，高温高压气体从气体入口进入膨胀机本体，高温高压气体推动活塞向远离膨胀机本体的一侧运动，当膨胀机中活塞运动到一定位置后第一电磁阀关闭，高温高压气体在膨胀机本体内自由膨胀，自由膨胀的气体持续的将活塞向远离膨胀机本体一侧推出，活塞推动配重小车向远离膨胀机本体一侧运动，配重小车推动液压柱塞缸的柱塞向靠近液压柱塞缸缸底一侧运动，在此过程中，定子沿着直线发电机的轨道滑移，切割直线发电机产生的磁感线发电，同时将液压柱塞缸内的液体油挤出，液压油经由单向阀流向蓄能器中，在这个过程中，配重小车在起始进气阶段充当缓冲以及蓄能的作用，当膨胀机本体中的气体压力小于液压柱塞缸中的压力时，配重小车释放其第一阶段储藏的动能继续带动活塞向远离膨胀机本体一侧运动，同时使得膨胀机中的气体焓降加大，部分的液压力经由液压柱塞式液压缸将液压力传导至液压蓄能器中进行储能；出气阶段：第一电磁阀关闭、第二电磁阀和第三电磁阀均开启，蓄能器中储存的液压能反向推动液压柱塞缸的柱塞向远离液压柱塞缸缸底一侧运动，此时定子沿着直线发电机的轨道反向滑移，再次切割直线发电机产生的磁感线发电，同时推动配重小车向靠近膨胀机本体一侧运动，活塞向靠近膨胀机本体一侧运动，将膨胀机本体内的气体从出气口排出，当膨胀机本体内的气体完全排出后，再次重复上述进气阶段和出气阶段，以此往复为一个周期循环，实现持续的发电。

基础技术方案的有益效果是：通过改变活塞的行程自由调节所需膨胀比以适用不同的工况，解决了现有技术膨胀机适应工况范围小的问题；另外本发明提供的带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，用于一些低品位余热通过换热把低沸点工质变成带压蒸汽(有机朗肯循环ORC)，或者直接利用余压气体通过自由活塞膨胀机直接驱动直线电机输出液压能的新型能源回收装置，其膨胀机是一个气-电-液相耦合的非线性系统，相比较于现有的膨胀机，其与液压弹簧相仿的结构特性可以将膨胀机本体中的活塞推动至上缸筒的顶部(上止点)附近并最大程度的排出膨胀后的气体，在返程过程中蓄能器释放能量推动小车及活塞并同时使得直线发电机做功发电，该方式大大的减少了由于膨胀过程中残余气体未完全排出而造成的余隙容积损失；装个装置体积流量小，其能量密度大、无曲轴、结构简单、可变止点位置、无侧向力，经济性好，维修方便；同时通过膨胀机将机械能传递给直线发电机输出电能，两者直接耦合可以达到的集成系统指示效率最高可以达到70％以上，转换效率高，节约资源。

优选地，所述蓄能器连接有先导式溢流阀，所述先导式溢流阀设于所述蓄能器与所述油缸之间，所述先导式溢流阀的两端还并联有手动泵。

通过上述设置，通过调节先导式溢流阀的初始压力，同时使用手动泵对液压回路进行加压，使得蓄能器具有一定初始压力，调节方便、高效，根据具体工况调节蓄能器的初始压力，进一步提高了装置的适用范围。

优选地，所述配重小车与所述活塞和所述液压柱塞缸均为可拆卸连接。

通过上述设置，在实际工作情况中，根据传感器采集到的温度、压力及位移等数据，实时的改变配重小车的质量以实现对于整个系统的效率优化：其一改善整个系统的脉动性使得系统运行更加平稳；其二改变配重小车的质量即可实现对系统运动部分的改变，运行参数的反馈调整系统有利于膨胀机获得更大的行程和焓降，进一步提高了整个系统的能量转换效率。

优选地，所述直线发电机通过同步装置并联有多个直线发电机。

通过上述设置，整个系统往复一个周期循环，多个发电装置发电，发电量高。

优选地，所述第一电磁阀、所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均为直动式二位二通高速电磁阀。

通过上述设置，直动式电磁阀通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。在真空、负压、零压时均能正常工作，响应时间短，适用范围广。

附图说明

图1为本发明带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置的原理示意图；

附图中的对应标记的名称为：

气体入口1、第一电磁阀2、第二电磁阀3、气体出口4、膨胀机本体5、活塞6、配重小车7、直线发电机8、定子9、液压柱塞缸10、单向阀11、第三电磁阀12、蓄能器13、油缸14、先导式溢流阀15、手动泵16。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，包括第一电磁阀2、第二电磁阀3、膨胀机本体5、配重小车7、直线发电机8、液压柱塞缸10、单向阀11、第三电磁阀12、蓄能器13、油缸14、先导式溢流阀15和手动泵16，第一电磁阀2、第二电磁阀3和第三电磁阀12均为直动式二位二通高速电磁阀，第一电磁阀2的A端为气体入口1，第二电磁阀3的P端为气体出口4，第一电磁阀2的P端、第二电磁阀3的A端和膨胀机本体5的左侧三者同时管接，膨胀机本体5的右侧设有活塞6，活塞6与配重小车7的左侧套接，配重小车7的右侧与液压柱塞缸10的柱塞套接，直线发电机8设有定子9，定子9沿着直线发电机8的轨道滑移，液压柱塞缸10与定子9套接，直线发电机8设于配重小车7与液压柱塞缸10之间，液压柱塞缸10的右侧与单向阀11管接，第三电磁阀12的A端与单向阀11的输入端连接，第三电磁阀12的P端与单向阀11的输出端连接，单向阀11的输出端还与蓄能器13和先导式溢流阀15同时管接，先导式溢流阀15的下侧与油缸14管接，手动泵16并联在先导式溢流阀15的两端。

具体实施过程如下：

在使用本装置前，根据实际工况选择配重小车7的配重，使得膨胀机获得更大的行程和焓降，以保证系统运行的平稳性和提高整个系统的能量转换效率；关闭第三电磁阀12，然后调节先导式溢流阀15的初始压力，根据实际需要通过手动泵16对液压回路进行加压，调节完成后打开第三电磁阀12，液压力推动液压柱塞缸10的柱塞和膨胀机本体5的活塞6均在系统的止点位置，确保系统已经完全排出剩余气体；准备工作完成之后，启动装置，开始进入进气阶段：高温高压气体从气体入口1进入装置，此时第一电磁阀2开启、第二电磁阀3和第三电磁阀12均关闭，高温高压气体推动活塞6向右运动，当活塞6运动到一段位置后第一电磁阀2关闭，气体在膨胀机本体5中自由膨胀，自由膨胀的气体持续的将活塞6向右侧推出，活塞6推动配重小车7向右侧运动，配重小车7推动液压柱塞缸10的柱塞向右侧运动，在此过程中，定子9沿着直线发电机8的轨道向右滑移，切割直线发电机8产生的磁感线发电，柱塞向右侧运动将液压柱塞缸10内的液体油挤出，液压油经由单向阀11流向蓄能器13，在这个过程中，配重小车7在起始进气阶段充当缓冲以及蓄能的作用，当膨胀机本体5中的气体压力小于液压柱塞缸10中的压力时，配重小车7释放其第一阶段储藏的动能继续带动活塞6向右侧运动，使得膨胀机本体5中的气体焓降加大，部分的液压力经由液压柱塞缸10将液压力传导至液压蓄能器13中进行储能，进气阶段完成；关闭第一电磁阀2、开启第二电磁阀3和第三电磁阀12，开始进入出气阶段：蓄能器13中储存的液压能反向推动液压柱塞缸10的柱塞向左侧运动，此时定子9沿着直线发电机8的轨道向左滑移，再次切割直线发电机8产生的磁感线发电，同时推动配重小车7向左侧运动，活塞6向左侧运动，将膨胀机本体5内的气体从出气口排出，直至气体完全排除，出气阶段完成；再次重复上述进气阶段和出气阶段，以此往复为一个周期循环，定子9沿着直线发电机8的轨道往复滑移切割直线发电机8产生的磁感线实现持续的发电。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，其特征在于：包括第一电磁阀(2)、第二电磁阀(3)、膨胀机本体(5)、配重小车(7)、直线发电机(8)、液压柱塞缸(10)、单向阀(11)、第三电磁阀(12)、蓄能器(13)和油缸(14)，所述第一电磁阀(2)的A端为气体入口(1)，所述第二电磁阀(3)的P端为气体出口(4)，所述第一电磁阀(2)的P端、所述第二电磁阀(3)的A端和所述膨胀机本体(5)三者同时管接，所述膨胀机本体(5)设有活塞(6)，所述活塞(6)与所述配重小车(7)的一端连接，所述配重小车(7)的另一端与所述液压柱塞缸(10)连接，所述直线发电机(8)设有定子(9)，所述定子(9)沿着所述直线发电机(8)的轨道滑移，所述液压柱塞缸(10)与所述定子(9)连接，所述直线发电机(8)设于所述配重小车(7)与所述液压柱塞缸(10)之间，所述液压柱塞缸(10)的自由端与所述单向阀(11)连接，所述第三电磁阀(12)的A端与所述单向阀(11)的输入端连接，所述第三电磁阀(12)的P端与所述单向阀(11)的输出端连接，所述单向阀(11)的输出端还与所述蓄能器(13)和所述油缸(14)同时管接。

2.根据权利要求1所述的带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，其特征在于：所述蓄能器(13)连接有先导式溢流阀(15)，所述先导式溢流阀(15)设于所述蓄能器(13)与所述油缸(14)之间，所述先导式溢流阀(15)的两端并联有手动泵(16)。

3.根据权利要求2所述的带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，其特征在于：所述配重小车(7)与所述活塞(6)和所述液压柱塞缸(10)均为可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，其特征在于：所述直线发电机(8)通过同步装置并联有多个直线发电机(8)。

5.根据权利要求4所述的带配重系统的液压自由活塞膨胀机直线发电装置，其特征在于：所述第一电磁阀(2)、所述第二电磁阀(3)和所述第三电磁阀(12)均为直动式二位二通高速电磁阀。

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