專利名稱：潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬有機朗肯循環(huán)熱能利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置。
背景技術(shù)：
隨著世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源消耗量急劇增加，節(jié)能已成為各國普遍關(guān)注的焦點。 由于石油具有不可再生的特性，因此節(jié)約能源，減少能源消耗，成為各國爭相研究的課題。由于傳統(tǒng)有機朗肯循環(huán)中工質(zhì)的汽化潛熱沒有被有效利用，工質(zhì)的汽化潛熱完全被浪費了。因此，采用低溫?zé)崾饺細(xì)庑吞烊粴鈮嚎s機，可以將工質(zhì)吸收的大部分熱量利用并且能利用工質(zhì)的汽化潛熱，提高有機朗肯循環(huán)的熱效率，同時降低燃料消耗和CO2排放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置，該裝置以有機朗肯循環(huán)為依據(jù)，充分利用工質(zhì)吸收的熱量和工質(zhì)的汽化潛熱，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，壓縮低壓天然氣，形成所需的高壓天然氣，實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。本發(fā)明由低壓天然氣管路進(jìn)氣口 1、低壓天然氣管路2、高壓天然氣管路出氣口 3、 高壓天然氣管路4、出氣恒壓閥I 5、進(jìn)氣單向閥I 6、缸蓋組件I 7、壓縮缸I 8、壓縮活塞 I 9、活塞位置傳感器I 10、環(huán)形連接體I 11、密封墊I 12、彈性限位器I 13、工作缸14、動力活塞15、連桿16、彈性限位器II 17、密封墊II 18、環(huán)形連接體II 19、活塞位置傳感器 1120、壓縮活塞II 21、壓縮缸II 22、缸蓋組件II 23、進(jìn)氣單向閥II 24、出氣恒壓閥II 25、溢流平衡罐沈、回流閥27、工質(zhì)儲存罐觀、工質(zhì)泵I 29、電磁閥I 30、工質(zhì)收集槽I 31、 工質(zhì)泵II 32、電磁閥II 33、電磁閥II134、冷凝器35、限壓閥36、電磁閥IV37、電磁閥V38、 電磁閥VI39、工質(zhì)泵11140、工質(zhì)收集槽II 41、定壓汽液分離器I 42、工質(zhì)混合器I 43、比例閥I 44、電磁閥VII45、電磁閥VIII46、比例閥1147、工質(zhì)混合器1148、定壓汽液分離器 1149、單向閥50、加熱鍋爐51、控制單元52組成，其特征在于低壓天然氣管路2上設(shè)有低壓天然氣管路進(jìn)氣口 1，低壓天然氣管路2的兩端分別與進(jìn)氣單向閥I 6和進(jìn)氣單向閥IIM 連接；高壓天然氣管路4上設(shè)有高壓天然氣管路出氣口 3，高壓天然氣管路4的兩端分別與出氣恒壓閥I 5和出氣恒壓閥II 25連接；進(jìn)氣單向閥I 6和出氣恒壓閥I 5都安裝在缸蓋組件I 7上；進(jìn)氣單向閥IIM和出氣恒壓閥1125都安裝在缸蓋組件II 23上；缸蓋組件 I 7與壓縮缸I 8連接；缸蓋組件II 23與壓縮缸II 22連接；壓縮缸I 8通過環(huán)形連接體 I 11和密封墊I 12與工作缸14內(nèi)的工作腔連通；環(huán)形連接體I 11與工作缸14之間加裝密封墊I 12 ；壓縮缸II 22通過環(huán)形連接體II 19和密封墊II18與工作缸14內(nèi)的工作腔連通；環(huán)形連接體II 19與工作缸14之間加裝密封墊1118 ；壓縮活塞I 9置于壓縮缸I 8 內(nèi)部；壓縮活塞II 21置于壓縮缸II 22內(nèi)部；壓縮活塞I 9與連桿16通過球形鉸鏈連接； 壓縮活塞II 21與連桿16通過球形鉸鏈連接；動力活塞15與連桿16通過銷釘連接；動力活塞15置于工作缸14內(nèi)部；彈性限位器I 13置于工作缸14內(nèi)部，彈性限位器I 13的外
4邊緣與工作缸14的外邊緣齊平；彈性限位器II 17置于工作缸14內(nèi)部，彈性限位器II 17 外邊緣與工作缸14外邊緣齊平；活塞位置傳感器I 10通過環(huán)形連接體I 11和密封墊I 12 與工作缸14內(nèi)部空間連通；活塞位置傳感器II 20通過環(huán)形連接體II 19和密封墊1118與工作缸14內(nèi)部空間連通；低壓天然氣管路2通過單向閥50與加熱鍋爐51連接；定壓汽液分離器1149安裝在工作缸14的靠近環(huán)形連接體I 11的一側(cè)；工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I 11的工作腔通過定壓汽液分離器II 49與加熱鍋爐51連接；定壓汽液分離器I 42 安裝在工作缸14的靠近環(huán)形連接體II 19的一側(cè)；工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 的工作腔通過定壓汽液分離器I 42與加熱鍋爐51連接；工質(zhì)儲存罐觀與工質(zhì)泵I四連接；工質(zhì)泵I四分別與電磁閥I 30、電磁閥IV37連接；電磁閥I 30、工質(zhì)收集槽131、工質(zhì)泵II 32串聯(lián)連接；工質(zhì)泵II 32與比例閥II 47、工質(zhì)混合器II 48串聯(lián)連接；工質(zhì)泵II 32還與電磁閥1133、加熱鍋爐51串聯(lián)連接；工質(zhì)泵II 32還與電磁閥11134、冷凝器35串聯(lián)連接；冷凝器35和限壓閥36連接；限壓閥36與工質(zhì)儲存罐28連接；限壓閥36還與溢流平衡罐沈連接；溢流平衡罐26、回流閥27和工質(zhì)儲存罐28串聯(lián)連接；電磁閥IV37、工質(zhì)收集槽1141、工質(zhì)泵III40串聯(lián)連接；工質(zhì)泵III40與比例閥I 44、工質(zhì)混合器I 43串聯(lián)連接；工質(zhì)泵III40還與電磁閥VI39、加熱鍋爐51串聯(lián)連接；工質(zhì)泵III40還與電磁閥 V 38、冷凝器35串聯(lián)連接；加熱鍋爐51與電磁閥VII45、工質(zhì)混合器I 43串聯(lián)連接；加熱鍋爐51還與電磁閥VIII46、工質(zhì)混合器II 48串聯(lián)連接；活塞位置傳感器I 10和活塞位置傳感器II 20采集的信號向控制單元52傳輸，工質(zhì)泵I 29、電磁閥I 30、工質(zhì)泵II 32、 電磁閥1133、電磁閥11134、電磁閥IV37、電磁閥V38、電磁閥VI39、工質(zhì)泵11140、比例閥I 44、電磁閥VII45、電磁閥VII146和比例閥1147均由控制單元52控制。本發(fā)明的壓縮比由下列公式計算ε = ρ2/ρ0(1)A1A2 = α (ρ2/ρι)(2)其中ε為壓縮比，α為大于1. 5的常數(shù)，Ρ(ι為壓縮缸I (8)或壓縮缸II Q2)壓縮初期的壓力，P1S工作缸(14)內(nèi)部壓力，P2為壓縮缸I (8)或壓縮缸II 02)壓縮終了的壓力，A1為動力活塞(1 的面積，A2為壓縮活塞I (9)或壓縮活塞II 的面積。本發(fā)明的原理是低壓天然氣管路2向壓縮缸I 8提供需要壓縮的低壓天然氣，并向加熱鍋爐51提供燃燒用天然氣。工質(zhì)泵I四和工質(zhì)泵III40將工質(zhì)從工質(zhì)儲存罐觀中輸送到加熱鍋爐51中，工質(zhì)吸熱后，形成高溫高壓的過熱蒸汽。過熱蒸汽通過工質(zhì)混合器I 43直接噴入工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)的工作腔中，或者與工質(zhì)收集槽II 41中的工質(zhì)按一定的比例在工質(zhì)混合器I 43中混合后噴入靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)的工作腔中，工質(zhì)膨脹做功，推動動力活塞15向另一側(cè)移動。動動力活塞15通過連桿16帶動壓縮活塞I 9壓縮低壓天然氣，形成高壓天然氣，輸送至高壓天然氣管路4中?？刂茊卧?52通過活塞位置傳感器I 10和活塞位置傳感器II 20采集的信號，判斷動力活塞15在工作缸14內(nèi)的位置。當(dāng)動力活塞15移動至控制單元52內(nèi)部設(shè)定的極限位置時，控制單元52 根據(jù)噴入工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔內(nèi)工質(zhì)的量，判斷出工作后工質(zhì)的所攜帶的熱量，計算將工作缸14內(nèi)部工作后的工質(zhì)變成液態(tài)所需要噴入的低溫液態(tài)工質(zhì)的量?？刂茊卧?2控制相應(yīng)的電磁閥(電磁閥VI39關(guān)閉)開啟或者閉合以及比例閥I 44的開度，只向工作缸14內(nèi)部的靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔噴入經(jīng)過控制單元52計算的低溫工質(zhì)的量，使做功后的工質(zhì)降低溫度，變成液態(tài)；低溫工質(zhì)吸收熱量形成不飽和工質(zhì)，流向工質(zhì)收集槽1141，為下一個工作循環(huán)提供工作用的工質(zhì)，減少在加熱鍋爐51中燃料的消耗量。同時低壓天然氣管路2向壓縮缸1122提供需要壓縮的低壓天然氣，控制單元52并向加熱鍋爐51提供燃燒用天然氣。工質(zhì)泵I四和工質(zhì)泵II 32將工質(zhì)從工質(zhì)儲存罐觀中輸送到加熱鍋爐51中，工質(zhì)吸熱后，形成高溫高壓的過熱蒸汽。過熱蒸汽通過工質(zhì)混合器II 48直接噴入工作缸14靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)的工作腔中，或者與工質(zhì)收集槽I 31中的工質(zhì)按一定的比例在工質(zhì)混合器I 43中混合后噴入工作缸14內(nèi)靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)的工作腔中，工質(zhì)膨脹作功，推動動力活塞15向另一側(cè)移動，通過連桿16 帶動壓縮活塞II 21壓縮低壓天然氣，形成高壓天然氣，輸送到高壓天然氣管路4中。本發(fā)明以有機朗肯循環(huán)基本原理為依據(jù)，通過改進(jìn)其基本結(jié)構(gòu)，解決傳統(tǒng)朗肯循環(huán)過程中工質(zhì)熱量利用率低以及工質(zhì)的汽化潛熱無法利用的難題，能充分利用做功工質(zhì)的余熱和汽化潛熱，提高有機朗肯循環(huán)的熱效率，實現(xiàn)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的目的。


圖1為低溫?zé)崾饺細(xì)庑吞烊粴鈮嚎s機的結(jié)構(gòu)示意圖其中1.低壓天然氣管路進(jìn)氣口、2.低壓天然氣管路、3.高壓天然氣管路出氣口、 4.高壓天然氣管路、5.出氣恒壓閥I、6.進(jìn)氣單向閥I、7.缸蓋組件I、8.壓縮缸I、9.壓縮活塞I、10.活塞位置傳感器I、ll.環(huán)形連接體I、12.密封墊I、13.彈性限位器I、14.工作缸、15.動力活塞、16.連桿、17.彈性限位器II、18.密封墊II、19.環(huán)形連接體II、20.活塞位置傳感器II、21.壓縮活塞ΙΙ、22.壓縮缸ΙΙ、23.缸蓋組件ΙΙ、24.進(jìn)氣單向閥II、 25.出氣恒壓閥ΙΙ、26.溢流平衡罐、27.回流閥、28.工質(zhì)儲存罐、29.工質(zhì)泵Ι、30.電磁閥 Ι、31.工質(zhì)收集槽Ι、32.工質(zhì)泵ΙΙ、33.電磁閥ΙΙ、34.電磁閥ΙΙΙ、35.冷凝器、36.限壓閥、 37.電磁閥IV、38.電磁閥V、39.電磁閥VI、40.工質(zhì)泵III、41.工質(zhì)收集槽II、42.定壓汽液分離器I、43.工質(zhì)混合器I、44.比例閥I、45.電磁閥VII、46.電磁閥VIII、47.比例閥 II、48.工質(zhì)混合器II、49.定壓汽液分離器II、50.單向閥、51.加熱鍋爐、52.控制單元
具體實施例方式以下結(jié)合附圖1對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)闡述本發(fā)明基于有機朗肯循環(huán)開發(fā)的動力活塞式低溫?zé)崾教烊粴鈮嚎s機的工作過程可以分為三個階段啟動階段、工作階段、停止階段。啟動階段低壓天然氣從低壓天然氣管路進(jìn)氣口 1進(jìn)入低壓天然氣管路2，低壓天然氣管路2中的低壓天然氣通過單向閥50向加熱鍋爐51提供燃燒用燃料；低壓天然氣管路2中的低壓天然氣還通過進(jìn)氣單向閥I 6和缸蓋組件I 7向壓縮缸I 8提供低壓天然氣；低壓天然氣管路2中的低壓天然氣還通過進(jìn)氣單向閥IIM和缸蓋組件1123向壓縮缸 1122提供低壓天然氣?？刂茊卧?2控制工質(zhì)泵I四工作以及電磁閥IV37開啟，工質(zhì)儲存罐觀中的過冷工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵I 29、電磁閥IV37進(jìn)入工質(zhì)收集槽II 41中，工質(zhì)收集槽II 41中的工質(zhì)是過冷工質(zhì)；此時，控制單元52控制工質(zhì)泵III40工作、電磁閥VI39開啟，工質(zhì)收集槽1141 中的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵11140、電磁閥VI39進(jìn)入加熱鍋爐51，過冷工質(zhì)在加熱鍋爐51中吸熱后，成為高溫、高壓的過熱蒸汽；控制單元52控制電磁閥VII45開啟以及比例閥I 44的開度；工質(zhì)收集槽II 41中的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵11140、比例閥I 44進(jìn)入工質(zhì)混合器I 43，同時加熱鍋爐51中高溫、高壓的過熱蒸汽經(jīng)電磁閥VII45進(jìn)入工質(zhì)混合器I 43，兩者在工質(zhì)混合器I 43中混合后，噴入工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)的工作腔里，高溫、高壓過熱蒸汽在工作腔內(nèi)部膨脹做功，推動動力活塞15向另一側(cè)移動，動力活塞15通過連桿 16帶動壓縮活塞I 9壓縮壓縮缸I 8中的低壓天然氣，形成高壓天然氣，經(jīng)缸蓋出口組件I 7和出氣恒壓閥I 5進(jìn)入高壓天然氣管路4，通過高壓天然氣管路出氣口 3進(jìn)入天然氣壓縮罐；同時低壓天然氣管路2中的低壓天然氣經(jīng)進(jìn)氣單向閥II M和缸蓋組件II 23進(jìn)入壓縮缸II 22?？刂茊卧?2根據(jù)活塞位置傳感器I 10和活塞位置傳感器1120采集的信號， 判斷動力活塞15在工作缸14內(nèi)部的位置，當(dāng)動力活塞15運行至控制單元52內(nèi)部設(shè)定的極限位置時，控制單元52控制電磁閥VI39關(guān)閉以及比例閥I 44的開度，此時只向工作缸 14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)的工作腔里噴入過冷的工質(zhì)，由于做功后的工質(zhì)溫度高于噴入工作腔內(nèi)的過冷工質(zhì)的溫度，因此做功后的工質(zhì)放熱，溫度降低，成為液態(tài)；噴入工作腔內(nèi)的過冷工質(zhì)吸熱后成為不飽和工質(zhì)，這樣就可以利用工質(zhì)的汽化潛熱給過冷工質(zhì)加熱，減少下一個工作循環(huán)過程中在加熱鍋爐51中加熱工質(zhì)所用的天然氣燃料的消耗量。工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔內(nèi)的工質(zhì)由于變成液態(tài)，壓力降低，減少了下一個工作循環(huán)動力活塞15向該側(cè)移動時的阻力。工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)通過定壓汽液分離器I 42流入工質(zhì)收集槽1141中，當(dāng)工作缸14 內(nèi)部靠近環(huán)形連接體1119 一側(cè)工作腔內(nèi)的汽態(tài)工質(zhì)變成液態(tài)工質(zhì)時，控制單元52控制比例閥I 44關(guān)閉，工質(zhì)泵III40停止工作。同時，控制單元52控制電磁閥VI37關(guān)閉，電磁閥
I30開啟，工質(zhì)儲存罐28中的過冷工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵I 29、電磁閥I 30進(jìn)入工質(zhì)收集槽I 31 中，工質(zhì)收集槽I 31中的工質(zhì)是過冷工質(zhì)；此時，控制單元52控制工質(zhì)泵II 32工作、電磁閥II 33開啟，工質(zhì)收集槽I 31中的過冷工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵II 32、電磁閥II 33進(jìn)入加熱鍋爐 51，過冷工質(zhì)在加熱鍋爐51中吸熱后，成為高溫、高壓的過熱蒸汽；控制單元52控制電磁閥 VIII46開啟以及比例閥1147的開度；工質(zhì)收集槽I 31中的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵II 32、比例閥II 47進(jìn)入工質(zhì)混合器II 48，同時加熱鍋爐51中高溫、高壓的過熱蒸汽經(jīng)電磁閥VIII46進(jìn)入工質(zhì)混合器1148，兩者在工質(zhì)混合器1148中混合后噴入工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I
II一側(cè)工作腔里，高溫、高壓的過熱工質(zhì)蒸汽在工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)工作腔內(nèi)部膨脹做功，推動動力活塞15向另一側(cè)移動，動力活塞15通過連桿16帶動壓縮活塞II 21壓縮壓縮缸II 22中的低壓天然氣，形成高壓天然氣，經(jīng)缸蓋組件23和出氣恒壓閥1125進(jìn)入高壓天然氣管路4，通過高壓天然氣管路出氣口 3進(jìn)入天然氣壓縮罐，同時低壓天然氣管路2中的低壓天然氣經(jīng)進(jìn)氣單向閥I 6和缸蓋組件I 7進(jìn)入壓縮缸I 8?？刂茊卧?2根據(jù)活塞位置傳感器I 10和活塞位置傳感器1120采集的信號，判斷動力活塞15在工作缸14內(nèi)部的位置，當(dāng)動力活塞15運行至控制單元52內(nèi)部設(shè)定的極限位置時，控制單元52控制電磁閥II 33關(guān)閉以及比例閥1147的開度，此時只向工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)的工作腔噴入過冷的工質(zhì)，由于做功后的工質(zhì)溫度高于噴入工作腔內(nèi)的過冷工質(zhì)的溫度，因此做功后的工質(zhì)放熱，溫度降低，成為液態(tài)；噴入工作腔內(nèi)的過冷工質(zhì)吸熱后成為不飽和工質(zhì)，這樣就可以利用工質(zhì)的汽化潛熱給過冷工質(zhì)加熱，減少下一個工作循環(huán)過程中在加熱鍋爐51中加熱工質(zhì)所用的天然氣燃料的消耗量。工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)工作腔內(nèi)的工質(zhì)由于變成液態(tài)，壓力降低，減少了下一個工作循環(huán)動力活塞15向該側(cè)移動時的阻力。工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)工作腔內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)通過定壓汽液分離器II 49流入工質(zhì)收集槽I 31中，當(dāng)工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)工作腔內(nèi)的汽態(tài)工質(zhì)變成液態(tài)工質(zhì)時，控制單元52控制比例閥1147關(guān)閉，工質(zhì)泵II 32停止工作。工作階段經(jīng)啟動階段后，工質(zhì)收集槽1141收集的工質(zhì)是吸收熱量的不飽和工質(zhì)；此時，控制單元52控制工質(zhì)泵II140工作、電磁閥VI39開啟，工質(zhì)收集槽II 41中的不飽和工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵11140、電磁閥VI39進(jìn)入加熱鍋爐51，不飽和工質(zhì)在加熱鍋爐51中吸熱后，成為高溫、高壓的過熱蒸汽；控制單元52控制電磁閥VII45開啟以及比例閥I 44的開度，工質(zhì)收集槽1141中的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵11140、比例閥I 44進(jìn)入工質(zhì)混合器I 43 ；同時加熱鍋爐51 中高溫、高壓的過熱蒸汽經(jīng)電磁閥VII45進(jìn)入工質(zhì)混合器I 43，兩者在工質(zhì)混合器I 43中混合后噴入工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)的工作腔里，高溫、高壓的過熱工質(zhì)蒸汽在工作腔內(nèi)部膨脹做功，推動動力活塞15向另一側(cè)移動；動力活塞15通過連桿16帶動壓縮活塞I 9壓縮壓縮缸I 8中的低壓天然氣，形成高壓天然氣，經(jīng)缸蓋組件I 7和出氣恒壓閥I 5進(jìn)入高壓天然氣管路4，通過高壓天然氣管路出氣口 3進(jìn)入天然氣壓縮罐，同時低壓天然氣管路2中的低壓天然氣經(jīng)進(jìn)氣單向閥II M和缸蓋組件II 23進(jìn)入壓縮缸II 22。接下來整個系統(tǒng)的工作過程與啟動階段相對應(yīng)的工作過程完全一致，直到工作缸 14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔內(nèi)的工質(zhì)成為液態(tài)并通過定壓汽液分離器I 42 流入工質(zhì)收集槽II 41中，工質(zhì)泵III40停止工作為止，節(jié)能原理也完全一致。工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔內(nèi)的工質(zhì)由于變成液態(tài)，壓力降低，減少動力活塞15向右移動時的阻力。工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)流入工質(zhì)收集槽II 41中，當(dāng)工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II 19 一側(cè)工作腔內(nèi)的汽態(tài)工質(zhì)變成液態(tài)工質(zhì)時，控制單元52控制比例閥I 44關(guān)閉，工質(zhì)泵II140停止工作。同時，控制單元52控制工質(zhì)泵II 32工作、電磁閥II 33開啟，工質(zhì)收集槽I 31中的不飽和工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵II 32、電磁閥II 33進(jìn)入加熱鍋爐51，不飽和工質(zhì)在加熱鍋爐51中吸熱后，成為高溫、高壓的過熱蒸汽；控制單元52控制電磁閥VIII46開啟以及比例閥1147的開度，工質(zhì)收集槽I 31中的不飽和工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵II 32、比例閥II 47進(jìn)入工質(zhì)混合器II 48 ；同時加熱鍋爐51中高溫、高壓的過熱蒸汽經(jīng)電磁閥VIII46進(jìn)入工質(zhì)混合器1148，兩者在工質(zhì)混合器Π48中混合后噴入工作缸14內(nèi)部的靠近環(huán)形連接體11 一側(cè)的工作腔里，高溫、高壓的過熱蒸汽在工作缸14內(nèi)部的靠近環(huán)形連接體11 一側(cè)工作腔內(nèi)部膨脹做功，推動動力活塞15向另一側(cè)移動，動力活塞15通過連桿16帶動壓縮活塞1121壓縮壓縮缸1122 中的低壓天然氣，形成高壓天然氣，經(jīng)出缸蓋組件1123和出氣恒壓閥1125進(jìn)入高壓天然氣管路4，通過高壓天然氣管路出氣口 3進(jìn)入天然氣壓縮罐；同時低壓天然氣管路2中的低壓天然氣經(jīng)進(jìn)氣單向閥I 6和缸蓋組件I 7進(jìn)入壓縮缸I 8?？刂茊卧?2根據(jù)活塞位置傳感器I 10和活塞位置傳感器1120采集的信號，判斷動力活塞15在工作缸14內(nèi)部的位置。 當(dāng)動力活塞15運行至控制單元52內(nèi)部設(shè)定的極限位置時，控制單元52控制電磁閥II 33 關(guān)閉，此時只向工作缸14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體11 一側(cè)的工作腔噴入低溫不飽和工質(zhì)。
接下來整個系統(tǒng)的工作過程與啟動階段相對應(yīng)的工作過程完全一致，直到工作缸 14內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I 11 一側(cè)工作腔內(nèi)的工質(zhì)成為液態(tài)并通過定壓汽液分離器1149流入工質(zhì)收集槽I 31中，工質(zhì)泵II 32停止工作為止，節(jié)能原理也完全一致。在工作階段中，由于工質(zhì)收集槽I 31和工質(zhì)收集槽II 41中的不飽和工質(zhì)噴入工作缸14內(nèi)部時不斷吸收熱量，工質(zhì)收集槽I 31和工質(zhì)收集槽II 41內(nèi)的工質(zhì)溫度會不斷升高。當(dāng)工質(zhì)收集槽I 31中的工質(zhì)溫度達(dá)到工質(zhì)的沸點時，控制單元52控制電磁閥III34 開啟以及工質(zhì)泵II 32運轉(zhuǎn)，工質(zhì)收集槽I 31中的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵II 32、電磁閥III34流入冷凝器35中。同理，當(dāng)工質(zhì)收集槽1141中的工質(zhì)溫度達(dá)到工質(zhì)的沸點時，控制單元52控制電磁閥V38開啟以及工質(zhì)泵III40運轉(zhuǎn)，工質(zhì)收集槽1141中的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵11140、電磁閥V38流入冷凝器35中。工質(zhì)在冷凝器35中散熱后溫度降低，直到成為過冷工質(zhì)；過冷工質(zhì)經(jīng)限壓閥36流入工質(zhì)儲存罐28中。在工質(zhì)回流管路中設(shè)置0. 2MPa的限壓閥36，保證冷凝相變可靠性。限壓閥36上布置溢流平衡罐沈，收集溢出工質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時，打開回流閥27將液態(tài)工質(zhì)補充至工質(zhì)儲存罐觀中。上述的工作過程是一個工作循環(huán)，在正常的工作過程中，潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置不斷重復(fù)上述的工作循環(huán)，實現(xiàn)壓縮低壓天然氣的過程。在工作階段中，控制單元52要實時檢測工質(zhì)收集槽31和工質(zhì)收集槽41中工質(zhì)的量，及時保證系統(tǒng)正常工作所需要的工質(zhì)。安裝彈性限位器I 13和彈性限位器II 17的目的是當(dāng)控制單元52對動力活塞15 的位置檢測不準(zhǔn)確時，即動力活塞15越過控制單元52內(nèi)部設(shè)定的極限位置時，彈性限位器 I 13和彈性限位器II 17可以吸收動力活塞15的動能，避免動力活塞15通過連桿16帶動壓縮活塞I 9擠壓缸蓋組件I 7，或者避免動力活塞15通過連桿16帶動壓縮活塞II 21 擠壓缸蓋組件II 23，使整個裝置受到損壞。停止階段當(dāng)潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置停止工作時，控制單元52控制工質(zhì)泵II 32、工質(zhì)泵III40運轉(zhuǎn)，以及電磁閥III34和電磁閥V 38開啟，工質(zhì)收集槽131中的不飽和工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵II 32、電磁閥III34進(jìn)入冷凝器35中；工質(zhì)收集槽II 41中的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵11140、電磁閥V 38進(jìn)入冷凝器35中；工質(zhì)從冷凝器35流入工質(zhì)儲存罐觀中的過程以及限壓閥36的作用與工作階段相對應(yīng)的過程和限壓閥36的作用完全一致。上述的工作過程是一個工作循環(huán)，在正常的工作過程中，潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置不斷重復(fù)上述的工作循環(huán)，實現(xiàn)壓縮低壓天然氣的過程。本發(fā)明還可應(yīng)用于壓縮空氣以及其他的可壓縮氣體；潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置壓縮天然氣的壓縮比可通過改變動力活塞15和壓縮活塞(壓縮活塞I 9和壓縮活塞II 21)的面積來實現(xiàn)，壓縮比由下列公式計算ε = ρ2/ρ0(1)A1A2 = α (ρ2/ρι)(2)其中ε為壓縮比，α為大于1. 5的常數(shù)，Ρ(ι為壓縮缸I (8)或壓縮缸II Q2)壓縮初期的壓力，P1S工作缸(14)內(nèi)部壓力，P2為壓縮缸I (8)或壓縮缸II 02)壓縮終了的壓力，A1為動力活塞(1 的面積，A2為壓縮活塞I (9)或壓縮活塞II 的面積。
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權(quán)利要求
1. 一種潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置，由低壓天然氣管路進(jìn)氣口(1)、低壓天然氣管路O)、高壓天然氣管路出氣口(3)、高壓天然氣管路、出氣恒壓閥I (5)、進(jìn)氣單向閥I (6)、缸蓋組件I (7)、壓縮缸I (8)、壓縮活塞I (9)、活塞位置傳感器I (10)、環(huán)形連接體I (11)、密封墊I (12)、彈性限位器I (13)、工作缸(14)、動力活塞 (15)、連桿(16)、彈性限位器II (17)、密封墊II (18)、環(huán)形連接體II (19)、活塞位置傳感器 II (20)、壓縮活塞II (21)、壓縮缸II (22)、缸蓋組件II (23)、進(jìn)氣單向閥II (24)、出氣恒壓閥II (25)、溢流平衡罐( )、回流閥(27)、工質(zhì)儲存罐(28)、工質(zhì)泵I (29)、電磁閥I (30)、 工質(zhì)收集槽I (31)、工質(zhì)泵II (32)、電磁閥II (33)、電磁閥III (34)、冷凝器(35)、限壓閥 (36)、電磁閥IV (37)、電磁閥V (38)、電磁閥VI (39)、工質(zhì)泵111 (40)、工質(zhì)收集槽11(41), 壓汽液分離器I (42)、工質(zhì)混合器I (43)、比例閥I (44)、電磁閥VII (45)、電磁閥VIII (46)、 比例閥II (47)、工質(zhì)混合器II (48)、定壓汽液分離器II (49)、單向閥(50)、加熱鍋爐(51)、 控制單元(5 組成，其特征在于低壓天然氣管路( 上設(shè)有低壓天然氣管路進(jìn)氣口(1)，低壓天然氣管路O)的兩端分別與進(jìn)氣單向閥1(6)和進(jìn)氣單向閥II 04)連接；高壓天然氣管路(4)上設(shè)有高壓天然氣管路出氣口(3)，高壓天然氣管路(4)的兩端分別與出氣恒壓閥 1(5)和出氣恒壓閥11(25)連接；進(jìn)氣單向閥1(6)和出氣恒壓閥1(5)都安裝在缸蓋組件 1(7)上；進(jìn)氣單向閥II 04)和出氣恒壓閥11 都安裝在缸蓋組件II 上；缸蓋組件 I (7)與壓縮缸I ( 連接；缸蓋組件II (23)與壓縮缸II (22)連接；壓縮缸I ( 通過環(huán)形連接體I (11)和密封墊I (12)與工作缸(14)內(nèi)的工作腔連通；環(huán)形連接體I (11)與工作缸 (14)之間加裝密封墊I (12)；壓縮缸II (22)通過環(huán)形連接體II (19)和密封墊II (18)與工作缸(14)內(nèi)的工作腔連通；環(huán)形連接體II (19)與工作缸(14)之間加裝密封墊II (18)；壓縮活塞I (9)置于壓縮缸I (8)內(nèi)部；壓縮活塞II (21)置于壓縮缸II (22)內(nèi)部；壓縮活塞 1(9)與連桿(16)通過球形鉸鏈連接；壓縮活塞II 與連桿(16)通過球形鉸鏈連接；動力活塞(15)與連桿(16)通過銷釘連接；動力活塞(15)置于工作缸(14)內(nèi)部；彈性限位器 1(13)置于工作缸(14)內(nèi)部，彈性限位器I (13)的外邊緣與工作缸(14)的外邊緣齊平；彈性限位器11(17)置于工作缸(14)內(nèi)部，彈性限位器11(17)外邊緣與工作缸(14)外邊緣齊平；活塞位置傳感器I (10)通過環(huán)形連接體I (11)和密封墊I (1 與工作缸(14)內(nèi)部空間連通；活塞位置傳感器II OO)通過環(huán)形連接體11(19)和密封墊11(18)與工作缸(14) 內(nèi)部空間連通；低壓天然氣管路( 通過單向閥(50)與加熱鍋爐(51)連接；定壓汽液分離器IK49)安裝在工作缸(14)的靠近環(huán)形連接體I (11)的一側(cè)；工作缸(14)內(nèi)部靠近環(huán)形連接體I(Il)的工作腔通過定壓汽液分離器IK49)與加熱鍋爐(51)連接；定壓汽液分離器K42)安裝在工作缸(14)的靠近環(huán)形連接體II (19)的一側(cè)；工作缸(14)內(nèi)部靠近環(huán)形連接體II (19)的工作腔通過定壓汽液分離器K42)與加熱鍋爐(51)連接；工質(zhì)儲存罐 (28)與工質(zhì)泵I 09)連接；工質(zhì)泵I 09)分別與電磁閥I (30)、電磁閥IV (37)連接；電磁閥 I (30)、工質(zhì)收集槽I (31)、工質(zhì)泵II (32)串聯(lián)連接；工質(zhì)泵II (32)與比例閥II (47)、工質(zhì)混合器IK48)串聯(lián)連接；工質(zhì)泵II (32)還與電磁閥II (33)、加熱鍋爐(51)串聯(lián)連接；工質(zhì)泵II (32)還與電磁閥III (34)、冷凝器(35)串聯(lián)連接；冷凝器(35)和限壓閥(36)連接； 限壓閥(36)與工質(zhì)儲存罐0 連接；限壓閥(36)還與溢流平衡罐06)連接；溢流平衡罐 (26)、回流閥(27)和工質(zhì)儲存罐(28)串聯(lián)連接；電磁閥IV (37)、工質(zhì)收集槽IK41)、工質(zhì)泵III (40)串聯(lián)連接；工質(zhì)泵IIK40)與比例閥I (44)、工質(zhì)混合器I (43)串聯(lián)連接；工質(zhì)泵111(40)還與電磁閥VI (39)、加熱鍋爐(51)串聯(lián)連接；工質(zhì)泵III (40)還與電磁閥V(38)、 冷凝器(3 串聯(lián)連接；加熱鍋爐(51)與電磁閥VII(45)、工質(zhì)混合器1 串聯(lián)連接；加熱鍋爐(51)還與電磁閥VIIK46)、工質(zhì)混合器IK48)串聯(lián)連接；活塞位置傳感器1(10)和活塞位置傳感器IK20)采集的信號向控制單元(5 傳輸，工質(zhì)泵1( )、電磁閥I (30)、工質(zhì)泵11 (32)、電磁閥11 (33)、電磁閥III (34)、電磁閥IV(37)、電磁閥V(38)、電磁閥VI (39)、 工質(zhì)泵III (40)、比例閥I (44)、電磁閥VII (45)、電磁閥VIII 06)和比例閥11(47)均由控制單元(52)控制。
2.按權(quán)利要求1所述的潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置，其特征在于其壓縮比由下列公式計算ε = Ρ2/Ρο(1)A1A2 = α (P2/Pl)(2)其中ε為壓縮比，α為大于1. 5的常數(shù)，P0為壓縮缸I (8)或壓縮缸II (22)壓縮初期的壓力，P1S工作缸(14)內(nèi)部壓力，P2為壓縮缸I (8)或壓縮缸II 02)壓縮終了的壓力， A1為動力活塞(15)的面積，A2為縮活塞I (9)或壓縮活塞II (21)的面積。
全文摘要
潛能利用式自由活塞有機郎肯循環(huán)天然氣壓縮裝置屬有機朗肯循環(huán)熱能利用技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明中動力活塞在工作缸內(nèi)作線性往復(fù)運動，通過連桿帶動壓縮活塞壓縮低壓天然氣，形成高壓天然氣；同時向完成做功循環(huán)的汽態(tài)工質(zhì)中噴入低溫液態(tài)工質(zhì)，使做功后的工質(zhì)放熱成為液態(tài)，低溫液態(tài)工質(zhì)吸收做功后工質(zhì)的熱量，溫度升高，成為不飽和工質(zhì)；本發(fā)明通過改變動力活塞與壓縮活塞的面積比，實現(xiàn)改變壓縮天然氣的壓縮比；通過控制單元控制比例閥的開度，可以改變低溫工質(zhì)與高溫工質(zhì)在工質(zhì)混合器中的混合比例；本發(fā)明可充分利用做功后工質(zhì)的余熱和工質(zhì)的汽化潛熱，提高有機朗肯循環(huán)的熱效率，實現(xiàn)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的目的。
文檔編號F04B39/00GK102536741SQ20121000375
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月3日
發(fā)明者王忠恕, 許允, 譚滿志, 韓永強, 韓汛峰 申請人:吉林大學(xué)