一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统及其运行方法与流程

1.本发明涉及压缩空气储能技术领域，具体为一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统及其运行方法。

背景技术：

2.气体压缩设备特别是空气压缩机目前在空气储能、制冷及空分等领域应用十分广泛，当前使用的绝大多数的压缩机采用近绝热式压缩原理，绝热压缩易于实现，但压缩功大，压缩气体温度高，经常需要通过多级间冷等复杂的回热系统回收热量以实现高的系统经济效益。此外，等温压缩空气过程是一种理论上更为理想的气体压缩过程，具有最低的压缩功，理想状态下气体温度不升高，但实际中难以实现这种理想的过程。
3.目前，在大型制冷及空分等领域，都开始采用近等温式压缩机以减小电能消耗和提高系统效率，在大规模压缩空气储能领域也开始进一步深入研究，相关研究表明，近等温压缩空气储能技术是一种较为接近等温压缩空气过程的先进技术，其系统效率能够比目前已实现的先进绝热压缩空气储能系统更高，具有非常显著的优越性和巨大的发展潜力，但在大规模压缩空气储能领域的研究较少，还没有实现具体应用，实验系统的等温效率不够理想，或者结构较为复杂才能实现，成本造价高。

技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统及其运行方法，能够实现连续的近等温气体压缩过程，同时实现可逆式气体膨胀运转方式，系统结构简单、造价低廉的同时等温效率高。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，包括曲轴、多个压缩单元、水泵以及冷却塔；
7.其中，每个压缩单元包括气缸、气缸内设置的活塞和气缸外套设的水套，所述水套的进口端与水泵的出口连接，水泵的入口与冷却塔的底部出口连接，水套的出口端与冷却塔的顶部入口连接；
8.所述曲轴上通过连接的多个连杆与多个压缩单元对应的活塞连接，所述气缸的容积由系统的低压侧至高压侧依次递减排列，每个气缸的底部设有进气阀、排气阀和负压单向阀。
9.优选地，所述曲轴通过支撑轴承支撑并与支撑轴承转动连接。
10.优选地，所述曲轴与连杆通过曲轴连杆轴承连接，多个连杆通过连杆活塞轴承分别与对应的活塞连接。
11.优选地，相邻的活塞与曲轴连接位置处之间成180度相位角。
12.优选地，靠近低压侧第一级气缸的进气阀连接有进气气体管道，靠近高压侧最后一级气缸的排气阀连接有出气气体管道，相邻气缸的排气阀之间以及相邻气缸的进气阀之
间均通过气体输送管道连接。
13.优选地，所述进气阀和排气阀的开关均连接有电子程控装置或者机械气门与凸轮轴装置。
14.优选地，所述曲轴上气缸的排列布置采用星形布置、单排布置或者多排布置。
15.优选地，所述压缩单元的数量不少于2个。
16.一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统的运行方法，包括气体压缩过程，具体步骤如下：
17.启动水泵和冷却塔，在水套中形成冷却水循环；
18.从低压侧通入气体，相邻气缸的活塞运行方向相反，相邻气缸中的气体逐级由容积较大的气缸压入容积较小的气缸中，气体压力逐级升高；
19.各个活塞在气体的推动下带动曲轴转动，曲轴转动180度后，完成气体的逐级压缩，高压气体由靠近高压侧最后一级气缸排出，实现气体压缩。
20.进一步地，还包括气体膨胀过程，具体步骤如下：
21.从高压侧通入高压气体，相邻气缸的活塞运行方向相反，相邻气缸中的气体逐级由容积较小的气缸压入容积较大的气缸中，气体逐级膨胀；
22.各个活塞在气体的推动下带动曲轴转动，曲轴转动180度后，完成气体的逐级膨胀，膨胀后的气体由靠近低压侧第一级气缸排出，实现气体膨胀。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明提供了一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，系统包括多个容积依次递减的压缩单元，压缩单元由活塞与气缸组成，通过曲轴带动相邻活塞以一定相位角差进行相对运动，使其以较慢的速度将气体从低压侧较大容积的气缸依次压缩入相邻容积较小的气缸，在压缩过程中气体通过气缸外套设的水套进行散热保持近等温状态，最终逐级压缩至高压，实现一种近等温式压缩原理，从而能够减小电能消耗和提高系统效率。同时本发明的系统具备可逆的运行方式，即通过将高压气体从高压侧较小容积的气缸进入，通过与压缩过程相反的过程，逐级近等温式膨胀气体并推动曲轴做功，实现一种近等温膨胀机的功能。本发明的系统能够满足一系统多功能，实现连续的近等温压缩/膨胀空气工艺下的压缩空气储能和膨胀气体做功，系统结构简单、造价低廉的同时等温效率高。
25.进一步地，本发明所述活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，可以通过采用双作用气缸与活塞机构，即活塞在气缸中的两个方向运动过程都可以进行气体的压缩和膨胀的机构，实现系统容量的倍增。
26.进一步地，本发明所述活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，用于压缩气体时曲轴由电动机、内燃机等各类原动机带动旋转，用于气体膨胀做功时，曲轴可带动发电机、水泵等动力装置。
附图说明
27.图1是本发明所述活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统的构成示意图；
28.图2是本发明所述系统在压缩过程下的活塞运行方向与气阀开闭时序状态示意图；
29.图3是本发明所述系统在膨胀过程下的活塞运行方向与气阀开闭时序状态示意
图。
30.图中，1为曲轴，2为连杆，3为活塞，4为气缸，5为进气阀，6为排气阀， 7为负压单向阀，8为气体管道，9为水泵，10为冷却塔，11为水套，12为冷却水管路，13为连杆活塞轴承，14为曲轴连杆轴承，15为支撑轴承。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的原理和特征做进一步的详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
32.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
34.本发明提供一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，如图1所示，包括曲轴1、多个压缩单元、水泵9以及冷却塔10；
35.其中，每个压缩单元包括气缸4、气缸4内设置的活塞3和气缸4外套设的水套11，所述水套11的进口端与水泵9的出口连接，水泵9的入口与冷却塔10的底部出口连接，水套11的出口端与冷却塔10的顶部入口连接；
36.所述曲轴1上通过连接的多个连杆2与多个压缩单元对应的活塞3连接，所述气缸4的容积由系统的低压侧至高压侧依次递减排列，每个气缸4的底部设有进气阀5、排气阀6和负压单向阀7。
37.本发明设计了一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，系统包括多个容积依次递减的压缩单元，压缩单元由活塞3与气缸4组成，通过曲轴1带动相邻活塞3以一定相位角差进行相对运动，使其以较慢的速度将气体从低压侧较大容积的气缸4依次压缩入相邻容积较小的气缸4，在压缩过程中气体通过气缸4外套设的水套11进行散热保持近等温状态，最终逐级压缩至高压，实现一种近等温式压缩原理，从而能够减小电能消耗和提高系统效率。同时本发明的系统具备可逆的运行方式，即通过将高压气体从高压侧较小容积的气缸4进入，通过与压缩过程相反的过程，逐级近等温式膨胀气体并推动曲轴1做功，实现一种近等温膨胀机的功能。本发明的系统能够满足一系统多功能，实现连续的近等温压缩/膨胀空气工艺下的压缩空气储能和膨胀气体做功，系统结构简单、造价低廉的同时等温效率高。
38.具体地，本发明所述的活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，如图1所示，包括曲轴1、连杆2、活塞3、气缸4、进气阀5、排气阀6、负压单向阀7、气体管道8、水泵9、冷却塔10、水套11，冷却水管路12、连杆活塞轴承13、曲轴连杆轴承14以及支撑轴承15。
39.曲轴通过支撑轴承15支撑并可以自由旋转，曲轴1与各个连杆2通过曲轴连杆轴承14连接，各连杆通过连杆活塞轴承13分别与活塞连接。
40.系统具有多个活塞3与气缸4，一个活塞3与一个气缸4组成一个压缩单元(压缩单元的数量大于等于2)，并且气缸容积从低压侧至高压侧依次递减排列，相邻活塞3与曲轴1铰接的位置成180度相位角(往复运动方向相反)。
41.每个气缸4的底部设有进气阀5、排气阀6和负压单向阀7，低压侧第一气缸的进气阀5连接进气气体管道8，高压侧最后一级气缸的排气阀6与出气气体管道8相连接，相邻气缸的排气阀6与进气阀5通过气体管道8相连接，负压单向阀7仅当气缸内气压低于外部大气压时自动开启，吸入外部环境气体。
42.每个气缸4的筒壁外侧具有水套11，水套11的进口通过冷却水管路12与水泵9的出口相连接，水泵9的入口与冷却塔10底部出口相连接，水套11的出口通过冷却水管路12与冷却塔10顶部入口相连接。
43.以空气介质为例，随着曲轴1的缓慢转动，一般曲轴1的转速为几转～几十转每分钟，曲轴1带动连杆2再带动相邻的活塞3均以180度相位角反向地往复运动，通过低压侧容积较大的第一气缸吸入气体，后压缩进相邻第二气缸，由于第二气缸容积较小，气体被压缩至更高压力，并且第二气缸为气体提供了更大的冷却换热面积，在两个气缸水冷套11的冷却作用下，压缩的过程可以达到近等温过程。
44.进气阀5和排气阀7的时序控制，可采用电磁阀通过电子程控装置，或通过机械气门与凸轮轴装置实现，气缸4随着曲轴1的每一圈转动，完成一次进气和排气过程，实现了整个系统的连续运行；随着曲轴1的转动，进气阀5、排气阀6通过一定的时序开闭，气体被依次压入更小容积的活塞3，则可达到非常高压力，一般可为15-30mpa，然后排出系统。
45.当作为膨胀机时，从高压侧容积最小的气缸的排气阀6(此时排气阀当作进气阀使用，排气阀当作进气阀使用)通入高压气体，进气阀5和排气阀6的控制时序与压缩过程时相反，高压气体依次经过容积逐渐增加的气缸4，在水套11的冷却下逐步膨胀，并推动曲轴1向外部做功，实现近等温膨胀机的功能。
46.本发明所述活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，是一套可以连续运转实现近等温气体压缩/膨胀的基本装置单元，在实际应用中可以通过增加该基本装置单元数量，如采用星形气缸布置和多排气缸布置等方案以增加系统的规模，也可以直线运行机构代替曲轴1旋转运动驱动活塞3做往复运行，实现系统的功能。
47.本发明所述活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，可以通过采用双作用气缸与活塞机构，即活塞在气缸中的两个方向运动过程都可以进行气体的压缩和膨胀的机构，实现系统容量的倍增。
48.本发明所述活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，用于压缩气体时曲轴1 由电动机、内燃机等各类原动机带动旋转，用于气体膨胀做功时，曲轴可带动发电机、水泵等动力装置。
49.本发明还提供了一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统的运行方法，包括气体压缩过程，具体步骤如下：
50.启动水泵9)和冷却塔10，在水套11中形成冷却水循环；
51.从低压侧通入气体，相邻气缸的活塞运行方向相反，相邻气缸中的气体逐级由容积较大的气缸压入容积较小的气缸中，气体压力逐级升高；
52.各个活塞在气体的推动下带动曲轴1转动，曲轴1转动180度后，完成气体的逐级压
缩，高压气体由靠近高压侧最后一级气缸排出，实现气体压缩。
53.本发明所述一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统的运行方法，还包括气体膨胀过程，具体步骤如下：
54.从高压侧通入高压气体，相邻气缸的活塞运行方向相反，相邻气缸中的气体逐级由容积较小的气缸压入容积较大的气缸中，气体逐级膨胀；
55.各个活塞在气体的推动下带动曲轴1转动，曲轴1转动180度后，完成气体的逐级膨胀，膨胀后的气体由靠近低压侧第一级气缸排出，实现气体膨胀。
56.具体实施方式如下：
57.以本实施例为例，系统工作前，启动水泵9和冷却塔10，在水套11中形成冷却水循环，完成准备工作。
58.压缩过程如图2所示，低压侧第一、第三气缸的活塞位于上止点位置，打开排气阀；第二、第四气缸的活塞位于下止点，打开进气阀。各活塞在电机驱动下带动曲轴1的转动，第一、第三气缸的活塞下行，第二、第四气缸的活塞上行，第一气缸内的气体被压入第二气缸，第三气缸内的气体被压入第四气缸；由于气缸容积依次减小，因此气体压力升高。至曲轴位置到达180度，打开第一、第三气缸进气阀，关闭排气阀，打开第二、第四气缸排气阀，关闭进气阀，随着曲轴1的转动，第一、第三气缸的活塞上行，第二、第四气缸的活塞下行，第一气缸吸入入口管道的气体，第四气缸向系统外排出高压气体，第二气缸的气体被压入第三气缸，直至曲轴1回到0度位置，关闭所有气阀，进入下一次逐级压缩气体的过程。
59.在压缩过程中，由于气体在两个气缸间被逐次压缩，整个压缩过程中气体与缸壁都具有较大的换热面积，在水套11的冷却作用下，完成气体的低速逐级的近等温过程压缩。
60.膨胀过程如图3所示，从高压侧通入高压气体，低压侧第一、第三气缸的活塞位于上止点位置，打开进气阀(此时作为排气阀使用)；第二、第四气缸的活塞位于下止点，打开排气阀(此时作为进气阀使用)。各活塞在气体推动下带动曲轴1的转动，第一、第三气缸的活塞下行，第二、第四气缸的活塞上行，第三气缸内的气体膨胀进入第二气缸，第一气缸内的气体排出系统；至曲轴位置到达180度，打开第一、第三气缸排气阀(此时作为进气阀使用)，关闭进气阀，打开第二、第四气缸进气阀(此时作为排气阀使用)，关闭排气阀，第一、第三气缸的活塞上行，第二、第四气缸的活塞下行，第四气缸内的气体膨胀至第三气缸，第二气缸内的气体膨胀至第第一气缸；直至曲轴1回到0度位置，关闭所有气阀，进入下一次逐级膨胀的过程。在此膨胀过程中，若因为通入的高压气体压力不足而导致气体过度膨胀导致负压，则各个气缸的负压单向阀7 会自动开启吸入外部气体。
61.在膨胀过程中，由于气体在两个气缸间被逐次膨胀，整个膨胀过程中气体与缸壁都具有较大的换热面积，在水套11的冷却作用下，完成气体的低速逐级的近等温膨胀做功过程。
62.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

技术特征：

1.一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，包括曲轴(1)、多个压缩单元、水泵(9)以及冷却塔(10)；其中，每个压缩单元包括气缸(4)、气缸(4)内设置的活塞(3)和气缸(4)外套设的水套(11)，所述水套(11)的进口端与水泵(9)的出口连接，水泵(9)的入口与冷却塔(10)的底部出口连接，水套(11)的出口端与冷却塔(10)的顶部入口连接；所述曲轴(1)上通过连接的多个连杆(2)与多个压缩单元对应的活塞(3)连接，所述气缸(4)的容积由系统的低压侧至高压侧依次递减排列，每个气缸(4)的底部设有进气阀(5)、排气阀(6)和负压单向阀(7)。2.根据权利要求1所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，所述曲轴(1)通过支撑轴承(15)支撑并与支撑轴承(15)转动连接。3.根据权利要求1所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，所述曲轴(1)与连杆(2)通过曲轴连杆轴承(14)连接，多个连杆(2)通过连杆活塞轴承(13)分别与对应的活塞(3)连接。4.根据权利要求1所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，相邻的活塞(3)与曲轴(1)连接位置处之间成180度相位角。5.根据权利要求1所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，靠近低压侧第一级气缸的进气阀(5)连接有进气气体管道，靠近高压侧最后一级气缸的排气阀(6)连接有出气气体管道，相邻气缸的排气阀(6)之间以及相邻气缸的进气阀(5)之间均通过气体输送管道连接。6.根据权利要求1所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，所述进气阀(5)和排气阀(6)的开关均连接有电子程控装置或者机械气门与凸轮轴装置。7.根据权利要求1所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，所述曲轴(1)上气缸(4)的排列布置采用星形布置、单排布置或者多排布置。8.根据权利要求1所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，其特征在于，所述压缩单元的数量不少于2个。9.一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统的运行方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项的活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统，包括气体压缩过程，具体步骤如下：启动水泵(9)和冷却塔(10)，在水套(11)中形成冷却水循环；从低压侧通入气体，相邻气缸的活塞运行方向相反，相邻气缸中的气体逐级由容积较大的气缸压入容积较小的气缸中，气体压力逐级升高；各个活塞在气体的推动下带动曲轴(1)转动，曲轴(1)转动180度后，完成气体的逐级压缩，高压气体由靠近高压侧最后一级气缸排出，实现气体压缩。10.根据权利要求9所述的一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统的运行方法，其特征在于，还包括气体膨胀过程，具体步骤如下：从高压侧通入高压气体，相邻气缸的活塞运行方向相反，相邻气缸中的气体逐级由容积较小的气缸压入容积较大的气缸中，气体逐级膨胀；各个活塞在气体的推动下带动曲轴(1)转动，曲轴(1)转动180度后，完成气体的逐级膨胀，膨胀后的气体由靠近低压侧第一级气缸排出，实现气体膨胀。

技术总结

本发明公开了一种活塞式多级近等温气体压缩/膨胀系统及其运行方法，能够实现连续的近等温气体压缩过程，同时实现可逆式气体膨胀运转方式，系统结构简单、造价低廉的同时等温效率高。包括曲轴、多个压缩单元、水泵以及冷却塔；其中，每个压缩单元包括气缸、气缸内设置的活塞和气缸外套设的水套，所述水套的进口端与水泵的出口连接，水泵的入口与冷却塔的底部出口连接，水套的出口端与冷却塔的顶部入口连接；所述曲轴上通过连接的多个连杆与多个压缩单元对应的活塞连接，所述气缸的容积由系统的低压侧至高压侧依次递减排列，每个气缸的底部设有进气阀、排气阀和负压单向阀。排气阀和负压单向阀。排气阀和负压单向阀。