一种可用于小型有机朗肯循环余热回收系统的热‑电转化装置，属于余热回收领域。该装置将单气缸双向作用的自由活塞膨胀机与一台永磁式圆筒直线发电机耦合，通过输入的高温高压气体推动活塞往复运动，带动直线发电机的动子做往复切割磁感线的运动，从而将高温高压气体所携带的能量直接转化为电能输出。该装置主要应用于气动汽车发动机动力系统、车用发动机尾气余热利用系统等结构紧凑、功率密度高的场合。
【技术实现步骤摘要】
一种可用于小型有机朗肯循环余热回收系统的热-电转化装置
本专利技术涉及一种利用高温高压气体输出电能的装置，具体涉及小型有机朗肯循环余热回收领域，可将车用内燃机排气余热能等低品位能量转化为电能输出，有效提高能源利用率。
技术介绍
随着社会的快速发展，汽车产量和保有量的迅速增长，势必造成大量的能源消耗和严峻的环保压力，车用内燃机排放的CO2约占全球CO2总排放量的1/4。从车用内燃机的能量平衡来看，只有30％-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)的燃料燃烧总热量用于动力输出，摩擦损失和机械损失大约为燃料燃烧总热量的10％，其余的能量主要通过冷却介质和排气被排放到大气当中。因此，将车用内燃机的余热能高效回收利用可以有效地提高车用内燃机总能效率、降低燃油消耗量、减少CO2和污染物排放。在回收内燃机排气余热方面，小型有机朗肯循环系统凭借其优越的性能而受到了广泛的关注，由于受到工质流量小的制约，将传统的容积型膨胀机应用于车用有机朗肯循环系统等小型余热回收系统中存在一定困难。因此开发设计一种适用于小型低品位热源的膨胀机显得十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种单气缸双作用自由活塞膨胀机耦合直线发电机的集成单元作为能量转化装置。该装置将单活塞双作用的气缸与一台永磁式圆筒直线发电机耦合，通过输入的高温高压气体推动活塞往复运动，带动直线发电机的动子做往复切割磁感线的运动，从而将高温高压气体所携带的能量转化为电能输出。该装置主要应用于气动汽车发动机动力系统、车用发动机尾气余热利用系统等结构紧凑、功率密度高的场合。为了实现上述目标，本专利技术采用的技术方案是一种利用高温高压气体输出电能的单活塞双作用膨胀机发电装置即一种可用于小型有机朗肯循环余热回收系统的热-电转化装置。一种可用于小型有机朗肯循环余热回收的热-电转化集成装置，其特征在于：该装置主要包括自由行程的活塞膨胀机系统、永磁式圆筒直线发电机系统、采集控制系统；上述的自由行程的活塞膨胀机系统，包括自由活塞膨胀机(21)、磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)、第一工质质量流量计(33)、第二工质质量流量计(35)、第一三通阀(18)、第二三通阀(34)、第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、分流器(42)、稳压阀(43)、储气罐(44)；储气罐(44)经由稳压阀(43)、分流器(42)后分为两个分支进气管路，分流器(42)分为支进气管路分别与第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)连接，第二电磁阀(36)经由第一三通阀(18)、第一工质质量流量计(33)与自由活塞膨胀机(21)的气口A(11)连接，在气口A(11)与第一工质质量流量计(33)之间的管路上设有第一压力传感器(19)和第一温度传感器(32)；第三电磁阀(37)经由第二三通阀(34)、第二工质质量流量计(35)与自由活塞膨胀机(21)的气口B(3)连接，在气口B(3)与第二工质质量流量计(35)之间的管路上设有第二压力传感器(31)和第二温度传感器(30)；同时第一三通阀(18)还与第一电磁阀(17)连接，使得气口A(11)、第一工质质量流量计(33)、第一三通阀(18)、第一电磁阀(17)构成一分支排气管路；第二三通阀(34)还与第四电磁阀(38)连接，使得气口B(3)、第二工质质量流量计(35)、第二三通阀(34)还与第四电磁阀(38)构成另一分支排气管路，上述连接为管路连接；；永磁式圆筒直线发电机系统包括磁式圆筒直线发电机(25)、整流器(29)、电能存储单元(39)，磁式圆筒直线发电机(25)的直线发电机动子(28)通过连杆(23)与自由活塞膨胀机(21)中的活塞杆(1)固定连接，磁式圆筒直线发电机(25)的直线发电机定子(27)经整流器(29)与电能存储单元(39)连接，上述连接为电路连接；采集控制系统包括电脑控制模块(41)、多通道采集仪(40)、磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)，磁感接近开关A(20)和磁感接近开关B(22)对称布置在自由活塞膨胀机(21)两侧，用于检测自由活塞膨胀机(21)内活塞(7)的位置信息；磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)、第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、第二压力传感器(31)、第二温度传感器(30)、第一压力传感器(19)、第一温度传感器(32)分别与多通道采集仪(40)连接，多通道采集仪(40)与电脑控制模块(41)连接；电脑控制模块(41)同时还分别与第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、第二压力传感器(31)连接；采集控制系统中的连接为电路或信息通路连接。自由活塞膨胀机(21)与永磁式圆筒直线发电机(25)采取水平布置方式，即自由活塞膨胀机(21)与磁式圆筒直线发电机(25)之间的V型夹角为180度，且通过连杆(23)连接，连杆(23)两端通过柔性转接头分别与自由活塞膨胀机(21)和永磁式圆筒直线发电机动子(25)同轴连接。磁感接近开关A(20)和磁感接近开关B(22)对称布置在自由活塞膨胀机(21)两侧，用于检测自由活塞膨胀机(21)内活塞(7)的位置信息。进一步自由活塞膨胀机(21)结构如下，气缸筒(5)两端加工有安装槽，该安装槽分别与无杆侧端盖(12)和有杆侧端盖(15)连接，且两端连接部位均安有O型密封圈(14)；有杆侧端盖(15)中心部位设有用于活塞杆(1)穿过的中心孔，在中心空的内表面布置有导向套(16)，导向套(16)内表面为活塞杆密封圈(2)，有杆侧端盖(15)的侧面径向设有通孔作为气口B(3)，活塞杆(1)穿过活塞杆密封圈(2)、导向套(16)与位于气缸筒(5)内的活塞(7)紧固连接；活塞(7)外侧圆周上加工有环槽分别用于安装活塞密封圈(8)和耐磨环(9)；在活塞(7)有杆侧端盖(15)的这一侧，与活塞(7)连接的活塞杆(1)上设有第一缓冲套(6)；在活塞(7)无杆侧端盖(12)的这一侧，与活塞(7)连接的活塞杆(1)上设有第二缓冲套(13)，紧凑布置于活塞(7)两侧；单向缓冲阀B(4)布置在有杆侧端盖(15)上，单向缓冲阀A(10)布置在无杆侧端盖(12)上，无杆侧端盖(12)的侧面径向设有通孔作为气口A(11)，在无杆侧端盖(12)侧的活塞杆(1)轴向顶端设有空腔与气口A(11)连接。自由活塞膨胀机(21)内部具有气体缓冲功能，当自由活塞膨胀机(21)工作时，活塞(7)运行到接近无杆侧端盖(12)位置时，缓冲套(13)将会堵住自由活塞膨胀机气口A(11)，此时，乏气只能通过单向缓冲阀A(10)排出自由活塞膨胀机(21)，实现活塞内部气体缓冲，防止活塞(7)对无杆侧缸盖(12)进行撞击，且可以通过调节缓冲阀(10)的开度，实现对缓冲力大小的调整。当活塞(7)向有杆侧端盖(15)方向运行时，同理。本装置通过调节设定位移报警点X1、X2，可以调整自由活塞膨胀机(21)中活塞(7)的行程，以适应在不同工况下工作，从而获得更好的能量转化效率。同时，通过采集控制系统分别调整第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)打开的持续时间，可以调整膨胀行程时间长短，从而保本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可用于小型有机朗肯循环余热回收的热‑电转化集成装置，其特征在于：该装置主要包括自由行程的活塞膨胀机系统、永磁式圆筒直线发电机系统、采集控制系统；上述的自由行程的活塞膨胀机系统，包括自由活塞膨胀机(21)、磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)、第一工质质量流量计(33)、第二工质质量流量计(35)、第一三通阀(18)、第二三通阀(34)、第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、分流器(42)、稳压阀(43)、储气罐(44)；储气罐(44)经由稳压阀(43)、分流器(42)后分为两个分支进气管路，分流器(42)分为支进气管路分别与第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)连接，第二电磁阀(36)经由第一三通阀(18)、第一工质质量流量计(33)与自由活塞膨胀机(21)的气口A(11)连接，在气口A(11)与第一工质质量流量计(33)之间的管路上设有第一压力传感器(19)和第一温度传感器(32)；第三电磁阀(37)经由第二三通阀(34)、第二工质质量流量计(35)与自由活塞膨胀机(21)的气口B(3)连接，在气口B(3)与第二工质质量流量计(35)之间的管路上设有第二压力传感器(31)和第二温度传感器(30)；同时第一三通阀(18)还与第一电磁阀(17)连接，使得气口A(11)、第一工质质量流量计(33)、第一三通阀(18)、第一电磁阀(17)构成一分支排气管路；第二三通阀(34)还与第四电磁阀(38)连接，使得气口B(3)、第二工质质量流量计(35)、第二三通阀(34)还与第四电磁阀(38)构成另一分支排气管路，上述连接为管路连接；；永磁式圆筒直线发电机系统包括磁式圆筒直线发电机(25)、整流器(29)、电能存储单元(39)，磁式圆筒直线发电机(25)的直线发电机动子(28)通过连杆(23)与自由活塞膨胀机(21)中的活塞杆(1)固定连接，磁式圆筒直线发电机(25)的直线发电机定子(27)经整流器(29)与电能存储单元(39)连接，上述连接为电路连接；采集控制系统包括电脑控制模块(41)、多通道采集仪(40)、磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)，磁感接近开关A(20)和磁感接近开关B(22)对称布置在自由活塞膨胀机(21)两侧，用于检测自由活塞膨胀机(21)内活塞(7)的位置信息；磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)、第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、第二压力传感器(31)、第二温度传感器(30)、第一压力传感器(19)、第一温度传感器(32)分别与多通道采集仪(40)连接，多通道采集仪(40)与电脑控制模块(41)连接；电脑控制模块(41)同时还分别与第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、第二压力传感器(31)连接；采集控制系统中的连接为电路或信息通路连接。...
【技术特征摘要】
1.一种可用于小型有机朗肯循环余热回收的热-电转化集成装置，其特征在于：该装置主要包括自由行程的活塞膨胀机系统、永磁式圆筒直线发电机系统、采集控制系统；上述的自由行程的活塞膨胀机系统，包括自由活塞膨胀机(21)、磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)、第一工质质量流量计(33)、第二工质质量流量计(35)、第一三通阀(18)、第二三通阀(34)、第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、分流器(42)、稳压阀(43)、储气罐(44)；储气罐(44)经由稳压阀(43)、分流器(42)后分为两个分支进气管路，分流器(42)分为支进气管路分别与第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)连接，第二电磁阀(36)经由第一三通阀(18)、第一工质质量流量计(33)与自由活塞膨胀机(21)的气口A(11)连接，在气口A(11)与第一工质质量流量计(33)之间的管路上设有第一压力传感器(19)和第一温度传感器(32)；第三电磁阀(37)经由第二三通阀(34)、第二工质质量流量计(35)与自由活塞膨胀机(21)的气口B(3)连接，在气口B(3)与第二工质质量流量计(35)之间的管路上设有第二压力传感器(31)和第二温度传感器(30)；同时第一三通阀(18)还与第一电磁阀(17)连接，使得气口A(11)、第一工质质量流量计(33)、第一三通阀(18)、第一电磁阀(17)构成一分支排气管路；第二三通阀(34)还与第四电磁阀(38)连接，使得气口B(3)、第二工质质量流量计(35)、第二三通阀(34)还与第四电磁阀(38)构成另一分支排气管路，上述连接为管路连接；；永磁式圆筒直线发电机系统包括磁式圆筒直线发电机(25)、整流器(29)、电能存储单元(39)，磁式圆筒直线发电机(25)的直线发电机动子(28)通过连杆(23)与自由活塞膨胀机(21)中的活塞杆(1)固定连接，磁式圆筒直线发电机(25)的直线发电机定子(27)经整流器(29)与电能存储单元(39)连接，上述连接为电路连接；采集控制系统包括电脑控制模块(41)、多通道采集仪(40)、磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)，磁感接近开关A(20)和磁感接近开关B(22)对称布置在自由活塞膨胀机(21)两侧，用于检测自由活塞膨胀机(21)内活塞(7)的位置信息；磁感接近开关A(20)、磁感接近开关B(22)、第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁阀(37)、第四电磁阀(38)、第二压力传感器(31)、第二温度传感器(30)、第一压力传感器(19)、第一温度传感器(32)分别与多通道采集仪(40)连接，多通道采集仪(40)与电脑控制模块(41)连接；电脑控制模块(41)同时还分别与第一电磁阀(17)、第二电磁阀(36)、第三电磁...
【专利技术属性】
技术研发人员：张红光，田亚明，李健，赵蕊，杨宇鑫，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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