【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空气储能，特别涉及一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统。
技术介绍
1、压缩空气储能系统（caes）作为储能技术的一种，凭借其低成本、寿命长、零排放的显著优势，而受到全世界的广泛关注和深入研究。该系统的工作原理基于在电力需求低谷时利用过剩电力驱动压缩机将空气压缩并储存于高压容器中，而在电力需求高峰时释放高压空气推动膨胀机做功，进而转换为电能或其他形式的可用能源，从而实现电能的时空转移与高效利用。其中，膨胀机作为空气储能系统的输出环节，其效率、运行特性及其对各种工况的适应性对空气储能系统的整体运行性能具有决定性的影响；经研究表明，活塞式膨胀机更适合小型caes系统。
2、目前，在实际使用过程中，通常会使用单级活塞式膨胀机（sspe），具体参考图1，图1示出的是sspe的立体结构示意图，从图中可以看出，sspe包括气缸1，气缸1的上方连接有进气阀和排气阀，气缸1内设有活塞5，活塞5的下方连接有连杆7，连杆7另一端与曲轴8连接，曲轴8通过飞轮6驱动；单级活塞式膨胀机的工作原理：进气时，进气阀打开，同时排气阀关闭，工质（空气气体）进入气缸1的腔室内，工质推动活塞5向下发生移动；进气完成后，进气阀关闭，此时，工质继续膨胀做功，继续推动活塞5移动。排气时，排气阀打开，同时进气阀关闭，工质从排气阀排出，进而带动活塞5向上移动。
3、为了获得sspe内气体做功过程特性，课题组建立了sspe的数学模型并制造了样机。模拟和实验结果表明，当进气压力为2mpa，转速为420r/min时，sspe的输出功率为1.93kw
4、在分析上述结果的基础上，课题组提出了一种基于喷雾换热的改进型两级活塞式膨胀机（m-tspe），具体参考图2。图2示出的是m-tspe的立体结构示意图，m-tspe的两个气缸串联在同一曲轴上，具有相同的连杆比和活塞冲程。气缸的两个阶段都完成了进气、膨胀和排气，i级活塞式膨胀机21和ii级活塞式膨胀机22具有与上述sspe相同的零部件。但i级和ii级的相位差为180°，ii级气缸与i级气缸的缸径比为1.4左右。在i级气缸的上止点位置开有一个小孔通向ii级气缸的进气门通道，在i级气缸的顶部位置开有一个排气门通道通向大气。为保证快速响应，m-tspe采用双进排气阀的凸轮机构来控制气流的通断。详细的工作过程如下所示，在i级进气冲程期间，i级进气门打开。气源气体通过i级进气门流入i级气缸，推动i级活塞从上止点向下止点运动。此时，ii级气缸的排气门打开。ii级活塞从下止点移动到上止点，将ii级气缸的残余空气排入大气。在i级膨胀冲程期间，i级进气门关闭。i级气缸中的空气膨胀做功，推动活塞向下止点移动，直到到达下止点。此时，ii级活塞仍向上止点方向运动，直至到达上止点，ii级气缸内的残余空气全部排入大气。在i级进气和膨胀冲程中，水雾喷口不断向气缸内喷射微米级水雾，与气缸内的i级气体进行热交换。在i级排气利用行程中，ii级进气门打开。i级气缸内的水雾和残余空气先经水雾过滤器分离，残余空气流入ii级气缸，推动ii级活塞工作。水雾过滤器的作用是防止水雾进入ii气缸，避免水雾与ii级气缸中的空气进行热交换，防止水雾温度降至冰点。在i级排气冲程中，当i级气缸的活塞上升到一定位置时，i级排气门打开，ii级进气门关闭。残余空气和水雾通过i级活塞运动排入大气，并直接到达上止点。此时，ii级气缸中的空气膨胀做功，推动ii级活塞到达下止点。m-tspe完成一个工作循环。在给定的边界条件下，相比较于无喷雾换热的两级活塞式膨胀机，m-tspe的输出功率和能量利用效率分别提高了57.58%和13.28%。
5、但是，上述公开的m-tspe存在的问题是：ii级推动活塞做正功时，i级活塞会受到反向力的作用，导致i级向ii级排气时波动性强，能量损失大，影响了膨胀机的能量利用效率，因此亟需一种排气波动性小，能量损失小的固液耦合式两级活塞式膨胀系统。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，解决上述
技术介绍
中提出的现有单级活塞式膨胀机排气压力高，排气波动性强，能量损失大的问题。
2、本专利技术采用的技术方案如下：一种单级活塞式膨胀单元，包括气缸，气缸上设有第一进气门、第一排气门，气缸上设有控制模块，控制模块控制第一进气门、第一排气门的开启或关闭；气缸的一侧设置有支管，支管位于第一排气门的下方，支管连接有水气共容系统，水气共容系统与控制模块连接。
3、作为对气缸的进一步限定：气缸内设有活塞，活塞的一端连接有连杆，连杆另一端与曲轴连接，曲轴用于与输出装置相连接。
4、作为对控制模块的进一步限定：控制模块包括控制器，控制器连接有单级活塞式膨胀单元的进气控制单元、排气控制单元，排气控制单元与水气共容系统连接；进气控制单元、排气控制单元分别用于向气缸充气、放气。
5、作为对本专利技术的优化方案：支管与水气共容系统的进气端的连接管道设有水雾过滤器，水雾过滤器与支管内工质流出方向一致。
6、第二方面，本专利技术公开了一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，包括单级活塞式膨胀单元以及水气共容系统，单级活塞式膨胀单元的支管通过管道与水气共容罐的第二进气门连接，水气共容罐的进（出）水口管道与水泵水轮机一个端口连接，水泵水轮机的另一端口与蓄水罐连接；控制器上还连接有水气共容系统进气控制单元、排气控制单元、进（出）水控制单元，进气控制单元、排气控制单元、进（出）水控制单元与水气共容罐连接，进气控制单元、排气控制单元、进（出）水控制单元分别用于向水气共容罐充气、排气、进（出）水。
7、作为对固液耦合式两级活塞式膨胀系统的进一步限定：水气共容系统的包括水气共容罐、水泵水轮机、蓄水罐；水气共容罐，水泵水轮机，蓄水罐串联连接。
8、本专利技术的有益效果在于：第一，本专利技术通过将空气的可压缩性与水泵水轮机的高效性有机结合，解决了排气过程中的压力波动问题。
9、第二，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，包括单级活塞式膨胀单元以及水气共容系统，其特征在于：单级活塞式膨胀单元，包括气缸（1），气缸（1）上设有第一进气门（2）、第一排气门（4）、水雾喷口（3）；气缸（1）上设有控制模块（20），控制模块（20）控制第一进气门（2）、第一排气门（4）、水雾喷口（3）的开启或关闭；气缸（1）的一侧设置有支管（9），支管（9）连接有水气共容系统，水气共容系统，包括水气共容罐（10）、水泵水轮机（11）、蓄水罐（12）；水气共容罐（10）上设有第二进气门（13）、第二排气门（14）、第一水口（17）；第二进气门（13）与支管（9）相连；蓄水罐（12）上设有第二水口（18）；控制模块（20）控制第二进气门（13）、第二排气门（14）、第一水口（17）、第二水口（18）的开启或关闭。
2.根据权利要求1所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，其特征在于：气缸（1）内设有活塞（5），活塞（5）的一端连接有连杆（7），连杆（7）另一端与曲轴（8）连接，曲轴（8）用于与输出装置相连接。
3.根据权利要求1所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系
4.根据权利要求1所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，其特征在于：控制模块（20）包括控制器，控制器连接有单级活塞式膨胀单元进气控制单元、排气控制单元，进气控制单元、排气控制单元与水气共容系统连接；进气控制单元、排气控制单元分别用于向气缸（1）充气、放气。
5.根据权利要求4所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，其特征在于：控制器上还连接有水气共容系统进气控制单元、排气控制单元、进出水控制单元，进气控制单元、排气控制单元、进出水控制单元与水气共容罐（10）连接，进气控制单元、排气控制单元、进出水控制单元分别用于向水气共容罐（10）充气、排气、进出水。
6.根据权利要求1所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，其特征在于：水气共容罐（10）与水泵水轮机（11）连接；水泵水轮机（11）与蓄水罐（12）串联连接。
7.根据权利要求1所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，其特征在于：支管（9）与水气共容罐（10）的连接管道上设有水雾过滤器（19），水雾过滤器（19）与支管（9）内的工质流出方向一致。
...【技术特征摘要】
1.一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，包括单级活塞式膨胀单元以及水气共容系统，其特征在于：单级活塞式膨胀单元，包括气缸（1），气缸（1）上设有第一进气门（2）、第一排气门（4）、水雾喷口（3）；气缸（1）上设有控制模块（20），控制模块（20）控制第一进气门（2）、第一排气门（4）、水雾喷口（3）的开启或关闭；气缸（1）的一侧设置有支管（9），支管（9）连接有水气共容系统，水气共容系统，包括水气共容罐（10）、水泵水轮机（11）、蓄水罐（12）；水气共容罐（10）上设有第二进气门（13）、第二排气门（14）、第一水口（17）；第二进气门（13）与支管（9）相连；蓄水罐（12）上设有第二水口（18）；控制模块（20）控制第二进气门（13）、第二排气门（14）、第一水口（17）、第二水口（18）的开启或关闭。
2.根据权利要求1所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，其特征在于：气缸（1）内设有活塞（5），活塞（5）的一端连接有连杆（7），连杆（7）另一端与曲轴（8）连接，曲轴（8）用于与输出装置相连接。
3.根据权利要求1所述的一种固液耦合式两级活塞式膨胀系统，其特征在于：气缸（1）上设有喷雾...
【专利技术属性】
技术研发人员：虞启辉，寇全鹏，郝雪清，孙国鑫，秦日鹏，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：
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