一种带配重机构的自由活塞膨胀式液压动力输出系统

技术领域

本发明涉及一种利用工业排放低温废气的余热余压能源输出动能的动力输 出系统技术领域，尤其涉及一种带配重机构的自由活塞膨胀式液压动力输出系 统。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，人类的一切社会活动和生 存都依赖于能源的供给。我国经济发展步入新常态，能源消费增速趋缓，发展质 量和效率问题突出，能源系统整体效率较低。我国工业余热余压、废气废热等低 品位能源具有种类多、储量大的特点，由于低品位能源的焓值低、能量传输消耗 大、投资回报周期长等问题的存在，一直以来都被舍弃或者未被充分利用，不仅 造成了能源浪费，还会引起环境污染等问题。因此，研发一种能源回收系统回收 低品位能源，不仅提高了能源利用率，还减少了污染物的排放问题。传统的能源 回收系统通常选择透平式膨胀机作为原动机，不仅造价昂贵，而且其效率不高、 使用及维修复杂，难以大规模应用。

发明内容

本发明意在提供一种带配重机构的自由活塞膨胀式液压动力输出系统，以解 决现有的余热余压资源浪费现象、余热余压能源回收设备造价昂贵、回收设备的 使用及维修复杂的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带配重机构的自由活塞膨 胀式液压动力输出系统，包括进气管路、排气管路、能量转换单元和能量输出单 元；

所述能量转换单元包括自由活塞膨胀机和柱塞缸，所述自由活塞膨胀机的活 塞杆和柱塞缸的活塞杆之间连接有配重机构，所述自由活塞膨胀机的膨胀腔室通 过管路连接有相互并联的开关阀A和开关阀B，所述开关阀A与进气管路连接， 所述开关阀B与排气管路连接，所述柱塞缸的工作腔连接有第一支路和第二支 路，所述第一支路依次设有第一单向阀和第一油箱，所述第二支路依次设有第二 单向阀、第三单向阀、第二蓄能器、手动泵和第二油箱，所述第二单向阀的两端 并联有二位二通电磁阀，所述第二单向阀与第二油箱之间设有第二安全阀；

所述能量输出单元包括第三支路，所述第三支路与柱塞缸的工作腔连接，且 第三支路与柱塞缸的工作腔之间的管路上设有第四单向阀，所述第三支路依次设 有单向定量液压马达、第三油箱和第一蓄能器，所述第三油箱与第三支路之间还 设有第一安全阀。

优选地，所述柱塞缸为单作用液压式柱塞缸。

优选地，所述开关阀A和开关阀B均为高速开关阀。

优选地，所述配重机构包括配重块，所述配重块的底部安装有滚轮。

优选地，所述能量转换单元设置有多个且相互并联，多个能量转换单元连接 同一能量输出单元。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、与传统的自由活塞膨胀机相比较，本系统采用液压回路来实现活塞杆的 返程运动，液压回路起到一个液压弹簧的作用，不仅可以使活塞杆的运动更加平 稳、高效，而且还降低了摩擦力，减少了气泄损失，提高了能量转换效率；液压 回路中的液压元件体积小、重量轻，可使该系统更加紧凑；整个液压动力输出系 统传递功率大，传动更加平稳，方便实现缓冲、安全保护等功能；液压动力输出 系统可与自动化技术相结合，可使该系统更趋于智能化的操作。

2、由于气体在膨胀机内迅速膨胀，短时间释放大量的能量，会对活塞杆造 成很大的冲击，配重机构可将气体的内能转化为配重机构动力势能，从而实现气 体的焓降，配重机构起缓冲作用，保持活塞杆的稳定性；同时，在气体膨胀过程 中，配重机构还起到蓄能作用，等到气体膨胀过程结束之后，可推动活塞杆继续 运动；并且，配重机构设计成质量块加上滚轮或者滚动轴承的结构形式，很大程 度地降低摩擦力，减少摩擦耗散，提高了能量转换效率。

3、本系统采用单作用液压式柱塞缸，活塞杆与导向套配合在柱塞缸内进行 直线运动，因此柱塞缸的内壁不需要精加工，这将极大地减小了高精度面的加工 处理，降低了制造成本；单作用液压式柱塞缸的结构简单，工作可靠，可使活塞 杆的往复运动更加平稳，而且柱塞缸的密封性能好，与活塞杆之间没有传动间隙， 提高了传动效率。

4、气体进行自由膨胀的过程中，会在短时间内释放巨大的能量，尽管本系 统设置了缓冲装置，但是该能量传递至液压马达时依旧会有压强脉动现象产生， 而本系统设计了蓄能器，起到滤波的功能，减少压强脉动现象的产生，提高了能 量转换效率。

5、本系统的能量转换单元可设计多个并联，持续高效地回收废气的余热余 压能源，源源不断地向液压马达输送液压能，液压马达可带动机械装置对外输送 动力，极大地提高了能量转换效率；并且，每两个能量转换单元通过控制高速开 关阀启闭时间来使输入信号的相位相互错开，使得气体可以充分地进行自由膨胀 过程，同时减小气体流量和压强的脉动现象，源源不断地向液压马达输送液压能， 极大地提高了能量转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种带配重机构的自由活塞膨胀式液压动力输 出系统的结构示意图。

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：

说明书附图中的附图标记包括：位移传感器1、自由活塞膨胀机2、配重机 构3、单作用液压式柱塞缸4、第一油箱5、第一单向阀6、二位二通电磁阀7、 第二单向阀8、第二安全阀9、第二油箱10、第二蓄能器11、第三单向阀12、 手动泵13、第四单向阀14、单向定量液压马达15、第一安全阀16、第三油箱 17、第一蓄能器18、能量转换单元19。

如图1所示的，一种带配重机构3的自由活塞膨胀式液压动力输出系统，包 括进气管路、排气管路、能量转换单元19和能量输出单元。

能量转换单元19包括自由活塞膨胀机2和柱塞缸，自由活塞膨胀机2内设 有位移传感器1，自由活塞膨胀机2的活塞杆和柱塞缸的活塞杆之间固定连接有 配重机构3，配重机构3包括配重块，配重块的底部安装有滚轮。自由活塞膨胀 机2的膨胀腔室通过管路连接有相互并联的开关阀A和开关阀B，开关阀A和开 关阀B均为高速开关阀，开关阀A与进气管路通过管路连接，开关阀B与排气管 路通过管路连接。

柱塞缸为单作用液压式柱塞缸4，柱塞缸的工作腔连接有第一支路和第二支 路，第一支路依次设有第一单向阀6和第一油箱5，第二支路依次设有第二单向 阀8、第三单向阀12、第二蓄能器11、手动泵13和第二油箱10，第二单向阀8 的两端并联有二位二通电磁阀7，第二单向阀8靠近第二油箱10的一端与第二 油箱10之间设有第二安全阀9，即第二安全阀9与第二蓄能器11和第三单向阀 12、手动泵13之间为并联关系。

能量输出单元包括第三支路，第三支路与柱塞缸的工作腔通过管路连接，且 第三支路与柱塞缸的工作腔之间的管路上设有第四单向阀14，第三支路依次设 有单向定量液压马达15、第三油箱17和第一蓄能器18，第三油箱17与第三支 路之间的管路上还设有第一安全阀16。

优选地，在一些其它实施例中，能量转换单元19还可设置有多个且相互并 联，多个能量转换单元19连接同一能量输出单元，每两个能量转换单元19通过 控制高速开关阀启闭时间来使输入信号的相位相互错开，使得气体可以充分地进 行自由膨胀过程。

具体实施过程如下：打开手动泵13，从第二油箱10中抽取液压油，调节第 二安全阀9的压力，打开二位二通电磁阀7，液压油经第二支路进入柱塞缸的工 作腔，推动活塞杆运动到上止点位置。进气过程：关闭二位二通电磁阀7，调节 第一安全阀16和第二安全阀9的初始压力，用以保护第一蓄能器18和第二蓄能 器11；打开高速开关阀A，气体从进气管路进入，并通过高速开关阀A进入自由 活塞膨胀机2中，推动其活塞杆运动。膨胀过程：关闭高速开关阀A，气体在自 由活塞膨胀机2内进行自由膨胀，继续推动其活塞杆运动；自由活塞膨胀机2 的活塞杆推动配重机构3运动，此过程配重机构3起到缓冲和蓄能的作用；当自 由活塞膨胀机2中气体膨胀过后的压力小于柱塞缸中的压力时，配重机构3释放 积蓄的能量带动活塞杆继续运动至下止点位置；单作用液压式柱塞缸4中的液压 油在活塞杆的推动作用下，一部分流经第四单向阀14，进入第三支路，带动单 向定量液压马达15运动，进行动力输出过程，第一蓄能器18起到滤波的作用； 另一部分液压油流经第二单向阀8，对第二蓄能器11进行蓄能。排气过程：打 开高速开关阀B和二位二通电磁阀7，释放第二蓄能器11中的液压能，并从第 一油箱5中吸取液压油，将液压油经第一支路传导至柱塞缸的工作腔中，推动活 塞杆进行返程运动，排出自由活塞膨胀机2中的气体，第二蓄能器11起到蓄力 弹簧的作用。当位移传感器1检测到活塞杆运动至上止点位置时，关闭高速开关 阀B，开始下一个能量转换单元19的进气过程，以此为一个周期，循环进行。 其中，本系统的各液压元件，包括但不限于高速开关阀A、高速开关阀B、第一 油箱5、第二油箱10、第三油箱17、二位二通电磁阀7、第一蓄能器18和第二 蓄能器11，均由PLC控制器控制。

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和/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，说中的具体实施方式等记载可以用于解释 权利要求的内容。