专利名称：一种带液操作结构的活塞式膨胀机的制作方法
技术领域：
本发明涉及活塞式膨胀机，具体说是一种带液操作结构的活塞式膨胀机。
背景技术：
等熵膨胀可视为绝热压缩的逆向过程，所以膨胀机很象反过来使用的压缩机，两者在结构和使用特点方面都有很多相通的地方。活塞式压缩机禁忌在工作过程中出现液体。因为液体具有不可压缩性，一旦液体受到压缩，将会在汽缸内产生“水击”现象，从而造成活塞连杆系统损坏。同理，活塞式膨胀机也不能允许“水击”现象的发生。因此在我国，目前所使用的活塞式膨胀机，均不适用于带液操作的场合。但在有些两相流的应用领域，例如石化装置中利用膨胀制冷来分离回收烯烃、烷烃、精氮及能量，汽缸中带液操作在所难免，所以，发明一种活塞式膨胀机的新结构，使之能够带液操作是有必要的。传统的气体活塞式膨胀机的主体结构都是立式的，“活塞一汽缸”垂直布置。其进、 排气采用的是双凸轮阀结构(参见图1)，进、排气都在汽缸7的顶端完成，所述汽缸7的腔体内设有活塞2，汽缸7的顶端设有汽缸盖9，汽缸盖9和汽缸7的侧壁间留有进气道和排气道，所述进气道和排气道与活塞2所在的腔体连通，且与大气连通的开口处分别设有进气阀1和排气阀8。传统的气体活塞式膨胀机工作时，连杆3带动活塞2在上、下死点之间往复运行， 连杆3下端与曲轴5连接，曲轴5左右两端分别设有进气凸轮4和排气凸轮6。当活塞2位于上死点时，进气凸轮4打开进气阀1(图1)。随即活塞2下行，膨胀机开始进气。当活塞 2下行到一定位置时，进气凸轮4关闭进气阀1，膨胀机进入膨胀制冷过程(图幻。当活塞 2下行至下死点时，膨胀过程结束。同时活塞2反身向上进行压缩过程(图幻。当活塞2 上行到一定位置时，排气凸轮6开启排气阀8，膨胀机开始排气(图4)。当活塞2重新上行到上死点时，排气凸轮6关闭排气阀8，排气过程结束(图5)。如果在膨胀制冷过程中，气体有冷凝液析出，则液体受重力影响沉降在活塞2顶端。当膨胀过程结束时，这些液体随活塞处于低位，液体就积存在汽缸的下方。反向过程 (压缩)开始后，活塞向上运行，液体也随之上行。当排气阀8打开后，活塞上端的积液会有一部分受气体扰动而被离散并由气体夹带排出。但由于这种排液方式有很强的随机性，无法进行定量控制，所以仍会有一部分液体存留在汽缸内。随着“膨胀一压缩”过程周而复始地进行，汽缸内积液就可能愈来愈多，直至“水击”现象的发生。所以传统气体活塞式膨胀机双凸轮阀的结构，不适用于带液操作。另外，活塞2在汽缸7中进行往复运动，行至上死点位置时，活塞顶端与汽缸顶端必须保有一定的间隙，以避免两者发生碰撞。这个间隙被称为余隙10 (参见图5)。余隙10 中残存的气体虽然也周而复始地参加压缩和膨胀，但这部分气体始终没有对外做功。因此， 余隙10的存在造成了效率损失。为了减少余隙所造成的效率损失，压缩机设计时都信守余
3隙尽可能小的原则，故余隙的轴向高度通常都控制在2mm以内。对于膨胀机而言，这一原则也是适用的，传统的气体活塞式膨胀机的余隙也比较小。但膨胀机用于两相流操作时，过小的余隙却容易产生“水击”的风险。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种带液操作结构的活塞式膨胀机，能够将汽缸中的绝大部分液体在一次排气过程中排出，汽缸的余隙便于调整，减少了效率损失，且不容易产生“水击”的风险。为达到以上目的，本发明采取的技术方案是一种带液操作结构的活塞式膨胀机，其特征在于，包括以下部件汽缸7，其上端设有汽缸盖9 ；锥顶活塞13，设于汽缸7的腔体内，其外表面套装有若干活塞环12 ；顶杆15，设于锥顶活塞13的顶端，与锥顶活塞13螺纹连接；余隙套11，设于汽缸7和汽缸盖9的连接部，上半部分位于汽缸盖9内，下半部分位于汽缸7腔体内，沿余隙套11纵轴线设有一通孔，通孔的直径大于顶杆15的外径，余隙套11下表面内凹，凹面呈梯形，与锥顶活塞13上端的锥面形状适配，二者之间的空间构成余隙10 ；进气阀体14，呈倒梯形，位于汽缸盖9内，且进气阀体14下端置于余隙套11上的通孔中，进气阀体14和汽缸盖9侧壁间设有弹簧17 ；在与锥顶活塞13的下死点对应的汽缸7侧壁上，沿径向设有若干排气液孔16，在汽缸盖9的侧壁上设有进气口。在上述技术方案的基础上，排气液孔16的下沿与活塞下死点等高。在上述技术方案的基础上，排气液孔16的开孔方式为环向长孔。在上述技术方案的基础上，汽缸7直径120mm，锥顶活塞13行程IOOmm ；沿余隙套11纵轴线设置的通孔的直径45mm，顶杆15直径20mm，顶杆15和锥顶活塞13螺纹连接实现顶杆轴向高度调节范围20mm ；排气液孔16孔轴向高度8mm，开孔环向总长度为158mm。在上述技术方案的基础上，在汽缸7和汽缸盖9外设有保温套18。在上述技术方案的基础上，汽缸7下端与填料函19连接，填料函19下端与曲轴箱 22连接，曲轴箱22内设有曲轴5，曲轴5的一端穿出曲轴箱22后与皮带轮23连接，连杆3下端与曲轴5连接，上端通过十字连接接头21与活塞杆M下端连接，活塞杆对上端与锥顶活塞13连接，活塞杆M与填料函19进口处间的间隙内填充有刮油及密封填料20。本发明所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，能够将汽缸中的绝大部分液体在一次排气过程中排出，汽缸的余隙便于调整，减少了效率损失，且不容易产生“水击”的风险。
本发明有如下附图图1是传统的气体活塞式膨胀机结构的进气(排气完毕)示意图；图2是传统的气体活塞式膨胀机结构的膨胀(进气完毕)示意图；图3是传统的气体活塞式膨胀机结构的压缩(膨胀完毕)示意图；图4是传统的气体活塞式膨胀机结构的排气(压缩完毕)示意图；图5是传统的气体活塞式膨胀机结构的排气完毕示意图；图6是带液操作结构的活塞式膨胀机进、排气阀结构排气过程图；图7是带液操作结构的活塞式膨胀机进、排气阀结构压缩过程图；图8是带液操作结构的活塞式膨胀机进、排气阀结构进气过程图。图9是立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机结构示意图(上死点，曲轴转 0° )图示10为图9的A-A视图。图11是立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机结构示意图(曲轴转90° )图12为图11的B-B视图。图13是立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机结构示意图(曲轴转135° )图14为图13的C-C视图。图15是立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机结构示意图(下死点，曲轴转 180° )图16为图15的D-D视图。附图标记1、进气阀；2、活塞；3、连杆；4、进气凸轮；5、曲轴；6、排气凸轮；7、汽缸；8、排气阀；9、汽缸盖；10、余隙；11、余隙套；12、活塞环；13、锥顶活塞；14、进气阀体；15、顶杆；16、排气液孔；17、 弹簧；18、保温套；19、填料函；20、刮油及密封填料；21、十字连接接头；22、曲轴箱；23、皮
带轮；24、活塞杆。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，首先改变了传统活塞式膨胀机采用凸轮阀、自下而上的排气(液)的结构方式。使排气变得顺畅、不留死角，以便能够将汽缸中的绝大部分液体在一次排气过程中排出。其次，使汽缸的余隙便于调整，且不容易产生“水击”的风险。为减小产生“水击” 的风险所以，本发明要保留较大的余隙。但由于各种分离工艺中的气体组分、膨胀比、以及其它条件的不同，都会使汽缸中的带液量不同，而排气后仍有可能存于汽缸内的残液量也随之不同。因此带液操作结构的活塞式膨胀机的余隙要能便于调整，以适应不同的需要。本发明将余隙一般控制在占缸内容积的10% 30%，本机器要求缸内与排气口外有压差，利用压差排出缸内气体及液体，压差要>0. IMpa。采用本结构可使工质含液量不受限制，即使全部为液体也没问题。实际工作中通过调整各个工况参数每一个冲程的排出量可达70% 90%。从理论上精确计算汽缸内的残液量是困难的，所以合理的余隙须通过试验来确定。显然，通过改变汽缸盖9的结构尺寸来调整余隙的方法是比较麻烦的。因此，需要设立一种新的结构，使余隙的调整不仅便捷而且有利于装置现场的操作。本发明所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，其结构及工作过程如图6 16所示，包括连杆3、曲轴5、汽缸7、汽缸盖9、余隙套11、活塞环12、锥顶活塞13、进气阀体14、 顶杆15、排气液孔16、弹簧17、保温套18、填料函19、刮油及密封填料20、十字连接接头21、 曲轴箱22、皮带轮23、活塞杆M。本发明所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，如图6所示，包括以下部件汽缸7，其上端设有汽缸盖9 ；锥顶活塞13，设于汽缸7的腔体内，其外表面套装有至少一个活塞环12，也可以在锥顶活塞13外表面套装有若干活塞环12 ；锥顶活塞13可在汽缸7的腔体内上下移动，活塞环12将锥顶活塞13和汽缸7壁体间的间隙密封；顶杆15，设于锥顶活塞13的顶端，与锥顶活塞13螺纹连接(参见图8)；余隙套11，设于汽缸7和汽缸盖9的连接部，上半部分位于汽缸盖9内，下半部分位于汽缸7腔体内，沿余隙套11纵轴线设有一通孔，通孔的直径大于顶杆15的外径，余隙套11下表面与锥顶活塞13上端的锥面形状适配，二者之间的空间构成余隙 10(参见图7)；例如余隙套11下表面内凹，凹面呈梯形(更具体的说，是余隙套11纵向剖面后，下表面的凹面呈梯形)，与锥顶活塞13上端的锥面形状适配，进气阀体14，纵向截面呈倒梯形，位于汽缸盖9内，且进气阀体14下端置于余隙套 11上的通孔中，进气阀体14和汽缸盖9侧壁间设有弹簧17 ；进气阀体14的形状亦可为适于实际使用情况的任何形状，在与锥顶活塞13的下死点对应的汽缸7侧壁上，沿径向设有若干排气液孔16，在汽缸盖9的侧壁上设有进气口。带液操作结构的活塞式膨胀机的主体结构为立式，将排气液孔16设置在汽缸的下方，即活塞的下死点处(图6)。使排气(液)的方向与气体膨胀和液体沉降的方向一致。 从而克服了传统的气体活塞式膨胀机向下膨胀、向上排气的结构排液不顺畅的弱点。排气液孔16、锥顶活塞13和活塞环12构成了滑阀。排气液孔16的下沿与活塞下死点等高，当带液操作结构的活塞式膨胀机进入排气阶段时，活塞滑行到排气液孔16所在区域，汽缸内的气(液)通过排气液孔16排出。当活塞反身向上脱离排气液孔16所在区域时，由于活塞环12的密封作用，排气的通道被关闭，带液操作结构的活塞式膨胀机排气阶段结束。锥顶活塞13的顶面呈锥台状，消除了排气(液)的死角，有利于气液的排出，液体沿呈锥台状的顶面自然流动到排气液孔16并从排气液孔16中排出汽缸7之外。进气阀体14和余隙套11构成了“内置顶升阀”形式的进气阀，当锥顶活塞13上行至“指定位置”时(参见图7)，活塞上端的顶杆15将进气阀体14顶起，带液操作结构的活塞式膨胀机开始进气。当锥顶活塞13上行至上死点时(图8)，进气阀的开启度达到最大。 当活塞回程向下时，进气阀体14依靠弹簧17复位。当锥顶活塞13下行至“指定位置”时，
6进气阀关闭。进气阀启、闭的“指定位置”可以通过螺旋调节顶杆15的高度来设定。由于“内置顶升阀”在活塞到达上死点之前就打开了进气通道，所以尽管活塞仍继续上行，但对汽缸中的气体或液体已不构成压缩了。因此这一措施相当于将原有的余隙10 扩大，从而避免了“水击”现象的发生。而顶升阀开启的“指定位置”与活塞上死点的距离越大，防范“水击”的裕度就越大。因此通过调整顶杆高度可以改变余隙容积，有效地防范“水击”。虽然通过更换凸轮也能达到同样的目的。但从满足多种条件带液膨胀的需要出发，显然“螺旋调节顶杆高度”的手段比更换凸轮更便捷、更有利于带液操作结构的活塞式膨胀机的现场操作。图9 16为一具体实施例，其为采用本发明所述技术方案的立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机。如图9、10所示，在汽缸7和汽缸盖9外设有保温套18，汽缸7下端与填料函19连接，填料函19下端与曲轴箱22连接，曲轴箱22内设有曲轴5，曲轴5的一端穿出曲轴箱22后与皮带轮23连接，连杆3下端与曲轴5连接，上端通过十字连接接头21与活塞杆M下端连接，活塞杆对上端与锥顶活塞13连接，活塞杆M与填料函19进口处间的间隙内填充有刮油及密封填料20。该具体实施例所示立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机的特性为汽缸7直径120mm，锥顶活塞13行程100mm，工作转速500r. p. m，最大膨胀比30， 处理能力500kg/h石化装置尾气。可用于回收烯烃、精氮、及电能。构成立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机的“内置顶升阀”的各部件中，沿余隙套11纵轴线设置的通孔为阀口，阀口直径45mm，顶杆15直径20mm，顶杆15和锥顶活塞13螺纹连接实现顶杆轴向高度调节范围20mm。构成立式双缸单阀带液操作结构的活塞式膨胀机的“滑阀”的各部件中，排气液孔 16的开孔方式为环向长孔，孔轴向高度8mm，开孔环向总长度为158mm。本发明与传统的立式双缸气体活塞式膨胀机的最大区别主要有四点1、将排气液孔16设置在汽缸7的下方，克服了传统的气体活塞式膨胀机向下膨胀、向上排气的结构排液不顺畅的弱点，从而使液体顺利排出。2、采用滑阀代替传统的气体活塞式膨胀机的凸轮排气阀，就是在汽缸壁环向上开若干个排气液孔16，孔的下沿与活塞下死点等高。当膨胀机进入排气阶段，活塞滑行到排气液孔16区域，汽缸内的气(液)通过众排气液孔16排出。当活塞反身向上脱离排气液孔16区域时，由于活塞环的密封作用，排气的通道被关闭，膨胀机排气阶段结束，采用这样的原理使缸内液体基本排净。3、将活塞的上端做成锥台状成为锥顶活塞13，锥顶活塞消除了传统的气体活塞式膨胀机采用平顶活塞产生的排气(液)死角，更利于气液的排出。4、大余隙，即通过将凸轮进气阀改为“内置顶升阀”。由于“内置顶升阀”在活塞到达上死点之前就打开了进气通道，所以尽管活塞仍继续上行，但对汽缸中的气体或液体已不构成压缩了。因此这一措施”现象的发生相当于将原有的余隙10扩大，从而避免了传统的气体活塞式膨胀机“水击”现象的发生。
由于采用了以上四个措施使得本发明的带液操作结构的活塞式膨胀机成为一种全新的立式双缸活塞式膨胀机可以完全应用在两相流的领域。如石化装置中利用膨胀制冷来分离回收烯烃、烷烃、精氮及能量等，这是传统的气体活塞式膨胀机不可能做到的。
权利要求
1.一种带液操作结构的活塞式膨胀机，其特征在于，包括以下部件 汽缸(7)，其上端设有汽缸盖(9)；锥顶活塞(13)，设于汽缸(7)的腔体内，其外表面套装有至少一个(12)； 顶杆(15)，设于锥顶活塞(1 的顶端，与锥顶活塞(1 螺纹连接； 余隙套(11)，设于汽缸(7)和汽缸盖(9)的连接部， 沿余隙套(11)纵轴线设有一通孔，通孔的直径大于顶杆(1 的外径， 余隙套(11)下表面与锥顶活塞(1 上端的锥面形状适配，二者之间的空间构成余隙 (10)；进气阀体(14)，位于汽缸盖(9)内，且进气阀体(14)下端置于余隙套(11)上的通孔中，进气阀体(14)和汽缸盖(9)侧壁间设有弹簧(17)；在与锥顶活塞(1 的下死点对应的汽缸(7)侧壁上，沿径向设有若干排气液孔(16)， 在汽缸盖(9)的侧壁上设有进气口。
2.如权利要求1所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，其特征在于排气液孔(16)的下沿与活塞下死点等高。
3.如权利要求1所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，其特征在于排气液孔(16)的开孔方式为环向长孔。
4.如权利要求1所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，其特征在于汽缸(7)直径 120mm，锥顶活塞(1 行程IOOmm ；沿余隙套(11)纵轴线设置的通孔的直径45mm，顶杆(15)直径20mm，顶杆(15)和锥顶活塞(13)螺纹连接实现顶杆轴向高度调节范围20mm;排气液孔(16)孔轴向高度8mm，开孔环向总长度为158mm。
5.如权利要求1或2或3或4所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，其特征在于在汽缸(7)和汽缸盖(9)外设有保温套(18)。
6.如权利要求1或2或3或4所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，其特征在于汽缸(7)下端与填料函(19)连接，填料函(19)下端与曲轴箱02)连接，曲轴箱(22)内设有曲轴(5)，曲轴(5)的一端穿出曲轴箱02)后与皮带轮03)连接，连杆C3)下端与曲轴( 连接，上端通过十字连接接头与活塞杆04)下端连接， 活塞杆04)上端与锥顶活塞(1 连接，活塞杆M与填料函19进口处间的间隙内填充有刮油及密封填料OO)。
全文摘要
本发明涉及一种带液操作结构的活塞式膨胀机，包括以下部件上端设有汽缸盖的汽缸；锥顶活塞设于汽缸的腔体内；顶杆设于锥顶活塞的顶端；余隙套设于汽缸和汽缸盖的连接部，沿余隙套纵轴线设有一通孔，通孔的直径大于顶杆的外径，余隙套下表面与锥顶活塞上端的锥面形状适配，二者之间的空间构成余隙；倒梯形的进气阀体下端置于余隙套上的通孔中，进气阀体和汽缸盖侧壁间设有弹簧；在与锥顶活塞的下死点对应的汽缸侧壁上，沿径向设有若干排气液孔，在汽缸盖的侧壁上设有进气口。本发明所述的带液操作结构的活塞式膨胀机，能够将汽缸中的绝大部分液体在一次排气过程中排出，汽缸的余隙便于调整，减少了效率损失，且不容易产生“水击”的风险。
文档编号F01B17/02GK102383862SQ20101026645
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者杨扬, 肖青 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院