专利名称：低熵混燃循环热动力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种低熵混燃循环热动力系统。
背景技术：
1769年，外燃机的诞生直接引发了人类的第一次工业革命，也造就了大不列颠这 个日不落帝国。1883年汽油机的诞生和1897年柴油机的诞生，标志着人类由外燃时代进入 内燃时代的开始。以汽油机和柴油机为代表的内燃机，构筑了现代文明的动力基础，承载着 人类无数梦想。由此可见，无论是外燃机还是内燃机，对人类文明的进程都作出了不可估量 的贡献。时至今日，一个国家的内燃和外燃发动机设计、研发及生产水平是这个国家的综合 国力的基本构成，也是这个国家的工业水平的标志。所有发达国家在内燃和外燃发动机领 域里的投入都是十分惊人的。所有能够代表世界水平的发动机研发制造企业也都隶属于发 达国家。然而，由于外燃机的热力学循环方式和内燃机的热力学循环方式的限制，导致了在 这两个循环系统中只有部分热量参与作功循环而且还导致了外燃循环系统的T1值(即高 温热源的温度，也就是即将膨胀作功时工质的温度)低和内燃循环系统的T2值(即低温热 源的温度，也就是膨胀冲程/过程完了时工质的温度)高的问题，更导致了无法解决的污染 问题，最终造成无论是外燃机还是内燃机都无法使热动力系统的热效率(输出的功和燃料 热值之比)有本质上的大幅度提高，排放污染问题也无法从根本上解决。事实上目前利用 这两种热力学循环方式，对化石能源以及生物质能源进行热功转换，不仅是对能源的巨大 浪费，也是对环境巨大的破坏。由此可见，必须发明一种新的循环方式才能从本质上提高热动力系统的热效率和 解决排放污染问题。
发明内容
在热动力系统内，如果燃烧室是绝热燃烧室燃料在燃烧时会将燃烧产生的热量传 递给产物受热流体和相内受热流体，如果燃烧室是非绝热燃烧室燃料在燃烧时会将燃烧产 生的热量传递给产物受热流体、相内受热流体以及相外受热流体。所谓产物受热流体是指 燃烧化学反应的生成物(例如，燃烧碳氢化合物的热动力系统中燃烧产生的二氧化碳和 水)；所谓相内受热流体是指与燃烧化学反应处于同一相内但不参与燃烧化学反应的流体 (例如，用空气作氧化剂的热动力系统中的氮气以及空气中固有的二氧化碳等)；所谓相外 受热流体是指处于燃烧化学反应相以外并接受燃烧化学反应所产生的热量的流体(例如， 外燃机的水蒸气系统和内燃机的冷却系统)。根据外燃循环热动力系统和内燃循环热动力 系统的工作原理，不难看出，在外燃循环热动力系统中，只有相外受热流体参与作功，而产 物受热流体和相内受热流体并不参与作功(见附图
20)，产物受热流体和相内受热流体虽 然在燃烧过程中受热膨胀但不对外作功只是白白地受热进行熵增大的过程，所以在外燃循 环系统中，有相当多的热量没有通过作功通道，即没有参与作功循环；在内燃循环系统中， 只有产物受热流体和相内受热流体参与作功，而相外受热流体并不参与作功(见附图21)，例如传统内燃热动力系统(内燃机、燃气轮机等)的冷却系统(例如内燃机的缸套冷却系 统)使大量的热量不对外作功，而进行熵增大过程，为此产生巨大的热能浪费。所以在内燃 循环系统中，也有相当多的热量没有通过作功通道，即没有参与作功循环。总之，无论是在 外燃循环热动力系统中还是在内燃循环热动力系统中都有大量的热没有参与作功就排放 到环境中而白白浪费了。 此外，外燃机的特殊传热方式要求必须具有很大的传热温差才能保证传热效率， 由于工质发生器(即锅炉)传热壁材料性能的限制使得工质的T1值(即高温热源的温度) 较低，现代最先进的外燃工质发生器的T1值也只有630°C左右(如超超临界发电机组的锅 炉中的蒸汽)，所以即便采用适当的工质使外燃循环的T2值(即低温热源的温度)降低至 几十度(即330开尔文左右)，但因无法增大T1值，所以外燃循环的热效率仍较低。在传统 内燃循环中，均含有压缩过程或压缩冲程(如燃气轮机的压气过程、传统内燃机的四冲程 循环或二冲程循环中的压缩冲程)，但由于传统热动力系统的结构以及工质流程的限制压 缩冲程完了时的压力不可能达到很高水平，即便是增加压缩力度，也很难把压缩冲程后的 压力设定很高的水平，否则不仅耗功过大(如压缩冲程完了时压力过高，尽管可以使燃烧 后的温度和压力均有明显提高，但由于压缩冲程耗功过多，反而会使整个系统的热效率降 低)，而且还会因为温度过高产生大量NOx对环境产生更大的污染，为此，传统内燃热动力 系统的燃烧室内的压力难以达到很高的水平(一般活塞式内燃机只有15MI^左右，而轮机只有3MPa左右)。由于内燃热动力循环过程中存在方程式
权利要求
1.一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构(1)、燃烧室O)、氧源(3)和燃料源 G)，其特征在于所述氧源C3)经氧高压供送系统(301)与所述燃烧室( 连通，所述燃料 源(4)经燃料高压供送系统G01)与所述燃烧室( 连通，在所述氧高压供送系统(301) 内设置氧吸热热交换器(3011)，所述氧源(3)中的氧在所述氧吸热热交换器(3011)中吸热 形成高压气态氧或临界态氧进入所述燃烧室O)，所述作功机构(1)设为非活塞式作功机 构或活塞式作功机构；在所述作功机构(1)设为非活塞式作功机构的结构中所述氧高压供 送系统(301)的最低承压能力大于等于2MPa，在所述作功机构(1)设为活塞式作功机构的 结构中所述氧高压供送系统(301)的最低承压能力大于等于3MPa ；所述燃烧室(2)与至少一个所述作功机构(1)连通，所述作功机构(1)对外输出动力。
2.一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构⑴、燃烧室(2)、氧源(3)、燃料源⑷ 和膨胀剂源(5)，其特征在于所述氧源C3)经氧高压供送系统(301)与所述燃烧室(2)连 通，所述燃料源(4)经燃料高压供送系统G01)与所述燃烧室( 连通，所述膨胀剂源(5) 经膨胀剂高压供送系统(501)与所述燃烧室(2)连通；在所述氧高压供送系统(301)内设置氧吸热热交换器(3011)，所述氧源(3)中的氧在 所述氧吸热热交换器(3011)中吸热形成高压气态氧或临界态氧进入所述燃烧室O)；在所 述膨胀剂高压供送系统(501)内设置膨胀剂吸热热交换器(5011)，所述膨胀剂源(5)中的 膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器(5011)中吸热形成高压气态膨胀剂或临界态膨胀剂进 入所述燃烧室O)；所述作功机构(1)设为非活塞式作功机构或活塞式作功机构；在所述作功机构(1)设 为非活塞式作功机构的结构中，所述氧高压供送系统(301)和所述膨胀剂高压供送系统 (501)两者中的任何一个的最低承压能力大于等于2MPa;在所述作功机构(1)设为活塞式 作功机构的结构中，所述氧高压供送系统(301)和所述膨胀剂高压供送系统(501)两者中 的任何一个的最低承压能力大于等于3MPa ；所述燃烧室(2)与至少一个所述作功机构(1)连通，所述作功机构(1)对外输出动力。
3.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于在所述燃料源(4) 内的燃料为液化燃料的结构中，在所述燃料高压供送系统G01)内设置燃料吸热热交换器 (4011)，所述燃料源(4)内的液化燃料在所述燃料吸热热交换器G011)中吸热形成高压气 体燃料或临界态燃料进入所述燃烧室(2)。
4.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于在所述低熵混燃循 环热动力系统的排气道内设置高压流体吸热排气热交换器O301)；在设有所述氧吸 热热交换器(3011)的结构中，所述氧吸热热交换器(3011)设为所述高压流体吸热排气热 交换器Q301)；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器(5011)的结构中，所述膨胀剂吸热 热交换器(5011)设为所述高压流体吸热排气热交换器0301)。
5.如权利要求3所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于在所述低熵混燃循环热 动力系统的排气道03)内设置高压流体吸热排气热交换器(2301)，所述燃料吸热热交换 器G011)设为所述高压流体吸热排气热交换器0301)。
6.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于在所述低熵混燃 循环热动力系统中设置高压流体吸热环境热交换器030 ；在设有所述氧吸热热交换 器(3011)的结构中，所述氧吸热热交换器(3011)设为所述高压流体吸热环境热交换器(2302)；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器(5011)的结构中，所述膨胀剂吸热热交换 器(5011)设为所述高压流体吸热环境热交换器0302)。
7.如权利要求3所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于在所述低熵混燃循环热 动力系统中设置高压流体吸热环境热交换器(2302)，所述燃料吸热热交换器0011)设为 所述高压流体吸热环境热交换器O302)。
8.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于在所述燃烧室(2) 的燃烧室壁0 内设置高压流体吸热壁内通道O03)；在设有所述氧吸热热交换器(3011) 的结构中，所述氧吸热热交换器(3011)设为所述高压流体吸热壁内通道O03)；和/或在 设有所述膨胀剂吸热热交换器(5011)的结构中，所述膨胀剂吸热热交换器(5011)设为所 述高压流体吸热壁内通道003)。
9.如权利要求3所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于在所述燃烧室O)的燃 烧室壁0 内设置高压流体吸热壁内通道O03)，所述燃料吸热热交换器0011)设为所述 高压流体吸热壁内通道003)。
10.如权利要求2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于所述低熵混燃循环热动 力系统还包括开放燃烧包络(2001)，所述开放燃烧包络Q001)设置在所述燃烧室O)内 并且与所述燃烧室( 连通，所述氧源C3)经氧高压供送系统(301)与所述开放燃烧包络 (2001)连通，所述燃料源(4)经燃料高压供送系统G01)与所述开放燃烧包络O001)连 通，所述膨胀剂源( 经膨胀剂高压供送系统(501)与所述燃烧室( 连通，所述膨胀剂源 (5)内的膨胀剂被导入所述开放燃烧包络O001)和所述燃烧室O)的燃烧室壁0 之间 的空间内，以形成高压气态膨胀剂对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所 述燃烧室O)的燃烧室壁02)的热负荷要求。
11.如权利要求2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于所述低熵混燃循环热动 力系统还包括氧膨胀剂预混室(100)，所述氧源( 经所述氧高压供送系统(301)再经所述 氧膨胀剂预混室(100)与所述燃烧室( 连通，所述膨胀剂源( 经所述膨胀剂高压供送 系统(501)再经所述氧膨胀剂预混室(100)与所述燃烧室( 连通，所述氧源(3)中的氧 和所述膨胀剂源( 中的膨胀剂在所述氧膨胀剂预混室(100)中预先混合后导入所述燃烧 室⑵。
12.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于所述低熵混燃循环 热动力系统还包括氧燃料预混室000)，所述氧源C3)经所述氧高压供送系统(301)再经 所述氧燃料预混室(200)与所述燃烧室( 连通，所述燃料源(4)经所述燃料高压供送系 统(401)再经所述氧燃料预混室(200)与所述燃烧室( 连通，所述氧源(3)中的氧和所 述燃料源中的燃料在所述氧燃料预混室O00)中预先混合后导入所述燃烧室O)。
13.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于充入所述燃烧室 (2)后的原工质的温度等于或低于标准状态的温度。
14.如权利要求2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于所述膨胀剂设为气体液 化物。
全文摘要
本发明公开了一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、燃烧室、氧源和燃料源，氧源经氧高压供送系统与燃烧室连通，燃料源经燃料高压供送系统与燃烧室连通，在氧高压供送系统内设置氧吸热热交换器，氧源中的氧在氧吸热热交换器中吸热形成高压气态氧进入燃烧室，氧高压供送系统的最低承压能力大于等于2MPa；燃烧室与至少一个作功机构连通，作功机构对外输出动力。本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统是以低熵混燃循环为循环模式，是继外燃循环发动机和内燃循环发动机之后的新一代发动机，所述低熵混燃循环热动力系统不生成NOx、可无气体CO2排放、可无热排放、效率高、输出的功甚至可以接近或大于燃料的热值，而且负荷响应好。
文档编号F02G5/04GK102121434SQ20111002353
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月21日 优先权日2010年1月22日
发明者靳北彪 申请人:靳北彪