一种原动机的定压加热热力循环系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出了一种原动机的定压加热热力循环系统，该系统包括多级压缩中冷装置，稳压调压装置（6）、逆流换热器（7）、等压加热室（8）、燃料喷射器（9）、膨胀装置（10）和输出轴（11），本实用新型通过稳压调压装置稳定和调节工质压力；通过逆流换热装置回收膨胀后工质的焓，参与热力循环，提高热能利用率；此外，不实用新型中，燃料通过喷射器喷入等压加热室中进行均匀低温燃烧，有效抑制HC、CO、PM和NOx等有害污染物的产生；膨胀装置的容积大于压缩机的容积，实现充分膨胀后驱动输出轴对外输出功。
【专利说明】一种原动机的定压加热热力循环系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种原动机，特别是一种原动机的定压加热热力循环系统。
【背景技术】
[0002]提高原动机效率和降低排放对节约资源和保护环境均具有重要的积极作用。通过改进的循环过程和燃烧组织方式，可提升原动机效率和减少有害污染的排放。
[0003]典型内燃机的循环一般包括3类热力学循环:1)等容加热循环又叫奥托循环，其燃烧放热过程可以近似看成是等容过程，汽油机一般采用这种循环方式，其循环过程包括等熵压缩过程、等容加热过程、等熵膨胀过程和等容放热过程；2)等压加热循环又叫狄塞尔循环，其燃烧放热过程近似等压过程，高增压柴油机和船用大型柴油机一般采用这种循环方式，其循环过程包括等熵压缩过程、等压加热过程、等熵膨胀过程和等容放热过程；3)混合加热循环又叫做萨巴德循环，它是介于等容加热循环和等压加热循环之间的一种循环，目前高速轻型柴油机一般采用这种循环方式，其循环过程包括等熵压缩过程、等容加热过程、等压加热过程、等熵膨胀过程和等容放热过程。
[0004]典型外燃机的循环一般包括2类热力学循环即简单循环和复杂循环。简单循环，其循环过程包括压气过程、燃烧过程和膨胀过程，具体来说是:压气过程从大气环境吸入空气，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，燃烧产生的高压高温气体进入涡轮机中膨胀做功，从涡轮机排出的废气直接进入大气环境，是一种开式循环系统。为提高效率，提出复杂循环，在简单循环的基础上增加了一些过程，包括压缩之间的冷却过程和排气回热过程，称之为间冷回热循环(ICR)，其效率较简单循环燃气轮机有提升。简单循环效率低，但结构简单；复杂循环效率高，但结构复杂。另外，外燃机的循环还包括斯特林循环，它是由等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程、等容放热过程组成的循环，工质在等温膨胀过程中从高温热源吸热，而在等温压缩过程中向低温热源放热。
[0005]目前已经公开的内燃机和外燃机的热力循环系统中，都没有涉及到稳压调压装置。如在原动机的循环系统中加入稳压调压装置，可以很大程度上保证系统压力和流量的稳定，确保系统持续稳定工作。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可以大幅度提高原动机效率和降低排放的新型热力循环，其压缩后工质压力稳定，等压加热室具有特殊结构，可实现流量稳定和均质超稀薄燃烧。
[0007]本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是提供
[0008]一种原动机的定压加热热力循环系统，该系统包括多级压缩中冷装置，稳压调压装置、逆流换热器、等压加热室、燃料喷射器、膨胀装置和输出轴，其特征在于，该热力循环系统工质入口处设置多级压缩中冷装置，工质经压缩冷却后进入稳压调压装置，稳压调压装置排出口与逆流换热器吸热侧的进气口相连，逆流换热器的吸热侧排气口经连接管路与等压加热室相连，等压加热室内设置有燃料喷射器。
[0009]等压加热室的排气口经连接管路与膨胀装置相连，膨胀装置的排气口经连接管路与逆流换热器的放热侧相连。
[0010]膨胀装置的功率输出部件与原动机的定压加热热力循环系统的输出轴直接或间接相连。
[0011]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0012]I)所述多级适度压缩级间等压冷却过程包括多级适度压缩和级间等压冷却，多级适度压缩的每级增压比在2.0-3.0之间，可以使压缩机在高效率区运行，级间冷却过程降低进入压缩过程的新鲜工质温度，使压缩过程接近等温压缩，减少压缩装置的压缩耗功，并且使通过整个多级适度压缩级间中冷后的新鲜工质温度较低，提升逆流换热装置的换热温差，进而提升能量回收率；
[0013]2)所述稳压调压装置稳定和调节工质进入后一级装置的压力，降低了工质压力波动的影响，稳定和调节进入等压加热室的工质流量和压力；
[0014]3)所述逆流等压换热过程回收大部分多级充分膨胀后工质的热能，直接收益热量后参与循环，提高了能源利用率，级间冷却散失的热量相比逆流换热直接受益的热量忽略不计；
[0015]4)所述等压加热过程的加热室内加格栅和稀薄燃烧，实现低温均质燃烧，所以整个燃烧过程不仅热效率高，而且HC、CO、PM和NOx等有害排放污染物都大幅度降低，实现真正的高效清洁燃烧；
[0016]5)所述多级充分绝热膨胀过程由于多级膨胀，燃烧后产生的高温高压工质实现充分膨胀，使膨胀后压力接近环境压力，通过逆流换热过程和充分膨胀，不仅使燃烧后的热能得到充分利用，也使压能得到充分利用，大幅度提高整个循环的热效率；
[0017]6)所述燃烧过程燃烧柔和，使机构产生的噪声大大降低；系统所需部件少，各部件体积小，结构紧凑，使实现循环的整个系统寿命长、造价较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型实施例的热力循环示意图；
[0019]图2为本实用新型实施例的结构示意图。
[0020]图中，1- 一级压缩机、2- —级中冷器、3- 二级压缩机、4- 二级中冷器、5-三级压缩机、6-稳压调压装置、7-逆流换热器、8-等压加热室、9-燃料喷射器、10-膨胀装置、11-输出轴。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合附图1-2及实施例对本实用新型作进一步说明。
[0022]如图1所示，本实用新型涉及一种原动机的热力循环方法，其工质热力循环过程包括:一级压缩过程a-b ;—级中冷过程b-c ;二级压缩过程c-d ;二级中冷过程d-e ;三级压缩过程e-f ;储存调压过程f_g ;逆流换热过程I g_h ;等压均质燃烧过程h-1 ;—级膨胀过程i_j ;逆流换热过程II j-k。
[0023]如图2所示，为实现以上循环方法，本实用新型提供了一种原动机的定压加热热力循环系统，该系统包括多级压缩中冷装置，稳压调压装置6、逆流换热器7、等压加热室8、燃料喷射器9、膨胀装置10和输出轴11，其中，热力循环系统工质入口处设置多级压缩中冷装置，工质经压缩冷却后进入稳压调压装置6，稳压调压装置6排出口与逆流换热器7吸热侧的进气口相连，逆流换热器7的吸热侧排气口经连接管路与等压加热室8相连，等压加热室8内设置有燃料喷射器9。
[0024]等压加热室8的排气口经连接管路与膨胀装置10相连，膨胀装置10的排气口通过连接管路与逆流换热器7的放热侧入口相连。膨胀气体在逆流换热器7中放热后通过放热侧出口排出至外部环境。
[0025]该实施例中，膨胀装置10的功率输出部件与原动机的定压加热热力循环系统的输出轴直接或间接相连，当膨胀装置为旋转式时，比如离心式、螺杆式、滑片式、转子式、涡旋式，膨胀装置10的功率输出部件与输出轴直接相连，当膨胀装置为往复式时，比如活塞式，膨胀装置10的功率输出部件与输出轴11间接相连。
[0026]该实施例中，多级压缩中冷装置为三级增压、两级中冷结构，其中，具体包括一级压缩机1、一级中冷器2、二级压缩机3、二级中冷器4、三级压缩机5，其中，一级压缩机I的出口和二级压缩机3的入口之间串联有一级中冷器2，二级压缩机3的出口和三级压缩机5的入口之间串联有二级中冷器4。
[0027]逆流换热器7包括2个入口和2个出口，分别为第一入口、第一出口、第二入口和第二出口。新鲜工质从第一入口进入逆流换热器，从第一出口出来。膨胀后的工质从第二入口进入逆流换热器7，从第二出口排出。第一入口对应于上述的吸热侧的进气口，第一出口对应于上述的吸热侧的排气口，第二入口对应于上述的放热侧的入口，第二出口对应于上述的放热侧的出口。
[0028]在该实施例中，三级压缩机5的出口与逆流换热器7的第一入口之间串联稳压调压装置6。
[0029]以下结合附图对实用新型的工作过程进行详细说明。
[0030]新鲜工质从循环始点开始进入一级压缩机1，使工质压力提高2.0-3.0倍，此时温度也提高，然后进入一级中冷器2，工质冷却后进入二级压缩机3，进行二级压缩，此时工质压力比一级中冷器出口压力提高到2.0-3.0倍，进入二级中冷器4，工质冷却后进入三级压缩机5，工质压力进一步提高，是二级中冷器出口压力的2.0-3.0倍。从三级压缩机5出来的工质，经过稳压调压装置6的稳压调压作用，进入逆流换热器7，在逆流换热器中与膨胀后的工质通过表面换热把热量传给新鲜工质。然后新鲜工质和燃料喷射器9喷射的燃料在等压加热室8中进行低温均质等压燃烧，燃烧温度在1900-2100K之间，燃烧产生的高温高压工质进入膨胀装置10做功。膨胀装置通过输出轴11带动压缩机和负载做功，从膨胀装置10出来的膨胀后工质通过逆流换热器7传递大部分热量给进入等压加热室的新鲜工质，最后排出到外部环境，完成一次开式循环。
[0031]进一步，等压加热过程的加热室具有带格栅的特殊结构，实现均质燃烧，有效抑制HCXO和PM的产生，通过稀薄燃烧，使燃烧温度在1900-2100K之间，有效抑制NOx的产生。
[0032]进一步，本实施例中的技术方案还可以采用多级绝热膨胀过程，通过多级膨胀，使膨胀后的压力接近环境压力。
[0033]进一步，多级适度压缩级间等压冷却过程是为了达到接近等温压缩，当进行多级压缩中冷后，其工作过程已经很接近等温压缩过程，压缩耗功小，其后带有稳压调压装置，通过所述稳压调压装置达到稳定不同压力的目的，当加热室加热后残余工质过多时，此稳压调压装置储存的高压新鲜工质可以快速扫掠加热室，实现加热室的扫气功能，降低加热室和膨胀装置的热负荷。
[0034]进一步，等压逆流换热过程，从膨胀装置排出后的工质进入逆流换热装置，在逆流换热装置中充分进行逆流热交换，将膨胀后的工质的焓传递给进入所述等压加热过程中的等压加热室的新鲜工质，进入等压加热室的新鲜工质在逆流换热器中实现等压膨胀(焓增)，同时膨胀后的工质在换热装置中得到冷却(焓降)。
[0035]工作时，外部环境是循环工质进入循环的起始点。从起始点开始，来自外部环境的新鲜工质进入一级压缩过程，使新鲜工质压力提高到2.0-3.0倍，此时温度也提高，然后进入一级中冷过程。新鲜工质冷却后进入二级压缩过程，进行二级压缩，此时新鲜工质压力是一级中冷过程出口压力的2.0-3.0倍，进入二级中冷过程，新鲜工质冷却后进入三级压缩过程，新鲜工质压力进一步提高，是二级中冷过程出口压力的2.0-3.0倍，依此规律，此过程包括多级压缩多级中冷，其中最后一级压缩之后不带冷却过程。通过中冷过程的冷却，使进入下一级压缩机的工质温度降低，使压缩过程接近等温压缩，不仅降低压缩过程的压缩耗功，而且降低通过整个多级压缩级间冷却过程后的工质温度，提升逆流换热装置的能量回收率。从最后一级压缩过程出来的工质，经过稳压调压装置的稳压和调压作用，减少压力波动影响，稳定和调节进入加热室的新鲜工质的质量流量和压力。从稳压调压装置出来的新鲜工质进入逆流换热装置，在逆流换热装置中充分进行逆流热交换，将膨胀后工质的焓传递给进入等压加热过程中的等压加热室的新鲜工质，进入等压加热室的新鲜工质在换热装置中实现等压膨胀(焓增)，同时膨胀后工质在换热装置中得到冷却(焓降)，提高进入等压加热室新鲜工质的初始温度。通过在等压加热室内加格栅和加热室中稀薄燃烧，实现低温均质燃烧，当采用多级膨胀时，使膨胀后的工质压力接近环境压力。膨胀过程后的工质通过逆流换热装置传递大部分余热给进入等压加热室的新鲜工质，最后排出到外部环境。
[0036]其中等压加热室8中的工质也可以通过外燃加热方式形成高压高温，进入膨胀装置做功。
[0037]其他实施方式:所述一种原动机的定压加热热力循环系统可以包含多级压缩、多级级间冷却和多级膨胀，其循环系统和方法均与实施例的相同。
[0038]以上所述的【具体实施方式】，对本实用新型进行了进一步的详细说明，以上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】而已，并不用于限制本实用新型。本实用新型不仅用于高强钢，对其他金属材料依然可行。
【权利要求】
1.一种原动机的定压加热热力循环系统，该系统包括多级压缩中冷装置，稳压调压装置(6)、逆流换热器(7)、等压加热室(8)、燃料喷射器(9)、膨胀装置(10)和输出轴(11)，其特征在于，热力循环系统工质入口处设置多级压缩中冷装置，工质经压缩冷却后进入稳压调压装置(6)，稳压调压装置(6)排出口与逆流换热器(7)吸热侧的进气口相连，逆流换热器(7 )的吸热侧排气口经连接管路与等压加热室(8 )相连，等压加热室(8 )内设置有燃料喷射器(9); 等压加热室(8)的排气口经连接管路与膨胀装置(10)相连，膨胀装置(10)的排气口经连接管路与逆流换热器(7)的放热侧入口相连； 膨胀装置(10)的功率输出部件与原动机的定压加热热力循环系统的输出轴直接或间接相连。
2.根据权利要求1所述的原动机的定压加热热力循环系统，其特征在于:膨胀装置(10)是离心式膨胀机、螺杆式膨胀机、滑片式膨胀机、转子式膨胀机或涡旋式膨胀机。
3.根据权利要求1所述的原动机的定压加热热力循环系统，其特征在于:膨胀装置(10)是活塞式膨胀机。
4.根据权利要求1所述的原动机的定压加热热力循环系统，其特征在于:多级压缩中冷装置为三级增压、两级中冷结构，其包括一级压缩机(I)、一级中冷器(2)、二级压缩机(3)、二级中冷器(4)、三级压缩机(5)，其中，一级压缩机(I)的出口和二级压缩机(3)的入口之间串联有一级中冷器(2 )，二级压缩机(3 )的出口和三级压缩机(5 )的入口之间串联有二级中冷器(4)。
【文档编号】F02C7/143GK203809128SQ201420159233
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】张孔明, 梁世希, 金则兵, 王科, 张帆, 朱建明, 谢昕, 周松景, 周群, 王彦超, 姜进, 刘敬平, 廖诚, 杨汉乾 申请人:绿能高科集团有限公司, 北京绿能高科天然气应用技术研究院有限公司, 河南中原绿能高科有限责任公司, 山东绿能燃气实业有限责任公司, 包头中援绿能天然气有限公司, 河南绿能融创燃气有限公司