CN102392701B - 喷水式蒸汽发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷水式蒸汽发动机，它主要由燃烧器、高温换热器、蒸汽室、蒸汽透平、蒸汽型制冷机、喷水系统和控制系统构成，所述喷水系统由水箱、水泵、进水阀和置于蒸汽室内的喷水头通过水管依次连接构成，所述高温换热器通过管道与燃烧器连接，并置于蒸汽室内喷水头的下方；蒸汽透平的进汽端设有放大器，放大器的前端设有与蒸汽室相通的进汽阀，蒸汽透平的排汽端设有动力输出轴和排汽管，排汽管与蒸汽型制冷机相接，蒸汽型制冷机的冷凝水排水管连接水箱。本发明与现有技术相比，无需体积庞大的锅炉，省去了复杂的曲轴连杆飞轮等机构，燃料产生的大部分热能用于做功，能量损耗小。因此具有结构简单、节能高效的优点。

Description

喷水式蒸汽发动机

技术领域：

本发明涉及动力领域，具体是一种使用燃料将热能转化为机械能的喷水式蒸汽发动机。 

背景技术：

蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命，直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。蒸汽机存在主要缺陷：1.体积既笨重又庞大，2.蒸汽机采用锅炉加热，由于是外部燃烧，热损失较高，存在热效率不高的缺陷。3.启动慢，起动之前还需要一段时间的预热，使用起来很不方便。4.不能随意停止，控制性差。由于以上缺陷，进入20世纪后，出现了没有笨重锅炉的内燃机，最终以其重量轻，体积小、热效率高和操作灵活等优点，在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机。 

当前以活塞式内燃机最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构将机械功输出，驱动从动机械工作。常见的有柴油机和汽油机。但是活塞式内燃机也存在很多不足，其在将热能转换成机械能这一过程中，仅利用了小部分热能膨胀做功，大部分热能通过排气及散热器释放出去，能量损耗很大。此外其机构复杂，对燃油要求较高，尾气排放污染物高。 

汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，能发出较大的功率。但由于需要锅炉加热产生蒸汽，机构庞大，复杂，当前只用于大型电厂和大型船舶上。 

由此可见，上述几种动力机都存在不足，相比之下活塞式内燃机优势明显，因此当前绝大多数交通机车和工程设备都采用活塞式内燃机为动力机。 

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、热效率高、操作灵活、能量损失低、尾气排放污染物低的喷水式蒸汽发动机。 

本发明以如下技术方案解决上述技术问题： 

本发明喷水式蒸汽发动机主要由燃烧器1、高温换热器3、蒸汽室4、蒸汽透平7、蒸汽冷凝器、喷水系统和控制系统构成，所述喷水系统由水箱10、水泵12、进水阀15和置于蒸汽室4内的喷水头16通过水管依次连接构成，所述高温换热器2通过管道与燃烧器1连接，并置于蒸汽室3内喷水头16的下方；蒸汽透平7的进汽端设有放大器6，放大器6的前端设有与蒸汽室4相通的进汽阀5，蒸汽透平7的排汽端设有动力输出轴8和排汽管9，排汽管9与蒸汽冷凝器相接，蒸汽冷凝器的冷凝水排水管连接水箱8。 

所述蒸汽冷凝器也可以采用蒸汽型制冷机11代替，蒸汽型制冷机11设有连接空调22的循环冷水管21。 

连接水泵12与进水阀15的水管上接有低温换热器14，低温换热器14与高温换热器3经排气管道相接。 

在蒸汽室4上安装有至少一个与排汽管9相通的安全阀13。 

在蒸汽室4的上部外侧设有与蒸汽室4相通的压力调节缸17，压力调节缸17内设有活塞24及顶压活塞24的弹簧25。 

所述控制系统包括微电脑处理器23、安装在蒸汽透平7上的转速传感器20、安装在蒸汽室4内的压力传感器18、安装在高温换热器3上的温度传感器19、设在燃烧器1上的燃烧器控制器2、供水阀15和进汽阀5，微电脑处理器28的信号输入端以并联方式连接转速传感器20、温度传感器19和压力 传感器18，其信号输出端以并联方式连接燃烧器控制器2、供水阀15、进汽阀5。 

本发明喷水式蒸汽发动机无需体积庞大的锅炉装置，燃烧热量全部进入高温换热器，采用喷水系统精确控制需要汽化的水量，具有体积小，启动速度快，控制性强的优点，与活塞式内燃机相比，具有结构简单，热效率高，能量损失少，排放尾气污染物少等优点。 

附图说明：

图1是本发明喷水式蒸汽发动机的主体结构示意图。 

图2是本发明喷水式蒸汽发动机的控制系统原理图。 

图中： 

1、燃烧器        2、燃烧器控制器        3、高温换热器 

4、蒸汽室        5、进汽阀              6、放大器 

7、蒸汽透平      8、动力输出轴          9、排汽管 

10、水箱         11、蒸汽型制冷机       12、水泵 

13、安全阀       14、低温换热器         15、进水阀 

16、喷水头       17、压力调节缸         18、压力传感器 

19、温度传感器   20、转速传感器         21、循环冷水管 

22、空调         23、微电脑处理器    24、活塞    25、弹簧 

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。 

如图1所示，本发明喷水式蒸汽发动机主要由燃烧器1、高温换热器3、蒸汽室4、蒸汽透平7、蒸汽型制冷机11或蒸汽冷凝器、喷水系统和控制系统构成，燃烧器1与高温换热器3经管道相接，燃烧器1燃烧产生的高温气体直接 进入高温换热器3。高温换热器3处于密封容器的蒸汽室4之中，安装在蒸汽室4的上方，蒸汽室4内设有置于高温换热器3上方的喷水头16，当水喷射到高温换热器3上，水受高温立即汽化而产生蒸汽，随着蒸汽不断产生，整个蒸汽室4处于高压状态。 

蒸汽透平7为现有技术，是本发明的机械能输出装置。蒸汽透平7的进汽端设有放大器6，放大器6的前端设有与蒸汽室4相通的进汽阀5，蒸汽透平7的排汽端设有动力输出轴8和排汽管9，通过动力输出轴8对外提供旋转机械能。进汽阀5为比例开关阀，可以根据需要控制开口大小。蒸汽透平7的排汽管9与蒸汽型制冷机11相接，蒸汽型制冷机11的冷凝水排水管连接水箱10，蒸汽型制冷机11上设有循环冷水管21以连接空调22进行供冷。 

所述喷水系统由水箱10、水泵12、进水阀15和置于蒸汽室4内的喷水头16通过水管依次连接构成。为提高燃料热能利用效率，可在连接水泵12与进水阀15的水管上接有低温换热器14，低温换热器14与高温换热器3经排气管道相接。燃烧气体经过高温换热器3释放热能后，再次进入低温换热器14，进一步回收热能，将准备进入蒸汽室4的水预热，使其更容易汽化为蒸汽，燃烧气体经过低温换热器14换热后向外排放。由于对外排放的热量极少，使热能损失大幅降低。 

为了防止蒸汽室4的压力过高，可在蒸汽室4上安装一个或多个与排汽管9相通的安全阀13，蒸汽室4中压力超过设定值时，会开启排放部分蒸汽，从而确保安全，经安全阀13排放出的蒸汽也进入排汽管9。 

本发明还可以在蒸汽室4的上部外侧设有与蒸汽室4相通的压力调节缸17，压力调节缸17内设有活塞24及顶压活塞24的弹簧25。当蒸汽室4内压力高于设定值时，活塞24克服弹簧25的推力向外移动，使部分蒸汽进入压 力调节缸17，反之，当蒸汽室内压力降低时，弹簧25推动活塞24使蒸汽回到蒸汽室4，对蒸汽室4内压力起到一定调节作用。 

本发明使用的燃烧器1可根据需要选择各种燃烧器，燃料可采用柴油、汽油、天然气或其他等，甚至燃烧固体燃料的燃烧器也可用于本发明，只要将燃烧产生的高温气体导入高温换热器，都能工作。 

本发明使用的高温换热器3的作用是将燃烧器产生的热能传递到喷射水中，使水受热汽化。高温换热器中还可设置一定空间，让燃烧器喷入的混合气体继续燃烧，起到燃烧室的作用。现有技术中如陶瓷高温换热器，已经可以达到一千多度的高温。 

本发明采用蒸汽型制冷机11或蒸汽冷凝器来凝结水，传统蒸汽机也是采用蒸汽冷凝器来凝结水，其只要将蒸汽透平7排出的蒸汽凝结为水，导入水箱10即可，并不影响本发明的使用。本发明也可以采用蒸汽型制冷机11取替蒸汽冷凝器来凝结水，蒸汽型制冷机11是新出的空调设备，其以溴化锂一水为工质，以排汽管9输入的饱和蒸汽为动力，吸收蒸汽中的热能并将蒸汽凝结为水，同时可对外提供冷水，通过循环冷水管21输出，可用于驾驶室空调22等，从而实现一机两用的功能，更加节能。 

本发明也可以使用普通的蒸汽冷凝器替代蒸汽型制冷机， 

图2为本发明的控制系统原理图：它包括微电脑处理器23、安装在蒸汽透平7上的转速传感器20、安装在蒸汽室4内的压力传感器18、安装在高温换热器3上的温度传感器19、设在燃烧器1上的燃烧器控制器2、供水阀15和进汽阀5。微电脑处理器28的信号输入端以并联方式连接转速传感器20、温度传感器19和压力传感器18，其信号输出端以并联方式连接燃烧器控制器2、供水阀15、进汽阀5。 

采用上述方案后，本发明由燃烧器1燃烧燃料产生热能，通过高温换热器3将水汽化为蒸汽，在蒸汽室4中产生高压，进汽阀5打开，蒸汽室4内的高压蒸汽进入放大器6，放大器6将蒸汽部分热能转换成蒸汽高速流动的动能，蒸汽高速进入蒸汽透平7，在蒸汽透平7中继续将蒸汽的热能转换成蒸汽高速流动的动能，然后高速气流通过工作叶片时，将蒸汽的动能转换成蒸汽透平7转子旋转的机械能，通过动力输出轴8对外提供旋转机械能。蒸汽透平7排出的蒸汽经排汽管9进入蒸汽型制冷机11，将蒸汽中所含热能交换给蒸汽型制冷机11，并被冷凝为水，进入水箱10，从而完成蒸汽-水循环。 

工作时，燃烧器1点火，将热能吹入高温换热器3，微电脑传感器23通过温度传感器19采集高温换热器3的温度，在达到设定温度后，发出指令打开进水阀15，水泵12与进水阀15同时开启，水从喷水头16喷射到高温换热器3上，受热汽化产生水蒸汽，并在蒸汽室4中形成高压。 

压力传感器18将蒸汽室4中压力状况传送给微电脑处理器23，在达到一定压力值后，发出指令打开进汽阀5，转速传感器20将动力输出轴8的旋转转速即时传递给微电脑处理器23。 

在正常工作状态下，微电脑处理器23能根据外界负载的需求，通过控制开启进汽阀5的大小来调节进入蒸汽透平7的蒸汽量，从而调节动力输出轴8的转速。通过对进水阀15的控制，可以精确控制进入蒸汽室4的水量，从而精确控制蒸汽室4中的蒸汽压力，使蒸汽室4中保持稳定的压力；通过对燃烧器控制器2的控制，使燃烧器1火力增加或减小，让高温换热器3上的温度保持稳定，从而使整个机械以最佳状态工作。 

Claims (5)

1.喷水式蒸汽发动机，其特征在于，它主要由燃烧器(1)、高温换热器(3)、蒸汽室(4)、蒸汽透平(7)、蒸汽冷凝器、喷水系统和控制系统构成，所述喷水系统由水箱(10)、水泵(12)、进水阀(15)和置于蒸汽室(4)内的喷水头(16)通过水管依次连接构成，所述高温换热器(2)通过管道与燃烧器(1)连接，高温换热器(3)处于密封容器的蒸汽室(4)之中，蒸汽室(4)内设有置于高温换热器(3)上方的喷水头(16)，当水喷射到高温换热器(3)上，水受高温立即汽化而产生蒸汽；蒸汽透平(7)的进汽端设有放大器(6)，放大器(6)的前端设有与蒸汽室(4)相通的进汽阀(5)，蒸汽透平(7)的排汽端设有动力输出轴(8)和排汽管(9)，排汽管(9)与蒸汽冷凝器相接，蒸汽冷凝器的冷凝水排水管连接水箱(8)；所述控制系统包括微电脑处理器(23)、安装在蒸汽透平(7)上的转速传感器(20)、安装在蒸汽室(4)内的压力传感器(18)、安装在高温换热器(3)上的温度传感器(19)、设在燃烧器(1)上的燃烧器控制器(2)、进水阀(15)和进汽阀(5)，微电脑处理器(23)的信号输入端以并联方式连接转速传感器(20)、温度传感器(19)和压力传感器(18)，其信号输出端以并联方式连接燃烧器控制器(2)、进水阀(15)、进汽阀(5)；微电脑处理器(23)通过对进水阀(15)的控制，实现精确控制进入蒸汽室(4)的水量，从而精确控制蒸汽室(4)中的蒸汽压力。

2.根据权利要求1所述的喷水式蒸汽发动机，其特征在于，所述蒸汽冷凝器由蒸汽型制冷机(11)代替，蒸汽型制冷机(11)设有连接空调(22)的循环冷水管(21)。

3.根据权利要求1所述的喷水式蒸汽发动机，其特征在于，连接水泵(12)与进水阀(15)的水管上接有低温换热器(14)，低温换热器(14)与高温换热器(3)经排气管道相接。

4.根据权利要求1所述的喷水式蒸汽发动机，其特征在于，在蒸汽室(4)上安装有至少一个与排汽管(9)相通的安全阀(13)。

5.根据权利要求1所述的喷水式蒸汽发动机，其特征在于，在蒸汽室(4)的上部外侧设有与蒸汽室(4)相通的压力调节缸(17)，压力调节缸(17)内设有活塞(24)及顶压活塞(24)的弹簧(25)。