CN102444504A - 小温升低熵混燃制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小温升低熵混燃制冷系统，包括燃烧室，膨胀剂源和燃料源，所述燃烧室设为活塞式发动机燃烧室或设为轮机燃烧室，所述燃料源经燃料导入控制阀与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源经膨胀剂导入控制阀与所述燃烧室连通，在所述燃烧室的排气道上设有排气吸热制冷器，所述燃料导入控制阀和所述膨胀剂导入控制阀受燃烧控制机构控制实现进入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的5%以上用于使所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述燃烧室气化。本发明所公开的小温升低熵混燃制冷系统效率高，环保性好。

Description

小温升低熵混燃制冷系统

技术领域

本发明涉及制冷领域，尤其是一种小温升低熵混燃制冷系统。

背景技术

制冷技术及装备目前被广泛应用，但其耗功大，为此，人类消耗了大量能源，也对环境造成了严重污染。如果能够发明一种结构简单、成本低的高效环保的制冷系统，这将具有划时代的意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了下述方案：

一种小温升低熵混燃制冷系统，包括燃烧室，膨胀剂源和燃料源，所述燃烧室设为活塞式发动机燃烧室或设为轮机燃烧室，所述燃料源经燃料导入控制阀与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源经膨胀剂导入控制阀与所述燃烧室连通，在所述燃烧室的排气道上设有排气吸热制冷器，所述燃料导入控制阀和所述膨胀剂导入控制阀受燃烧控制机构控制实现进入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的5%以上用于使所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述燃烧室气化；在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了时的被压缩气体的压力大于传统活塞式发动机压缩冲程完了时的气体压力，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中调整压气机和动力涡轮的流量使所述轮机燃烧室内的压力大于传统轮机燃烧室内的气体压力。

在所述燃烧室和所述膨胀剂源之间设膨胀剂吸热热交换器，使所述膨胀剂温度提高。

所述膨胀剂吸热热交换器的热源设为所述小温升低熵混燃制冷系统的余热。

所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器中吸热达到临界状态、超临界状态或超超临界状态后再进入所述燃烧室。

所述小温升低熵混燃制冷系统还包括氧化剂源和气体连通通道，所述气体连通通道连通所述燃烧室的进气道和排气道，在所述排气道上设排气放出口，在所述排气放出口处设排气放出控制阀，所述氧化剂源经氧化剂导入控制阀再经所述进气道与所述燃烧室连通或直接经所述氧化剂导入控制阀与所述燃烧室连通，所述氧化剂导入控制阀、所述燃料导入控制阀和所述膨胀剂导入控制阀受燃烧控制机构控制。

在所述气体连通通道上设气体吸热低品位热源加热器。

在所述气体连通通道上和/或在所述进气道上和/或在所述排气道上设气体放热环境冷却器。

在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了时的被压缩气体的压力大于等于4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5Pa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa或40MPa；在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中调整压气机和动力涡轮的流量使所述轮机燃烧室内的压力大于等于2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5Pa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa或40MPa。

所述燃料导入控制阀和所述膨胀剂导入控制阀受燃烧控制机构控制实现进入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的6%以上、7%以上、8%以上、9%以上、10%以上、11%以上、12%以上、13%以上、14%以上、15%以上、16%以上、17%以上、18%以上、19%以上、20%以上、21%以上、22%以上、23%以上、24%以上、25%以上、30%以上、35%以上、40%以上、45%以上、50%以上、55%以上、60%以上、65%以上、70%以上、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上、95%以上、或100%用于使所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述燃烧室气化。

在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1800K±200K的范围内，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中调整压气机和动力涡轮的流量使所述轮机燃烧室内燃烧前气体的温度在1800K±200K的范围内；所述燃料导入控制阀和所述膨胀剂导入控制阀受燃烧控制机构控制实现进入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部用于使所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述燃烧室气化；燃料在所述燃烧室燃烧后燃烧室内的温度最高值在有害化合物NOx生成温度以下以提高发动机的环保性。

所述燃料导入控制阀和所述膨胀剂导入控制阀受燃烧控制机构控制实现进入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部用于使所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述燃烧室气化；燃料在所述燃烧室燃烧前后燃烧室内的温度基本维持不变，以提高发动机的效率。

在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1000K以上、1300K以上、1500K以上、1800K以上、2000K以上、2300K以上、2500K以上、2800K以上、3000K以上、3200K以上或3500K以上，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中调整压气机和动力涡轮的流量使所述轮机燃烧室内燃烧前气体的温度在1000K以上、1300K以上、1500K以上、1800K以上、2000K以上、2300K以上、2500K以上、2800K以上、3000K以上、3200K以上或3500K以上。

在所述燃烧室的排气道处设气液分离器，所述膨胀剂源设为所述气液分离器的液体出口，所述气液分离器内的液体作为所述膨胀剂使用。

本发明的原理是，通过在活塞式发动机或轮机的排气道上设置所述排气吸热制冷器来实现所公开的小温升低熵混燃制冷系统；对活塞式发动机来说，通过提高活塞式内燃机的压缩比使燃烧室燃烧前的气体压力和温度均超过传统活塞式内燃机的气体压力和温度，控制燃料和膨胀剂进入所述燃烧室的量以及膨胀剂进入所述燃烧室时的温度使尽可能多的燃料燃烧放出的热量用以气化所述膨胀剂，大幅度提高燃烧室内的压力，而温度的变化量小；对轮机来说，通过调整压气机和涡轮的流量使轮机燃烧室燃烧前的气体压力和温度均超过传统轮机燃烧室的气体压力和温度，控制燃料和膨胀剂进入所述燃烧室的量以及膨胀剂进入所述燃烧室时的温度使尽可能多的燃料燃烧放出的热量用以气化所述膨胀剂，大幅度提高燃烧室内的压力，而温度的变化量小；进而大幅度提高所公开的小温升低熵混燃制冷系统的效率和环保性。

本发明中所谓的轮机是指燃气轮机、喷气式发动机等利用燃气推动涡轮作功的机构；所谓活塞式发动机包括活塞式内燃机、转子活塞式内燃机等；所谓膨胀剂是指不参与燃烧化学反应在燃烧室气化形成气体工质的液体物质或液化气体。

本发明所公开的小温升低熵混燃制冷系统可大幅度提高制冷系统的效率和环保性。

本发明的有益效果如下:

本发明所公开的小温升低熵混燃制冷系统效率高，环保性好。

附图说明

图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；

图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；

图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；

图4所示的是本发明实施例4和5的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例6的结构示意图；

图6、7、8和图9所示的是本发明实施例7的结构示意图；

图10所示的是本发明实施例8的结构示意图；

图11所示的是本发明循环的压力P和体积V关系示意图。

图中：1燃烧室；108排气吸热制冷器；10进气道；11排气道；12排气放出口；101活塞式发动机燃烧室；102轮机燃烧室；1020膨胀剂吸热热交换器；16氧化剂导入控制阀；17气体吸热低品位热源加热器；18气体放热环境冷却器；1100气液分离器；

2膨胀剂源；20膨胀剂导入控制阀；3燃料源；30燃料导入控制阀；3020燃烧控制机构；5氧化剂源；6压气机；7动力涡轮；9气体联通通道。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的小温升低熵混燃制冷系统，包括燃烧室1，膨胀剂源2和燃料源3，所述燃烧室1设为活塞式发动机燃烧室101或设为轮机燃烧室102，所述燃料源3经燃料导入控制阀30与所述燃烧室1连通，在所述燃烧室1的排气道11上设有排气吸热制冷器108，所述膨胀剂源2经膨胀剂导入控制阀20与所述燃烧室1连通，所述燃料导入控制阀30和所述膨胀剂导入控制阀20受燃烧控制机构3020控制实现进入所述燃烧室1的所述燃料源3内的燃料燃烧所产生的热量的5%以上用于使所述膨胀剂源2内的膨胀剂在所述燃烧室1气化；在所述燃烧室1设为所述活塞式发动机燃烧室101的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了时的被压缩气体的压力大于传统活塞式发动机压缩冲程完了时的气体压力。在所述燃烧室1设为所述活塞式发动机燃烧室101的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了时的被压缩气体的压力大于等于4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5Pa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa或40MPa。

所述燃料导入控制阀30和所述膨胀剂导入控制阀20受燃烧控制机构3020控制实现进入所述燃烧室1的所述燃料源3内的燃料燃烧所产生的热量的6%以上、7%以上、8%以上、9%以上、10%以上、11%以上、12%以上、13%以上、14%以上、15%以上、16%以上、17%以上、18%以上、19%以上、20%以上、21%以上、22%以上、23%以上、24%以上、25%以上、30%以上、35%以上、40%以上、45%以上、50%以上、55%以上、60%以上、65%以上、70%以上、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上、95%以上、或100%用于使所述膨胀剂源2内的膨胀剂在所述燃烧室1气化。

在所述燃烧室1设为所述活塞式发动机燃烧室101的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1800K的正负200K的范围内，所述燃料导入控制阀30和所述膨胀剂导入控制阀20受燃烧控制机构3020控制实现进入所述燃烧室1的所述燃料源3内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部用于使所述膨胀剂源2内的膨胀剂在所述燃烧室1气化；燃料在所述燃烧室1燃烧后燃烧室内的温度最高值在有害化合物NOx生成温度以下以提高发动机的环保性。

所述燃料导入控制阀30和所述膨胀剂导入控制阀20受燃烧控制机构3020控制实现进入所述燃烧室1的所述燃料源3内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部用于使所述膨胀剂源2内的膨胀剂在所述燃烧室1气化；燃料在所述燃烧室1燃烧前后燃烧室内的温度基本维持不变，以提高发动机的效率。

在所述燃烧室1设为所述活塞式发动机燃烧室101的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1000K以上、1300K以上、1500K以上、1800K以上、2000K以上、2300K以上、2500K以上、2800K以上、3000K以上、3200K以上或3500K以上。

实施例2

如图2所示的小温升低熵混燃制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述燃烧室1和所述膨胀剂源2之间设膨胀剂吸热热交换器1020，使所述膨胀剂温度提高。

实施例3

如图3所示的小温升低熵混燃制冷系统，其与实施例1的区别是：所述膨胀剂吸热热交换器1020的热源设为所述小温升低熵混燃制冷系统的余热。所述膨胀剂源2内的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器1020中吸热达到临界状态、超临界状态或超超临界状态后再进入所述燃烧室1。

实施例4

如图4所示的小温升低熵混燃制冷系统，其与实施例1的区别是：所述小温升低熵混燃制冷系统还包括氧化剂源5和气体连通通道9，所述气体连通通道9连通所述燃烧室1的进气道10和排气道11，在所述排气道11上设排气放出口12，在所述排气放出口12处设排气放出控制阀13，所述氧化剂源5经氧化剂导入控制阀16再经所述进气道10与所述燃烧室1连通或直接经所述氧化剂导入控制阀16与所述燃烧室1连通，所述氧化剂导入控制阀16、所述燃料导入控制阀30和所述膨胀剂导入控制阀20受燃烧控制机构3020控制。

实施例5

如图4所示的小温升低熵混燃制冷系统，其与实施例3的区别是：在所述气体连通通道9上设气体吸热低品位热源加热器17。

实施例6

如图5所示的小温升低熵混燃制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述气体连通通道上和/或在所述进气道上和/或在所述排气道上设气体放热环境冷却器。

实施例7

如图6、7、8和9所示的小温升低熵混燃制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述燃烧室1设为所述轮机燃烧室102的结构中调整压气机6和动力涡轮7的流量使所述轮机燃烧室102内的压力大于等于2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5Pa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa或40MPa。在所述燃烧室1设为所述轮机燃烧室102的结构中调整压气机6和动力涡轮7的流量使所述轮机燃烧室102内燃烧前气体的温度在1000K以上、1300K以上、1500K以上、1800K以上、2000K以上、2300K以上、2500K以上、2800K以上、3000K以上、3200K以上或3500K以上。

实施例8

如图10所示的小温升低熵混燃制冷系统，其与实施例1的区别是：在所述燃烧室1的排气道11处设气液分离器1100，所述膨胀剂源2设为所述气液分离器1100的液体出口，所述气液分离器1100内的液体作为所述膨胀剂使用。

本发明循环的压力P和体积V的关系示意图如图11所示，其中a—b曲线表示绝热压缩过程，b—c直线表示喷入液体工质恒容降温增压过程，c—d曲线表示绝热膨胀作功过程，d—a曲线表示排气过程。

为了说明原理，假设系统内有1mol的温度为2000K的所述气体工质，而1mol的所述液体工质（如水）的气化潜热为500个单位，则系统原来的作功能力为PV=nRT=1×R×2000=2000R；向系统内喷入1mol的所述液体工质后所获得的工质的作功能力为PV=nRT=（1+1）×R×1500=3000R；向系统内喷入2mol的所述液体工质后所获得的工质的作功能力为PV=nRT=（1+2）×R×1000=3000R；向系统内喷入3mol的所述液体工质后所获得的工质的作功能力为PV=nRT=（1+3）×R×500=2000R。因此，可以得出结论：系统在不加燃料的情况下，在图11所示的B点的压力是可以因液体工质的喷入汽化而增加的，同时系统在c—d曲线的作功能力nRT大于a—b曲线的作功能力nRT。

Claims (10)

1.一种小温升低熵混燃制冷系统，包括燃烧室（1），膨胀剂源（2）和燃料源（3），其特征在于：所述燃料源（3）经燃料导入控制阀（30）与所述燃烧室（1）连通，所述膨胀剂源（2）经膨胀剂导入控制阀（20）与所述燃烧室（1）连通，在所述燃烧室（1）的排气道（11）上设有排气吸热制冷器（108）；所述燃料导入控制阀（30）和所述膨胀剂导入控制阀（20）受燃烧控制机构（3020）控制。

2.如权利要求1所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：所述燃烧室（1）设为活塞式发动机燃烧室（101）或设为轮机燃烧室（102）。

3.如权利要求2所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：在所述燃烧室（1）设为所述活塞式发动机燃烧室（101）的结构中，调整发动机的压缩比，使压缩冲程完了时的被压缩气体的压力大于等于4MPa。

4.如权利要求2所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：在所述燃烧室（1）设为所述轮机燃烧室（102）的结构中，调整压气机（6）和动力涡轮（7）的流量，使所述轮机燃烧室（102）内的压力大于等于2MPa。

5.如权利要求1所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：在所述燃烧室（1）和所述膨胀剂源（2）之间设膨胀剂吸热热交换器（1020），使所述膨胀剂温度提高。

6.如权利要求5所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：所述膨胀剂吸热热交换器（1020）的热源设为所述小温升低熵混燃制冷系统的余热。

7.如权利要求5所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：所述膨胀剂源（2）内的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器（1020）中吸热达到临界状态、超临界状态或超超临界状态后再进入所述燃烧室（1）。

8.如权利要求1所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：所述小温升低熵混燃制冷系统还包括氧化剂源（5）和气体连通通道（9），所述气体连通通道（9）连通所述燃烧室（1）的所述进气道（10）和所述排气道（11），在所述排气道（11）上设排气放出口（12），在所述排气放出口（12）处设排气放出控制阀（13），所述氧化剂源（5）经氧化剂导入控制阀（16）再经所述进气道（10）与所述燃烧室（1）连通或直接经所述氧化剂导入控制阀（16）与所述燃烧室（1）连通，所述氧化剂导入控制阀（16）、所述燃料导入控制阀（30）和所述膨胀剂导入控制阀（20）受所述燃烧控制机构（3020）控制。

9.如权利要求8所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：在所述气体连通通道（9）上设气体吸热低品位热源加热器（17）。

10.如权利要求8所述小温升低熵混燃制冷系统，其特征在于：在所述气体连通通道（9）上和/或在所述进气道（10）上和/或在所述排气道（11）上设气体放热环境冷却器（18）。

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