CN103032134A - 蒸汽动力热气体自身冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道和被汽化流体通道的汽化器、射流泵和冷凝冷却分离器，所述汽化器的所述被汽化流体通道出口与所述射流泵的动力流体喷射口连通，所述射流泵的低压流体入口与所述汽化器的所述热气体通道的出口连通，所述射流泵的流体出口与所述冷凝冷却分离器的被冷却流体入口连通，所述冷凝冷却分离器的液体出口经液体泵与所述汽化器的被汽化流体通道的入口连通，所述冷凝冷却分离器上设有气体出口。本发明不仅能够降低对热气机冷却过程的功耗，而且可以实现利用热气体自身的能量使热气体本身冷却到低于环境温度的状态，为制造闭式循环内燃机提供了工程化技术。

Description

蒸汽动力热气体自身冷却系统

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种热气体自身冷却器。

背景技术

在热能与动力领域中，所谓的热气体是指温度高于环境的气体，热气体广泛存在，例如内燃机的排气等。在很多情况下需要对热气进行冷却，特别是在有些情况下，需要将热气体冷却到低于环境温度的状态，这些冷却过程，往往需要消耗很多动力，造成系统的效率降低。热气体特别是温度较高的热气体，例如内燃机的排气，内燃机的排气的温度一般在500℃以上，本身具有相当多的能量，如果能够利用这些能量，对其自身进行冷却，将能大大提高冷却效率，减少冷却过程中的耗功。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

方案1：一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道和被汽化流体通道的汽化器、射流泵和冷凝冷却分离器，所述汽化器的所述被汽化流体通道的出口与所述射流泵的动力流体喷射口连通，所述射流泵的低压流体入口与所述汽化器的所述热气体通道的出口连通，所述射流泵的流体出口与所述冷凝冷却分离器的被冷却流体入口连通，所述冷凝冷却分离器的液体出口经液体泵与所述汽化器的所述被汽化流体通道的入口连通，所述冷凝冷却分离器上设有气体出口。

方案2，在方案1的基础上，进一步可选的，所述冷凝冷却分离器的所述气体出口与内燃机的进气道连通。

方案3，在方案1的基础上，进一步可选的，所述蒸汽动力热气体自身冷却系统还包括节流膨胀器，所述冷凝冷却分离器上的所述气体出口与所述节流膨胀器的气体入口连通。

方案4，在方案3的基础上，进一步可选的，所述节流膨胀器的气体出口与内燃机的进气道连通。

方案5：一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道和被汽化流体通道的汽化器、射流泵、冷凝冷却分离器和节流膨胀器，所述汽化器的所述被汽化流体通道的出口与所述射流泵的动力流体喷射口连通，所述射流泵的低压流体入口与热交换器的被加热气体出口连通，所述热交换器的被加热气体入口与所述节流膨胀器的气体出口连通，所述节流膨胀器的气体入口与所述冷凝冷却分离器的气体出口连通，所述冷凝冷却分离器的流体入口与所述射流泵的流体出口连通，所述冷凝冷却分离器的液体出口与液体泵连通，所述液体泵的液体出口与所述汽化器的所述被汽化流体通道的入口连通，所述汽化器的所述热气体通道的出口与所述热交换器的被冷却流体入口连通。

方案6，在方案5的基础上，进一步可选的，在所述热交换器、所述射流泵、所述冷凝冷却分离器和所述节流膨胀器构成的回路中充有制冷工质。

方案7：一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道和被汽化流体通道的汽化器、射流泵、冷凝冷却器和汽化热交换器，所述汽化器的所述被汽化流体通道的出口与所述射流泵的动力流体喷射口连通，所述射流泵的低压流体入口与所述汽化热交换器的已汽化气体出口连通，所述汽化热交换器的被汽化液体入口与所述冷凝冷却器的液体出口连通，所述冷凝冷却器的流体入口与所述射流泵的流体出口连通，所述冷凝冷却器的液体出口还与液体泵连通，所述液体泵的液体出口与所述汽化器的所述被汽化流体通道的入口连通，所述汽化器的所述热气体通道的出口与所述汽化热交换器的被冷却流体入口连通。

方案8，在方案7的基础上，进一步可选的，所述汽化热交换器的气体出口与内燃机的进气道连通。

方案9：一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道和被汽化流体通道的汽化器、冷凝冷却器、做功机构和压缩机构，所述汽化器的所述被汽化流体通道的出口与所述做功机构的气体入口连通，所述做功机构的气体出口与所述冷凝冷却器的流体入口连通，所述冷凝冷却器的液体出口经液体泵与所述汽化器的所述被汽化流体通道的入口连通，所述汽化器的所述热气体通道的出口与所述压缩机构的气体入口连通，所述做功机构对所述压缩机构输出动力。

方案10，在方案9的基础上，进一步可选的，所述汽化器的所述热气体通道的出口经降温器与所述压缩机构的气体入口连通。

方案11，在方案9或方案10的基础上，进一步可选的，所述压缩机构的气体出口经降温器与附属做功机构的气体入口连通。

方案12，在方案11的基础上，进一步可选的，所述附属做功机构的气体入口与附属压缩机构的气体入口连通。

方案13，在方案12的基础上，进一步可选的，所述附属做功机构的气体入口经降温器与所述附属压缩机构的气体入口连通。

方案14，在方案1至方案10中任一个方案的基础上，进一步可选的，所述汽化器的所述热气体通道的入口与内燃机的排气道连通。

本发明的原理是：在设有所述冷凝冷却分离器的结构中，利用热气体的热量在所述汽化器中将液体进行汽化，形成具有相当压力的气体蒸汽，以此气体蒸汽为动力利用所述射流泵直接对通过所述汽化器后的温度已降低的热气体进行引射至所述射流泵的流体出口内，由所述射流泵的流体出口流出的流体经所述冷凝冷却分离器，进行冷凝冷却和分离，形成温度已降低、压力已提升的气体；为了进一步降低温度，也可以利用所述节流膨胀器进行节流膨胀，使气体温度进一步降低。在设有所述冷凝冷却器的结构中，利用热气体的热量在所述汽化器中将液体进行汽化，形成具有相当压力的气体蒸汽，以此气体蒸汽为动力利用所述射流泵对来自所述冷凝冷却器的液体在所述汽化热交换器内进行引射汽化，利用所述汽化热交换器对通过所述汽化器后的温度已降低的热气体进行进一步冷却降温；或者以所述汽化器形成具有相当压力的气体蒸汽为动力，利用所述射流泵对制冷工质进行引射降温，再利用所述热交换器对通过所述汽化器后的温度已降低的热气体进行进一步冷却降温。

本发明中，所谓的做功机构，是指一切可利  用气体的流动和/或容积变化产生动力的装置，如涡轮、罗茨泵等。

本发明中，所谓的传统射流泵，是指由两个套装设置的管构成的，其中内管的一端设在外管中；向内管提供高压动力流体，内管高压动力流体在外管内喷射，在内管高压动力流体喷射和外管的共同作用下使内外管之间的其他流体（从外管进入的流体）沿内管高压动力流体的喷射方向产生运动的装置；所谓射流泵的外管可以有缩扩区，外管可以设为文丘里管，内管喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指外管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即动力流体喷射口（高压动力流体的入口）、低压流体入口（两管之间的空隙）和流体出口。

所谓的非传统射流泵，是指由两个或两个以上相互套装设置或相互并列设置的管构成的，其中至少一个管与动力流体源连通，并且动力流体源中的动力流体的流动能够引起其他管中的流体产生定向流动的装置；所谓射流泵的管可以有缩扩区，可以设为文丘里管，管的喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即动力流体喷射口、低压流体入口和流体出口；所述射流泵可以包括多个动力流体喷射口，在包括多个动力流体喷射口的结构中，所述动力流体喷射口可以布置在所述低压流体入口的管道中心区，也可以布置在所述低压流体入口的管道壁附近，所述动力流体喷射口也可以是环绕所述低压流体入口管道壁的环形喷射口。

所述射流泵包括多级射流泵，多股射流泵和脉冲射流泵等。

本发明中，所谓降温器是指对气体进行降温的装置，可以是散热器，也可以是以降温为目的的热交换器，还可以是混合式降温器；所谓混合式降温器，是指将温度较低的膨胀剂与高温高压气体混合使高温高压气体降温的装置。

本发明中，根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。

本发明的有益效果如下:

本发明不仅能够降低对热气机冷却过程的功耗，而且可以实现利用热气体自身的能量使热气体本身冷却到低于环境温度的状态。

本发明为制造闭式循环内燃机提供工程化技术。

附图说明:

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

图5是本发明实施例5的结构示意图；

图6是本发明实施例6的结构示意图；

图7是本发明实施例7的结构示意图，

图中：

1汽化器、11热气体通道、12被汽化流体通道、2射流泵、3冷凝冷却分离器、31冷凝冷却器、33降温器、4内燃机、5液体泵、6气体出口、7节流膨胀器、8热交换器、81汽化热交换器、9做功机构、91附属做功机构、10压缩机构、100附属压缩机构。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道11和被汽化流体通道12的汽化器1、射流泵2和冷凝冷却分离器3，所述汽化器1的所述热气体通道11的入口与内燃机4的排气道连通，所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的出口与所述射流泵2的动力流体喷射口连通，所述射流泵2的低压流体入口与所述汽化器1的所述热气体通道11的出口连通，所述射流泵2的流体出口与所述冷凝冷却分离器3的被冷却流体入口连通，所述冷凝冷却分离器3的液体出口经液体泵5与所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的入口连通，所述冷凝冷却分离器3上设有气体出口6。

从所述内燃机4的排气道流出的热气体沿着图1中箭头方向，经所述热气体通道11进入所述汽化器1，并对所述汽化器1内的液体进行加热汽化，所述热气体在所述汽化器1中散热后经所述射流泵2的低压流体入口进入所述射流泵2，经由所述被汽化流体通道12输送而来的气体射流后进入所述冷凝冷却分离器3，从所述冷凝冷却分离器3的液体出口流出的液体经所述液体泵5回到所述汽化器1以进行循环利用，所述冷凝冷却分离器3的气体出口6排出低温气体，从而，所述内燃机4的排气道中的热气体利用自身的能量实现了对自身的冷却。

实施例2

如图2所示的蒸汽动力热气体自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：还包括节流膨胀器7，所述冷凝冷却分离器3上的气体出口6与所述节流膨胀器7的气体入口连通，所述节流膨胀器7的气体出口与所述内燃机4的进气道连通。所述冷凝冷却器3的气体出口6排出的低温气体经节流膨胀器7进一步降温后回到所述内燃机4内继续利用。

可选择地，可以不将所述节流膨胀器7的气体出口与所述内燃机4的进气道连通，而是将从所述节流膨胀器7排出的气体直接排放掉。

可选择地，不使用所述节流膨胀器7，而将所述气体出口6直接与所述内燃机4的进气道连通。

具体实施时，可在由所述内燃机4的所述热气体通道11排出的热气体，最终经由所述内燃机4的进气道返回至所述内燃机4的回路中，设置氧化剂入口和还原剂入口，以供所述内燃机4工作，并可在所述回路中设工质导出口，以供所述回路中的工质过量时导出部分工质。

实施例3

如图3所示的蒸汽动力热气体自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：所述冷凝冷却分离器3的气体出口6与所述内燃机4的进气道连通。

具体实施时，可在由所述内燃机4的所述热气体通道11排出的热气体，最终经由所述内燃机4的进气道返回至所述内燃机4的回路中，设置氧化剂入口和还原剂入口，以供所述内燃机4工作，并可在所述回路中设工质导出口，以供所述回路中的工质过量时导出部分工质。

实施例4

如图4所示的蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道11和被汽化流体通道12的汽化器1、射流泵2、冷凝冷却分离器3和节流膨胀器7，所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的出口与所述射流泵2的动力流体喷射口连通，所述射流泵2的低压流体入口与热交换器8的被加热气体出口连通，所述热交换器8的被加热气体入口与所述节流膨胀器7的气体出口连通，所述节流膨胀器7的气体入口与所述冷凝冷却分离器3的气体出口连通，所述冷凝冷却分离器3的流体入口与所述射流泵2的流体出口连通，所述冷凝冷却分离器3的液体出口与液体泵5连通，所述液体泵5的液体出口与所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的入口连通，所述汽化器1的所述热气体通道11的出口与所述热交换器8的被冷却流体入口连通，所述汽化器1的热气体通道11入口与内燃机4的排气道连通，在所述热交换器8、所述射流泵2、所述冷凝冷却器3和所述节流膨胀器7构成的回路中充有作为制冷工质的氦气。

本实施例中，所述内燃机4的排气，先被所述汽化器1中的液体进行冷却，然后再在所述热交换器8中与所述节流膨胀器7中排出的温度较低的工质进行热交换后，经所述热交换器8的被冷却工质出口排出，经过两次冷却的所述内燃机4的排气温度已经很低，可能会低于环境温度，从而可以降低所述内燃机4对环境的热量排放。 

作为可以变换的实施方式，可以采用其它制冷工质代替氦气，还可以不在所述热交换器8、所述射流泵2、所述冷凝冷却器3和所述节流膨胀器7构成的回路充制冷工质；

实施例5

如图5所示的蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道11和被汽化流体通道12的汽化器1、射流泵2、冷凝冷却器31和汽化热交换器81，所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的出口与所述射流泵2的动力流体喷射口连通，所述射流泵2的低压流体入口与所述汽化热交换器81的已汽化气体出口连通，所述汽化热交换器81的被汽化液体入口与所述冷凝冷却器31的液体出口连通，所述冷凝冷却器31的流体入口与所述射流泵2的流体出口连通，所述冷凝冷却器31的液体出口还与液体泵5连通，所述液体泵5的液体出口与所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的入口连通，所述汽化器1的所述热气体通道11的出口与所述汽化热交换器81的被冷却流体入口连通，所述汽化器1的所述热气体通道11的入口与内燃机4的排气道连通，所述汽化热交换器81的气体出口与所述内燃机4的进气道连通。

本实施例中，所述内燃机4的排气先被所述汽化器1冷却，再被所述汽化热交换器81冷却，然后经所述内燃机4的进气道进入所述内燃机4中；所述汽化器1中的液体工质，由于被所述内燃机4的排气加热汽化为高压气体工质，所述高压气体工质经所述被汽化流体通道12至所述射流泵2的动力流体喷射口，并带动所述射流泵2的低压流体入口处的气体工质射流进入所述冷凝冷却器31中进行冷却为液体工质，所述液体工质的一部分经所述液体泵5泵入所述汽化器1中，另一部分则经所述汽化热交换器81的被汽化液体入口进入所述汽化热交换器81中，当所述热气体通道11中的气体工质经所述被冷却流体入口进入所述汽化热交换器81中时，所述液体工质被加热汽化经所述已汽化气体出口进入所述射流泵2的低压流体入口处，然后进入下一循环。

具体实施时，可在由所述内燃机4的所述热气体通道11排出的热气体，最终经由所述内燃机4的进气道返回至所述内燃机4的回路中设置氧化剂入口和还原剂入口，以供所述内燃机4工作，并可在所述回路中设工质导出口，以供所述回路中的工质过量时导出部分工质。

作为可以变换的实施方式，所述汽化热交换器81的气体出口可以不与所述内燃机4的进气道连通，而是将经所述汽化热交换器81冷却的热气体直接排放掉。

实施例6

如图6所示的蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道11和被汽化流体通道12的汽化器1、冷凝冷却器31、做功机构9和压缩机构10，所述汽化器1的所述热气体通道11的入口与内燃机4的排气道连通，所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的出口与所述做功机构9的气体入口连通，所述做功机构9的气体出口与所述冷凝冷却器31的流体入口连通，所述冷凝冷却器31的液体出口经液体泵5与所述汽化器1的所述被汽化流体通道12的入口连通，所述汽化器1的所述热气体通道11的出口经降温器33与所述压缩机构10的气体入口连通，所述做功机构9对所述压缩机构10输出动力。

其中，所述做功机构9可设为速度式做功机构或容积式做功机构，具体地，可以设为往复活塞式做功机构、转子活塞式做功机构或叶轮式做功机构，本实施例中，所述做功机构9设为叶轮式做功机构；所述压缩机构10可设为速度式压缩机构或容积式压缩机构，具体地，可以设为往复活塞式压缩机构、转子活塞式压缩机构或叶轮式压缩机构，本实施例中，所述压缩机构10设为叶轮式压缩机构。

可选择地，所述压缩机构10的气体出口与所述内燃机4的气体入口连通，即由所述内燃机4的排气释放的热量被所述汽化器1的液体工质吸收后产生气体工质，带动所述做功机构9对外输出动力，由于所述做功机构9可对所述压缩机构10输出动力，也就是可以将所述内燃机4的排气用自身的能量压缩后再次进入所述内燃机4中进行下一循环。

具体实施时，可在由所述内燃机4的热气体通道11排出的热气体，最终经由所述内燃机4的进气道返回至所述内燃机4的回路中设置氧化剂入口和还原剂入口，以供所述内燃机4工作，并可在所述回路中设工质导出口，以供所述回路中的工质过量时导出部分工质。

作为可以变换的实施方式，所述汽化器1的所述热气体通道11的出口与所述压缩机构10的气体入口之间的连通通道上的所述降温器33可以不设。

实施例7

如图7所示的蒸汽动力热气体自身冷却系统，其与实施例7的区别在于：所述压缩机构10的气体出口经降温器33与附属做功机构91的气体入口连通，所述附属做功机构91的气体入口经另一降温器33与附属压缩机构100的气体入口连通。

作为可以变换的实施方式，所述汽化器1的所述热气体通道11的出口与所述压缩机构10的气体入口之间的连通通道上的所述降温器33、所述压缩机构10的气体出口与所述附属做功结构91的气体入口之间的连通通道上的所述降温器33和所述附属做功机构91的气体出口与所述附属压缩机构100的气体入口之间的连通通道上的所述降温器33可以不设或择一设置；所述附属做功机构91和所述附属压缩机构100可以不设；所述附属压缩机构100可以不设。

作为可以变换的实施方式，本发明的所有实施方式中，都可以使所述热气体通道11的入口不与所述内燃机4的排气道连通，而是与其它热气体排放系统连通。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道（11）和被汽化流体通道（12）的汽化器（1）、射流泵（2）和冷凝冷却分离器（3），其特征在于：所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的出口与所述射流泵（2）的动力流体喷射口连通，所述射流泵（2）的低压流体入口与所述汽化器（1）的所述热气体通道（11）的出口连通，所述射流泵（2）的流体出口与所述冷凝冷却分离器（3）的被冷却流体入口连通，所述冷凝冷却分离器（3）的液体出口经液体泵（5）与所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的入口连通，所述冷凝冷却分离器（3）上设有气体出口（6）。

2.如权利要求1所述蒸汽动力热气体自身冷却系统，其特征在于：所述冷凝冷却分离器（3）的所述气体出口（6）与内燃机（4）的进气道连通。

3.如权利要求1所述蒸汽动力热气体自身冷却系统，其特征在于：所述蒸汽动力热气体自身冷却系统还包括节流膨胀器（7），所述冷凝冷却分离器（3）上的所述气体出口（6）与所述节流膨胀器（7）的气体入口连通。

4.如权利要求3所述蒸汽动力热气体自身冷却系统，其特征在于：所述节流膨胀器（7）的气体出口与内燃机（4）的进气道连通。

5.一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道（11）和被汽化流体通道（12）的汽化器（1）、射流泵（2）、冷凝冷却分离器（3）和节流膨胀器（7），其特征在于：所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的出口与所述射流泵（2）的动力流体喷射口连通，所述射流泵（2）的低压流体入口与热交换器（8）的被加热气体出口连通，所述热交换器（8）的被加热气体入口与所述节流膨胀器（7）的气体出口连通，所述节流膨胀器（7）的气体入口与所述冷凝冷却分离器（3）的气体出口连通，所述冷凝冷却分离器（3）的流体入口与所述射流泵（2）的流体出口连通，所述冷凝冷却分离器（3）的液体出口与液体泵（5）连通，所述液体泵（5）的液体出口与所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的入口连通，所述汽化器（1）的所述热气体通道（11）的出口与所述热交换器（8）的被冷却流体入口连通。

6.如权利要求5所述蒸汽动力热气体自身冷却系统，其特征在于：在所述热交换器（8）、所述射流泵（2）、所述冷凝冷却分离器（3）和所述节流膨胀器（7）构成的回路中充有制冷工质。

7.一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道（11）和被汽化流体通道（12）的汽化器（1）、射流泵（2）、冷凝冷却器（31）和汽化热交换器（81），其特征在于：所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的出口与所述射流泵（2）的动力流体喷射口连通，所述射流泵（2）的低压流体入口与所述汽化热交换器（81）的已汽化气体出口连通，所述汽化热交换器（81）的被汽化液体入口与所述冷凝冷却器（31）的液体出口连通，所述冷凝冷却器（31）的流体入口与所述射流泵（2）的流体出口连通，所述冷凝冷却器（31）的液体出口还与液体泵（5）连通，所述液体泵（5）的液体出口与所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的入口连通，所述汽化器（1）的所述热气体通道（11）的出口与所述汽化热交换器（81）的被冷却流体入口连通。

8.如权利要求7所述蒸汽动力热气体自身冷却系统，其特征在于：所述汽化热交换器（81）的气体出口与内燃机（4）的进气道连通。

9.一种蒸汽动力热气体自身冷却系统，包括设有热气体通道（11）和被汽化流体通道（12）的汽化器（1）、冷凝冷却器（31）、做功机构（9）和压缩机构（10），其特征在于：所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的出口与所述做功机构（9）的气体入口连通，所述做功机构（9）的气体出口与所述冷凝冷却器（31）的流体入口连通，所述冷凝冷却器（31）的液体出口经液体泵（5）与所述汽化器（1）的所述被汽化流体通道（12）的入口连通，所述汽化器（1）的所述热气体通道（11）的出口与所述压缩机构（10）的气体入口连通，所述做功机构（9）对所述压缩机构（10）输出动力。

10.如权利要求9所述蒸汽动力热气体自身冷却系统，其特征在于：所述汽化器（1）的所述热气体通道（11）的出口经降温器（33）与所述压缩机构（10）的气体入口连通。

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