CN103147877A

CN103147877A - 余热利用内燃热气机

Info

Publication number: CN103147877A
Application number: CN2013100167255A
Authority: CN
Inventors: 靳北彪
Original assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Current assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Priority date: 2012-01-28
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明公开了一种余热利用内燃热气机，包括压缩机构、做功机构、内燃燃烧室和热交换器，所述压缩机构的工质出口与所述热交换器的被加热流体入口连通，所述热交换器的被加热流体出口经所述内燃燃烧室与所述做功机构的工质入口连通，所述做功机构的工质出口经所述热交换器的被冷却流体通道与所述压缩机构的工质入口连通，形成工质闭合循环回路；所述热交换器与所述压缩机构的工质入口之间的连通通道上设有工质导出口，且所述工质闭合循环回路的承压能力大于0.5MPa。本发明解决了现有热气机的工质温度和压力难以达到更高的水平从而影响热气机效率的问题，具有效率高、节能的特点。

Description

余热利用内燃热气机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种热气机。

背景技术

近年来，热气机得到广泛重视，然而传统热气机都是通过外燃加热的方式来提供动力的，外燃方式需要经过传热部件（通常为被加热容器的壁）来进行热传递，使得工质被加热，在外燃加热过程中很大一部分热量都耗散在环境中了，而且外燃加热方式受传热壁承压耐温能力的限制，传热效率有限，工质的温度和压力难以达到更高的水平，从而使得传统热气机的效率和功率密度严重受限，因此，需要发明一种新型热气机。

发明内容

本发明提供了一种效率和功率密度高的余热利用内燃热气机，解决了传统热气机因工质的温度和压力难以达到更高的水平而影响效率和功率密度的问题，同时采用热交换的方式将做功完成时温度很高的气体的热量传递给经压缩机构压缩后即将进入内燃燃烧室的温度较低的气体，使得即将进入内燃燃烧室的温度较低的气体的温度得以升高，同时做功完成时温度很高的气体的温度得以降低，从而可以充分利用内燃燃烧的能量。

本发明提出的技术方案如下：

一种余热利用内燃热气机，包括压缩机构、做功机构、内燃燃烧室和热交换器，所述压缩机构的工质出口与所述热交换器的被加热流体入口连通，所述热交换器的被加热流体出口经所述内燃燃烧室与所述做功机构的工质入口连通，所述做功机构的工质出口经所述热交换器的被冷却流体通道与所述压缩机构的工质入口连通，所述压缩机构、所述做功机构、所述内燃燃烧室、所述热交换器以及它们之间的连通通道形成工质闭合循环回路；在所述热交换器的被冷却流体出口与所述压缩机构的工质入口之间的连通通道上设工质导出口，且所述工质闭合循环回路的承压能力大于0.5MPa。

所述余热利用内燃热气机还包括降温器，所述降温器设置在所述热交换器的被冷却流体出口和所述压缩机构的工质入口之间的连通通道上。所述工质导出口经控制阀与外界连通。

所述工质闭合循环回路中，参与循环的气体的一部分为不凝气。

所述压缩机构设为叶轮压气机或罗茨风机或活塞式压缩机构。

所述做功机构设为涡轮或罗茨马达或活塞式做功机构。

所述压缩机构设为叶轮压气机，所述做功机构设为涡轮，所述叶轮压气机和所述涡轮同轴设置。

本发明的原理是：用所述内燃燃烧室（即向需要进行加热的热气机的工质内导入氧化剂、还原剂并使其发生燃烧化学反应，进而提高工质的温度的部件）取代传统热气机对传热部件（即热缸缸体或通道壁），从而使工质的温度和压力可以达到更高的水平，且对做功完成时的热量进行充分利用，实现热气机效率和功率密度的本质性提高，而且可以大幅度减少机构的体积、重量和制造成本。

本发明中，所谓的压缩机构是指一切可以对气体进行压缩的机构，例如活塞式压缩机构、叶轮式压气机、罗茨风机等，其作用是将所述余热利用内燃热气机内的气体工质进行压缩或压缩及平移，所谓的平移是指将工质从一个地方移动到另一个地方的过程。

本发明中，所谓的做功机构是指一切可以利用气体工质膨胀和/或流动产生动力的机构，例如活塞式做功机构、涡轮、罗茨马达等，其作用是利用所述余热利用内燃热气机内的处于高能状态下的气体工质进行做功，所谓的高能状态是指在所述余热利用内燃热气机的循环中，气体工质处于温度最高、压力最大的状态。

本发明中，所谓的工质导出口是指从所述余热利用内燃热气机的工质系统中导出部分工质的出口，其目的是为了平衡导入的氧化剂和还原剂发生燃烧化学反应所产生的多余的工质，以维持所述余热利用内燃热气机的工质系统的平衡。

本发明中，所述工质闭合循环回路中工质的最高压力达到所述工质闭合循环回路的承压能力。

本发明中，所述工质闭合循环回路中的循环气体可以是氩气、氦气、氧气等气体。

本发明中，所谓的不凝气是指惰性气体、氮气等在所述余热利用内燃热气机中经冷却后不液化的气体，优选的所述不凝气为氩气。

本发明中，所述内燃燃烧室和所述降温器在所述工质闭合循环回路上的位置应根据公知的热力学循环来设置。

本发明中，所述工质闭合循环回路内的工质需要经过压缩、加热升温升压、做功以及被冷却的过程，这就要求所述工质闭合循环回路能承受一定压力，选择性地，所述工质闭合循环回路的承压能力可设为大于0.5MPa、1MPa、1.5MPa、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、11.5MPa、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、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa或大于40MPa。

本发明中，所述压缩机构和所述做功机构之间可以不设阀，而依靠相互之间的相位差来形成系统的压缩和膨胀做功。

本发明中，根据热气机领域的公知技术，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：

本发明通过利用内燃加热方式代替传统热气机的外燃加热方式，将内燃加热方式的直接加热以致加热效率高的优势应用到热气机上，克服了传统热气机中因工质的温度和压力难以达到更高水平而影响效率和功率密度的问题，从而可以有效节约能源并大幅度减少机构的体积、重量和制造成本，同时，本发明采用热交换的方式将做功完成时温度很高的气体的热量传递给经所述压缩机构压缩后即将进入所述内燃燃烧室的温度较低的气体，使得即将进入所述内燃燃烧室的温度较低的气体的温度得以升高，同时做功完成时温度很高的气体的温度得以降低，从而可以充分利用内燃燃烧的能量，大大提高了热气机的效率，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图中：1热交换器、2工质导出口、3降温器、4内燃燃烧室、6控制阀、11叶轮压气机、21涡轮、12罗茨风机、22罗茨马达。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的余热利用内燃热气机，包括叶轮压气机11、涡轮21、内燃燃烧室4和热交换器1，所述叶轮压气机11的工质出口与所述热交换器1的被加热流体入口连通，所述热交换器1的被加热流体出口经所述内燃燃烧室4与所述涡轮21的工质入口连通，所述涡轮21的工质出口经所述热交换器1的被冷却流体通道与所述叶轮压气机11的工质入口连通，在所述热交换器1的被冷却流体出口和所述叶轮压气机11的工质入口之间的连通通道上设工质导出口2，所述工质导出口2经控制阀6与外界连通，所述叶轮压气机11、所述涡轮21、所述内燃燃烧室4、所述热交换器1以及它们之间的连通通道形成工质闭合循环回路。所述工质闭合循环回路中，参与循环的气体的一部分为不凝气，所述工质闭合循环回路的承压能力大于0.5MPa。

作为可变换的实施方式，本实施例中的所述控制阀6可以不设，可以通过调整所述工质导出口2的大小来调节所述工质闭合循环回路内部的压力平衡。

作为可变换的实施方式，可以不对所述参与循环的气体进行限制。

本实施例中，所述压缩机构具体的设为了所述叶轮压气机11，所述做功机构具体的设为了涡轮21，作为可以变换的实施方式，所述压缩机构可以设置为其它形式，所述做功机构也可以设置为其它形式，不影响本发明的目的的实现。

实施例2

如图2所示的余热利用内燃热气机，其与实施例1的区别在于：所述余热利用内燃热气机还包括降温器3，所述降温器3设置在所述热交换器1的被冷却流体出口和所述工质导出口2之间的连通通道上，所述叶轮压气机11和所述涡轮21同轴设置。所述工质闭合循环回路的承压能力大于5.5MPa。

作为可以变换的实施方式，设置所述降温器3的结构中，所述叶轮压气机11与所述涡轮21可以不必同轴，同理，所述叶轮压气机11和所述涡轮21同轴设置的结构中，可以不必设置所述降温器3。

实施例3

如图3所示的余热利用内燃热气机，其与实施例1的区别在于：所述压缩机构设为罗茨风机12，所述做功机构设为罗茨马达22，所述降温器3设置在所述工质导出口2和所述罗茨风机12的工质入口之间的连通通道上。

具体实施时，可选择地，所述压缩机构还可设为活塞式压缩机构，所述做功机构还可以设为活塞式做功机构，所述活塞式压缩机构和所述活塞式做功机构呈V型设置，所述余热利用内燃热气机为α型或β型热气机结构，所述工质闭合循环回路的承压能力大于9.5MPa。

本发明的所有实施方式，在实施时，都可以选择性的将所述工质闭合循环回路的承压能力改设为大于0.5MPa、1MPa、1.5MPa、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、11.5MPa、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、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa或大于40MPa。

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

1. 一种余热利用内燃热气机，包括压缩机构、做功机构、内燃燃烧室（4）和热交换器（1），其特征在于：所述压缩机构的工质出口与所述热交换器（1）的被加热流体入口连通，所述热交换器（1）的被加热流体出口经所述内燃燃烧室（4）与所述做功机构的工质入口连通，所述做功机构的工质出口经所述热交换器（1）的被冷却流体通道与所述压缩机构的工质入口连通，所述压缩机构、所述做功机构、所述内燃燃烧室（4）、所述热交换器（1）以及它们之间的连通通道形成工质闭合循环回路；在所述热交换器（1）的被冷却流体出口与所述压缩机构的工质入口之间的连通通道上设工质导出口（2），且所述工质闭合循环回路的承压能力为大于0.5MPa。

2. 如权利要求1所述余热利用内燃热气机，其特征在于：所述余热利用内燃热气机还包括降温器（3），所述降温器（3）设置在所述热交换器（1）的被冷却流体出口和所述压缩机构的工质入口之间的连通通道上。

3. 如权利要求1所述余热利用内燃热气机，其特征在于：所述工质导出口（2）经控制阀（6）与外界连通。

4. 如权利要求1所述余热利用内燃热气机，其特征在于：所述工质闭合循环回路中，参与循环的气体的一部分为不凝气。

5. 如权利要求1至4中任一项所述余热利用内燃热气机，其特征在于：所述压缩机构设为叶轮压气机（11）或罗茨风机（12）或活塞式压缩机构。

6. 如权利要求1至4中任一项所述余热利用内燃热气机，其特征在于：所述做功机构设为涡轮（21）或罗茨马达（22）或活塞式做功机构。

7. 如权利要求1至4中任一项所述余热利用内燃热气机，其特征在于：所述压缩机构设为叶轮压气机（11），所述做功机构设为涡轮（21），所述叶轮压气机（11）和所述涡轮（21）同轴设置。