CN103306847A - 气体做功相循环发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体做功相循环发动机，包括汽化器、正时冷凝冷却器和气体做功机构；所述正时冷凝冷却器设在所述汽化器内，所述正时冷凝冷却器设在所述汽化器上，和/或所述正时冷凝冷却器与所述汽化器的气相区连通；所述气体做功机构与所述汽化器的气相区连通。本发明具有结构简单、效率高、造价低和使用寿命长等优点。

Description

气体做功相循环发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种气体做功相循环发动机。

背景技术

利用汽化器将工质加热气化、临界化、超临界化、超超临界化或过热化后作为推动动力机构做功的系统已有两百年的历史，而且至今还在应用，但是这类发动机功率密度低、体积庞大，因此需要发明一种新型的以工质相变为源动力的发动机。

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. 一种气体做功相循环发动机，包括汽化器、正时冷凝冷却器和气体做功机构；所述正时冷凝冷却器设在所述汽化器内，所述正时冷凝冷却器设在所述汽化器上，和/或所述正时冷凝冷却器与所述汽化器的气相区连通；所述气体做功机构与所述汽化器的气相区连通。

方案2. 在方案1的基础上将所述正时冷凝冷却器设为由正时控制阀和冷凝冷却器连通构成，在所述汽化器的气相区上设通道口，所述通道口经所述正时控制阀与所述冷凝冷却器连通。

方案3. 在方案2的基础上，在所述通道口和所述冷凝冷却器之间的连通通道上设回热器。

方案4. 在方案1的基础上将所述正时冷凝冷却器设为喷淋式冷凝冷却器，所述喷淋式冷凝冷却器包括正时控制阀、喷嘴和设在所述汽化器的气相区外的散热片，所述正时控制阀与所述喷嘴连通，所述喷嘴能够将工质喷射到所述散热片上。

方案5. 在方案1的基础上将所述正时冷凝冷却器设为涡轮液体回送单元，所述涡轮液体回送单元由气体正时控制阀、叶轮动力机构、冷凝冷却器、液体泵和液体正时控制阀依次连通构成，所述气体正时控制阀和所述液体正时控制阀均与所述汽化器的气相区连通。

方案6. 在方案5的基础上，在所述液体泵和所述液体正时控制阀之间的连通通道上设蓄能器。

方案7. 在方案5的基础上，所述气体做功机构与所述汽化器的气相区连通构成汽化器做功单元，多个所述汽化器做功单元与一个所述涡轮液体回送单元对应设置。

方案8. 在方案1的基础上将所述气体做功机构设为气缸活塞做功机构。

方案9. 在方案8的基础上，在连通所述气缸活塞做功机构的气缸和所述汽化器的气相区的连通通道上设逆止阀，在所述逆止阀和所述气缸活塞做功机构的气缸之间的连通通道上设旁通管，所述正时冷凝冷却器设为包括设置在所述汽化器的气相区内的与所述旁通管连通的喷嘴和设置在所述汽化器与所述旁通管之间的连通通道上的冷却器的单元。

方案10. 在方案8的基础上，在连通所述汽化器的气相区和所述气缸活塞做功机构的气缸之间的连通通道上设逆止阀，在所述气缸活塞做功机构的气缸上设气缸乏气出口，所述正时冷凝冷却器设为包括设置在所述汽化器的气相区内的与所述气缸乏气出口连通的喷嘴和设置在所述汽化器与所述气缸乏气出口之间的连通通道上的冷却器的单元。

方案11. 在方案9或方案10的基础上，在所述冷却器与所述汽化器的气相区之间的连通通道上依次设置晾水塔和正时液体泵。

方案12. 在方案1的基础上，将所述气体做功机构设为由相位不同的多个相互并联的气缸活塞做功机构构成的气缸活塞机构组。

方案13. 在方案1的基础上，将所述气体做功机构设为气体马达。

方案14. 在方案1的基础上，将所述气体做功机构设为叶轮动力机构。

方案15. 在方案9或方案10的基础上，在所述冷却器与所述喷嘴之间的所述旁通管上设加热器。

方案16. 在方案15的基础上，将所述加热器设为热交换器式加热器。

方案17. 在方案16的基础上，将所述热交换器式加热器的热源为加热所述汽化器后的余热。

方案18. 一种气体做功相循环发动机，包括汽化器和气体做功机构；所述汽化器的气相区上设有做功气体出口和工质回流口，所述做功气体出口和所述工质回流口经连通通道连通；在所述连通通道上设旁通口，所述旁通口与所述气体做功机构的工质入口连通；在所述旁通口和所述工质回流口之间的所述连通通道上设冷却回流口，所述气体做功机构的工质出口经冷凝冷却器与所述冷却回流口连通。

方案19. 在方案18的基础上，将所述气体做功机构设为气缸活塞做功机构。

方案20. 在方案18的基础上，在所述冷却回流口处设喷嘴。

方案21. 在方案18或方案19的基础上，在所述冷却回流口与所述工质回流口之间的所述连通通道上设加热器。

方案22. 在方案21的基础上，将所述加热器设为热交换器式加热器。

方案23. 在方案22的基础上，将所述热交换器式加热器的热源为加热所述汽化器后的余热。

方案24. 在上述所有方案的基础上，将所述汽化器的承压能力大于1MPa。

方案25. 在方案24的基础上，将所述汽化器的承压能力大于2MPa。

方案26. 在方案25的基础上，将所述汽化器的承压能力大于3MPa。。

本发明的原理是：将工质在所述汽化器内气化、临界化、超临界化、超超临界化或过热化形成高压工质，将所述汽化器形成的高压工质导入所述气体做功机构对外做功，根据所述汽化器内工质量的周期变化或根据所述气体做功机构的工作周期，利用所述正时冷凝冷却器对所述汽化器内的工质进行冷凝冷却，从而使工质回到所述汽化器中，形成循环，对外做功。

本发明中，所谓的正时冷凝冷却器是指按照正时关系对所述汽化器内的气相工质进行冷凝冷却的装置，例如：由正时控制阀和冷凝冷却器连通构成的冷却装置，但不包括将冷却器设置在液位上升和下降方向上，当液位上升或下降时使被冷却流体与所述冷却器接触或脱离接触来实现正时冷凝冷却关系的装置。所谓的正时冷凝冷却关系是指与所述气体做功机构的工作规律相匹配的冷却关系，具体而言，可以是当所述气体做功机构需要所述汽化器内的压强降低的时候启动冷凝冷却功能；或者是指与所述汽化器内工质状态相匹配的冷却关系，具体而言，当所述汽化器内的工质减少到一定程度时，需要启动对所述汽化器内的工质的冷凝冷却功能以及对工质回送到所述汽化器内的功能。

本发明中，所述汽化器内的工质处于临界状态时，所述汽化器的气相区和所述汽化器的液相区可是同一空间。

本发明中，所谓的气体做功机构是指利用气体工质、临界态工质、超临界态工质和/或超超临界态工质为动力源产生动力的机构，例如：气体马达、气缸活塞做功机构、气缸活塞机构组、柱塞马达、齿轮马达、喷嘴式动力机构等。

本发明中，所述气体做功相循环发动机的系统内的最低压力大于环境压力。

本发明中，所述汽化器是指能够使液体工质发生汽化、临界化、超临界化、超超临界化或过热化的装置，它可以是外燃汽化器、热交换器、太阳能汽化器或内燃汽化器。在内燃汽化器中包括氧化剂和还原剂燃烧产物能够液化的内燃汽化器和氧化剂和还原剂燃烧产物不能液化的内燃汽化器。

本发明中，所述汽化器的承压能力大于1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、12MPa、13MPa、14MPa、15MPa、16MPa、17MPa、18MPa、19MPa、20MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa或大于30MPa。

本发明中，所述汽化器工作时其内部工质的最大压力与其承压能力相匹配，即所述汽化器工作时其内部工质的最大压力达到所述汽化器的承压能力。

本发明中，为了进一步提高系统的效率，在所述汽化器设为外燃汽化器的结构中，可以将加热所述汽化器后的燃烧产物中的热量进一步加以利用，例如：利用这一部分热量制冷，或利用这一部分热量作为热源加热另一个内部工质沸点较低的所述汽化器从而产生动力。

本发明中，所谓的工质可以是一切能够在所述汽化器中发生汽化、过热化、临界化、超临界化或超超临界化的物质，例如水、氟利昂、醚类等一切无机朗肯循环和有机朗肯循环中的工质。

本发明中，应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、单元或系统等。

本发明的有益效果如下:

本发明具有结构简单、效率高、造价低和使用寿命长等优点，尤其适用于冷热电联供系统，即分布式发电。

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的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；

图6所示的是本发明实施例6的结构示意图；

图7所示的是本发明实施例7的结构示意图；

图8所示的是本发明实施例8的结构示意图；

图9所示的是本发明实施例9的结构示意图；

图10所示的是本发明实施例10的结构示意图；

图11所示的是本发明实施例11的结构示意图；

图12所示的是本发明实施例12的结构示意图；

图13所示的是本发明实施例13的结构示意图；

图14所示的是本发明实施例14的结构示意图；

图15所示的是本发明实施例15的结构示意图；

图16所示的是本发明实施例16的结构示意图；

图17所示的是本发明实施例17的结构示意图；

其中：

1汽化器、2气缸活塞做功机构、201正时控制阀、202冷凝冷却器、203气体正时控制阀、204叶轮动力机构、206液体泵、207液体正时控制阀、3正时冷凝冷却器、301气缸乏气出口、4冷却器、41晾水塔、42正时液体泵、5逆止阀、6旁通管、60旁通口、7喷嘴、10内燃汽化器、110工质导出口、12散热片、14回热器、15加热器、221气体做功机构、100通道口、101做功气体出口、102工质回流口、103冷却回流口、1000涡轮液体回送单元。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的气体做功相循环发动机，包括汽化器1、正时冷凝冷却器3和气体做功机构221，所述正时冷凝冷却器3设在所述汽化器1上，所述气体做功机构221与所述汽化器1的气相区连通。

本实施例中，所述汽化器1设为了外燃式汽化器。

将工质在所述汽化器1内气化、临界化、超临界化、超超临界化或过热化形成高压工质，将在所述汽化器1内的高压工质导入所述气体做功机构221对外做功，根据所述汽化器1内工质量的周期变化或根据所述气体做功机构221的工作周期，利用所述正时冷凝冷却器3对所述汽化器1内的工质进行冷凝冷却，从而使工质回到所述汽化器1中，形成循环，对外做功。

作为可以变换的实施方式，所述正时冷凝冷却器3可以改设在所述汽化器1的气相区内，或所述正时冷凝冷却器3可改为与所述汽化器1的气相区连通；也可按照上述三种方式或在上述三种方式任择两种方式同时设置所述正时冷凝冷却器3。

实施例2

如图2所示的气体做功相循环发动机，其在实施例1的基础上，将所述气体做功机构221具体的设为了气缸活塞做功机构2。

实施例3

如图3所示的气体做功相循环发动机，其与实施例2的区别在于：所述正时冷凝冷却器3改为与所述汽化器1的气相区连通，并将所述正时冷凝冷却器3具体的设为由正时控制阀201和冷凝冷却器202连通构成，在所述汽化器1的气相区上设通道口100，所述通道口100经所述正时控制阀201与所述冷凝冷却器202连通。

实施例4

如图4所示的气体做功相循环发动机，其在实施例3的基础上在所述通道口100和所述冷凝冷却器202之间的连通通道上增设回热器14。

实施例5

如图5所示的气体做功相循环发动机，其在实施例2的基础上将所述正时冷凝冷却器3具体的设为了喷淋式冷凝冷却器，所述喷淋式冷凝冷却器包括正时控制阀201、喷嘴7和设在所述汽化器1的气相区外的散热片12，具体的所述散热片12设置在了所述汽化器1的顶部，所述正时控制阀201与所述喷嘴7连通，所述喷嘴7能够将工质喷射到所述散热片12上。

实施例6

如图6所示的气体做功相循环发动机，其与实施例3的区别在于：所述正时冷凝冷却器3改设为涡轮液体回送单元1000，所述涡轮液体回送单元1000由气体正时控制阀203、叶轮动力机构204、冷凝冷却器202、液体泵206和液体正时控制阀207依次循环连通构成，所述汽化器1的气相区与通过将所述气体正时控制阀203和所述液体正时控制阀207之间的通道与所述汽化器1的气相区连通的方式实现所述气体正时控制阀203和所述液体正时控制阀207均与所述汽化器1的气相区连通；在所述气体正时控制阀203和所述液体正时控制阀207之间的通道与所述汽化器1的气相区之间的连通通道上设置回热器14。

具体实施时可选择性的将所述气体做功机构221与所述汽化器1的气相区连通设为汽化器做功单元，并使多个所述汽化器做功单元与一个所述涡轮液体回送单元1000对应设置。

作为可以变换的实施方法，所述气体正时控制阀203和所述液体正时控制阀207不必相互连通，而是分别与所述汽化器1的气相区连通，此时所述回热器14不需设置。

作为可以变换的实施方式，所述回热器14可以不设。

实施例7

如图7所示的气体做功相循环发动机，其在实施例6的基础上，在所述液体泵206和所述液体正时控制阀207之间的连通通道上增设蓄能器208。

实施例8

如图8所示的气体做功相循环发动机，其在实施例2的基础上，在所述汽化器1的气相区和所述气缸活塞做功机构2的气缸上的工质入口之间的连通通道上设逆止阀5，在所述气缸活塞做功机构2的气缸上还设置了气缸乏气出口301，所述正时冷凝冷却器3设为包括设置在所述汽化器1的气相区内的与所述气缸乏气出口301连通的喷嘴7和设置在所述汽化器1与所述气缸乏气出口301之间的连通通道上的冷却器4的单元。

实施例9

如图9所示的气体做功相循环发动机，其在实施例2的基础上，在所述气缸活塞做功机构2的气缸和所述汽化器1的气相区的连通通道上设逆止阀5，在所述逆止阀5和所述气缸活塞做功机构2的气缸之间的连通通道上设旁通管6，所述正时冷凝冷却器3设为包括设置在所述汽化器1的气相区内的与所述旁通管6连通的喷嘴7和设置在所述汽化器1与所述旁通管6之间的连通通道上的冷却器4的单元。

实施例10

如图10所示的气体做功相循环发动机，其在实施例9的基础上，在所述冷却器4与所述汽化器1的气相区之间的连通通道上依次增设晾水塔41和正时液体泵42。

本发明的所有设有所述冷却器4的结构中，都可以参照本实施例设置所述凉水塔41及所述正时液体泵42。

实施例11

如图11所示的气体做功相循环发动机，其与实施例9的区别在于：将所述汽化器1改设为了内燃汽化器10，向所述内燃汽化器10中导入的氧化剂和还原剂在所述内燃汽化器10内部发生燃烧化学反应，从而使所述内燃汽化器10中的液体工质气化、临界化、超临界化、超超临界化或过热化形成高压工质，从而推动所述气缸活塞做功机构2对外做功。

由于从外界导入了氧化剂和还原剂，为了使系统中的工质能够平衡，在所述旁通管6上设置工质导出口110以及配套的阀，从所述工质导出口110处导出多余的工质。

实施例12

如图12所示的气体做功相循环发动机，其在实施例8的基础上，在所述冷却器4与所述喷嘴7之间的连通通道上增设加热器15，所述加热器15设为热交换器式加热器，所述热交换器式加热器的热源为加热所述汽化器1后的余热。

实施例13

如图13所示的气体做功相循环发动机，其在实施例9的基础上，在所述冷却器4与所述喷嘴7之间的连通通道上增设加热器15，所述加热器15设为热交换器式加热器，所述热交换器式加热器的热源为加热所述汽化器1后的余热。

作为可以变换的实施方式，实施例12、实施例13中的所述加热器15可以选择其他形式的加热器，当所述加热器15设为热交换器式加热器时，也可以采用其他形式的热源。

实施例14

如图14所示的气体做功相循环发动机，包括汽化器1和气体做功机构221；所述汽化器1的气相区上设有做功气体出口101和工质回流口102，所述做功气体出口101和所述工质回流口102经连通通道连通；在所述连通通道上设旁通口60，所述旁通口60与所述气体做功机构221的工质入口连通；在所述旁通口60和所述工质回流口102之间的所述连通通道上设冷却回流口103，所述气体做功机构221的工质出口经冷凝冷却器202与所述冷却回流口103连通。

实施例15

如图15所示的气体做功相循环发动机，其在实施例13的基础上，将所述气体做功机构221具体的设为了气缸活塞做功机构2。

实施例16

如图16所示的气体做功相循环发动机，其在实施例15的基础上，在所述冷却回流口103与所述工质回流口102之间的所述连通通道上增设加热器15，从而使得从所述工质回流口102进入所述汽化器1的工质温度升高，更易在所述汽化器1内汽化。

实施例17

如图17所示的气体做功相循环发动机，其在实施例16的基础上，在所述冷却回流口103处增设喷嘴7，且将所述加热器15具体的设为了热交换器式加热器，所述热交换器式加热器的热源为加热所述汽化器1后的余热，从而可利用加热所述汽化器1后的余热对从所述工质回流口102进入所述汽化器1的工质加热，使其更易在所述汽化器1内汽化，有效提高能源的利用率，有利于节约能源。

作为可以变换的实施方式，所述加热器15和所述喷嘴7可以择一设置；所述加热器15可以选择其他形式的加热器，当所述加热器15设为热交换器式加热器时，也可以采用其他形式的热源。

本发明的所有实施方式中，都可以参照实施例11将所述汽化器1改设为内燃汽化器10，还可以改设为其他形式的汽化器，比如热交换器式或太阳能式汽化器。

本发明的所有将所述气体做功机构221设为气缸活塞做功机构2的实施方式中，都可以选择性的将所述气体做功机构221改设为由相位不同的多个相互并联的气缸活塞做功机构2构成的气缸活塞机构组，气体马达或改设为叶轮动力机构。

本发明的所有实施方式在具体实施时，都可以选择性的将所述汽化器的承压能力设为大于1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、12MPa、13MPa、14MPa、15MPa、16MPa、17MPa、18MPa、19MPa、20MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa或大于30MPa。

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)

1.一种气体做功相循环发动机，其特征在于：包括汽化器（1）、正时冷凝冷却器（3）和气体做功机构（221）；所述正时冷凝冷却器（3）设在所述汽化器（1）内，所述正时冷凝冷却器（3）设在所述汽化器（1）上，和/或所述正时冷凝冷却器（3）与所述汽化器（1）的气相区连通；所述气体做功机构（221）与所述汽化器（1）的气相区连通。

2.如权利要求1所述气体做功相循环发动机，其特征在于：所述正时冷凝冷却器（3）设为由正时控制阀（201）和冷凝冷却器（202）连通构成，在所述汽化器（1）的气相区上设通道口（100），所述通道口（100）经所述正时控制阀（201）与所述冷凝冷却器（202）连通。

3.如权利要求2所述气体做功相循环发动机，其特征在于：在所述通道口（100）和所述冷凝冷却器（202）之间的连通通道上设回热器（14）。

4.如权利要求1所述气体做功相循环发动机，其特征在于：所述正时冷凝冷却器（3）设为喷淋式冷凝冷却器，所述喷淋式冷凝冷却器包括正时控制阀（201）、喷嘴（7）和设在所述汽化器（1）的气相区外的散热片（12），所述正时控制阀（201）与所述喷嘴（7）连通，所述喷嘴（7）能够将工质喷射到所述散热片（12）上。

5.如权利要求1所述气体做功相循环发动机，其特征在于：所述正时冷凝冷却器（3）设为涡轮液体回送单元（1000），所述涡轮液体回送单元（1000）由气体正时控制阀（203）、叶轮动力机构（204）、冷凝冷却器（202）、液体泵（206）和液体正时控制阀（207）依次连通构成，所述气体正时控制阀（203）和所述液体正时控制阀（207）均与所述汽化器（1）的气相区连通。

6.如权利要求5所述气体做功相循环发动机，其特征在于：在所述液体泵（206）和所述液体正时控制阀（207）之间的连通通道上设蓄能器（208）。

7.如权利要求5所述气体做功相循环发动机，其特征在于：所述气体做功机构（221）与所述汽化器（1）的气相区连通构成汽化器做功单元，多个所述汽化器做功单元与一个所述涡轮液体回送单元（1000）对应设置。

8.如权利要求1所述气体做功相循环发动机，其特征在于：所述气体做功机构（221）设为气缸活塞做功机构（2）。

9.如权利要求8所述气体做功相循环发动机，其特征在于：在连通所述气缸活塞做功机构（2）的气缸和所述汽化器（1）的气相区的连通通道上设逆止阀（5），在所述逆止阀（5）和所述气缸活塞做功机构（2）的气缸之间的连通通道上设旁通管（6），所述正时冷凝冷却器（3）设为包括设置在所述汽化器（1）的气相区内的与所述旁通管（6）连通的喷嘴（7）和设置在所述汽化器（1）与所述旁通管（6）之间的连通通道上的冷却器（4）的单元。

10.如权利要求8所述气体做功相循环发动机，其特征在于：在连通所述汽化器（1）的气相区和所述气缸活塞做功机构（2）的气缸之间的连通通道上设逆止阀（5），在所述气缸活塞做功机构（2）的气缸上设气缸乏气出口（301），所述正时冷凝冷却器（3）设为包括设置在所述汽化器（1）的气相区内的与所述气缸乏气出口（301）连通的喷嘴（7）和设置在所述汽化器（1）与所述气缸乏气出口（301）之间的连通通道上的冷却器（4）的单元。

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