CN103423020B - 热量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热量回收系统，包括压缩气缸、做功气缸和热交换器，特征是：所述热交换器上设置热源入口、热源出口、工作气体入口和工作气体出口，压缩气缸上设置压缩气缸进气口和压缩气缸排气口，在压缩气缸进气口和压缩气缸排气口分别设置压缩气缸进气阀门和压缩气缸排气阀门，做功气缸上设置做功气缸进气口和做功气缸排气口，在做功气缸进气口和做功气缸排气口分别设置做功气缸进气阀门和做功气缸排气阀门；所述压缩气缸排气口通过第一连通管路与热交换器的工作气体入口连通，热交换器的工作气体出口通过第二连通管路与做功气缸进气口连通。本发明可以有效利用各种热机的没有被利用掉的一部分热能转换为机械能，从而提升原来热机的效率。

Description

热量回收系统

技术领域

本发明涉及一种热量回收系统，尤其是一种可应用于海、陆、空等运输工具上，有效地将来自热源的热能转换为机械能的热机。

背景技术

传统的热机通过燃烧某一种或多种燃料，燃料释放出热能，热机将这些热能部分利用，再通过零部件的机械运动，将这部分能量传输到外界变成机械能，实现热能到机械能量的转换。被传输到外界的这一部分能量占燃料本身能量的比例称作这一种热机对能量利用的效率。

多年来，热机专家通过了各种技术的研究，提高热机能量利用的效率，表现在内燃机上我们可以看到的是通过各种技术的应用，如采用增压、增压中冷、多级增压、燃油喷射压力提高、燃烧重心提前、爆发压力提高等技术，发动机燃油消耗率的降低，内燃机的热效率得到逐步提高。

同时，热机专家发现，这些热机在将热能转换成机械能的过程中，存在能量的损失，通常这种能量损失的比重均占燃料总能量的很大一部分。很多专家和技术研究机构均在考虑，如何将这些热机没有得到利用的一部分能量进行回收利用。如采用热交换装置从发动机的废气或废水中提起热量，加热空气及采暖，或者通过复杂的机构，将废热发电、驱动空调运转降温等技术。由于从热机原来没有利用能量中提起了能量，实际提升了该种热机的能量利用的效率。

发明内容

本发明提供一种热量回收系统，可以利用各种热机没有被利用掉的部分能量，将其中的一部分能量转换成机械能，提升原来热机的效率。

按照本发明提供的技术方案，一种热量回收系统，包括压缩气缸、做功气缸和热交换器，特征是：所述热交换器上至少设置一个热源入口、一个热源出口、一个工作气体入口和一个工作气体出口，压缩气缸上至少设置一个压缩气缸进气口和一个压缩气缸排气口，在压缩气缸进气口和压缩气缸排气口分别设置压缩气缸进气阀门和压缩气缸排气阀门，做功气缸上至少设置一个做功气缸进气口和一个做功气缸排气口，在做功气缸进气口和做功气缸排气口分别设置做功气缸进气阀门和做功气缸排气阀门；所述压缩气缸进气口与进气管路连接，压缩气缸排气口通过第一连通管路与热交换器的工作气体入口连通，热交换器的工作气体出口通过第二连通管路与做功气缸进气口连通，做功气缸排气口与排气管路连接。

所述压缩气缸包括压缩气缸缸套、压缩气缸缸盖和设置在压缩气缸缸套内的压缩气缸活塞，压缩气缸活塞与压缩气缸连杆连接，压缩气缸连杆的端部连接压缩气缸曲轴。

所述做功气缸包括做功气缸缸套、做功气缸缸盖和设置在做功气缸缸套内的做功气缸活塞，做功气缸活塞与做功气缸连杆连接，做功气缸连杆的端部连接做功气缸曲轴。

在所述压缩气缸缸套的内侧壁、压缩气缸缸盖的内表面和压缩气缸活塞的表面设置隔热层。

在所述做功气缸缸套的内侧壁、做功气缸缸盖的内表面和做功气缸活塞的表面设置隔热层。

在所述热交换器的工作气体入口和工作气体出口分别设置第一阀门和第二阀门。

本发明可以利用各种热机的没有被利用掉的一部分能量，将其中的一部分能量转换成机械能，提升原来热机的效率；本发明不需要直接消耗燃料，只需从废气或其他剩余的热源中提起能量，从而输出机械功，是非常节能与环保的装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明所述压缩气缸进气冲程的示意图。

图3为本发明所述压缩气缸压缩冲程的示意图。

图4为本发明所述压缩气缸压缩冲程时压缩气缸排气阀门打开的示意图。

图5为本发明所述做功气缸做功冲程的示意图。

图6为本发明所述做功气缸排气冲程的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：所述热量回收系统包括压缩气缸1、热交换器2、做功气缸3、压缩气缸活塞11、压缩气缸缸套12、压缩气缸缸盖13、压缩气缸进气阀门14、压缩气缸排气阀门15、压缩气缸连杆16、压缩气缸曲轴17、热源入口21、热源出口22、工作气体入口23、工作气体出口24、第一阀门25、第二阀门26、做功气缸活塞31、做功气缸缸套32、做功气缸缸盖33、做功气缸进气阀门34、做功气缸排气阀门35、做功气缸连杆36、做功气缸曲轴37、进气管路41、第一连通管路42、第二连通管路43、排气管路44等。

如图1所示，本发明包括压缩气缸1、做功气缸3和热交换器2，热交换器2上至少设置一个热源入口21、一个热源出口22、一个工作气体入口23和一个工作气体出口24，压缩气缸1上至少设置一个压缩气缸进气口和一个压缩气缸排气口，在压缩气缸进气口和压缩气缸排气口分别设置压缩气缸进气阀门14和压缩气缸排气阀门15，做功气缸3上至少设置一个做功气缸进气口和一个做功气缸排气口，在做功气缸进气口和做功气缸排气口分别设置做功气缸进气阀门34和做功气缸排气阀门35；所述压缩气缸进气口与进气管路41连接，压缩气缸排气口通过第一连通管路42与热交换器2的工作气体入口23连通，热交换器2的工作气体出口24通过第二连通管路43与做功气缸进气口连通，做功气缸排气口与排气管路44连接；

所述压缩气缸1包括压缩气缸缸套12、压缩气缸缸盖13和设置在压缩气缸缸套12内的压缩气缸活塞11，压缩气缸活塞11与压缩气缸连杆16连接，压缩气缸连杆16的端部连接压缩气缸曲轴17；所述压缩气缸活塞11的往复运动导致压缩气缸1容积的不断变化，压缩气缸连杆16以及与压缩气缸连杆16连接的压缩气缸曲轴17完成压缩气缸1与外界之间功的传递；压缩气缸进气阀门14和压缩气缸排气阀门15的开启和关闭决定了压缩气缸1与进气管路41以及与热交换器2之间的第一连通管路42的连通关系；

所述做功气缸3包括做功气缸缸套32、做功气缸缸盖33和设置在做功气缸缸套32内的做功气缸活塞31，做功气缸活塞31与做功气缸连杆36连接，做功气缸连杆36的端部连接做功气缸曲轴37；所述做功气缸活塞31的往复运动导致做功气缸3容积的不断变化，做功气缸连杆36和与之相连接的做功气缸曲轴37完成做功气缸3与外界之间功的传递；做功气缸进气阀门34和做功气缸排气阀门35的开启或关闭决定做功气缸3与排气管路44以及与热交换器2连接的第二连通管路43之间的连通关系；

在所述压缩气缸缸套12的内侧壁、压缩气缸缸盖13的内表面和压缩气缸活塞11的表面设置隔热层，在所述做功气缸缸套32的内侧壁、做功气缸缸盖33的内表面和做功气缸活塞31的表面设置隔热层；

在所述热交换器2的工作气体入口23和工作气体出口24分别设置第一阀门25和第二阀门26，第一阀门25和第二阀门26的开启和关闭时刻可实时精确控制，从而调节工作气体在热交换器2中的质量、压力和温度；

所述热交换器2的高温工质可以使用发动机排出的尾气，低温工质为压缩气缸1排出的气体，在热交换器2中被加热到一定状态后，在特定的时刻进入做功气缸3。

本发明主要工作原理是：大气或经过压缩后的气体（后称工作气体）进入压缩气缸，在压缩气缸中被压缩后，连接压缩气缸和热交换器入口的阀门适时开启，工作气体进入热交换器后阀门关闭；热交换器使用外部热源提供热量；工作气体被充分加热后，连接热交换器出口与做功气缸的阀门适时开启，工作气体进入做功气缸，阀门关闭；工作气体在做功气缸中膨胀做功，把热能转换成机械能输出。

压缩气缸进气阀门14、压缩气缸排气阀门15、做功气缸进气阀门34和做功气缸排气阀门35的开启和关闭时刻可精确控制调节，整个系统的工作过程如下：

进气冲程：如图2所示，压缩气缸活塞11从最上端向最下端运行，压缩气缸1的容积逐渐增加，工作气体通过压缩气缸进气阀门14被吸入压缩气缸1，此时压缩气缸进气阀门14处于开启状态，压缩气缸排气阀门15处于关闭状态；工作气体可经过增压或增压冷却后再进入压缩气缸，这样可将一个相对具有较高压力的气体送入压缩气缸1；

压缩冲程：如图3所示，压缩气缸活塞11从最下端向最上端运行，压缩气缸1容积逐渐减小，此时压缩气缸进气阀门14和压缩气缸排气阀门15都处于关闭状态，工作气体被压缩；工作气体的压力随着压缩气缸1容积的减小而上升，在压缩行程后期的适当时刻，压缩气缸排气阀门15开启；如图4所示，工作气体通过压缩气缸排气阀门15排出压缩气缸1，经过第一连通管路42和热交换器2的工作气体入口23进入热交换器2；

加热过程：工作气体在热交换器2中被加热，温度升高，压力升高，此时压缩气缸排气阀门15关闭，做功气缸进气阀门34也处于关闭状态；

做功冲程：如图5所示，做功气缸进气阀门34打开，做功气缸排气阀门35关闭，在热交换器2中被加热到一定温度与压力的气体通过第二连通管路43以及做功气缸进气阀门34快速流入做功气缸3，推动做功气缸活塞31从最上端向最下端运动，并通过做功气缸连杆36和曲轴37实现对外输出功；

排气冲程：如图6所示，做功气缸进气阀门34关闭，做功气缸排气阀门35开启，做功气缸曲轴37由于飞轮的惯性继续旋转，做功气缸活塞31在做功气缸连杆36的驱动下从最下端向最上端运动，工作气体在做功气缸活塞31的推动下从做功气缸排气阀门35排出做功气缸3。

本发明最明显的两个特点是：一是本发明所述热量回收系统通过利用并不限于发动机排出的废气作为换热器的热流来加热气体，使其膨胀直接推动活塞做功；二是分别在两个气缸中完成气体的吸入——压缩——膨胀做功——排气过程，可更好地通过调节进入和流出热交换器中工作气体的质量来调节热交换管道的压力水平。

本发明将压缩气缸和做功气缸分开是为了使工作气体在热交换器中充分换热，延长换热时间。

在进入做功气缸之前，热交换器内的工作气体的压力应维持在一个较高的水平，阀门的开闭时间可控制调节，特别是为了让工作气体进行初使膨胀而进行调节。为了减少热量损失，内燃机排气系统管路以及工作气体流经的管路需要包扎。

发动机和本发明所述热量回收系统可共用一个发动机机体，其中布置了相同尺寸的气缸，气缸内的活塞完成相同长度的行程。我们还可以考虑，即使热机和发动机共用一个发动机机体，但热机气缸的直径或其活塞的行程可与发动机的略有不同。

Claims (5)

1.一种热量回收系统，包括压缩气缸（1）、做功气缸（3）和热交换器（2），其特征是：所述热交换器（2）上至少设置一个热源入口（21）、一个热源出口（22）、一个工作气体入口（23）和一个工作气体出口（24），压缩气缸（1）上至少设置一个压缩气缸进气口和一个压缩气缸排气口，在压缩气缸进气口和压缩气缸排气口分别设置压缩气缸进气阀门（14）和压缩气缸排气阀门（15），做功气缸（3）上至少设置一个做功气缸进气口和一个做功气缸排气口，在做功气缸进气口和做功气缸排气口分别设置做功气缸进气阀门（34）和做功气缸排气阀门（35）；所述压缩气缸进气口与进气管路（41）连接，压缩气缸排气口通过第一连通管路（42）与热交换器（2）的工作气体入口（23）连通，热交换器（2）的工作气体出口（24）通过第二连通管路（43）与做功气缸进气口连通，做功气缸排气口与排气管路（44）连接；在所述热交换器（2）的工作气体入口（23）和工作气体出口（24）分别设置第一阀门（25）和第二阀门（26）。

2.如权利要求1所述的热量回收系统，其特征是：所述压缩气缸（1）包括压缩气缸缸套（12）、压缩气缸缸盖（13）和设置在压缩气缸缸套（12）内的压缩气缸活塞（11），压缩气缸活塞（11）与压缩气缸连杆（16）连接，压缩气缸连杆（16）的端部连接压缩气缸曲轴（17）。

3.如权利要求1所述的热量回收系统，其特征是：所述做功气缸（3）包括做功气缸缸套（32）、做功气缸缸盖（33）和设置在做功气缸缸套（32）内的做功气缸活塞（31），做功气缸活塞（31）与做功气缸连杆（36）连接，做功气缸连杆（36）的端部连接做功气缸曲轴（37）。

4.如权利要求2所述的热量回收系统，其特征是：在所述压缩气缸缸套（12）的内侧壁、压缩气缸缸盖（13）的内表面和压缩气缸活塞（11）的表面设置隔热层。

5.如权利要求3所述的热量回收系统，其特征是：在所述做功气缸缸套（32）的内侧壁、做功气缸缸盖（33）的内表面和做功气缸活塞（31）的表面设置隔热层。