CN103527274A - 冷能液态空气(液氮)发动机体系 - Google Patents

冷能液态空气(液氮)发动机体系 Download PDF

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Abstract

一种能够利用液态空气(液氮)气化做朗肯循环时产生的冷能做有用功的冷能液态空气(液氮)发动机体系。它是由液态空气罐、低温液体泵、热交换器、等温压缩机、等温气动发动机(膨胀机)等构成，循环工质为液态空气或液氮，它利用液态空气做朗肯循环和液态空气产生的冷能做有效功。在体系中最大程度的利用了液态空气(液氮)有效能，从而达到高效节能的目的。在体系中，只有同一种工质即空气，同一个气动发动机输出动力，所以体系比较简单，不存在工质泄漏、爆炸、污染问题、液态空气在气化时不会有结霜现象。液态空气(液氮)发动机体系使用在城市交通车辆时，起到制冷空调、净化城市空气、降低雾霾现象、降低城市热岛效应的作用。

Description

冷能液态空气(液氮)发动机体系
所属技术领域
本发明涉及一种液态空气(液氮)发动机体系，尤其是可以回收利用的液态空气(液氮)气化时产生的冷能做有用功的液态空气(液氮)发动机体系。
背景技术
目前，公知的液态空气发动机是液态空气(液氮)作为工质在环境空气中吸热气化，在气动机(膨胀机)中膨胀做功的朗肯循环方式，做功后，工质排出体系进入环境空气。由于液态空气(液氮)气化时需要大量的热量，产生了大量的冷能(液态空气蒸发焓)，如果仅利用液态空气(液氮)做朗肯循环，不仅浪费的大量的冷能，而且液态空气在蒸发气化产生的低温会造成蒸发器表面结霜将大大降低发动机做功效率。为了提高循环效率，人们又提出了液氮朗肯循环+斯特林循环的拔顶循环方式和液氮朗肯循环+布雷顿循环拔顶循环方式，还有低温剂拔顶循环方式。在液氮朗肯循环+斯特林循环的拔顶循环方式以及液氮朗肯循环+布雷顿循环拔顶循环方式中，由于布雷顿循环和斯特林循环的工质都是采用氦气，氦气为稀有气体，成本高昂，而且还有工质泄漏的情况，而且作为两套系统，就有两套动力输出，系统比较复杂，故难以实用化。低温剂拔顶循环方式采用多套朗肯循环方式，如工质用甲烷、乙烷、液氮组成朗肯拔顶循环方式也明显提高了体系的循环效率，但是甲烷、乙烷都为易燃易爆工质，并且是多套体系，体系有多套动力输出，体系更为复杂，更难以实用化。
发明内容
为了克服现有的液态空气(液氮)发动机循环体系不能充分利用冷能(低温工质汽化焓和汽化后产生的低温环境)、蒸发器结霜等原因造成的效率低下、以及各种拔顶循环体系复杂难以实现的不足，本发明提供了一种回收利用液态空气(液氮)在气化时产生的大量冷能做有用功的冷能液态空气(液氮)发动机体系。本体系不仅利用液态空气或液氮做朗肯循环，还利用卡诺循环原理，将液态空气(液氮)气化时产生的冷能作为冷源，环境空气作为热源，气动发动机的尾气(空气)作为工质用以体系的拔顶循环，该体系利用气动机的尾气余热和热泵原理给液态空气(液氮)供热以使液态空气(液氮)气化，整个体系所采用的工质为同一种工质，而且整个体系只有一个动力输出，整个体系得到的功为朗肯技术功+卡诺拔顶循环功之和，从而大大提高了液态空气(液氮)发动机的效率，也大大提高了实用性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：冷能液态空气发动机体系采用液态空气或液氮作为做功工质，不仅利用液态空气(液氮)气化产生的高压空气驱动气动机做功，还利用液态空气或液氮作为冷源，环境空气作为热源，气动发动机的尾气(空气)作为工质用以卡诺循环，在气动机得到的有用功为朗肯技术功+卡诺循环功之和。
体系是由液态空气罐、低温液体泵、热交换器、等温压缩机、等温气动机(膨胀机)等构成。其中，液态空气罐(1)的出液管与低温液体泵(2)的进液管相连接，低温液体泵(2)的出液管与液态空气热交换器(3)的进液管(27)相连接，液态空气热交换器(3)的出液管(28)与等温压缩机内部换热器(4)的进液管(24)相连接，等温压缩机内部换热器(4)的出气管(25)与再热热交换器(5)的进气管(29)相连接，再热热交换器(5)的出气管(30)与环境热交换器(6)的进气管相连接，环境热交换器(6)的出气管再依次与电磁阀(22)、流量控制阀(23)相连接，流量控制阀(23)的出气管与等温气动发动机(7)的进气管相连接，等温气动机(7)的排气管有两个分支，一个分支与再热热交换器(5)的另一个进气管(31)相连接，再热热交换器(5)的另一个出气管(32)与液态空气热交换器(3)的进气管(33)相连接，液态空气热交换器(3)的出气管(34)与等温压缩机(9)的进气管相连接，等温压缩机(9)的排气管与等温压缩机内部换热器(4)的出气管(25)并连接于再热热交换器(5)的进气管(29)上，等温气动机(7)的排气管的另一个分支与消声器(14)相连接。
其工质循环原理是：液态空气罐(1)内的液态空气(液氮)经低温液体泵(2)增压后在液态空气热交换器(3)和等温压缩机内部换热器(4)吸热气化，气化后的高压工质再到再热热交换器(5)吸收气动发动机尾气余热，工质再到环境热交换器(6)吸收环境空气热量，最后工质再到等温气动机(7)做膨胀功，膨胀做功后的尾气一部分排出体系外，另一部分经过再热热交换器(5)预冷，再到液态空气热交换器(3)被液态空气(液氮)气化时产生的冷能冷却，最后被等温压缩机(9)等温压缩，压缩后的工质与做朗肯循环的工质合并一起到环境空气中吸热，最后到等温气动机(7)膨胀做功，完成一个液态空气的朗肯循环+卡诺循环的拔顶循环。
本发明的有益效果是，一、体系最大程度的利用了液态空气或液氮气化时产生的冷能用来增加体系的有用功；从而达到高效节能的目的，二、液态空气(液氮)在气化时不需要直接从环境空气中吸热气化，而是吸收的气动发动机尾气的余热气化，所以液态空气(液氮)在气化时体系不会有结霜现象；三、在整个体系循环中都是同一种工质即空气，所以不存在工质泄漏、爆炸、污染问题，对环境空气起到净化作用；四、整个体系最大程度的将本体系产生的冷能和气动发动机尾气的余热进行了热交换，从而减少了体系从环境空气中吸收的热量；五、在拔顶循环中只有一个气动发动机(膨胀机)输出动力和同一种工质循环，所以体系比较简单、容易实现；六、压缩机吸入的是膨胀做功后的尾气，它是纯净的空气，里面没有水分和灰尘，所以系统不会出现冰堵和脏堵；七、工质在膨胀做功时会吸收大量的热量，起到制冷空调的作用；八、液态空气(液氮)发动机体系作为城市交通机动车发动机体系时，起到清洁净化城市空气、降低雾霾现象、降低城市热岛效应的作用。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的循环原理图。
图2是冷能液态空气(液氮)发动机体系的等温膨胀机和等温压缩机示意图。
图3是冷能液态空气(液氮)发动机体系用在汽车减速制动时的气体循环示意图。
图中1.液态空气罐，2.低温液体泵，3.液态空气热交换器，4.等温压缩机内部换热器，5.再热热交换器，6.环境热交换器，7.等温气动机，8.废气排气口，9.等温压缩机，10.等温气动机内部换热器，11.热交换器，12.电磁阀，13.流量控制阀，14.消声器，15.储气罐，16.等温气动机活塞，17.等温气动机高压进气门，18.等温气动机排气门，19.等温气动机防冻液出液管，20.等温气动机防冻液进液管，21.等温压缩机活塞，22.等温压缩机进气阀片，23.等温压缩机排气阀片，24.等温压缩机内部换热器进液管，25.等温压缩机内部换热器出气管，26.曲轴，27.液态空气热交换器进液管，28.液态空气热交换器出液管，29.再热热交换器进气管，30.再热热交换器出气管，31再热热交换器另一个进气管，32.再热热交换器另一个出气管，33.液态空气热交换器进气管，34.液态空气热交换器出气管。
具体实施方式
在图1中，液态空气罐(1)的出液管与低温液体泵(2)的进液管相连接，低温液体泵(2)的出液管与液态空气热交换器进液管(27)相连接，液态空气热交换器出液管(28)与等温压缩机内部换热器进液管(24)相连接，等温压缩机内部换热器出气管(25)与再热热交换器进气管(29)相连接，再热热交换器出气管(30)与环境热交换器(6)的进气管相连接，环境热交换器(6)的出气管再依次与电磁阀(22)、流量控制阀(23)相连接，流量控制阀(23)的出气管与等温气动机(7)的进气管相连接，等温气动机(7)的排气管有两个分支，一个分支与再热热交换器另一个进气管(31)相连接，再热热交换器另一个出气管(32)与液态空气热交换器进气管(33)相连接，液态空气热交换器出气管(34)与等温压缩机(9)的进气管相连接，等温压缩机(9)的排气管与等温压缩机内部换热器出气管(25)并连接于再热热交换器进气管(29)上，等温气动机(7)的排气管的另一个分支与消声器(14)相连接。
液态空气罐(1)内的工质为液态空气或液氮。液态空气罐(1)中的液态空气(液氮)经低温液体泵(2)增压至液态空气热交换器(3)内吸热，工质吸热后成为汽液混合物，工质再进入等温压缩机内部换热器(4)被加热成为气态工质，气化后的高压工质再到再热热交换器(5)吸收气动机尾气余热，工质再到环境热交换器(6)吸收环境空气热量，此时的工质已是常温高压的空气，工质再到等温气动机(7)做膨胀功，做完膨胀功的尾气一部分经废气排气口(8)排出体系，另一部分经过再热热交换器(5)预冷，尾气温度降低，体积缩小，降温后的尾气再进入液态空气热交换器(3)被液态空气(液氮)气化时产生的冷能冷却，尾气温度进一步降低，体积缩小，然后再被等温压缩机(9)等温压缩，压缩后的工质与气化后的工质合并继续进入热交换器(5)，由此继续循环。
在图1中，工质的气化热量来源于膨胀做功后的尾气余热和压缩机的压缩热。其中，热交换器(3)起到的作用为：工质在液态空气热交换器(3)与尾气热交换，工质吸热气化，尾气被冷却温度降低，体积缩小。
等温压缩机内部换热器(4)为起到的作用为：未完全气化的工质混合物在等温压缩机内部换热器(4)吸热直到完全气化，液态工质与等温压缩机(9)热交换，起到两个作用，一、使液态工质吸热气化，二、做为冷源，降低被压缩工质的初温和等温压缩机(9)的温度，做到准等温压缩，从而降低压缩机(9)的功耗。
再热热交换器(5)起到的作用为：气化后的低温工质在热交换器(5)热交换，降低尾气温度，提高了高压空气的温度，从而充分利用了工质气化产生的冷能，减少了工质在环境热交换器(6)的吸热量，也就减小了环境热交换器(6)的结霜可能性。
环境热交换器(6)起到的作用为：工质在环境热交换器(6)充分吸收环境热量，使工质达到环境温度。
等温气动机内部换热器(10)起到的作用为：将防冻液的热量传递给做膨胀功的工质。
热交换器(11)的作用为：吸收环境空气热量，用此热量加热热交换器(11)管内的防冻液(乙二醇溶液)。经过防冻液的循环将从热交换器(11)吸收的环境空气热量传递给等温气动发动机内部换热器(10)。
在体系中利用流量控制阀(13)控制气动机(7)的转速，利用储气罐(15)将多余的高压气体进行存储，电磁阀(12)气动开通和关闭进入气动机(7)的作用。
在整个体系最大限度的利用了液态空气气化时产生的冷能，降低了整个体系在环境空气中的吸热量，从而降低了热交换器(6)从环境空气中吸热时结霜的可能性；液化空气(液氮)气化时，不需要直接从环境空气中吸热，而是利用尾气的余热气化和压缩机的热泵原理气化，不仅回收利用了冷能，而且大大提高了体系的循环效率。在体系中，环境是高温热源，液态空气(液氮)是低温热源，工质在低温热源等温压缩，在高温热源膨胀做功，符合热力学原理。在体系的拔顶循环中，使用的是同一种工质，同一个气动机(膨胀机)，同一个热交换器(6)在环境空气中吸热，拔顶循环的工质为气态，没有相变产生，因而系统设备相对比较简单。在系统中，通过加入拔顶循环大幅提高了液态空气(液氮)有效能的转换效率。在系统中，在气动机得到的膨胀功是液态空气(液氮)朗肯循环技术功和卡诺循环的拔顶循环功之和。
图2是冷能液态空气(液氮)发动机体系的等温气动机和等温压缩机示意图，等温气动机气缸头上部安装有高压进气门(17)和排气门(18)，在气动机气缸头内部有内部换热器(10)，活塞(16)顶部有锥形肋片，气动机气缸头的内部换热器(10)为锥形肋片，内部换热器(10)的锥形肋片与活塞(16)顶部锥形肋片互相嵌合，当气体膨胀做功时，气体温度会降低，锥形肋片里面的乙二醇防冻液为膨胀做功气体提供热量；等温气动机活塞(16)向下做功时，气动机进气门(17)开启，高压空气进入，气动机活塞(16)向上排气时，工质从气动机排气门(18)排出；吸热后的防冻液从气动机防冻液进液口(20)进入，放热后从气动机防冻液出液口(19)排出。
等温压缩机(9)与传统压缩机不同的是压缩机气缸头有内部换热器(4)和活塞顶部有锥形肋片，压缩机气缸头内部换热器(4)为锥形肋片，气缸头内部换热器(4)的锥形肋片与活塞顶部的锥形肋片互相嵌合，气体被压缩时会产生大量的压缩热，此热量被肋片里面的液态空气(液氮)吸收，液态空气(液氮)吸收压缩热后气化；用以冷却等温压缩机(9)的液态空气(液氮)从等温压缩机液态空气(液氮)进液口(24)进入，气化后从等温压缩机液态空气(液氮)出液口(25)排出；当等温压缩机活塞(21)向下运行时，来自气动机的尾气由等温压缩机进气阀片(22)进入，经过等温压缩后，工质由等温压缩机排气阀片(23)排出。在本体系循环工作时，气动机(7)驱动等温压缩机(9)运转。
图3是冷能液态空气(液氮)发动机体系用在汽车减速制动时的气体循环示意图，汽车在下坡行驶和减速制动过程中，利用等温压缩机(9)的压缩空气制动方式来减速制动，将汽车的制动能转化为高压空气储存在储气罐(15)中，其原理是：汽车减速制动时，低温液体泵(2)停止工作，电磁阀(12)关闭，压缩机(9)将环境空气从废气排气口(8)处吸入，经过压缩机(9)的压缩，压缩空气在环境热交换器(6)散热后，压缩空气进入储气罐(15)储存。将减速制动能储存有两个优点，一、解决了汽车下坡行驶的安全问题，二、增加了汽车的续航里程。

Claims (3)

1.一种冷能液态空气(液氮)发动机体系，由液态空气罐、低温液体泵、热交换器、等温气动发动机、等温压缩机、电磁阀、流量控制阀、储气罐构成，其特征是：液态空气罐(1)的出液管与低温液体泵(2)的进液管相连接，低温液体泵(2)的出液管与液态空气热交换器进液管(27)相连接，液态空气热交换器出液管(28)与等温压缩机内部换热器进液管(24)相连接，等温压缩机内部换热器出气管(25)与再热热交换器进气管(29)相连接，再热热交换器出气管(30)与环境热交换器(6)的进气管相连接，环境热交换器(6)的出气管再依次与电磁阀(22)、流量控制阀(23)相连接，流量控制阀(23)的出气管与等温气动发动机(7)的进气管相连接，等温气动发动机(7)的排气管有两个分支，一个分支与再热热交换器另一个进气管(31)相连接，再热热交换器另一个出气管(32)与液态空气热交换器进气管(33)相连接，液态空气热交换器出气管(34)与等温压缩机(9)的进气管相连接，等温压缩机(9)的排气管与等温压缩机内部换热器出气管(25)并连接于再热热交换器进气管(29)上，等温气动发动机(7)的排气管的另一个分支与消声器(14)相连接。
2.根据权利要求1所述的冷能液态空气(液氮)发动机体系，其特征是：是压缩机气缸头有内部换热器(4)和活塞顶部有锥形肋片，气缸头内部换热器(4)为锥形肋片，气缸头内部换热器(4)的锥形肋片与活塞(21)顶部的锥形肋片互相嵌合。
3.根据权利要求1所述的冷能液态空气(液氮)发动机体系，其特征是：等温气动机气缸头上部安装有高压进气门(17)和排气门(18)，在气动机气缸头内部有内部换热器(10)，活塞(16)顶部有锥形肋片，气动机气缸头的内部换热器(10)为锥形肋片，内部换热器(10)的锥形肋片与活塞(16)顶部锥形肋片互相嵌合。
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