CN103775238A - 准卡诺发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热能与动力领域，公开了一种准卡诺发动机，包括多级压缩机构和多级膨胀做功机构，在所述多级压缩机构的至少一个级间的连通通道上设级间排热器，所述多级压缩机构的工质出口经加热器与所述多级膨胀做功机构的工质入口连通，所述多级膨胀做功机构的工质出口与所述多级压缩机构的工质入口连通，在所述多级膨胀做功机构的至少一个级间的连通通道上设级间加热器，所述多级膨胀做功机构对所述多级压缩机构输出动力。本发明结构简单、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，特别是一种准卡诺发动机。
背景技术
在热力循环中，卡诺循环是在两个温差下效率最高的热力学循环，换句话说，在实际热机条件下，在压缩过程的前段中进行冷却并在压缩过程后段将工质压缩到温度升高至机构所能承受的最高温度后，经加热等温膨胀，再经绝热膨胀的循环方式是在机构所能承受的最高温度的条件下效率最高的热力循环系统。因此，需要发明一种循环过程接近卡诺循环的发动机。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出的技术方案如下：
方案1：一种准卡诺发动机，包括多级压缩机构和多级膨胀做功机构，在所述多级压缩机构的至少一个级间的连通通道上设级间排热器，所述多级压缩机构的工质出口经加热器与所述多级膨胀做功机构的工质入口连通，所述多级膨胀做功机构的工质出口与所述多级压缩机构的工质入口连通，在所述多级膨胀做功机构的至少一个级间的连通通道上设级间加热器，所述多级膨胀做功机构对所述多级压缩机构输出动力。
方案2：在方案1的基础上，进一步可选择的，在所述多级膨胀做功机构的工质出口和所述多级压缩机构的工质入口之间的连通通道上设吸热器。
方案3：在方案1的基础上，进一步可选择的，在所述多级膨胀做功机构的工质出口和所述多级压缩机构的工质入口之间的连通通道上设压胀排热器。
方案4：在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述准卡诺发动机还包括附属膨胀做功机构，在所述多级压缩机构的至少一个级间的连通通道上设工质导出口，所述工质导出口与所述附属膨胀做功机构的工质入口连通，所述附属膨胀做功机构的工质出口经附属吸热器与所述多级压缩机构的工质入口连通。
方案5：在方案4的基础上，进一步可选择的，在所述工质导出口和所述附属膨胀做功机构的工质入口之间的连通通道上设附属排热器。
方案6：在方案4或方案5的基础上，进一步可选择的，在所述工质导出口和所述附属膨胀做功机构的工质入口之间的连通通道上设控制阀。
方案7：在方案1至方案6中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述多级压缩机构设为速度型多级压缩机构，或所述多级压缩机构设为容积型多级压缩机构。
方案8：在方案1至方案7中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述多级膨胀做功机构设为速度型多级膨胀做功机构，或所述多级膨胀做功机构设为容积型多级膨胀做功机构。
方案9：在方案1至方案8中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述多级压缩机构的总压比大于5。
方案10：在方案1至方案9中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述多级膨胀做功机构对外输出动力。
方案11：在方案1至方案9中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述多级膨胀做功机构对发电机输出动力。
方案12：在方案1至方案11中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述准卡诺发动机的循环工质设为二氧化碳、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物或设为空气。
方案13：在方案1至方案11中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述准卡诺发动机的循环工质设为二氧化碳、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或设为三种以上物质的混合物。
本发明中，所谓的“多级压缩机构”是指一切可以对气体进行多级压缩的机构，包括速度型多级压缩机构和容积型多级压缩机构，例如，轴流式气体压缩机、径流式气体压缩机、罗茨气体压缩机、螺杆式气体压缩机或活塞式气体压缩机等，所谓“多级”是指两级以上，所述“多级压缩机构”是指两个以上压缩级串联设置，而其旋转轴可共轴也可非共轴设置。
本发明中，所谓的“多级膨胀做功机构”是指以输出动力为目的的膨胀做功机构，包括速度型膨胀做功机构和容积型膨胀做功机构，例如轴流透平、径流透平（含涡轮）、活塞式膨胀做功机构、螺杆式膨胀做功机构或罗茨式膨胀做功机构等，所谓“多级”是指两级以上，所述“多级膨胀做功机构”是指两个以上膨胀级串联设置，而其旋转轴可共轴也可非共轴设置。
本发明中，所谓的“吸热器”是指以制冷为目的，工质自外部吸热的热交换器。
本发明中，所述吸热器和所述附属吸热器都是吸热器，名称不同是为了区分而加以定义的。
本发明中，所谓的“排热器”是指将气体工质的热量对外排放的装置，可以是散热器，也可以是以降温为目的的热交换器，即冷却器等，在需要对外供热时可选择性地采用热交换器的形式。
本发明中，所述附属排热器、所述级间排热器和所述压胀排热器均是排热器，只是为了对其所在的位置进行区分而定义的，例如所述压胀排热器是指设置在膨胀做功机构与压缩机构之间的连通通道上的排热器。
本发明中，所述加热器和所述级间加热器都是加热器，名称不同是为了区分而加以定义的。
本发明中，所述附属膨胀做功机构和所述膨胀做功机构都是膨胀做功机构，名称不同是为了区分而加以定义的。
本发明中，所述附属膨胀做功机构可以对所述多级压缩机构输出动力，也可对外输出动力。
本发明中，在所述多级压缩机构设为三级，同时所述多级膨胀机构也设为三级的结构中，本发明的所述准卡诺发动机中的气体工质热力学循环过程如图10所示：A-B-C-D-E-F-G-H-I-A，其中，A-B是绝热压缩过程，B-C是恒压放热过程，C-D是绝热压缩过程，D-E是恒压放热过程，E-F是绝热压缩过程，F-G是恒压加热过程，G-H是绝热膨胀过程，H-I是恒压加热过程，I-A是绝热膨胀过程。
本发明中，当所述多级压缩机构采用速度型压缩机构，比如叶轮压气机的情况下，在选择工质时，应综合考虑工质的绝热指数、分子量和热导率；在有些情况下，某一种物质的热导率很高，但其分子量小，由于分子量小会影响叶轮式压气机的压比，例如氦气；另一种物质的热导率低但其分子量大，有利于提高叶轮式压气机的压比，例如氪气、氙气，在这种情况下，我们可以选择氦气和氪气的混合物、氦气和氙气的混合物，或氦气和氪气、氙气的混合物，这样以统筹压比和热导率，使压比和热导率都达到可以接受的程度。
本发明中，在所述多级压缩机构内或在所述多级膨胀做功机构内，将所述工质设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物的目的是为了统筹压比、热导率和绝热指数，使压比、绝热指数和热导率都达到可以接受的程度。
本发明中，由于有以输出动力为目的的热力学循环，因此希望加热时工质处于较高的压力，尤其是在选用速度型多级压缩机构时，应当注重工质选择，可选择性地选择 
的值小于80公斤力·米/公斤·K的工质。
本发明中
是气体工质的绝热指数，一般说来单原子为1.67，双原子为1.4，过热水蒸气为1.3，随着气体分子结构复杂化而减少，例如：氟利昂R123为1.15。
本发明中
是气体常数，不同于人们更为熟知的摩尔气体常数
，
值为8.3145
，且不仅与气体状态无关，也与气体的种类无关，而
则不同，的值与气体状态无关，但与气体的种类有关，
的计算方式为：
，其中
为气体的分子量，过热水蒸气的值为47公斤力·米/公斤·K。
本发明中，K是开尔文温度。
本发明中，可选择性地选择氟气、氯气、溴气、碘气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氟利昂R123、氟利昂R245A、氟利昂R134A、氟利昂R22、氟利昂R32、氟利昂R125、氟利昂R152A、氟利昂R142B、氟利昂R415B、氟利昂R418A、四氯化碳、氯仿、满足
的值小于80公斤力·米/公斤·K的限定条件的溴烷烃或选择满足
的值小于80公斤力·米/公斤·K的限定条件的气体混合物作为工质，还可以选择地充入的
的值小于80公斤力·米/公斤·K的氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物作为工质。
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。
本发明的有益效果如下：
本发明结构简单、效率高。
附图说明
图1是本发明中实施例1的结构示意图；
图2是本发明中实施例2的结构示意图；
图3是本发明中实施例3的结构示意图；
图4是本发明中实施例4的结构示意图；
图5是本发明中实施例5的结构示意图；
图6是本发明中实施例6的结构示意图；
图7是本发明中实施例7的结构示意图；
图8是本发明中实施例8的结构示意图；
图9是本发明中实施例9的结构示意图；
图10是气体工质P-T图，
图中，
1多级压缩机构、2多级膨胀做功机构、41级间排热器、42压胀排热器、43附属排热器、3加热器、31级间加热器、5吸热器、51附属吸热器、11叶轮式压缩机A、12叶轮式压缩机B、13叶轮式压缩机C、110速度型两级压缩机构、111速度型三级压缩机构、21涡轮式膨胀做功机构A、22涡轮式膨胀做功机构B、23涡轮式膨胀做功机构C、210速度型两级膨胀做功机构、211速度型三级膨胀做功机构、20附属涡轮式膨胀做功机构、101工质导出口、8控制阀。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的准卡诺发动机，包括多级压缩机构1和多级膨胀做功机构2，在所述多级压缩机构1的至少一个级间的连通通道上设级间排热器41，所述多级压缩机构1的工质出口经加热器3与所述多级膨胀做功机构2的工质入口连通，所述多级膨胀做功机构2的工质出口与所述多级压缩机构1的工质入口连通，在所述多级膨胀做功机构2的至少一个级间的连通通道上设级间加热器31，所述多级膨胀做功机构2对所述多级压缩机构1输出动力，本实施例中，将所述多级压缩机构1设为两级压缩机构，将所述多级膨胀做功机构2设为两级膨胀做功机构。
实施例2
如图2所示的准卡诺发动机，其与实施例1的区别在于：将所述多级压缩机构1设为速度型多级压缩机构，具体地设为包括叶轮式压缩机A11和叶轮式压缩机B12的速度型两级压缩机构110，将所述多级膨胀做功机构2设为速度型多级膨胀做功机构，具体地设为包括涡轮式膨胀做功机构A21和涡轮式膨胀做功机构B22的速度型两级膨胀做功机构210，所述速度型两级膨胀做功机构210对外输出动力。
作为可变换的实施方式，本实施例中以及下述所有实施方式中，均可选择性地将所述多级压缩机构1改设为其它形式的速度型多级压缩机构，所述多级膨胀机构2也可改设为其他形式的速度型多级膨胀做功机构。
作为可变换的实施方式，本实施例中以及下述所有实施方式中，均可选择性地将所述多级压缩机构1改设为容积型多级压缩机构，同时将所述多级膨胀机构2改设为容积型多级膨胀做功机构；或者只将所多级压缩机构1改设为容积型多级压缩机构；或者只将所述多级膨胀做功机构2改设为容积型多级膨胀做功机构。
作为可变换的实施方式，本实施例中所述速度型两级膨胀做功机构210还可对发电机输出动力，且本发明所有实施方式中所述多级膨胀做功机构2均可选择的对外输出动力，或者对发电机输出动力。
实施例3
如图3所示的准卡诺发动机，其与实施例2的区别在于：在所述速度型两级膨胀做功机构210的工质出口和所述速度型两级压缩机构110的工质入口之间的连通通道上增设吸热器5，所述速度型两级膨胀做功机构210改为对发电机输出动力。
实施例4
如图4所示的准卡诺发动机，其与实施例3的区别在于：将所述吸热器5改为由压胀排热器42代替。
作为可变换的实施方式，本发明所有实施方式中，均可选择的参照在实施例3和本实施例，在所述多级膨胀做功机构2的工质出口和所述多级压缩机构1的工质入口之间的连通通道上设所述压胀排热器42或设所述吸热器5。
实施例5
如图5所示的准卡诺发动机，其在实施例2的基础上：还包括附属膨胀做功机构，本实施例中，将所述附属膨胀做功机构具体地设为附属涡轮式膨胀做功机构20，在所述叶轮式压缩机A11和所述叶轮式压缩机B12之间的连通通道上设工质导出口101，所述工质导出口101与所述附属涡轮式膨胀做功机构20的工质入口连通，所述附属涡轮式膨胀做功机构20的工质出口经附属吸热器51与所述速度型两级压缩机构110的工质入口连通，所述附属涡轮式膨胀做功机构20对所述速度型两级压缩机构110输出动力。
作为可变换的实施方式，所述附属膨胀做功机构还可选择的对外输出动力，且本发明所有包括所述附属膨胀做功机构的实施方式中，所述附属膨胀做功机构可选择的对所述多级压缩机构1输出动力和/或对外输出动力。
当需要在本实施例的基础上参照实施例3设置所述吸热器5时，所述吸热器5和所述附属吸热器51可选择性的一体化设置，即所述附属涡轮式膨胀做功机构20的工质出口和所述多级膨胀做功机构2的工质出口经同一吸热器与所述多级压缩机构1的工质入口连通。
实施例6
如图6所示的准卡诺发动机，其在实施例5的基础上：在所述工质导出口101和所述附属涡轮式膨胀做功机构20的工质入口之间的连通通道上增设附属排热器43，在所述工质导出口101和所述附属涡轮式膨胀做功机构20的工质入口之间的连通通道上增设控制阀8。
本实施例中，所述控制阀8设置在所述工质导出口101和所述附属排热器43的工质入口之间的连通通道上，作为可变换的实施方式，所述控制阀8还可选择的改设在所述附属排热器43的工质出口与所述附属涡轮式膨胀做功机构20的工质入口之间的连通通道上。
作为可变换的实施方式，所述附属排热器43可选择的取消不设；或者所述控制阀8可选择的取消不设。
实施例7
如图7所示的准卡诺发动机，其与实施例6的区别在于：在所述速度型两级膨胀做功机构210的工质出口和所述速度型两级压缩机构110的工质入口之间的连通通道上增设吸热器5。
作为可以变换的实施方式，可以改为在所述速度型两级膨胀做功机构210的工质出口和所述速度型两级压缩机构110的工质入口之间的连通通道上增设压胀排热器42。
实施例5至实施例7中所述工质导出口101均设置在所述叶轮式压缩机B12的工质出口与所述级间排热器41的工质入口之间的连通通道上，作为可变换的实施方式，所述工质导出口101还可改设在所述级间排热器41的工质出口与所述叶轮式压缩机A11的工质入口之间的连通通道上。
上述实施例2至实施例7中，所述速度型两级压缩机构110中的所述叶轮式压缩机A11的旋转轴和所述叶轮式压缩机B12的旋转轴非共轴设置；所述速度型两级膨胀做功机构210中的所述涡轮式膨胀做功机构A21的旋转轴和所述涡轮式膨胀做功机构B22的旋转轴非共轴设置。
实施例8
如图8所示的准卡诺发动机，其与实施2的区别在于：所述速度型两级压缩机构110中的所述叶轮式压缩机A11的旋转轴和所述叶轮式压缩机B12的旋转轴共轴设置；所述速度型两级膨胀做功机构210中的所述涡轮式膨胀做功机构A21的旋转轴和所述涡轮式膨胀做功机构B22的旋转轴共轴设置。
本发明的上述实施方式中，给出了组成所述多级压缩机构1的各级压缩机构的旋转轴以及组成所述多级膨胀做功机构2的各级膨胀做功机构的旋转轴的两种设置方式：旋转轴共轴设置和旋转轴非共轴设置，上述各实施方式具体实施时，可根据需要使所述多级压缩机构的各级压缩机构和所多级膨胀做功机构的各级膨胀做功机构均非共轴设置或共轴设置；或者将所述多级压缩机构的各压缩机构非共轴设置，而所述多级膨胀做功机构的各级膨胀做功机构共轴设置；或者将所多级压缩机构的各级压缩机构共轴设置，而所述多级膨胀做功机构的各级膨胀做功机构非共轴设置，不受上述实施例中选定的设置方式的限制，也可选择所述多级压缩机构的各级压缩机构部分共轴、部分不共轴，或所述多级膨胀做功机构的各级膨胀做功机构部分共轴、部分不共轴，都不影响本发明目的的实现。
实施例9
如图9所示的准卡诺发动机，其与实施2的区别在于：将所述多级压缩机构1改设为包括叶轮式压缩机A11、叶轮式压缩机B12和叶轮式压缩机C13的速度型三级压缩机构111，所述多级膨胀做功机构2改设为包括涡轮式膨胀做功机构A21、涡轮式膨胀做功机构B22和涡轮式膨胀做功机构C23的速度型三级膨胀做功机构211，所述速度型三级压缩机构111中的所述叶轮式压缩机A11、所述叶轮式压缩机B12和所述叶轮式压缩机C13的旋转轴共轴设置；所述速度型三级膨胀做功机构211中的所述涡轮式膨胀做功机构A21、所述涡轮式膨胀做功机构B22和所述涡轮式膨胀做功机构C23的旋转轴共轴设置。
选择性地，还可在所述叶轮式压缩机B12的工质出口和所述叶轮式压缩机C13的工质入口之间的连通通道上增设级间排热器41；还可在所述涡轮式膨胀做功机构B22的工质出口和所述涡轮式膨胀做功机构C23的工质入口这间的连通通道上增设级间加热器31。
实施例1至实施例8及它们变换得到的实施方式中，均将所述多级压缩机构1具体的设为了两级，作为可以变换的实施方式，还可参照本实施例将所述多级压缩机构1设为三级；或者可选择的将所述多级压缩机构1改设为三级以上；并在至少一个级间的连通通道上设所述级间排热器51。
实施例1至实施例8及它们变换得到的的实施方式中，均将所述多级膨胀做功机构2设为了两级，作为可变换的实施方式，可选择性地参照本实施例将所多级膨胀做功机构2设为三级，或者可选择的将所述多级膨胀做功机构2改设为三级以上，并可进一步选择性地在所述多级膨胀做功机构2的至少一个级间的连通通道上设所述级间加热器31。
本发明中，所有包括所述附属膨胀做功机构的实施方式中，均将所述附属膨胀做功机构设为了所述附属涡轮式膨胀做功机构20，作为可以变换的实施方式，所述附属膨胀做功机构可以改设为其它任何形式的膨胀做功机构，比如活塞式膨胀做功机构、螺杆式膨胀做功机构等等。
上述所有实施方式中，均可选择性地使所述多级压缩机构的总压比大于5。
上述所有实施方式中，所述准卡诺发动机的循环工质均可选择性设为二氧化碳、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物或设为空气，或所述准卡诺发动机的循环工质选择性地设为二氧化碳、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物。
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. 一种准卡诺发动机，包括多级压缩机构（1）和多级膨胀做功机构（2），其特征在于：在所述多级压缩机构（1）的至少一个级间的连通通道上设级间排热器（41），所述多级压缩机构（1）的工质出口经加热器（3）与所述多级膨胀做功机构（2）的工质入口连通，所述多级膨胀做功机构（2）的工质出口与所述多级压缩机构（1）的工质入口连通，在所述多级膨胀做功机构（2）的至少一个级间的连通通道上设级间加热器（31），所述多级膨胀做功机构（2）对所述多级压缩机构（1）输出动力。
2. 如权利要求1所述准卡诺发动机，其特征在于：所述准卡诺发动机还包括附属膨胀做功机构，在所述多级压缩机构（1）的至少一个级间的连通通道上设工质导出口（101），所述工质导出口（101）与所述附属膨胀做功机构的工质入口连通，所述附属膨胀做功机构的工质出口经附属吸热器（51）与所述多级压缩机构（1）的工质入口连通。
3. 如权利要求2所述准卡诺发动机，其特征在于：在所述工质导出口（101）和所述附属膨胀做功机构的工质入口之间的连通通道上设控制阀（8）。
4.如权利要求2所述准卡诺发动机，其特征在于：在所述工质导出口（101）和所述附属膨胀做功机构的工质入口之间的连通通道上设附属排热器（43）。
5. 如权利要求4所述准卡诺发动机，其特征在于：在所述工质导出口（101）和所述附属膨胀做功机构的工质入口之间的连通通道上设控制阀（8）。
6. 如权利要求1至5中任一项所述准卡诺发动机，其特征在于：在所述多级膨胀做功机构的工质出口和所述多级压缩机构（1）的工质入口之间的连通通道上设吸热器（5）。
7. 如权利要求1至5中任一项所述准卡诺发动机，其特征在于：在所述多级膨胀做功机构的工质出口和所述多级压缩机构（1）的工质入口之间的连通通道上设压胀排热器（42）。
8. 如权利要求1至5中任一项所述准卡诺发动机，其特征在于：所述多级压缩机构（1）设为速度型多级压缩机构，或所述多级压缩机构（1）设为容积型多级压缩机构。
9. 如权利要求1至5中任一项所述准卡诺发动机，其特征在于：所述多级膨胀做功机构（2）设为速度型多级膨胀做功机构，或所述多级膨胀做功机构（2）设为容积型多级膨胀做功机构。
10. 如权利要求1至5中任一项所述准卡诺发动机，其特征在于：所述多级膨胀做功机构（2）对外输出动力。
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