CN103790660B - 极限温比发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极限温比发动机,包括非放热压缩单元和多级膨胀做功机构,所述非放热压缩单元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,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非放热压缩单元输出动力,所述多级膨胀做功机构对外输出动力。本发明的所述极限温比发动机的结构简单、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及热能与动力领域,特别是一种极限温比发动机。
背景技术
在热动力循环中,机构所能承受的最高温度限制了热动力循环的效率,在传统热动力循环的机构中,往往是某一处机构的工作温度达到了机构所能承受的最高温度,而机构的其它部位以及循环的其它部件的工作温度均远低于这一最高温度,如果能够使机构的更多部位或循环中的更多部件中尽可能多的部位工作在温度极限范围内,这样,不仅可以提高热动力循环的效率,还可以提高材料的有效利用率,降低成本。因此,需要发明一种新型发动机。
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1:一种极限温比发动机,包括非放热压缩单元和多级膨胀做功机构,所述非放热压缩单元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,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非放热压缩单元输出动力,所述多级膨胀做功机构对外输出动力。
方案2:在方案1的基础上,所述多级膨胀做功机构的工质出口经压胀排热器与所述非放热压缩单元的工质入口连通。
方案3:在方案1的基础上,所述非放热压缩单元和所述多级膨胀做功机构构成的非闭合循环中的工质设为含氧气体,所述加热器设为主内燃燃烧室,所述级间加热器设为级间内燃燃烧室。
方案4:在方案1或3的基础上,所述非放热压缩单元设为速度型非放热压缩单元,或所述非放热压缩单元设为容积型非放热压缩单元。
方案5:在方案2的基础上,所述非放热压缩单元设为速度型非放热压缩单元,或所述非放热压缩单元设为容积型非放热压缩单元。
方案6:在方案1或3或4的基础上,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7:在方案2或5的基础上,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8:在方案2或5或7的基础上,所述极限温比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9:在方案2或5或7的基础上,所述极限温比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三种以上物质的混合物。
方案10:在上述任一方案的基础上,所述非放热压缩单元的总压比设为大于5。
本发明中,所谓的“非放热压缩单元”是指在压缩过程中不放热的气体压缩单元,包括单级不放热压缩单元,也包括多级不放热压缩单元,所谓的“不放热压缩单元”是指不设置强制冷却装置或不具有强制冷却功能的压缩单元,例如,无间冷的多级压缩机构等;所述非放热压缩单元不是主观绝热压缩单元,因此,也没有必要对压缩单元进行绝热,所述非放热压缩单元包括速度型非放热压缩单元和容积型非放热压缩单元,例如,轴流式气体压缩机构、径流式气体压缩机构、罗茨式气体压缩机构、螺杆式气体压缩机构、活塞式气体压缩机构等,所谓的“多级”是指两级以上,所谓的“多级非放热压缩单元”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的压缩单元。
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、罗茨式膨胀做功机构等,所谓的“多级膨胀做功机构”是指两个以上膨胀做功级串联设置,而其旋转轴可共轴也可非共轴设置的膨胀做功机构。
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,所谓的“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,所谓的“含氧气体”是指含有氧气的气体。
本发明中,所述加热器和所述级间加热器均是加热器,只是为了对其所在的位置进行区分而定义的。
本发明中,所述主内燃燃烧室和所述级间内燃燃烧室均是内燃燃烧室,只是为了对其所在的位置进行区分而定义的。
本发明中,在所述非放热压缩单元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、氪气和氙气的混合物,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,在所述极限温比发动机的循环工质设为氦气、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非放热压缩单元时,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,在必要的地方设置控制阀、传感器、隔热层等。
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:
本发明所述极限温比发动机的结构简单、效率高。
附图说明
图1所示的是本发明中实施例1的结构示意图;
图2所示的是本发明中实施例2的结构示意图;
图3所示的是本发明中实施例3的结构示意图;
图4所示的是本发明中实施例4的结构示意图;
图5所示的是本发明中实施例5的结构示意图;
图6所示的是本发明中实施例6的结构示意图;
图7所示的是本发明中实施例7的结构示意图,
图中,
1非放热压缩单元、2多级膨胀做功机构、42压胀排热器、3加热器、31级间加热器、11叶轮式压缩机A、12叶轮式压缩机B、110速度型非放热两级压缩单元、21涡轮式膨胀做功机构A、22涡轮式膨胀做功机构B、210速度型两级膨胀做功机构、111活塞式压缩机A、121活塞式压缩机B、1101容积型非放热两级压缩单元、211活塞式膨胀做功机构A、221活塞式膨胀做功机构B、2101容积型两级膨胀做功机构、6主内燃燃烧室、61级间内燃燃烧室。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的极限温比发动机,包括非放热压缩单元1和多级膨胀做功机构2,并将所述多级膨胀做功机构2具体地设为两级,所述非放热压缩单元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,在所述多级膨胀做功机构2的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对所述非放热压缩单元1输出动力,所述多级膨胀做功机构2对外输出动力。
作为可以变换的实施方式,所述非放热压缩单元1还可设为两级以上;所述多级膨胀做功机构2还可设为三级以上,此时需要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置所述级间加热器31。
实施例2
如图2所示的极限温比发动机,其在实施例1的基础上,将所述非放热压缩单元1设为速度型非放热压缩单元,具体地将所述非放热压缩单元1设为叶轮式压缩机A11,同时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,具体地将所述多级膨胀做功机构2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。
作为可以变换的实施方式,所述非放热压缩单元1还可改设为其它形式的速度型压缩机,或改设为容积型非放热压缩单元;所述多级膨胀做功机构2还可改设为其它形式的速度型膨胀做功机构,或改设为容积型多级膨胀做功机构;所述多级膨胀做功机构2还可以设为速度型膨胀做功机构和容积型膨胀做功机构的组合。
实施例3
如图3所示的极限温比发动机,其在实施例2的基础上:所述非放热压缩单元1改设为包括叶轮式压缩机A11和叶轮式压缩机B12的速度型非放热两级压缩单元110。
作为可以变换的实施方式,所述非放热压缩单元1还可设为三级以上。
实施例4
如图4所示的极限温比发动机,其在实施例3的基础上:所述速度型两级膨胀做功机构210的工质出口经压胀排热器42与所述速度型非放热两级压缩单元110的工质入口连通。
实施例5
如图5所示的极限温比发动机,其与实施例4的区别在于:所述非放热压缩单元1改设为包括活塞式压缩机A111和活塞式压缩机B121的容积型非放热两级压缩单元1101,所述多级膨胀做功机构2改设为包括活塞式膨胀做功机构A211和活塞式膨胀做功机构B221的容积型两级膨胀做功机构2101。
实施例6
如图6所示的极限温比发动机,其在实施例1的基础上:所述非放热压缩单元1和所述多级膨胀做功机构2构成的非闭合循环中的工质设为含氧气体,所述加热器3设为主内燃燃烧室6,所述级间加热器31设为级间内燃燃烧室61。
实施例7
如图7所示的极限温比发动机,其在实施例3的基础上:所述速度型非放热两级压缩单元110和所述速度型两级膨胀做功机构210构成的非闭合循环中的工质设为含氧气体,所述加热器3设为主内燃燃烧室6,所述级间加热器31设为级间内燃燃烧室61。
本发明所有的实施方式中,所述非放热压缩单元1可根据具体的情况设为一级或多级,并选择性地设为速度型非放热压缩单元或设为容积型非放热压缩单元,如实施例2中设为所述叶轮式压缩机A11、实施例3中设为包括所述叶轮式压缩机A11和所述叶轮式压缩机B12的所述速度型非放热两级压缩单元110、实施例5设为包括活塞式压缩机A111和活塞式压缩机B121的容积型非放热两级压缩单元1101,但不受上述实施方式中的具体形式的限制。
本发明所有的实施方式中,所述多级膨胀做功机构2可根据具体的情况设为一级或多级,并选择性地设为速度型多级膨胀做功机构、设为容积型多级膨胀做功机构或设为速度型多级膨胀做功机构和容积型多级膨胀做功机构的组合,如实施例2将所述多级膨胀做功机构2设为包括所述涡轮式膨胀做功机构A21和所述涡轮式膨胀做功机构B22的所述速度型两级膨胀做功机构210、实施例5所述多级膨胀做功机构2设为包括所述活塞式膨胀做功机构A211和所述活塞式膨胀做功机构B221的所述容积型两级膨胀做功机构2101,但不受上述实施方式中的具体形式的限制。
本发明所有设有多级非放热压缩单元的实施方式中,所述非放热压缩单元1的各压缩级的旋转轴可共轴也可非共轴设置。
本发明所有实施方式中,所述多级膨胀做功机构2的各级膨胀做功级的旋转轴可共轴也可非共轴设置。
本发明所有实施方式中,都可以选择性地将所述极限温比发动机中的所述非放热压缩单元1的总压比设为大于5。
本发明中,在所有设置所述压胀排热器42的实施方式中,都可以选择性的将所述极限温比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,或设为二氧化碳、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)
1.一种极限温比发动机,包括非放热压缩单元(1)和多级膨胀做功机构(2),其特征在于:所述非放热压缩单元(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,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)对所述非放热压缩单元(1)输出动力,所述多级膨胀做功机构(2)对外输出动力。
2.如权利要求1所述极限温比发动机,其特征在于:所述多级膨胀做功机构(2)的工质出口经压胀排热器(42)与所述非放热压缩单元(1)的工质入口连通。
3.如权利要求1所述极限温比发动机,其特征在于:所述非放热压缩单元(1)和所述多级膨胀做功机构(2)构成的非闭合循环中的工质设为含氧气体,所述加热器(3)设为主内燃燃烧室(6),所述级间加热器(31)设为级间内燃燃烧室(61)。
4.如权利要求1所述极限温比发动机,其特征在于:所述非放热压缩单元(1)设为速度型非放热压缩单元,或所述非放热压缩单元(1)设为容积型非放热压缩单元。
5.如权利要求2所述极限温比发动机,其特征在于:所述非放热压缩单元(1)设为速度型非放热压缩单元,或所述非放热压缩单元(1)设为容积型非放热压缩单元。
6.如权利要求1所述极限温比发动机,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。
7.如权利要求2所述极限温比发动机,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。
8.如权利要求1-7中任一项所述极限温比发动机,其特征在于:所述非放热压缩单元(1)的总压比大于5。
9.如权利要求2、5或7所述极限温比发动机,其特征在于:所述极限温比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。
10.如权利要求2、5或7所述极限温比发动机,其特征在于:所述极限温比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三种以上物质的混合物。
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