CN103807020A

CN103807020A - 液氮高温发动机

Info

Publication number: CN103807020A
Application number: CN201410036680.2A
Authority: CN
Inventors: 靳北彪
Original assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Current assignee: Caoxian Yingguo Lianggong Machinery Factory
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: CN103807020B

Abstract

本发明涉及热能与动力领域，公开了一种液氮高温发动机，包括液氮源、外燃加热器和膨胀做功机构，所述液氮源与所述外燃加热器的被加热流体通道的工质入口连通，所述外燃加热器的被加热流体通道的工质出口与所述膨胀做功机构连通，所述外燃加热器的承压能力大于3MPa，所述外燃加热器的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于500K。本发明的所述液氮高温发动机结构简单，功率密度高，效率高，污染排放少。

Description

液氮高温发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种液氮高温发动机。

背景技术

传统液氮发动机均是用环境的热量或利用其它热动力系统的余热使液氮气化，再通过膨胀做功机构对外输出动力，这种发动机功率小，单位焦耳动力所需要的液氮量大，很难实际应用。因此需要发明一种污染小的、效率高的新型液氮发动机。

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1：一种液氮高温发动机，包括液氮源、外燃加热器和膨胀做功机构，所述液氮源与所述外燃加热器的被加热流体通道的工质入口连通，所述外燃加热器的被加热流体通道的工质出口与所述膨胀做功机构连通，所述外燃加热器的承压能力大于3MPa，所述外燃加热器的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于500K。

方案2：在方案1的基础上，进一步可选择的，在所述液氮源与所述外燃加热器的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上设余热加热器。

方案3：在方案1或2的基础上，进一步可选择的，在所述液氮源与所述外燃加热器的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上设环境加热器。

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，在所述液氮源与所述外燃加热器的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上设液氮加压泵。

方案5：在方案1至方案4中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述膨胀做功机构设为透平式膨胀做功机构。

方案6：在方案1至方案4中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述膨胀做功机构设为喷管。

方案7：在方案1至方案4中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述膨胀做功机构设为喷管推进转子做功机构。

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，所述外燃加热器的燃料设为汽油、柴油、煤油、重油、轻油、天然气、煤层气、甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醚、乙醚、氢气或设为固体燃料。

方案9：在上述所有方案中任一方案的基础上，进一步可选择的，所述外燃加热器产生的工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明中，所谓燃料可以是汽油、柴油、煤油、重油、轻油、液化天然气、煤层气、氢气、烃类（例如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯等）、醇类（例如甲醇、乙醇等）、醚类（例如甲醚、乙醚等）或为固体燃料。

本发明中，所述的烃类化合物为烷烃化合物或炔烃化合物，例如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯等。

本发明中，所述膨胀做功机构包括单级膨胀做功机构，也包括多级膨胀做功机构，可以是容积型膨胀做功机构，也可以是速度型膨胀做功机构。

本发明中，所述透平式膨胀做功机构包括单级透平式膨胀做功机构，也包括多级透平式膨胀做功机构，所述透平式膨胀做功机构包括涡轮式膨胀做功机构。

本发明中，应尽可能选择膨胀比大的所述膨胀做功机构。

本发明中，所述喷管可以选择性的选择完全膨胀喷管，所述完全膨胀喷管是指经过喷管后压力降到1个大气压的喷管。

本发明中，所谓的“外燃加热器”是指在工质外部进行燃烧，将燃烧产生的热通过壁面传递给工质，对工质进行加热的加热器，例如锅炉等，在所述外燃加热器中，被加热的工质可以是液氮，也可以是氮气，在所述外燃加热器中，可以使氮气处于超超临界状态，也可使氮气处于过热状态。

本发明中，所述“外燃加热器的被加热流体通道”是指设置在所述外燃加热器上的用于供被加热流体通过的通道；在所述外燃加热器中，吸收热量温度升高的流体称为被加热流体。

本发明中，所谓的“喷管推进转子做功机构”是指工质通过拉瓦尔喷管喷射形成旋转动力的机构，包括所述拉瓦尔喷管做旋转运动对外输出动力的机构，所述拉瓦尔喷管做旋转运动对外输出动力的同时由所述拉瓦尔喷管喷射出的高速流体推动叶轮机构旋转对外做功的机构和所述拉瓦尔喷管静止由所述拉瓦尔喷管喷射出的高速流体推动叶轮机构旋转对外做功的机构；所述叶轮机构可以是径流叶轮机构也可以是轴流叶轮机构，所述叶轮机构可以是单级也可以是多级；所述喷管推进转子做功机构可以选择性地选择：包括工质回收壳和设置在旋转结构体上的拉瓦尔喷管构成的机构，低熵轮机（专利号：201410001441.3），超音速转子发动机（专利号：201110186547.1）以及其它由拉瓦尔喷管喷射形成旋转动力的径流机构和轴流机构。

本发明中，所述余热加热器是利用余热对工质（液氮或氮气）进行加热的加热器。

本发明中，所述环境加热器是利用环境中的空气对工质（液氮或氮气）进行加热的加热器。

本发明中，所述液氮源是指一切能够以一定压力提供液氮的系统，例如，包括液氮储罐和液氮加压泵等的系统。

本发明中，所述外燃加热器的承压能力大于3MPa、3.5MPa、4.0MPa、4.5MPa、5.0MPa、5.5MPa、6.0MPa、6.5MPa、7.0MPa、7.5MPa、8.0MPa、8.5MPa、9.0MPa、9.5MPa、10.0MPa、10.5MPa、11.0MPa、11.5MPa、12.0MPa、12.5MPa、13.0MPa、13.5MPa、14.0MPa、14.5MPa、15.0MPa、16.0MPa、17.0MPa、18.0MPa、19.0MPa、20.0MPa、21.0MPa、22.0MPa、23.0MPa、24.0MPa、25.0MPa、26.0MPa、27.0MPa、28.0MPa、29.0MPa或大于30.0MPa。

本发明中，所述外燃加热器的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于500K、550K、600K、650K、700K、750K、800K、850K、900K、950K或高于1000K。

本发明中，所述外燃加热器内的工质压力与其承压能力相匹配，即所述外燃加热器内的工质的最高压力达到其承压能力。

本发明中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况：1.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在工质绝热关系曲线（即经过标准状态点的工质绝热关系曲线）上，即气体工质的状态参数点在图9中O-A-H所示曲线上；2.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图9中O-A-H所示曲线的左侧；3.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图9中O-A-H所示曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加110K的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如图9所示，所述气体工质的实际状态点为B点，A点是压力与B点相同的绝热关系曲线上的点，A点和B点之间的温差应小于1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K或小于20K。

本发明中，所谓类绝热关系可以是上述三种情况中的任何一种，也就是指：所述外燃加热器的产生的工质的状态参数（即气体工质的温度和压力）点在如图9所示的通过B点的绝热过程曲线E-B-D的左侧区域内。

本发明中，所述外燃加热器应根据公知技术与燃料源连通。

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:

本发明的所述液氮高温发动机结构简单，功率密度高，效率高，污染排放少。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

图5是本发明实施例5的结构示意图；

图6是本发明实施例6的结构示意图；

图7是本发明实施例7的结构示意图；

图8是本发明实施例8的结构示意图；

图9所示的是气体工质的温度T和压力P的关系图。

图中，

1液氮源、2外燃加热器、3膨胀做功机构、4液氮加压泵、31涡轮式膨胀做功机构、32涡轮式膨胀做功机构、32喷管、33喷管推进转子做功机构、21余热加热器、22环境加热器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的液氮高温发动机，包括液氮源1、外燃加热器2和膨胀做功机构3，所述液氮源1与所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质入口连通，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口与所述膨胀做功机构3连通，所述外燃加热器2的承压能力大于3MPa，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于500K。

选择性地，所述外燃加热器2的承压能力还可大于3.5MPa、4.0MPa、4.5MPa、5.0MPa、5.5MPa、6.0MPa、6.5MPa、7.0MPa、7.5MPa、8.0MPa、8.5MPa、9.0MPa、9.5MPa、10.0MPa、10.5MPa、11.0MPa、11.5MPa、12.0MPa、12.5MPa、13.0MPa、13.5MPa、14.0MPa、14.5MPa、15.0MPa、16.0MPa、17.0MPa、18.0MPa、19.0MPa、20.0MPa、21.0MPa、22.0MPa、23.0MPa、24.0MPa、25.0MPa、26.0MPa、27.0MPa、28.0MPa、29.0MPa或大于30.0MPa。

选择性地，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的工质温度还可高于550K、600K、650K、700K、750K、800K、850K、900K、950K或高于1000K。

实施例2

如图2所示的液氮高温发动机，其与实施例1的区别在于：将所述膨胀做功机构3设为透平式膨胀做功机构，具体地设为涡轮式膨胀做功机构31，在所述液氮源1与所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上增设余热加热器21。

作为变换的实施方式，选择性地，本实施例以及下述所有将所述膨胀做功机构3设为所述透平式膨胀做功机构的实施方式中，所述膨胀做功机构3可选择的改设为其他形式的透平式膨胀做功机构。

实施例3

如图3所示的液氮高温发动机，其与实施例2的区别在于：将所述膨胀做功机构3改设为包括涡轮式膨胀做功机构31和涡轮式膨胀做功机构32的两级膨胀做功机构，本实施例中，所述涡轮式膨胀做功机构31和所述涡轮式膨胀做功机构32的旋转轴不共轴。

作为可变换地实施方式，所述涡轮式膨胀做功机构31和所述涡轮式膨胀做功机构32的旋转轴还可共轴设置。

实施例4

如图4所示的液氮高温发动机，其与实施例2的区别在于：把所述余热加热器21替换为环境加热器22，所述外燃加热器2的承压能力大于5MPa，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于600K。

作为可变换的实施方式，选择性地，本发明中所有设有所述余热加热器21的结构中，均可参照本实施例用所述环境加热器22代替所述余热加热器21，也可以在所述液氮源1与所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上同时设置所述余热加热器21和所述环境加热器22，此时所述环境加热器22可设置在所述液氮源1与所述余热加热器21之间的连通通道上。

实施例5

如图5所示的液氮高温发动机，其与实施例2的区别在于：将所述涡轮式膨胀做功机构31替换为喷管32，所述外燃加热器2的承压能力大于15MPa，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于750K。

实施例6

如图6所示的液氮高温发动机，其在实施例2的基础上：在所述液氮源1与所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上增设液氮加压泵4，所述外燃加热器2的承压能力大于20MPa，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于800K。

作为可变换的实施方式，所述余热加热器21可以取消不设。

实施例7

如图7所示的液氮高温发动机，其与实施例6的区别在于：将所述涡轮式膨胀做功机构31替换为喷管推进转子做功机构33，所述外燃加热器2的承压能力大于30MPa，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于1000K。

实施例8

如图8所示的液氮高温发动机，其与实施例7的区别在于：将所述余热加热器21替换为环境加热器22，取消所述液氮加压泵4，所述外燃加热器2的承压能力大于10MPa，所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于700K。

作为可变换的实施方式，实施例2至实施例5及实施例8以及在这些实施例基础上变换得到的实施方式均可参照实施例6或实施例7在所述液氮源1与所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上增设所述液氮加压泵4。

本发明的上述实施方式中，给出了所述膨胀做功机构2设为一级、两级的例子，作为可变换的实施方式，上述各实施方式中的所述膨胀做功机构3还可改设为三级或三级以上的膨胀做功机构，且对于将所述膨胀做功机构3设为两级或两级以上膨胀做功机构的结构中，所述膨胀做功机构3的各膨胀做功级的旋转轴可共轴设置，也可不共轴设置。

本发明的上述实施例中，列举了所述膨胀做功机构3设为涡轮式膨胀做功机构31、喷管32以及设为喷管推进转子做功机构33等速度型膨胀做功机构的例子，作为可变换的实施方式，上述各实施方式中的所述膨胀做功机构3可选择的设为容积型膨胀做功机构或设为其他形式的速度型膨胀做功机构。

作为可变换的实施方式，本发明所有实施方式中，所述外燃加热器2的燃料均可选择性地设为汽油、柴油、煤油、重油、轻油、天然气、煤层气、甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醚、乙醚、氢气或设为固体燃料。

作为可变换的实施方式，本发明所有实施方式中，所述外燃加热器2产生的工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明的上述各实施方式中，均给出了所述外燃加热器2的承压能力、所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的温度数值范围，这并不代表该实施方式的结构下所述外燃加热器2的承压能力、所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的温度只能在该数值范围内，作为可变换的实施方式，本发明所有实施方式中，所述外燃加热器2的承压能力、所述外燃加热器2的被加热流体通道的工质出口处的温度均可参照实施例1对上述承压能力和温度的数值范围进行选择改设，不受上述实施中具体限定的限制。

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

1.一种液氮高温发动机，包括液氮源（1）、外燃加热器（2）和膨胀做功机构（3），其特征在于：所述液氮源（1）与所述外燃加热器（2）的被加热流体通道的工质入口连通，所述外燃加热器（2）的被加热流体通道的工质出口与所述膨胀做功机构（3）连通，所述外燃加热器（2）的承压能力大于3MPa，所述外燃加热器（2）的被加热流体通道的工质出口处的工质温度高于500K。

2.如权利要求1所述液氮高温发动机，其特征在于：在所述液氮源（1）与所述外燃加热器（2）的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上设余热加热器（21）。

3.如权利要求1所述液氮高温发动机，其特征在于：在所述液氮源（1）与所述外燃加热器（2）的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上设环境加热器（22）。

4.如权利要求1所述液氮高温发动机，其特征在于：在所述液氮源（1）与所述外燃加热器（2）的被加热流体通道的工质入口之间的连通通道上设液氮加压泵（4）。

5.如权利要求1至4中任一项所述液氮高温发动机，其特征在于：所述膨胀做功机构设（3）为透平式膨胀做功机构。

6.如权利要求1至4中任一项所述液氮高温发动机，其特征在于：所述膨胀做功机构（3）设为喷管（32）。

7.如权利要求1至4中任一项所述液氮高温发动机，其特征在于：所述膨胀做功机构设为喷管推进转子做功机构（33）。

8.如权利要求1至4中任一项所述液氮高温发动机，其特征在于：所述外燃加热器（2）的燃料设为汽油、柴油、煤油、重油、轻油、天然气、煤层气、甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醚、乙醚、氢气或设为固体燃料。

9.如权利要求1至4中任一项所述液氮高温发动机，其特征在于：所述外燃加热器（2）产生的工质的温度和压力符合类绝热关系。