CN108291498A - 逆布雷顿循环热引擎 - Google Patents

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CN108291498A CN201680071036.6A CN201680071036A CN108291498A CN 108291498 A CN108291498 A CN 108291498A CN 201680071036 A CN201680071036 A CN 201680071036A CN 108291498 A CN108291498 A CN 108291498A
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罗伯特·赛昂
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Abstract

一种装置(2)包括内燃引擎(4)和逆布雷顿循环热引擎(6)。来自内燃引擎(4)的热排气含有水分。热排气驱动逆布雷顿循环热引擎。位于排气的流路中介于逆布雷顿循环涡轮机和逆布雷顿循环压缩机之间的冷凝器(22)冷凝来自排气的水分中的至少一些以形成冷凝水。该冷凝水跟随再循环路径(30)以便作为工作流体被再引入到上述一个或多个热引擎或另外的热引擎中，例如，利用蒸汽产生换热器(20)，冷凝水通过排气被加热以产生驱动蒸汽涡轮机(32)的蒸汽。

Description

逆布雷顿循环热引擎
技术领域
本公开涉及热引擎。更具体地，本公开涉及逆布雷顿循环热引擎。
背景技术
已知提供了逆布雷顿循环热引擎，该逆布雷顿循环热引擎具有由热气驱动的涡轮机，来自涡轮机的排气由与涡轮机共享公共轴的压缩机压缩。通过这种方式，可以从热气中的热量提取能量。增加从热气回收能量的效率的措施是有利的。
发明内容
本公开的至少一些实施例提供了一种装置，包括：
多个热引擎，每个热引擎利用各自的热引擎循环来操作，所述多个热引擎中的至少一个热引擎燃烧燃料并产生作为燃烧产物的包含水分的排气，所述多个热引擎包括逆布雷顿循环热引擎，该逆布雷顿循环热引擎具有由所述排气驱动的逆布雷顿循环涡轮机和由所述逆布雷顿循环涡轮机驱动的逆布雷顿循环压缩机，所述逆布雷顿循环压缩机从所述逆布雷顿循环涡轮机接收所述排气并进行压缩；以及
冷凝器，位于所述排气的流路中介于所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间，以冷凝来自所述排气的所述水分中的至少一些以形成冷凝水。
本技术认识到，当驱动布雷顿循环热引擎的热气是由另一热引擎内燃料燃烧产生的排气时，则该排气作为燃烧产物通常可以包含水分。在排气的流路中介于逆布雷顿循环涡轮机和逆布雷顿循环压缩机之间提供冷凝器以冷凝排气内的水分中的至少一些具有如下优点：减少通过逆布雷顿循环压缩机的质量流，从而减少了该压缩机为了排出此排气而需要做的功量。与使用逆布雷顿循环压缩机增大了可压缩排气的压力相比，冷凝水可以在需要较少的功的情况下来排放，因为由于冷凝水的固有不可压缩性，增加其压力需要较少的能量。
在已经使用冷凝器从排气中回收至少一些冷凝水(即，液态形式的水)的情况下，本发明的一些实施例可以提供再循环路径以将冷凝水的至少一些供应作为多个热引擎中的至少一个热引擎的至少部分工作流体(一般而言)。这可以提高这些热引擎的操作效率。
在一些示例实施例中，再循环路径可以将冷凝水的至少一些供应作为驱动逆布雷顿循环涡轮机本身的部分进入流体。这增加了通过逆布雷顿循环热引擎的排气中的水量，其方式提高了冷凝器可以从排气中冷凝出水的效率。
在其它示例实施例中，与上述分开地或者与之组合，多个热引擎包括内燃引擎，该内燃引擎燃烧燃料以产生排气。在这样的系统内，再循环路径可以将冷凝水的至少一些供应作为内燃引擎的热引擎循环的部分进入流体。这可以用于改善内燃引擎的操作特性，例如冷却进气以增加其密度，和/或降低排气中不希望的排放物的水平。
在另外的示例实施例中，或者与上述特征相结合或者与上述特征相分开，多个热引擎可以包括蒸汽驱动的热引擎，其中再循环路径将冷凝水的至少一些供应至蒸汽产生换热器，蒸汽产生换热器向冷凝水传递热量以产生驱动蒸汽驱动的热引擎的蒸汽。这允许蒸汽产生换热器与蒸汽驱动的热引擎一起作用，以通过蒸汽驱动的热引擎使用冷凝水作为工作流体而将热量转化为功。
虽然可以理解的是，蒸汽驱动的热引擎可以采用各种不同的形式，但是适合于这种用途的一种形式是蒸汽涡轮机。
尽管蒸汽产生换热器可以将来自各种不同源的热量传递给冷凝水以产生蒸汽来驱动蒸汽驱动的热引擎，但是改善从系统进行热回收的一种特定布置是：当蒸汽产生换热器将来自燃烧燃料的热量传递给冷凝水时，诸如通过从排气(可以在逆布雷顿循环热引擎的涡轮机与压缩机之间流动的流体内)中提取热量。
在一些实施例中，排出蒸汽驱动的热引擎的排出蒸汽可以直接排放到周围环境。然而，在其他实施例中，当排出蒸汽被供应作为多个热引擎中的至少一个的至少部分工作流体时，效率可以提高。排出蒸汽的这种路线可以提高蒸汽驱动的热引擎的效率，和/或提高接收热引擎的效率或其他性能特征。
在一些示例实施例中，排出蒸汽可被供应到在逆布雷顿循环涡轮机和逆布雷顿循环压缩机之间流动的排气中。逆布雷顿循环热引擎内的流路中的此点通常具有低压力(例如，低于大气压)，这提高蒸汽驱动的热引擎可以运行的效率。
在一些示例实施例中，逆布雷顿循环涡轮机和逆布雷顿循环压缩机可以安装在公共轴上。此公共轴也可以驱动发电机来从逆布雷顿循环热引擎回收能量。机械上有效的实施方式可以安排成使得蒸汽驱动的热引擎也安装在该公共轴上。这减少了所需组件的数量并提高了效率。各种涡轮机、压缩机和热引擎的适当配置(例如，设计旋转速度、尺寸、惯性矩等)将有助于公共轴的共用。
在内燃引擎与逆布雷顿循环热引擎一起操作的实施例中，在逆布雷顿循环热引擎以外，内燃引擎也可包括具有涡轮增压器压缩机和涡轮增压器涡轮机的涡轮增压器，涡轮增压器压缩机和涡轮增压器涡轮机也安装在公共轴上，从而减少了组件数量并提高了效率。
本公开的其他实施例提供一种装置，其包括：
多个热引擎装置，用于将热量转换为功，每个热引擎装置使用各自的热引擎循环操作，所述多个热引擎装置中的至少一个热引擎装置燃烧燃料并产生作为燃烧产物的包含水分的排气，所述多个热引擎装置包括逆布雷顿循环热引擎装置，该逆布雷顿循环热引擎装置具有由所述排气驱动的逆布雷顿循环涡轮机装置，该逆布雷顿循环涡轮机装置驱动逆布雷顿循环压缩机装置，该逆布雷顿循环压缩机装置接收来自所述逆布雷顿循环涡轮机的所述排气并进行压缩；以及
冷凝器装置，位于排气的流路中介于所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间，用于冷凝来自所述排气的水分中的至少一些以形成冷凝水。
本公开的另外的实施例提供了一种操作热引擎的方法，包括：
在至少一个热引擎内燃烧燃料并产生作为燃烧产物的包含水分的排气；
用所述排气驱动逆布雷顿循环涡轮机，并用所述逆布雷顿循环涡轮机驱动逆布雷顿循环压缩机以接收来自所述逆布雷顿循环涡轮机的所述排气并进行压缩；以及
在所述排气的流路中介于所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间的位置处，冷凝来自所述排气的水分中的至少一些以形成冷凝水。
附图说明
现在将仅以示例的方式通过参照附图来描述示例实施例，在附图中：
图1示意性地图示了具有包括逆布雷顿循环热引擎的多个热引擎的第一示例实施例；
图2示意性地图示了具有包括逆布雷顿循环热引擎的多个热引擎的第二示例实施例；和
图3是示意性地图示了图1和图2的示例实施例的操作的流程图。
具体实施方式
图1示意性地图示了装置2，装置2包括多个热引擎。这些热引擎包括内燃引擎4和逆布雷顿循环热引擎6，其中逆布雷顿循环热引擎6包括安装在公共轴12上的逆布雷顿循环涡轮机8和逆布雷顿循环压缩机10。内燃引擎4具有涡轮增压器14，涡轮增压器14包括涡轮增压器压缩机16和涡轮增压器涡轮机18。在操作中，进气被涡轮增压器压缩机16压缩并且与内燃引擎4内的燃料混合以驱动内燃引擎4并产生热排气，该排气在进入逆布雷顿循环热引擎6之前通过涡轮增压器涡轮机18。涡轮增压器压缩机16和涡轮增压器涡轮机18安装在公共轴12上(并且可以是公共部件，以便系统内部件数量减少)，公共轴12还承载着逆布雷顿循环涡轮机8和逆布雷顿循环压缩机10。在其他示例实施例中，涡轮增压器和逆布雷顿循环热引擎不需要共用公共轴。
作为来自内燃引擎4对燃料(例如汽油、柴油、LPG、LNG或其组合)和空气进行燃烧的产物，进入逆布雷顿循环热引擎6的热排气含有水分。排气驱动逆布雷顿循环涡轮机8并以降低的压力(例如，低于大气压)从逆布雷顿循环涡轮机8排出。排气沿着逆布雷顿循环涡轮机8和逆布雷顿循环压缩机10之间的流路行进。该流路通过蒸汽产生换热器20和冷凝器22。冷凝器22用于冷凝来自排气的水分以形成冷凝水(即液态水)。分离器/泵24用于将冷凝水从排气分离，升高其压力(由于液态水的不可压缩性，使用相对较少的能量)并将冷凝水供应到再循环路径30。没有冷凝水的排气具有降低的质量流率。没有冷凝水的排气通过逆布雷顿循环压缩机10，该逆布雷顿循环压缩机10将其压力升高到可以排放到例如大气的程度。在一些实施例中，冷凝水可以简单地被丢弃，而不像图1的实施例中那样被再循环。
冷凝器22由散热器28供应冷却剂26的循环流，冷却剂26被保持在基本上对应于装置2周围的环境空气温度的温度。冷却剂26的循环流与再循环路径30是分开的。冷却剂26的循环流形成闭环路径(没有进入排气用来通过逆布雷顿循环涡轮机8和逆布雷顿循环压缩机10的流路开口)。
在该示例实施例中，来自分离器/泵24的再循环路径30将冷凝水供应到蒸汽产生换热器20，冷凝水在蒸汽产生换热器20处被通过逆布雷顿循环热引擎的排气加热以产生蒸汽。该蒸汽驱动具有蒸汽涡轮机32形式的蒸汽驱动的热引擎，蒸汽涡轮机32也安装在公共轴12上。来自蒸汽涡轮机32的排出蒸汽被排出到在蒸汽产生换热器20与冷凝器22之间流动的排气的流路中。来自蒸汽涡轮机的这种排出蒸汽可以被引入到系统中的其他点，例如，逆布雷顿循环涡轮机8和逆布雷顿循环压缩机10之间的其他点。
在操作中，内燃引擎4燃烧与进气混合的燃料以从其中提取功并产生包含水分的热排气。逆布雷顿循环热引擎6用于从热排气提取功，其用于驱动同样安装在公共轴12上的发电机34。此外，冷凝器22从排气中提取水分以形成冷凝水，蒸汽产生换热器20对冷凝水传递热能以产生蒸汽，蒸汽进而驱动蒸汽涡轮机32。蒸汽涡轮机32也有助于驱动发电机34产生电能。
图2图示了包括多个热引擎的装置的另一个示例实施例，其类似于图1中所示的装置。在该示例实施例中，用于冷凝水的再循环路径30另外经过另一个换热器36，利用该换热器36将来自内燃引擎4的冷却液的热能传递到冷凝水。从排气中分离冷凝水可以通过各种方式来实现，例如，离心冷凝水分离器24。另外或替代地，冷凝器22的换热器可以形成为提供和/或增强分离。蒸汽产生换热器20还加热该冷凝水以产生驱动蒸汽涡轮机32的蒸汽。来自蒸汽涡轮机32的排出蒸汽(其为冷凝水)被图示为再循环至各种不同的点。如在图1中那样，排出蒸汽可以被引导至的点之一是指向进入冷凝器22的排气流路中。替代地或另外地，引入排出蒸汽的另一点是在逆布雷顿循环涡轮机8的入口处。替代前述点或在前述点以外，将排出蒸汽重新引入到流路中的另一点是在涡轮增压器压缩机16的入口处。再循环路径因此从分离器/泵24经过另一换热器36和蒸汽产生换热器20到达蒸汽涡轮机32。从蒸汽涡轮机32起，再循环路径可以跟随各种不同路径(单独地或组合地)，这些路径包括上面提到的各种路径以及直接通向逆布雷顿循环压缩机10的排出口的路径。
在一些示例实施例中，可以通过使用公共轴并省略逆布雷顿循环涡轮机8而使得排气直接从涡轮增压器涡轮机(其充当逆布雷顿循环涡轮机)通向换热器和冷凝器20、36、22来简化设计。
在一些实施例中，蒸汽涡轮机32和逆布雷顿循环涡轮机8可以组合为混合排气/蒸汽涡轮机。
在一些实施例中，图2的系统可以被修改为在另一换热器36与来自内燃引擎4的冷却剂回路之间包括热泵，以允许利用来自引擎冷却剂的更大比例的热量。另外或替代地，也可以在环境冷却剂供应器和冷凝器22之间设置热泵。
图2图示了动态废气阀门和控制器，用于控制来自涡轮增压器的排气的哪部分通向逆布雷顿循环涡轮机8以及哪部分被引导至旁路路径以排放至大气。图2的系统可以被设计为在内燃引擎4的特定负载下(例如高达30％)以高效率运行，内燃引擎被引导以旁路逆布雷顿循环热引擎。
图3是示意性地图示了图1和图2的示例实施例的操作的流程图。应该认识到，在实践中，图3所示的步骤将并行执行。在步骤38，燃料和空气由内燃引擎4燃烧以产生包含水分的排气。在步骤40，逆布雷顿循环热引擎由来自内燃引擎4的热排气驱动以从中提取功。在步骤42中，来自流过涡轮机和压缩机之间的逆布雷顿循环热引擎的排气的水分被冷凝。在步骤44中，液体形式的冷凝水被加热以产生蒸汽(可以使用流过逆布雷顿循环热引擎或另一热源的排气)，该蒸汽然后驱动蒸汽涡轮机32。逆布雷顿循环热引擎6和蒸汽涡轮机32一起将热量转换成机械功，该机械功可以例如用于驱动发电机34或有助于涡轮增压器14的驱动或者执行装置2内的一些其他工作。

Claims (17)

1.一种装置，包括：
多个热引擎，每个热引擎利用各自的热引擎循环来操作，所述多个热引擎中的至少一个热引擎燃烧燃料并产生作为燃烧产物的包含水分的排气，所述多个热引擎包括逆布雷顿循环热引擎，该逆布雷顿循环热引擎具有由所述排气驱动的逆布雷顿循环涡轮机和由所述逆布雷顿循环涡轮机驱动的逆布雷顿循环压缩机，所述逆布雷顿循环压缩机从所述逆布雷顿循环涡轮机接收并压缩所述排气；以及
冷凝器，位于所述排气的流路中介于所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间，以冷凝来自所述排气的所述水分中的至少一些以形成冷凝水。
2.根据权利要求1所述的装置，包括再循环路径，以将所述冷凝水的至少一些供应作为所述多个热引擎中的至少一个热引擎的至少部分工作流体。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述再循环路径将所述冷凝水的至少一些供应作为驱动所述逆布雷顿循环涡轮机的部分进入流体。
4.根据权利要求1、2和3中任一项所述的装置，其中，所述多个热引擎包括内燃引擎以燃烧所述燃料并产生所述排气。
5.根据权利要求2和权利要求4所述的装置，其中，所述再循环路径将所述冷凝水的至少一些供应作为所述内燃引擎的热引擎循环的部分进入流体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述多个热引擎包括蒸汽驱动的热引擎，并且所述再循环路径将所述冷凝水中的至少一些供应至蒸汽产生换热器，所述蒸汽产生换热器向所述冷凝水传递热量以产生驱动所述蒸汽驱动的热引擎的蒸汽。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述蒸汽驱动的热引擎是蒸汽涡轮机。
8.根据权利要求6和7中任一项所述的装置，其中，所述蒸汽产生换热器将来自燃烧所述燃料的热量传递给所述冷凝水。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述蒸汽产生换热器将来自在所述排气的流路中介于所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间的排气的热量传递给所述冷凝水。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其中，排出所述蒸汽驱动的热引擎的排出蒸汽被供应作为所述一个或多个热引擎中的至少一个的至少部分工作流体。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述排出蒸汽被供应到在所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间流动的所述排气中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机安装在公共驱动轴上。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述公共驱动轴驱动发电机。
14.根据权利要求6至11中任一项以及权利要求12和13中任一项所述的装置，其中，所述蒸汽驱动的热引擎安装在所述公共轴上。
15.根据权利要求4和5中任一项以及权利要求12至13中任一项所述的装置，其中，所述内燃引擎包括涡轮增压器，所述涡轮增压器具有安装在所述公共轴上的涡轮增压器压缩机和涡轮增压器涡轮机。
16.一种装置，包括：
多个热引擎装置，用于将热量转换为功，每个热引擎装置使用各自的热引擎循环操作，所述多个热引擎装置中的至少一个热引擎装置燃烧燃料并产生作为燃烧产物的包含水分的排气，所述多个热引擎装置包括逆布雷顿循环热引擎装置，该逆布雷顿循环热引擎装置具有由所述排气驱动的逆布雷顿循环涡轮机装置，该逆布雷顿循环涡轮机装置驱动逆布雷顿循环压缩机装置，该逆布雷顿循环压缩机装置接收并压缩来自所述逆布雷顿循环涡轮机的所述排气；以及
冷凝器装置，位于所述排气的流路中介于所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间，用于冷凝来自所述排气的所述水分中的至少一些以形成冷凝水。
17.一种操作热引擎的方法，包括：
在至少一个热引擎内燃烧燃料并产生作为燃烧产物的包含水分的排气；
用所述排气驱动逆布雷顿循环涡轮机，并用所述逆布雷顿循环涡轮机驱动逆布雷顿循环压缩机以接收并压缩来自所述逆布雷顿循环涡轮机的所述排气；以及
在所述排气的流路中介于所述逆布雷顿循环涡轮机和所述逆布雷顿循环压缩机之间的位置处，冷凝来自所述排气的所述水分中的至少一些以形成冷凝水。
CN201680071036.6A 2015-12-11 2016-12-09 逆布雷顿循环热引擎 Pending CN108291498A (zh)

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