CN117307365A - 用于闭式循环的发动机的气液分离器及闭式循环发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于闭式循环的发动机的气液分离器，包括：筒体；进气管，一端伸入筒体内部，另一端与发动机的排气端连接，以接收经发动机的排气端排出的惰性气体；折流部，水平地安装在筒体内部且位于进气管的上方，被构造成使得流经折流部的惰性气体形成多次折返的气流；冷凝部，安装在折流部上，以冷却流经折流部的惰性气体；积液部，安装在筒体的下方且与筒体连通，以容纳流入筒体内部的惰性气体经冷却形成的冷凝水；以及排气管，安装在冷凝部的上方，一端伸入筒体内部，另一端与发动机的进气端连接，以将经除水后的惰性气体再次输送至发动机的内部。

Description

用于闭式循环的发动机的气液分离器及闭式循环发动机

技术领域

本发明的至少一种实施例涉及发动机尾气后处理技术领域，具体涉及一种用于闭式循环的发动机的气液分离器及闭式循环发动机。

背景技术

在闭式循环发动机中，工作流体被完全封闭在一个连续的循环系统中，与外部环境没有直接交互，在这样的系统中，工作流体经过一系列的热机循环步骤，包括压缩、燃烧、膨胀和冷却，始终保持在系统内部。例如，在氢燃料闭式循环发动机中，需要降低经发动机的排气端排出的惰性气体的温度，并去除该惰性气体中的水蒸气后，进行氧气补充，进而再次输送至发动机的进气端，以参与下一次燃烧反应。

氢燃料闭式循环发动机的排气端排出的惰性气体具有成分复杂、温度高、含湿量大、气体通量大的特点，需要通过气液分离器对该惰性气体进行后处理，以去除该惰性气体中的水蒸气。现有技术中的气液分离器主要通过重力沉降、折流分离、离心分离、丝网分离、填料分离和各种超滤膜分离等手段进行气液分离。

但是，基于上述气液分离所用到的技术手段，现有的气液分离器存在分离效率低、折流分离负荷范围窄、分离阻力大以及不适合处理高温气体的气液分离的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于闭式循环的发动机的气液分离器，通过在筒体内部设置折流部，使得流经筒体内部的惰性气体在折流部的作用下形成多次折返的气流，以改善惰性气体与水蒸气的分离效果。

根据本发明的实施例，提供了一种用于闭式循环的发动机的气液分离器，包括：筒体；进气管，一端伸入所述筒体内部，另一端与所述发动机的排气端连接，以接收经所述发动机的排气端排出的惰性气体；折流部，水平地安装在所述筒体内部且位于所述进气管的上方，被构造成使得流经所述折流部的惰性气体形成多次折返的气流；冷凝部，安装在所述折流部上，以冷却流经所述折流部的惰性气体；积液部，安装在所述筒体的下方且与所述筒体连通，以容纳流入所述筒体内部的惰性气体经冷却形成的冷凝水；以及排气管，安装在所述冷凝部的上方，一端伸入所述筒体内部，另一端与所述发动机的进气端连接，以将经除水后的惰性气体再次输送至所述发动机的内部。

根据本发明的实施例，所述折流部包括沿竖直方向依次设置的多个折流板，每个所述折流板被构造成具有缺口的圆形平板，相邻两个所述折流板中的一个所述折流板的缺口与另一个所述折流板的板面在竖直方向上对齐，使得流入所述筒体内部的惰性气体依次流经多个所述折流板的缺口，以形成在相邻两个所述折流板之间折返流动的气流，使得气流在流动过程中，在惯性以及重力作用下，去除惰性气体中夹杂的部分液滴。

根据本发明的实施例，所述折流板为圆心角大于180°的扇形或者面积大于半圆的弓形。

根据本发明的实施例，所述进气管伸入所述筒体内部的一端还安装有挡板，使得外部惰性气体流经进气管后，在所述挡板的作用下形成折返流动的气流。

根据本发明的实施例，所述冷凝部包括分别安装在多个所述折流板上的多个冷凝器，以冷却流经每个所述折流板的惰性气体，使得惰性气体中夹杂的水蒸气遇冷凝结，以去除惰性气体中的水蒸气。

根据本发明的实施例，所述筒体内部还设置有丝网，所述丝网设置在靠近所述筒体顶部的冷凝器的上方，以去除惰性气体中夹杂的粒径较小的液滴以及惰性气体中混合的水蒸气遇冷凝结形成的粒径较小的液滴。

根据本发明的实施例，所述积液部包括：罐体，与所述筒体的下侧法兰连接；以及排污管，安装在所述罐体的底部，适用于排出所述罐体内部的污水。

根据本发明的实施例，所述罐体的位于所述排污管的上部位置设有排液管，以排出所述积液部中的冷凝水。其中，所述排液管上设置有控制阀，所述罐体上还安装有液位传感器，以检测所述罐体内部的液位，在所述液位传感器检测得到所述罐体内部的液位超过预设液位时，控制所述控制阀开启，使得所述排液管向外排液。

根据本发明的实施例，所述筒体包括桶身以及分别与所述桶身上下两端法兰连接的上端头以及下端头；并且/或者，所述筒体内部还设置有压力传感器以及温度传感器，以分别检测所述筒体内部气体的压力以及温度。

根据本发明的实施例，还提供了一种闭式循环发动机，包括：发动机本体；以及上述实施例所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，所述气液分离器的进气管与所述发动机本体的排气端连接，所述气液分离器的排气管与所述发动机本体的进气端连接，以接收来自所述发动机本体的排气端的惰性气体，并将经所述气液分离器除水后的惰性气体再次输送至所述发动机本体。

根据本发明的上述实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器，通过在筒体内部设置折流部，使得经进气管进入到气液分离器中的惰性气体形成多次折返的气流，并通过设置在折流部上的冷凝部与惰性气体中携带的水蒸气充分换热，使水蒸气冷凝为冷凝水，冷凝水向下流入积液部中，完成了惰性气体的气液分离，去除掉水蒸气的惰性气体由排气管流出，再次输运至发动机中。

附图说明

图1为本发明的实施例的闭式循环发动机的原理示意图；

图2为本发明的实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器的主视图；

图3为图2沿A-A方向剖开的剖视图；

图4为本发明的实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器的一种折流板的示意图；以及

图5为本发明的实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器的另一种折流板的示意图。

图中：

1-筒体；

11-桶身；

12-上端头；

13-下端头；

2-进气管；

21-挡板；

3-折流部；

31-折流板；

311-缺口；

312-板面；

4-冷凝部；

41-冷凝器；

5-积液部；

51-罐体；

52-排污管；

6-排气管；

7-排液管；

8-丝网；

9-发动机本体；

91-排气端；

92-进气端；

93-换热器；

94-增压泵；

95-气体混合装置；

96-稳压罐；

97-氧气流量计。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

根据本发明的一个方面的发明构思，提供了一种用于闭式循环的发动机的气液分离器，包括：筒体；进气管，一端伸入筒体内部，另一端与发动机的排气端连接，以接收经发动机的排气端排出的惰性气体；折流部，水平地安装在筒体内部且位于进气管的上方，被构造成使得流经折流部的惰性气体形成多次折返的气流；冷凝部，安装在折流部上，以冷却流经折流部的惰性气体；积液部，安装在筒体的下方且与筒体连通，以容纳流入筒体内部的惰性气体经冷却形成的冷凝水；以及排气管，安装在冷凝部的上方，一端伸入筒体内部，另一端与发动机的进气端连接，以将经除水后的惰性气体再次输送至发动机的内部。

图1为本发明的实施例的闭式循环发动机的原理示意图；图2为本发明的实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器的主视图；图3为图2沿A-A方向剖开的剖视图。

根据本发明的示例性实施例，请参照图1-图3，提供了一种闭式循环的发动机的气液分离器，包括筒体1、进气管2、折流部3、冷凝部4、积液部5以及排气管6。进气管2一端伸入筒体1内部，另一端与发动机的排气端91连接，以接收经发动机的排气端91排出的惰性气体。折流部3水平地安装在筒体1内部且位于进气管2的上方，被构造成使得流经折流部3的惰性气体形成多次折返的气流。冷凝部4安装在折流部3上，以冷却流经折流部3的惰性气体。积液部5安装在筒体1的下方且与筒体1连通，以容纳流入筒体1内部的惰性气体经冷却形成的冷凝水。排气管6安装在冷凝部4的上方，一端伸入筒体1内部，另一端与发动机的进气端92连接，以将经除水后的惰性气体再次输送至发动机的内部。

通过上述设置方式，带有水蒸气的惰性气体经由进气管2进入到气液分离器中，该惰性气体随后进入到折流部3，该惰性气体在折流部3中形成多次折返的气流，在气流多次折返的过程中，高温的惰性气体与相对低温的折流板31接触，有助于一部分水蒸气冷凝，且惰性气体在多次折流过程中，流速下降，使得经发动机的排气端91排出的惰性气体中夹杂的具有较大惯性的液滴与折流板31碰撞，以从流动的惰性气体中分离出来，实现气液分离。惰性气体中携带的水蒸气还会通过在折流部3上设置的冷凝部4与环境换热，水蒸气经散热冷凝为冷凝水，实现了惰性气体与水蒸气的分离，干燥后的惰性气体由排气管6流出气液分离器，之后经发动机的进气端92进入到发动机中。

在本实施例中，筒体1内部设置有风门(图中未示出)，以更好地控制气流流动的速度。

在本实施例中，排气管6出口处设置有湿度传感器(图中未示出)，以监测流出气液分离器的惰性气体的湿度。

在本实施例中，筒体1与积液部5可以采用法兰连接或者焊接等方式进行连接。

在本实施例中，进气管2和排气管6可以采用焊接、螺纹连接、法兰连接等方式分别与筒体1进行连接。

在本实施例中，筒体1可以为圆筒、方筒、锥形筒体、球缺形筒体以及扭曲形筒体等。进气管2和排气管6可以为直管、弯管以及直管和弯管相结合的形式；材料可以为金属材料、聚合物材料以及陶瓷等耐高温材料。

图4为本发明的实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器的一种折流板的示意图；图5为本发明的实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器的另一种折流板的示意图。

在一些示例性实施例中，参照图3-图5，折流部3包括沿竖直方向依次设置的多个折流板31，每个折流板31被构造成具有缺口311的圆形平板，相邻两个折流板31中的一个折流板31的缺口311与另一个折流板31的板面312在竖直方向上对齐，使得流入筒体1内部的惰性气体依次流经多个折流板31的缺口311，以形成在相邻两个折流板31之间折返流动的气流，使得气流在流动过程中，在惯性以及重力作用下，去除惰性气体中夹杂的部分液滴。

通过上述设置方式，多个折流板31沿竖直方向依次设置，形成多层气流流动空间，惰性气体在依次流经多个气流流动空间时，基于相邻两个折流板31中的一个折流板31的缺口311与另一个折流板31的板面312在竖直方向上对齐的技术特征，气流受到每层气流流动空间中的位于上侧的折流板31板面312的遮挡，流动方向发生改变，随后经该折流板31的缺口311流向上一层气流流动空间。惰性气体在依次流经多个气流流动空间后，形成多次折返流动的气流，并经排气管6流出气液分离器。

在本实施例中，相邻两个折流板31之间的间距可调，可以通过滑动或者旋转等方式调整其位置。

在一些示例性实施例中，参照图4-图5，折流板31为圆心角大于180°的扇形或者面积大于半圆的弓形。

通过上述设置方式，由于两种折流板31的面积均大于半圆，对流经相邻两个折流板31之间的惰性气体的流动具有较强的导流作用。惰性气体在经过折流板31时会相对容易被引导并形成相对明显的流向改变。

在一些示例性实施例中，参照图3，进气管2伸入筒体1内部的一端还安装有挡板21，使得外部惰性气体流经进气管2后，在挡板21的作用下形成折返流动的气流。

通过上述设置方式，惰性气体经由进气管2进入到筒体1后，首先经过挡板21的阻挡，从而形成向下的折流，在该过程中，由于惰性气体尚处于高温的状态，在遭遇到挡板21后，惰性气体中携带的水蒸气部分会由于遭遇到温度更低的挡板21而冷凝。另外，经发动机的排气端91排出的惰性气体中夹杂的部分液滴在惯性作用下，与挡板21碰撞而与惰性气体分离，也可以初步进行气液分离，有利于增加气液分离的效率。

在一些示例性实施例中，参照图3，冷凝部4包括分别安装在多个折流板31上的多个冷凝器41，以冷却流经每个折流板31的惰性气体，使得惰性气体中夹杂的水蒸气遇冷凝结，以去除惰性气体中的水蒸气。

通过上述设置方式，冷凝器41能够充分将惰性气体冷却，从而使惰性气体中的水蒸气冷凝，起到气液分离的效果。

在本实施例中，冷凝器41可以为散热翅片、微槽群散热装置、热管或热电制冷装置。

在一些示例性实施例中，筒体1内部还设置有丝网8，丝网8设置在靠近筒体1顶部的冷凝器41的上方，以去除惰性气体中夹杂的粒径较小的液滴以及惰性气体中混合的水蒸气遇冷凝结形成的粒径较小的液滴。

通过上述设置方式，既可以通过丝网8对惰性气体进一步干燥和降温，且设置在气液分离器上层，对装置中整体的气体流动的阻力影响较小。

需要说明的是，在本实施例中，经发动机的排气端91排出的惰性气体中夹杂的粒径较大的液滴在挡板21以及折流板31的作用下，在惯性以及重力作用下被去除。但该惰性气体中夹杂的粒径较小的液滴未能被去除，仍然夹杂在该惰性气体中。进一步地，在丝网8的作用下，使得夹杂在该惰性气体中粒径较小的液滴以及该惰性气体中混合的水蒸气遇冷凝结形成的粒径较小的液滴被去除，以进一步地提高气液分离效果。

在本实施例中，丝网8可以由不锈钢、镍基合金等材料制成。

在一些示例性实施例中，积液部5包括罐体51以及排污管52。罐体51与筒体1的下侧法兰连接。排污管52安装在罐体51的底部，适用于排出罐体51内部的污水。

在一些示例性实施例中，罐体51的位于排污管52的上部位置设有排液管7，以排出积液部5中的冷凝水。其中，排液管7上设置有控制阀(图中未示出)，罐体51上还安装有液位传感器(图中未示出)，以检测罐体51内部的液位，在液位传感器检测得到罐体51内部的液位超过预设液位时，控制控制阀开启，使得排液管7向外排液。

通过上述设置方式，可以通过液位传感器及时将罐体51内的冷凝水排出，防止冷凝水液位过高，流入筒体1内部，再次与流入筒体1内部的惰性气体混合，影响该惰性气体中的水蒸气的分离效果。

在一些示例性实施例中，筒体1包括桶身11以及分别与桶身11上下两端法兰连接的上端头12以及下端头13。

筒体1内部还设置有压力传感器(图中未示出)以及温度传感器(图中未示出)，以分别检测筒体1内部气体的压力以及温度。

通过上述设置方式，可以充分了解筒体1内部气体的压力及温度，以方便调整流入筒体1内部的惰性气体的流量，以防止由于筒体1内部气体压力以及温度过高，而发生安全事故，确保气液分离器安全运行。

在现有技术中，常采用包括重力沉降、折流分离、离心分离、丝网分离、填料分离和超滤膜分离等气液分离方法，但这些方法分别由如下的缺点：重力沉降设备体积庞大、分离效率低；折流分离，负荷范围窄；离心分离，阻力大，负荷窄；丝网分离和填料分离有着阻力大、雾沫夹带严重、容易堵的缺点，而超滤膜分离，其阻力远大于上述分离方式，负荷范围窄。且上述所有分离方式均对混合气体的温度有一定要求，不适合处理高温气体的气液分离。因而，现有的各种气液分离器无法同时满足高温、高含湿量、大通量气体的气液分离。

而本发明所公开的气液分离器，通过合理设置折流板31、冷凝器41和丝网8，能够满足对高温、高含湿量惰性气体的气液分离，也能够克服现有技术中阻力大、负荷窄的缺点。

根据本发明的示例性实施例，请参照图1，还提供了一种闭式循环发动机，包括发动机本体9以及上述实施例的用于闭式循环的发动机的气液分离器。气液分离器的进气管2与发动机本体9的排气端91连接，气液分离器的排气管6与发动机本体9的进气端92连接，以接收来自发动机本体9的排气端91的惰性气体，并将经气液分离器除水后的惰性气体再次输送至发动机本体9。

在本实施例中，经发动机本体9的排气端91排出的惰性气体，经换热器93降温后，由进气管2进入到筒体1内，经折流部3使惰性气体折返流动，并通过设置在折流部3上的冷凝部4对惰性气体进行干燥，经过干燥后的惰性气体经由排气管6排出，再经由增压泵94进行增压，随后在气体混合装置95中与来自经氧气流量计97控制输出的氧气进行混合，最后经过稳压罐96的稳压过程，经发动机本体9的进气端92进入到发动机本体9内，完成了惰性气体在闭式循环发动机中的闭式循环以及氧气补给。

需要说明的是，在本实施例中，惰性气体为氩气。

进一步地，对于现有技术中的开式发动机，发动机排出的气体会进入到大气，一般不进行回收再利用。但闭式循环发动机采用惰性气体(氩气)代替空气，进行循环燃烧，因而尾气需要进行回收再利用。由于燃烧后的尾气温度较高，并且含有大量水蒸气，直接利用，会影响进气配比精度，降低发动机燃烧效率，因而需要去除其中的水蒸气，并进行降温处理。鉴于闭式循环发动机的后处理系统行程较短，安装的空间有限，采用列管式换热器无法将尾气降至进气所需温度。由此，本发明的用于闭式循环的发动机的气液分离器克服了现有技术中的上述缺陷，本发明的气液分离器集降温和除湿于一体，通过设置在气液分离器的筒体1中的折气部3，使惰性气体折返流动，并通过冷凝部4使惰性气体充分冷却干燥，既保证了闭式循环发动机后处理系统的功能要求，又节省了设备安装空间，便于闭式循环发动机未来的装机使用。基于上述技术方案可知，本发明的用于闭式循环的发动机的气液分离器及闭式循环发动机，具有如下有益效果之一或其中的一部分：

1、本发明的气液分离器组合使用了冷凝器41、折流板31以及丝网8等几种气液分离的方式，既对高温的惰性气体起到了一定的降温作用，又保障了较高的气液分离效率，和较低的阻力。应用于氢气发动机闭式循环系统，会更加紧凑，节省安装空间。

2、在进气管2处设置有挡板21，增强了进气绕流，提高了气液分离的效果。

3、在气液分离器最上层填充少量丝网8，与折流板31、冷凝器41集成使用，既增强了除湿的效果，又避免大量使用填料或丝网等大阻力气液分离方式。

4、通过对丝网8、折流板31以及冷凝器41的集成使用，本发明的气液分离器有着集成度高、结构紧凑、占用空间小的优点，适合处理大通量、含湿量较高的高温混合气体。且本发明的气液分离器分离负荷适应范围大，材质无特殊要求，几乎无带液，不宜堵，工作稳定性更好。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于闭式循环的发动机的气液分离器，包括：

筒体；

进气管，一端伸入所述筒体内部，另一端与所述发动机的排气端连接，以接收经所述发动机的排气端排出的惰性气体；

折流部，水平地安装在所述筒体内部且位于所述进气管的上方，被构造成使得流经所述折流部的惰性气体形成多次折返的气流；

冷凝部，安装在所述折流部上，以冷却流经所述折流部的惰性气体；

积液部，安装在所述筒体的下方且与所述筒体连通，以容纳流入所述筒体内部的惰性气体经冷却形成的冷凝水；以及

排气管，安装在所述冷凝部的上方，一端伸入所述筒体内部，另一端与所述发动机的进气端连接，以将经除水后的惰性气体再次输送至所述发动机的内部。

2.根据权利要求1所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述折流部包括沿竖直方向依次设置的多个折流板，每个所述折流板被构造成具有缺口的圆形平板，相邻两个所述折流板中的一个所述折流板的缺口与另一个所述折流板的板面在竖直方向上对齐，使得流入所述筒体内部的惰性气体依次流经多个所述折流板的缺口，以形成在相邻两个所述折流板之间折返流动的气流，使得气流在流动过程中，在惯性以及重力作用下，去除惰性气体中夹杂的部分液滴。

3.根据权利要求2所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述折流板为圆心角大于180°的扇形或者面积大于半圆的弓形。

4.根据权利要求1所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述进气管伸入所述筒体内部的一端还安装有挡板，使得外部惰性气体流经进气管后，在所述挡板的作用下形成折返流动的气流。

5.根据权利要求2所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述冷凝部包括分别安装在多个所述折流板上的多个冷凝器，以冷却流经每个所述折流板的惰性气体，使得惰性气体中夹杂的水蒸气遇冷凝结，以去除惰性气体中的水蒸气。

6.根据权利要求5所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述筒体内部还设置有丝网，所述丝网设置在靠近所述筒体顶部的冷凝器的上方，以去除惰性气体中夹杂的粒径较小的液滴以及惰性气体中混合的水蒸气遇冷凝结形成的粒径较小的液滴。

7.根据权利要求1所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述积液部包括：

罐体，与所述筒体的下侧法兰连接；以及

排污管，安装在所述罐体的底部，适用于排出所述罐体内部的污水。

8.根据权利要求7所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述罐体的位于所述排污管的上部位置设有排液管，以排出所述积液部中的冷凝水；

其中，所述排液管上设置有控制阀，所述罐体上还安装有液位传感器，以检测所述罐体内部的液位，在所述液位传感器检测得到所述罐体内部的液位超过预设液位时，控制所述控制阀开启，使得所述排液管向外排液。

9.根据权利要求1所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，其中，所述筒体包括桶身以及分别与所述桶身上下两端法兰连接的上端头以及下端头；并且/或者，

所述筒体内部还设置有压力传感器以及温度传感器，以分别检测所述筒体内部气体的压力以及温度。

10.一种闭式循环发动机，包括：

发动机本体；以及

上述权利要求1-9中任一项所述的用于闭式循环的发动机的气液分离器，所述气液分离器的进气管与所述发动机本体的排气端连接，所述气液分离器的排气管与所述发动机本体的进气端连接，以接收来自所述发动机本体的排气端的惰性气体，并将经所述气液分离器除水后的惰性气体再次输送至所述发动机本体。