CN202690215U

CN202690215U - 高效热动力系统

Info

Publication number: CN202690215U
Application number: CN2012201096224U
Authority: CN
Inventors: 靳北彪
Original assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Current assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2022-03-21

Abstract

本实用新型公开了一种高效热动力系统，包括内燃机、压气机和动力透平，所述压气机的压气机气体入口与低压气体源连通，所述压气机的压气机压缩气体出口与所述动力透平的动力透平气体工质入口经压动连通通道连通，在所述压动连通通道上设高温气体导入口，所述高温气体导入口经所述内燃机的排气道与所述内燃机的燃烧室连通，所述动力透平对所述压气机输出动力。本实用新型大幅度提高了热动力系统的效率。

Description

高效热动力系统

技术领域

本实用新型涉及热能与动力领域，尤其是一种高效热动力系统。

背景技术

燃烧化学产物参与作功的热动力系统中，排气具有相当高的温度和一定的压力，其总能量排放速率相当于发动机的功率。目前，虽然有使用涡轮增压系统对排气加以利用，但是仍然有相当多的能量被浪费掉，如果能够发明一种新型技术，使上述热动力系统中的排气中的能量能够更高效地转化成动力，不管这一动力用于压气，还是用于其他用途，将进一步提高系统的效率。

实用新型内容

本发明解决的技术问题在于现有的热动力系统结构复杂，制造成本高，效率低，从而提供一种结构简单，制造成本低，且能够利用热动力系统中的排气转化为动力，提高系统的效率的高效热动力系统。

为了实现上述目的，本实用新型提出的技术方案如下：

一种高效热动力系统，包括内燃机、压气机和动力透平，所述压气机的压气机气体入口与低压气体源连通，所述压气机的压气机压缩气体出口与所述动力透平的动力透平气体工质入口经压动连通通道连通，在所述压动连通通道上设高温气体导入口，所述高温气体导入口经所述内燃机的排气道与所述内燃机的燃烧室连通，所述动力透平对所述压气机输出动力。

在所述压气机压缩气体出口和所述高温气体导入口之间的所述压动连通通道上设压气机压缩气体旁通口。

所述高效热动力系统还包括射流泵，所述压动连通通道设为所述射流泵的射流泵外管，所述高温气体导入口设为所述射流泵的射流泵动力气体喷嘴。

在所述压气机压缩气体旁通口和所述高温气体导入口之间的所述压动连通通道上设控制阀。

一种高效热动力系统，包括内燃机、压气机和动力透平，所述压气机的压气机气体入口与低压气体源连通，所述压气机的压气机压缩气体出口与所述动力透平的动力透平气体工质入口经压动连通通道连通，在所述压动连通通道上设排气热交换器，所述排气热交换器的热流体入口经所述内燃机的排气道与所述内燃机的燃烧室连通，所述动力透平对所述压气机输出动力。

在所述压气机压缩气体出口和所述排气热交换器之间的所述压动连通通道上设压气机压缩气体旁通口。

所述压气机压缩气体旁通口与所述内燃机的进气道连通。

所述高效热动力系统还包括进气压气机，所述进气压气机的进气压气机压缩气体出口与所述内燃机的进气道连通，所述动力透平对所述进气压气机输出动力。

在所述排气道上设前置压气机，所述前置压气机的前置压气机气体入口与所述燃烧室连通，在所述前置压气机气体入口和所述燃烧室之间的所述排气道上设排气前置旁通口，所述排气前置旁通口与前置动力透平的前置动力透平工质入口连通，所述前置动力透平对所述前置压气机输出动力。

在所述压气机压缩气体旁通口和所述排气热交换器之间的所述压动连通通道上设控制阀。

在所述进气道上设控制阀。

在所述排气道上设膨胀剂导入口，和/或在所述压气机气体入口处设膨胀剂导入口，和/或在所述动力透平气体工质入口处设膨胀剂导入口，和/或在所述压气机上设膨胀剂导入口，所述膨胀剂导入口与膨胀剂源连通。

所述高效热动力系统还包括有膨胀剂吸热热交换器，所述膨胀剂吸热热交换器设在所述动力透平气体工质出口处和/或在所述压气机上，所述膨胀剂吸热热交换器的被加热流体通道与所述膨胀剂导入口连通。

所述高效热动力系统还包括回热器，所述回热器设置在所述压气机压缩气体出口和所述动力透平气体工质入口之间，所述回热器的加热流体通道与所述动力透平的动力透平气体出口连通，所述回热器利用从所述动力透平气体出口排出的气体的余热对由所述压气机压缩气体出口流入所述动力透平气体工质入口的气体加热升温。

本实用新型中，所谓的“所述高效热动力系统还包括射流泵，所述压动连通通道设为所述射流泵的射流泵外管，所述高温气体导入口设为所述射流泵的射流泵动力气体喷嘴。”是指：所述压气机的压气机压缩气体出口与所述射流泵的射流泵低压气体入口连通，所述射流泵的射流泵气体出口与所述动力透平的动力透平气体工质入口连通，所述内燃机的燃烧室的排气道与所述射流泵的动力气体喷嘴连通。

本实用新型中，所述射流泵是指通过动力流体引射非动力流体，两流体相互作用从一个出口排出的装置，所谓的射流泵可以是传统射流泵，也可以是非传统射流泵。

本实用新型中，所述传统射流泵是指由两个套装设置的管构成的，向内管提供高压动力气体，内管高压动力气体在外管内喷射，在内管高压动力气体喷射和外管的共同作用下使内外管之间的其他气体（从外管进入的气体）沿内管高压动力气体的喷射方向产生运动的装置；所谓射流泵的外管可以有缩扩区，外管可以设为文丘里管，内管喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指外管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力气体喷嘴、射流泵低压气体入口和射流泵气体出口。

本实用新型中，所述非传统射流泵是指由两个或两个以上相互套装设置或相互并列设置的管构成的，其中至少一个管与动力气体源连通，并且动力气体源中的动力气体的流动能够引起其他管中的气体产生定向流动的装置；所谓射流泵的管可以有缩扩区，可以设为文丘里管，管的喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力气体喷嘴、射流泵低压气体入口和射流泵气体出口；所述射流泵可以包括多个射流泵动力气体喷嘴，在包括多个射流泵动力气体喷嘴的结构中，所述射流泵动力气体喷嘴可以布置在所述射流泵低压气体入口的管道中心区，也可以布置在所述射流泵低压气体入口的管道壁附近，所述射流泵动力气体喷嘴也可以是环绕所述射流泵低压气体入口管道壁的环形喷嘴。

本实用新型中，所述膨胀剂吸热热交换器是指利用膨胀剂进行吸热的热交换器，所谓的膨胀剂是指不参与燃烧化学反应起冷却降温增加工质摩尔数作用的物质，如水，液体二氧化碳、液氮等。

本实用新型的原理是：利用所述内燃机的全部排气或部分排气，对来自所述压气机的全部压缩空气或部分压缩空气进行混合式加热或间接加热，使被加热的气体推动所述动力透平形成动力；换句话说，可以看作是将所述内燃机的排气工质的压力和热量或者只是热量，导入由所述压气机和所述动力透平所构成的燃气轮机的燃烧室，在这个燃烧室内不再发生燃烧反应。

本实用新型中，所述低压气源是指需要进行压缩的气源，可以是大气中的空气，也可以是其他气源，例如气体储罐等；所谓的进气压气机是指为所述内燃机提供进气的压气机；所谓的前置是指在排气流上处于上游的位置。

本实用新型中的所述动力透平可以对其他机构输出动力，例如发电机等。

本实用新型中的所述前置动力透平可以对其他机构输出动力，例如发电机等。

本实用新型中，所述压气机是指一切可以对气体实施压缩作用的机构，例如叶轮式压气机、活塞式压气机等。

本实用新型中，所述压气机、所述动力透平、所述进气压气机、所述前置压气机和所述前置动力透平可设为多级式或多段式，所述多段式是指多个不同轴设置的涡轮压气机或动力涡轮串联。所述多级式是指多个同轴设置的涡轮压气机或动力涡轮串联。

本实用新型中，所述控制阀可以是受控阀，也可以是逆止阀，其目的在于调整进入所述动力透平和所述压气机压缩气体旁通口之间的流量关系。

本实用新型中，在所述前置压气机和所述前置动力透平的必要部位可以设膨胀剂导入口，所述膨胀剂导入口与膨胀剂源连通。

本实用新型中，所述内燃机是指一切燃烧化学产物参与作功的热动力系统，例如活塞式内燃机、转子活塞式内燃机、燃气轮机等。

本实用新型中，在所述内燃机设为活塞式内燃机或设为转子活塞式内燃机的结构中，所述内燃机可以是传统的吸气-压缩-作功-排气四冲程内燃机、二冲程发动机、爆排发动机或短压程充气发动机。

本实用新型中，所述爆排发动机是指由燃烧室和膨胀作功机构构成的，只进行燃烧爆炸作功过程（含燃烧爆炸作功冲程）和排气过程，不包含吸气过程和压缩过程的热动力系统（即将热转换成功的系统），这种热动力系统中原工质（所谓原工质是指燃烧前的工质）是以充入的方式而不是吸入的方式进入燃烧室的。

本实用新型中，所述短压程充气发动机是指没有独立的吸气冲程，排气过程、充气过程和压缩过程共用一个冲程，在排气、充气、压缩过程完了后进行燃烧爆炸冲程的发动机，这种发动机不是吸入低压气体，而是将预先压缩到一定程度的气体在排气过程中充入燃烧室内经过进一步压缩后进入燃烧过程；这种发动机一般说来，压缩冲程比作功冲程短，也就是说压缩冲程的容积变化量比作功冲程容积变化量小；在这种发动机中，所述压气机压缩气体出口处的气体压力越高，所述短压程充气发动机的压缩过程占一个冲程的长度的份额可以越小，在具体发动机中，可根据工况的要求，调整所述压气机压缩气体出口处的气体压力和所述短压程充气发动机的压缩冲程的压缩力度。

本实用新型所公开的高效热动力系统，与传统涡轮增压内燃机相比，更充分地利用了排气中的能量，特别是排气中的热能，因此具有更高的效率。

本实用新型所公开的高效热动力系统，所述动力透平的工作温度会明显低于传统涡轮增压系统的动力涡轮的工作温度，因此，可以降低对材料的要求，也可以将所述动力透平的转速大幅度提高。

本实用新型中，所述动力透平包括径流式、轴流式等一切形式的利用气体膨胀作功的叶轮机构，包括涡轮机构。

本实用新型所公开的高效热动力系统中，根据发动机领域的公知技术，在必要的地方设置喷油器、火花塞、传感器等必要的部件、单元或系统。

本实用新型的有益效果如下:

1、本实用新型结构简单，制造成本低，可靠性高。

2、本实用新型大幅度提高了热动力系统的效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2的结构示意图；

图3为本实用新型实施例3的结构示意图；

图4为本实用新型实施例4的结构示意图；

图5和图6为本实用新型实施例5的结构示意图；

图7和图8为本实用新型实施例6的结构示意图；

图9和图10为本实用新型实施例7的结构示意图；

图11为本实用新型实施例8的结构示意图；

图12为本实用新型实施例9的结构示意图；

图13为本实用新型实施例10的结构示意图；

图14为本实用新型实施例11的结构示意图；

图15为本实用新型实施例12的结构示意图；

图16为本实用新型实施例13的结构示意图；

图17为本实用新型实施例14的结构示意图；

图18为本实用新型实施例15的结构示意图；

图19为本实用新型实施例16的结构示意图。

其中：

1内燃机、10排气道、101燃烧室、1000排气前置旁通口、2压气机、20进气道、200进气压气机、201压气机压缩气体旁通口、2022进气压气机压缩气体出口、21压气机气体入口、22压气机压缩气体出口、2233压动连通通道、25前置压气机、2501前置压气机气体入口、28前置动力透平、2801前置动力透平工质入口、3动力透平、300膨胀剂吸热热交换器、301高温气体导入口、302排气热交换器、3021热流体入口、31动力透平气体工质入口、32动力透平气体工质出口、5膨胀剂导入口、500控制阀、6膨胀剂源、600射流泵、601射流泵外管、602射流泵动力气体喷嘴、700回热器、701加热流体通道、8低压气体源。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的高效热动力系统，包括内燃机1、压气机2和动力透平3，所述压气机2的压气机气体入口21与低压气体源8连通，所述压气机2的压气机压缩气体出口22与所述动力透平3的动力透平气体工质入口31经压动连通通道2233连通，在所述压动连通通道2233上设高温气体导入口301，所述高温气体导入口301经所述内燃机1的排气道10与所述内燃机1的燃烧室101连通，所述动力透平3对所述压气机2输出动力。

实施例2

如图2所示的高效热动力系统，包括内燃机1、压气机2和动力透平3，所述压气机2的压气机气体入口21与低压气体源8连通，所述压气机2的压气机压缩气体出口22与所述动力透平3的动力透平气体工质入口31经压动连通通道2233连通，在所述压动连通通道2233上设排气热交换器302，所述排气热交换器302的热流体入口3021经所述内燃机1的排气道10与所述内燃机1的燃烧室101连通，所述动力透平3对所述压气机2输出动力。

实施例3

如图3所示的高效热动力系统，其与实施例1的区别在于：在所述压气机压缩气体出口22和所述高温气体导入口301之间的所述压动连通通道2233上设压气机压缩气体旁通口201。

实施例4

如图4所示的高效热动力系统，其与实施例2的区别在于：在所述压气机压缩气体出口22和所述排气热交换器302之间的所述压动连通通道2233上设压气机压缩气体旁通口201。

实施例5

如图5和图6所示的高效热动力系统，其与实施例1和实施例2的区别在于：所述压气机压缩气体旁通口201与所述内燃机1的进气道20连通。

实施例6

如图7和图8所示的高效热动力系统，其与实施例和实施例2的区别在于：所述高效热动力系统还包括进气压气机200，所述进气压气机200的进气压气机压缩气体出口2022与所述内燃机1的进气道20连通，所述动力透平3对所述进气压气机200输出动力。

实施例7

如图9和图10所示的高效热动力系统，其与实施例1和实施例2的区别在于：在所述排气道10上设前置压气机25，所述前置压气机25的前置压气机气体入口2501与所述燃烧室101连通，在所述前置压气机气体入口2501和所述燃烧室101之间的所述排气道10上设排气前置旁通口1000，所述排气前置旁通口1000与前置动力透平28的前置动力透平工质入口2801连通，所述前置动力透平28对所述前置压气机25输出动力。

实施例8

如图11所示的高效热动力系统，其与实施例3的区别在于：在所述压气机压缩气体旁通口201和所述高温气体导入口301之间的所述压动连通通道2233上设控制阀500。

实施例9

如图12所示的高效热动力系统，其与实施例4的区别在于：在所述压气机压缩气体旁通口201和所述排气热交换器302之间的所述压动连通通道2233上设控制阀500。

实施例10

如图13所示的高效热动力系统，其与实施例5的区别在于：在所述进气道20上设控制阀500。

实施例11

如图14所示的高效热动力系统，其与实施例1的区别在于：在所述动力透平气体工质入口31处设膨胀剂导入口5，所述膨胀剂导入口5与膨胀剂源6连通。

具体实施时，还可以在所述排气道10上设膨胀剂导入口5，和/或在所述压气机气体入口21处设膨胀剂导入口5，和/或在所述动力透平气体工质入口31处设膨胀剂导入口5，和/或在所述压气机2上设膨胀剂导入口5，所述膨胀剂导入口5与膨胀剂源6连通。

实施例12

如图15所示的高效热动力系统，其与实施例1的区别在于：在所述动力透平气体工质出口32处设膨胀剂吸热热交换器300，所述膨胀剂吸热热交换器 300的被加热流体通道与所述膨胀剂导入口5连通，所述膨胀剂入口5设在所述排气道10上。

具体实施时，还可以在所述动力透平气体工质出口32处设膨胀剂吸热热交换器300，和/或在所述压气机2上设膨胀剂吸热热交换器300。

实施例13

如图16所示的高效热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述内燃机1设为燃气轮机。

实施例14

如图17所示的高效热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述高效热动力系统还包括射流泵600，所述压动连通通道2233设为所述射流泵600的射流泵外管601，所述高温气体导入口301设为所述射流泵600的射流泵动力气体喷嘴602。

实施例15

如图18所示的高效热动力系统，其与实施例14区别在于：所述高效热动力系统还包括回热器700，所述回热器700设置在所述压气机压缩气体出口22和所述动力透平气体工质入口31之间，所述回热器700的加热流体通道701与所述动力透平3的动力透平气体工质出口32连通，所述回热器700利用从所述动力透平气体工质出口32排出的气体的余热对由所述压气机压缩气体出口22流入所述动力透平气体工质入口31的气体加热升温。

实施例16

如图19所示的高效热动力系统，其与实施例2的区别在于：所述高效热动力系统还包括回热器700，所述回热器700设置在所述压气机压缩气体出口22和所述动力透平气体工质入口31之间，所述回热器700的加热流体通道701与所述动力透平3的动力透平气体工质出口32连通，所述回热器700利用从所述动力透平气体工质出口32排出的气体的余热对由所述压气机压缩气体出口22流入所述动力透平气体工质入口31的气体加热升温。

显然，本实用新型不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本实用新型所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种高效热动力系统，包括内燃机（1）、压气机（2）和动力透平（3），其特征在于：所述压气机（2）的压气机气体入口（21）与低压气体源（8）连通，所述压气机（2）的压气机压缩气体出口（22）与所述动力透平（3）的动力透平气体工质入口（31）经压动连通通道（2233）连通，在所述压动连通通道（2233）上设高温气体导入口（301），所述高温气体导入口（301）经所述内燃机（1）的排气道（10）与所述内燃机（1）的燃烧室（101）连通，所述动力透平（3）对所述压气机（2）输出动力。

2.如权利要求1所述高效热动力系统，其特征在于：在所述压气机压缩气体出口（22）和所述高温气体导入口（301）之间的所述压动连通通道（2233）上设压气机压缩气体旁通口（201）。

3.如权利要求1所述高效热动力系统，其特征在于：所述高效热动力系统还包括射流泵（600），所述压动连通通道（2233）设为所述射流泵（600）的射流泵外管（601），所述高温气体导入口（301）设为所述射流泵（600）的射流泵动力气体喷嘴（602）。

4.如权利要求2所述高效热动力系统，其特征在于：在所述压气机压缩气体旁通口（201）和所述高温气体导入口（301）之间的所述压动连通通道（2233）上设控制阀（500）。

5.一种高效热动力系统，包括内燃机（1）、压气机（2）和动力透平（3），其特征在于：所述压气机（2）的压气机气体入口（21）与低压气体源（8）连通，所述压气机（2）的压气机压缩气体出口（22）与所述动力透平（3）的动力透平气体工质入口（31）经压动连通通道（2233）连通，在所述压动连通通道（2233）上设排气热交换器（302），所述排气热交换器（302）的热流体入口（3021）经所述内燃机（1）的排气道（10）与所述内燃机（1）的燃烧室（101）连通，所述动力透平（3）对所述压气机（2）输出动力。

6.如权利要求5所述高效热动力系统，其特征在于：在所述压气机压缩气体出口（22）和所述排气热交换器（302）之间的所述压动连通通道（2233）上设压气机压缩气体旁通口（201）。

7.如权利要求2或6所述高效热动力系统，其特征在于：所述压气机压缩气体旁通口（201）与所述内燃机（1）的进气道（20）连通。

8.如权利要求1或5所述高效热动力系统，其特征在于：所述高效热动力系统还包括进气压气机（200），所述进气压气机（200）的进气压气机压缩气体出口（2022）与所述内燃机（1）的进气道（20）连通，所述动力透平（3）对所述进气压气机（200）输出动力。

9.如权利要求1或5所述高效热动力系统，其特征在于：在所述排气道（10）上设前置压气机（25），所述前置压气机（25）的前置压气机气体入口（2501）与所述燃烧室（101）连通，在所述前置压气机气体入口（2501）和所述燃烧室（101）之间的所述排气道（10）上设排气前置旁通口（1000），所述排气前置旁通口（1000）与前置动力透平（28）的前置动力透平工质入口（2801）连通，所述前置动力透平（28）对所述前置压气机（25）输出动力。

10.如权利要求6所述高效热动力系统，其特征在于：在所述压气机压缩气体旁通口（201）和所述排气热交换器（302）之间的所述压动连通通道（2233）上设控制阀（500）。

11.如权利要求7所述高效热动力系统，其特征在于：在所述进气道（20）上设控制阀（500）。

12.如权利要求1或5所述高效热动力系统，其特征在于：在所述排气道（10）上设膨胀剂导入口（5），和/或在所述压气机气体入口（21）处设膨胀剂导入口（5），和/或在所述动力透平气体工质入口（31）处设膨胀剂导入口（5），和/或在所述压气机（2）上设膨胀剂导入口（5），所述膨胀剂导入口（5）与膨胀剂源（6）连通。

13.如权利要求12所述高效热动力系统，其特征在于：所述高效热动力系统还包括有膨胀剂吸热热交换器（300），所述膨胀剂吸热热交换器（300）设在所述动力透平气体工质出口（32）处和/或在所述压气机（2）上，所述膨胀剂吸热热交换器（300）的被加热流体通道与所述膨胀剂导入口（5）连通。

14.如权利要求1或5所述高效热动力系统，其特征在于：所述高效热动力系统还包括回热器（700），所述回热器（700）设置在所述压气机压缩气体出口（22）和所述动力透平气体工质入口（31）之间，所述回热器（700）的加热流体通道（701）与所述动力透平（3）的所述动力透平气体工质出口（32）连通，所述回热器（700）利用从所述动力透平气体工质出口（32）排出的气体的余热对由所述压气机压缩气体出口（22）流入所述动力透平气体工质入口（31）的气体加热升温。