CN214836833U - 一种朗肯循环式新能源发动机系统 - Google Patents

Abstract

一种朗肯循环式新能源发动机系统，包括有热交换器、活塞组、气液联动缸、气液联动泵、冲击式水轮机、发电机和蒸发器。蒸发器管道连接热交换器，热交换器管道连接至少三个气液联动缸，气液联动缸管道连接冲击式水轮机以及气液联动泵，气液联动缸管道连接活塞组，活塞组管道连接气液联动冷凝器，气液联动冷凝器管道连接气液联动泵，气液联动泵管道连接预加热器，预加热器管道连接蒸发器，冲击式水轮机同轴连接发电机以及液体工质泵。本实用新型所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其设计合理，便于使用，低温热能的利用率较高，不仅能够提高发电效率，而且还能减少机械摩擦过程中的损失，大大提升了热能的利用率，适于推广。

Description

一种朗肯循环式新能源发动机系统

技术领域

本实用新型涉及新能源技术领域，尤其涉及一种朗肯循环式新能源发动机系统。

背景技术

随着环境污染、雾霾肆虐等问题日益严重，化石能源正遭受越来越频繁的质疑，各种绿色能源从开发之日起就备受期待。太阳能光热发电相比光伏、风电具有蓄热储能优点，是新能源利用的一个重要方向。以聚光型太阳能热发电（CSP）技术为例：用聚集的太阳辐射能加热工质，经热交换器产生高压蒸汽，驱动汽轮机带动发电机发电。上述技术经过近几十年的发展，仍然没有解决发电效率低，低温热能利用有限的技术缺陷。因此，本领域的技术人员提供了一种朗肯循环式新能源发动机系统，以解决现有技术中的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术中的不足之处，提供一种朗肯循环式新能源发动机系统，其设计合理，便于使用，低温热能的利用率较高，不仅能够提高发电效率，而且还能减少机械摩擦过程中的损失，大大提升了热能的利用率，适于推广。

本实用新型所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，包括有热交换器、活塞组、气液联动缸、气液联动泵、冲击式水轮机、发电机和蒸发器。所述的蒸发器管道连接热交换器，管道内有蒸发形成的气态膨胀工质，所述热交换器管道连接至少三个液联动缸，分别为一高压、一泄压、一低压的配合形式。所述的气液联动缸管道连接冲击式水轮机以及气液联动泵，气液联动缸内的气体膨胀工质推动液体工质通过管道喷嘴射击冲击式水轮机做功，做功后断开并连通气液联动泵升压液态膨胀工质。所述的气液联动缸管道连接活塞组，所述活塞组管道连接气液联动冷凝器，气液联动缸内只有气态膨胀工质时连通活塞组，并推动活塞组做功，乏汽进入气液联动冷凝器冷凝。所述的气液联动冷凝器管道连接气液联动泵，所述气液联动泵管道连接预加热器，所述预加热器管道连接蒸发器，冷凝后的液态膨胀工质经气液联动泵升压，以及预加热器加热后进入蒸发器内蒸发成气态膨胀工质。所述的冲击式水轮机同轴连接发电机以及液体工质泵，以带动发电机发电及液体工质泵将液体工质抽入至另一个处在低压的气液联动缸内。所述的活塞组带动回热工质从气液联动冷凝器中吸热并在蒸发器中液化放热，经预加热器、散热器降温后重新回到气液联动冷凝器中。

进一步的，所述的热交换器内的热流体为与膨胀工质不相溶的流体，将外接热能从设置在热交换器上部的热流入口进入，并经水瀑喷口进入热交换器内，所述热交换器的下部设置有热流出口，所述热交换器的内底部设置有气泡器。

进一步的，所述的气液联动缸至少由三个组成，围绕冲击式水轮机环形布局，连续完成等压推液射击、等熵排气、装液的过程；所述气液联动缸中间设置有活塞，所述活塞上部是气态膨胀工质，下部是液体工质。

进一步的，所述的冲击式水轮机处在密封的机舱内，机舱内气体压力等于做完功的气液联动缸内的乏汽压力，所述液体工质泵设置在机舱下部。

进一步的，所述的气液联动泵为活塞式缸体，中间有滑动活塞隔开，上部是液态膨胀工质，下部是液态工质，缸体内截面积要比气液联动缸的截面积小。

进一步的，所述的预加热器由热管路构成，液态膨胀工质从预加热器的下部进入，液态回热工质从回热管路的上部进入，所述回热管路上设置有翅片。

进一步的，所述的气液联动冷凝器由回热管路构成，其内底部设置气泡器，所述气液联动冷凝器使用液态膨胀工质作为传热工质。

进一步的，所述的蒸发器的内部设置有回热管路以及从热流出口分出的一路热流管路，两路管路上均设置有翘片，所述热流出口处的热流管路设置在蒸发器的上部，所述回热管路则设置在蒸发器的下部。

进一步的，所述的活塞组为若干组活塞分层同轴连接的结构，轴的末端连接有飞轮，每层之间设置有密封。所述活塞推动回热工质运行，其运行过程为从一组活塞连接气液联动缸开始，到气液联动缸重新充满液体工质为结束，各层活塞的运行过程依次进行。

本实用新型所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其设计合理，便于使用，低温热能的利用率较高，不仅能够提高发电效率，而且还能减少机械摩擦过程中的损失，大大提升了热能的利用率，适于推广。

附图说明

图1是本实用新型所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统的运行原理示意图。

图2是本实用新型所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统的立体图。

图3是本实用新型所述的气液联动缸的排列俯视结构示意图。

图4是本实用新型所述的气液联动缸的排列平视剖面结构示意图。

图5是本实用新型所述的预加热器、散热器和蒸发器的布局平视剖面结构示意图。

1—热交换器 1-1—热流体入口 1-2—热流体出口 2—气泡器 3—活塞组3-1—活塞 3-2—飞轮 4—气液联动冷凝器 5—气液联动缸 6—气液联动泵 7—发电机 8—冲击式水轮机 8-1—机舱 9—液体工质泵 10—散热器 11—预加热器11-1—回热管路 11-2—翅片 12—蒸发器。

具体实施方式

现参照附图说明，结合具体实施例，说明如下：本实用新型所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，包括有热交换器1、活塞组3、气液联动冷凝器4、气液联动缸5、气液联动泵6、发电机7、冲击式水轮机8、液体工质泵9、散热器10、预加热器11、蒸发器12以及若干控制阀，并且包含膨胀工质循环、液体工质循环和回热循环。

膨胀工质循环：膨胀工质选用有机工质，在蒸发器12内吸热蒸发形成高压气体，经设置在热交换器1底部的气泡器2形成小气泡与热流体直接接触吸热变成高温高压气体，然后进入气液联动缸5等压推动液体工质做功。当气液联动缸5内只有气体时，连通活塞组3，等熵膨胀推动活塞做功。有机工质气体从活塞组3排出进入气液联动冷凝器4冷却液化，液态膨胀工质进入气液联动泵6，然后经气液联动泵6升压进入预加热器加热11，再次进入蒸发器12，在蒸发器12内吸热蒸发成气态膨胀工质，完成循环。

液体工质循环：液体工质选用与膨胀工质不想溶解并且化学性质稳定的液态流体。膨胀工质在气液联动缸5内推动液体工质，液体工质获得膨胀工质传递的高压势能，并将势能转变成高速射流对冲击式水轮机8做功。冲击式水轮机8同轴连接发电机7和液体工质泵9，发电机7对外输出能量，液体工质泵9将做完工的液体工质重新压入其它处在低压状态下的气液联动缸5内。当处在射击状态气液联动缸5内的液体工质体积和气液联动泵6容积相同时，所述气液联动缸和管道中的液体工质有了一定的动能，断开冲击式水轮机8的连接，立即连接气液联动泵6，上述工序能够更好的利用“水锤效应”对泵内的有机工质液体加压。完成对有机工质加压后，气液联动泵6的液体工质也进入另外一个气液联动缸5内，完成液体工质的循环。

回热循环：回热工质选用蒸发压力比膨胀工质小的有机工质。在气液联动冷凝器4中蒸发吸热，经过活塞组3加压进入蒸发器12液化放热，然后进入预加热器11继续放热，最后经散热器10散热，重新进入气液联动冷凝器4，完成回热循环。

本发明所述的气液联动缸5为三个，围绕冲击式水轮机8环形布局，连续完成等压推液射击、等熵排气、装液的过程。气液联动缸5中间设置滑动活塞，活塞上部是气态膨胀工质，下部是液体工质。

所述的气液联动缸5还可以三个为一组，可设置有两组，即六个气液联动缸5。所述的六个气液联动缸5围绕冲击式叶轮机8、热交换器1呈环形排列。所述的冲击式水轮机8可采用水斗式水轮机，并立式布局。所述的散热器10、预加热器11和蒸发器12布置在同一侧，从下至上依次为散热器10、预加热器11、蒸发器12。所述的活塞组3和气液联动冷凝器4布置在另一侧。本发明所涉及的膨胀工质为有机工质，以RS290为例，刚性液体工质采用与RS290不想溶解的纯净水，回热工质采用RS600。

进一步的，所述的热流体与膨胀工质不相溶解的流体，以RS290为例，热流体采用与RS290不相溶解的水。热流体通过在热源或蓄热器中换热，变成高温热流体并经位于热交换器1上部的热流体入口1-1进入，经水瀑喷口进入热交换器1内，然后经过设置在热交换器1下部的热流体出口1-2流出。所述的热交换器1的内底部设置有气泡器2，所述气泡器2与蒸发器12管道连接。

所述气泡器2设置在热交换器1的内底部，通过其形成的小颗粒气泡增加接触面积和热流体直接接触进行热交换，使高压膨胀工质气体进一步升温膨胀，变成高温高压气体。热流体携带蓄热器中储存的热量从热交换器1上部的热流体入口1-1进入，并经环形喷嘴形成连续的水瀑形态喷入热交换器1内，膨胀工质在热流体中吸热并经水瀑形态消泡，然后热流体从热交换器1下部的热流体出口1-2流至蓄热器中。这样在热交换器1中热流体向下流动，膨胀工质气泡向上，形成对流，增加膨胀工质气体在热交换器1中滞留时间，提高热交换效率。

所述气液联动缸5是将气态膨胀工质吸热后形成的压力势能转变成液体的势能，然后等压推动液体工质转变成冲击动能。而这个过程中使用三个以上的气液联动缸5环形布局，一个缸体等压推动液体射击冲击式水轮机8对外做功，其他两个缸体等熵排气和重新装填液体，如同加特林机枪，一个枪管射击，其他枪管抛壳、装弹的过程。实际使用时可采用六个气液联动缸5完成等压推液射击、等熵排气、装液的连续过程。气液联动缸5内设置滑动活塞，滑动活塞的目的隔断在上部的膨胀工质气体和在下部的液体工质的直接接触，防止膨胀工质气体因为压力增加使其在液体工质的溶解量的增加。

进一步的，所述的冲击式水轮机8处在密封的机舱8-1内，机舱8-1内的气体压力等于做完功的气液联动缸5内的乏汽压力，所述液体工质泵9设置在机舱8-1下部。

所述的冲击式水轮机8采用水斗式水轮机，水斗式水轮机叶轮处在气体中运行，而射流内的压力等于气体压力，运行阻力小，所以能够高效率将射流转化成机械能。将水斗式水轮机处在密封的机舱8-1内，机舱8-1内的压力等于气液联动缸5完成等熵排气后的乏气压力，这样能够减少液体工质泵9的功耗。液体工质泵9设置在机舱8-1的下部，便于将射击完水轮机的液体工质抽到另外一个处在低压状态下的气液联动缸5内。

进一步的，所述的气液联动泵6为活塞式缸体，中间有滑动活塞隔开，上部是液态膨胀工质，下部是液态工质，缸体内截面积要比气液联动缸5的截面积小。

所述气液联动泵6为活塞式缸体，中间有滑动活塞隔开，滑动活塞起到隔离液态膨胀工质和液态工质的作用。滑动活塞的上部是液态膨胀工质，下部是液态工质。当气液联动泵6中充满液态膨胀工质，气液联动缸5内的射击后液体量和气液联动泵6的容积相同时，气液联动缸5和气液联动泵6连通，高压液体工质在气液联动泵6缸体内对液态膨胀工质加压，升压后的液态膨胀工质通过管道进入预加热器11。完成对气液联动泵6内液态膨胀工质加压后，气液联动泵6连通气液联动冷凝器4和正在抽气的气液联动缸5，液态膨胀工质从气液联动冷凝器4进入气液联动泵6内并挤压液态工质进入气液联动缸5内完成液态膨胀工质的装填。以上选在气液联动缸5内的液体量和气液联动泵6的容积相同时连通，是因为气液联动缸5内的液体工质已经具备了一定的动能，能够更好的使气液联动泵6的膨胀工质升压，同时气液联动泵6截面积要比气液联动缸5的截面积小，气液联动泵6的输出压力比气液联动缸5的压力稍微大，便于液体膨胀工质在预热器11和蒸发器12中流动。

进一步的，所述的预加热器11由回热管路11-1构成，液态膨胀工质从预加热器11的下部进入，液态回热工质从回热管路11-1的上部进入，所述回热管路11-1上设置有翅片11-2。

所述的预加热器11的管道直径较大，以便于低温的膨胀工质从下部进入管路内，并以较低的速度向上运行。在蒸发器12内液化放热后的液态回热工质从预加热器11的上部进入回热管路，从上向下运动。气态回热工质在蒸发器12中液化放出相变热量，并且液态回热工质还有很高的温度，通过预加热器11将热量传递给膨胀工质，起到对膨胀工质预加热的目的。

进一步的，所述的气液联动冷凝器4由回热管路构成，其内底部设置气泡器，所述气液联动冷凝器4使用液态膨胀工质作为传热工质。

所述的气液联动冷凝器4的内底部设置气泡器，从活塞组排出的膨胀工质气体通过气泡器形成小气泡，增大热交换的比表面积，提高冷凝效率。所述气液联动冷凝器4中使用液态膨胀工质作为热交换工质，液态工质的热导率远高于气体，例如RS290在30℃的热导，液态是91.3mW/(m.K)，气态19.74mW/(m.K)，液态工质热导是气态工质4.6倍，传热效率更高。回热管路设置在气液联动冷凝器4内部的周圈，回热工质在回热管路中汽化吸收液化RS290的热量。

8.进一步的，所述的蒸发器12的内部设置有回热管路以及从热流出口1-2分出来的一路热流管路，两路管路上均设置有翘片，热流出口1-2的热流管路设置在蒸发器12的上部，回热管路在蒸发器的12下部。

所述的液态膨胀工质在蒸发器12中吸热汽化，从高压液体变成高压气体。液态膨胀工质从下部进入蒸发器12中，而回热管路设置在蒸发器12下部，热流管路设置在蒸发器12的上部，液态膨胀工质汽化吸热首先吸收回热管路释放的热量，然后吸收热流管路热量，这样首先使用回收热量，然后使用蓄热器中的热能完成汽化，以提高热能利用。

进一步的，所述的活塞组3为若干组活塞3-1分层同轴连接的结构，轴的末端连接有飞轮3-2，每层之间设置有密封。所述活塞3-1推动回热工质运行，其运行过程为从一组活塞组3-1连接气液联动缸5开始，到气液联动缸5重新充满液体工质为结束，各层活塞组3-1的运行过程依次进行。

进一步的，所述的活塞组3由数组活塞3-1组成，通过同轴连接，每组活塞3-1之间设置密封圈，以防止每组活塞3-1在运行过程中，因连接不同压力状态的气体工质而相互影响。每组活塞组3有两到三个活塞3-1组成，活塞组3主要是回收气液联动缸5内的高温高压气体能量，以及在气液联动缸5重新装填液体工质时，排出联动缸上部的低压气体。活塞组3的运行过程：当只有高温高压气体的气液联动缸5连通其中一组活塞3-1。从开始连接处在高压状态的气液联动缸5起，联动缸内的高压气体推动活塞3-1旋转，带动压气机和其它几组活塞3-1运行，直到气液联动缸5内的压力处在低压状态，完成对联动缸内部的高压气体的能量利用。

高温高压气体推动活塞3-1做功，由于这组活塞3-1同轴连接其它活塞，从而会带动其它活塞和活塞压气机运转。这时，连接回热工质的压气机对回热工质做功，从气液联动冷凝器4中抽取回热工质气体，压缩到蒸发器12中，给回热工质提供动力，实现回热循环，完成回热。连接处在低压状态的气液联动缸5进行排气，来减小气液联动缸5和冲击式水轮机8舱内的气体压差，最终减少液体工质泵的功耗。在这个运行过程中，其中一组活塞3-1从开始连接处在高压状态的气液联动缸5起，联动缸内的高压气体推动活塞旋转，带动压气机和其它几组活塞3-1运行，直到气液联动缸5内的压力处在低压状态，完成对联动缸内的高压气体的能量利用。其中，连接回热工质的压气机对回热工质做功，从气液联动冷凝器4中抽取回热工质气体，压缩到蒸发器12中，给回热工质提供动力，实现回热循环，完成回热。这时继续连接，对处在低压状态的气液联动缸5进行排气，排气的同时，液体工质泵9开始对联动缸装液，直到气液联动缸5装满液体，活塞组3断开和气液联动缸5的连接，结束从处在高压状态气液联动缸5的能量利用到低压状态气液联动缸5从新装满液体工质的过程，继续连接下一个高压状态的气液联动缸5，并依次重复上述循环过程。另外，高压状态的气液联动缸5内的气体对活塞组3做功的过程中，压力不断降低，导致输出能量的不稳定，所以在活塞组3中同轴连接飞轮3-2，保证活塞组3动力输出的稳定性。

本实用新型所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其设计合理，便于使用，低温热能的利用率较高，不仅能够提高发电效率，而且还能减少机械摩擦过程中的损失，大大提升了热能的利用率，适于推广。

Claims (9)

1.一种朗肯循环式新能源发动机系统，包括有热交换器（1）、活塞组（3）、气液联动缸（5）、气液联动泵（6）、冲击式水轮机（8）、发电机（7）和蒸发器（12），其特征在于：所述的蒸发器（12）管道连接热交换器（1），管道内有蒸发形成的气态膨胀工质，所述热交换器（1）管道连接至少三个气液联动缸（5）；所述的气液联动缸（5）管道连接冲击式水轮机（8）以及气液联动泵（6），气液联动缸（5）内的气体膨胀工质推动液体工质通过管道喷嘴射击冲击式水轮机（8）做功，做功后断开并连通气液联动泵（6）升压液态膨胀工质；所述的气液联动缸（5）管道连接活塞组（3），所述活塞组（3）管道连接气液联动冷凝器（4），气液联动缸（5）内只有气态膨胀工质时连通活塞组（3），并推动活塞组（3）做功，乏汽进入气液联动冷凝器（4）冷凝；所述的气液联动冷凝器（4）管道连接气液联动泵（6），所述气液联动泵（6）管道连接预加热器（11），所述预加热器（11）管道连接蒸发器（12），冷凝后的液态膨胀工质经气液联动泵（6）升压，以及预加热器（11）加热后进入蒸发器（12）内蒸发成气态膨胀工质；所述的冲击式水轮机（8）同轴连接发电机（7）以及液体工质泵（9），以带动发电机（7）发电及液体工质泵（9）将液体工质抽入至另一个处在低压的气液联动缸（5）内；所述的活塞组（3）带动回热工质从气液联动冷凝器（4）中吸热并在蒸发器（12）中液化放热，经预加热器（11）、散热器（10）降温后重新回到气液联动冷凝器（4）中。

2.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的热交换器（1）内的热流体为与膨胀工质不相溶的流体，将外接热能从设置在热交换器上部的热流入口（1-1）进入，并经水瀑喷口进入热交换器（1）内，所述热交换器（1）的下部设置有热流出口（1-2），所述热交换器（1）的内底部设置有气泡器（2）。

3.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的气液联动缸（5）不少于三个，围绕冲击式水轮机（8）环形布局，连续完成等压推液射击、等熵排气、装液的过程；所述气液联动缸（5）中间设置有活塞，所述活塞上部是气态膨胀工质，下部是液体工质。

4.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的冲击式水轮机（8）处在密封的机舱（8-1）内，机舱（8-1）内的气体压力等于做完功的气液联动缸（5）内的乏汽压力，所述液体工质泵（9）设置在机舱下部。

5.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的气液联动泵（6）为活塞式缸体，中间有滑动活塞隔开，上部是液态膨胀工质，下部是液态工质，缸体内截面积要比气液联动缸（5）的截面积小。

6.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的预加热器（11）由回热管路（11-1）构成，液态膨胀工质从预加热器（11）的下部进入，液态回热工质从回热管路（11-1）的上部进入，所述回热管路（11-1）上设置有翅片（11-2）。

7.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的气液联动冷凝器（4）由回热管路构成，其内底部设置气泡器（2），所述气液联动冷凝器（4）使用液态膨胀工质作为传热工质。

8.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的蒸发器（12）的内部设置有回热管路以及从热流出口（1-2）分出的一路热流管路，两路管路上均设置有翘片，所述热流出口（1-2）处的热流管路设置在蒸发器（12）的上部，所述回热管路则设置在蒸发器（12）的下部。

9.根据权利要求1所述的一种朗肯循环式新能源发动机系统，其特征在于：所述的活塞组（3）为若干组活塞（3-1）分层同轴连接的结构，轴的末端连接有飞轮（3-2），每层之间设置有密封；所述活塞（3-1）推动回热工质运行，其运行过程为从一组活塞（3-1）连接气液联动缸（5）开始，到气液联动缸（5）重新充满液体工质为结束，各层活塞（3-1）的运行过程依次进行。

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