WO2012016417A1 - 压缩式排气自身冷却系统 - Google Patents

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WO2012016417A1
WO2012016417A1 PCT/CN2011/000473 CN2011000473W WO2012016417A1 WO 2012016417 A1 WO2012016417 A1 WO 2012016417A1 CN 2011000473 W CN2011000473 W CN 2011000473W WO 2012016417 A1 WO2012016417 A1 WO 2012016417A1
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靳北彪
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the expansion unit is configured as a throttle, and the exhaust gas cooled and cooled by the second heat exchanger is expanded and cooled and/or phase-changed in the throttle.
  • the exhaust thermodynamic unit is configured as an external combustion type power system, in which the exhaust heating medium A, the working medium A vaporizes a push action mechanism, and the work mechanism is a compressor output power or a compensatory output power to the compressor, wherein the working fluid A after the work cooling condensing in the external combustion power system is heated by the first heat exchanger to enter the The second heat exchanger finally enters the cold working inlet of the external combustion power system.
  • a compression type exhaust self-cooling system includes a thermodynamic system, a thermodynamic system exhaust passage, a compressor, a working A expansion power unit, and an expansion power unit, and the thermodynamic system exhausts the thermodynamic system
  • the passage is in communication with the gas inlet of the compressor, and the gas outlet of the compressor is in hot contact with the working medium A
  • the converter is communicated by a cooling fluid inlet, the cooled fluid outlet of the working medium A heat exchanger is in communication with a gas inlet of the expansion power unit, and the heated fluid outlet of the working medium A heat exchanger is a gas inlet of the mass A expansion power unit, wherein the gas outlet of the working fluid A expansion power unit is in communication with a liquid inlet of the liquid high pressure pump via a radiator, the liquid outlet of the liquid high pressure pump and the working medium A heat exchanger The heated fluid inlet is in communication, and the working fluid A expansion power unit and the expansion power unit output power to the compressor or compensating output power to the compressor.

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Description

说 明 书 压縮式排气自身冷却系统
技术领域 本发明涉及热能与动力领域, 尤其是一种压縮式排气自身冷却系统。 背景技术 热动力系统 (如发动机, 燃气轮机等) 中, 有许多情况需要对排气进行冷 却、 液化或固化, 例如为了回收排气中的二氧化碳就需要对排气进行冷却, 分 离其中的水蒸汽后再进行深度冷却, 液化或固化二氧化碳。 在有些情况下, 例 如为有效地对燃烧室回流排气, 也需要对排气进行冷却。 排气的温度一般都具 有七八百度的高温,传统的方法是设置热交换器但是这一方法需要较大的换热 面积, 而且不仅将排气所具有的能量白白的损失还需耗散大量风扇功, 因此造 成体积庞大、 功耗高等缺点。 如果能够利用排气自身所具有的高温能量作推动 力对其自身进行冷却, 就可制造出耗能低的排气冷却系统。
发明内容
为了解决上述问题, 本发明提出的技术方案如下:
一种压縮式排气自身冷却系统, 包括热动力系统、 热动力系统排气道、 排 气热动力单元、 压气机、 第一排热器、 第二排热器和膨胀单元, 所述热动力系 统的所述热动力系统排气道与所述排气热动力单元的进气口连通, 所述排气热 动力单元的排气口与所述第一排热器的被冷却气体入口连通,所述第一排热器 的被冷却气体出口与所述压气机的压气机进气口连通,所述压气机的压縮气体 出口与所述第二排热器的被冷却气体入口连通,所述第二排热器的被冷却气体 出口与所述膨胀单元的进气口连通,所述排气热动力单元对所述压气机输出动 力或对所述压气机补偿性输出动力。
所述排气热动力单元设为动力透平,所述热动力系统排气道中的排气通过 所述动力透平对外作功降温再经所述第一排热器排热降温后进入所述压气机 进气口。 所述排气热动力单元设为活塞式作功机构, 所述热动力系统排气道中的排 气通过所述活塞式作功机构对外作功降温再经所述第一排热器排热降温后进 入所述压气机进气口。
所述排气热动力单元和所述第一排热器组成的系统设为外燃式动力系统, 在所述外燃式动力系统内所述热动力系统排气道中的排气加热工质 A, 所述工 质 A汽化推动作功机构,所述作功机构对所述压气机输出动力或对所述压气机 补偿性输出动力,所述热动力系统排气道中的排气在所述外燃式动力系统中放 热降温后进入所述压气机进气口。
所述压气机设为涡轮压气机。
所述压气机设为活塞式压气机。
所述膨胀单元设为节流器,经所述第二排热器冷却降温后的排气在所述节 流器中膨胀降温和 /或相变。
所述膨胀单元设为膨胀动力单元,所述膨胀动力单元对外输出动力或对所 述压气机输出动力,经第二排热器冷却降温后的排气在所述膨胀动力单元中膨 胀作功降温和 /或相变。
所述膨胀单元的冷气体液固物出口与储罐连通。
设连通所述压气机进气口和所述膨胀单元出口的未凝气回流管,未凝气经 所述未凝气回流管回流到所述压气机进气口处被进一步压縮。
在所述热动力系统排气道和所述膨胀单元之间的排气所流经的通道上设 燃烧室回流口, 所述燃烧室回流口与所述热动力系统的燃烧室连通。
所述排气热动力单元设为外燃式动力系统, 在所述外燃式动力系统中排气 加热工质 A, 所述工质 A汽化推动作功机构, 所述作功机构对所述压气机输出 动力或对所述压气机补偿性输出动力,在所述外燃式动力系统中经作功冷却冷 凝后的所述工质 A经所述第一排热器吸热后进入所述第二排热器最后再进入所 述外燃式动力系统的冷工质入口。
一种压縮式排气自身冷却系统, 包括热动力系统、 热动力系统排气道、 压 气机、 工质 A膨胀动力单元和膨胀动力单元, 所述热动力系统的所述热动力系 统排气道与所述压气机的气体入口连通,所述压气机的气体出口与工质 A热交 换器的被冷却流体入口连通,所述工质 A热交换器的被冷却流体出口与所述膨 胀动力单元的气体入口连通,所述工质 A热交换器的被加热流体出口与所述工 质 A膨胀动力单元的气体入口连通,所述工质 A膨胀动力单元的气体出口经散 热器与液体高压泵的液体入口连通, 所述液体高压泵的液体出口与所述工质 A 热交换器的被加热流体入口连通,所述工质 A膨胀动力单元和所述膨胀动力单 元对所述压气机输出动力或对所述压气机补偿性输出动力。
在传统的热动力系统中, 对排气的冷却均是以消耗系统中的动力 (如发动 机的机械功) 为代价的。 因此, 其能量消耗较大。 由于热动力系统的排气温度 较高, 所以可以利用排气中的能量作为推动力对排气自身进行冷却。 本发明所 公开的压縮式排气自身冷却系统的原理是利用排气的能量(热能和压力能)直 接获得动力或利用排气中的热量通过外燃循环方式获得动力,将所获得的动力 直接对压气机进行作功或间接对压气机作功,将作功后并经过一定程度降温的 排气进行压縮后散热再进行节流膨胀或作功膨胀实现对排气的冷却。根据压縮 散热后的排气的温度和压力的不同, 可以使排气的温度降到大气温度、低于大 气温度, 甚至可以达到二氧化碳的液化温度。本发明中所谓排气热动力单元是 利用排气中的能量产生动力的装置, 排气通过这一装置后冷却降温; 所谓压气 机是指对排气进行压縮的机构, 如活塞式或涡轮式压气机; 所谓排热器是指将 高温排气对外排热的装置,可以是散热器,也可以是以降温为目的的热交换器, 还可以是蒸发式冷却器 (如火电站的冷却塔); 所谓膨胀单元是将排气膨胀降 温的装置, 可以是节流膨胀单元, 也可以是膨胀动力单元, 在节流膨胀单元中 排气节流膨胀降温, 在膨胀动力单元中排气膨胀作功降温; 所谓补偿性输出动 力是指非直接输出动力而是将动力输出到另一个单元中,而这个单元再对压气 机输出动力。 本发明中所谓连通是指直接连通、 经过若干过程(包括与其他物 质混合等) 的间接连通或经泵、 控制阀等受控连通。
本发明的热动力系统可以是大气吸气式, 也可以是非大气吸气式(如自带 氧源的热动力系统)。
本发明所谓的外燃式动力系统是指将排气作为热源加热作功工质,利用作 功工质进行作功的动力系统, 从结构上来说, 主要包括作功机构、 工质受热汽 化器和作功后的工质冷却器; 所谓工质 A是指除排气以外的另外一种工质, 可 以是水, 也可以是其他工质, 例如低沸点工质等; 所谓液固物是指液体或固体 或两者的混合物; 所谓未凝气是指在膨胀单元中没有被液化的气体, 将未凝气 回流到压气机进气口经压气机再次压縮散热膨胀可将这些气体液化;所谓燃烧 室回流口是为了向燃烧室回流排气(或排气中的某一组分)所设置的气体导出 口,回流口的位置可以设置在从排气道到膨胀单元之间的排气流经的通道上的 任何部位, 具体位置可根据燃烧室的燃烧状况和工作循环选定; 所谓冷工质入 口是指外燃式动力系统中进入加热器的工质入口,在这里所谓加热器是指以排 气为热源加热作功工质的装置, 类似于蒸汽热动力系统中的锅炉, 而冷工质入 口相当于蒸汽热动力系统中的锅炉的回水入口。
本发明的有益效果如下:
1、 本发明可高效地对热动力系统中的排气进行冷却、 液化和 /或固化。
2、 本发明所公开的压縮式排气自身冷却系统可高效的实现热动力系统的 气相闭合循环, 减少或消除热动力系统对环境的排放。
附图说明
图 1为本发明实施例 1的结构示意图;
图 2为本发明实施例 2的结构示意图;
图 3为本发明实施例 3的结构示意图;
图 4为本发明实施例 4的结构示意图;
图 5为本发明实施例 5的结构示意图;
图 6为本发明实施例 6的结构示意图;
图 7为本发明实施例 7的结构示意图;
图 8为本发明实施例 8的结构示意图;
图 9和图 12为本发明实施例 9的结构示意图;
图 10为本发明实施例 10的结构示意图; 图 1 1为本发明实施例 1 1的结构示意图;
图 13为本发明实施例 12的结构示意图。
具体实施方式 实施例 1
如图 1所示的压縮式排气自身冷却系统, 包括热动力系统 1、 热动力系统 排气道 2、 排气热动力单元 3、 压气机 4、 第一排热器 5、 第二排热器 51和膨 胀单元 6, 热动力系统 1的热动力系统排气道 2与排气热动力单元 3的进气口 连通, 排气热动力单元 3的排气口与第一排热器 5的被冷却气体入口连通, 第 一排热器 5的被冷却气体出口与压气机 4的压气机进气口 401连通, 压气机 4 的压縮气体出口 402与第二排热器 51的被冷却气体入口连通, 第二排热器 51 的被冷却气体出口与膨胀单元 6的进气口连通, 排气热动力单元 3对压气机 4 输出动力或对压气机 4补偿性输出动力。
实施例 2
如图 2所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 1的区别在于: 排气 热动力单元 3设为动力透平 301, 热动力系统排气道 2中的排气通过动力透平 301 对外作功降温再经第一排热器 5排热降温后进入压气机进气口 401。 压气 机 4设为活塞式压气机 406。 膨胀单元 6上设冷气体液固物出口 601。
实施例 3
如图 3所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 2的区别在于: 排气 热动力单元 3设为活塞式作功机构 333, 热动力系统排气道 2中的排气通过活 塞式作功机构 333对外作功降温再经第一排热器 5排热降温后进入压气机进气 口 401。 压气机 4设为涡轮压气机 405。
实施例 4
如图 4所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 1的区别在于: 排气 热动力单元 3和第一排热器 5组成的系统设为外燃式动力系统 302, 在外燃式 动力系统 302内热动力系统排气道 2中的排气加热工质 A311 , 工质 A31 1汽化 推动作功机构 303, 作功机构 303对压气机 4输出动力或对压气机 4补偿性输 出动力,热动力系统排气道 2中的排气在外燃式动力系统 302中放热降温后进 入压气机进气口 401。 膨胀单元 6上设冷气体液固物出口 601。
实施例 5
如图 5所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 4的区别在于: 膨胀 单元 6设为节流器 61,经第二排热器 51冷却降温后的排气在节流器 61中膨胀 降温和 /或相变。
实施例 6
如图 6所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 4的区别在于: 膨胀 单元 6设为膨胀动力单元 62, 膨胀动力单元 62对外输出动力或对压气机 4输 出动力,经第二排热器 51冷却降温后的排气在膨胀动力单元 62中膨胀作功降 温和 /或相变。
实施例 7
如图 7所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 1的区别在于: 设连 通压气机进气口 401和膨胀单元 6出口的未凝气回流管 88,未凝气经未凝气回 流管 88回流到压气机进气口 401处被进一步压縮。 膨胀单元 6上设冷气体液 固物出口 601。
实施例 8
如图 8所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 1的区别在于: 在热 动力系统排气道 2和膨胀单元 6之间的排气所流经的通道上设燃烧室回流口 100, 燃烧室回流口 100与热动力系统 1 的燃烧室连通。 膨胀单元 6上设冷气 体液固物出口 601。
实施例 9
如图 9或图 12所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 1 的区别在 于: 排气热动力单元 3设为外燃式动力系统 302, 在外燃式动力系统 302中排 气加热工质 A311,工质 A311汽化推动作功机构 303,作功机构 303对压气机 4 输出动力或对压气机 4补偿性输出动力,在外燃式动力系统 302中经作功冷却 冷凝后的工质 A31 1经第一排热器 5吸热后进入第二排热器 51最后再进入外燃 式动力系统 302的冷工质入口 312。 膨胀单元 6上设冷气体液固物出口 601。 实施例 10
如图 10所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 1 的区别在于: 膨 胀单元 6设为膨胀动力单元 62, 利用膨胀动力单元 62的输出功推动第二压气 机 331对排气进行进一步压縮,且在第二压气机 331之后设有另一个膨胀单元 6, 在膨胀动力单元 62和第二压气机 331之间、 在第二压气机 331和所述另一 个膨胀单元 6之间分别设有第二排热器 51,所述另一个膨胀单元 6上设冷气体 液固物出口 601。
实施例 11
如图 11所示的压縮式排气自身冷却系统, 其与实施例 2的区别在于: 排 气热动力单元 3设为动力透平 301, 热动力系统排气道 2中的排气通过动力透 平 301对外作功降温再经第一排热器 5排热降温后进入压气机进气口 401。 压 气机 4设为涡轮压气机 405, 膨胀单元 6设为膨胀动力单元 62, 并且动力透平 301、 涡轮压气机 405和膨胀动力单元 62同轴设置。
实施例 12
如图 13所示的压縮式排气自身冷却系统,包括热动力系统 1、热动力系统 排气道 2、 压气机 4、 工质 A膨胀动力单元 661和膨胀动力单元 62, 其特征在 于: 热动力系统 1的热动力系统排气道 2与压气机 4的气体入口连通, 压气机 4的气体出口与工质 A热交换器 999的被冷却流体入口连通, 工质 A热交换器 999的被冷却流体出口与膨胀动力单元 62的气体入口连通, 工质 A热交换器 999的被加热流体出口与工质 A膨胀动力单元 661的气体入口连通, 工质 A膨 胀动力单元 661的气体出口经散热器 110与液体高压泵 1 11的液体入口连通, 液体高压泵 11 1的液体出口与工质 A热交换器 999的被加热流体入口连通, 工 质 A膨胀动力单元 661和膨胀动力单元 62对压气机 4输出动力或对压气机 4 补偿性输出动力。
显然, 本发明不限于以上实施例, 还可以有许多变形。 本领域的普通技术 人员, 能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形, 均应认为是本发 明的保护范围。

Claims

权 利 要 求
1、 一种压縮式排气自身冷却系统, 包括热动力系统 (1 )、 热动力系统排 气道(2)、 排气热动力单元(3)、 压气机(4)、 第一排热器 (5)、 第二排热器 (51 ) 和膨胀单元 (6), 其特征在于: 所述热动力系统 (1 ) 的所述热动力系 统排气道(2) 与所述排气热动力单元(3) 的进气口连通, 所述排气热动力单 元(3) 的排气口与所述第一排热器(5) 的被冷却气体入口连通, 所述第一排 热器 (5) 的被冷却气体出口与所述压气机(4) 的压气机进气口 (401 ) 连通, 所述压气机(4) 的压縮气体出口 (402) 与所述第二排热器 (51 ) 的被冷却气 体入口连通, 所述第二排热器 (51 ) 的被冷却气体出口与所述膨胀单元 (6) 的进气口连通, 所述排气热动力单元(3)对所述压气机 (4)输出动力或对所 述压气机 (4) 补偿性输出动力。
2、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 所述排 气热动力单元(3)设为动力透平 (301 ), 所述热动力系统排气道(2) 中的排 气通过所述动力透平(301 )对外作功降温再经所述第一排热器(5)排热降温 后进入所述压气机进气口 (401 )。
3、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 所述排 气热动力单元 (3) 设为活塞式作功机构 (333), 所述热动力系统排气道 (2) 中的排气通过所述活塞式作功机构 (333) 对外作功降温再经所述第一排热器
(5) 排热降温后进入所述压气机进气口 (401 )。
4、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 所述排 气热动力单元 (3) 和所述第一排热器 (5) 组成的系统设为外燃式动力系统
(302), 在所述外燃式动力系统(302) 内所述热动力系统排气道(2) 中的排 气加热工质 A (311 ), 所述工质 A (311 )汽化推动作功机构 (303), 所述作功 机构 (303) 对所述压气机 (4) 输出动力或对所述压气机 (4) 补偿性输出动 力, 所述热动力系统排气道(2) 中的排气在所述外燃式动力系统(302) 中放 热降温后进入所述压气机进气口 (401 )。
5、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 所述膨 胀单元(6)设为节流器 (61 ), 经所述第二排热器 (51 ) 冷却降温后的排气在 所述节流器 (61 ) 中膨胀降温和 /或相变。
6、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 所述膨 胀单元(6)设为膨胀动力单元(62), 所述膨胀动力单元(62)对外输出动力 或对所述压气机 (4) 输出动力, 经第二排热器 (51 ) 冷却降温后的排气在所 述膨胀动力单元 (62) 中膨胀作功降温和 /或相变。
7、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 设连通 所述压气机进气口 (401 ) 和所述膨胀单元 (6) 出口的未凝气回流管 (88), 未凝气经所述未凝气回流管 (88) 回流到所述压气机进气口 (401 ) 处被进一 步压縮。
8、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 在所述 热动力系统排气道(2)和所述膨胀单元(6)之间的排气所流经的通道上设燃 烧室回流口 (100), 所述燃烧室回流口 (100) 与所述热动力系统(1 ) 的燃烧 室连通。
9、 根据权利要求 1 所述压縮式排气自身冷却系统, 其特征在于: 所述排 气热动力单元(3)设为外燃式动力系统(302), 在所述外燃式动力系统(302) 中排气加热工质 A (311 ), 所述工质 A (311 )汽化推动作功机构 (303), 所述 作功机构 (303) 对所述压气机 (4) 输出动力或对所述压气机 (4) 补偿性输 出动力,在所述外燃式动力系统(302)中经作功冷却冷凝后的所述工质 A(311 ) 经所述第一排热器 (5) 吸热后进入所述第二排热器 (51 ) 最后再进入所述外 燃式动力系统 (302) 的冷工质入口 (312)。
10、 一种压縮式排气自身冷却系统, 包括热动力系统(1 )、 热动力系统排 气道 (2)、 压气机 (4)、 工质 A膨胀动力单元 (661 ) 和膨胀动力单元 (62), 其特征在于: 所述热动力系统(1 ) 的所述热动力系统排气道(2) 与所述压气 机(4)的气体入口连通,所述压气机(4)的气体出口与工质 A热交换器(999) 的被冷却流体入口连通, 所述工质 A热交换器 (999) 的被冷却流体出口与所 述膨胀动力单元 (62) 的气体入口连通, 所述工质 A热交换器 (999) 的被加 热流体出口与所述工质 A膨胀动力单元 (661 ) 的气体入口连通, 所述工质 A 膨胀动力单元 (661 ) 的气体出口经散热器 (110) 与液体高压泵 (111 ) 的液 体入口连通,所述液体高压泵(111)的液体出口与所述工质 A热交换器(999) 的被加热流体入口连通, 所述工质 A膨胀动力单元 (661) 和所述膨胀动力单 元 (62) 对所述压气机 (4) 输出动力或对所述压气机 (4) 补偿性输出动力。
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