低熵混燃氣體液化物發(fā)動機的制作方法 2

低熵混燃氣體液化物發(fā)動機的制作方法2

低熵混燃氣體液化物發(fā)動機的制作方法專利名稱:低熵混燃氣體液化物發(fā)動機的制作方法技術(shù)領(lǐng)域:本創(chuàng)造涉及熱能與動力領(lǐng)域,尤其是一種發(fā)動機。

背景技術(shù):利用液氮、液體二氧化碳等液化氣體作氣動發(fā)動機的討論以及利用內(nèi)燃發(fā)動機的余熱為液化氣體供應(yīng)熱量提高氣動發(fā)動機做功力量的討論,已在多個國家和多個討論機構(gòu)進行。

但由于液化氣體傳熱系數(shù)低及系統(tǒng)簡單等緣由,這類發(fā)動機始終沒有得到廣泛應(yīng)用。

為此,急需創(chuàng)造一種結(jié)構(gòu)更加合理能廣泛應(yīng)用的利用液化氣體的新型高效發(fā)動機。

創(chuàng)造內(nèi)容為了解決上述問題,本創(chuàng)造提出的技術(shù)方案如下一種低熵混燃氣體液化物發(fā)動機,包括氣體液化物儲罐、高壓發(fā)動機和低壓做功機構(gòu),所述氣體液化物儲罐經(jīng)高壓泵與所述高壓發(fā)動機的燃燒室連通,所述燃燒室的排氣道與所述低壓做功機構(gòu)的工質(zhì)入口連通。

所述高壓發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)設(shè)在所述高壓泵與所述燃燒室之間的連通通道上,所述高壓發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的承壓力量大于20。

所述低熵混燃氣體液化物發(fā)動機還包括水箱和所述低壓做功機構(gòu)的冷卻系統(tǒng),所述水箱經(jīng)高壓水泵與所述低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)的工質(zhì)入口連通,所述低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)的工質(zhì)出口與所述燃燒室連通。

在所述氣體液化物儲罐與所述高壓發(fā)動機的燃燒室之間的連通通道上設(shè)熱交換器。

所述熱交換器設(shè)為環(huán)境熱交換器。

所述熱交換器設(shè)為排氣熱交換器。

所述排氣熱交換器的被冷卻流體入口與所述低壓做功機構(gòu)的工質(zhì)出口連通。

在所述排氣熱交換器上設(shè)冷凝水出口。

所述低壓做功機構(gòu)設(shè)為活塞式做功機構(gòu),所述冷凝水出口經(jīng)高壓水泵與所述活塞式做功機構(gòu)的低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)連通,所述低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)與所述燃燒室連通和或與所述活塞式做功機構(gòu)的氣缸連通。

在所述低壓做功機構(gòu)的工質(zhì)出口和所述排氣熱交換器之間設(shè)回?zé)崞?所述排氣熱交換器的被冷卻流體出口與葉輪壓氣機連通,所述葉輪壓氣機的壓縮氣體出口與所述回?zé)崞鞯谋患訜崃黧w入口連通,所述回?zé)崞鞯谋患訜崃黧w出口與回?zé)釀恿u輪連通,所述回?zé)釀恿u輪對所述葉輪壓氣機輸出動力。

所述低壓做功機構(gòu)設(shè)為活塞式做功機構(gòu),所述排氣熱交換器的被冷卻流體出口與葉輪壓氣機連通,所述葉輪壓氣機的壓縮氣體出口與所述活塞式做功機構(gòu)的低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)連通,所述低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)動力渦輪連通,所述冷卻系統(tǒng)動力渦輪對所述葉輪壓氣機輸出動力。

在所述排氣熱交換器上設(shè)液體二氧化碳出口。

在所述排氣熱交換器上設(shè)干冰出口。

在所述排氣熱交換器和所述氣體液化物儲罐之間設(shè)排氣深度冷卻器,所述排氣深度冷卻器與所述排氣熱交換器連通。

所述低壓做功機構(gòu)的做功機構(gòu)排氣道與所述排氣熱交換器的被冷卻流體入口連通。

所述排氣熱交換器的被冷卻流體出口與氣液分別器連通。

所述氣液分別器的液體出口與所述水箱連通。

所述低壓做功機構(gòu)設(shè)為活塞式做功機構(gòu)。

所述活塞式做功機構(gòu)的低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)的工質(zhì)入口與所述高壓泵的出口連通,所述低壓做功機構(gòu)冷卻系統(tǒng)的工質(zhì)出口與所述燃燒室連通。

所述氣體液化物儲罐與所述燃燒室連通處的承壓力量大于3。

所述低熵混燃氣體液化物發(fā)動機還包括二氧化碳液化器,所述低壓做功機構(gòu)的做功機構(gòu)排氣道與所述二氧化碳液化器連通,所述二氧化碳液化器的液體出口與液體二氧化碳儲罐連通或與所述氣體液化物儲罐連通。

所述高壓發(fā)動機的膨脹比和所述低壓做功機構(gòu)的膨脹比相同。

在所述低壓做功機構(gòu)的工質(zhì)出口處設(shè)排氣動力渦輪。

一種提高所述低熵混燃氣體液化物發(fā)動機效率和環(huán)保性的方法,調(diào)整即將開頭做功的氣體工質(zhì)的壓力到15以上,調(diào)整即將開頭做功的氣體工質(zhì)的溫度到2700以下,使即將開頭做功的氣體工質(zhì)的溫度和壓力符合類絕熱關(guān)系。

本創(chuàng)造中,、4、、5、、6、、7、、8、、9、、10、、、、12、、13、、14、、15、、16、、17、、18、、19、、20、、21、、22、、23、、24、、25、、26、、27、、28、、29、、30、、31、、32、、33、、34、、35、、36、、37、、38、、39、、40、、41、、42、、43、、44、、45、、46、、47、、48、、49、,相應(yīng)地,可使所述氣體液化物儲罐與所述燃燒室連接處的承壓力量設(shè)置為上述數(shù)值,從而可以滿意所述氣體液化物儲罐中的氣體液化物導(dǎo)入所述燃燒室時的壓力的要求。

本創(chuàng)造的原理是將通過所述高壓泵加壓后的氣體液化物以液體的形式或以臨界狀態(tài)的形式或以超高壓氣體的形式導(dǎo)入如噴射所述高壓發(fā)動機的所述燃燒室內(nèi)燃燒室內(nèi)、氣缸內(nèi)或燃氣輪機的殼體內(nèi),使所述氣體液化物受熱增加參加做功的工質(zhì)的摩爾數(shù),從而增加壓力,提高所述高壓發(fā)動機的做功力量,然后將膨脹做功后的高壓氣體在所述低壓做功機構(gòu)中進行進一步膨脹做功,提高整個熱動力系統(tǒng)的效率。

本創(chuàng)造中,所述氣體液化物的導(dǎo)入會使所述燃燒室內(nèi)的溫度下降,熱容量增加,可以大幅度降低燃燒的溫度,因此可以規(guī)避氮氧化物的生成。

不僅如此,由于氣體液化物的導(dǎo)入可以在燃燒室內(nèi)形成猛烈湍動,增加燃料與氣體的混合,提高燃燒效率,削減一氧化碳和固體顆粒物的排放。

所述氣體液化物的導(dǎo)入雖然可以降低燃燒室內(nèi)的溫度,但是由于氣相摩爾數(shù)的增加,會使壓力不降低或者提聞或者有大幅度提聞,因此,雖然溫度下降但其做功力量和效率都會提聞。

為了進一步說明本創(chuàng)造的原理,現(xiàn)利用圖18說明如下傳統(tǒng)內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的氣體工質(zhì)的最高能量狀態(tài)即燃燒爆炸剛剛完了時的氣體工質(zhì)狀態(tài),此時氣體工質(zhì)的溫度和壓力都是處于整個循環(huán)中的最高狀態(tài)是由兩個過程組成的第一個過程是活塞對氣體進行絕熱壓縮實際上是近似絕熱壓縮將氣體的溫度和壓力根據(jù)=1^其中,1是常數(shù)的關(guān)系進行增壓增溫見圖18中的-所示的曲線;其次個過程是向氣體內(nèi)噴入燃料由燃燒化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量在近乎等容加熱的狀態(tài)下將氣體的溫度和壓力根據(jù)=其中,2是常數(shù)的關(guān)系進行增溫增壓見圖18中的-所示的直線。

由這兩個過程共同作用使工質(zhì)處于做功即將開頭狀態(tài),做功沖程是根據(jù)絕熱膨脹過程實際上是近似絕熱膨脹進行的見圖18中的-所示的曲線,在這個絕熱膨脹過程中,在對外輸出功的同時,工質(zhì)根據(jù)=3^其中,3是常數(shù)的關(guān)系降壓降溫直至做功沖程完了點所示的狀態(tài)。

換句話說,達到工質(zhì)最高能量狀態(tài)是通過兩個不同過程實現(xiàn)的,而由工質(zhì)最高能量狀態(tài)達到做功沖程完了時的狀態(tài)是由一個絕熱膨脹過程實現(xiàn)的。

由于達到能量最高狀態(tài)的過程中包括了一個燃燒化學(xué)反應(yīng)放熱升溫的過程,此過程的溫度和壓力關(guān)系式為=,不難看出工質(zhì)最高能量狀態(tài)下見圖18中的點所示的狀態(tài),溫度處于“過剩”狀態(tài)所謂的“過剩”溫度是指根據(jù)絕熱膨脹的關(guān)系為了達到某一終點狀態(tài),在起點狀態(tài)下工質(zhì)的實際溫度高于理論上所需要的溫度,“過剩”的溫度導(dǎo)致膨脹過程的曲線處于高溫位置在圖18中向右移動,圖18是縱軸為壓力坐標(biāo)橫軸為溫度坐標(biāo)的壓力溫度關(guān)系圖,形成做功沖程完了時,溫度仍舊相當(dāng)高的狀態(tài)如圖18中曲線-所示的曲線上的點所示的狀態(tài),由圖18中點所示的狀態(tài)不難看出:‘即做功沖程完了時的工質(zhì)溫度,也就是低溫?zé)嵩吹臏囟热耘f處于較高狀態(tài),也就是說仍舊有相當(dāng)?shù)臒崃吭诠べ|(zhì)內(nèi)而沒有變勝利,這部分熱量全部白白排放至環(huán)境,因此,效率會處于較低狀態(tài)。

在圖18中由-所示的曲線是傳統(tǒng)發(fā)動機壓縮沖程的曲線,由-所示的直線是傳統(tǒng)發(fā)動機燃燒爆炸中的溫度壓力變化直線,假如我們將大氣中的空氣進行壓縮至點后向氣缸內(nèi)導(dǎo)入氣體液化物無論氣體液化物處于液體、臨界狀態(tài)還是高壓低溫氣體狀態(tài),由于氣體液化物的壓力可以處于遠遠高于點的壓力,而且其溫度不會高于點溫度,這時氣缸內(nèi)的狀態(tài)點將向點的左上方移動,例如達到點,從點開頭燃燒室內(nèi)發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)時的壓力溫度關(guān)系按-所示線段達到點,從點開頭膨脹做功達到點,不難看出,點的溫度要遠遠低于點的溫度,因此,-過程的效率要大幅度高于-過程。

圖18中-所示的曲線是向所述爆排發(fā)動機內(nèi)充入所述含氧氣體液化物的過程,-所示的直線是燃燒爆炸過程中的壓力溫度變化的直線,-所示的曲線是從點所示的狀態(tài)開頭進行絕熱膨脹做功的曲線,不難看出,其巧的值大幅度降低。

經(jīng)計算可知,點至點的膨脹過程的效率大幅度高于點至點的膨脹過程的效率。

如圖18所示,本創(chuàng)造中,無論是設(shè)有內(nèi)燃機的方案,還是設(shè)有爆排發(fā)動機的方案,都能使燃燒后的工質(zhì)的壓力溫度狀態(tài)點處于曲線--上或處于曲線--左方,則膨脹做功后的工質(zhì)溫度將可達到等于點的溫度或低于點的溫度的狀態(tài),這樣將使系統(tǒng)的效率大幅度提高。

本創(chuàng)造中,所謂的環(huán)保性是衡量發(fā)動機污染排放的指標(biāo),環(huán)保性高發(fā)動機排放污染少,環(huán)保性低發(fā)動機排放污染多。

本創(chuàng)造中,圖19是氣體工質(zhì)的溫度和壓力的關(guān)系圖,--;點為氣體工質(zhì)的實際狀態(tài)點,--所示曲線是通過點的絕熱關(guān)系曲線,點和點的壓力相同;-所示曲線是通過2800和即目前內(nèi)燃機中即將開頭做功的氣體工質(zhì)的狀態(tài)點的工質(zhì)絕熱關(guān)系曲線。

本創(chuàng)造中,圖19中的=中的是氣體工質(zhì)絕熱指數(shù),是氣體工質(zhì)的壓力,是氣體工質(zhì)的溫常數(shù)。

本創(chuàng)造中,即工質(zhì)的溫度和壓力點在所述工質(zhì)絕熱關(guān)系曲線上,即氣體工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)點在圖19中--所示曲線上;即工質(zhì)的溫度和壓力點在所述工質(zhì)絕熱關(guān)系曲線左側(cè),即氣體工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)點在圖19中--所示曲線的左側(cè);即工質(zhì)的溫度和壓力點在所述工質(zhì)絕熱關(guān)系曲線右側(cè),即氣體工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)點在圖19中--所示曲線的右側(cè),但是氣體工質(zhì)的溫度不高于由此氣體工質(zhì)的壓力按絕熱關(guān)系計算所得溫度加1000的和、加950的和、加900的和、加850的和、加800的和、力口750的和、加700的和、加650的和、加600的和、加550的和、加500的和、加450的和、加400的和、加350的和、加300的和、加250的和、加200的和、加190的和、力口180的和、加170的和、加160的和、加150的和、加140的和、加130的和、加120的和、加的和、加100的和、加90的和、加80的和、加70的和、加60的和、加50的和、加40的和、加30的和或不高于加20的和,即如圖19所示,所述氣體工質(zhì)的實際狀態(tài)點為點,點是壓力與點相同的絕熱關(guān)系曲線上的點,點和點之間的溫差應(yīng)小于1000、950、900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、350、300、250Κ、200Κ、190Κ、180Κ、170Κ、160Κ、150Κ、140Κ、130Κ、120Κ、110Κ、100、90、80、70、60、50Κ、40Κ、30Κ或小于20Κ。

本創(chuàng)造中,所謂類絕熱關(guān)系可以是上述三種狀況中的任何一種,也就是指即將開頭做功的氣體工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)即氣體工質(zhì)的溫度和壓力點在如圖19所示的通過點的絕熱過程曲線--的左側(cè)區(qū)域內(nèi)。

本創(chuàng)造中,所謂的“即將開頭做功的氣體工質(zhì)”是指在做功沖程或做功過程即將開頭時自身即將開頭膨脹推動做功機構(gòu)做功的氣體工質(zhì)。

本創(chuàng)造中,將即將開頭做功的氣體工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)即氣體工質(zhì)的溫度和壓力符合類絕熱關(guān)系的發(fā)動機系統(tǒng)即熱動力系統(tǒng)定義為低熵發(fā)動機。

本創(chuàng)造中,調(diào)整充入所述燃燒室內(nèi)的氣體液化物的量、溫度和壓力,以及噴入所述燃燒室的燃油的量,進而調(diào)整即將開頭做功的氣體工質(zhì)的壓力到15以上,調(diào)整即將開頭做功的氣體工質(zhì)的溫度到2700以下,使即將開頭做功的氣體工質(zhì)的溫度和壓力符合類絕熱關(guān)系。

本創(chuàng)造中,所述氣體液化物例如液氮、液化空氣等的氣化潛熱約為水的非常之一左右,因此,向燃燒室內(nèi)導(dǎo)入所述氣體液化物比向所述燃燒室內(nèi)噴水要具有明顯優(yōu)勢,而且不存在冷凍和銹蝕等問題。

所述氣體液化物本身或在汲取環(huán)境熱后也具有相當(dāng)強的做功力量,由于氣體液化物要么是處于低溫狀態(tài),要么是處于高壓狀態(tài),所述氣體液化物實質(zhì)上是相當(dāng)于一個蓄能電池,經(jīng)計算可知,所述氣體液化物的能量密度與蓄電池相當(dāng)。

制造氣體液化物時,可以利用谷電或不穩(wěn)定電源,例如風(fēng)電、太陽能電等,從而提高氣體液化物生產(chǎn)過程的環(huán)保性。

不妨可以設(shè)想,將風(fēng)電或太陽能電不入電網(wǎng),而直接用于生產(chǎn)氣體液化物,風(fēng)電廠和太陽能電廠的產(chǎn)品不是電而是氣體液化物,這就相當(dāng)于將電能以氣體液化物的形式儲存起來供本創(chuàng)造所公開的低熵混燃氣體液化物發(fā)動機使用。

這樣就可以大幅度提高不穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)例如風(fēng)電廠、太陽能電廠以及水電廠,這些電廠由于風(fēng)的有無和大小,天氣的陰晴以及水源的波動會造成發(fā)電力量的人為不行控,有時不得不白白鋪張發(fā)電力量的使用效率,節(jié)約自然資源。

本創(chuàng)造中,也可以向所述燃燒室內(nèi)導(dǎo)入空氣,所述氣體液化物與從進氣道進入的空氣在燃燒室內(nèi)燃燒室內(nèi)、氣缸內(nèi)或燃氣輪機的殼體內(nèi)進行混合傳熱,這就從根本上轉(zhuǎn)變了以往利用傳熱界面如熱交換器使氣體液化物吸熱的傳熱方式,使傳熱效率從本質(zhì)上大幅度提聞,從而削減系統(tǒng)的體積和重量。

在本創(chuàng)造中,可以將燃燒化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳液化加以回收,液化二氧化碳是非常有價值的原料。

本創(chuàng)造中,所謂的排氣深度冷卻器是指能夠?qū)⑴艢庵械亩趸家夯?甚至固化成干冰的裝置。

本創(chuàng)造中,所公開的低熵混燃氣體液化物發(fā)動機可以通過調(diào)整進入所述燃燒室內(nèi)的所述氣體液化物的量和狀態(tài)氣態(tài)、液態(tài)、臨界態(tài)、不同溫度和壓力以及所述高壓發(fā)動機的燃油噴射量,使本創(chuàng)造所公開的低熵混燃氣體液化物發(fā)動機達到最佳工作狀態(tài)。

本創(chuàng)造中,所謂高壓發(fā)動機是指傳統(tǒng)意義上的高壓內(nèi)燃機,包括活塞式發(fā)動機、燃氣輪機等一切利用內(nèi)燃方式進行熱功轉(zhuǎn)換的系統(tǒng);所謂氣體液化物是指被液化的氣體,如液氮、液氦、液體二氧化碳或液化空氣,所謂氣體液化物儲罐是指液化氣體源,例如液化空氣儲罐、液氮儲罐、液態(tài)二氧化碳儲罐等;所謂的燃燒室是指能夠發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)的腔體;所謂燃燒室壁包括燃燒室的壁以及與燃燒室連通的氣體膨脹做功的腔體,例如活塞式高壓發(fā)動機中的氣缸壁、氣缸蓋和活塞所構(gòu)成的腔體,再例如燃氣輪機中的燃氣輪機殼體、輪機燃燒室以及渦輪所構(gòu)成的腔體。