冷能液態空氣(液氮)發動機體系的製作方法

2023-09-21 08:14:15

冷能液態空氣(液氮)發動機體系的製作方法
【專利摘要】一種能夠利用液態空氣(液氮)氣化做朗肯循環時產生的冷能做有用功的冷能液態空氣(液氮)發動機體系。它是由液態空氣罐、低溫液體泵、熱交換器、等溫壓縮機、等溫氣動發動機(膨脹機)等構成，循環工質為液態空氣或液氮，它利用液態空氣做朗肯循環和液態空氣產生的冷能做有效功。在體系中最大程度的利用了液態空氣(液氮)有效能，從而達到高效節能的目的。在體系中，只有同一種工質即空氣，同一個氣動發動機輸出動力，所以體系比較簡單，不存在工質洩漏、爆炸、汙染問題、液態空氣在氣化時不會有結霜現象。液態空氣(液氮)發動機體系使用在城市交通車輛時，起到製冷空調、淨化城市空氣、降低霧霾現象、降低城市熱島效應的作用。
【專利說明】冷能液態空氣(液氮)發動機體系
所屬【技術領域】
[0001]本發明涉及一種液態空氣(液氮)發動機體系,尤其是可以回收利用的液態空氣(液氮)氣化時產生的冷能做有用功的液態空氣(液氮)發動機體系。
【背景技術】
[0002]目前，公知的液態空氣發動機是液態空氣(液氮)作為工質在環境空氣中吸熱氣化，在氣動機(膨脹機)中膨脹做功的朗肯循環方式，做功後，工質排出體系進入環境空氣。由於液態空氣(液氮)氣化時需要大量的熱量，產生了大量的冷能(液態空氣蒸發焓)，如果僅利用液態空氣(液氮)做朗肯循環，不僅浪費的大量的冷能，而且液態空氣在蒸發氣化產生的低溫會造成蒸發器表面結霜將大大降低發動機做功效率。為了提高循環效率，人們又提出了液氮朗肯循環+斯特林循環的拔頂循環方式和液氮朗肯循環+布雷頓循環拔頂循環方式，還有低溫劑拔頂循環方式。在液氮朗肯循環+斯特林循環的拔頂循環方式以及液氮朗肯循環+布雷頓循環拔頂循環方式中，由於布雷頓循環和斯特林循環的工質都是米用氦氣，氦氣為稀有氣體，成本高昂，而且還有工質洩漏的情況，而且作為兩套系統，就有兩套動力輸出，系統比較複雜，故難以實用化。低溫劑拔頂循環方式採用多套朗肯循環方式，如工質用甲烷、乙烷、液氮組成朗肯拔頂循環方式也明顯提高了體系的循環效率，但是甲烷、乙烷都為易燃易爆工質，並且是多套體系，體系有多套動力輸出，體系更為複雜，更難以實用化。

【發明內容】

[0003]為了克服現有的液態空氣(液氮)發動機循環體系不能充分利用冷能(低溫工質汽化焓和汽化後產生的低溫環境)、蒸發器結霜等原因造成的效率低下、以及各種拔頂循環體系複雜難以實現的不足，本發明提供了一種回收利用液態空氣(液氮)在氣化時產生的大量冷能做有用功的冷能液態空氣(液氮)發動機體系。本體系不僅利用液態空氣或液氮做朗肯循環，還利用卡諾循環原理，將液態空氣(液氮)氣化時產生的冷能作為冷源，環境空氣作為熱源，氣動發動機的尾氣(空氣)作為工質用以體系的拔頂循環，該體系利用氣動機的尾氣餘熱和熱泵原理給液態空氣(液氮)供熱以使液態空氣(液氮)氣化，整個體系所採用的工質為同一種工質，而且整個體系只有一個動力輸出，整個體系得到的功為朗肯技術功+卡諾拔頂循環功之和，從而大大提高了液態空氣(液氮)發動機的效率，也大大提高了實用性。
[0004]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:冷能液態空氣發動機體系採用液態空氣或液氮作為做功工質，不僅利用液態空氣(液氮)氣化產生的高壓空氣驅動氣動機做功,還利用液態空氣或液氮作為冷源,環境空氣作為熱源,氣動發動機的尾氣(空氣)作為工質用以卡諾循環，在氣動機得到的有用功為朗肯技術功+卡諾循環功之和。
[0005]體系是由液態空氣罐、低溫液體泵、熱交換器、等溫壓縮機、等溫氣動機(膨脹機)等構成。其中，液態空氣罐⑴的出液管與低溫液體泵⑵的進液管相連接，低溫液體泵(2)的出液管與液態空氣熱交換器(3)的進液管(27)相連接，液態空氣熱交換器(3)的出液管
(28)與等溫壓縮機內部換熱器(4)的進液管(24)相連接，等溫壓縮機內部換熱器(4)的出氣管(25)與再熱熱交換器(5)的進氣管(29)相連接，再熱熱交換器(5)的出氣管(30)與環境熱交換器(6)的進氣管相連接，環境熱交換器(6)的出氣管再依次與電磁閥(22)、流量控制閥(23)相連接，流量控制閥(23)的出氣管與等溫氣動發動機(7)的進氣管相連接，等溫氣動機(7)的排氣管有兩個分支，一個分支與再熱熱交換器(5)的另一個進氣管(31)相連接，再熱熱交換器(5)的另一個出氣管(32)與液態空氣熱交換器(3)的進氣管(33)相連接，液態空氣熱交換器⑶的出氣管(34)與等溫壓縮機(9)的進氣管相連接，等溫壓縮機(9)的排氣管與等溫壓縮機內部換熱器(4)的出氣管(25)並連接於再熱熱交換器(5)的進氣管(29)上，等溫氣動機(7)的排氣管的另一個分支與消聲器(14)相連接。
[0006]其工質循環原理是:液態空氣罐⑴內的液態空氣(液氮)經低溫液體泵⑵增壓後在液態空氣熱交換器(3)和等溫壓縮機內部換熱器(4)吸熱氣化，氣化後的高壓工質再到再熱熱交換器(5)吸收氣動發動機尾氣餘熱，工質再到環境熱交換器(6)吸收環境空氣熱量，最後工質再到等溫氣動機(7)做膨脹功，膨脹做功後的尾氣一部分排出體系外，另一部分經過再熱熱交換器(5)預冷，再到液態空氣熱交換器(3)被液態空氣(液氮)氣化時產生的冷能冷卻，最後被等溫壓縮機(9)等溫壓縮，壓縮後的工質與做朗肯循環的工質合併一起到環境空氣中吸熱，最後到等溫氣動機(7)膨脹做功，完成一個液態空氣的朗肯循環+卡諾循環的拔頂循環。
[0007]本發明的有益效 果是，一、體系最大程度的利用了液態空氣或液氮氣化時產生的冷能用來增加體系的有用功；從而達到高效節能的目的，二、液態空氣(液氮)在氣化時不需要直接從環境空氣中吸熱氣化，而是吸收的氣動發動機尾氣的餘熱氣化，所以液態空氣(液氮)在氣化時體系不會有結霜現象；三、在整個體系循環中都是同一種工質即空氣，所以不存在工質洩漏、爆炸、汙染問題，對環境空氣起到淨化作用；四、整個體系最大程度的將本體系產生的冷能和氣動發動機尾氣的餘熱進行了熱交換，從而減少了體系從環境空氣中吸收的熱量；五、在拔頂循環中只有一個氣動發動機(膨脹機)輸出動力和同一種工質循環，所以體系比較簡單、容易實現；六、壓縮機吸入的是膨脹做功後的尾氣，它是純淨的空氣，裡面沒有水分和灰塵，所以系統不會出現冰堵和髒堵；七、工質在膨脹做功時會吸收大量的熱量，起到製冷空調的作用；八、液態空氣(液氮)發動機體系作為城市交通機動車發動機體系時，起到清潔淨化城市空氣、降低霧霾現象、降低城市熱島效應的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]下面結合附圖對本發明進一步說明。
[0009]圖1是本發明的循環原理圖。
[0010]圖2是冷能液態空氣(液氮)發動機體系的等溫膨脹機和等溫壓縮機示意圖。
[0011]圖3是冷能液態空氣(液氮)發動機體系用在汽車減速制動時的氣體循環示意圖。
[0012]圖中1.液態空氣罐，2.低溫液體泵，3.液態空氣熱交換器，4.等溫壓縮機內部換熱器，5.再熱熱交換器，6.環境熱交換器，7.等溫氣動機，8.廢氣排氣口，9.等溫壓縮機，
10.等溫氣動機內部換熱器，11.熱交換器，12.電磁閥，13.流量控制閥，14.消聲器，15.儲氣罐，16.等溫氣動機活塞，17.等溫氣動機高壓進氣門，18.等溫氣動機排氣門，19.等溫氣動機防凍液出液管，20.等溫氣動機防凍液進液管，21.等溫壓縮機活塞，22.等溫壓縮機進氣閥片，23.等溫壓縮機排氣閥片，24.等溫壓縮機內部換熱器進液管，25.等溫壓縮機內部換熱器出氣管，26.曲軸，27.液態空氣熱交換器進液管，28.液態空氣熱交換器出液管，29.再熱熱交換器進氣管，30.再熱熱交換器出氣管，31再熱熱交換器另一個進氣管，32.再熱熱交換器另一個出氣管，33.液態空氣熱交換器進氣管,34.液態空氣熱交換器出氣管。
【具體實施方式】
[0013]在圖1中，液態空氣罐(I)的出液管與低溫液體泵(2)的進液管相連接，低溫液體泵(2)的出液管與液態空氣熱交換器進液管(27)相連接，液態空氣熱交換器出液管(28)與等溫壓縮機內部換熱器進液管(24)相連接，等溫壓縮機內部換熱器出氣管(25)與再熱熱交換器進氣管(29)相連接,再熱熱交換器出氣管(30)與環境熱交換器(6)的進氣管相連接，環境熱交換器出)的出氣管再依次與電磁閥(22)、流量控制閥(23)相連接，流量控制閥(23)的出氣管與等溫氣動機(7)的進氣管相連接，等溫氣動機(7)的排氣管有兩個分支，一個分支與再熱熱交換器另一個進氣管(31)相連接，再熱熱交換器另一個出氣管(32)與液態空氣熱交換器進氣管(33)相連接，液態空氣熱交換器出氣管(34)與等溫壓縮機(9)的進氣管相連接，等溫壓縮機(9)的排氣管與等溫壓縮機內部換熱器出氣管(25)並連接於再熱熱交換器進氣管(29)上，等溫氣動機(7)的排氣管的另一個分支與消聲器(14)相連接。
[0014]液態空氣罐(I)內的工質為液態空氣或液氮。液態空氣罐(I)中的液態空氣(液氮)經低溫液體泵(2)增壓至液態空氣熱交換器(3)內吸熱，工質吸熱後成為汽液混合物，工質再進入等溫壓縮機內部換熱器(4)被加熱成為氣態工質，氣化後的高壓工質再到再熱熱交換器(5)吸收氣動機尾氣餘熱，工質再到環境熱交換器(6)吸收環境空氣熱量，此時的工質已是常溫高壓的空氣，工質再到等溫氣動機(7)做膨脹功，做完膨脹功的尾氣一部分經廢氣排氣口(8)排出體系，另一部分經過再熱熱交換器(5)預冷，尾氣溫度降低，體積縮小，降溫後的尾氣再進入液態空氣熱交換器(3)被液態空氣(液氮)氣化時產生的冷能冷卻，尾氣溫度進一步降低，體積縮小，然後再被等溫壓縮機(9)等溫壓縮，壓縮後的工質與氣化後的工質合併繼續進入熱交換器(5)，由此繼續循環。
[0015]在圖1中，工質的氣化熱量來源於膨脹做功後的尾氣餘熱和壓縮機的壓縮熱。其中，熱交換器(3)起到的作用為:工質在液態空氣熱交換器(3)與尾氣熱交換，工質吸熱氣化，尾氣被冷卻溫度降低，體積縮小。
[0016]等溫壓縮機內部換熱器(4)為起到的作用為:未完全氣化的工質混合物在等溫壓縮機內部換熱器(4)吸熱直到完全氣化，液態工質與等溫壓縮機(9)熱交換，起到兩個作用，一、使液態工質吸熱氣化，二、做為冷源，降低被壓縮工質的初溫和等溫壓縮機(9)的溫度，做到準等溫壓縮，從而降低壓縮機(9)的功耗。
[0017]再熱熱交換器(5)起到的作用為:氣化後的低溫工質在熱交換器(5)熱交換，降低尾氣溫度，提高了高壓空氣的溫度，從而充分利用了工質氣化產生的冷能，減少了工質在環境熱交換器(6)的吸熱量，也就減小了環境熱交換器(6)的結霜可能性。
[0018]環境熱交換器(6)起到的作用為:工質在環境熱交換器(6)充分吸收環境熱量，使工質達到環境溫度。
[0019]等溫氣動機內部換熱器(10)起到的作用為:將防凍液的熱量傳遞給做膨脹功的工質。
[0020]熱交換器(11)的作用為:吸收環境空氣熱量，用此熱量加熱熱交換器(11)管內的防凍液(乙二醇溶液)。經過防凍液的循環將從熱交換器(11)吸收的環境空氣熱量傳遞給等溫氣動發動機內部換熱器(10)。
[0021]在體系中利用流量控制閥(13)控制氣動機(7)的轉速，利用儲氣罐(15)將多餘的高壓氣體進行存儲，電磁閥(12)氣動開通和關閉進入氣動機(7)的作用。
[0022]在整個體系最大限度的利用了液態空氣氣化時產生的冷能，降低了整個體系在環境空氣中的吸熱量，從而降低了熱交換器(6)從環境空氣中吸熱時結霜的可能性；液化空氣(液氮)氣化時，不需要直接從環境空氣中吸熱，而是利用尾氣的餘熱氣化和壓縮機的熱泵原理氣化，不僅回收利用了冷能，而且大大提高了體系的循環效率。在體系中，環境是高溫熱源，液態空氣(液氮)是低溫熱源，工質在低溫熱源等溫壓縮，在高溫熱源膨脹做功，符合熱力學原理。在體系的拔頂循環中，使用的是同一種工質，同一個氣動機(膨脹機)，同一個熱交換器(6)在環境空氣中吸熱，拔頂循環的工質為氣態，沒有相變產生，因而系統設備相對比較簡單。在系統中，通過加入拔頂循環大幅提高了液態空氣(液氮)有效能的轉換效率。在系統中，在氣動機得到的膨脹功是液態空氣(液氮)朗肯循環技術功和卡諾循環的拔頂循環功之和。
[0023]圖2是冷能液態空氣(液氮)發動機體系的等溫氣動機和等溫壓縮機示意圖，等溫氣動機氣缸頭上部安裝有高壓進氣門(17)和排氣門(18)，在氣動機氣缸頭內部有內部換熱器(10)，活塞(16)頂部有錐形肋片，氣動機氣缸頭的內部換熱器(10)為錐形肋片，內部換熱器(10)的錐形肋片與活塞(16)頂部錐形肋片互相嵌合，當氣體膨脹做功時，氣體溫度會降低，錐形肋片裡面的乙二醇防凍液為膨脹做功氣體提供熱量；等溫氣動機活塞(16)向下做功時，氣動機進氣門(17)開啟，高壓空氣進入，氣動機活塞(16)向上排氣時,工質從氣動機排氣門(18)排出；吸熱後的防凍液從氣動機防凍液進液口(20)進入，放熱後從氣動機防凍液出液口(19)排出。
[0024]等溫壓縮機(9)與傳統壓縮機不同的是壓縮機氣缸頭有內部換熱器(4)和活塞頂部有錐形肋片，壓縮機氣缸頭內部換熱器(4)為錐形肋片，氣缸頭內部換熱器(4)的錐形肋片與活塞頂部的錐形肋片互相嵌合，氣體被壓縮時會產生大量的壓縮熱，此熱量被肋片裡面的液態空氣(液氮)吸收，液態空氣(液氮)吸收壓縮熱後氣化；用以冷卻等溫壓縮機
(9)的液態空氣(液氮)從等溫壓縮機液態空氣(液氮)進液口(24)進入，氣化後從等溫壓縮機液態空氣(液氮)出液口(25)排出；當等溫壓縮機活塞(21)向下運行時，來自氣動機的尾氣由等溫壓縮機進氣閥片(22)進入，經過等溫壓縮後，工質由等溫壓縮機排氣閥片
(23)排出。在本體系循環工作時，氣動機(7)驅動等溫壓縮機(9)運轉。
[0025]圖3是冷能液態空氣(液氮)發動機體系用在汽車減速制動時的氣體循環示意圖，汽車在下坡行駛和減速制動過程中，利用等溫壓縮機(9)的壓縮空氣制動方式來減速制動，將汽車的制動能轉化為高壓空氣儲存在儲氣罐(15)中，其原理是:汽車減速制動時，低溫液體泵(2)停止工作，電磁閥(12)關閉，壓縮機(9)將環境空氣從廢氣排氣口(8)處吸入，經過壓縮機(9)的壓縮，壓縮空氣在環境熱交換器(6)散熱後，壓縮空氣進入儲氣罐(15)儲存。將減速制動能儲存有兩個優點，一、解決了汽車下坡行駛的安全問題，二、增加了汽車的續航裡程。
【權利要求】
1.一種冷能液態空氣(液氮)發動機體系，由液態空氣罐、低溫液體泵、熱交換器、等溫氣動發動機、等溫壓縮機、電磁閥、流量控制閥、儲氣罐構成，其特徵是:液態空氣罐(I)的出液管與低溫液體泵(2)的進液管相連接，低溫液體泵(2)的出液管與液態空氣熱交換器進液管(27)相連接，液態空氣熱交換器出液管(28)與等溫壓縮機內部換熱器進液管(24)相連接，等溫壓縮機內部換熱器出氣管(25)與再熱熱交換器進氣管(29)相連接，再熱熱交換器出氣管(30)與環境熱交換器(6)的進氣管相連接，環境熱交換器(6)的出氣管再依次與電磁閥(22)、流量控制閥(23)相連接，流量控制閥(23)的出氣管與等溫氣動發動機(7)的進氣管相連接，等溫氣動發動機(7)的排氣管有兩個分支，一個分支與再熱熱交換器另一個進氣管(31)相連接，再熱熱交換器另一個出氣管(32)與液態空氣熱交換器進氣管(33)相連接，液態空氣熱交換器出氣管(34)與等溫壓縮機(9)的進氣管相連接，等溫壓縮機(9)的排氣管與等溫壓縮機內部換熱器出氣管(25)並連接於再熱熱交換器進氣管(29)上，等溫氣動發動機(7)的排氣管的另一個分支與消聲器(14)相連接。
2.根據權利要求1所述的冷能液態空氣(液氮)發動機體系，其特徵是:是壓縮機氣缸頭有內部換熱器(4)和活塞頂部有錐形肋片，氣缸頭內部換熱器(4)為錐形肋片，氣缸頭內部換熱器(4)的錐形肋片與活塞(21)頂部的錐形肋片互相嵌合。
3.根據權利要求1所述的冷能液態空氣(液氮)發動機體系，其特徵是:等溫氣動機氣缸頭上部安裝有高壓進氣門(17)和排氣門(18)，在氣動機氣缸頭內部有內部換熱器(10)，活塞(16)頂部有錐形肋片，氣動機氣缸頭的內部換熱器(10)為錐形肋片，內部換熱器(10)的錐形肋片與活塞(16)頂部錐形肋片互相嵌合。
【文檔編號】F01K25/10GK103527274SQ201310498646
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】肖波 申請人:肖波